Герой американского научно-фантастического рассказа полувековой давности получил по почте набор «Сделай сам», позволяющий в домашних условиях создавать различные формы жизни, в том числе и человека. Как часто бывает, наука со временем воплощает в жизнь даже самые курьёзные фантастические идеи. Похоже, такого рода конструктор становится реальностью.
Материал опубликован на портале "Частный корреспондент".
Относительно новое направление, известное как синтетическая биология, ставит своей задачей как раз сборку организмов из готовых деталей.
Определённым признанием перспектив этого направления стал грант в 6 млн долларов, который Агентство передовых военных исследований США (DARPA) планирует выделить в 2011 году на создание искусственных живых существ.
Синтетическая биология пока что удел немногочисленного сообщества учёных: в мире ею занимаются не более ста исследовательских групп. Но нет никаких сомнений, что за ним большое будущее. «Задача состоит в том, чтобы узнать о жизни «с другого конца», не разбирая организмы, а, наоборот, собирая их из готовых фрагментов; не изменяя уже существующие виды путём внедрения новых участков в их геном, а конструируя совершенно новые формы жизни», — рассказывает директор Институт биомедицинских технологий Игорь Артюхов.
Тем более любопытно заглянуть на кухню современного DARPA и посмотреть, что ищет агентство, решение каких задач? В объявленном на 2009 год DARPA конкурсе проектов для малого бизнеса и небольших исследовательских коллективов — 14 проектов, каждый из которых может рассчитывать на скромное, до 1 млн долларов на один год, финансирование. Среди них, например, компактные тепловые насосы на основе мультиферроиков (новых материалов, обладающих необычными магнитоэлектрическими свойствами). Такие насосы могут использоваться в качестве мини-холодильников, сохраняющих чувствительные к высокой температуре детекторы биологического оружия, а также просто в виде мини-холодильников. В техзадании проекта — малая мощность (до 300 Вт) и возможность поддержания постоянной комнатной температуры.
Исходный материал для синтетической биологии — так называемые биокирпичи (BioBricks) — заранее подготовленные генетические фрагменты, играющие примерно такую же роль, как радиодетали в электронике. Учёный собирает новые организмы при помощи этого конструктора, не задумываясь, из чего устроены детали, но лишь зная, какими свойствами они обладают. «Эти детали, впрочем, могут быть сколь угодно сложны — вплоть до того, что в них могут использоваться другие аминокислоты, — поясняет Артюхов. — Как известно, ДНК людей составляют всего 20 аминокислот, да и у бактерий их не намного больше — 22. А ведь всего их десятки, а потенциально возможно создать ещё на порядки выше! Например, если составлять аминокислоту не из трёх нуклеотидов, как это делает природа, а из четырёх, то и число потенциально возможных комбинаций будет не 64, а 256 — то есть целый новый мир свойств и функций генов. В настоящее время у генетиков есть важное преимущество: они могут заранее рассчитать функции практически любого потенциально возможного гена, а затем уже приступить к его изготовлению».
Пионеры синтетической биологии говорят даже о том, что создание новой жизни само по себе лучший исследовательский метод, поскольку традиционный подход молекулярной биологии, несомненно, является редукционистским: вместо того, чтобы рассмотреть клетку во всей полноте составляющих её систем, молекулярная биология изучает каждую из этих систем в отдельности. Однако эксперты не видят основания для такого противопоставления. «И системная, и синтетическая биология пользуются классическими молекулярными методами, — отмечает замдиректора Института проблем передачи информации Михаил Гельфанд. — Прогресс связан не с изменением подхода, а с технологическими прорывами: появившиеся в последние годы технологии позволяют изучать работу генов в масштабе целой клетки. Это даёт очень интересные возможности, которых раньше не было. Появилась возможность судить об эволюции и функциях не отдельных генов и участков, а генома в целом. Вот системная биология и задаётся целью одновременно изучать сразу весь геном и всю клетку, а не каждый ген или белок по отдельности. А синтетическая биология, в отличие от системной, пытается ещё и конструировать».
Одна из ближайших целей — это создание организма с минимальным геномом, способного питаться и самовоспроизводиться. Такой организм будет не только концептуальной победой, после которой учёные смогут с полным правом сказать, что создали жизнь с нуля (термин «Жизнь 2.0» уже прижился, но назвать им пока нечего). У него есть огромное прикладное значение: клетка с минимальным набором функции станет идеальной «скорлупой» для любых дополнительных генов, которые будут встроены в её аппарат, исходным пунктом для создания всех остальных новых форм жизни.
«Пытаются начать с самого простого, «минимального» организма — с искусственной бактерии. Тут используют два подхода. Во-первых, эволюционный: если какие-то гены есть у всех живых существ, значит они необходимы. Во-вторых, экспериментальный: можно удалять из генома бактерии различные участки и следить, выживает ли она. А дальше вы можете вставлять в такую бактерию гены, которые нужны, чтобы она приобрела нужные свойства, скажем, производила «табуретовку» — спирт из древесных опилок (Остап Бендер умел это делать, а современные биотехнологии пока не очень)», — иронизирует Михаил Гельфанд.
Прикладные возможности новых организмов огромны: искусственные формы жизни смогут производить лекарства и сложные полимеры, разрушать загрязняющие экосистему отходы производства, например пластик или нержавейку, реагировать на присутствие в воздухе крошечных доз любых опасных веществ (о возможности разработки таких «миноискателей», способных обнаруживать взрывчатку по крошечным частицам тротила, испаряющимся через негерметичный корпус бомбы, ещё в 2004 году говорили специалисты Массачусетского технологического института). Одним из направлений работы знаменитого Института Крейга Вентера является «разработка» бактерий, способных производить биотопливо как побочный продукт своей жизнедеятельности. Та же самая проблема исследуется компанией Synthetic Genomics, получившей в конце 2009 года 600-миллионный грант от ExxonMobil, — в качестве прототипа для создания таких бактерий рассматривается один из одноклеточных видов планктона. Наконец, такого рода искусственные бактерии и вирусы смогут стать симбионтами, живущими внутри организма человека и обезвреживающими опасные образования, будь то раковые клетки или атеросклеротические бляшки.
Итак, что нам надо для жизни? Во-первых, аминокислоты и сахара — простые «кирпичики», из которых потом получатся белки и нуклеиновые кислоты. Могут они произвольно образоваться? Могут. Этот процесс называется абиогенным синтезом. А вот как из них получились молекулы и комплексы молекул, которые умеют себя воспроизводить? Откуда взялось «вещество наследственности»? Ответ на этот вопрос и есть ключевое звено в цепи чудесных превращений мёртвой планеты в живую.
Аналогия с электроникой актуальна для биоинженеров, то и дело старающихся биомолекулярными средствами создать аналоги триггеров, процессоров, накопителей памяти. Группа учёных из Бостонского университета соединила в бактерии два новых гена, под воздействием химических катализаторов переключающих функции участка ДНК между двумя устойчивыми состояниями, создав тем самым аналог простейшего транзистора. А исследователи медицинского колледжа Гарварда создали структуру биологической памяти: специальный участок, внедрённый в геном клетки дрожжей, «отмечал» поступивший в клетку химический сигнал тем, что включал синтез белка, активировавшего второй внедрённый участок, который в свою очередь воздействовал на первый при помощи собственного белка. Два участка ДНК, таким образом, являлись ячейкой памяти, хранящей информацию о том, подвергалась ли клетка воздействию химического сигнала или нет.
Огромный скачок вперёд совершит синтетическая биология, если увенчаются успехом эксперименты Стина Расмуссена из Национальной лаборатории в Лос-Аламосе, пытающегося создать организм, геном которого кодируется не ДНК, а ПНК — пептидно-нуклеиновой кислотой, обладающей электропроводностью. Такая молекула сможет передавать информацию посредством электронов, как настоящая электрическая схема, и осуществлять сложные электрохимические реакции.
«Эти эксперименты направлены на разработку биологических вычислительных устройств. Не совсем понятно, какие преимущества у них будут по сравнению с электронными: ведь последние уже гораздо меньше по размеру, чем любая бактерия, и быстрее работают», — сомневается Игорь Артюхов. Однако проект Расмуссена подкупает изяществом и простотой решения: его минимальная форма жизни не будет даже нуждаться в мембране. ПНК и все клеточные органоиды будут расположены на поверхности организма, представляющего собой сгусток плотно упакованных органических кислот. Процессы дыхания и питания «вывернутая наизнанку» клетка будет осуществлять при непосредственном контакте с необходимыми молекулами среды, а размножение станет простым делением комочка на два новых по достижении определённого размера.
Как ни парадоксально, одна из главных проблем, стоящих перед пионерами синтетической биологии, имеет чисто организационный характер: лаборатории слабо связаны между собой, поэтому отдельные генетические «детали» пока невозможно объединить в общий и удобный для исследователей конструктор. Однако в последнее время предпринимаются попытки создания такого конструктора: компания Ginko Bioworks (США) работает над созданием набора, состоящего из совместимых «биокирпичей», созданных в разных научно-исследовательских подразделениях, в первую очередь в Массачусетском технологическом институте. Юридические проблемы пока не столь остры: если генетические эксперименты над естественными организмами в различных странах имеют законодательные ограничения, то создание искусственных — почти никаких. Общество пока всерьёз не верит в то, что живую клетку можно создать с нуля. Однако, как отмечают эксперты, по мере осуществления амбициозных проектов будет расти волна подозрения со стороны общества, и особенно религиозных конфессий: конструируя живой организм, человек берёт на себя функцию Создателя. Так что шум в прессе и законодательные препоны, видимо, ещё впереди.
«Это дело будущего, — напоминает Михаил Гельфанд. — Пока есть интересные теоретические результаты: мы впервые получили возможность смотреть на работу клетки в целом. Мы только учимся это делать: уровень шума в таких данных большой, и надо уметь правильно с ними работать. В этом смысле сейчас очень интересно заниматься биологией: много интересных задач, толком даже не поставленных. А та шумиха, которая существует вокруг синтетической биологии, — обычное дело. Так всегда бывает: когда появляется новое направление, ставки завышают и ждут чудес. Пока что синтетическая биология находится в колыбели. Однако поскольку наука в последнее время развивается непредсказуемо быстрыми темпами, она может быстро из этой колыбели выскочить».
Поясняя, почему в России нет громких проектов по созданию искусственных организмов, Игорь Артюхов говорит: «Это очень долговременные проекты с непредсказуемым исходом: будет успех или нет, заранее сказать невозможно. Если в других странах компании и правительства способны ждать много лет, то у нас гранты небольшие и выдаются на коммерческой основе». И всё же первые практические успехи у синтетической биологии есть: как отмечает в одном из последних номеров Nature специалист фирмы Biodesic Роберт Карлсон, синтез генов и олигонуклеотидов уже сейчас более дешёвый способ получать исходные генетические материалы, нежели их традиционное выделение из ДНК реально существующих организмов. А значит, компании, занимающиеся исследованиями в области синтетической биологии, без средств на новые проекты уж точно не останутся.
Автор: Илья Носырев, "Частный корреспондент".