Синтетическая морфология, являющаяся следующим этапом синтетической биологии, добилась впечатляющих успехов в переоснащении клеток для новых, неестественных задач, например, программирования бактерий, чтобы они светились в присутствии загрязняющих и других химических веществ. Большая часть синтетической биологии включает в себя генную инженерию для введения группы генов, которые придают клеткам новые функции.
Синтетическая морфология контролирует объёмы и формы, в которые будут собираться многие клетки. Используя клетки, будущая технология может позволить учёным создавать совершенно новые ткани, органы и даже организмы, реализуя огромную гибкость и пластичность форм и функций, которые присущи живой материи. Как отмечает биоинженер Роджер Д. Камм из Массачусетского технологического Института: «Возможности ограничены только нашим воображением. Например, мы можем создать орган, который выделяет биомолекулу, необходимую для лечения определённой болезни, подобно тому, как поджелудочная железа выделяет инсулин. У него могут быть сенсорные клетки, которые отслеживают маркёры болезни в кровотоке, похожие на имплантаты с контролируемым высвобождением, уже используемые для введения лекарств, но живые». Или, говорит Камм: «Мы можем создать «суперорганы», например, глаза, которые будут способны видеть в ультрафиолетовом диапазоне, недоступном для человеческого зрения».
В конце концов, мы можем представить себе создание совершенно новых живых существ, созданных не эволюцией, а нашими собственными замыслами. «Изучая естественные организмы, мы всего лишь исследуем крошечный уголок пространства выбора всех возможных существ», — говорит биолог Майкл Левин из Университета Тафтса, – «Теперь у нас есть возможность по-настоящему исследовать это пространство».
Все эмбрионы содержат пул клеток, способных развиться в любой из типов тканей тела – свойство, называемое плюрипотентностью. У человека эти клетки постепенно теряют пластичность в результате череды трансформаций, которые дифференцируют их на специализированные роли. Долгое время считалось, что когда эмбриональные клетки теряют плюрипотентность, эта универсальность исчезает навсегда. Но в 2006 году биолог Шинья Яманака из Калифорнийского Университета в Сан-Франциско и его коллеги показали, что это не так. Они смогли переключить зрелые, дифференцированные клетки млекопитающих обратно в состояние, подобное стволовым клеткам, введя им смесь генов, которые активны в эмбриональных стволовых клетках (ЭСК), по существу, переведя назад часы развития эмбриона. Их эксперимент показывает, что живая материя пластична и программируема.
Перепрограммирование клеток в настоящее время изучается для регенеративной медицины. Некоторые исследователи пытаются бороться с дегенерацией жёлтого пятна, распространённой причиной слепоты, путём перепрограммирования клеток глаза для поддержки светочувствительных клеток сетчатки. Другие надеются вылечить нейродегенеративные заболевания, такие как болезнь Паркинсона или травмы позвоночника, используя нейроны, полученные из индуцированных плюрипотентных стволовых клеток (ИПСК), которые могут восстанавливать повреждённые соединения в нервных сетях.
Когда клетки перепрограммируются, они также приобретают новые морфологические свойства. Например, клетки кожи, перепрограммированные в ИПСК, которые затем культивируются как нейроны в чашке Петри, могут не просто вырасти в спутанную массу. В подходящей питательной среде они могли бы вместо этого попытаться стать мозгом, повторяя некоторые структуры, наблюдаемые в развивающемся мозге с организованными слоями нейронов и характерными извилинами, наблюдаемыми в зрелой коре головного мозга.
Такие перепрограммированные клетки не очень подходят для создания целых органов – им не хватает некоторой важной информации, которая в эмбрионе могла бы поступать из окружающих тканей. И в настоящее время подобные «органоиды» неспособны вырасти очень большими из-за отсутствия сосудистой сети. Для решения этой проблемы исследователи ищут способы стимулировать развитие некоторых клеток в кровеносные сосуды.
Другой демонстрацией универсальности клеток в многоклеточных структурах являются так называемые химерные зародыши, которые содержат клетки более чем одного типа организма. Поскольку эволюционно отдалённые виды обычно не могут скрещиваться, чудовищные гибриды, такие как Химера из греческой мифологии, казались биологически неправдоподобными. Но на уровне отдельных клеток видовой барьер не так важен. Учёные создали несколько химерных животных – мозаику клеток разных видов, таких как смесь коз и овец, называемую geep, – путём добавления стволовых клеток одного вида к эмбриону другого.
Факты свидетельствует о том, что в биологической морфологии на уровне клеток нет ничего фиксированного или заранее предопределённого. Всё, что нужно было сделать эволюции, это указать основные правила клеточной коммуникации и поведения, которые разыгрываясь в известной, предсказуемой среде матки или яйца, надёжно создали бы определённую морфологию.
Возможно, самый эффективный способ создания сложных организмов – это просто дать клеткам правила взаимодействия, которые позволяют им самим в дальнейшем организовываться. Следует лишь изменить среду, и те же самые правила могут привести к совершенно другому конечному результату. Это было продемонстрировано в недавней работе Левина и Блэкистона. Они просто разделяли эмбрионы лягушек на мелкие клеточные конгломераты и оставляли их в питательной среде. За двое суток клетки организовались в маленькие скопления и начали вести себя как многоклеточные микроорганизмы, отращивая похожие на волоски отростки, которые двигались синхронно, чтобы перемещать колонии через жидкость. Исследователи назвали эти структуры ксеноботами, при повреждении они восстанавливают свою форму, что позволяет предположить, что в их морфологии есть какая-то цель. Создалось впечатление, что генетические инструкции в этих клетках в сочетании с законами клеточного взаимодействия могут дать начало организмам, совершенно отличным от лягушек. «У нас есть возможность за 48 часов создать существа, которых раньше никогда не было», — говорит Левин. Теперь он предвосхищает создание реконфигурируемых и «бессмертных» организмов в том смысле, что «когда они умирают, отдельные клетки уползают, проводя свою жизнь в одиночестве и, возможно, позже воссоединяются снова во что-то совсем иное».
Синтетическая морфология требует нового взгляда на инженерию, при котором мы собираем объекты из их основных компонентов не простым конвейерным способом по чертежу, а должны использовать правила взаимодействия, чтобы позволить желаемой структуре появиться как бы в результате коллективного взаимодействия её частей — признавая, что сами эти части обладают своего рода «коллективностью». Вычислительный биолог Рене Дурса из Института сложных систем в Париже выделяет 4 категории процессов, задействованных в такой морфологической инженерии:
- Клетки могут присоединяться друг к другу в запрограммированной конструкции;
- Элементы могут собираться посредством слияния, подобного рою;
- Система может развиваться путём роста и умножения компонентов;
- Структура может генерировать себя, повторяя алгоритм, подобный тому, который создаёт фрактальные формы растений.
По словам Дурса, необходимо найти способы обеспечения надёжных результатов, которые не будут нарушены небольшими возмущениями и при этом будут адаптивными. Если обстоятельства изменятся, система должна быть в состоянии найти решение, которое обеспечит её жизнеспособность. Эта философия имеет много общего с тем, как люди создают города и общества: у нас есть определённое представление о том, чего мы хотим, но мы не можем контролировать их создание, руководствуясь принципом «снизу вверх». Мы можем только попытаться направить самоорганизацию по правильному пути.
Предположим, в организме необходимо заменить артерию. Это можно сделать с помощью синтетического каркаса из биоразлагаемого материала, заселив его несколькими типами клеток, которые колонизируют соответствующие компоненты. Это нисходящий подход –сверху вниз. Или начать с группы стволовых клеток, которые можно настраивать и направлять, чтобы они правильно дифференцировались, в конечном итоге создавая ту же самую структуру (подход снизу вверх), что и происходит, когда такие структуры строятся в организме. Первый подход является более простым, он может включать в себя такие инструменты, как биопринтинг, при котором клетки доставляются в определённые места. Однако в этом случае сохранить полученную структуру стабильной становится труднее, например, если разные типы клеток захотят слиться или развиться в другие ткани. Подход «снизу вверх», напротив, будет основываться на способности стволовых клеток поддерживать себя и восстанавливаться в случае повреждения.
Одна из целей синтетической морфологии состоит в создании живых многоклеточных структур, которые напоминают естественные, но не полностью им соответствуют. Например, упрощённая ткань или организм, которые помогают понять процессы, происходящие в живых системах. Несколько исследователей собирают стволовые клетки человека в эмбрионоподобные структуры («эмбриоиды»), чтобы наблюдать самые ранние стадии эмбриогенеза in vitro.
При выращивании вне матки клетки эмбриона не получают необходимых сигналов из окружающей среды, которые помогли бы ориентироваться и направлять их развитие. Они могут начать дифференцироваться в более специализированные типы, которые в конечном итоге станут частью таких тканей, как кожа, сосуды и нервы, но это происходит довольно случайным, неструктурированным образом. Однако в 2014 году Али Х. Бриванлоу из Университета Рокфеллера и его коллеги показали, что простого ограничения человеческих ЭСК небольшими круглыми «липкими» пэтчами достаточно, чтобы установить определённый порядок. Но, конечно, невозможно утверждать, что синтетический эмбриоид будет развиваться, как обычный эмбрион – он может пойти совершенно другим путём. Здесь перед нами лежит terra incognita.
Сегодня биоинженеры уже используют живые ткани в качестве компонентов обычных роботов. Они генерируют поведение, которое было бы сложно реализовать с помощью чисто искусственных материалов и устройств. Кит Паркер из Гарвардского Института биологической инженерии им. Висса, авиакосмический инженер Джон Дабири из Калифорнийского технологического Института и биоинженер Жанна Наврот из Германии объединились, чтобы создать «медузоида», существо, похожее на робота-медузу. Исследователи использовали мышечную ткань крысы, прикреплённую к силиконовому полимеру для создания волнообразных сокращений, которые позволили этому созданию плавать, как настоящая медуза. Паркер и его коллеги также интегрировали клетки сердечной мышцы крысы в робота, который плавает с помощью волнистых движений, смоделированных у скатов.
Понимание правил, управляющих биологической морфологией, может открыть новые возможности для полностью искусственных технологий, таких как робототехника. Джеймс Шарп из Европейской Лаборатории молекулярной биологии в Барселоне и Сабина Хауэрт из Бристольского Университета в Англии запрограммировали цилиндрических роботов размером с монету на самосборку в рои, используя алгоритмы, которые имитируют принципы живых клеток и обмениваются информацией с помощью инфракрасных лучей. Рои демонстрируют псевдобиологическую способность формировать прочные коллективные формы, обладающие возможностью приспосабливаться к повреждениям и самовосстанавливаться.
Левин считает, что всё это только начало синтетической морфологии. «Моя гипотеза состоит в том, что клеточные коллективы – это универсальные конструкторы, – говорит он. Используя определённый набор правил, мы можем заставить их делать всё, что приемлемо в рамках законов физики».
Однако для этого от инженеров потребуется новое мышление, необходимое для работы с объектами, которые обладают собственной подлинной активностью, способностью реагировать на окружающую среду, взаимодействовать друг с другом и стремятся к самоорганизации. Это повлечёт за собой отказ от некоторых наших традиционных категорий для различения машин, роботов и организмов. Синтетическая морфология подразумевает, что жизнь можно переделать, если ослабить границы, отделяющие естественное от искусственного.
Также материалы теме «Загадки эволюции и биосферы»:
Платформа Дзен по определённым причинам меняет алгоритмы показов. Если вы уверены, что подписаны на канал рекомендуется проверить это в связи с возможной автоматической отпиской.