5 фактов о синтетической биологии

Синтетическая биология перестала быть очередным направлением молекулярной биологии. Это принципиально другой способ думать о живом, который позволяет конструировать организмы . За последние двадцать лет исследователи научились вставлять в клетки генетические переключатели, расширять алфавит ДНК, управлять нейронами с помощью света и планировать медицинское производство прямо на Марсе. Мы собрали пять историй о том, как это работает. Клетка — не машина Клетка принципиально отличается от любого механизма: её не проектировал никто извне, у неё нет чертежа и нет центрального управления. Геном хранит состав белков, но не их количество и не то, в каких именно клетках и когда они будут синтезироваться. Это напоминает документ, в котором перечислены строительные материалы — кирпичи, окна, батареи, — но ничего не сказано о том, как из них строить дом. Ключевой принцип работы клетки — самоорганизация. Открытые системы, получающие вещество и энергию извне, способны локально уменьшать энтропию, то есть повышать порядок. Клетка именно такая система: она не нуждается в жёстко прописанном плане, потому что умеет выстраивать структуру из динамики. Это хорошо видно на примере почвенных амёб Dictyostelium discoideum: свободноживущие одноклеточные организмы при определённых условиях начинают выделять сигнальные молекулы, притягивать друг друга и формировать плодовое тело — без каких-либо инструкций сверху. Понимание клетки как самоорганизующейся, а не запрограммированной системы — это отправная точка для синтетической биологии. Вмешиваться в живое осмысленно можно только зная, что именно и почему способно самоорганизоваться, а что требует явного управления. Евгений Шеваль — о клетке, самоорганизации и природе опухоли. Программируемое устройство клетки В 1999 году биоинженер Джеймс Коллинз вместе со студентом Тимом Гарднером задался вопросом: а можно ли что-то построить внутри клетки? Не описать, не воспроизвести — а спроектировать с нуля и проверить, заработает ли. Они взяли за основу концепцию тумблера из электроники — простой переключатель с двумя устойчивыми состояниями 0 и 1 — и задали себе вопрос, как реализовать его в бактерии. Итоговая схема оказалась элегантно простой: два взаимосвязанных гена, каждый из которых стремится к активному состоянию и одновременно подавляет второй. Внешний химический стимул временно выключает один из них, таким образом переключая систему. Ген А выключен, ген Б включён, и это устойчивое состояние сохраняется даже после того, как стимул убран. Тим Гарднер реализовал эту конструкцию в бактерии E. coli за девять месяцев; параллельно Майк Эловитц и Стэн Либлер в той же бактерии собрали репрессилятор — кольцевую схему из трёх генов, дающую осциллирующий, «мигающий» сигнал. Обе работы вышли в Nature в январе 2000 года и открыли область синтетической биологии. Из тумблера выросло многое: биосенсоры, способные определять присутствие свинца или патогенов; бактериофаги, разрушающие биоплёнки, устойчивые к антибиотикам; пробиотики, реагирующие специфически на возбудителя холеры. Джеймс Коллинз — о программировании живых клеток, биопленках и создании пробиотиков. Свет, тепло и управление нейронами Синтетическая биология в её самом точном определении — это философский синтез: создание новых живых систем с новыми свойствами из компонентов, которые в природе никогда не встречались вместе. Типичный пример — оптогенетика. Светочувствительные белки-антенны из одноклеточных водорослей встраиваются в нейроны мыши, и эти нейроны начинают реагировать на вспышки света, конструируя нервную систему, управляемую фотонами. Другой инструмент из той же логики — система CRISPR/Cas, изначально являющаяся частью иммунитета бактерий. Перенесённая в клетки эукариот, она превращается в молекулярные «ножницы» для генома: позволяет разрезать ДНК в нужном месте и вставить туда новую генетическую информацию. Флуоресцентные белки медузы и кораллов, встроенные в живые системы, дают возможность в реальном времени наблюдать под микроскопом за процессами, которые прежде были недоступны для прямого изучения. У оптогенетики есть ограничения: видимый свет плохо проникает сквозь живую ткань, а иммунная система в конечном счёте атакует клетки с чужеродными белками. Один из путей обхода — термогенетика: температурочувствительные ионные каналы из змей (те самые, что делают ямкоголовых змей тепловизорами) встраиваются в нейроны или бета-клетки поджелудочной железы и активируются инфракрасным лазером. Белки остаются «своими» — иммунная система их не видит. Это открывает возможность управлять секрецией инсулина, активностью нейронов или функциями других клеток без иммунного ответа — одно из перспективных направлений синтетической медицины. Всеволод Белоусов — о синтетической биологии, её применении в медицине и управлении активностью нейронов. Аптека на борту марсианской миссии Представьте: пилотируемый корабль движется к Марсу, до ближайшей аптеки несколько месяцев. Один из астронавтов заражён бактерией, которая попала на борт, а нужного антибиотика нет. Что делать? Именно этот сценарий биолог Кристофер Карр из MIT использует как точку входа в разговор о синтетической биологии в космосе. Ответ, который он предлагает, основан на уже существующих технологиях. Бактерия Bacillus subtilis — обычный комменсалист человека — в генетически модифицированном варианте уже сейчас производит в промышленности ферменты и другие соединения. Можно представить карточку со спорами различных таких организмов: нужно лекарство — берёшь нужный штамм, выращиваешь, в финале получаешь препарат. Поскольку B. subtilis умеет переходить в состояние споры и выдерживает широкий диапазон условий, логистика хранения решаема. Препятствий тоже достаточно: радиация на межпланетных маршрутах, необходимость поддерживать биологические системы в рабочем состоянии без постоянного обслуживания, а также неясность относительно стабильности синтетических генетических конструкций под действием тяжёлых ионов железа и кислорода. Эксперименты с биологическими компонентами в условиях облучения, воспроизводящего космическое — в том числе на протонных установках и в Брукхейвенской национальной лаборатории, — показывают, что при стандартных дозах деградация незначительна. Но до применения синтетической биологии в реальных миссиях предстоит пройти большой путь: не технологический даже, а проверочный — убедиться, что системы стабильны в местах, где их нельзя будет починить. Кристофер Карр — о пилотируемых полётах на Марс, производстве лекарств в условиях космической миссии и влиянии излучения на живые организмы. ДНК с шестой буквой Генетический алфавит, которым написана вся жизнь на Земле, состоит всего из четырёх букв: А, Т, Г и Ц: аденин, тимин, гуанин, цитозин. Это исторически сложившееся ограничение. И в 2014 году группа Ромесберга опубликовала в Nature работу с довольно самоуверенным названием «Полусинтетический организм с расширенным генетическим алфавитом». Суть эксперимента такова: исследователи нашли пару химических соединений, которые не являются ни одним из стандартных нуклеотидов, но ведут себя так же — способны комплементарно взаимодействовать друг с другом. Методами синтетической химии они создали молекулу ДНК длиной около 2500 нуклеотидов, идентичную стандартной, за исключением одной пары: вместо А–Т или Г–Ц там стояла искусственная «буква» и её искусственная же пара. Затем эту молекулу ввели в клетку кишечной палочки — и клетка её реплицировала. Дочерние молекулы несли ту же нестандартную пару в том же положении, и искусственная буква наследовалась. Расширенный алфавит ДНК означает потенциально расширенный алфавит белков: сейчас в белках 20 аминокислот, закодированных триплетами из четырёх букв: шесть букв дадут больше триплетов, а значит, возможность кодировать новые, «неприродные» аминокислоты с заданными свойствами. До белков с новым химическим составом ещё очень далеко — нужно заново выстроить всю цепочку транскрипции и трансляции под расширенный код, — но первый шаг сделан. Константин Северинов — о центральной догме молекулярной биологии и увеличении информационной ёмкости ДНК.