Жизнь как конструктор: что может и чего пока не может синтетическая биология
В июле был сделан впечатляющий шаг к конструированию искусственных живых систем: биологи из Университета Миннесоты объявили, что создали синтетическую клетку «снизу вверх», собрав её как конструктор из собственноручно изготовленных неживых деталей. Разбираемся, почему рано говорить, что люди научились создавать живых существ.
На пороге эры синтетической биологии
«Я хочу отойти от берега в неизведанные воды, запустить новую фазу эволюции, когда один биологический вид сможет, сидя за компьютером, создавать другие виды», — писал Крейг Вентер, генетик, сыгравший одну из главных ролей в гонке по прочтению генома человека (и ставший первым человеком с прочитанным геномом). По легендам, миллионер-прогрессор, покинувший наш мир этой весной в возрасте 79 лет, совершал прорывные эксперименты в лаборатории прямо на собственной яхте. Главной темой его исследований в последние десятилетия стала синтетическая биология — наука и практика создания искусственных живых существ.
В качестве первого достижения на этом пути Вентер представил миру первую в истории способную к размножению бактерию, ДНК которой была синтезирована машиной. Команда Вентера работала с микоплазмой — микробом с очень маленьким геномом, состоящим из 901 гена и примерно 1 млн пар «букв».
В первой серии экспериментов геном микоплазмы синтезировали искусственно и помещали в клетку микоплазмы с удалённой ДНК. Клетка стала жить обычной жизнью — пока ничего удивительного. Потом геном микоплазмы вставили в клетку микроба другого вида, из которой удалили гены. И снова получилась та же самая микоплазма. Так Вентер доказал экспериментально, что видовые свойства организма задают гены, ничего другого не нужно.
Получившаяся микоплазма удостоилась звания первого организма, синтезированного в лаборатории, — syn1.0. Хотя, говоря по правде, синтезированной в лаборатории у него была лишь ДНК.
Затем исследователи Института Вентера стали удалять у микоплазмы один ген за другим, изучая, без каких генов она сможет функционировать. После долгих лет экспериментов они создали syn2.0, а вслед за ним syn3.0 — нового микроба с минимальным геномом. Искусственный микроб содержал всего 473 гена, при этом отлично размножался и функционировал. Без любого из этих генов бактерия погибала, хотя назначение трети из них учёным не известно. Создать — ещё не значит понять.
Зачем всё это? Чтобы эта бактерия с минимальным геномом стала своего рода болванкой, основой для создания новых бактерий с нужными свойствами (допустим, производящих нефть), — надо будет лишь добавить к минимальному геному те или иные гены. Мы конструируем в компьютере нужный геном (искусственный интеллект поможет), потом внедряем этот геном в донорские клетки и получаем популяцию нужных бактерий, производящих персонализированные лекарства, полимеры или еду.
Но пока что-то о таких полезных бактериях, сделанных на основе syn3.0, не слышно. Таких людей, как Вентер, немного, а он оставил нас на пороге эры синтетической биологии.
Собрать живое из неживого
А сейчас биологи из Университета Миннесоты объявили, что сделали следующий важный шаг. Они вообще не брали готовую бактерию, а по отдельности приготовили липидную мембрану, очищенные ферменты, синтетическую ДНК и прочие необходимые компоненты — и собрали из них клетку. Система содержит 36 очищенных ферментов и геном длиной 90 тыс. пар оснований, распределённый по девяти отдельным кольцевым молекулам ДНК. Каждая из них кодирует определённые функции. Такая модульная архитектура позволяет независимо модифицировать отдельные функции. Эти клетки способны расти, реплицировать свой геном, делиться. Вот только их потомки становятся нежизнеспособными через десяток делений.
Назвали синтетическую клетку SpudCell — клетка-картошка. Вот как объясняет название создательница искусственного организма профессор Кейт Адамала:
«Мы сначала называли её Potato Cell. Это отсылка к моему происхождению: я полька и в основном сделана из картошки. Потом название сократили до SpudCell, чтобы вызвать ассоциацию со Sputnik и с началом космической эры. Ведь это начало новой технологической эры».
Но клетка-картошка пока остаётся сильно зависимой от человека: всё-таки это ещё не полноценное живое существо. Она не умеет сама делать рибосомы и получает многие компоненты извне, готовенькими. Микрокартоха растёт, сливаясь с небольшими «питательными липосомами», которые доставляют липиды для роста мембраны, питательные вещества, рибосомы (вот их всё-таки получают пока из бактерий E. coli), ферменты и всякие ценные небольшие молекулы. Слияние происходит, когда белок, который SpudCell производит из собственной ДНК, прикрепляется к мембране питательной липосомы, при этом ДНК «крошки-картошки» сама контролирует, может ли она питаться, как быстро она растёт и какого размера становится.
Естественные клетки производят собственные питательные вещества посредством метаболизма, для которого требуются сотни генов, кодирующих метаболические ферменты. Поскольку большая часть обмена веществ вынесена наружу, SpudCell может обходиться значительно меньшим собственным геномом. Геном «крохи-картохи» размером всего 90 кб, то есть в нем 90 тыс. пар букв.
Естественные клетки делятся, используя внутренний каркас — цитоскелет. Создание функционального цитоскелета с нуля было серьёзным препятствием в исследованиях синтетических клеток, поскольку для этого требуется координированная работа десятков белков. SpudCell полностью обходит эту проблему: у неё белки скапливаются на поверхности мембраны до тех пор, пока механическое напряжение не вызовет её разрыв и деление.
От подражания к творению
В общем, система несовершенна, живой её назвать никак нельзя, но она знаменует важный переход от подражания природе к инженерии живых систем — настоящему дизайну микроорганизмов. Когда они станут более автономными, их можно будет проектировать под конкретные задачи: производство лекарств, синтез новых материалов, фиксацию углерода, производство топлива, биосенсоры и всевозможные симбионты.
Пока неясно, скоро ли наступит эра, когда человечество станет одним из инструментов природы по созданию новой жизни. Поможет в этом нам, конечно, не только синтетическая биология, но и генная инженерия. Вот как наступление такого возможного будущего описал ещё один легендарный персонаж — физик Фримен Дайсон:
«Появятся наборы “сделай сам” для садоводов, с помощью которых они будут выводить новые сорта орхидей и роз посредством генной инженерии. У тех, кто разводит собак и кошек, будут свои наборы. Генная инженерия, когда она попадёт в руки детям и домохозяйкам, даст колоссальный всплеск разнообразия новых живых организмов».