Синтетическая биология
Развитие химического синтеза ДНК означает, что ученые теперь умеют клепать геномы на свой вкус и создавать организмы, которых нет в природе. Смело, а? Однако создание синтетических организмов с нуля может однажды стать не сложнее, чем положить один кирпич на другой.
Биологи-синтетики рецептам не следуют. Но не на кухне у себя они импровизируют, не чили-кон-карне готовят, а творят в лаборатории жизнь. И пусть их создания все еще соответствуют поваренной книге природы, у этих ученых смелые планы. В будущем они собираются создать синтетический биологический эквивалент чили-кон-карне, приготовленный из крокодильего мяса с бобами эдамамэ, и ни вы, ни я известное нам блюдо не опознаем.
Переизобретение природы
Юная отрасль синтетической биологии родилась из стремления биологов усовершенствовать природу, отредактировав геномы живых организмов. Все началось с генной инженерии — методик, оказавшихся полезнейшими в исследовании животных и в попытках разобраться, как определенные гены влияют на развитие заболеваний. Ныне параллельно с достижениями в секвенировании и синтезе ДНК происходит работа с целым геномом.
«Мы скоро сможем писать ДНК что мы захотим сказать?» Эндрю «Дрю» Дэвид Энди (р. 1970), американский биолог-синтетик
Традиционная генная инженерия меняет отдельный ген и смотрит, к каким последствиям это приведет у животного, растения или бактерии: синтетическая биология редактирует тысячи «букв» (оснований) в коде ДНК и вводит гены, кодирующие целые метаболические последовательности молекул, которые организм прежде не ведал. Один из первых таких проектов, возвестивших о победе синтетической биологии, — пересоздание дрожжей, способных производить вещество-предшественник для антималярийного препарата артемизинина. Французская фармацевтическая компания «Санофи» в 2013 году наконец запустила производство этой полусинтетической версии лекарства и поставила себе цель в 150 миллионов излечений в 2014 году. И все же ученые предпочли считать это затейливым генно-инженерным проектом, поскольку изменены были всего несколько генов. Впечатляюще, спору нет, но до планки редизайна «крокодил с эдамамэ» пока далеко.
ДНК почтой
Меж тем Крейг Вентер, генетик, известный своим участием в секвенировании генома человека, работает над полностью синтетическим геномом. В 2010 году его группа в Институте Крейга Вентера объявила, что собрала (с минимальными изменениями) геном микроорганизма, паразитирующего на козах, — Mycoplasma mycoides, — и поместила его в живую клетку. Синтетический геном Вентера, по сути, копия настоящего, но он все равно доказал возможность создания жизни исключительно на синтетически полученной ДНК.
Все это стало возможным только благодаря развитию наших способностей «читать и писать» ДНК, а значит, мы научились секвенировать и химически синтезировать последовательности ДНК быстро и довольно дешево. За годы, которые Вентер и его конкуренты расшифровывали человеческий геном (1984-2003), цена и секвенирования, и синтеза ДНК значительно снизилась. По разным оценкам, ныне можно заказать секвенирование целого человеческого генома, состоящего из более чем трех миллионов оснований, всего за тысячу долларов, а синтез ДНК стоит 10 центов за одно основание.
Такое удешевление позволило биологам-синтетикам добыть инструкции по созданию многих организмов, которые можно было бы перепроектировать — или украсть у них что-нибудь, — а также опробовать свои проекты в творении организмов совершенно новых. Биологам-синтетикам даже ДНК самим нанизывать не надо. Довольно послать запрос на сборку той или иной последовательности в компанию, занятую синтезом, и получить заказ по почте. Вроде жульничество, но, если вспомнить метафору с чили-кон-карне, это, в общем, равносильно покупке готового острого соуса и дальнейшему приготовлению вашего мексиканского кулинарного шедевра, без хлопот со свежим перцем и тминными зернами.
Стандартные биологические составляющие
Еще один способ, которым биологи-синтетики собираются сократить себе хлопоты, — составление базы данных по стандартным частям генома, из которых можно собрать синтетический. Такой каталог уже разрабатывается — с 2003 года. Все не так отвратительно, как звучит: «Каталог стандартных биологических составляющих» — сборник тысяч проверенных генетических последовательностей, составленный по данным сообщества биологов-синтетиков. Смысл в том, чтобы иметь данные о сочетании фрагментов генома с изученными функциями, состыковывать их, как кирпичи, и так строить действующие организмы с нуля. Один такой кирпич, допустим, кодирует пигмент, а другой — генетический выключатель, активирующий в присутствии определенного вещества целую серию ферментов.
Конечная цель синтетической биологии — научиться собирать геномы спроектированных человеком организмов, способных производить новые лекарства, биологическое топливо, пищевые добавки и другие полезные вещества. Но не будем забегать вперед: нам до создания синтетических крокодилов для вашего крокодилового чили еще очень далеко. Из сложных организмов нам пока под силу творить грибы — и ничего затейливее.
Хотя пивные дрожжи вам могут показаться не слишком-то и революцией, на клеточном уровне у нас с грибами больше общего, чем с бактериями. Проект «Sc2.0» нацелен на создание заново придуманной синтетической версии дрожжей Saccharomyces cerevisiae, похромосомно. Работая по принципу «растаскиваем на запчасти, пока не развалится», международная группа исследователей пытается упростить геном, удаляя необязательные гены и добавляя маленькие фрагменты синтетического кода в природные дрожжи, а затем смотрит, по-прежнему ли жизнеспособен такой микроорганизм. Пока разобрались только с одной хромосомой. Результаты могут быть разрушительными (для дрожжей- то уж точно) или революционными, но группа надеется выяснить, как именно создать живой организм.
ДНК с нуля
Прорыв в синтезе ДНК, приведший к значительному снижению стоимости, - разработка процесса химсинтеза с участием мономеров амидофосфитов. Каждый такой мономер – нуклеотид, как те, что составляют обычную ДНК, с той лишь разницей, что у них реакционная часть защищена эдакой «шапочкой». Эту защиту можно снять кислотой непосредственно перед тем, как присоединить новый нуклеотид к растущей цепи ДНК. Первый нуклеотид с нужным основанием (А, Т, Ц или Г) прикреплен к стеклянному зерну. Новые нуклеотиды добавляются в циклическом процессе снятия защиты и спаривания, в запланированном исследователями порядке. Обычно получается собрать лишь небольшие фрагменты. Затем их соединяют друг с другом. Разумеется, код может не иметь ничего общего ни с одним существующим в природе - совершенно новое творение. Химия амидофосфитов сейчас главенствует в синтезе ДНК, и ожидается, что резкое сокращение продолжительности и стоимости синтеза породит новую химию. Возможны и другие пути синтеза ДНК, но ни один пока не стал коммерческим.
Опасная головоломка
В 2006 году репортеры из «Гардиан» ухитрились купить через интернет ДНК черной оспы. Склянка, которую они получили по почте, содержала лишь фрагмент генома оспы, но газета заявила, что какой-нибудь террористической группе с приличным финансированием «понадобится лишь сделать заказ на достройку остатка ДНК и склейку фрагментов воедино и создать смертоносный вирус». Компании, синтезирующие ДНК, теперь отслеживают все заказы на опасные последовательности, но некоторые ученые говорят, что образцы настолько смертоносных организмов необходимо уничтожать.