Синтетическая биология
20 мая 2010 года американский генетик Дж. Крейг Вентер объявил, что его команде удалось создать первую полностью искусственную клетку. Этот микроб - новая ступень генной инженерии: вместо модифицирования ДНК существующих организмов геном собирается «с нуля», а со временем мы сможем создавать новые формы жизни.
Вентер известен тем, что руководил частной фирмой, которая пыталась обогнать проект «Геном человека» и первой «прочитать» человеческий геном. Гонка эта закончилась ничьей в 2000 году. Позже Вентер назвал ее «трехлетним отклонением» от его главной цели — создания синтетической жизни. В 1995 году совместно с микробиологами Клайдом Хатчинсоном и Гамильтоном Смитом ему удалось прочитать геном свободно живущего организма, бактерии Haemophilus influenzae, и самый маленький известный геном —Mycoplasma genitalium. В 2003-м они сумели написать геном, используя искусственные нуклеотиды для воссоздания ДНК вируса-бактериофага Phi Х174, состоящего из 5000 нуклеотидов. В 2010-м они проделали то же самое с Mycoplasma mycoides, создав искусственную последовательность ДНК из миллиона нуклеотидов. СМИ назвали новую клетку «Синтия».
Строительные блоки
Главная цель синтетической биологии — создание живых машин. Исследователи составляют набор стандартных частей, генетических кирпичиков «Лего», которые называются BioBricks. Эти «кирпичики» упрощают процесс комбинирования разных компонентов. Тысячи таких модулей уже загружены в единую базу данных, хранящуюся на серверах Массачусетского технологического института, — Реестр стандартных биологических компонентов.
В «дизайнерские» организмы можно включать компоненты с определенными функциями — например, сенсоры, определяющие присутствие определенных веществ (токсинов) и реагирующие на них. В 2009 году студенты Кембриджа выиграли ежегодное соревнование генетически модифицированных «машин» (iGEM), вырастив семь штаммов Е. coli, производящих разные пигменты. Полученные палочки получили обозначение Е. chromi.
Одна из важнейших частей любой машины — выключатель. В 2000-м биоинженер Джеймс Коллинз создал штамм Е. coli, способный переходить в одно из двух состояний. «Выключатель» состоял из двух генов, каждый из которых кодировал белок-репрессор, подавляющий активность другого репрессора, так что когда один ген был «включен», другой оказывался «выключенным». Переключение осуществлялось добавлением специального реагента или изменением температуры, и потенциально этот механизм может использоваться для активации других генов.
Минимальный геном
Любой машине нужен корпус, основание, к которому крепятся детали. В каждом геноме есть ДНК, необходимая для поддержания жизнедеятельности клетки, — гены, кодирующие белки, и РНК для осуществления метаболических реакций и деления клетки. Но эти гены не являются «кирпичиками» вроде BioBricks, и изолировать их довольно сложно. Один из способов изготовить «корпус» будущей «машины» — удалять гены по одному и смотреть, выживет ли организм. Необязательные для выживания гены можно затем выбросить, оставив только «минимальный геном». Именно это и проделала команда Вентера с Mycoplasma genitalium, выяснив, что из 482 генов бактерии примерно 100 «необязательных» — по крайней мере, в лабораторных условиях. Удаление несущественных генов помогает избежать возможных отклонений при добавлении новых.
«Это первый на планете самовоспроизводящийся вид, родителем которого является компьютер» Дж. Крейг Вентер
Подобную структуру можно и модернизировать. В 2009 году Харрис Вонг, Фаррен Айзекс и Питер Карр изобрели технологию MAGE (мультиплексная инженерия генома и ускоренная эволюция, multiplex genome engineering and accelerated evolution), ускоряющую создание генетически измененных организмов. В 2011-м исследователи с помощью этой технологии заменили все комбинации нуклеотидов ТАГ на ТАА в геноме Е. Coli. Оба этих «слова» — стоп-кодоны, прекращающие считывание ДНК и синтез белка. Если заменить все ТАГ на ТАА, это позволит, например, защитить бактерии с измененной ДНК от вирусов, использующих в качестве стоп-кодонов ТАГ.
Техника безопасности
Потенциал синтетической биологии поражает, но одновременно и пугает. Один из распространенных страхов, связанных с появлением синтетической жизни, — биотерроризм. Вирусологи уже в 2002 году успешно синтезировали геном вируса полиомиелита, а в 2005-м сотрудники американских центров по контролю и профилактике заболеваний вернули к жизни штамм вируса, вызвавший пандемию гриппа 1918 года. Тревоги по поводу таких исследований напоминают давние споры относительно генетически модифицированных организмов, которые якобы следовало держать в изоляции, чтобы предотвратить их распространение.
В ответ на эти опасения ученые, занимающиеся синтетической биологией, не только разработали сложные процедуры оценки риска, но и собственный кодекс поведения, и это не считая обычных мер предосторожности при работе с биологически опасными веществами. В том числе речь идет и о встраивании специальных механизмов, не позволяющих подопытному организму выжить вне лаборатории. Вентер, к примеру, менял ДНК своих бактерий так, что те могли питаться только строго определенными веществами, практически не встречающимися в природе. Джеймс Коллинс, разработавший генетический «переключатель», придумал также и своеобразный «аварийный рубильник», который в присутствии определенных веществ запускал синтез токсинов внутри клетки. В будущем же синтетические клетки могут и вовсе строиться из веществ, не существующих в природе, что предупредит их размножение за стенами лаборатории.
Компьютерный дизайн
Вентер надеется создать водоросли, способные поглощать углекислый газ из воздуха и производить биотопливо. Он мечтает и о генетической машине, создающей по требованию организмы с любой ДНК, в том числе клетки, производящие инсулин или вакцины от любых болезней. Вентер называет эту машину «цифровым биологическим конвертором». Звучит как научная фантастика, но прототип такой машины уже существует.
Что такое жизнь? Синтетическая биология рождает множество философских вопросов об отношениях популяции и организма, особенно человека и природы. В конце концов, человек — единственный вид, способный создавать новые формы жизни с чистого листа. Является ли живой организм «естественным», если появился в лаборатории? Единственное, что мы знаем наверняка, — если организм обладает чертами живого и в нем проходят процессы, соответствующие жизни, он является живым.
Синтетическая клетка
Жизнь первой искусственной клетки началась в компьютере, в виде цифровой записи генома Mycoplasma mycoides. Миллион «букв» ее генома ввели в химический синтезатор, который производил короткие фрагменты ДНК; эти фрагменты, объединенные в хромосоме дрожжевой клетки, были пересажены в родственную бактериальную клетку - М. capricolum, собственную ДНК которой удалили. Затем клетка-реципиент начала производить белки на основе новой ДНК. После деления все следы «оригинального» вида исчезли, и новая колония клеток стала организмом, закодированным искусственной ДНК.
Редактирование генома
До последнего времени в генетической терапии использовались вирусы, которые должны доставлять в клетки организма работающий ген взамен поврежденного либо прерывать цикл неправильно работающей ДНК, но этот подход не совсем надежен. Чтобы генная инженерия была действительно успешна в лечении болезней, она должна научиться воздействовать на строго определенные участки генома.
Новый подход, редактирование генома, использует ферменты, которые называются нуклеазами, в качестве своего рода молекулярных ножниц, вырезающих определенные «буквы» в двойной спирали, оставляя починку поврежденных участков соответствующим участкам самой клетки. Одна из многообещающих новых технологий в этой области - система CRISPR-Cas9, используемая для создания адаптивного иммунитета у микробов: после воздействия вируса чуждый генетический материал вырезается ферментами, а вирусная ДНК добавляется в CRISPR регион ДНК E.coli. Затем фермент Cas9 использует РНК-копии этого региона для распознавания и уничтожения вируса сразу после повторного заражения. Этот метод разработали Эмманюэль Шарпентье и Дженнифер Доудна в 2012 году. Теперь ученые заняты поиском РНК-«гидов» для лечения генетических болезней человека.
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.