Можно ли собрать жизнь, как детский конструктор? Ученые полагают, что да. Но пока одни шаг за шагом продвигаются к этой чисто научной цели, другие используют накопленные знания более утилитарно
Жизнь на Земле зарождалась неспешно. Более трех миллиардов лет назад из нескольких элементов стали возникать органические молекулы. Из смеси аммиака и метана в бескислородной среде под молниями рождались аминокислоты - строительные блоки будущих белков, основ жизни. Миллионы лет потребовалось, чтобы появились носители информации РНК и ДНК, а затем и первая живая клетка, которая могла воспроизводить себя. Прошло еще немало времени, прежде чем появились многоклеточные организмы и все их великое множество - более полутора миллионов видов растений и животных.
Человек с давних пор пытался вмешаться в спор с создателем. Алхимики ожидали найти жизнь в смеси самых разных веществ - ничего не получалось. Великий Парацельс был уверен, что сможет сотворить гомункулуса. Ученикам он оставил рецепт: "известную человеческую жидкость" нужно оставить гнить в запечатанной тыкве, потом сорок дней держать в лошадином желудке, пока там нечто не начнет копошиться. Сначала это нечто будет бестелесно, но если "ежедневно, втайне и осторожно, с благоразумием питать его человеческой кровью и сохранять в продолжение сорока седмиц в постоянной и равномерной теплоте лошадиного желудка, то произойдет настоящий живой ребенок, имеющий все члены, как дитя, родившееся от женщины, но только весьма маленького роста".
Гете, интересовавшийся трудами Парацельса, отчасти повторяет этот рецепт в своем "Фаусте". "Что, если в комбинации известной из тысячи веществ составить смесь (ведь именно в смешенье дело здесь) И человеческое вещество с необходимой долей трудолюбья прогреть умело в перегонном кубе, добьемся мы в келейности всего".
Попытки воспроизвести жизнь никогда не прекращались. После открытия ДНК эйфория усилилась. Казалось, что стоит только изучить геном, и можно будет его воспроизводить. А пока в опытах получались короткие цепочки нуклеотидов - строительный материал для РНК и ДНК. Век генной инженерии позволил манипулировать генами, вставлять их в чужие геномы, с тем чтобы их носители в больших количествах производили нужные белки. Ученые научились синтезировать гены.
И вот несколько лет назад в прессе появились шокирующие сообщения - ученые близки к тому, чтобы отобрать прерогативу акта творения живого из неживого у природы или у Бога, они пытаются создать в лабораториях новые формы жизни. А совсем недавно несколько источников сообщили о том, что известный пионер синтетической биологии (так назвали новую науку) Крейг Вентер завершил создание первой синтетической бактерии - подобие Mycoplasma genitalium, названную учеными Mycoplasma laboratorium, и подал на нее патентую заявку.
Задача-максимум, по Вентеру, состоит из трех основных этапов. Первый - расчет минимального генома. Известно, что даже у бактерий есть часть генома, которая не экспрессирует белки и вообще непонятно чем занимается (может, это своеобразная эволюционная кладовка). И ученые предполагают, что ее отсечение никак не повредит микроорганизму и позволит ему жить и размножаться. Второй этап - синтез того окружения, которое вместе с геномом и называется клеткой. Третий - внедрение минимального генома в это окружение. Задача минимум - создание минимального синтетического генома, который внедряется в природную клетку (возможно, с удаленным генетическим материалом). И именно о решении этой задачи-минимум сообщила пресса. Увы, пресса поторопилась. Пока никакой синтетической бактерии не создано.
Соединяй и систематизируй
В начале XXI века мир с волнением ожидал окончания проекта по секвенированию (определению последовательности ДНК) генома человека. Тогда казалось, что это вершина генного бума, начавшегося в 1953 году открытием двойной спирали ДНК. К концу 60#8722;х был расшифрован универсальный генетический код. В 1970 году открытие ферментов-рестриктаз, которые режут ДНК в определенных участках, привело к началу эры генной инженерии. В 1973 году была создана первая гибридная молекула ДНК - соединение фрагментов из разных организмов.
В эти же годы создаются методы секвенирования. Первым в 1995 году был секвенирован геном бактерии - гемофильной палочки. Эта работа была проведена под началом Крейга Вентера. Затем он основал свою фирму "Селера", которая взялась за амбициозную задачу - параллельно с межгосударственным консорциумом стала секвенировать геном человека. Вентер опередил сотни лабораторий мира, на финансирование которых ушло 3 млрд долларов.
За последние годы ученые определили геномы сотен бактерий и вирусов, нескольких десятков растений и высших животных. Совсем недавно была закончена работа по секвенированию генома частного лица - одного из первооткрывателей двойной спирали ДНК Джеймса Уотсона. Ученые подарили Уотсону диск, на котором записана последовательность ДНК, ну а копия этой информации уже помещена в GenBank, куда стекаются уже отсеквенированные геномы.
Расшифровка геномов некоторых бактерий и вирусов дала инструмент для создания лекарственных препаратов, направленных против них. Расшифровка генома человека позволила выявить ряд наследственных и связанных с прижизненными мутациями заболеваний и разрабатывать подходы к их лечению. Ученые научились работать с генами - "вырезать" их, "вшивать". В начале 70#8722;х была разработана методика переноса отдельных генов из одного организма в другой, а уже в 1978 году получен первый рекомбинантный человеческий инсулин. Позже биотехнологи таким способом (вшивая нужный ген или гены в ДНК бактерий или дрожжей и других клеточных культур) стали получать интерфероны, гормон роста, витамины, антибиотики и другие продукты, которые успешно применяются в медицине. Методом генной инженерии стали создаваться растения с нужными свойствами - быстрорастущие, не боящиеся вредителей и содержащие дополнительные витамины. Но эти технологии не преследовали цель создания синтетической жизни, хотя и приближали ее.
Реальными шагами в этом направлении стали методы синтеза генов - кирпичиков ДНК. Первым синтез генов предложил Хар Корана, он с сотрудниками синтезировал ген тРНК дрожжей из 77 пар нуклеотидных оснований, рассказывает академик РАМН, директор НИИ биомедицинской химии им. В. Н. Ореховича Александр Арчаков. Лет двадцать назад каждую цепочку нуклеотидов (отрезки для будущего гена) собирали практически вручную. Первый нуклеотид нужно было прицепить на твердый инертный носитель, к примеру пористый стеклянный шарик, а затем, используя химические связи, пристегивать к нему второй, затем третий и т. д. Известный специалист из лаборатории искусственного интеллекта Массачусетского технологического института Том Найт называл это ручным производством, а процедуру - не "инструментом" для эксперимента, а самим экспериментом. С появлением автоматических синтезаторов ДНК синтез отдельных цепочек нуклеотидов и генов значительно упростился. В них, по словам Арчакова, можно синтезировать 384 олигонуклеотида одновременно, хотя сейчас уже предлагаются новые методы по синтезу почти 4 тыс. олигонуклеотидов. И эти технологии постоянно совершенствуются, пытаясь подтянуться к скорости реакций в клетках.
Умение синтезировать гены подвигало к решению более сложной задачи - сборке целого или минимального генома. А это уже важный этап на пути создания синтетической клетки. По словам Александра Арчакова, синтезировать геномы научились всего лишь несколько лет назад. Самыми легкими для сборки объектами представлялись бактериофаги или вирусы. Их геномы - это несколько генов из нескольких тысяч пар оснований (у бактерий несколько сотен или тысяч генов и сотни тысяч и миллионы пар оснований). В 2003 году в Массачусетском технологическом институте под руководством Дрю Энди был собран первый синтетический вирус по подобию вируса Т7. Для расчетов модели использовали 500 млн компьютеров, а собирали объект три года. Всего через год на синтез и сборку бактериофага Х174 с 11 генами из 5386 пар оснований нуклеотидов ушло лишь две недели. Выполнили эту работу специалисты из американского института биологических альтернатив энергетики под руководством Вентера и Смита. Новый синтезированный вирус, помещенный в бактерию, жил и размножался, как и природные бактериофаги.
Примечательно, что уже первый синтетический вирус Т7 не был точной копией природного. В нем отсутствовали некоторые "не особо нужные", по мнению Энди, гены. К черту природу, говорил он, мы можем создавать новые биосистемы.
Жизнь - это миллионы узнаваний
Успехи в синтезе вирусов не давали права ученым заявить, что они синтезировали саму жизнь. Ведь вирусы не считаются живыми, они размножаются лишь в клетках. Амбициозную задачу синтезировать первый живой полноценный клеточный организм поставил перед собой все тот же Крейг Вентер. Он решил создать бактерию Mycoplasma genitalium с минимальным геномом.
Полное секвенирование геномов многих вирусов и бактерий позволило ученым оценить размер минимального генома. Первыми подверглись теоретическому усекновению геномы гемофильной палочки и Mycoplasma genitalium. Анализ показал, что "нужными" оказываются от 250 до 350 генов - около двух третей от всех имеющихся. Позже, после сравнения более чем 20 геномов микроорганизмов, ученые обнаружили у них лишь 80 общих генов, что, впрочем, не означало достаточности для самоподдержания и размножения организма. Сейчас работы по расчетам минимальных геномов различных микроорганизмов проводят многие лаборатории мира.
И вот печать преподносит сенсацию - Крейг Вентер не только первым синтезировал минимальный бактериальный геном, но и внедрил его в клетку и даже подал заявку на патент. В действительности же Вентер сделал две разные работы. Он выполнил первый этап своей задачи-максимум - синтезировал минимальный геном, названный геномом Mycoplasma laboratorium. Следующий этап касался отработки одного из этапов задачи-минимум - внедрения генома одной бактерии в другую. Причем в этом эксперименте специалисты Вентера работали с другими видами микоплазм - Mycoplasma mycoides и Mycoplasma capricolum. Следуя вентеровскому плану, они должны были удалить у одного из видов генетический материал. Но ученые решили облегчить свою задачу и трансплантировать чужой геном в целую клетку (ведь известны случаи, когда бактерии поглощали целые куски чужих геномов). И им это удалось. Внедрив геном Mycoplasma mycoides в Mycoplasma capricolum, они получили бактерии с двумя геномами. Но когда эти бактерии поделились, их дочки оказались разными - mycoides и capricolum. Разделив их, ученые получили бактерию с трансплантированным геномом. Таким образом, эксперимент показал, что можно внедрить геном даже в клетку с неудаленным геномом.
Некоторые издания, видимо не разобравшись, смешали два эксперимента в один, и получилась сенсация - так хочется приблизить тот миг, когда появится бактерия-гомункулус!
На самом деле, первенство в синтезе минимального бактериального генома - заметное достижение, пусть ступенькой ниже, чем о том сообщается.
По какому плану действовал Вентер, рассказывает академик РАН, директор Центра биоинженерии РАН Константин Скрябин. Сначала с помощью классической генетики и генной инженерии он выключал в клетках отдельные гены и смотрел, живет клетка или нет. Таким образом, он выяснил, что клетке для жизни примерно из 500 генов нужно всего 380. Затем нужно было синтезировать все эти гены. И потом собрать из них ДНК. Дальше, вероятно, он собирался выполнить задачу-минимум и вставить эту синтезированную ДНК в Mycoplasma с удаленным (или не удаленным) генетическим материалом.
Хотя Mycoplasma laboratorium - первый собранный синтетический геном бактерии, технологии создания таких геномов ученым хорошо понятны. Сначала синтезируются олигонуклеотиды (небольшие однонитевые цепочки примерно из 50 нуклеотидов). Но можно делать их и длиннее, по 100 нуклеотидов. В гене около тысячи нуклеотидов, и десяток олигонуклеотидов для него сшивается химически. С помощью ферментов достраивается вторая - комплементарная - цепочка. И вот один ген готов. Так же второй и третий. И потом они сшиваются друг с другом. Разумеется, это грубая схема, потому что в технологии множество нюансов. Все олигонуклеотиды проверяются на ошибки, отсекаются повторы, что-то еще достраивается и т. д. Но в итоге получается ДНК для бактерии.
Стоило собрать геномы нескольких вирусов и одной бактерии, как специалисты уже осмеливаются называть эту процедуру почти рутинной. Подумаешь, геном - это всего лишь простая линейная молекула! В тысячу раз сложнее, по мнению ученых, создание целой клетки. Это второй этап задачи-максимум Вентера.
Действительно, самое важное - это окружение ДНК, говорит Скрябин. Поэтому сейчас и идет такая масса экспериментов. Даже если бы Вентер и вложил синтетический геном в природную клетку, выполнив задачу-минимум, затем он должен был бы синтезировать все то, что находится в прототипе - природной клетке.
Сделать же это в ближайшие годы, по мнению завлабораторией Института биоорганической химии имени Шемякина РАН профессора Вадима Говоруна, вряд ли возможно. Цитоплазма, в которой находится ДНК, - это такой бульон, в котором крутится множество белков, и все по определенным программам. И пусть даже в какой-нибудь простейшей бактерии этих белков всего 500 видов, но они находятся в постоянных взаимодействиях друг с другом. А таких взаимодействий - триллионы. И измерять эти взаимодействия ученые пока не научились. При этом белки в цитоплазме подвергаются так называемой посттрансляционной модификации, проще говоря, они меняются. На одни налипают фосфаты, на другие - сахара, у третьих что-то отщепляется. И жизнь, на самом деле, это не только нечто, что позволяет размножаться, как часто думают генные инженеры. Жизнь - это миллионы узнаваний, миллионы клеточных реакций на всевозможные факторы - внутренние и внешние.
Так что вентеровская Mycoplasma laboratorium, как и гомункул у Гете, пока "на полпути и лишь наполовину во плоти".
Научный вызов и настоящие биофабрики
Вентер продолжает работать над проектом. Он выполнил первый этап задачи-максимум и второй задачи-минимум. Сейчас, кажется, ничто не мешает ему завершить задачу-минимум - внедрить минимальный синтетический геном Mycoplasma laboratorium в природную бактерию. Но какую? Логично было бы внедрить его в природную Mycoplasma genitalium. Но отрабатывал-то он приемы на других видах. Вероятно, эксперименты с завершением задачи-минимум еще продолжаются. Как продолжаются работы по систематизации белков Mycoplasma genitalium и их состояний, чтобы иметь четкое представление о возможностях конструирования полностью синтетической бактерии.
Синтетическая жизнь - это научный вызов. Но Вентер не только гениальный ученый, но и гениальный пиарщик. Он заявляет об амбициозной научной цели и не забывает привязать ее к практическим результатам - созданию синтезированных организмов, которые будут производить нужные белки или топливо. Хотя многие ученые полагают, что для создания вполне практичных "штучек" вовсе необязательно заниматься синтезом целых организмов.
Но используемые Вентером и другими учеными исследовательские подходы скорее дополняют друг друга, чем конкурируют.
Один подход, говорит Скрябин, - идти от анализа к конструированию. Так делают химики: сначала получают структуру, потом синтезируют ее. Есть другой подход к конструированию - идея, что можно собрать из разных кусочков, как из детского конструктора "Лего", например, какие-то свойства живого организма. Но и тот и другой работают как на фундаментальную науку, так и на биотехнологии.
Вентер вроде бы идет первым путем - по пути анализа и создания целого, полностью синтетического, но живого организма, который затем можно будет использовать для различных практических целей, изменяя его геном. Другие ученые, к примеру Дж. Черч, считают, что можно создавать биологические интелы и использовать принципы и методы, заимствованные из микроэлектроники. Это позволит создать библиотеки биологических деталек и тем самым заложить основы производства биологических систем - биофабрик с разделением труда. В результате bio-fab-конструктор, работающий на уровне целых систем, должен думать только о том, какие устройства ему использовать и как их соединить друг с другом, чтобы достичь поставленной цели, и не заниматься созданием самих деталей, - такой подход, по мнению Черча и его коллег, позволит, во-первых, создавать новые конструкции гораздо быстрее, чем это делают сейчас биотехнологи, во-вторых - конструировать совсем новые биологические "машины".
На конференции в 2003 году по bio-fab-конструированию было доложено о многочисленных устройствах с совершенно удивительными свойствами. Биопленка, с помощью которой можно делать снимки; запрограммированная клеточная система, регистрирующая и отвечающая на входящие сигналы; счетное устройство из наборов сегментов ДНК; многоклеточный прототип детектора взрывчатых веществ. Ученые смогли создать биологические осциллятор и тумблер для регуляции работы генов, в том числе и еще одного встроенного гена, кодирующего флуоресцирующий белок. Так что бактериальная клетка сообщала о действиях конструкции включением и выключением своей "лампочки".
Методом сборки создаются и новые лекарственные препараты. Подбирая нужные гены, ученые могут увеличить производство нужного продукта в сотни тысяч раз, а также конструировать новые белки. Например, группа Д. Бейкера из Вашингтонского университета занимается разработкой компьютерных программ для конструирования новых белковых структур, имитирующих основные свойства поверхностных белков ВИЧ, которые смогут использоваться как основа для вакцин.
Вадим Говорун считает, что будущее именно за такими технологиями сборки, причем будущие конструкции будут использовать как живые элементы, к примеру белки, так и неживые наноматериалы. Гены для этих конструкций можно и синтезировать, и нарабатывать в больших количествах уже известными методами из природных организмов. Это будет быстрее и экономичнее, чем создание целых синтетических организмов.
Впрочем, скорее всего и Вентер не собирается зацикливаться на полностью синтезированных организмах. Недавно он завершил мировое турне по морям и океанам. Цель путешествия - добыть как можно больше различных живых организмов с еще неизученными свойствами. А конечная цель - найти уникальные ферменты для использования в генной инженерии. То есть конструировать генные кассеты, включающие самые разнообразные гены, которые будут не только продуцировать нужное вещество, но и многократно увеличивать экспрессию, включаться или выключаться в нужное время и т. д., и вставлять эти кассеты в геномы природных бактерий. Примерно таким образом специалисты вентеровской компании Syntetic Genomics Inc. планируют создать энергетического микроба, который будет конвертировать целлюлозу в этанол, бутанол и другие спирты. Некоторые микробы способны превращать целлюлозу в глюкозу, а другие - делать из сахаров спирт. Сконструировав новый геном с нужными генами от одного и другого микроба, специалисты получат источник топлива. В июне компания уже подписала соглашение с BP о проекте, предполагающем создание бактериальных продуцентов топлива.
