Микрокосм. E. coli и новая наука о жизни - Карл Циммер

Глава 10. Играющая природа

Портрет в протоплазме

В лаборатории Кристофера Войта в Калифорнийском университете в Сан — Франциско E. coli может изготовить для вас портрет. Войт поместит вашу фотографию перед специально затененным хитроумным устройством. Отраженный от картинки свет попадает на пластинку покрытую тонким слоем E. coli. Этот штамм Войт и его коллеги создали в 2005 г. Они пересадили бактерии гены, часть из которых позволяет им чувствовать свет, а часть — продуцировать темный пигмент. Гены подключены таким образом, что если микроорганизм ощущает свет — к примеру, отраженный от фотографии, — то гены, отвечающие за синтез пигмента, блокируются. Бактерии, на которые попадают фотоны, отразившиеся от светлой части фотографии, остаются прозрачными. Те же, на которые свет не попадает, продолжают вырабатывать пигмент и постепенно темнеют. На пластинке проявляется изображение — мутноватое и нерезкое, но вполне узнаваемое.

Кристофер Войт — доцент с длинным списком научных публикацией. Но, помимо этого, он настоящий сын века биотехнологий. Он еще не родился, когда в 1970–е гг. ученым впервые удалось встроить чужеродные гены в геном E. coli. Этот успех стал одним из важнейших событий в истории биологии. При помощи генной инженерии ученым удалось разобраться в некоторых загадочнейших особенностях генома. E. coli превратили в рабочую лошадку. Возникла целая отрасль промышленности, в которой задействовано $75 млрд. Освоив искусство встраивания генов в геном на E. coli, специалисты начали встраивать их в другие микроорганизмы, а затем в животных и растения. Сегодня козы вместе с молоком вырабатывают лекарства, а на 250 млн га сельскохозяйственных земель выращиваются растения с искусственно встроенными в них генами, обеспечивающими устойчивость к гербицидам и пестицидам.

Но это не значит, что E. coli как объект исследований отошла в тень. Ученые по — прежнему с удовольствием используют ее при разработке новых инструментов и методов управления жизнью. Работа Войта, к примеру, — часть новой разновидности генной инженерии, получившей название синтетической биологии. Вместо того чтобы переносить гены поштучно от одного вида к другому, специалисты по синтетической биологии стремятся создавать с нуля целые генетические схемы. Они соединяют гены разных видов в систему, а затем настраивают ее на выполнение новых функций. Пока им удается создавать лишь красивые и наглядные доказательства принципиальной осуществимости этой идеи — такие, к примеру, как бактериальная фотокамера Войта. Однако в будущем эти эксперименты могут привести к созданию микроорганизмов, вырабатывающих электроэнергию из солнечного света или лекарства, но только в заданных условиях (назовем их «умными» лекарствами). Специалисты по синтетической биологии пытаются даже разобрать E. coli на составные части и вновь использовать некоторые из них при создании жизни.

В новом направлении исследований полно противоречий. В настоящий момент идут горячие споры о рисках, связанных с синтетической биологией и другими достижениями биотехнологии. Эти риски разнообразны и многочисленны — это и случайное попадание в природу опасных искусственных организмов, и намеренное создание всевозможных типов биологического оружия. «Умные» лекарства несложно превратить в «умную» инфекцию. Кроме того, синтетическая биология дала новый толчок старым спорам о моральной допустимости биотехнологий как таковых. Сегодня мир столкнулся с массой самых разных научных исследований, разобраться в которых порой просто невозможно, — от мышей, выращивающих в своем мозгу человеческие нейроны, до созданных смертоносных вирусов. Чтобы прийти в этих спорах хоть к какому‑то результату, нам необходимо серьезно обдумать, что значить быть живым и как биотехнология меняет смысл этого понятия. E. coli, главный микроорганизм биотехнологического века, может многое нам рассказать. Лицо на пластинке смотрит на оригинал — это скорее зеркало, чем портрет.

Неолитические биотехнологии

Биотехнологии рождались многократно, и каждый раз это происходило вслепую.

Человек начал манипулировать другими формами жизни по крайней мере 10 000 лет назад: его целью было получение полезных вещей, таких как пища и одежда. В Юго — Восточной Азии, Турции, Западной Африке и Мексике люди одомашнивали животных и растения. Вероятно, сначала это происходило неосознанно. Собирая растения, люди предпочитали определенные разновидности, и их семена случайно сыпались на землю возле стоянки. Дикие предки собак, бродившие вокруг костров и питавшиеся объедками, вероятно, передавали своим щенкам гены общительности. Эти виды адаптировались к жизни с человеком посредством естественного отбора. Как только человек начал возделывать землю и выращивать скот, естественный отбор уступил место отбору искусственному, поскольку человек уже сознательно отбирал для продолжения рода особей с нужными ему свойствами. Эволюция ускорилась, и человек создал целую галерею гротескных тварей — от плоскомордых мопсов до тыкв размером с приличный валун.

Надо сказать, что неолитические биотехнологи манипулировали и микроорганизмами тоже. Они научились делать пиво и вино или, вернее, поняли, как заставить дрожжи сделать пиво и вино. Человеку достаточно было просто создать условия, при которых дрожжам удобнее всего будет превращать сахар в спирт. Дрожжи, выделяя углекислый газ, заставляли хлеб подниматься. Одомашненные микроорганизмы эволюционировали, точно так же как дикорастущий злак теосинте эволюционировал в кукурузу, а жилистая дикая курица — в упитанную домашнюю птицу. Дрожжи сегодняшних виноделов отличаются от своих диких родичей, покрывающих древесную кору.

К примеру, с появлением йогурта развилась целая бактериальная экосистема. Его изобрели пастухи — кочевники, жившие на Ближнем Востоке, около 5000 лет назад. Возможно, однажды они обратили внимание на то, что молоко загустело и приобрело характерный вкус, а протухать не торопилось. По всей видимости, бактерии, которые прежде питались растениями, случайно попали в молоко и, размножаясь в нем, изменили его химический состав. Пастухи обнаружили, что если положить немного такого загустевшего продукта в свежее молоко, то оно тоже изменится. Бактерии в этих культурах оказались в плену новых экосистем и адаптировались к подобным условиям, развивая умение все лучше утилизировать молоко и отбросив ненужные для этого гены.

Человек полуосознанно экспериментировал с животными, растениями и микроорганизмами тысячи лет. Но в XIX в., когда началось проникновение в микромир, у ученых появились новые способы управлять природными объектами. При первых попытках такого рода методы использовались простые, но мощные и наглядные. Луи Пастер продемонстрировал, что именно бактерии делают вино кислым, а молоко — опасным. Сильное нагревание убивает эти вредные бактерии, отчего дети становятся здоровее, а любители и знатоки вина — счастливее.

Обнаружив подобные алхимические свойства бактерий, микробиологи начали активно искать виды микроорганизмов, которые могли бы выполнять новые полезные химические задачи. Хаим Вейцман, первый президент Израиля, первоначально прославился именно в области биотехнологий. Во время Первой мировой войны, проживая в Британии, он открыл бактерии, способные производить ацетон — важный компонент взрывчатых веществ. Уинстон Черчилль быстро воспользовался этим открытием, построив целую сеть фабрик, на которых бактерии делали дешевый ацетон для военно — морского флота Великобритании. Следующее поколение микробиологов, пытаясь заставить бактерии работать эффективнее, занималось уже их генами. Подвергнув пенициллиновую плесень облучению, ученые получили мутантные экземпляры с дополнительными копиями генов, отвечающих за производство пенициллина, которые позволили увеличить производство ценного лекарства.

Научившись манипулировать живыми организмами, ученые задумались о том, что ожидает нас впереди. В 1923 г. британский биолог Джон Холдейн написал произведение в жанре научной фантастики. От лица воображаемого историка будущих времен он рассказывает о создании в 1940 г. нового штамма водорослей, способных извлекать азот из воздуха. Будучи рассыпанными над полем, они так эффективно удобряли почву, что удваивали урожай. Но затем часть водорослей случайно попала в море, и поверхность Атлантики превратилась практически в желе. Это вызвало вспышку численности рыбы, которой после этого стало столько, что ею могло прокормиться все человечество.

«Разумеется, именно в результате вторжения Porphyrococcus море приобрело фиолетовый цвет, который сегодня кажется нам столь естественным, но который очень расстраивал эстетически настроенную часть наших прародителей, бывших свидетелями перемены, — писал Холдейн. — Нам, конечно, любопытно читать о том, что море когда‑то было голубым или зеленым».