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

Подобные эксперименты внушают специалистам по синтетической биологии великие надежды на будущее. Вскоре они смогут синтезировать ДНК для получения совершенно новых генов, причем стоимость этого процесса будет невелика. В настоящее время никто не знает, как сконструировать ген, который выполнял бы заданную функцию, но исследователи научились вносить изменения в уже существующие гены и просчитывать, как эти изменения скажутся на белке, за синтез которого они отвечают. Уже разработаны новые гены, которые позволяют E. coli распознавать нервно — паралитический газ и тротил. Один из самых амбициозных проектов запущен в Калифорнийском университете в Беркли, где ученые пытаются создать генетически модифицированные штаммы E. coli и дрожжей, которые могли бы вырабатывать противомалярийное средство под название артемизинин. В природе этот препарат вырабатывает только полынь однолетняя. Если бы к производству артемизинина удалось приспособить микроорганизмы, его стоимость, возможно, упала бы в десять раз.

Тем временем Кристофер Войт с коллегами создает штаммы E. coli, которые когда‑нибудь, возможно, смогут бороться с раком. Его бактерии разыскивают в организме опухоли по низкому содержанию кислорода, и затем «впрыскивают» токсины в раковые клетки. Войт надеется когда‑нибудь превратить E. coli или какой‑нибудь другой микроорганизм в «умное» лекарство, способное самостоятельно принимать решения о том, как и когда следует выделять лекарственное вещество для лечения болезни. Возможно, они смогут также считать собственные циклы деления и после определенного их числа заканчивать жизнь самоубийством. Другие ученые пытаются превратить E. coli в солнечную батарею, способную улавливать солнечный свет и превращать его в топливо. Специалисты по синтетической биологии надеются, что когда‑нибудь им удастся продвинуться дальше E. coli и приступить к работе с другими организмами, как это в свое время произошло с генной инженерией. Не исключено, что когда‑нибудь они смогут вмешаться и в программирование человеческих клеток: к примеру, заставить организм вырастить новый орган.

Все то, о чем говорилось выше, занимает мысли специалистов по синтетической биологии в хорошие дни. Когда же накатывает дурное настроение, они вспоминают обо всех трудностях и препятствиях, которые ждут их впереди.

Инженерам, к примеру, нужны стандартизованные детали. Конструируя токарный станок или газонокосилку, инженер не придумывает заново болты, которые должны скреплять детали машины. Он просто указывает, какие болты и гайки из стандартного набора следует использовать. Но это относительно недавнее достижение. До середины XIX в. резьба на болтах, сделанных на одном заводе, могла полностью отличаться от той, которая была на болтах другого завода. Стандартизация болтов ускорила технический прогресс и, возможно, сыграла очень существенную роль в промышленной революции.

Пока что синтетическая биология в некоторых отношениях находится еще на доиндустриальной стадии развития — это ремесло для умельцев и мастеров. Еловицу и его коллегам — специалистам мирового класса по E. coli и ее генам — на получение мигающей бактерии потребовалось больше года. Даже добившись успеха, они оказались в тупике — другим ученым было бы очень трудно каким‑то образом улучшить их схемы или включить их в другие, более сложные. С одной стороны, сначала им пришлось бы воспроизвести схему, что само по себе очень непросто. К тому же эта схема может работать только в определенном штамме E. coli, а определить эти штаммы можно, лишь сверяясь с детально разработанным «генеалогическим древом», где за происхождением бактерий следят не менее тщательно, чем за происхождением коронованных особ. Любой инженер почувствовал бы отчаяние перед лицом таких трудностей.

Начиная с 2001 г. Дрю Энди и Том Найт из Массачусетского технологического института создают генетический банк для синтетической биологии. Если вам понадобится добавить к своей схеме переключатель, вы сможете поискать его на сайте BioBricks, загрузить на свой компьютер необходимую последовательность ДНК, заказать соответствующие фрагменты ДНК через биотехнологическую фирму и ввести их в клетку E. coli. На текущий момент в каталоге BioBricks содержится более 160 готовых схем; это не только упрощает исследования в области синтетической биологии, но и способствует развитию соответствующего профессионального сообщества. Энди и Найт организовали на базе BioBricks ежегодный конкурс по синтетической биологии среди студентов. Студенты тоже добавляют в банк новые фрагменты генетического материала, открывая дорогу будущим изобретениям.

Но дальнейшие попытки специалистов построить более масштабные схемы могут встретить на своем пути новое препятствие: саму E. coli. Несмотря на все усилия ученых, многое в этом микроорганизме до сих пор непонятно. Шестьсот его генов остаются полнейшей загадкой. Особенно туманна структура его генетической сети. Ученые могут распознать большинство транскрипционных факторов[30] E. coli, то есть большинство белков, включающих и выключающих гены. Но о том, чем эти гены управляют, известно гораздо меньше. А то, что специалисты знают о E. coli наверняка, иногда очень их расстраивает.

Управляющие схемы E. coli перекрывают друг друга, образуя такую путаницу, какую не сконструировал бы ни один уважающий себя инженер. Очень трудно предсказать, как дополнительные цепи, введенные человеком, изменят общее поведение такой сложной и запутанной системы.

Некоторые специалисты по синтетической биологии считают, что преодолеть слабости E. coli можно, только если разобрать ее на части и собрать заново. В Гарвардском университете, к примеру, Джордж Чёрч с коллегами уже составил список из 151 гена, которых, по их мнению, было бы достаточно для живого организма. Механизм действия этих генов, которые в основном взяты у E. coli и ее вирусов, ученые понимают хорошо. Составленная из них система вроде бы не должна таить особых загадок. Чёрч надеется искусственно собрать из этих основополагающих генов полноценный геном и, совместив их с мембраной и рибосомами (их задача — строительство белков), создать живой организм. Назовем его E. coli 2,0.

Тем временем Альберт Либхабер из Университета Рокфеллера предпочел еще более простой подход. Вместе с коллегами он приготовил раствор, содержащий рибосомы и некоторые химические вещества, которые можно обнаружить в клетках E. coli. Вместо полного генома они создали всего лишь небольшие плазмиды. Затем они заключили гены и молекулы в искусственную двухслойную фосфолипидную оболочку, добавив необходимые для этого вещества. Команда Либхабера обнаружила, что эти пузырьки способны жить — по крайней мере несколько часов. В одном из генов, добавленных Либхабером в плазмиды, был закодирован белок, формирующий поры в мембране. Протоклетки считывали этот ген, строили молекулы соответствующего белка и встраивали их в мембрану. Образовавшиеся поры позволяли аминокислотам и другим небольшим молекулам проникать внутрь протоклетки, но не выпускали наружу плазмиды и другие крупные молекулы. Чтобы отследить производство новых молекул белка, ученые добавили в плазмиды ген, взятый у жука — светляка. Протоклетка светилась холодным зеленоватым светом. Либхабер не называет свое творение живым организмом. Он предпочитает термин «биореактор». Переход от биореактора к настоящей жизни потребует дополнительных усилий, и немалых. Либхаберу и его коллегам придется по крайней мере добавить некоторое количество генов, чтобы обеспечить биореакторам возможность деления на новые биореакторы.

Чёрч и Либхабер только начинают разбираться в том, как следует использовать E. coli при создании новых живых систем. Они не могут просто собрать в одном месте ДНК и другие необходимые молекулы и оставить их в покое, чтобы они ожили самостоятельно. Жизнь не похожа на компьютер, который загружается просто по нажатию кнопки. Каждая живущая сегодня E. coli происходит от предка, у которого, естественно, тоже есть предки. Все это вместе образует непрерывную биологическую реку, текущую уже не один миллиард лет. Жизнь — такая, какой мы ее знаем — всегда была частью этой реки. Но в будущем нам, возможно, удастся организовать собственную протоку.

Возвращение бактерии Франкенштейна

В мае 2006 г. специалисты по синтетической биологии собрались в Беркли (штат Калифорния) на вторую между — народную встречу. Наряду с обычным обсуждением текущих исследований участники выделили время на то, чтобы набросать предварительный вариант профессионального кодекса. Накануне этого дня 35 организаций, включая защитников окружающей среды, общественных активистов и специалистов по биологическому оружию, выпустили открытое письмо, в котором призвали собравшихся воздержаться от резолюций. По мнению авторов письма, им следовало вместо этого присоединиться к публичным дебатам о синтетической биологии и быть готовыми подчиниться решениям своих правительств. «Биотехнологии уже дали повод для протестов по всему миру, но синтетическая биология — что‑то вроде генной инженерии на стероидах», — сказала Дорин Стабински из организации Greenpeace International.