Михаил Ахманов - "Полдень, XXI век", 2010, № 08

В-третьих, в самой дальней перспективе предполагается стереть границу между живыми существами и машинами, чтобы прийти к «киборгам» — программируемым организмам.

Практических приложений у новой науки может быть неограниченное количество. Например, она открывает путь к созданию специальных микробов, которые буквально из мусора производили бы сложные и дефицитные лекарства, чем резко снизили бы их себестоимость. А можно, например, создать биодетектор мин: геномодифицированные бактерии распыляют на местности, и там, где есть тротил в почве (а он неизбежно просачивается из мины наружу), бактерии синтезируют особый флуоресцентный белок, который светится в темноте, указывая местоположение смертельной угрозы. Схожие бактерии можно использовать в медицинской диагностике.

При этом, что примечательно, адепты синтетической биологии намерены прийти к такому положению вещей, когда любой нужный организм создавался бы набором стандартных генетических последовательностей — как детский домик из кубиков. Сама технология должна походить на сборку электронной схемы из серийных транзисторов и диодов. Человек, собирающий принципиально новую схему, даже не обязан понимать, как эти детали устроены, — ему достаточно знать характеристики используемой детали: что имеем на входе и что получаем на выходе.

Сейчас в Массачусетском технологическом институте создали и систематизировали уже более 140 фрагментов ДНК (под этой аббревиатурой понимают дезоксирибонуклеиновые кислоты, несущие в себе генетическую информацию). Зная заранее характеристики этих «кубиков», ученый может произвольно соединять их, программируя отклик живого на те или иные химические сигналы.

Быстрое развитие новой науки тормозится одной проблемой. Поместив сконструированную ДНК в некую клетку, ученые заставляют взаимодействовать новые последовательности с теми, что имеются у исходной клетки, — в результате большинство «кубиков», которые пробовали внедрять в генетический код клетки, просто убивали ее. А ведь именно клетка должна обеспечивать жизнь искусственной ДНК, ее копирование и распространение…

Созданием «машины эволюции», которая решит многие из проблем, стоящих перед «синтетическими» биологами, занялась американская корпорация «LS9».

На первом этапе была поставлена задача построить эффективный биореактор, который прямо превращал бы бытовые отходы в эффективное топливо для транспорта. Его проект разрабатывается группой ученых под руководством Джорджа Чёрча — профессора генетики из Гарварда.

Тут следует отметить, что микроорганизмы обладают массой преимуществ в качестве синтезаторов горючего и других полезных смесей. Микробы очень быстро размножаются и неприхотливы, но есть серьезная проблема: нам не известны бактерии, которые «гнали» бы искусственный бензин. Необходимо подкорректировать геном какой-нибудь бактерии так, чтобы она выдавала требуемые вещества в качестве продукта своего метаболизма. К примеру, генетики уже научили кишечную палочку синтезировать пластмассу.

Конечно, у ученых имеются различные варианты коррекции генома, которые сдвигают биохимические реакции внутри бактерии в нужную сторону. Но стоит только применить одну из них, как оказываются затронутыми другие цепочки превращений, сразу возникают побочные эффекты. Биологам приходится действовать методом проб и ошибок, проверяя получающиеся организмы на полезный выход целевого соединения и на его жизнеспособность. Добавляют в геном один ген, дают бактериям размножиться — анализируют результат.

Этот процесс занимает слишком много времени и сил. Таким путем желаемый штамм можно искать годами. Разработка Джорджа Чёрча сокращает этот срок до нескольких дней.

Чёрч с товарищами применили оригинальную технологию MAGE (Multiplex-automated genomic engineering — Умноженно-автоматизированная генная инженерия). В ее основе устройство, которое уже назвали «Машиной эволюции». Оно позволяет проводить с бактериями одновременно по 50 искусственных генетических изменений, то есть апробировать на микробах по полсотни экспериментальных генетических кодов за раз.

Работает это так. Сначала ученые готовят пятьдесят коротких цепочек ДНК, представляющих собой один и тот же участок генома бактерии, но с пятьюдесятью разными вариациями, способными повлиять на синтез определенного фермента или белка. Эти пятьдесят цепочек помещают вместе с бактериями в специальную машину, в которой смесь подвергается определенным температурным воздействиям и в которой запускается цепочка реакций, приводящих к встраиванию привнесенного участка кода в геном бактерий. С каждым поколением микробов в них насчитывается всё больше и больше экземпляров с измененным геномом — через несколько поколений все бактерии в машине «впитывают» необходимые генетические изменения.

Первые же опыты ошеломляют. Так, всего за три дня был синтезирован штамм бактерий, которые производили антиоксидант впятеро интенсивнее собратьев. В новичках, как выяснилось, «заработали» 24 генетических изменения, на поиск сочетания которых традиционным способом исследователи потратили бы год.

Теперь силы брошены на поиск идеальных «топливных» микроорганизмов. Руководство корпорации «LS9» уверено, что массовое «бактериальное» топливо будет вчетверо дешевле классической солярки.

На следующем этапе предполагается создать модифицированные микроорганизмы, которые смогут вырабатывать питательные вещества или лекарства прямо из мусора.

«Машина эволюции» пока еще не способна создать принципиально новую жизнь — она только ускоряет ход мутаций, добиваясь от микроорганизмов нужных нам свойств, которые предопределяются изменениями в существующих генетических цепочках. Совсем другое дело — попытаться на основе общетеоретических соображений сконструировать организм, который вообще не имел бы ничего общего с земной эволюцией и биологией. Это был бы настоящий Акт Творения.

В 2002 году ведущие американские специалисты в области генетики Крейг Вентер и Хамильтон Смит объявили о планах по созданию новой формы жизни в лабораторных условиях. Вопреки существующим научным традициям, они посчитали нужным предупредить администрацию США о своем проекте до его начала, поскольку результат эксперимента может быть использован вражескими государствами или террористами для разработки биологического оружия.

Пока политики обдумывали, как избежать угрозы для национальной безопасности, Вентер и Смит приступили к эксперименту, на осуществление которого Департамент энергетики выделил три миллиона долларов.

Тут стоит отметить, что в 1978 году Смит получил Нобелевскую премию в области физиологии и медицины. А к Вентеру слава пришла после того, как он развил новый метод исследования цепочки геномов, который значительно ускорил процесс выявления ряда ДНК. Теперь же ученые вознамерились создать одноклеточный организм с минимальным количеством генов, необходимых для жизни, и способный в дальнейшем питаться и делиться.

В качестве материала для работы они выбрали микроорганизм Mycoplasma genitalium, который вызывает инфекцию половых органов и, в частности, воспаление уретры. Он способен к самовоспроизводству и имеет наименьшее число генов из всех известных нам живых существ. При проведении опытов выяснилось, что для выживания ему хватает около 300 генов из его 517 (для сравнения: у человека насчитывается около 20 тысяч генов).

Вентер и Смит планировали полностью извлечь из микроорганизма его генетический материал, затем синтезировать искусственную цепочку генов, напоминающую природную хромосому. Она будет содержать минимальное количество генов Mycoplasma genitalium, необходимое для поддержания жизни. Эту хромосому поместят в лишенную собственной ДНК клетку, чьи способности в плане выживания и воспроизводства затем и намерены изучать.

Год назад общественности было доложено о промежуточных результатах. Институт Крейга Вентера объявил о синтезе самой длинной в мире рукотворной ДНК, содержащей 582 970 пар оснований, которые полностью соответствуют геному бактерии Mycoplasma genitalium (для сравнения: ДНК человека состоит из трех миллиардов пар). Причем ученые не размножили или скопировали готовый «код», а выстроили весь набор с нуля — из простых химикалий, от неживой материи к живой. Таким образом, первый серьезный шаг на пути к полностью искусственному организму сделан.

Совсем уж необычным путем пошел Стивен Беннер из американского Фонда прикладной молекулярной эволюции. Известно, что основой всего живого на Земле являются четыре азотистые основания молекулы ДНК: аденина (А), гуанина (G), цитозина (С) и тимина (Т). Двадцать лет Беннер занимался поиском иных «кирпичиков» жизни, и вот теперь подвел итог исканий: ему удалось синтезировать еще восемь совершенно иных оснований, названных Z, Р, V, J, Iso-C, Iso-G, X и К. Вместе с четырьмя традиционными они составили 12-буквенный «алфавит», способный записывать генетическую информацию усложненного вида.