На чтение: ≈ 14 мин.Человеку известен химический и биохимический состав живой клетки, известен ее функциональный состав и то, каким образом органеллы клетки взаимосвязаны между собой… Так почему бы не попробовать создать живое из неживого, используя эти знания?
ИсторияВо второй половине ХХ столетия развитие технологий генной инженерии (манипуляции с отдельными генами) позволило вмешаться в ДНК живых организмов, дав ход экспериментам по созданию искусственных форм жизни, то есть искусственных геномов. Это ведь заманчиво – проектировать и затем создавать биологические системы, обладающие заданными свойствами и использующие заменяемые «генетические детали» (иногда расширенный генетический код), что позволяет им функционировать немыслимым для обычных организмов способом.Началом эры такого взрывного и спорного развития отрасли биоинженерии, названной синтетической биологией, можно считать работы Стивена Беннера и Питера Шульца.В 1989 году С.Беннер создал ДНК, содержащую в дополнение к четырем известным буквам генетического алфавита (A, T, G и C) еще две. С тех пор было получено несколько вариантов ДНК, использующих синтетические нуклеотиды, но синтеза белков на их основе добиться не удавалось.П.Шульц в 2001 году вырастил клетки (содержащие нормальную ДНК), которые производили аминокислоты, отличные от природных, и использовал их для синтеза необычных белков (изменил структуру кодонов). Расширил эти исследования Джейсон Чин в 2010 году. Ему удалось перенастроить механизм транскрипции (процесс синтеза РНК на основе последовательности ДНК, необходимый для последующей трансляции или белкового синтеза) синтеза белка у кишечной палочки так, чтобы он мог считывать не триплеты нуклеотидов, а четырехзначный код. В этом случае могут быть получены не 64 (43 – 4 нуклеотида ДНК, кодоны аминокислот из 3 нуклеотидов), а 256 комбинаций нуклеотидов, что открывает широкие возможности по кодированию принципиально новых белков, не существующих в природе.В 2007-2008 годах командой Крейга Вентера (в его собственном Институте геномных исследований) был создан первый синтетический геном с минимальным набором генов, достаточным для существования клетки, в 2010 году – полноценный геном бактерии и первый искусственный живой организм.В 2014 году лаборатория Джефа Буке создала клетки дрожжей Sacchаromyces cerevisiae (в эукариотической дрожжевой клетке в отличие от прокариотических бактерий генетическая информация содержится в хромосомах ядра), где вместо хромосомы номер 3 работает ее синтетический аналог. Д.Буке является руководителем проекта Synthetic Yeast 2.0, в рамках которого ученые занимаются дизайном синтетических эукариотических геномов дрожжей.Папа – компьютерОбщий принцип сводится к проектированию генома на компьютере, переводу его в формат ДНК и загрузке генетической программы в цитоплазму живой клетки, после чего автоматически начинается его выполнение.Научный поиск был долгим и затратным (15 лет и 40 млрд долларов) и начался в 1995 году с бактерии Mycoplasma genitalium – обладателя самого маленького генома среди культивируемых организмов (то есть способных самостоятельно размножаться в лабораторной культуре). После определения минимального числа генов (381), необходимого для роста и размножения бактерии в культуре (порядка 100 генов оказались незначимы), началась сборка синтетического генома. Химическим методом синтезировались небольшие участки геномной ДНК, которые затем помещались в бактерии кишечной палочки (Escherichia coli), где они последовательно объединялись в более крупные фрагменты при использовании ферментов и строительных блоков клетки-хозяина. В итоге был получен синтетический геном M. genitalium.В дальнейшем лаборатория Вентера использовала более быстро растущие клетки M. mycoides, ответственные за заболевание крупного рогатого скота – контагиозную плевропневмонию. Геном этой микоплазмы (который был уже расшифрован, а гены на хромосоме картированы) был взят за основу при проектировании первых искусственных организмов, а на роль реципиента выбран еще один вид микоплазм – M. capricolum. Как и раньше, вначале синтезировались небольшие фрагменты геномной ДНК M. mycoides, их соединение и репликация проводились вначале в клетках E. coli, а затем и в клетках Saccharomyces cerevisiae (пекарские дрожжи), которые лучше «работают» с крупными фрагментами ДНК. В итоге по кусочкам был собран весь геном M. mycoides с некоторыми модификациями, обеспечивающими эффективное соединение и репликацию фрагментов ДНК в E. coli и дрожжах. Синтетический геном затем был перенесен в клетку другой бактерии – Mycoplasma capricolum – с предварительным удалением из нее хромосомы. В результате M. capricolum дала начало колонии бактерий с искусственным геномом, которые производили белки M. mycoides и фенотипически соответствовали последней. Так был создан первый в мире искусственный живой организм, он получил имя Mycoplasma laboratorium и прозвище Синтия (по мнению создателей, это первое живое существо, родителями которого фактически являются компьютеры).Что это дает? Открываются грандиозные перспективы по изучению молекулярных основ жизни при наличии контроля над всем генетическим кодом. В будущем жизнь может быть синтезирована из неорганических материалов. Следует ожидать появления новой области знаний, со всей ответственностью прогнозирующей потенциальные риски создания новых форм жизни с потенциально опасными для человечества свойствами и дающей рекомендации по предотвращению возможных неблагоприятных последствий для природы и общества в виде ошибок исследователей или актов биологического терроризма. Нанесен мощный удар по виталистическим воззрениям на жизнь. Можно восстановить генетический код вымерших микроорганизмов, расширить знания об экологии микробных сообществ, существовавших сотни миллионов лет назад, пополнить знания планетологии.Захватывающие перспективыНа сегодня вопросами синтетической биологии занимаются преимущественно фундаментальная биохимия, молекулярная биология, химия, физика, информатика, прикладная сфера ограничена пока микробиологией и фармакологией. При объединении усилий ученых в недалеком будущем человечеству не придется отыскивать существующие в природе микроорганизмы с нужными свойствами, не придется модифицировать уже существующие, а можно будет просто синтезировать биологические структуры. Создавать искусственные организмы с заданными свойствами для биосинтеза топлива, получения эффективных лекарств, деградации экологически вредных отходов промышленного производства… По утверждению Крейга Вентера, человечество вполне способно спасти Землю от глобального потепления и колонизировать Марс.Так что применение СинБио (синтетической биологии) трудно переоценить. Ближайшие перспективы – это синтез различных соединений и получение лекарств от малярии (артемизинин), вакцины против гриппа, создание бактерий, которые смогут уничтожать раковые опухоли в организме человека (проект К.Войта и К.Смолке), биоинженерной крови. Это превращение возобновляемого сырья (к примеру, сахара) в заменитель органического топлива, синтетические шины (чем занимаются американская компания Amyris и французская Michelin), косметические кремы и мыла и моющие средства с добавкой аромата ванили (ванилин компании Evolva), специализированные масла из синтетически модифицированных дрожжей и водорослей, корма для животных. С 2008 по 2011 год мировой рынок синтетической жизни вырос с 234 миллионов долларов до 1,6 миллиарда, и в 2016 году планируемый объем составит 10,8 млрд в долларовом эквиваленте. С другой стороны, создание таких организмов вызывает интерес у военных (создание бактериологического оружия), то есть представляет опасность для человечества. Именно поэтому 20 октября 2014 года 194 страны официально признали необходимость действующего надзора над СинБио в рамках Конвенции ООН.Горячие новостиНа сегодня в рамках проекта под названием OpenWorm создается виртуальная модель биологического организма нематоды Caenorhabditis elegans. Конечная цель проекта – попытка «оцифровать» сложный организм червя, состоящего из порядка 1000 клеток (из них 302 нервные клетки и 95 мышечных), что прежде всего поможет глубже понять принципы функционирования человеческой нервной системы (из 19700 генов червя 80% аналогичны генам человеческого мозга). Проект OpenWorm стартовал в начале 2011 года и сейчас развивается учеными и программистами из США, России (Сибирское отделение РАН) и Европы. На сегодня из общей математической модели OpenWorm была взята модель мозга червя и помещена в микропроцессор, управляющий движениями робота, собранного из конструктора Lego. Такой робот может двигаться и взаимодействовать с препятствиями подобно живому червю на основе команд, генерируемых его цифровым мозгом. Это первый шаг на пути к созданию искусственного интеллекта в виде киберорганизмов, способных выполнять различные виды работ. Даты и факты1980 год – первое использование термина «синтетическая биология» при описании генетически модифицированных бактерий. Предложен к употреблению в 2000 году на собрании Американского химического общества.Июнь 2004 года – первая научная конференция по синтетической биологии (Массачусетский технологический институт).Литератураhttps://www.cbd.int/convention/text – Конвенция OOH о биологическом разнообразии.D.G.Gibson et al. Complete Chemical Synthesis, Assembly, and Cloning of a Mycoplasma genitalium Genome. Science, 2008, 319, 1215-1220 – оригинальная публикация, описывающая создание синтетического генома M. mycoides.D.G. Gibson et al. Creation of a Bacterial Cell Controlled by a Chemically Synthesized Genome. Science, 2010, 329, 52-56 – оригинальная публикация, описывающая создание функционирующей клетки с синтетическим геномом.E. Pennisi. Synthetic Genome Brings New Life to Bacterium. Science, 2010, 328, 958-959 – краткий обзор-комментарий на вышеупомянутую работу D.G. Gibsonetal., 2010.P.Oldham, S. Hall, G. Burton. Synthetic Biology: Mapping the Scientific Landscape. PLoSONE, 2012, 7, e34368 – обзорная статья по истории и географии развития СинБио.http://www.openworm.org – англоязычный ресурс проекта OpenWorm.http://syntheticyeast.org/team – сайт проекта Synthetic Yeast 2.0.http://www.festivalnauki.ru/video/29975 – видеозапись лекции Стивена Беннера «Синтетическая биология. Складываем жизнь по кирпичикам», Всероссийский фестиваль науки, 2014 г. (на английском языке).Светлана ХОРОНЕНКОВА, кандидат химических наук
Выбор читателей
Комментарии