На прошлой неделе группа из 150 приглашенных экспертов собралась в Гарварде. За закрытыми дверями они обсудили перспективы проектирования и строительства целого генома человека с нуля, используя лишь компьютер, синтезатор ДНК и сырье. Затем искусственный геном будет введен в живую клетку человека для замены ее природной ДНК. Есть надежда, что клетка «перезагрузится», изменит свои биологические процессы для работы на основе инструкций, предоставленных искусственной ДНК.
Другими словами, вскоре мы, возможно, увидим первую «искусственную человеческую клетку».
Но цель заключается не просто в создании Человека 2.0. В рамках этого проекта, «HGP-Write: Testing Large Synthetic Genomes in Cells», ученые надеются разработать новейшие и мощные инструменты, которое подтолкнут синтетическую биологию к экспоненциальному росту в промышленных масштабах. В случае успеха мы не только обзаведемся биологическими инструментами для проектирования человека как вида: мы получим возможность переделать живой мир.
Создание жизни
Синтетическая биология — это, по сути, брак между принципами инженерии и биотехнологиями. Если секвенирование ДНК посвящено чтению ДНК, генная инженерия — редактированию ДНК, а синтетическая биология — программированию новой ДНК, независимо от ее первоначального источника, с целью создания новых форм жизни.
Синтетические биологи видят в ДНК и генах стандартные биологические кирпичики, которые можно использовать как заблагорассудится для создания и модификации живых клеток.
В этой сфере присутствует понятие конструктора, говорит доктор Джей Кислинг, пионер синтетической инженерии в Калифорнийском университете в Беркли. «Когда ваш жесткий диск умирает, вы можете пойти в ближайший компьютерный магазин, купить новый, заменить старый, — говорит он. — Почему бы нам не использовать биологические части таким же образом?».
Чтобы ускорить прогресс в этой области, Кислинг и его коллеги собирают базу данных стандартизированных частей ДНК — которая получила название BioBricks («биокирпичики»). Ее можно будет использовать как элементы головоломки и собрать генетический материал, доселе невиданный в природе.
Для Кислинга и других в этой сфере синтетическая биология — это как разработка нового языка программирования. Клетки — это аппаратное обеспечение, «железо», тогда как ДНК — это программное обеспечение, которое позволяет им работать. Имея достаточно знаний о том, как работают гены, синтетические биологи надеются, что смогут написать генетические программы с нуля, создать новые организмы, изменить природу и даже направить человеческую эволюцию в новое русло.
Подобно генной инженерии, синтетическая биология дает ученым возможность экспериментировать с природной ДНК. Разница в масштабах: редактирование генов — это процесс «вырезать/вставить», который добавляет новые гены или изменяет буквы в существующих генах. Иногда меняют не так-то много.
Синтетическая биология, с другой стороны, создает гены с нуля. Это дает ученым больше возможностей для внесения изменений в известные гены или даже для создания собственных. Возможности практически безграничны.
Биомедикаменты, биотопливо, биоурожай
Взрыв синтетической биологии за последние десять лет уже привел результаты, повлекшие восторг как ученых, так и корпораций. Еще в 2003 году Кислинг опубликовал одно из самых первых исследований, доказывающих и демонстрирующих силу такого подхода. Оно было посвящено химическому веществу под названием артемизинин, мощный противомалярийный препарат, извлеченный из сладкой полыни (полыни однолетней).
Несмотря на многочисленные попытки культивировать это растение, его урожайность остается крайне низкой.
Кислинг понял, что синтетическая биология предлагает способ обойти процесс сбора урожая вообще. Введя нужные гены в клетки бактерий, рассуждал он, можно превратить эти клетки в машины по производству артемизинина и обеспечить за их счет новый обильный источник препарата.
Сделать это было весьма трудно. Ученым нужно было построить совершенно новый путь метаболизма в клетке, позволив ей обрабатывать химические вещества, которых она прежде не знала. Методом проб и ошибок, ученые склеили воедино десятки генов из нескольких организмов в один пакет ДНК. Установив этот пакет в кишечную палочку — бактерия E. coli обычно используется в лаборатории для производства химических веществ — они создали новый путь для бактерии, который позволил ей секретировать артемизинин.
Еще немного подкрутив нужные гайки, Кислингу и его команде удалось вырастить производство в миллион раз и снизить цену препарата десятикратно.
Артемизинин был только первым шагом в огромной программе. Этот препарат представляет собой углеводород, принадлежащий к семейству молекул, часто используемых для изготовления биотоплива. Почему бы не применить этот же процесс к производству биотоплива? Заменив гены, с помощью которых бактерии производили артемизинин, генами для производства биотопливных углеводородов, ученые уже сделали множество микробов, которые превращают сахар в топливо.
Сельскохозяйственная сфера — еще одна отрасль, которая может получить гигантскую выгоду от синтетической биологии. Теоретически, мы могли бы взять гены, отвечающие за азотфиксацию у бактерий, поместить их в клетки наших культур и полностью изменить их естественный процесс роста. С нужной комбинацией генов мы могли бы вырастить урожай с полным спектром питательных веществ, который требует меньше воды, земли, энергии и удобрений.
Синтетическую биологию можно было бы применить для производства совершенно новой пищи, например, отдушки через ферментацию измененных дрожжей или веганских сыров и других молокопродуктов, созданных без помощи животных.
«Мы должны снижать объем выбросов углерода и вредных веществ, использовать меньше земли и воды, бороться с вредителями и повышать плодородие почвы», говорит доктор Памела Рональд, профессор Калифорнийского университета в Дэвисе. Синтетическая биология может обеспечить нас нужными инструментами.
Воссоздание жизни
В сторону практику! Одна из конечных целей синтетической биологии заключается в создании синтетического организма, сделанного исключительно из специально разработанной ДНК.
Основным препятствием сейчас являются технологии. Синтез ДНК в настоящее время очень дорогой, медленный и склонный к ошибкам. Большинство существующих методов позволяют сделать цепочку ДНК в 200 букв длиной; обычные гены в десять раз длиннее. Геном человека содержит порядка 20 000 генов, которые производят белки. Но последние десять лет затраты на синтез ДНК быстро снижались.
По мнению доктора Дрю Энди, генетика Стэнфордского университета, стоимость секвенирования отдельной буквы с 4 долларов в 2003 году упала до 3 центов сегодня. Ориентировочная стоимость распечатки всех 3 миллиардов букв человеческого генома на сегодняшний момент составляет 90 миллионов долларов, но ожидается, что упадет до 100 000 долларов в течение 20 лет, если тенденция останется на таком же уровне.
В 90-х годах Крейг Вентер, известный своей ведущей ролью в секвенировании генома человека, начал искать минимальный набор генов, необходимых для создания жизни. Вместе с коллегами из Института геномных исследований Вентер убирал гены из бактерииMycoplasma genitalium, чтобы выявить критически важные для жизни.
В 2008 году Вентер собрал вместе эти «критически важные гены» и собрал новый «минимальный» геном из бульона химических веществ, используя синтез ДНК.
Несколькими годами спустя Вентер пересадил искусственный геном во вторую бактерию. Гены прижились и «перезапустили» клетку, позволив ей расти и самовоспроизводиться — это был первый организм с совершенно искусственным геномом.
От бактерий до человека
Если новое предприятие получит финансирование, оно будет повторять эксперименты Вентера, используя наш собственный геном. Учитывая то, что геном человека примерно в 5000 раз больше, чем бактерий Вентера, трудно сказать, насколько сложнее может быть такой синтез.
Даже если ничего не получится, отрасль получит ценнейший опыт. По мнению доктора Джорджа Черча, ведущего генетика Гарвардской школы медицины, этот проект может открыть технологические достижения, которые улучшат нашу собственную способность синтезировать длинные цепочки ДНК. Черч даже подчеркивает, что главная цель проекта — развитие технологий.
Впрочем, встреча ученых вызвала много скептических замечаний. Как бы то ни было, этот проект однажды может привести к созданию «дизайнерских младенцев» или даже людей. Родителями таких людей могут быть компьютеры. Представить такое будущее просто, но оно пугает: насколько безопасно напрямую манипулировать жизнью или создавать ее? Кто будет владеть этой технологией? Что делать с жизнью, которая получилась неудачной? Не породит ли все это дискриминацию и неравенство?
Илья Хель
