Зарождение жизни всегда было загадкой для людей. Но сейчас ученым удалось получить организм, геном которого полностью синтезирован в лаборатории. Рукотворное существо создал Дарт Вейдер от биологии, самый одиозный ученый современности. Сегодня он занялся геномной «телепортацией».
ПРОЛОГ. 2150 ГОД
Обычный супермаркет в оживленном районе. На полках вместо пакетов молока, колы или жидкости для мытья посуды стоят одинаковые пластиковые контейнеры. В них живут бактерии, полностью созданные людьми и приспособленные для того, чтобы удовлетворять всевозможные человеческие потребности. В синем контейнере бактерии, производящие кока-колу, в зеленом — тосол, в красном — этиловый спирт, которым в 2150 году заправляют автомобили. Такие же контейнеры продают в аптеках, только тамошние микроорганизмы синтезируют лекарства, причем нередко индивидуально созданные для каждого пациента. На просторах Мирового океана крошечные, полученные в лабораториях существа спасают зверей и птиц от разливов нефти: они питаются углеводородами, когда же еда заканчивается, умирают, и их поедают крошечные рачки. Фабрики-лаборатории по выпуску тех или иных бактерий разбросаны по всему миру, а в ближайшее время первую партию микроскопических производителей этанола планируют доставить в колонию людей на Луне.
ЖИЗНЬ ИЗ НИЧЕГО
Мысль отнять у богов функцию производства живых существ родилась, похоже, у алхимиков. Первопроходцем был, вероятно, Джабир ибн Хайян, арабский фармацевт, врач и астроном, родившийся около 721 года, в самый «расцвет» Темных веков Западной Европы. Его концепция получила название «таквин», но сейчас уже сложно понять, что алхимик подразумевал под этим словом: то ли сотворение синтетической жизни в буквальном смысле, то ли сам акт творения как философскую концепцию.
В любом случае средневековые алхимики, которые переняли идеи ибн Хайяна, понимали под созданием новой жизни прежде всего создание искусственных людей, гомункулусов. Подробный рецепт есть у Парацельса, он включает выдерживание человеческого семени в реторте и кормление растущего гомункулуса небольшим количеством крови. Желание вырастить человекоподобное существо объясняется вовсе не тем, что алхимики ставили перед собой максимально сложные задачи. Просто зарождение примитивной жизни никому не казалось необычным.
Дело в том, что тысячелетиями большинство ученых были уверены: самозарождение жизни в ее простых формах происходит повсеместно, ведь в тухлом мясе сами собой заводились мухи, а в старых тряпках возникали мыши. Первый удар по общепринятой концепции нанес тосканский врач Франческо Реди на излете XVII века. Он показал, что если накрыть кусок мяса тонкой газовой тканью, то личинки мух не появятся, сколько ни выдерживай его на открытом воздухе.
Эксперимент Реди не убил концепцию появления жизни из неживой материи, да и сам доктор был уверен, что простые формы возникают именно так. Но с этого опыта начался затяжной спор сторонников и противников самозарождения. В1862 году Луи Пастер повторил эксперимент Реди, слегка усовершенствовав его, и окончательно доказал, что жизнь не может появиться из набора неживых ингредиентов. За следующие 150 лет ученые открыли гены и выяснили законы наследования, изобрели электронный микроскоп и изучили структуру белков. Оказалось, что даже микробы устроены на редкость сложно, и о создании их человеком не могло быть и речи.
ЖИЗНЬ ИЗ ДНК
В 1928 году британский микробиолог Фредерик Гриффит провел эксперимент, значение которого он сам не до конца осознал. Ученый работал с различными штаммами (разновидностями) пневмококка — бактерии, которая вызывает пневмонию. Один штамм убивал лабораторных мышей за несколько дней, а другой был не опасен для грызунов. Бактерии патогенного штамма образовывали на чашках Петри колонии е блестящей поверхностью, а колонии безобидного пневмококка были матовыми.
Гриффит убивал опасных микробов кипячением, а затем добавлял к мертвым клеткам немного живых «мирных» пневмококков. После этой манипуляции безопасные бактерии превращались в безжалостных убийц. Исследователь назвал субстанцию, которая может превращать одну бактерию в другую, фактором трансформации, но выяснить его природу не сумел. Сегодня мы знаем, что за расплывчатым термином скрывалась ДНК — молекула, в которой закодирована информация о всех свойствах организма. Кстати, «мирные» бактерии получали от патогенных пневмококков всего один ген, который изменял поверхность клеточной оболочки с шершавой на гладкую, делая ее неуязвимой для иммунной системы.
Из эксперимента Гриффита выросла вся современная генетическая инженерия, которая подарила человечеству бактерий, производящих инсулин и другие лекарства, гипоаллергенных кошек, морозоустойчивые растения и прочие полезные ГМО. Генетические инженеры переносят из одного организма в другой один или несколько тесно связанных друг с другом генов, скажем вставляют свиные гены синтеза инсулина в бактерий. Попутно гены можно немного поменять, например, чтобы увеличить выход интересующего ученых вещества. Создавать не существовавшие в природе гены или даже целые геномы (совокупность всех генов организма) «прикладные» специалисты никогда не планировали. Компенсировать упущение решил Крейг Вентер — один из самых одиозных персонажей современной науки.
ХИМИЯ ВМЕСТО ЖИЗНИ
Из всех ныне живущих ученых Крейг Вентер лучше других подходит на роль злого гения из фантастических комиксов. Первооткрыватель структуры ДНК Джеймс Уотсон одно время называл его не иначе как Дартом Вентером (игра слов: Дарт Вейдер — повелитель темных сил из «Звездных войн»). Неоднозначную репутацию ученый заработал благодаря манере ведения дел, которая больше подходит алчному магнату, чем лабораторному исследователю.
Вентер прославился тем, что созданная им компания Cetera Genomics прочитала ДНК человека быстрее и дешевле международного консорциума из почти 20 государств. Изначально Вентер собирался запатентовать расшифрованные последовательности и продавать их, но под давлением международного сообщества был вынужден раскрыть полученные данные. Однако репутация меркантильного авантюриста прочно закрепилась за ученым.
После завершения проекта «Геном человека» Вентер ушел из Cetera Genomics и основал институт имени себя. В августе 2003-го он отправился в кругосветное путешествие на собственной яхте Sorcerer II («Колдун»), чтобы изучить разнообразие геномов планктона в океане. Но вскоре и этот амбициозный проект стал маловат, и ученый вернулся к идее, которая раньше даже ему казалась фантастической. Вместо того чтобы переносить ДНК кусочками, как это делают генетические инженеры, Вентер решил, что настала пора создать клетку, геном которой будет полностью синтезирован химическим путем.
О том, чтобы написать геном с нуля, речи не шло. Эта задача под силу только тому, кто полностью понимает, как должна работать хотя бы самая примитивная клетка. Но пока такого понимания нет, рассуждал Вентер, с чего-то надо начинать. Он решил скопировать геном одной из самых «простых» бактерий, Mycobacterium mycoides, и пересадить его в клетку родственной бактерии, из которой предварительно удалят ДНК. После удачной пересадки ученый смог бы наблюдать, как организм одного вида в буквальном смысле на глазах превращается в другой.
Чтобы понять, о задаче какого масштаба идет речь, достаточно сказать, что коммерческие компании, которые занимаются синтезом ДНК, создают фрагменты не больше 50-70 нуклеотидов («букв»), а самый короткий бактериальный геном содержит не менее полумиллиона нуклеотидов. В ДНК М. mycoides, например, их один миллион. Прежде чем Вентер поставил себе эту задачу, никто из ученых не представлял себе, как (да и зачем) синтезировать молекулу такой длины.
С самого начала было ясно одно: искусственный геном нельзя получить, просто синтезировав его в пробирке. Ученые хорошо умеют присоединять одну «букву» ДНК к другой, но никакая химическая реакция не дает стопроцентного выхода, и часть молекул всегда не прореагирует. Даже если на каждой стадии присоединения новой «буквы» побочных продуктов будет не больше сотой доли процента, при синтезе мало-мальски длинной ДНК итоговый продукт окажется кашей из неправильных молекул.
Вентер и его сотрудники использовали другой подход: они по отдельности синтезировали разные фрагменты генома М. mycoides и затем попарно собирали их во все большие и большие кусочки. В итоге ученые получили ДНК длиной около 100 000 нуклеотидов, но дальше проект зашел в тупик, потому что работать этими же методами с крупными фрагментами ДНК оказалось невозможно.Си-туацию спасла удивительная бактерия Deinococcus radiodurans.
Этот микроорганизм был открыт в 1956 году, когда американские ученые пытались использовать радиацию для стерилизации мяса. Несмотря на огромные дозы облучения, консервы продолжали портиться. В них нашлась бактерия, которая выдерживает несколько тысяч смертельных для человека доз радиации. После облучения ее геном разрывался на сотни кусочков, но благодаря уникальным механизмам восстановления D. radiodurans за сутки собирала из этого «пазла» исходный геном. Вентер и его команда позаимствовали у микроорганизма ферменты и в итоге собрали полный синтетический геном М. mycoides из многих разрозненных кусочков, вставили его в «пустую» клетку и получили новый жизнеспособный организм.
На пресс-конференции, собранной весной 2010 года по случаю успеха многолетнего проекта, Вентер рассказывал о множестве технических сложностей, которые преодолела его команда. Но аудиторию интересовал другой вопрос: как организмы с синтетической ДНК могут пригодиться на практике?
ЖИЗНЬ СО СКОРОСТЬЮ СВЕТА
Вентер считает, что организмы с искусственно созданными геномами могут быть полезны сразу в трех областях: биотопливо, вакцины и космос. С точки зрения ученого, такие существа — первый шаг на пути к созданию «биороботов», заточенных, скажем, на производство биотоплива. В геномах «обычных» организмов, которых человек приспособил для своих нужд, например для синтеза этанола, множество лишних для выполнения этой задачи генов, а у «биоробота» будет только нужная ДНК. Впрочем, для промышленного выпуска таких микроорганизмов необходимо досконально понимать, как работают их геномы, а к этому знанию снятие копии с ДНК М. mycoides нас не приблизило.
Также Вентер уверен, что быстрый химический синтез генов и геномов окажется полезен при производстве вакцин. Когда в 2013 году китайские ученые прочитали и опубликовали геном вируса птичьего гриппа A (H7N9), команда Вентера уже через несколько дней синтезировала гены вируса и была готова приступить к работе над вакциной, хотя сам вирус тогда еще не покинул стен китайской лаборатории. Правда, синтезировать пару генов может почти каждая молекулярно-биологическая лаборатория в мире, а этого вполне достаточно для разработки вакцины.
Последний аргумент, который Вентер приводит в защиту организмов с искусственным геномом, космических масштабов. Прошлой осенью в пустыне Мохаве команда ученого начала испытания мобильной лаборатории чтения геномов — Вентер называет ее устройством для геномной «телепортации». Цель испытаний — убедить NASA (Американское космическое агентство) поддержать разработку аппарата, который будет читать и передавать геномы с Марса на Землю, где специалисты по технологии Вентера начнут получать внеземных существ. Правда, есть один нюанс: до сих пор следов существования жизни не найдено ни на Марсе, ни на других планетах.
Пока «синтетические организмы» не могут ни радикально ускорить создание вакцин, ни решить энергетические проблемы человечества. Но будем честны — существа с искусственным геномом создаются не для этого. Они результат многовекового проекта, начатого еще алхимиками. Человеку всегда хотелось поиграть в Создателя, и сейчас эта мечта начинает воплощаться в реальность.
(с) Александр Ершов