Идея о том, что когда-нибудь люди смогут создавать жизнь с нуля, восходит к началу 1910-х годов. Тогда французский биофизик Николя Ледук, предположительно, первым использовал словосочетание «синтетическая биология». Ледук был вдохновлен коллегой, который использовал неорганические материалы для синтеза мочевины. Эта органическая молекула содержится в моче млекопитающих.
Сегодня синтез мочевины – это химическое упражнение для студентов. Но тогда это было потрясающее достижение. В то время казалось невозможным создание искусственных версий молекул, вырабатываемых живыми клетками. Об этом говорит Флойд Ромесберг, химический биолог из Исследовательского института Скриппса.
«Некоторые люди верили, что нужна искра для появления жизни, бог или какая-то жизненная сила. Но химики сделали это», – говорит Ромесберг.
Синтетическая биология
Современная синтетическая биология родилась около 15 лет назад. Это произошло после объединения идей и методов в инженерии, молекулярной биологии, биотехнологии и других областях. Возможность секвенировать (расшифровывать) геномы стала более быстрой и дешевой. И возникло ощущение, что через некоторое время ученые смогут не просто читать генетический код. Но и использовать ДНК для перепрограммирования клеток по своему желанию. Точно так же, как биологи и химики предыдущих поколений со временем научился синтезировать органические молекулы. Которых не существует в природе.
Частично процессы перепрограммирования уже выполняются в некоторых научных лабораториях. В 2014 году генетик Флойд Ромесберг и его коллеги синтезировали две новые нуклеотидные «буквы». Их можно было интегрировать с основаниями ДНК A, T, G и C. Новые нуклеотиды открывают новые возможности. ДНК сможет кодировать совершенно новые белки, которые смогут выполнять новые функции.
В 2017 году, разместив эти неестественные буквы в естественном геноме, группа Ромесберга создала новые аминокислоты и новые белки с потенциально возможным медицинским применением. Например, синтетическая вариация белка Интерлейкин-2 демонстрирует перспективность в качестве лекарства от рака. Она имеет гораздо меньшее количество побочных эффектов. Компания Synthorx недавно подала заявку на IPO в поисках 100 миллионов долларов для производства этого препарата.
Синтез геномов и жизнь с нуля
Создание полусинтетических геномов, включающих в себя пару сотен искусственных нуклеотидов в естественном геноме, более осуществимо, чем создание полностью синтетического организма, говорит Ромесберг. Применение подобных технологий на практике может помочь в разработке новых эффективных ферментов для моющих средств, которые смогут противостоять сильному нагреву, или помочь создать искусственные заменители ископаемого топлива.
Ученые прогнозируют, что через десять или чуть больше лет у нас появится «зеркальная жизнь». Будут созданы организмы, белки которых имеют противоположные конфигурации. Это сделает их невосприимчивыми к вирусам, хищникам и ферментам.
Некоторые группы ученых посвятили свою работу решению интересной (и потенциально бесполезной) задачи – созданию жизни с нуля. Совместная работа с открытым исходным кодом под названием Build-A-Cell направлена на создание совершенно новой клетки, способной к самовоспроизводству. Ее создание станет возможной когда ученые смогут понять, что именно делает каждый ген. Поначалу эта клетка, вероятно, будет простым прокариотом, похожим на бактерию.
К настоящему времени исследователи добились некоторого прогресса в синтезе отдельных компонентов клеток. Включая рибосомы и мембраны. Но это лишь первые шаги к конечной цели группы – созданию жизни из неживой материи. По словам ученых, они все еще не знают способа объединить все эти подсистемы в одно целое.
Революция в медицине
Параллельно с этим Джордж Чёрч, генетик из Гарварда и Массачусетского технологического института, основал проект Genome Project-Write (GP-Write). Это международный проект по сотрудничеству в разработке технологий синтеза больших геномов. В том числе геномов растений и людей. Участники проекта считают, что внедрение новых геномов в существующие клетки и организмы произведет революцию в медицине и сельском хозяйстве. Подобные технологии создадут клетки, имеющие иммунитет к раку и вирусам. Или будут получены сельскохозяйственные культуры, устойчивых к вредителям. На встрече в мае сотрудники GP-Write обсудили текущие проекты, такие как попытка создать подобные клетки путем перекодирования участков ДНК, на которые вирусы полагаются при своем воспроизведении.
Чёрч и его коллега из NYU Langone Health считают, что заменив примерно один процент генома в клеточной линии человека, они могут создать основу для производства новых вакцин и лекарств. Они также хотят модифицировать свиней, чтобы сделать их невосприимчивыми к болезням. И выращивать устойчивые к вирусам органы, которые являются сверхбезопасными для пересадки людям.
Первые испытания по пересадке органов свиней приматам уже начались. Но, по оценкам Чёрча, устойчивые к вирусам клетки свиньи появятся не раньше чем через десять лет.
На данный момент времени стремление к созданию искусственной жизни, даже просто для того, чтобы понимать, что это, в принципе, возможно, требует здоровой дозы высокомерия и равной дозы скромности. Мы до сих пор толком не понимаем, как организмы управляют своим выживанием. В центре внимания исследователей по-прежнему остается тайна – как именно цепочка ДНК координирует размножение, эволюцию и гибель живой клетки? И каковы возможности биологии для понимания смысла этих процессов? Ответы вряд ли появятся в ближайшее время. И в некотором смысле это хорошо. Было бы немного пугающе, если бы создание искусственной жизни оказалось легким делом.