Когда появятся кремниевые люди
На днях произошло два важных события: ученые создали организм с максимально короткой ДНК и бактерии с кремниевыми клетками. Оба открытия приведут к революционным изменениям не только в мире синтетической биологии, но и в формировании жизни на Земле, позволив создавать сначала принципиально новый вид существ с заданными свойствами, а в перспективе и альтернативный тип людей.
Одно из главных направлений современной синтетической биологии — научиться создавать новые, "дизайнерские" организмы. Причем не ГМО, когда природная система просто дополняется какими-то свойствами, а принципиально новые живые системы. В новом номере журнала Science вышла статья, в которой группа американских биологов под руководством Крейга Вентера, пионера в расшифровке генома человека, описывает процесс создания новой синтетической бактерии с рекордно коротким геномом — он содержит всего 473 гена, или 531 тыс. генетических "букв"-нуклеотидов. Это новая версия знаменитой синтетической бактерии — синтии, которая в 2010 г. произвела настоящий фурор в мировом научном сообществе.
Тогда Вентер, знаменитый биохимик и предприниматель, синтезировал геном бактерии Mycoplasma mycoides и загрузил его в другую клетку, сформировав новый организм. Но по сути это была не полностью новая бактерия: в клетку микроба, откуда предварительно удалили весь генетический материал, просто вставили хромосому другой бактерии. В связи с этим научный мир отказался признать синтию полностью синтетической, и открытие по достоинству не оценили. На сей раз Вентер и его коллеги создали уже не копию, а действительно абсолютно новый организм, который назвали JCVI-syn3.0 (то есть синтия 3). Принципиально важно, что такое существо, имея в своем составе лишь 473 гена, живет полноценной жизнью, сохраняя способность к воспроизводству.
Специалисты основанного Вентером научного института Synthetic Genomics Inc. использовали в качестве модели первую синтию — JCVI-syn1.0, обладающую набором из 901 гена. Чтобы сократить до минимума ее геном и вырастить новый организм, один за другим медленно удалялись те или иные гены. Если после этого бактерия сохраняла жизнеспособность, такие гены впоследствии удалялись. Так геном синтии, содержащий изначально чуть больше 900 генов, сократился до 473 генов, принципиально важных для работы организма: удаление любого из них приведет к смерти микроба. В итоге JCVI-syn3.0 стала новым существом на Земле с самым коротким геномом — прежде пальма первенства принадлежала Mycoplasma genitalium, у которой примерно на 70 тыс. "букв" больше, чем у синтии 3.
В процессе исследований группа Вентера также выяснила, что примерно 149 из 473 жизненно важных генов никогда не изучались ранее и их функция в работе организма пока не ясна. Ученые намереваются в ближайшее время определить их назначение, чтобы при необходимости ими манипулировать для создания новых форм жизни. С другой стороны, оказалось, что некоторые гены, которые ранее считались "ненужными", отвечают за поддержание функций какого-то другого гена. Вентер говорит, что это как два двигателя в самолете: если один из них отключить, самолет долетит до места назначения, а если оба, то лайнер разобьется. То же самое с такими парными структурами: можно отключить лишь один ген из пары, но если оба, то организм погибнет.
В процессе исследований также обнаружилась роль среды для формирования жизни. Так, оказалось, что клетки, получающие питательные вещества из фруктозы и глюкозы, должны обладать генами, метаболизирующими оба типа сахаров. Если удалить гены, перерабатывающие питательные вещества извне, организм просто не будет функционировать. То есть любое живое существо — сложнейшая скоординированная система, в которой все компоненты взаимосвязаны.
Команде Ветнера удалось получить универсальное генетическое ядро жизни, на базе которого можно формировать новые существа, сродни тем, которые описывают фантастические блокбастеры. Метод, разработанный учеными для синтеза JCVI-syn3.0, позволит создавать самые разные геномные конструкции и модельные клетки, в которых функция каждого гена хорошо известна. Они будут дополняться другими геномами, образовывая принципиально новые живые системы. Большие надежды возлагают на те 149 генов, функции которых еще не выяснили, — возможно, именно они позволят быстро и легко создавать новые формы жизни.
Кроме того, синтия 3 — уникальная платформа для исследования необходимых для жизни геномов. Предполагается также, что в ближайшей перспективе технология будет использоваться для производства лекарственных препаратов и промышленных химикатов нового поколения, а создания новых технологий для использования в медицине, пищевой промышленности, сферах биохимии, биотоплива, сельском хозяйстве и других областях.
Еще один мощный прорыв в сфере синтетической биологии совершили исследователи из Калифорнийского университета в Сан-Диего, создавшие бактерию с молекулами кремния. По сути, это первый в истории живой организм с клетками металла, который станет базой для создания мутантов типа людей Х или фантастических существ, вроде хорты из "Звездного пути".
Клетки живых организмов формируются на основе углеродных молекул, но ученые активно ищут альтернативные углероду варианты. Главным претендентом является кремний, поскольку его атомы связываются с другими атомами точно так же, как это делают атомы углерода. У кремниевой жизни немало шансов на успех. Прежде всего, кремний более распространен, чем углерод, составляя 28% коры Земли, тогда как углерода в ней всего 0,03%. Кроме того, силаны — полимерные цепочки из водорода и кремния — более устойчивы к высокой температуре, чем углеводороды.
Тем не менее, несмотря на множество попыток, ученым ранее не удавалось использовать кремний для формирования живых организмов. Специалисты из Калифорнийского университета в Сан-Диего стали первыми, заставив микроорганизмы эволюционировать таким образом, чтобы их ферменты встраивали кремний в простые углеводороды. Эксперименты проводили с населяющими горячие источники термофильными бактериями.
По словам ведущего автора работы Фрэнсис Арнольд из Калифорнийского технологического института, такие бактерии содержат ферменты цитохромы, транспортирующие электроны между белками. В ходе экспериментов выяснилось, что цитохромы способны также добавлять кремний в простые углеводородные цепи. В природе скорость этого процесса очень низкая, однако исследователям удалось повысить ее почти в 2 тыс. раз, заставив бактерии эволюционировать.
Для этого микроорганизмы поместили в среду, содержащую соединения кремния и углерода, и отбирали впоследствии те из них, которые производили наибольшее количество кремнийорганических соединений. Затем процесс несколько раз повторили, точно так же отбирая сильнейших. У финального поколения "термофилов" скорость присоединения молекул кремния выросла в 2000 раз. "Природная эволюция сначала добавила организму новую функцию, а затем направленная эволюция эту функцию закрепила и усилила", — говорит Фрэнсис Арнольд.
Ученые уверены, что новая технология, благодаря которой организмы начинают включать кремний в свои клетки, станет первым шагом на пути создания кремниевых существ, вроде живых роботов, способных выполнять непосильные для человека функции. А со временем может появиться и новое поколение людей со сверхспособностями, организм которых будет включать молекулы металла. Пока же разработку предполагается использовать в области органической химии для синтеза революционных кремнийсодержащих веществ.