Профессор биомедицинской инженерии Университета Чикаго Милан Мрксич о том, что будет, если скрестить человека и машину на клеточном уровне

Хотя синтетическая биология стала активно развиваться относительно недавно, в этой области уже работают более 100 крупных лабораторий по всему миру. Один из признанных экспертов в сфере синтетической биологии - профессор с мировым именем Милан Мрксич, который сотрудничает сразу с несколькими именитыми вузами: Университетом Чикаго, Институтом Говарда Хьюгса и Международным институтом нанотехнологий Северо-Западного университета. Помимо этого, он консультировал профильные исследования в лабораториях Пентагона. Милан Мрксич - лауреат множества научных наград и премий, автор публикаций в авторитетных журналах. Он рассказал "ВД" о перспективах, которые обещает человечеству синтетическая биология, а также ее потенциальных опасностях.

"ВД"  Милан, многие специалисты говорят, что для человечества синтетическая биология имеет такое же значение, как информационные технологии.

М.М. Не исключено, что биотехнологии в целом и синтетическая биология в частности приведут к новой промышленной революции. Это настольно быстро развивающиеся сферы, настолько фантастические возможности они открывают, что, без сомнения, подарят миру совершенно уникальные продукты и откроют доселе невиданные перспективы. Только представьте: до недавнего времени организмы людей, животных, всех живых систем представлялись как комплексы стандартных клеток, ДНК и т. п., существующих и действующих по четко определенной схеме. Да, в них можно было вносить определенные коррективы, но в чисто "биологических", ограниченных рамках. И вдруг выясняется, что в организм можно вставлять искусственные участки, синтетические ДНК, способные ассимилироваться с натуральными и полностью менять организм. Наиболее актуальные на сегодняшний день направления: инновационные методы лечения, производство вакцин, продукции пищевого и химического сырья, включая биотопливо. Синтетическая биология обещает если не полную победу, то, по крайней мере, глобальный прорыв в борьбе с болезнями, голодом, энергетическим кризисом.

"ВД"  Какие технологии использует синтетическая биология?

М.М. Прежде всего это чтение генома. В данной сфере произошла настоящая революция: геном человека сегодня прочитывается менее чем за сутки с минимальными затратами. Биоинформатика позволяет объединить методы компьютерного анализа генома и моделирования структуры белков. Уже есть общедоступные международные базы данных, содержащие последовательности расшифрованных геномов, в том числе патогенных микроорганизмов. Сложно представить себе синтетическую биологию без нанотехнологий, позволяющих синтезировать полинуклеотидные цепи любой длины. Таким образом, к примеру, был создан искусственный вирус полиомиелита. А в ближайшем будущем 4D-принтеры позволят производить любые сложные объекты, самостоятельно принимающие нужную форму и конструкцию систем, в которые затем будут интегрировать искусственный геном. Самое главное - синтезировать искусственную клетку, обладающую минимальным набором генов, необходимых для жизни и размножения. Она станет основой для построения живых систем, в которые загружаются функциональные блоки в зависимости от желаемого результата.

"ВД"  Речь идет о создании стандартных синтетических фрагментов ДНК, которые называют "биокирпичами"?

М.М. Да, из "биокирпичей" можно собрать разные по составу комплексы искусственных фрагментов ДНК с определенными полезными функциями. То есть это будут серийно выпускаемые и готовые к использованию части ДНК. На их основе можно сконструировать цепочки с заданными характеристиками или участки ДНК, реагирующие на воздействие определенных химических веществ, света и т. п. Такие "кирпичики" будут встраивать в живой организм либо отдельно, добиваясь нужных функций, либо объединять несколько отдельных искусственных частей, сочетая их свойства.

"ВД"  Вы упомянули 4D-принтеры. Вы собираетесь их использовать в ближайших исследованиях?

М.М. Международный институт нанотехнологий Северо-Западного университета, с которым я сотрудничаю, на днях получил $8,5 млн на разработку 4D-принтера, который обеспечит материаловедов, химиков, разработчиков в различных сферах деятельности "умными" материалами. Они способны взаимодействовать с другими материалами, окружающей средой и воспринимать подаваемые им сигналы. Напечатанные на 4D-принтере объекты будут видоизменяться, чтобы выполнять новые функции благодаря закодированной в наноматериалах информации. Такие машины помогут разработать новые структуры, в которых плотные материалы - функциональные компоненты электроники - смогут объединяться с биологическими и мягкими материалами. Сфера применения таких продуктов чрезвычайно широка: от медицины до строительства и логистики.

"ВД"  Раньше для подобных опытов использовались и 3D-принтеры?

М.М. Да, недавно профессор Ли Кронин из Университета Глазго создал со своей командой полностью искусственную систему, способную эволюционировать подобно простейшим живым организмам. Основой исследования стал модифицированный 3D-принтер, который впрыскивал дозированные капли специальных растворов в наполненную водой чашку Петри - она применялась для выращивания культур микроорганизмов. Комбинации разных химических соединений позволяли создавать множество разных составов. Получились своеобразные живые капли-роботы, которые благодаря источнику энергии смогли двигаться и жить своей жизнью. Это уникальный эксперимент, помогающий понять эволюционные процессы в живых организмах, и, соответственно, корректировать их и ими управлять. Я уверен, что возможности 3D-принтеров в сфере синтетической биологии еще не изучены и не реализованы, но мне интереснее будет работать уже с 4D-технологиями.

 "ВД" Вы были консультантом в DARPA, какие курировали разработки?

М.М. Это очень перспективные масштабные исследования, не случайно недавно Агентство создало специальный отдел, Biological Technologies Office, который занимается изучением биотехнологий, на стыке биологии и машиностроения. Предполагается, что новое поколение оборонных технологий будет основано на естественных формах жизни. Отдел занимается производством биоматериалов, превращая живые клетки, белки и ДНК в своеобразный генетический завод. Цель заключается в создании искусственных живых материалов, которые будут использовать для следующего поколения электроники, самовосстанавливающихся материалов, возобновляемого топлива и т. п. Уже создана синтетическая хромосома, которая может стать основой синтеза искусственного организма. Biological Technologies Office также намерен разрабатывать искусственный интеллект для машин на поле боя, способы восстановления потерянной памяти и других функций мозга, а также биологические военные технологии вроде детекторов заболеваний, вакцин от вирусов и прочих необходимых для армии инноваций.

"ВД"  У Пентагона ведь уже есть и программа BioDesign, в рамках которой создаются генетически запрограммированные на бессмертие синтетические существа?

М.М. Насколько я знаю, программа предусматривает разработки в сфере неврологии, эпидемиологии, болезней, протезирования и других подобных сфер. Это создание управляемых силой мысли искусственных конечностей, максимальное слияние мозга с кибернетическим телом, подключение роботизированных конечностей непосредственно к мозгу. Технологии, связанные интерфейсом человек-машина, будут применяться в разработке управляемых силой мысли роботов и беспилотных летательных аппаратов. О том, что еще создается в рамках программы, я не знаю.

"ВД"  Сейчас в сфере синтетической биологии много экспериментов с ДНК и клетками. Насколько это перспективно и проводите ли вы подобные исследования?

М.М. Это очень перспективно, ведь таким образом создается основа для кардинально новых форм жизни. Я работал со стволовыми клетками, которые могут синтезировать ткань любого типа. Эту способность можно использовать в клеточной терапии, чтобы обеспечить человеку как минимум хорошее здоровье, а как максимум - бессмертие. Для этого нужно получить строго определенную ткань. И, чтобы добиться нужного результата, я и мои коллеги из Чикагского университета изменили форму клетки за счет рельефа поверхности, на которой она расположена. В процессе экспериментов выяснилось, что если придать клетке форму звезды - пятиугольника с острыми углами, то у нее сформируется плотная структура и такая клетка может стать клеткой костной ткани. Форма же цветка с мягкой структурой синтезирует клетку жировой ткани. Исследования в этом направлении продолжаются и обещают уникальные результаты.

"ВД"  Новые биотехнологии могут использоваться не только во благо. Взять хотя бы историю с искусственной бактерией Cynthia, которая после уничтожения нефтяных пятен в Мексиканском заливе стала пожирать морских обитателей и заражать людей...

М.М. Действительно, при неправильном использовании продукты синтетической биологии могут подвергнуть реальной опасности окружающую среду. На самом деле даже ставшие привычными генномодифицированные растения нередко вытесняют свои природные аналоги не только с прилавков магазинов, но и из природной среды. Были зафиксированы случаи передачи от генномодифицированных растений к дикорастущим видам устойчивости к гербицидам, что сделало их суперсорняками. Эксперименты в подпольных лабораториях могут привести к созданию новых видов наркотиков (например, на основе мака). Но самое опасное - это угроза распространения принципиально новых возбудителей инфекционных заболеваний, с которыми человечество ранее не встречалось. Низкая стоимость, относительная простота и широкая доступность технологий провоцируют биологов-самоучек модифицировать генетический код бактерий. Последствия таких бесконтрольных, непрофессиональных экспериментов могут быть действительно фатальными.

"ВД"  Что можно сделать в этой ситуации?

М.М. Многие международные и национальные документы уже регулируют проведение исследований в сфере синтетической биологии. Но, безусловно, необходимо проводить более тщательную оценку существующих рисков, предполагающую обнаружение и пресечение деятельности разнообразных нелегальных кустарных лабораторий. Именно они представляют сейчас наибольшую опасность, причем с развитием технологий риски становятся все выше. Ведь в обозримом будущем автоматизация биотехнологических процедур откроет путь к массовому производству огромного количества новейших синтетических живых систем, каждая из которых, выйдя из лаборатории, может повести себя совершенно непредсказуемо, что приведет к глобальной катастрофе.

Милан Мрксич

Профессор биомедицинской инженерии, химии и молекулярной биологии Университета Чикаго

Окончил с отличием факультет химии Университета Урбана-Шампейн, получил степень кандидата физико-химических наук в Калифорнийском технологическом институте

Доцент кафедры химии Университета Чикаго
Член научно-исследовательского совета Агентства передовых оборонных исследований DARPA
Член консультативного комитета Аргоннской национальной лаборатории

Адъюнкт-профессор химии Университета Чикаго

Заместитель директора в Центре наноразмерной науки и инженерии в Международным институте нанотехнологий Северо-Западного университета

Исследователь в Медицинском институте Говарда Хьюза

Консультант в Национальном американском институте здоровья, научный советник Международной группы оценки программ тканевой инженерии, Международной группы оценки программ биосенсорных технологий, основатель и советник по науке компании WMR Biomedical Inc., автор порядка 160 публикаций в научных журналах

Опубликовано в ежемесячнике "Власть денег" за июль-август 2015 г. (№7-8/432-433)