Коли з'являться кремнієві люди

Днями відбулося дві важливі події: вчені створили організм з максимально короткою ДНК і бактерії з кремнієвими клітинами. Обидва відкриття призведуть до революційних змін не тільки в світі синтетичної біології, але і у формуванні життя на Землі, дозволивши створювати спочатку принципово новий вид істот із заданими властивостями, а в перспективі і альтернативний тип людей.

Одне з головних напрямків сучасної синтетичної біології — навчитися створювати нові "дизайнерські" організми. Причому не ГМО, коли природна система просто доповнюється якимись властивостями, а принципово нові живі системи. У новому номері журналу Science вийшла стаття, в якій група американських біологів під керівництвом Крейга Вентера, піонера в розшифровці генома людини, описує процес створення нової синтетичної бактерії з рекордно коротким геномом — він містить всього 473 гена, або 531 тис. генетичних "букв"-нуклеотидів. Це нова версія знаменитої синтетичної бактерії — синтії, яка в 2010 р. справила справжній фурор у світовому науковому співтоваристві.

Тоді Вентер, знаменитий біохімік і підприємець, синтезував геном бактерії Mycoplasma mycoides і завантажив його в іншу клітку, сформувавши новий організм. Але по суті це була не повністю нова бактерія: в клітину мікроба, звідки заздалегідь видалили весь генетичний матеріал, просто вставили хромосому іншої бактерії. У зв'язку з цим науковий світ відмовився визнати синтію повністю синтетичною, і відкриття не оцінили гідно. Цього разу Вентер і його колеги створили вже не копію, а дійсно абсолютно новий організм, який назвали JCVI-syn3.0 (тобто синтія 3). Принципово важливо, що така істота, маючи у своєму складі лише 473 гена, живе повноцінним життям, зберігаючи здатність до відтворення.

Фахівці заснованого Вентером наукового інституту Synthetic Genomics Inc. використовували в якості моделі першу синтію — JCVI-syn1.0, володіє набором з 901 гена. Щоб скоротити до мінімуму її геном і виростити новий організм, один за одним повільно вилучалися ті або інші гени. Якщо після цього бактерія зберігала життєздатність, такі гени згодом віддалялися. Так геном синтії, що містить спочатку трохи більше 900 генів, скоротився до 473 генів, принципово важливих для роботи організму: видалення будь-якої з них призведе до загибелі мікроба. У підсумку JCVI-syn3.0 стала новою істотою на Землі з самим коротким геномом — перш пальма першості належала Mycoplasma genitalium, у якої приблизно на 70 тис. "літер" більше, ніж у синтії 3.

В процесі досліджень група Вентера також з'ясувала, що приблизно 149 з 473 життєво важливих генів ніколи не вивчалися раніше та їх функція в роботі організму поки не ясна. Вчені мають намір найближчим часом визначити їх призначення, щоб при необхідності ними маніпулювати для створення нових форм життя. З іншого боку, виявилося, що деякі гени, які раніше вважалися "непотрібними", відповідають за підтримання функцій якогось іншого гена. Вентер каже, що це два двигуна в літаку: якщо один з них відключити, літак долетить до місця призначення, а якщо обидва, то лайнер розіб'ється. Те ж саме з такими парними структурами: можна вимкнути лише один ген з пари, але якщо обидва, то організм загине.

В процесі досліджень також виявилася роль середовища для формування життя. Так, виявилося, що клітини, які отримують поживні речовини з фруктози і глюкози, повинні володіти генами, метаболизирующими обидва типи цукрів. Якщо видалити гени, переробні поживні речовини ззовні, організм просто не буде функціонувати. Тобто будь-яка жива істота — складна скоординована система, в якій всі компоненти взаємопов'язані.

Команді Ветнера вдалося отримати універсальне генетичне ядро життя, на базі якого можна формувати нові істоти, схожі на ті, які описують фантастичні блокбастери. Метод, розроблений вченими для синтезу JCVI-syn3.0, дозволить створювати самі різні геномні конструкції і модельні клітини, в яких функція кожного гена добре відома. Вони будуть доповнюватися іншими геномами, утворюючи принципово нові живі системи. Великі надії покладають на ті 149 генів, функції яких ще не з'ясували, — можливо, саме вони дозволять швидко і легко створювати нові форми життя.

Крім того, синтія 3 — унікальна платформа для дослідження необхідних для життя геномів. Передбачається також, що в найближчій перспективі технологія буде використовуватися для виробництва лікарських препаратів і промислових хімікатів нового покоління, а створення нових технологій для використання у медицині, харчовій промисловості, сферах біохімії, біопалива, сільському господарстві та інших областях.

Ще один потужний прорив у галузі синтетичної біології зробили дослідники з Каліфорнійського університету в Сан-Дієго, що створили бактерію з атомами кремнію. По суті, це перший в історії живий організм з клітинами металу, який стане базою для створення мутантів типу людей Х або фантастичних істот, на зразок хорті з "Зоряного шляху".

Клітини живих організмів формуються на основі вуглецевих молекул, але вчені активно шукають альтернативні вуглецю варіанти. Головним претендентом є кремній, оскільки його атоми зв'язуються з іншими атомами точно так само, як це роблять атоми вуглецю. У кремнієвій життя чимало шансів на успіх. Насамперед, кремній більш поширений, ніж вуглець, складаючи 28% кори Землі, тоді як вуглецю в ній всього 0,03%. Крім того, силани — полімерні ланцюжки з водню і кремнію — більш стійкі до високої температури, ніж вуглеводні.

Тим не менш, незважаючи на безліч спроб, раніше вченим не вдавалося використовувати кремній для формування живих організмів. Фахівці з Каліфорнійського університету в Сан-Дієго стали першими, змусивши мікроорганізми еволюціонувати таким чином, щоб їх ферменти вбудовували кремній в прості вуглеводні. Експерименти проводили з населяють гарячі джерела термофільними бактеріями.

За словами провідного автора роботи Френсіс Арнольд з Каліфорнійського технологічного інституту, такі бактерії містять ферменти цитохромы, транспортують електрони між білками. У ході експериментів з'ясувалося, що цитохромы здатні також додавати кремній в прості вуглеводневі ланцюги. У природі швидкість цього процесу дуже низька, проте дослідникам вдалося підвищити її майже в 2 тис. разів, змусивши бактерії еволюціонувати.

Для цього мікроорганізми помістили в середовище, що містить сполуки кремнію та вуглецю, і відбирали згодом ті з них, які виробляли найбільшу кількість кремнійорганічних сполук. Потім процес кілька разів повторили, точно так само відбираючи найсильніших. У фінального покоління "термофилов" швидкість приєднання молекул кремнію зросла в 2000 разів. "Природна еволюція спочатку додала організму нову функцію, а потім спрямована еволюція цю функцію закріпила і посилила", — говорить Френсіс Арнольд.

Вчені впевнені, що нова технологія, завдяки якій організми починають включати кремній в свої клітини, стане першим кроком на шляху створення кремнієвих істот, на зразок живих роботів, здатних виконувати непосильні для людини функції. А з часом може з'явитися і нове покоління людей з надздібностями, організм яких буде включати молекули металу. Поки ж розробку передбачається використовувати у галузі органічної хімії для синтезу революційних кремнійвміщуваних речовин.