Синтетические организмы – новое оружие массового поражения

Многими лабораториями мира ведутся разработки, направленные на создание необычных форм жизни, которые не используют молекулы ДНК, РНК и другие биологические составляющие. Они могут быть внедрены в живой организм так, чтобы его клетки развивались и самовоспроизводились, сохраняя новую генетическую информацию. Такие эксперименты способны произвести настоящую революцию в самых разных сферах, включая генную инженерию и медицину. В то же время, подобные эксперименты сопряжены с серьезными рисками - ведь искусственно созданный организм начинает жить своей жизнью и постепенно полностью выходит из-под контроля.   

Смертельная Синтия

Наглядный пример тому, к каким последствиям могут привести эксперименты в синтетической биологии - бактерия Cynthia. Несколько лет назад американский генетик Крейг Вентер с командой из двадцати ученых (включившей и нобелевского лауреата Хемильтона Смита), изменил хромосомы паразитической бактерии Mycoplasma genitalium и вывел так называемый "минимальный бактериальный геном" - Cynthia. Искусственный организм с полностью сконструированным компьютером геномом, не содержит, как все остальные живые организмы на Земле, природной ДНК. Среди особенностей Синтии - способность перерабатывать сырую нефть быстро и эффективно, при этом активно размножаясь. 

С 2011 года разработку стала использовать компания British Petroleum для борьбы с нефтяными выбросами после аварии в Мексиканском заливе. Поначалу Cynthia проявила себя просто замечательно, значительно сократив количество нефтяных пятен. Но в прошлом году по каким-то причинам бактерия отказалась от нефти, и начала питаться рыбой, тюленями и прочими морскими обитателями. В американском штате Вирджиния только за одну ночь на берег сразу выбросилось три десятка дельфинов, покрытых страшными язвами.

А после купания в Мексиканском заливе к врачам стали обращаться люди, кожа которых была поражена жуткими красными пятнами - следами от поражения бактериями. Оказалось, что лечение их невозможно, поскольку в результате постоянных мутаций Cynthia приобрела устойчивость к антибиотикам.

По мнению многих ученых, истинные масштабы трагедии скрываются на правительственном уровне. Но некоторое представление о ней может дать исследование Университета федерального округа Колумбия, согласно которому около 40% жителей территорий, примыкающих к Мексиканскому заливу, приобрели острые заболевания дыхательных путей и кожи. Последние исследования показали, что бактерии уже достигли Гольфстрима, который омывает Европу. Какие могут быть последствия, можно только догадываться. Поскольку искусственная бактерия живет своей жизнью, активно размножаясь и мутируя, оперативно создать оружие против нее весьма проблематично.

Эволюция в пробирке

Несмотря на очевидные риски, работы по созданию синтетических организмов активно ведутся во многих мировых лабораториях. Немалых успехов в этом направлении удалось, в частности, достичь специалистам из университета Глазго под руководством знаменитого профессора Ли Кронина. На днях они объявили о создании чисто химической  системы, способной эволюционировать подобно простейшим живым организмам.

Основой исследования стал модифицированный 3D принтер, который впрыскивал строго дозированные капли специальных растворов в наполненную водой чашку Петри (она используется для выращивания культур микроорганизмов). Растворы созданы из четырех химических соединений, комбинации которых позволяют создать около 225 разных составов. Наличие источника энергии превратило каждую каплю в своего рода примитивного робота, который движется и живет своей особой жизнью. 

При помощи видеокамер исследователи наблюдали за перемещениями групп капель, их трансформациями. Те, которые наиболее преуспели в процессе эволюционирования, дополнялись свежим раствором и продолжали  развиваться дальше. После смены 20 поколений, процесс химической эволюции начал точно подражать процессу естественной эволюции простейших живых организмов и их поведение стало стабильным и предсказуемыми.

Впервые в истории науки эволюционирующую химическую систему вынесли за рамки биологической. В руках ученых - серьезное оружие, ведь эволюционными процессами теперь можно будет управлять. Кронин говорит, что его команда будет изучать механизмы эволюции и в них вмешиваться, дабы узнать, что из этого может получиться.

Металлические клетки

Параллельно команда Кронина занимается созданием неорганических аналогов живых клеток iCHELL (Inorganic Chemical Cells). Несмотря на то что они состоят из металлов с примесями молекул других соединений, iCHELL демонстрируют поведение, присущее обычным живым клеткам, входящим в состав сложных биологических организмов.

К примеру, растворяя iCHELL в воде, можно наблюдать, как они образуют отдельные оболочки или пузыри, которые обволакивают жидкость. Причем, по словам автора разработки Ли Кронина, подбирая состав клеток, можно добиться избирательности структуры - захватываться оболочкой будут лишь определенные вещества.

Кроме того, исследователям удалость добиться образования пузырьков внутри пузырьков, что позволит создать многоуровневую структуру со сложным механизмом поведения. В частности, это может быть мембрана, расщепляющая воду на ионы водорода и кислорода - то есть, по сути, начальный этап фотосинтеза. Такие разработки станут базой для создания сложных искусственных клеток, которые функционируют как живые организмы. Закодировав на нужную функциональность, их можно будет вживлять в природные организмы, придавая им необходимые свойства.

Внеземная конструкция

На протяжении миллиардов лет живые организмы строили ДНК из четырех "кирпичиков": аденина (А), тимина (Т), цитозина (С) и гуанина (G). Но биологам из исследовательского института Скриппса в Ла-Хойя, Калифорния под руководством биохимика Флойда Ромесберга удалось воссоздать живую клетку с использованием двух новых "букв", которых ранее не присутствовали в ДНК. В результате получили настоящую живую клетку, обладающую расширенным запасом генетической информации.

Причем суть успеха разработки института Скриппса состоит не только в том, что удалось создать клетку с "внеземными" основаниями ДНК, а и в том, что ее внедрили в живые организмы, чтобы их клетки развивались и самовоспроизводились, сохраняя новую генетическую информацию.

Цель эксперимента - заставить организм самостоятельно получать чужеродные основания и воспроизводить искусственную ДНК. Сейчас ученые работают над созданием полностью чужеродной ДНК, которая смогла бы кодировать белки, содержащие совершенно новые аминокислоты - отличные от тех двадцати, что составляют все белки на Земле. До внедрения новой технологии осталось недолго: чтобы коммерциализировать разработку, Флойд Ромесберг и его коллеги основали компанию Synthorx. Экспериментами заинтересовались крупные компании разных сфер - как фармацевтические, так и военные.

Искусственный фермент - новый организм

Недавно в журнале Nature были опубликованы результаты разработки британских специалистов из Медицинского исследовательского совета (MRC). Ученые создали синтетические ферменты - жизненно важные вещества, необходимые для поддержания множества процессов в организме. Хотя XNAzymes получены из искусственного генетического материала, которого не существует в природе, они способны хранить и передавать генетическую информацию, как это делает ДНК.

Используя лабораторную ксенонуклеиновую кислоту в качестве строительных блоков, исследователи создали искусственные энзимы, способствующие ускорению простых реакций, таких как резка или спайка кусочков РНК - как это происходит в живом организме. Автор исследования, доктор Алекс Тейлор, говорит, что создание сначала синтетической ДНК, а затем ферментов из не существующего в природе материала позволяет создавать организмы, состоящие из совершенно альтернативного, не похожего на человеческий, набора молекул.

Ящик Пандоры открыт

Разумеется, авторы подобных разработок предпочитают говорить о пользе своих открытий и сбрасывают со счетов связанные с ними риски. Тем не менее, такие риски существуют, и масштабы потенциальной катастрофы, как показывает история с "Синтией", могут оказаться действительно глобальными. Доктор Хелен Уоллес из британской организации Genewatch UK, наблюдающей за исследованиями в области генетики, уверена, что если выпустить новые организмы в окружающую среду, вреда может быть больше, чем пользы. "Выпуская их в зоны загрязнений с целью очистки, по сути, создают загрязнение иного рода. Мы не знаем, как такие организмы поведут себя на свободе", - отмечает эксперт.

Экологи заявляют, что правительство ни одной из стран мира не готово к регулированию "синтетических" разработок. Специалисты "зеленой" исследовательской организации ETC Group считают, что синтетическая биология открыла "ящик Пандоры", выдвигая проблемы, решать которые не готовы ни правительство, ни общество. ETS также требует международного моратория на разработки в области синтетической биологии в частных лабораториях, полагая, что они могут нести реальную угрозу человечеству.

Опасность состоит также в том, что, по сути, люди получили возможность невиданного ранее контроля над биологической жизнью, причем использовать такое биологическое оружие можно не только в мирных целях. "С появлением новых технологий по созданию искусственных организмов вполне может случиться, что такие технологии попадут в руки людей с сомнительными этическими принципами, например, биологических террористов", - предупреждает директор Международной ассоциации биоэтики Дженнифер Миллер.