Следующие 500 лет: Как подготовить человека к жизни на других планетах - Кристофер Мэйсон

клеток регулируется на уровне модульных молекулярных сетей, была сформулирована только в 1961 г. Франсуа Жакобом и Жаком Моно, изучавшими кишечную палочку (E. coli). Способность E. coli извлекать энергию из лактозы (например, содержащейся в молоке) обусловлена лактозным опероном, группой генов с общим промотором[21].

Такой генетически управляемый переключатель «вкл./выкл.» позволил Жакобу и Моно предположить, что все генетические функции работают по тому же принципу, что и программируемые схемы в компьютере. В 1970-е и 1980-е гг. синтетическая биология развивалась благодаря молекулярному клонированию. Как только появилась возможность вырезать и составлять фрагменты ДНК при помощи ферментов-рестриктаз, мы стали модифицировать генетический код различных организмов и даже комбинировать генетический материал, взятый от разных видов. В начале 1990-х гг. были секвенированы геномы многих живых существ, в том числе Haemophilus influenzae, Saccharomyces cerevisiae и, наконец, E. coli. Это открыло путь к сравнительной геномике, которая занимается поиском и сравнением фрагментов геномов, а также их аннотированием и анализом.

В 2000 г. началось создание синтетических генетических схем и их «пересадка» в другую живую систему. В 2002 и 2003 гг. такие схемы удалось внедрить в E. coli, благодаря чему впервые были получены бактерии для производства лекарственного препарата (артемизинина). Эти эксперименты открыли совершенно новый путь к синтезу буквально любых терапевтических малых молекул. Тем не менее процесс был нетривиальным, медленным и трудоемким. Чтобы препарат мог использоваться клетками человека, почти все молекулы необходимо синтезировать и достраивать в несколько этапов. Как и многие другие биотехнологии, о которых шла речь выше (например, оптимизация кодонов), данная технология также требовала доработки через инновации.

Чтобы стимулировать развитие, с 2004 г. стали проводиться международные конкурсы по генной инженерии и биотехнологиям iGEM, в которых участвовали старшеклассники, студенты и аспиранты. Участники iGEM стали пионерами в разработке стандартов, технологий и программных пакетов для синтетической биологии. В частности, был создан стандарт передачи данных по синтетической биологии SBOL. Даже концепция этой книги (10-этапный план на 500 лет) появилась в 2011 г. как пост в «Википедии» для iGEM-команды генетической лаборатории Мейсона в медицинском колледже Вейля при Корнеллском университете.

Еще одна инициатива, запущенная в 2004 г. для стимулирования сотрудничества, – Международная конференция по синтетической биологии (SynBio 1.0), объединяющая множество дисциплин, относящихся к инженерным наукам, генетике, химии, физике, электротехнике и проектированию. Истинным испытанием для синтетической биологии стал вопрос, сможем ли мы модифицировать элементы клеточного генома или вставить в него фрагменты чужеродного генома, а затем точно предсказать, как это скажется на геноме хозяина. Дрю Энди, биолог, работавший сначала в Массачусетском технологическом институте, а затем в Стэнфорде, назвал эти интегрированные участки «биокирпичики». Так появился реестр стандартных биологических частей, активно поддерживаемый до сих пор и позволивший сформулировать множество гипотез о том, какой генетический материал можно передавать от вида к виду.

Многие идеи, зародившиеся на этих первых встречах, очень скоро воплотились в реальность. В 2006 г. появилась первая бактерия, которую методом генной инженерии заставили вторгаться в раковые клетки. В 2007-м был получен первый бактериофаг, который мог контролировать образование биопленок. В 2008 г. появились многообещающие образцы биотоплива, полученные с использованием E. coli.

Минимальный набор для жизни

В 2010 г. мы достигли еще одной вехи в истории синтетической биологии. Впервые с нуля был химически синтезирован полноценный геном. В статье с многозначительным названием «Создание бактериальной клетки, контролируемой химически синтезированным геномом» было показано, что можно собрать полностью синтетический геном из простых нуклеотидов, поместить его в клетку и активировать новую жизнь. Как и в случае с экзоматками, это был один из последних гвоздей в крышку гроба «витализма» и даже «неовитализма». К 2012 г. Джеф Боке смог синтезировать целые плечи дрожжевых хромосом, а в 2013-м была создана генетически модифицированная E. coli, предназначенная для коммерческого производства артемизинина. К 2020 г. компании, в том числе Ginkgo Bioworks (под руководством докторов Джейсона Келли и Тома Найта), научились под заказ производить программируемые клетки. В 2020 г. с применением синтетических дрожжей было сварено пиво, которое оказалось довольно неплохим на вкус.

Такое стремление к конструированию жизни помогло полнее оценить фундаментальные составляющие жизни как таковой. Например, какой минимальный набор генов требуется клетке для выживания? Работа, проведенная в Институте Крейга Вентера, положила начало поиску ответа на этот вопрос. Исследователи (в том числе сам Крейг Вентер) постепенно удаляли гены из клеток Mycoplasm mycoides (JCV-syn1.0), пытаясь получить минимальный жизнеспособный генетический код. Кстати, у M. mycoides вообще один из самых маленьких геномов (~600 генов), а проведенные исследования показывают, что жизнь возможна при очень скромном наборе генов.

В 2016 г. вышла эпохальная статья Хатчинсона и др., в которой команда из Института Вентера показала, что M. mycoides нужно всего 473 гена для выживания в минимальной питательной среде. Хотя трудно сказать, какую жизнь мы встретим на других планетах, похоже, что эта величина близка к земному минимуму, необходимому живому организму для независимого функционирования. Однако эти оценки сделаны на основе современного генетического кода. В настоящее время члены биотехнологического сообщества, в том числе занятые в проекте GP-write, выдвигают идеи по конструированию разных типов генов, геномов и даже фундаментальных биохимических блоков. Они вполне могут напоминать жизнь, которая встретится нам в естественных экосистемах при исследовании других планет.

Запись генома и новых генетических кодов

Биология Земли основана преимущественно на четырех нуклеотидах, которые транскрибируются в рибонуклеотиды (РНК) для передачи информации внутри клетки. Эти субстраты жизни функционально подобны макаронным изделиям «алфавит», выплеснутым на пол из миски с супом. На полу каждая такая макарошка случайным образом слипается с другими, образуя слоги и слова. Потом к этой лужице подбирается малыш (в данном случае орудие естественного отбора) и выбирает те буквы, которые кажутся ему интересными и пригодными для игры (приспособленность). Хотя комбинаторика в такой фундаментальной структуре может быть огромной, потенциал развития генетического разнообразия ограничен такими факторами, как срок горения Солнца.

«Эволюция случая», на основе которой до сих пор развивается жизнь, также отчасти объясняет те ограничения, в которые упирается биология. Жизнь ограничена четырьмя основными буквами (нуклеотидами), слагающими алфавит земной жизни, а также биологической грамматикой, позволяющей собрать из этих оснований 64 трехбуквенных кодона (43 = 64 комбинации кодонов). Если бы в кодоне было не по три, а по четыре основания, то получилось бы 44 (256) комбинаций кодонов тРНК. Хотя 256 очевидно больше 64, благотворно ли это скажется на жизни? При таком резком росте потребуется дополнительная тРНК для расшифровки кода и построения белков. Снизится вероятность нахождения молекулой правильного участка, и в целом ресурсы клетки будут расходоваться гораздо расточительнее. Всю тРНК придется дополнительно «подгонять» для корректного связывания. При современных ограничениях и возможностях комбинаторики на самом деле наблюдается разная степень избыточности, которая заключается в использовании трех «стоп»-кодонов (семантически аналогичных точке в конце предложения). Также известна избыточность при соотнесении тРНК с аминокислотами (60 кодонов на 20 аминокислот).

В сущности, такую избыточность, фиксируемую во всех доменах земной жизни, можно использовать при перекодировании геномов. Так, в геномах у вирусов избыточные кодоны совсем не лишние (вирус может частично или даже полностью утратить функции, если в перекодированной клетке окажется всего по одному кодону на каждую аминокислоту). В 2016 г. Джордж Черч, вооружившись такой стратегией перекодирования, взялся за разработку «вирусоустойчивых» клеток. Сейчас такой же цели пытаются достичь в рамках проекта GP-write: создать человеческие клетки, которые не инфицируются вирусами. Впоследствии из таких культур можно будет выращивать фармацевтические препараты и биодобавки для массового использования. Сужение генетического кода позволяет сфокусировать ресурсы организма и сделать его невосприимчивым к инфекции.

Если устранение избыточных кодонов у отдельных организмов, по сути, создает «секретный код», неизвестный микроинтервентам, то при расширении генетического алфавита «лексикон» жизни серьезно пополнится новыми «словами», и его «словарный запас» будет гораздо больше, чем в обычном организме. Можно ли дополнить генетический алфавит и другими парами оснований, которые не встречаются в естественной ДНК? Да.

Изучение искусственных пар оснований (UBP) началось в 1989 г. Тогда Стивен Беннер модифицировал