3

Нераскрытая тайна строительных блоков жизни

ГАРРИСОН (ШТАТ НЬЮ-ЙОРК) – Представьте на мгновение, что вы наткнулись на клад замечательных устройств, оставленных древней цивилизацией. У этих загадочных инструментов разный размер и уровень сложности, но все они обладают удивительными свойствами.

Если вы хотите понять, как они работают, имеет смысл начать с наиболее простого и маленького устройства, а затем систематически отламывать от него кусочки до тех пор, пока он не перестанет работать. Всё, что не является важным, уйдёт, а у вас останутся только те компоненты, которые необходимы для выполнения устройством базовых функций. Как только вы поймёте, что именно делает каждая из этих частей, вы найдёте свой ответ.

Chicago Pollution

Climate Change in the Trumpocene Age

Bo Lidegaard argues that the US president-elect’s ability to derail global progress toward a green economy is more limited than many believe.

Таким примерно был исследовательский путь, по которому американский биоинженер Джей Крейг Вентер со своими коллегами шёл на протяжении последних двух десятилетий. Только их чудесные устройства – это не археологические находки, а живые организмы. А части, назначение которых они пытаются понять, это гены, которые у нас являются общими со всеми другими формами автономной, репродуктивной жизни.

В недавней публикации в журнале Science Вентер и его коллеги объявили, что создали самый маленький в природе живой и репродуктивный организм. Их творение, получившее название JCVI-syn3.0, это простая клетка, обладающая только теми генами, которые нужны для жизни. Её геном меньше, чем у любого автономного, размножающегося организма, обнаруженного в природе; он больше лишь геномов, найденных в вирусах и других организмах, чьи базовые функции выполняет организм хозяина.

Вентер и его команда создали этот организм в ходе длительного процесса проб и ошибок. Они начали с того, что решили использовать свои знания биологии для вычисления минимального набора генов, необходимого для жизни. Такой подход провалился.

Тогда они взяли существующий организм и начали его обстругивать. Они начали с генома Mycoplasma mycoides, паразитической бактерии, инфицирующей коров и коз и являющейся близким родственником Mycoplasma genitalium, которая обладает наименьшим числом генов (всего лишь 525) среди всех известных свободно живущих бактерий.

Исследователи разделили геном M.mycoides на восемь фрагментов и начала удалять гены один за другим. Если реконструированный организм не был успешен, ген оставляли. Если выяснялось, что ген не важен, он оставался за бортом. В итоге, понадобилось 473 гена, чтобы организм смог выжить. (Для сравнения: у людей примерно 20 000 генов).

Самым важным результатом работы команды Вентера стало открытие, что мы очень мало знаем о базовой биологии жизни. Большинство из 473 генов заняты домашней работой: они вырабатывают протеины, поддерживают ДНК в нормальном состоянии, отвечают за мембраны и цитоплазмы клеток. Однако есть 149 генов, чьи фу��кции не известны. Иными словами, смысл почти трети генов, без которых организм не может выжить, быть здоровым и репродуктивным, остаётся тайной.

Из 149 генов с неизвестными функциями 70 имеют структуру, которая, по меньшей мере, намекает на их роль в клетке. Однако мы вообще ничего не знаем о других 79 генах, кроме того, что в данных организмах, в данной среде, жизнь без этих генов невозможна. Более того, Вентер и его коллеги признались, что, когда они начинали работать с другим микробом или выращивали его в другой среде, набор необходимых генов становился другим. Тем самым, их геном – это лишь один из вариантов минимального генома, а не окончательный минимальный геном в природе.

Всё это означает, что впереди нас ждёт множество волнующих открытий. Тем не менее, с практической и коммерческой точек зрения, эта новость является весьма отрезвляющей.

Одной из главных целей синтетической биологии является создание платформы (или шасси), которую можно было бы использовать в качестве фундамента для строительства организмов, имеющих специальные цели. Volkswagen использует платформу А5 для сборки 19 различных автомобилей – от люксовой Audi A3 до небольших внедорожников SUV и бюджетных моделей. Аналогичным образом, биологическое шасси может стать минимальной микробной платформой, к которой можно было бы прикручивать различные генетические схемы, чтобы создавать лекарства, биотопливо, косметику и вообще всё, что захочется.

После публикации статьи в Science становятся очевидными две проблемы. Во-первых, что биология – это не просто. Как показала работа Вентера, мы пока ещё не понимаем базовых элементов биологии, чтобы спокойно проектировать и создавать новые клетки. Гены не работают как кузов или тормоз; их нельзя прикрутить к шасси для выполнения неких функций независимо от других компонентов. Гены постоянно взаимодействуют – они усиливают, уменьшают или даже полностью заглушают функции друг друга. Подобное взаимодействие, в свою очередь, оказывает влияние на другие гены.

Как выясняется, геномы в меньшей степени работают как машины и в большей – как экосистемы с множественными отношениями и сложными обратными связями. Добавление фрагментов генома к синтетическому организму для получения предсказуемого результата может оказаться намного более трудной задачей, чем предполагают сторонники варианта «шасси».

Fake news or real views Learn More

Вторая проблема касается конкуренции. Когда Вентер и его команда начинали свои опыты, генные инженеры обладали мощными инструментами, но – по современным стандартам – грубыми. За последние годы учёные нашли новые способы редактирования генов с намного большей точностью. Самый известный из них – под названием CRISPR Cas9 – режет ДНК с удивительной (хотя и не идеальной) аккуратностью. В результате, в сфере приспособления микробов под полезные задачи редактирование генов превратилось в альтернативу стратегии создания шасси.

Невозможно предсказать, какой именно вариант станет коммерчески доминирующим в области биотехнологий – синтетические организмы, подобные JCVI-syn 3.0 Вентера, или технологии генного редактирования; или даже некий новый метод придёт на смену этим вариантам. Однако мы можем быть уверены в том, что наши знания базовой биологии будут углубляться, и что наши растущие возможности манипулирования живыми организмами будут ставить перед нами всё более серьёзные этические вопросы.