На главную

Научно-популярный интернет-портал "Наука и религия" --> Статьи по теории эволюции

Александр Волков

Наноробот под названием "микроб"?

Десятилетиями ученые вглядывались и вслушивались в космическую даль, пытаясь найти следы чужой - инопланетной - жизни. И вот "чужие" найдены! Они живут среди нас пусть их узилищем и остается пока одна из зарубежных лабораторий. Эти "пришельцы" отнюдь не поражают наше воображение; они - не гуманоиды с супероружием в руках, не покрытые зеленой слизью монстры они - микробы, но эти микроорганизмы - поистине чужие на нашем "празднике жизни"; они - не плод земной эволюции, да и иноземной тоже. Они сконструированы точным расчетом человека.

Ждать такого сообщения осталось недолго. Появление этих бактерий - только начало. Все больше исследователей в разных странах мира увлечены новым направлением в биологической науке, лежащем на стыке молекулярной биологии, органической химии, инженерного дела и нанотехнологии. Оно называется "синтетической биологией" (впору назвать его также "нанобиологией"), и главная цель его приверженцев - создание биологических систем (биомолекул клеток и организмов), не существующих в природе, но подчиняющихся законам биологии. Не селекция а именно создание, их синтез из разного рода неживых молекул.

Для многих критиков, даже не принадлежащих к церковным кругам та же генная инженерия, где манипуляции над организмами сводятся к трансферу отдельных генов, давно стала современным "первородным грехом". Человек бросает вызов Богу вмешиваясь в ход эволюции - встраивая в геномы растений и животных чуждые им гены. В минувшем году папа Бенедикт XVI уже выразил свое возмущение учеными: "Занять место Бога, не будучи Богом, - безрассудная самонадеянность, рискованное и опасное предприятие".

Тем временем, пока политики, философы и богословы обсуждают что допустимо в генетических экспериментах и где находится грань, переступать которую было бы опрометчиво, в ряде ведущих лабораторий мира ученые взялись за свершение планов которым, если прибегнуть к религиозным аллюзиям, может соответствовать разве что воздвижение Вавилонской башни. Они взялись выращивать новые чрева жизни" - конструировать живые существа, подобных которым не существовало на нашей планете
Идея взглянуть на биологию глазами инженера отнюдь не нова. Почти сто лет назад, в 1912 году, французский исследователь Стефан Ледюк опубликовал работу "La biologie Synthetique". Термин "синтетическая биология" в современном понимании этого слова утвердился и науке лишь в 2000 году, - после того как Эрик Кул, выступ" на ежегодной конференции Американского химического общества", окрестил так интеграцию искусственных химических систем в живые организмы.

То, что начиналось с экстравагантных опытов в отдельных лабораториях, грозит превратиться со временем в крупную промышленную отрасль, приносящую миллиардные прибыли. Подобно инженерам, проектирующим из стандартных деталей автомобиль или компьютер, пионеры новой научной дисциплины, о которой мало кто пока слышал, намерены создавать из известных частей своего рода "биологические машины", которые, воспроизводя себя сами, будут синтезировать любые химические вещества и лекарства, вести борьбу с вирусами, вырабатывать новые виды топлива, выискивать взрывчатку или токсины и уничтожать их, адсорбируя на клеточной стенке тяжелые металлы или уран и выпадая после этого в осадок.
"Естественные биологические системы не идеальны. Мы намерены их усовершенствовать" - вот девиз биологов-синтетиков. При этом ученые, решившие взяться за Божий труд, вовсе не создают новые молекулы наследственной информации вместо ДНК, а только переиначивают ее состав, подбирая ген к гену, как винтик к гаечке. Так будут появляться "чужие" - живые организмы, еще не виданные в природе, те организмы, до которых "не додумалась" эволюция.

Конечно, многоклеточный организм, полностью синтезированный в пробирке, - дело далекого будущего. Но вот синтез искусственного генома - вещь вполне реальная, как и введение его в живую клетку с удаленным из нее собственным геномом.

По признанию самих биологов, идея оснастить бактерии стандартными наборами генетических элементов - так называемыми BioBricks - сродни той же самой идее, что заложена в конструкторе "Лего". В Массачусетском технологическом институте собран банк из двух с лишним тысяч подобных "биокирпичиков" - сиквенсов, выполняющих самые разные функции. Соединяя их, как электронщики соединяют диоды, конденсаторы или резисторы, можно создавать все новые организмы, предназначенные для выполнения особых заданий.

Фантазии их творцов ("Нужно предельно упростить дизайн биологических систем и автоматизировать их сборку") часто напоминают планы инженерных работ. Собрать, сконструировать, оснастить, трансформировать. Многие термины, используемые этой когортой биологов, почерпнуты из промышленной практики. Сама организация крупного производства на заводах и фабриках кажется им идеальным способом решения задач, стоящих перед их наукой. В цехах будущих биофабрик развернется поточная сборка микробов, "домашних промышленных животных завтрашнего дня". Микробы вызывают у нас отвращение, кажутся синонимом грязи, болезни - и они же сулят нам неисчерпаемые богатства. Превращенные в своего рода "нанороботов", они будут универсальными работниками завтрашнего дня, будут трудиться в биореакторах, не зная устали во имя процветания наших корпораций. В симбиозе с человеком эти рукотворные создания биотехнологов могут сделать для нас немало полезного.

Ну, а мы станем для этих микробов (пока только для них) тем же, чем Господь Бог древних мифов для людей - станем их Творцами, породим их, правда, не по образу и подобию своему, а по своему тонкому расчету. (И когда-нибудь, шутят ученые, миллиарды лет спустя, разумные потомки данных микробов будут ломать голову над тем, как зародилась жизнь и не сотворил ли ее Бог или какой-нибудь "разумный творец".)

В отдельных экспериментах биологи уподобляются инженерам, взявшимся проектировать автомобиль, в котором были бы принципиально иными не только руль или колеса, но даже любые винты. Например, Джек Шостак из Медицинского института Говарда Хьюза попытался вернуться к истокам и воспроизвести в пробирке тот миг начала жизни, когда среди неодушевленной материи возник первый живой организм, случайный конгломерат органических молекул. Экспериментируя с простыми жирными кислотами, образующими в воде пену, он создал примитивные искусственные клетки - "мембранные пузырьки" (везикулы), содержащие молекулы рибонуклеиновых кислот (РНК). Эти пузырьки спонтанно увеличивались в размерах, всасывая оказавшиеся рядом с ними другие пузырьки - "поедая" их. В этом причудливом сообществе шла настоящая борьба за существование. Иногда при копировании РНК происходили случайные сбои, вследствие чего молекулы РНК в какой-нибудь клетке начинали размножаться быстрее и количество их росло, а значит, везикула быстрее других росла и поглощала соседей. Так среди этих квазиживых существ наблюдалась эволюция буквально в дарвиновском смысле этого слова.

Если из протоклеток, созданных Шостаком, когда-нибудь возникнут подлинные, пусть и очень примитивные, клетки, которые будут и далее размножаться и развиваться, они станут первыми на нашей планете живыми организмами, с коими у нас, людей, не будет никаких общих предков. И от этой мысли может закружиться голова у самых трезвых исследователей биоты. До сих пор мы лишь мечтали отыскать не родственные нам живые организмы где-нибудь на других планетах - в марсианском грунте, в водах Энцелада или Европы (имеется в виду спутник Юпитера. - А.В.).

Простое "соперничество молекул" в пробирке заставляет думать о том, что жизнь имманентна нашей Вселенной; ее появление в той или иной части космоса неизбежно. Появление, соперничество, естественный отбор, случайные мутации, дающие преимущество... Эти законы торжествуют и на самых дальних планетах - подобно тому, как в масштабах этих планет действуют и законы механики Ньютона, и правила геометрии Евклида.

Другие исследователи упрощают задачу, то есть берут готовую форму - бактерию известного образца и, удалив ее геном, заново конструируют его, избавляясь от всех генов, без которых бактерия может обойтись. Этот минимум подразумевает способность микроба к размножению и мутации; он также должен обеспечить нормальное протекание процессов обмена веществ. Все остальные функции биотехнологи именуют "балластом", а потому можно обойтись без генов, отвечающих за них.

Судя по всему, Господь Бог был маньеристом, даже творя микробов, - их организмы отягощены, на наш взгляд, избыточной сложностью. "В природе организмам непременно требуются какие-то специальные гены, чтобы выдерживать, например, жару или холод. Лабораторному организму они не нужны. Он обойдется минимумом генов, ведь он не должен ни к чему приспосабливаться", - сказал в одном из интервью американский исследователь Крейг Вентлер.

Микробы "нового поколения", создаваемые в лабораторных условиях, отличаются простотой структуры. Они будут состоять из минимально необходимого числа генов и отдельных дополнительных генов, которые заставят эти организмы трудиться на нас. Превратить живые организмы в простые, программируемые биосхемы, наподобие компьютерных микросхем, - вот задача для нового поколения биологов.
Именно этой задачей руководствовался Крейг Вентер, прославившийся семь лет назад расшифровкой (секвенированием) человеческого генома. Вместе с нобелевским лауреатом по медицине Гамилтоном Смитом он в течение нескольких лет выяснял, какие именно гены нужны бактерии Micoplasma genitalium, у которой всего 515 генов - меньше, чем у любого другого существа на нашей планете. Более сотни генов оказались "лишними". Искусственную бактерию произвели путем удаления из микоплазма гениталиум ее генетического материала и введения новых генов, созданных химическими методами.

В "улучшенный" геном микоплазмы можно безбоязненно вводить гены, отвечающие за функции, которые не были прежде ей присущи. Можно, например, заставить этот микроб вырабатывать дешевый водород или этанол - очень перспективные энергоносители, причиняющие минимальный ущерб окружающей среде.
31 мая этого года Институт Крейга Вентера подал в патентное ведомство США заявку на патент искусственной бактерии, получившей название Micoplasma laboratorium. Данная работа стала важной вехой в становлении синтетической биологии. Подача же патента - это попытка перейти к коммерческому использованию ее достижений. "Если мы создадим бактерию, вырабатывающую новый вид топлива, это будет первая бактерия на миллиарды долларов", - без обиняков высказался Крейг Вентер, обещавший добиться таких успехов в синтетической биологии, что нефть со временем будет не нужна.

Содержание заявки на патент не может не удивлять. Предполагается распространить патент на все гены, из которых состоит Micoplasma laboratorium, а также на любой организм, созданный на основе этих генов. Кроме того, собственностью Вентера и Со предложено считать любую бактерию рода микоплазма, у которой удалено не менее 55 генов из числа 101 гена, которые были удалены у бактерии микоплазма гениталиум Вентером и его сотрудниками.

По словам критиков, Вентер стремится стать таким же монополистом в синтетической биологии, как Билл Гейтс - в программировании, а его институт со временем превратится в своего рода "Майкробософт". Так вправе ли ученые патентовать искусственно созданные биосистемы? Вопрос вызывает бурные дискуссии.
Любопытны и успехи коллег Вентера, которые идут другим путем - встраивают в бактерии искусственные биохимические системы, тоже наделяя эти микроорганизмы необычными свойствами.
Так, Джей Каслинг из Калифорнийского университета, использовав десять генов, взятых у трех разных организмов, изменил систему обмена веществ обычных кишечных бактерий, с тем, чтобы те начали вырабатывать компонент лекарства от малярии. Пока этот компонент получают из полыни однолетней Artemisia annua, произрастающей в Юго-Восточной Азии, и стоимость ее высока. В конце 2004 года Фонд Билла и Мелинды Гейтс выделил на разработку лекарства от малярии 42,5 миллиона долларов.
Кристофер Войт из Калифорнийского университета приучил бактерии ЕксКепсЫа соИ "видеть", введя в их ДНК два гена, заимствованных у циа-нобактерий. Эти гены отвечают за синтез светочувствительного белка, содержащегося в мембране. Теперь бактерии стали темнеть при попадании на них солнечных лучей. Когда чашу с бактериальной культурой накрывали трафаретом, в ней, словно на фотопленке, проступал четкий, контрастный рисунок. Конечно, во времена цифровой фотографии не может быть и речи о новом изобретении фотографической пленки. Это, скорее, зримое доказательство возможностей синтетической биологии.

По-настоящему понятно лишь то, что может быть сконструировано нами самими, - таков девиз биотехнологов. Достижения синтетической биологии станут подспорьем и для теоретиков. До сих пор молекулярные биологи, пытаясь понять, как устроена клетка, разлагали ее на отдельные элементы. Реконструируя клетку из отдельных элементов, биологи-синтетики могут попутно проверить эти догадки.
"Биологи стремятся задавать вопросы и искать на них ответы, а инженеры, наоборот, пытаются конструировать простейшие объекты, которые способны понять, - так, по словам Рона Вайса из Принстонского университета, можно охарактеризовать смену парадигмы в биологической науке. - Во время моей работы программистом я изучал биологические системы, чтобы почерпнуть какие-то новые идеи. Но вдруг мне стало понятно, что я хочу не конструировать компьютеры по образцу живых организмов, а, наоборот, программировать биологические организмы подобно компьютеру".

Одни из запрограммированных им бактерий совершают групповое самоубийство, когда плотность их популяции достигает критической величины Данный метод можно использовать, например, для контроля за микробами, поселившимися в биореакторе Другие бактерии из лаборатории Вайса в зависимости от условий светятся то красным, то зеленым светом. Их можно использовать как биологические сенсоры.
Во многих отношениях микроорганизмы и впрямь ведут себя как приборы. Но есть одно свойство, что отличает их от любого механизма, - способность к мутации. Их потомство постепенно утрачивает заданные свойства, и это становится существенной проблемой для исследонателей.

Критиков же волнуют больше другие проблемы. Что если "биомашины" выйдут из-под контроля? Не приведет ли это к вспышкам неожиданных заболеваний? А как можно забыть о террористах? Благодаря интернету преступники могут анонимно получить все необходимое для синтеза смертельно опасных вирусов или микробов и создания новых видов биологического оружия.

В 2002 году Эккард Виммер и его коллеги Джеронимо Челло и Анико Пол после двух лет работы создали из фрагментов ДНК, заказанных по почте, искусственные полиовирусы, насчитывавшие 7741 нуклеотидную пару. Эта вирусы размножались, защищались от антител, а зараженные ими мыши болели полиомиелитом, как и обычно, - разве что вирусов из пробирки требовалось в 1000-10000 раз больше, чтобы убить мышь.
Первой реакцией на этот в чем-то провокационный эксперимент был oужас. В отзывах на него говорилось, что "подобные опыты открывают дорогу биотеррористам". Негативно отнеслись к нему даже коллеги-ученые. Так, американский специалист по оспе Питер Джарлинг заявил, что отныне утрачена надежда на полное уничтожение опасных возбудителей заболеваний, ведь теперь их можно реконструировать в любой солидной лаборатории, а путем генетических манипуляций сделать даже еще опаснее. Крейг Вентер назвал этот эксперимент "безответственным", добавив, что не видит смысла синтезировать губительные для человека возбудители заболеваний, да еще и привлекать внимание к таким опытам. Успокаивает только одно: геном вируса той же оспы насчитывает не 7, а 185 тысяч нуклеотидных пар.

Сам Вентер в 2003 году синтезировал безобидный для человека вирус - бактериофаг Х174, содержащий 5386 нуклеотидных пар. Приступая к работе, он и его коллеги знали лишь последовательность "букв" в геноме вируса - и собрали геном в течение двух недель из фрагментов ДНК, заказанных в одной биотехнологической фирме.

Между прочим, согласно опросу, каждая вторая фирма, занятая поставками генетического материала, не контролирует личность заказчиков и не проверяет, насколько опасны заказанные генетические последовательности. Так, в 2005 году британский репортер без проблем заказал в одной такой фирме фрагмент ДНК вируса оспы.

Неясно также, что произойдет, если бактерии, созданные в лаборатории, случайно попадут на свободу. В природе любые новые микроорганизмы таят опасность" Они могут бесконтрольно размножиться и вызвать эпидемию, губительную для старых видов - бактерий, растений и животных.
Гарвардский биолог Джордж Черч предлагает всем исследователям, работающим в области биотехнологии, взять на себя обязательство конструировать бактерии так, чтобы те не могли сами найти нужные питательные вещества и, оказавшись за стенами лаборатории, неминуемо погибли бы. Или программировать их так, чтобы они жили строго определенное время. Впрочем, другие биолога считают, что за миллиарды лет жизнь на Земле подвергалась стольким опасностям и тем не менее выдержала их, что справится и с популяцией самодельных микробов. Искусственные организмы могут выжить лишь в лабораторных условиях. Вынужденные конкурировать с земными организмами, которые за миллиарды лет идеально приспособились к жизни на нашей планете, они начисто проиграют им борьбу за существование.
"Долгий опыт работы с генетически измененными организмами показал, что те хуже своих прямых конкурентов - натуральных организмов - приспосабливаются к естественным условиям", - отмечает биолог Стивен Беннер из Флоридского университета. Конструкты синтетической биологии опасны лишь в том случае, если созданы по образу и подобию самых страшных возбудителей заболеваний.

Стивен Беннер еще в 1989 году руководил синтезом ДНК, содержавшей две искусственные генетические "буквы" (нуклеотидные пары) помимо четырех известных, используемых всеми живыми организмами Земли. С тех пор, кстати, были получены несколько вариантов подобных ДНК, но никому не удалось добиться функционирования их генов.

Лишь в конце 1990-х годов в стенах Масачуссетского технологического института родилось новое направление науки, лежащее на стыке биологии и инженерных наук, - синтетическая биология. В 2004 году состоялась первая международная конференция, посвященная синтетической биологии.
Сейчас, по мнению ряда экспертов, эта дисциплина входит в число десяти самых перспективных направлений научной мысли. Ее будущее видится в розовых тонах: "Ожидаемые Открытия в этой области могут так же решительно изменить нашу жизнь, как изменили ее за последние сорок лет открытия, которые были сделаны II области микроэлектроники и привели, в конце концов, к настоящей революции в сфере информационных технологий".

Возможности нового направления биологии кажутся нам сейчас безграничными. По оценке Роберта Карлсона из Вашингтонского университета, эффективность машин, занятых синтезом ДНК, за последние 15 лет возрастала такими темпами, как, пожалуй, росла лишь эффективность компьютерных процессоров. Если эти темпы сохранятся, полагает Роберт Карлсон, то уже в 2010 году одна-единственная машина синтезирует весь геном человека всего за один день.
Десятки лабораторий мира ведут эксперименты в области синтетической, биологии, руководствуясь самыми разными идеями. Некоторые из них могут стать явью. Другие скоро забудутся. В любом случае в стенах этих лабораторий будет создана новая жизнь. Теоретически развитие синтетической биологии приведет к созданию и искусственных многоклеточных организмов. Откроются новые возможности. Появятся новые опасности...

Р. S. Многие по-прежнему сомневаются в теории эволюции, не хотят верить, что все многообразие самых сложных жизненных форм родилось к результате длительного процесса эволюции, а не было мгновенно порождено Богом, маэстро "интеллектуального дизайна", населившего мир своими креатурами, созданными - каждая! - по точнейшему плану.
Синтетическая биология дает нам самим возможность попробовать себя в роли "разумного Творца". Правда, возможность эта пока кажется до примитивного ограниченной. Вместо того, чтобы выращивать в пробирках гомункулусов или очерчивать лекалом Франкенштейнов, мы готовы разве что населить лабораторный сосуд неугомонными пузырьками, перехватывающими друг у друга пишу. Да и вряд ли в обозримом будущем мы научимся синтезировать из неживой материи и оживлять существ, подобных нам, - уж слишком сложна эта задача. Трудно быть Богом! Трудно соединить в одно - живое! - целое миллиарды миллиардов клеток, каждая группа которых имеет свои особые задачи. Множество этих задач еще долго не поддастся расчету. Зато эксперименты с ожившими пузырьками пены лишний раз убеждают нас, что жизнь - вот именно в таких простейших формах - могла зародиться самопроизвольно, а затем началась эволюции первых появившихся организмов. Они мутировали, приспосабливались к окружающей среде, размножались, росли - они завоевывали пустынный мир, подчиняясь действию законов природы, законов, которые мы продолжаем познавать.