Що таке синтетична біологія?

Здавалося б, за останні 100 років і наука, і система соціального страхування розвивалися рекордними темпами, але перемогти старих ворогів людства – голод і хвороби – так і не вдалося. Більш того, на горизонті все ясніше вимальовуються нові проблеми, наприклад, енергетична криза, пов'язана зі скороченням природних запасів нафти і газу.

Вирішити ці проблеми хочуть прихильники відносно нового напрямку науки, який швидко набирає силу – синтетичної біології.

Синтетична біологія обіцяє нагодувати, обігріти і вилікувати весь світ, при цьому змінивши до невпізнання флору і фауну.

Синтетична біологія – це новий напрямок генної інженерії. Термін «синтетична біологія» (Synthetic Biology) довго використовувався для опису підходів у біології, що прагнуть інтегрувати різні галузі дослідження для того, щоб створити більш цілісний підхід до розуміння концепції життя. Останнім часом термін «синтетична біологія» використовується в іншому значенні, повідомляючи про нову галузь дослідження, яка об'єднує науку і інженерію з метою проектування та побудови нових (неіснуючих в природі) біологічних структур і систем.

Перша синтетична бактерія

Наприкінці 2010 року в американському Інституті Крейга Вентера була створена перша бактерія з повністю синтетичним геномом. Крейг Вентер витратив 15 років на те, щоб оживити мертву матерію.

Тому зараз від вчених, які займаються конструюванням нових видів живих істот, буквально чекають чудес. І сам Крейг Вентер, і його конкуренти підкреслюють, що світ потребує принципово інших методів, які дозволяють отримувати їжу, енергію і ліки без серйозних витрат і шкоди для навколишнього середовища. Компанії та уряди передових країн готові вкладати в дослідження сотні мільйонів доларів.

Сенсація, яку викликала поява першої бактерії з синтетичною ДНК, зрозуміла. Якби співробітники Інституту Крейга Вентера, подібно казковому Лівші, підкували блоху, вони здивували б світ куди менше, адже їм вдалося в буквальному сенсі слова створити з мертвої матерії життя. Наскільки це було складно, демонструє приклад: коли вчені допустили лише одну помилку в молекулі, що складається з 1,08 млн. пар нуклеотидних основ, клітина не ожила. І лише коли робота була зроблена бездоганно, організм, чия назва містить в собі згадку про інститут і номер версії (як комп'ютерна програма) – Mycoplasma mycoides JCVI 1.0, – отримав путівку в життя.

Синтетична біологія – найбільш перспективний напрямок генної інженерії. Якщо остання втручається в ДНК видів тварин і рослин, що існують у природі, додаючи їм нові, нехарактерні для виду ознаки, то перша займається створенням принципово нових живих систем.

Найближча мета піонерів цього напряму – отримання організму з мінімальним геномом, який має тільки найнеобхідніші для існування функції: здатність харчуватися, рости і розмножуватися. Для біологів це можливість побачити в деталях, як працюють живі системи, адже немає кращого способу зрозуміти принцип дії автомобіля, ніж його зібрати. До того ж, тут відкривається велика перспектива прикладного застосування: бактерія з мінімальним геномом повинна стати базою для конструювання будь-яких організмів.

Додаючи в геном нові ділянки, вчені зможуть отримувати мікроби із заданими якостями, скажімо, здатними виділяти в процесі життєдіяльності спирт або молекули полімерів, з яких можна робити пластмасу. Таким чином, синтетична біологія стирає межу між життям і машинами, заздалегідь запрограмованими на певну діяльність.

Враховуючи високі ризики при досить повільних темпах роботи (на створення першої штучної бактерії пішло 15 років) не дивно, що на синтетичну біологію довго дивилися як на примху, причому надзвичайно дорогу: такі проекти вимагають вкладення десятків і сотень мільйонів доларів.

Це пояснює, чому зараз ц цьому напрямку в світі працює не більше 100 дослідницьких груп. Але ситуація змінюється і змінюється стрімко. Синтетична біологія в останні два-три роки стала перспективним напрямком, яким зацікавилися великі компанії, в першу чергу, енергетичні, а також урядові організації.

Чого ж чекають від синтетичної біології?

Біопаливо і електрика з водоростей

Один із засновників Фонду наукових технологій Крейга Вентера і постійний інвестор його програм – Міністерство енергетики США. У 2008-2010 роках це відомство щорічно вкладало в розробки фонду по 115 млн. доларів. Такий інтерес не випадковий: штучні бактерії – шлях до нових методів альтернативної енергетики, і він може виявитися коротшим, ніж здається. Експерти обережні в оцінках, але найчастіше прогнозують впровадження перших біо-інженерних розробок у цій сфері протягом 15-20 років.

У 2009 році компанія Synthetic Genomics Inc., що належить Крейгу Вентеру, і нафтогазовий гігант Exxon Mobil уклали партнерську угоду щодо розробки дешевого та екологічно чистого біопалива.

Ціна питання – 600 млн. доларів. Згідно з проектом, джерелом біопалива стануть морські водорості зі зміненим геномом, що дозволяє їм виробляти сполуки, подібні до органічних речовин, з яких складається нафта. Про перехід на екологічно чисте біопаливо світ говорить уже давно – головна проблема в тому, що побічно ці джерела енергії можуть бути не менш небезпечне для екосистеми планети, ніж бензин.

Так, для виробництва етанолу необхідно створення великих плантацій, на зрошення яких потрібно багато прісної води. З водоростями Вентера клопоту куди менше: все, що їм потрібно – сонячне світло і морська вода. Їх біомаса швидко росте , і тому водорості можна вирощувати практично в необмежених кількостях.

Ще більш перспективними вбачаються бактерії, здатні виділяти водень. Багато мікроорганізмів, зокрема ціанобактерії і зелені водорості, можуть запасати іони водню для задоволення своїх енергетичних потреб. Тим часом, в природних бактеріях процес розщеплення молекулярного водню сповільнюється через наявність побічного продукту фотосинтезу – вільного кисню. Деякі мікроорганізми все-таки вміють його ізолювати, щоб він не окислював атоми водню, але тут нас чекає розчарування: ці види не здатні розщеплювати молекули води.

Таким чином, щоб отримати водень, в якості поживного середовища потрібні ще більш дорогі водневі сполуки. Тобто, природа ґрунтовно попрацювала, щоб людина не могла легко отримати дешеву і екологічну енергію. Дослідники сподіваються обійти перешкоду, створивши нову бактерію з ДНК двох різних видів мікроорганізмів, комбінуючи їх ознаки, що можуть бути корисними.

Однак, ставку на водорості робить не лише Exxon Mobil.

У ВР ще в 2007 році з'явилася власна багатомільйонна дослідницька програма співпраці з Royal Dutch Shell і Martek Biosciences. Відзначимо, що отримання хімічних енергоносіїв – найлегший спосіб «в'їхати на спині» бактерій в царство дешевої енергії. Але далеко не єдиний. Приміром, команді біологів з Єльського університету та Національного інституту стандартів і технологій (США) вдалося розробити прямий метод отримання бактеріями електрики. У 2010 році вчені представили модель з двох живих клітин, здатну перетворювати енергію хімічних реакцій в електрику з ККД приблизно в 10%. Такого роду «живі батарейки» зможуть стати джерелом живлення різних нано-електричних пристроїв.

«Жива батарейка» проста, як все геніальне – плаваюча в соляному розчині пара синтетичних клітин пов'язана загальною мембраною. Всередині кожної з них знаходиться по краплі водного розчину з вмістом позитивно і негативно заряджених іонів. Якщо розчини в клітинах мають різну ступінь насиченості, вживляння в клітини тонких металевих електродів, з'єднаних з мікроскопічної ланцюгом, призведе до того, що по цьому ланцюгу побіжить струм, урівноважений зворотним струмом іонів через канали. Концентрація іонів буде вирівнюватися під час втрати системою заряду.

Але повернемося до проблеми одержання струму в промислових масштабах. Ймовірно, найближчим часом цього не станеться – поки не ясно, як зробити так, щоб сильна електрика, що виділяється колонією мікроорганізмів, не руйнувала органели самих бактерій.

І живий комп'ютер

Одна з цікавих можливостей, відкритих синтетичної біологією, полягає у створенні з клітин аналогів електронних пристроїв. У грудні 2010 року вчені з Ґетеборзького університету модифікували клітини дріжджів таким чином, що їх можна програмувати на рішення логічних задач. Під впливом різноманітних подразників вони здатні передавати свій стан сусідам, виділяючи в живильне середовище молекули різних типів, кожна з яких відповідає певному подразнику. Комбінуючи реакцію на два різних подразника, клітини можуть виробляти сигнали, «складаючи» і «перемножуючи» сигнали, як це робить процесор.

Синтетична біологія – безмежні можливості

В кінці XIX століття французький хімік Марселен Бертло, натхненний успіхами органічного синтезу, прогнозував, що вже через кілька десятиліть людям стануть не потрібні ні каші, ні коржики – досить буде жменьки різних поживних речовин і солей, яку потрібно просто запити водою. Прогноз, як відомо, не збувся: органічна хімія виявилася не в змозі синтезувати складні білки і вуглеводи в потрібних обсягах.

Однак сьогодні, схоже, прийшов час відродитися цій зухвалій мрії. Колонії штучних мікроорганізмів можуть синтезувати складні органічні молекули у великих кількостях, і їх застосування може буде найрізноманітнішим – виробництво ліків і харчових продуктів, промислова хімія і т.д. Оскільки біомаса бактерій здатна зростати по експоненті, виробництво може мати різні масштаби, а витрати – мінімальними. Людство нарешті отримає «вічний хліб», про який мріяли хіміки.

Синтетична біологія з часом готова дати відповідь на найгостріші запити світового співтовариства. У наші дні від малярії лише в Африці щороку помирає близько двох млн. людей. Найбільш ефективний засіб проти цієї хвороби – артемізинін – виготовляють з кореня солодкого полину. На жаль, його виробництво обходиться не дешево, і жителям Африканського континенту він не по кишені. У 2004 році хімік з Каліфорнійського університету в Берклі Джей Кізлінг провів ряд експериментів, які показали, що шлях до здешевлення артемізиніну існує. Вчений переконав Фонд Білла і Мелінди Гейтс виділити йому грант в 42 млн. доларів на проект з дослідження можливості отримання артемізиніну з дріжджів, що застосовуються для випікання хліба. Вбудувавши в геном дріжджів 12 нових ділянок, Джей Кізлінг дійсно зумів створити потрібну речовину. Однак знизити вартість виробництва ліків поки не вдалося: процеси отримання артемізиніну з кореня полину і генетично модифікованих дріжджів приблизно рівні за витратами. Але в 2010 році вченому вдалося повністю перевести свої дослідження на комерційні рейки – завдяки контракту з французьким фармацевтичним гігантом Sanofi-Aventis, що надав в його розпорядження 10 млн. доларів. На думку дослідника, цього цілком достатньо для «доопрацювання» ДНК дріжджів таким чином, щоб кількість артемізиніну, що синтезується, зросла в 10 разів.

«Один з напрямків синтетичної біології, яким ми займаємося, – конструювання штучних молекул, що мають властивості ДНК, але складаються з шести нуклеотидів, а не з чотирьох, як звичайна ДНК», розповідає заслужений професор хімії Флоридського університету Стівен Беннер. «Подібні розробки ведуться вже сім років, а їх прикладні результати, що застосовуються в діагностиці хвороб і підтримуючої терапії, щорічно приносять прибуток приблизно в 100 млн. доларів».

За словами пана Беннера, такий підхід більш амбітний, ніж те, що робить Крейг Вентер, який використовує ділянки природної ДНК.

Планів у піонерів багатообіцяючої дисципліни дійсно багато. Біологи Крістофер Войт з Каліфорнійського університету в Сан-Франциско і Христина Смолке зі Стенфордського наважилися на ще більш сміливе починання – створення бактерій, які жили б в людському організмі як симбіонти, при цьому відшукуючи в ньому ракові клітини по характерній ознаці – низькому вмісту кисню в пухлинних областях. У перспективі – одержання спеціальних бактерій-вбивць, які змогли б знищувати ракові клітини. Скільки років знадобиться медицині, щоб досягти таких чудес, поки неясно.

І все-таки, надії, що пов'язані з майбутнім синтетичної біології, знаходять відображення в стрімкому зростанні обсягів нового ринку. Якщо в 2008 році, коли на Крейга Вентера ще дивилися як на навіженого мрійника, вони становили близько 234 млн. доларів, то в 2010 році – вже перевалили за 1 мільярд. І це лише початок: як прогнозується в дослідженні Global Industry Analysts у 2015 р. обсяг цього ринку перевищить 4,5 млрд. доларів.

Можливий і інший, песимістичний погляд на проблему: а чи не стане синтетична генетика, принаймні, у найближче десятиліття, новою фінансовою бульбашкою?

Нові живі системи

Одне із завдань синтетичної біології – створення набору так званих біоцеглин (BioBricks), заздалегідь підготовлених генетичних фрагментів, що грають приблизно ту ж роль, що радіодеталі в електроніці. Професор з Гарварду Джордж Черч стверджує, що це дозволить збирати потрібні організми з такою ж легкістю, з якою дитина збирає модель літака.

У найближчих планах конструкторів – отримання бактерій, здатних виявляти отруйні речовини та вибухівку за «запахом» (завдяки крихітним часткам речовини, що поширюється в повітрі), створення мікробів, що очищують екосистему від пластикового сміття, і т.п.

Відчуття прийдешньої всемогутності скрутило вченим голову. «Генетичному коду 3,6 млрд. років. Пора його переписати», – заявляє професор лабораторії штучного інтелекту Массачусетського технологічного інституту (MTI) Том Найт, який займається інженерією мікробів. А чоловік вже згаданої Христини Смолке, доктор MTI Дрю Енді, налаштований ще радикальніше: «До біса природу! Давайте побудуємо нові живі системи, які нам буде простіше зрозуміти, оскільки ми самі їх створили». Це не порожні слова: заклопотаний питаннями спрощення природи, кілька років тому він «переписав» природний вірус Т7, випустивши його лайт-версію T7.l, яка, за словами вченого, позбавлена непотрібної складності і при цьому володіє головною якістю природного вірусу – успішно інфікує клітини.

Пристосовуючи життя до своїх цілей, дослідники все далі відходять від його «канонічних» форм. Так, у грудні 2010 року астробіологи NASA зуміли отримати бактерії, здатні функціонувати без фосфору – одного із стандартних елементів, на яких тримається земна форма життя. В якості заміни вони використовували миш'як.

«Поки рано говорити про те, що відкрита альтернативна біосфера. Але я був шокований результатом. Розумієте, це ж догма: життя будується на основі шести елементів. У клітинній структурі повинен бути фосфор. Це твердження рівня «якщо людина не їсть, вона помирає», – підкреслює Петро Каменський.
Навіть якщо отримані бактерії зможуть жити тільки в лабораторних умовах, це відкриття підриває підвалини традиційної біології.

А Стін Расмуссен з Лос-Аламоської національної наукової лабораторії намагається і зовсім відійти від ДНК, замінивши її принципово новим носієм генного коду – пептидно-нуклеїнової кислотою (ПНК). Ця молекула буде розташована не всередині клітини, як її природний аналог, а ... на поверхні, там будуть знаходитися також і всі органели. Такій клітині буде легше дихати і харчуватися, стверджують вчені, проявляючи зворушливу турботу про «підопічних».

Зрозуміло, що при подібних успіхах і ще більшому запамороченні від них вчені все частіше стають мішенню для критики з боку громадськості, особливорелігійної.

Папа Бенедикт XVI вже кілька років тому засуджував дослідників, що «змінюють саму «граматику життя», складену Богом». Більш серйозною перешкодою можуть стати законодавчі акти, що обмежують свободу творчості біологів.

Втім, американські вчені дивляться в майбутнє з оптимізмом. «У 1975 році в Асіломарі (Каліфорнія) була скликана конференція з біологічної безпеки з метою розробити процесуальну сторону й оцінити ризики генетичної інженерії», – підводить підсумок Стівен Беннер. «Однак правила, які тоді прийняли, з того часу багато разів послаблялися, оскільки досягнення в цій області показали безпідставність більшості страхів».

Джерело