Книга: Микрокосм. E. coli и новая наука о жизни

Сетевой взлом

Сетевой взлом

Генная инженерия, которая на первый взгляд производит впечатление науки будущего, на самом деле достаточно примитивна и основана на биологических представлениях 1950–х гг. В мире генной инженерии E. coli и другие бактерии — всего лишь простые химические фабрики, выпускающие определенный набор белков. Достаточно изменить один ген, и один из производимых белков тоже изменится. Специалисты прекрасно понимают, что жизнь ни в коем случае не сводится к производству белков. Существуют еще, к примеру, репрессоры и промоторы, чья задача — включать и выключать гены. Но многие специалисты в области генной инженерии используют эту ценную информацию только для того, чтобы улучшить производительность E. coli и других организмов.

Возможен и другой взгляд на E. coli: бактерию можно рассматривать как управляющую схему или сетевую структуру. Ее белки и гены работают согласованно, позволяя микроорганизму получать и обрабатывать информацию, принимать решения, поддерживать устойчивое существование в нашем неустойчивом мире. Мощь управляющей сети E. coli обеспечивается суммой ее частей, а не одним, каким?нибудь геном или белком. Заметим также, что искусственные, рукотворные устройства человек постоянно улучшает — инженеры перерабатывают старые схемы, добавляют новые части. И некоторые ученые уже задаются вопросом: если жизнь тоже придерживается инженерных принципов, то, может быть, и ее можно доработать?

Первые сообщения об усовершенствовании живых организмов появились в 2000 г., и в обоих случаях речь шла о E. coli. Физик Майкл Еловиц из Калифорнийского технологического института совместно со Станисласом Лейблером из Университета Рокфеллера в Нью — Йорке заставили этот микроорганизм мигать. Для своего нового управляющего контура они выбрали три гена, отвечающих за производство трех разных репрессоров. Они модифицировали первый ген так, чтобы репрессор, за синтез которого он отвечает, блокировал активность второго гена. Репрессор, кодируемый вторым геном, блокирует третий. Третий реирессор, в свою очередь, блокирует первый; кроме того, кодирующий его ген отвечает за строительство флуоресцентного белка, позаимствованного у медуз.

Еловиц и Лейблер обнаружили, что в некоторых модифицированных ими бактериях три репрессора образовали циклическую систему. Первый ген командует производством репрессоров до тех пор, пока они не блокируют второй ген; третий ген при этом освобождается и блокирует первый. Когда первый ген прекращает выработку своего репрессора, второй ген освобождается и блокирует третий и так далее. Еловиц и Лейблер объединили эти гены в одной плазмиде и ввели ее в клетку E. coli. В бактериальной клетке гены активизировались, и ученые смогли наблюдать этот процесс собственными глазами: в зависимости от степени подавления активности третьего гена E. coli вырабатывала больше или меньше флуоресцентного белка. Иными словами, бактерия мигала, как крошечный фонарик.

Второе сообщение поступило из лаборатории Джеймса Коллинза в Бостонском университете. Коллинз с коллегами снабдили E. coli триггерным переключателем. Они сконструировали и ввели в бактериальную клетку два гена, каждый из которых отвечал за производство репрессора, который блокировал активность другого гена. Каждый из двух репрессоров можно было оттащить от ДНК E. coli путем добавления в раствор определенного (в каждом случае своего) химического вещества. Чтобы увидеть, как работает эта система, ученые ввели в один из участвующих в ней генов инструкцию по производству флуоресцентного белка. Добавление одного из химических веществ заставляло бактерии светиться, причем свечение продолжалось даже после прекращения действия этого вещества. При добавлении второго вещества свечение прекращалось, и E. coli оставалась темной даже после того, как вещество заканчивалось.

На сегодняшний день эти эксперименты считаются вехами, отметившими рождение новой науки, которую многие называют синтетической биологией. Возможно, кому?то такая оценка покажется преувеличенной — ведь мигающую лампочку или переключатель может за несколько минут собрать любой сообразительный ребенок с электронным конструктором. Но биологи и инженеры понимают, что вслед за простыми схемами могут прийти и сложные. Из нескольких простейших логических элементов может получиться компьютерный чип.

Я пишу эту книгу всего через шесть лет после зарождения синтетической биологии, и ученые еще не построили на основе E. coli компьютерного чипа[28]. Но путь от мигалки и выключателя уже пройден немалый. Фотокамера из E. coli, о которой говорилось в начале этой главы, — хороший пример сегодняшних возможностей этой молодой науки. Каждый год Массачусетский технологический институт проводит турнир по синтетической биологии, в рамках которого студенты пытаются превратить E. coli в различные устройства. В 2004 г. студенты Техасского университета и Калифорнийского университета в Сан- Франциско вместе сконструировали бактерию, способную зафиксировать изображение. Они представили на конкурс пленку из модифицированной E. coli, которая вела себя как традиционная фотопленка, то есть темнела там, где на нее не падал свет. Чем больше на пленку попадало света, тем светлее она становилась. Обычная E. coli не ощущает свет и не может создавать цветовых пятен. Но студенты сконструировали штамм, способный и на то и на другое. Они позаимствовали ген, отвечающий за светочувствительный рецептор, у одного из видов сине — зеленой водоросли под названием Synechocystis[29]. А для окрашивания — гены того же Synechocystis, отвечающие за синтез пигмента.

Сложнее всего было соединить два набора генов в единую систему. Студенты модифицировали светочувствительные рецепторы так, чтобы они передавали сигнал на обычные молекулы, производимые самой E. coli. Получив сигнал, эти молекулы присоединялись к ДНК микроорганизма и блокировали синтез ферментов, необходимых для производства пигмента Synechocystis. Время экспозиции для E. coli составляет 10–12 часов, да и изображение получается расплывчатым и каким?то призрачным. Но зато, поскольку каждый микроорганизм изменяет свой цвет независимо от других, разрешение «фотографии» получается очень высоким — примерно в десять раз выше, чем у самых качественных принтеров.

Подобные эксперименты внушают специалистам по синтетической биологии великие надежды на будущее. Вскоре они смогут синтезировать ДНК для получения совершенно новых генов, причем стоимость этого процесса будет невелика. В настоящее время никто не знает, как сконструировать ген, который выполнял бы заданную функцию, но исследователи научились вносить изменения в уже существующие гены и просчитывать, как эти изменения скажутся на белке, за синтез которого они отвечают. Уже разработаны новые гены, которые позволяют E. coli распознавать нервно — паралитический газ и тротил. Один из самых амбициозных проектов запущен в Калифорнийском университете в Беркли, где ученые пытаются создать генетически модифицированные штаммы E. coli и дрожжей, которые могли бы вырабатывать противомалярийное средство под название артемизинин. В природе этот препарат вырабатывает только полынь однолетняя. Если бы к производству артемизинина удалось приспособить микроорганизмы, его стоимость, возможно, упала бы в десять раз.

Тем временем Кристофер Войт с коллегами создает штаммы E. coli, которые когда?нибудь, возможно, смогут бороться с раком. Его бактерии разыскивают в организме опухоли по низкому содержанию кислорода, и затем «впрыскивают» токсины в раковые клетки. Войт надеется когда?нибудь превратить E. coli или какой?нибудь другой микроорганизм в «умное» лекарство, способное самостоятельно принимать решения о том, как и когда следует выделять лекарственное вещество для лечения болезни. Возможно, они смогут также считать собственные циклы деления и после определенного их числа заканчивать жизнь самоубийством. Другие ученые пытаются превратить E. coli в солнечную батарею, способную улавливать солнечный свет и превращать его в топливо. Специалисты по синтетической биологии надеются, что когда?нибудь им удастся продвинуться дальше E. coli и приступить к работе с другими организмами, как это в свое время произошло с генной инженерией. Не исключено, что когда?нибудь они смогут вмешаться и в программирование человеческих клеток: к примеру, заставить организм вырастить новый орган.

Все то, о чем говорилось выше, занимает мысли специалистов по синтетической биологии в хорошие дни. Когда же накатывает дурное настроение, они вспоминают обо всех трудностях и препятствиях, которые ждут их впереди.

Инженерам, к примеру, нужны стандартизованные детали. Конструируя токарный станок или газонокосилку, инженер не придумывает заново болты, которые должны скреплять детали машины. Он просто указывает, какие болты и гайки из стандартного набора следует использовать. Но это относительно недавнее достижение. До середины XIX в. резьба на болтах, сделанных на одном заводе, могла полностью отличаться от той, которая была на болтах другого завода. Стандартизация болтов ускорила технический прогресс и, возможно, сыграла очень существенную роль в промышленной революции.

Пока что синтетическая биология в некоторых отношениях находится еще на доиндустриальной стадии развития — это ремесло для умельцев и мастеров. Еловицу и его коллегам — специалистам мирового класса по E. coli и ее генам — на получение мигающей бактерии потребовалось больше года. Даже добившись успеха, они оказались в тупике — другим ученым было бы очень трудно каким?то образом улучшить их схемы или включить их в другие, более сложные. С одной стороны, сначала им пришлось бы воспроизвести схему, что само по себе очень непросто. К тому же эта схема может работать только в определенном штамме E. coli, а определить эти штаммы можно, лишь сверяясь с детально разработанным «генеалогическим древом», где за происхождением бактерий следят не менее тщательно, чем за происхождением коронованных особ. Любой инженер почувствовал бы отчаяние перед лицом таких трудностей.

Начиная с 2001 г. Дрю Энди и Том Найт из Массачусетского технологического института создают генетический банк для синтетической биологии. Если вам понадобится добавить к своей схеме переключатель, вы сможете поискать его на сайте BioBricks, загрузить на свой компьютер необходимую последовательность ДНК, заказать соответствующие фрагменты ДНК через биотехнологическую фирму и ввести их в клетку E. coli. На текущий момент в каталоге BioBricks содержится более 160 готовых схем; это не только упрощает исследования в области синтетической биологии, но и способствует развитию соответствующего профессионального сообщества. Энди и Найт организовали на базе BioBricks ежегодный конкурс по синтетической биологии среди студентов. Студенты тоже добавляют в банк новые фрагменты генетического материала, открывая дорогу будущим изобретениям.

Но дальнейшие попытки специалистов построить более масштабные схемы могут встретить на своем пути новое препятствие: саму E. coli. Несмотря на все усилия ученых, многое в этом микроорганизме до сих пор непонятно. Шестьсот его генов остаются полнейшей загадкой. Особенно туманна структура его генетической сети. Ученые могут распознать большинство транскрипционных факторов[30] E. coli, то есть большинство белков, включающих и выключающих гены. Но о том, чем эти гены управляют, известно гораздо меньше. А то, что специалисты знают о E. coli наверняка, иногда очень их расстраивает.

Управляющие схемы E. coli перекрывают друг друга, образуя такую путаницу, какую не сконструировал бы ни один уважающий себя инженер. Очень трудно предсказать, как дополнительные цепи, введенные человеком, изменят общее поведение такой сложной и запутанной системы.

Некоторые специалисты по синтетической биологии считают, что преодолеть слабости E. coli можно, только если разобрать ее на части и собрать заново. В Гарвардском университете, к примеру, Джордж Чёрч с коллегами уже составил список из 151 гена, которых, по их мнению, было бы достаточно для живого организма. Механизм действия этих генов, которые в основном взяты у E. coli и ее вирусов, ученые понимают хорошо. Составленная из них система вроде бы не должна таить особых загадок. Чёрч надеется искусственно собрать из этих основополагающих генов полноценный геном и, совместив их с мембраной и рибосомами (их задача — строительство белков), создать живой организм. Назовем его E. coli 2,0.

Тем временем Альберт Либхабер из Университета Рокфеллера предпочел еще более простой подход. Вместе с коллегами он приготовил раствор, содержащий рибосомы и некоторые химические вещества, которые можно обнаружить в клетках E. coli. Вместо полного генома они создали всего лишь небольшие плазмиды. Затем они заключили гены и молекулы в искусственную двухслойную фосфолипидную оболочку, добавив необходимые для этого вещества. Команда Либхабера обнаружила, что эти пузырьки способны жить — по крайней мере несколько часов. В одном из генов, добавленных Либхабером в плазмиды, был закодирован белок, формирующий поры в мембране. Протоклетки считывали этот ген, строили молекулы соответствующего белка и встраивали их в мембрану. Образовавшиеся поры позволяли аминокислотам и другим небольшим молекулам проникать внутрь протоклетки, но не выпускали наружу плазмиды и другие крупные молекулы. Чтобы отследить производство новых молекул белка, ученые добавили в плазмиды ген, взятый у жука — светляка. Протоклетка светилась холодным зеленоватым светом. Либхабер не называет свое творение живым организмом. Он предпочитает термин «биореактор». Переход от биореактора к настоящей жизни потребует дополнительных усилий, и немалых. Либхаберу и его коллегам придется по крайней мере добавить некоторое количество генов, чтобы обеспечить биореакторам возможность деления на новые биореакторы.

Чёрч и Либхабер только начинают разбираться в том, как следует использовать E. coli при создании новых живых систем. Они не могут просто собрать в одном месте ДНК и другие необходимые молекулы и оставить их в покое, чтобы они ожили самостоятельно. Жизнь не похожа на компьютер, который загружается просто по нажатию кнопки. Каждая живущая сегодня E. coli происходит от предка, у которого, естественно, тоже есть предки. Все это вместе образует непрерывную биологическую реку, текущую уже не один миллиард лет. Жизнь — такая, какой мы ее знаем — всегда была частью этой реки. Но в будущем нам, возможно, удастся организовать собственную протоку.