Синтетическая биология

Как наука создает полезные химеры и чем грозят нам биохакеры

Вконце этого года в Великобритании был успешно завершен крупномасштабный исследовательский проект
«100 000 Genomes Project» стоимостью 300 млн. фунтов.

Ученым удалось создать крупнейшую базу данных, объединяющую генетическую информацию с личными медицинскими данными 75 тысяч пациентов-добровольцев. Появилась возможность выявить общие генетические черты, характерные для разных форм рака и редких наследственных заболеваний. Все это поможет лучше понять болезни, определять их связь с генами и найти способы лечения.

Но, прежде чем достичь таких фантастических результатов, биотехнологии прошли долгий и тернистый путь.

Тогда

На протяжении большей части своей истории люди познавали окружающую их вселенную, используя простейший метод – наблюдение. Жрецы Древнего Египта наблюдали за небесным сводом и ожидали появления звезды Сириус, чтобы относительно точно предсказать время ежегодного разлива Нила, от чего зависело благоприятное время для посева и сбора урожая.

Мудрецы иранских плоскогорий и брахманы Индии вглядывались в звездное небо и готовили тем самым фундамент для современной астрономии и математики. Восприятие явлений и процессов без прямого вмешательства в их течение оставалось одним из основных методов постижения действительности.

Но когда великие умы древности обращали свой взор на более приземленные явления, например, на живую природу, и применяли к ним метод наблюдения, зачастую выходили досадные казусы.

Аристотель, который абсолютизировал метод наблюдения, к примеру, считал, что личинки мух самозарождаются в телах умерших животных, а речные угри вырастают из дождевых червей. И около трети всех его научных трудов посвящено подобным околобиологическим наблюдениям, принимаемым за правду на протяжении многих столетий и вводящим в заблуждение целые поколения.

Средневековые алхимики в своих задымленных лабораториях помимо создания философского камня стремились также воспроизвести и жизнь из неживой материи, вырастить в своих ретортах искусственного человека – гомункула. Руководствовались они господствовавшей в то время философией Аристотеля, который полагал, что весь мир слагается из четырех элементов, или стихий: земли, воды, воздуха и огня.

В 1684 году британский ученый Мартин Листер представил Лондонскому королевскому обществу научный труд, в котором ошибочно объяснял устойчивые восточные ветры пассаты как следствие дыхания саргассовых водорослей. И опирался он в этой гипотезе также на идеи Аристотеля!

С дальнейшим развитием науки усилиями Френсиса Бэкона и Рене Декарта распространился и стал все шире применяться более надежный научный метод – эксперимент. Процесс изменения действительности, в котором исследователь полностью управляет условиями наблюдения.

Этот путь был полон ошибок и озарений, но трудами Менделя, Пастера, Флеминга и других великих исследователей вывел биологическую науку на следующий этап ее развития.

Синтетическая биологияСейчас

В наше время ученым, вооруженным новым знанием и инструментами, все больше хочется подобно инженерам вмешаться в живые процессы, придумывать новые полезные человечеству гены или же удалять уже имеющиеся, чтобы взглянуть на то, что из этого выйдет. Непреодолимый соблазн почувствовать себя Франкенштейнами и демиургами столь велик, что его, пожалуй, можно отнести к одному из важнейших стимулов научного прогресса.

На стыке XX и XXI веков в биологии возникает новое междисциплинарное направление – синтетическая биология, которая занимается не просто наблюдением за живой природой, а проектированием и созданием биологических систем с заданными свойствами и функциями, в том числе и тех, которые не встречаются в природе. Делает она это при помощи относительно простой технологии реконструкции генома базовой клетки.

В Кембриджском университете были сформулированы основные задачи новой науки. Они заключаются в направленном проектировании биологических систем и машин, которое возможно было бы использовать для достижения полезных целей.

Главная цель – сконструировать новые геномы и соответствующие им живые организмы, которые либо никогда не существовали в природе, либо погибли, не выдержав эволюционной конкуренции, либо были окончательно истреблены человеком.

Как это работает?

Клетка – это огромная фабрика по производству многообразной продукции: гормонов, белков, антител и иных компонентов. Вся работа этой «фабрики» координируется командами из «центрального офиса» – ядра клетки. Именно в нем содержится все «программное обеспечение» живого объекта – его ДНК, с помощью которой клетка становится тем, чем она должна стать согласно заданному проекту. И если изъять из ядра клетки ее ДНК и поместить в него другую ДНК, искусственно созданную синтетическими биоинженерами, то в результате возникнет совершенно новый организм, которого до этого никогда не было в живой природе. Именно таким «тюнингом» на молекулярном уровне и занимается синтетическая биология.

Являясь новейшим направлением науки, она объединяет сразу и инженеров, и химиков, и молекулярных биологов, и физиков - все это для того, чтобы использовать принципы инженерии для перепрограммирования живых организмов и придать им новые свойства, которые необходимы для решения задач в области медицины, энергетической безопасности, сельском хозяйстве и экологии.

Одним из пионеров и первопроходцев в синтетической биологии является американец Крейг Вентер, признанный ведущим лидером в процессе расшифровки генома человека.

Революционный прорыв произошел в мае 2010 года. В Институте Крейга Вентера на основе искусственно синтезированного генома была создана первая в истории живая клетка, способная к размножению. По словам Вентера, развиваемые им методы синтетической биологии открывают огромный спектр применения – от создания новых сельскохозяйственных культур до морских водорослей, которые будут способны избавить Землю от парникового эффекта.

Поистине фантастический масштаб возможных применений технологии, скорость ее распространения и проникновения в различные сферы и дисциплины позволяют некоторым исследователям говорить не иначе как о ростках новой биотехнологической революции. Этой точки зрения придерживается и один из известнейших в мире футурологов, изобретатель и философ Рэймонд Курцвейл. По его мнению, этот процесс начнется около 2030 года.

Промышленная синтетическая биология начиналась с лекарств – синтеза инсулина, эритропоэтина, антител. В частности, практически весь инсулин на сегодняшний день получают с помощью модифицированных бактерий. Активно ведутся исследования, направленные на то, чтобы научить клетки определять заболевание по маркерам крови и после этого сразу же синтезировать необходимые лекарства. Затем последовали открытия и в других областях.

В уже упомянутом Кембриджском университете, например, создали бактерию E.chromi, которая может изменять свой цвет (быть красной, желтой, зеленой, голубой, коричневой или фиолетовой) и становиться ярко-красной, когда обнаруживает рядом токсичные материалы.

Материаловедение тоже не стоит в стороне. Известно, что паутина по гибкости и прочности лучше любого материала, искусственно созданного человеком. Американский стартап Bolt Threads создал синтетический микроорганизм, который выделяет уникальный белок, имеющий свойства, близкие к свойствам паутины. Его добавляют в ткань для придания ей особой прочности.

В прошлом году исследователи из Калифорнийского университета представили технологию по получению альтернативной энергии, основанную на искусственном фотосинтезе.

Вместо того, чтобы полагаться на неэффективный хлорофилл для сбора солнечного света, ученые научили бактерии выращивать крошечные полупроводниковые нанокристаллы и покрывать ими свои тела.

Эффективность бактерий-химер – более 80%, что в четыре раза превышает показатели обычных солнечных панелей.

Уже в начале этого года канадские исследователи объявили о создании нового синтетического вируса, который поможет в разработке более эффективной вакцины против оспы. А вот это уже может наводить на беспокойные мысли. При создании полезных биохимер в руках у ученых оказался также эффективнейший инструмент по конструированию смертельно опасных для человечества вирусов и бактерий.

На волне синтетической биологии возникло целое движение биохакеров, которые в своих небольших, зачастую домашних лабораториях проводят независимые, неконтролируемые биологические исследования, самостоятельно создают научное оборудование и проводят эксперименты по генетическому редактированию. Цели у неоалхимиков совершенно разные: одни проверяют свои оригинальные идеи, другие занимаются этим просто в качестве хобби, удовлетворяя научный интерес.

Все это закономерно поднимает в обществе целый ряд этических вопросов. С одной стороны, с помощью синтетической биологии можно достигать полезных целей, синтезировать новые материалы и лекарства, лечить болезни и решать проблемы энергетики. Но с другой — не создаст ли очередной биохакер уникальный вирус или бактериологическое оружие, открыв тем самым колбу Пандоры?

Синтетическая биология

 

 

 

 

 

 

Дмитрий Бурлуцкий

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *