Крейг Вентер - Жизнь на скорости света. От двойной спирали к рождению цифровой биологии

Мы теперь знаем, как написать текст ДНК на компьютере с нуля. Это даст нам возможность проектирования почти любого живого существа – когда мы будем знать больше деталей механизма жизни. По итогам этой работы моей лаборатории мы можем определить «синтетическую жизнь» как самовоспроизводящуюся живую систему, основанную на синтетическом геноме, синтетическом тексте ДНК. К тому моменту, как я это пишу, моя команда, исходя в основном из самых общих соображений, разработала план нашей первой попытки создать минимальный геном, состоящий из тех генов, которые мы полагаем необходимыми для жизни. Как обсуждалось выше, функции значительной части генов все еще не определены, хотя из подробных экспериментов мы знаем, что они абсолютно необходимы клеткам, чтобы жить. Мы используем клетку-реципиент, чтобы поставить в нее эту новую программу жизни – так же, как делали с первой синтетической клеткой.

Наша способность конструировать жизнь имеет далеко идущие последствия. Со времени пионерной работы Роберта Гука в XVII веке мы знали, что все живые существа состоят из одной или более клеток [25] Это не совсем верно. Представление о том, что живые организмы не только содержат клетки, но и целиком состоят из них, утвердилось только в XIX веке. . Сегодня, регулируя их генетические программы, мы в принципе можем менять структуру и функции любой клетки как захотим, создавая изумительное разнообразие жизни, от миниатюрных дрожжевых клеток {169} 169 Nurse, Paul. “Wee beasties.” Nature 432 (7017), стр. 557 (декабрь 2004). до быстрорастущей рыбы {170} 170 Jun Du, Shao, Zhiyuan Gong, Garth L. Fletcher, Margaret A. Shears, Madonna J. King, David R. Idler, and Choy L. Hew (1992). “Growth Enhancement in Transgenic Atlantic Salmon by the Use of an ‘All Fish’ Chimeric Growth Hormone Gene Construct.” Bio/Technology 10 (2), стр. 176–181. . Мы также можем экспериментировать с древними механизмами, используемыми при развертывании линейной генетической программы в трехмерную структуру клетки.

Насколько мы знаем, вся клеточная жизнь, которая существует на нашей планете, происходит от более ранних разновидностей клеток. Каждая единица из этих фундаментальных элементов жизни, включая 5 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 или около того земных бактерий {171} 171 Whitman, William B., David C. Coleman, and William J. Wiebe (1998). “Prokaryotes: The unseen majority.” Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 95 (12), стр. 6578–6583. DOI: 10.1073/pnas.95.12.6578 , произошли от клеток, которые жили примерно четыре миллиарда лет назад. Даже если эти клетки занесло с другой планеты в процессе, известном как панспермия, или их рассеяли какие-то разумные существа (что Фрэнсис Крик называл «направленной панспермией» {172} 172 Crick, Francis (1981). Life Itself: Its Origin and Nature . New York: Simon and Schuster. ISBN0–671–25562–2. ), в конечном счете происхождение первых клеток остается загадкой.

Где есть тайна, там есть возможность для процветания витализма и религии. Однако когда моя команда успешно установила синтетическую программу ДНК в клетку, мы продемонстрировали тем самым, что наше базовое понимание механики клеточной жизни достигло важной точки. На вопросик Эрвина Шрёдингера «Что такое жизнь?» мы ныне способны дать один несомненный ответ: «Программа и основа всякой жизни – ДНК».

Но поскольку мы начинали с существующей клетки и всей ее белковой машинерии, остается вопрос, можно ли в самом деле заново создать современные клетки – результат миллиардов лет эволюции – из основных компонентов жизни. Можем ли мы заставить работать все сложные клеточные функции, не прибегая поначалу к защите клеточной мембраны, и если так, то сможем ли мы использовать отдельные белки и химические компоненты, чтобы привести в действие синтетическую хромосому и в ходе этого создать новый вид самовоспроизводящейся клетки? Можем ли мы вырастить в лаборатории организм, который будет представлять совершенно новую ветвь на древе жизни, станет представителем того, что некоторые по аналогии с растительным и животным царствами любят называть «синтетическое царство»? Теоретически, по крайней мере, можем. Наша способность создавать синтетические клетки и манипулировать жизнью будет определять лицо науки нынешнего века.

Моя уверенность основана отчасти на огромных успехах, достигнутых после 1965 года, когда было впервые высказано предположение, что синтез живых клеток станет национальной целью Америки {173} 173 Price, C. C. Chem. Eng. News, 43 (39), стр. 90 (1965). . В последние несколько лет мы наблюдали подъем синтетической биологии – эмерджентной фазы молекулярно-биологических исследований. В этой области можно видеть заметный отход от редукционистского экспериментирования, которое десятилетиями было мощным методом, помогавшим нам понимать клетки, выявляя их составные части, динамику и циклы. Теперь нам нужно посмотреть, можем ли мы собрать все эти мириады клеточных компонентов новыми способами, чтобы заново создать жизнь. Когда мы дойдем до этой вехи, мы откроем новую главу в нашем понимании жизни и, я верю, получим полный ответ на трудный вопрос Шрёдингера.

Но даже когда мы получим жизнь из бесклеточной системы, это все равно нельзя будет считать «жизнью с нуля», что бы это ни значило. Сомневаюсь, чтобы хоть кто-то из тех, кто употребляет этот мем, вдумывался в то, что он на самом деле хочет им выразить. Давайте для иллюстрации возьмем приготовление «с нуля» хотя бы пирога. Можно представить покупку пирога и наведение на него дома глазури. Или можно купить смесь для выпечки, в которую надо добавить только яйца, воду и растительное масло. Большинство рассматривает выпечку пирога «с нуля» как соединение отдельных ингредиентов, таких как пекарский порошок, сахар, соль, яйца, молоко, кулинарный жир и так далее. Я сомневаюсь, что кто-то имеет в виду изготовление собственного пекарского порошка (с получением соды из натрия, водорода, углерода и кислорода) или домашнее производство крахмала – сильно разветвленного полисахарида, состоящего из множества остатков глюкозы, соединенных гликозидными связями. Глюкоза, в свою очередь, образуется из углерода, водорода и кислорода. Если мы применим те же самые ограничения к созданию жизни «с нуля», это будет означать производство всех необходимых молекул – белков, липидов, органелл, ДНК и т. д. – из основных химикатов или даже из основных элементов – углерода, водорода, кислорода, азота, фосфора, железа и прочих. Вопрос о происхождении самих первичных ингредиентов – органических соединений – уводит от сути дела, хотя оно имеет отношение к большому вопросу, откуда первоначально взялась жизнь. Химия зарождения жизни – пребиотическая химия – возвращает нас в 1952 год к знаменитому эксперименту Стэнли Миллера и Гарольда Юри в Чикагском университете. Сложные органические молекулы, включая сахара и аминокислоты, спонтанно образовывались из воды (H 2O), аммиака (NH 3), водорода (H 2) и метана (CH 4), когда эти последние оказались в условиях (закрытая стерильная система с нагревом и электрическими разрядами), имитировавших предполагаемые условия молодой Земли {174} 174 Miller, Stanley L. (мaй 1953). “Production of Amino Acids Under Possible Primitive Earth Conditions.” Science 117 (3046), стр. 528–529. . Спустя несколько лет в университете Хьюстона Хуан Оро обнаружил, что нуклеотидное основание аденин и основания других нуклеотидов РНК и ДНК могут спонтанно образовываться из воды, синильной кислоты (HCN) и аммиака {175} 175 Oro, J., and A. Р. Kimball (август 1961). “Synthesis of purines under possible primitive earth conditions. I. Adenine from hydrogen cyanide.” Archives of Biochemistry and Biophysics 94, стр. 217–227. Oro, J., and S. S. Kamat (апрель 1961). “Amino-acid synthesis from hydrogen cyanide under possible primitive earth conditions.” Nature 190 (4774), стр. 442–443. Oro, J. (Fox, S. W., ed.). Origins of Prebiological Systems and of Their Molecular Matrices . New York Academic Press, 1967, стр. 137. .