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

Есть и более радикальный подход: мы ищем возможность обойтись вообще без существующей клетки в качестве реципиента для синтетического генома. Мы надеемся, что сможем создать полностью синтетические клетки – начав с бесклеточных систем и добавляя затем основные компоненты, собрать в итоге полную клетку. Это могло бы стать потрясением основ, но опять же сходные исследования известны с удивительно давних времен. Еще в начале революции ДНК, в 1950-х, несколько исследовательских команд независимо продемонстрировали, что клетка не строго необходима для выполнения некоторых основных жизненных операций. Они обнаружили, что производство белков может идти даже после того, как мембрана клетки распалась.

Это впервые предположил Пол Чарльз Замечник, профессор медицины в Гарвардской медицинской школе и старший научный сотрудник в соседней Массачусетской больнице. Он заинтересовался этой проблемой в 1938 году, когда при вскрытии патологически ожиревшей женщины он был поражен обилием жира в ее тканях при относительной бедности их белком. Это побудило его поинтересоваться, как производятся белки – вопрос, который будет занимать его в течение большей части его дальнейшей карьеры {186} 186 Isselbacher, Kurt J. “Paul C. Zamecnik (1912–2009).” Science , 4 декабря 2009, 326 (5958), стр. 1359. . В какой-то момент он понял, что для выяснения промежуточных стадий синтеза белков ему нужно разработать бесклеточную систему. После нескольких лет опытов он наконец добился этого с помощью коллеги Нэнси Бачер, проложив путь многим важным прозрениям: от выявления, что для синтеза белка нужна АТФ, до открытия, что место сборки белка – рибосомы.

Многие исследовательские группы работали по воссозданию биологических процессов из отдельных компонентов. В 1955 году Хайнц Френкель-Конрат и Робли Уильямс были первыми, кто показал на примере вируса табачной мозаики, что действующий вирус можно создать из очищенной РНК и белковой оболочки. Вскоре последовала расшифровка основ генетического кода и того, как информация передается с ДНК к белку, – в пионерной работе 1961 года Маршалла Ниренберга и его сотрудника-постдока Иоганна Генриха Маттеи {187} 187 Nirenberg, M. W., and H. J. Matthaei (1961). “The Dependence Of Cell-Free Protein Synthesis In E. coli Upon Naturally Occurring Or Synthetic Polyribonucleotides.” Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 47 (10), стр. 1588–1602. . В своем эксперименте они приготовили экстракт из бактериальных клеток, который мог вырабатывать белок, хотя цельных живых клеток в нем не было. Используя искусственную РНК и аминокислоты с радиоактивными метками, они открыли, что три урацила (УУУ) образуют кодон для аминокислоты фенилаланина.

С тех пор стало обычным делом – взять ДНК или РНК и получать белки в пробирке. В результате внеклеточный синтез белка стал важным инструментом для молекулярных биологов. Первоначально эти методы требовали экстрактов клеток, но затем появилась так называемая система PURE (синтез белка с рекомбинантными элементами), когда синтез белка ведется в бесклеточной системе {188} 188 Shimizu, Y., et al. (2001). “Cell-free translation reconstituted with purified components.” Nat. Biotechnol. 19, стр. 751–755. с трансляционной механикой от E. coli , воссозданной из очищенных веществ и рибосом. Мы сейчас пытаемся использовать коктейль из ферментов, рибосом и химикатов (включая липиды) и синтетического генома, чтобы создавать новые клетки и формы жизни, не нуждаясь в естественных клетках. В ближайшие годы будет всё легче создавать широкий спектр клеток с написанных на компьютере программ жизни в бесклеточных системах и/или через универсальную клетку-реципиент.

Окончательное овладение технологией создания клеток с нуля откроет невероятные новые возможности. Во-первых, изучая эту границу между живым и неживым, мы сможем уточнить наше определение понятия «жизнь». Другим последствием этой работы может стать то, что мы будем иначе определять слова «машина» и «организм» {189} 189 Baldwin, Geoff, Travis Bayer, Robert Dickinson, Tom Ellis, Paul S. Freemont, Richard I. Kitney, Karen Polizzi, and Guy-Bart Stan. Synthetic Biology: A Primer . Imperial College Press, London, 2012, стр. 142. . Способность создавать жизнь без естественных клеток будет иметь также вполне практические применения: мы сможем повысить степень свободы в проектировании новых форм жизни. Мы сможем изучать и прежние формы жизни, воссоздавать геномы вымерших существ на основании геномов их живых потомков и использовать искусственные клетки для реализации этих древних программ.

Мы также начнем пользоваться возможностями наборов синтетических клеток. Человеческое тело само по себе замечательное коллективное предприятие, в котором только пищеварительная система приютила около ста триллионов микробов – примерно в десять раз больше, чем число клеток во всех крупных органах вашего тела. Подавляющее большинство их – дружественные микробы, которые сотрудничают с нашей биохимией. Эта склонность клеток работать совместно появилась в истории жизни относительно рано. Многоклеточные цепочки бактерий возникли около 3,5 миллиарда лет назад. Были и другие формы микробного сотрудничества, как упоминалось ранее. Покойная Линн Маргулис из Университета Массачусетса в Амхерсте предположила, что эукариотные клетки приобрели свои системы фотосинтеза и вырабатывающие энергию митохондрии путем симбиогенеза – взаимно полезного слияния двух предковых клеток.

За столь древними примерами последовала новая волна сотрудничества, когда эти сложные клетки сами объединялись, образуя сообщества, – в эволюции это происходило независимо несколько раз. Более 600 миллионов лет назад появление гребневиков – студенистых прозрачных животных с хорошо развитыми тканями – отметило точку разветвления многоклеточной жизни. Губки – это другой древний пример отдельных клеток, которые объединились в более сложные тела. Они состоят из нескольких разных типов клеток – пищеварительных клеток, клеток, которые выделяют спикулы (сегменты скелета губки), и так далее, – и все они могут общаться друг с другом и действовать вместе как единая особь.

В геноме губки Amphimedon queenslandica – фирменной губки Большого Барьерного рифа – можно видеть некоторые из генетических механизмов, позволяющих индивидуальным клеткам работать совместно {190} 190 Srivastava, Mansi, Oleg Simakov, Jarrod Chapman, Bryony Fahey, Marie E. A. Gauthier, Therese Mitros, Gemma S. Richards, Cecilia Conaco, Michael Dacre, Uffe Hellsten, Claire Larroux, Nicholas H. Putnam, Mario Stanke, Maja Adamska, Aaron Darling, Sandie M. Degnan, Todd H. Oakley, David C. Plachetzki, Yufeng Zhai, Marcin Adamski, Andrew Calcino, Scott F. Cummins, David M. Goodstein, Christina Harris, Daniel J. Jackson, et al. “The Amphimedon queenslandica genome and the evolution of animal complexity.” Nature 466, стр. 720–726 (5 августа 2010). DOI: 10.1038/nature09201 . Существует с полдюжины критериев многоклеточности: регулируемый клеточный цикл и рост; программируемая смерть клетки (так называемый апоптоз); адгезия (прилипание) клетки к клетке и клетки к субстрату, позволяющая клеткам держаться вместе; сигналы развития и генная регуляция; механизмы защиты от вторгающихся патогенов; наконец, специализация типов клеток, благодаря которой у нас есть нервные клетки, мышечные клетки и т. д. Если учесть, сколько раз многоклеточность возникала независимо, то непохоже, что переход к ней можно объяснить чем-то одним, за исключением того, что клеточное сотрудничество было наилучшим решением эволюционного вопроса, как успешнее передать свои гены следующему поколению – посредством ли защиты от специфических паразитов или развития более эффективного способа передвигаться и разведывать доступные ресурсы еды и энергии.