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

С появлением синтетической клетки мы сможем выявить детали механизмов перехода к многоклеточности. Синтетические клетки можно будет разобрать и упростить, чтобы посмотреть, как каждый из перечисленных выше факторов многоклеточности может влиять на способность клеток общаться и сотрудничать. Это дало бы нам беспрецедентный инструмент для распутывания невероятно сложных взаимодействий, которые происходят между клетками в многоклеточном существе, будь то червячок-нематода или человек. В то же самое время мы наверняка попытаемся построить синтетическое многоклеточное существо снизу вверх, из синтетических клеток, содержащих синтетические органеллы, чтобы исследовать эту тончайшую форму сотрудничества.

Еще в конце 1960-х команда в Университете штата Нью-Йорк в Баффало успешно создала относительно крупный организм, Amoeba proteus, из крупных клеточных компонентов: ядра, цитоплазмы и клеточной мембраны {191} 191 K. W. Jeon, I. J. Lorch, and J. F. Danielli. “Reassembly of Living Cells from Dissociated Components.” Science , 20 марта 1970, 167 (3925), стр. 1626–1627. от других амеб. Они сообщили, что «успех наших экспериментов по перекомпоновке организма означает, что теперь у нас есть техническая возможность собирать амеб с любым желаемым сочетанием составных частей, что дает нам отличную тестовую систему». Мы можем дать этим произведенным клеткам более эффективные клеточные барьеры или создать синтетический эндоплазматический ретикулум – усеянную рибосомами органеллу, на которой идет синтез и накопление белка.

В ходе наших работ на микоплазме и других организмах мы уже установили ингредиенты базового рецепта живой клетки: это коктейль из трех-пяти сотен белков (примерно столько же, сколько обнаружилось в работе Люси Шапиро по «необходимому геному» бактерии Caulobacter crescentus ). Представьте, что мы сможем систематически разрабатывать варианты механизмов жизни, выясним, какие компоненты критичны, а какие нет, и докопаемся, как они работают вместе. Это будет благом для синтетической биологии, так как расширит спектр биологических компонентов, подпрограмм и схем, которые мы можем разработать.

Когда мы создаем и пишем новое программное обеспечение для живых клеток, то как можно убедиться, что оно будет работать? Очевидный способ – попытаться на самом деле создать эту клетку, но пока что это относительно дорогой и долгий процесс, а если не получится, вы останетесь в недоумении – то ли проблема в самой программе, то ли в установках системы, которая превращает инструкции ДНК в реальность. В будущем компьютерное моделирование предложит способ проверить наши знания путем создания виртуальных клеток до того, как делать реальные. Роль компьютерного моделирования жизни сегодня больше, чем когда-либо прежде, и продолжает расти – отчасти из-за экспоненциального роста мощности компьютеров, отчасти потому, что современная биология уже оценила богатый урожай новой информации, приносимый быстро множащимися исследованиями такого рода. Последние двадцать лет, например, научное сообщество набирало все больше подробных данных по биологическим объектам, от системного анализа до изощренно сложенной трехмерной структуры белков. Разнообразие молекулярных машин с широким спектром функций изумительно, и мы узнаем все больше о том, как они взаимодействуют друг с другом и с другими клеточными компонентами. В результате этого потопа данных уже очень многое из основных жизненных процессов можно смоделировать in silico в дополнение к лабораторным экспериментам.

Компьютерной имитацией жизненных процессов уже десятилетиями занимается множество групп, применяющих модели разной степени сложности. В числе прочего моделируются и биохимические процессы – от генного регулирования до имитации метаболизма и синтеза белка. В Европе, например, проект Virtual Physiological Human {193} 193 http://ec.europa.eu/information_society/activities/health/docs/projects/fp7/vph_projects_portofolio_2011.pdf («Виртуальная физиология человека») нацелен на моделирование в компьютере работы органов для создания виртуального тела. Чтобы успешно сделать это, участникам пришлось собрать воедино широкий круг сведений по физиологии, в том числе о десятках тысяч генов и их вариантов и о куда большем числе белковых компонентов, измененяющихся в ходе метаболизма.

Попытки моделировать органы и ткани предпринимались уже довольно давно. Первые математические модели сердечных клеток появились в 1960 году {194} 194 Noble, D. “Cardiac Action and Pacemaker Potentials based on the Hodgkin-Huxley Equations.” Nature 188, стр. 495–497 (5 ноября 1960). . К 1980-м показатели – электрические, химические и механические – сокращения клетки сердечной мышцы были довольно хорошо изучены, и стало возможно создать компьютерную модель биения клетки сердца. Три десятка уравнений описывают ключевые клеточные химические процессы, в частности работу ионных каналов, позволяющих сердечным клеткам порождать и проводить электрические сигналы. Увеличение мощности компьютеров с тех пор сделало возможным имитацию биения миллиардов таких клеток во всех четырех камерах виртуального сердца {195} 195 Noble, D. “From the Hodgkin – Huxley axon to the virtual heart.” J. Physiol., 1 апреля 2007, 580 (1), стр. 15–22. Предпечатная публикация 5 октября 2006. DOI: 10.1113/jphysiol.2006.119370 .

Опыты по имитации органов также направлены на мозг с его миллиардами взаимосвязанных нейронов. В рамках проекта Human Brain {196} 196 http://www.humanbrainproject.eu/ («Человеческий мозг») в Федеральной политехнической школе в Лозанне, на берегах Женевского озера, к 2008 году удалось имитировать микроконтур, состоящий из блока в десять тысяч клеток коры мозга – того тонкого слоя, с которым связаны самые интересные и продвинутые функции мышления. Для имитации человеческого мозга с его ста миллиардами нейронов понадобится не меньше десятка лет, и, начиная в 2013 году соответствующий проект, Еврокомиссия объявила, что потратит на него миллиард евро {197} 197 http://europa.eu/rapid/press-release_IP-13–54_en.htm .

На более фундаментальном уровне было немало попыток создать in silico виртуальную клетку – динамическую биологическую систему в форме «живущей» программы, которая могла бы показать, как все процессы, идущие в живой клетке, функционируют вместе как одна система. Хотя я напрямую не участвую в этих проектах, они выиграли от работы моего института. Базовое знание и идеи, добытые нами в ходе наших исследований генома микоплазм, дали другим возможность создавать подробные модели клетки Mycoplasma в компьютере.