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

Команды также понаделали альтруистичных микробов всех разновидностей, в том числе таких, которые меняют цвет, если в окружающей среде присутствует яд, производят вычисления {209} 209 http://www.jbioleng.org/content/2/1/8 , выявляют паразитов {210} 210 Parasight, Imperial College London. , засекают наземные мины, или, будучи обычными дрожжами, дают бета-каротин – ту оранжевую субстанцию, которая окрашивает морковь. Одна команда из британского Кембриджского университета придумала E. chromi , раскрасив E. coli в яркие цвета, – достижение, удостоенное награды в номинации «искусство и дизайн» {211} 211 Baldwin, Geoff, Travis Bayer, Robert Dickinson, Tom Ellis, Paul S. Freemont, Richard I. Kitney, Karen Polizzi, Guy-Bart Stan. Synthetic Biology: A Primer . Imperial College Press, London, 2012, стр. 121. . Другие сварили «биопиво», богатое ресвератролом – веществом, которое находится в вине и, по мнению многих, полезно для здоровья.

Этот конкурс придает большое значение общественному аспекту синтетической биологии, необходимости того, чтобы не-ученые понимали и принимали эти попытки поиграть с механизмами жизни. В ходе своих проектов конкурсанты очень много общаются с публикой, принимают участие в опросах и говорят с прессой. Безопасность – одна из центральных тем, и каждая команда должна представить оценку того, какое воздействие их проект окажет на мир вокруг них. Один участник зашел так далеко, что разработал алгоритмы для определения, насколько похожа та или иная последовательность ДНК на те, что значатся в списке особо опасных возбудителей и токсинов Центров по контролю и предупреждению заболеваний ( CDC ) {212} 212 http://www.nature.com/nbt/journal/v29/n3/full/nbt.1802.html .

Я аплодирую «биоблоковому» подходу к привлечению и обучению студентов и не могу сказать об организаторах iGEM ничего, кроме похвал. Я думаю, что они изменили процесс обучения в этой области, побуждая новое поколение ученых пережить волнующее чувство манипулирования программой жизни. Невероятная изобретательность, продемонстрированная в проектах iGEM , дает мне надежду на будущее. Мы далеко ушли от изменения геномов на ощупь – избирательным разведением, как в традиционном сельском хозяйстве, – в сторону конструирования жизни с помощью современной науки.

А пока эти студенты учатся биологическому конструированию, множество талантливых исследователей в разных лабораториях по всему миру уже регулярно достигают впечатляющих успехов. Некоторые создают целые лаборатории на чипах – биочипах, – сочетая в них синтез белка, сборку и компьютерную визуализацию для конструирования белков {213} 213 http://www.nature.com/nnano/journal/v7/n6/full/nna№ 2012.65.html . Другие научились делать белки с единственной копии ДНК внутри микроскопической кварцевой ячейки {214} 214 http://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2012/lc/c2lc40098g . Тот же iGEM наглядно показывает глобальность попыток воспроизвести генетические схемы in vitro {215} 215 Noireaux, V., R. Bar-Ziv, and A. Libchaber (2003). “Principles of cell-free genetic circuit assembly.” PNAS1 00, стр. 12672–12677. . Для будущего геномного конструирования нам нужен инструментарий: новые искусственные аминокислоты, переключатели, биологические реостаты, осцилляторы, модуляторы, гены самоубийства [29] Имеются в виду гены, обеспечивающие апоптоз – запрограммированное самоуничтожение клеток с сильно уклоняющимися свойствами (например, вступивших в процесс злокачественного перерождения). и генные пути для рукотворной жизни.

Позвольте мне остановиться на паре примеров, чтобы дать хотя бы самое общее представление о наших возможностях. Чтобы читать команды программы ДНК, клеткам нужны специальные белки – «цинковые пальцы». Их открыл в 1985 году Аарон Клаг, нобелевский лауреат, работающий в Кембриджской лаборатории молекулярной биологии Совета по медицинским исследованиям {216} 216 http://library.cshl.edu/oralhistory/interview/cshl/research/zing-finger-proteins-discovery-and-application/ . Эти белки так называются, потому что содержат атом цинка, а по форме напоминают указательный палец {217} 217 Miller, J., A. D. McLachlan, A. Klug (Июнь 1985). “Repetitive zinc-binding domains in the protein transcription factor IIIA from Xenopus oocytes .” EMBO J. 4 (6), стр. 1609–1614. . Их сотни вариантов, и все они работают, связываясь с ДНК, когда каждый палец соответствует трехбуквенной последовательности ДНК. Чем больше вы используете пальцев, тем точнее вы можете опознать конкретную последовательность. Всего с шестью пальцами вы можете выбрать любой конкретный ген.

Этот важный кусок биологической машинерии был адаптирован для синтетической биологии инженерами-биомедиками из Бостонского университета Ахмадом Халилом и Джеймсом Коллинзом. Они создали новые конструкции цинковых пальцев, способные связываться с новыми целевыми последовательностями {218} 218 Khalil, Ahmad S., Timothy K. Lu, Caleb J. Bashor, Cherie L. Ramirez, Nora C. Pyenson, J. Keith Joung, James J. Collins. “A Synthetic Biology Framework for Programming Eukaryotic Transcription Functions.” Cell , 3 августа 2012, Vol. 150, Issue 3, стр. 647–658. . Бостонская команда смастерила новые генетические схему в эукариотных клетках (дрожжах), используя их собственные модульные функциональные части и «подключая» их с помощью цинковых пальцев {219} 219 http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0092867412007805 . У этой работы много непосредственных приложений – она может быть полезна для формирования стволовых клеток в регенеративной медицине или при разработке внутриклеточных устройств и схем для диагностики ранних стадий рака и других болезней. Этот метод может также подготовить группы клеток для выполнения более сложных задач – обработки сигналов датчиков.

Другие прилагают усилия к тому, чтобы расширить и изменить существующий генетический код, чтобы кодировать аминокислоты, которых нет в природе. Генетический код избыточен: часто несколько кодонов кодируют одну и ту же аминокислоту. Эти дополнительные кодоны можно назначить кодирующими другие аминокислоты, которых нет среди двадцати «стандартных» природных. В одной такой работе – Джейсона Чина из лаборатории молекулярной биологии Совета по медицинским исследованиям – появились генноинженерные дрозофилы, у которых в белки клеток яичников включены три новых аминокислоты. Использование новых аминокислот позволит придавать белкам новые функции и создавать клетки, устойчивые к вирусным инфекциям.

Но что важнее всего, систематическое исследование потенциала синтетической биологии углубляет наше понимание биологии фундаментальной. С такими возможностями мы сможем расширять наше знание биологии в тысячи раз быстрее, чем это происходит сегодня. Достигнутое понимание, в свою очередь, поможет улучшить геномные конструкции, которые можно проверять на моделях виртуальных клеток, и, таким образом, ускорит работы по синтезу новой жизни.

Конструирование и создание новых форм жизни по-прежнему поднимает ряд важных этических вопросов. Попытки их исследования предпринимались много раз, не только в Америке, но и во многих других странах с развитой биотехнологической индустрией. Я инициировал первую этическую экспертизу искусственных геномов и синтетической жизни в конце 1990-х, когда мой институт профинансировал оценку нашей работы Центром биоэтики Пенсильванского университета. Моя команда работала с разными государственными ведомствами, в том числе с министерством энергетики США, с Управлением по науке и технической политике Белого дома ( OSTP ) и с НИЗ со времени нашей работы на phi X 174 . Только один пример: в 2004 году наша группа по связям с общественностью, возглавляемая Робертом Фридманом, совместно с Центром стратегических и международных исследований ( CSIS ) и МТИ, получила средства от Фонда Альфреда П. Слоуна на проведение семинаров и публичных сессий в течение двух лет для обсуждения этических и социальных последствий синтетической геномики. Мы (я был среди основных участников, туда же входили Джордж Чёрч, Дрю Энди, Том Найт и Хэм Смит) опубликовали свои выводы в октябре 2007 года под названием «Синтетическая геномика: варианты управления» {220} 220 http://www.synbiosafe.eu/uploads///pdf/Synthetic%20Genomics%20Options%20for%20Governance.pdf .