Джонджо МакФадден - Жизнь на грани

Большинство сторонников принципа «снизу вверх» черпают вдохновение из различных теорий происхождения жизни и пытаются создать живые протоклетки, способные выживать в искусственно созданном в лаборатории первичном океане. Возможно, простейший вариант такой протоклетки — пузырек или капелька масла в воде или, наоборот, воды в масле. Получить такую протоклетку несложно: вы и сами миллион раз ставили этот эксперимент, например заправляя салат маслом. Известно, что вода и масло не вступают в реакции, поэтому быстро отделяются друг от друга. Однако, если вы добавите к ним вещество, молекулы которого займут место между молекулами воды и масла (этим веществом — сурфактантом — может послужить, например, горчица), и хорошенько перемешаете все три компонента, у вас получится густая, однородная заправка для салата. На самом деле полученная смесь только на вид густая и однородная: в ее структуре сохраняются триллионы отдельных стабильных капелек масла.

Мартин Ханцик, профессор Университета Южной Дании, получил удивительно правдоподобные протоклетки из капель масла в воде, которые он стабилизировал при помощи синтетического компонента моющих средств. Его протоклетки имеют очень простую структуру и состоят в основном только из пяти соединений. Если соблюдать правильные пропорции, эти соединения самоорганизуются в маслянистые капельки. Химия таких капелек очень проста: подобные протоклетки приходят в движение благодаря конвекции (передаче тепла) и подобным химическим силам, благодаря которым масляные капельки объединяются в более крупные пузырьки. Они также характеризуются способностью к простейшей форме роста и самовоспроизведения. Протоклетки способны поглощать «сырье» из окружающей среды и распадаться на две части [192] Toyota T., Maru N., Hanczyc M. M., Ikegami T. and Sugawara T. Selfpropelled oil droplets consuming «fuel» surfactant // Journal of the American Chemical Society, 2009. — Vol. 131: 14. .

Сравнение протоклеток Ханцика с живыми клетками как бы вывернуто наизнанку: протоклетки характеризуются маслянистой внутренней средой, а окружает их водная среда. Большинство исследователей все же склоняются к созданию протоклеток с внутренней водной средой. Это позволит заполнить протоклетки готовыми биомолекулами, растворимыми в воде. Так, в ходе эксперимента, проведенного в 2005 году, генетик Джек Шостак заполнил протоклетки рибозимами РНК [193] Chen I. A., Salehi-Ashtiani K. and Szostak J. W. RNA catalysis in model protocell vesicles // Journal of the American Chemical Society, 2005. — Vol. 127: 38. . Как вы помните (из главы 9), рибозимы — это молекулы РНК, кодирующие генетическую информацию, как и ДНК, и обладающие ферментативной активностью. Команда ученых продемонстрировала, что заполненным рибозимами протоклеткам свойственна простейшая форма наследственности: они, как и протоклетки Ханцика, в конце концов распадаются на две протоклетки. В 2014 году группа исследователей под руководством Себастиана Лекоммандо (Университет Неймегена имени святого Радбода, Нидерланды) создала еще один вид протоклетки, многочисленные ячейки которой были заполнены ферментами, способными, как и живые клетки, поддерживать простейший метаболизм, передающийся от одной ячейки к другой [194] Peters R. J., Marguet M., Marais S., Fraaije M. W., Hest J. C. van and Lecommandoux S. Cascade reactions in multicompartmentalized polymersomes // Angewandte Chemie International Edition (English), 2014. — Vol. 53: 1. — P. 146–150. .

Эти динамичные, химически активные протоклетки представляют собой удивительные, впечатляющие конструкты. Но являются ли они простейшей формой жизни? Прежде чем ответить на этот вопрос, нам необходимо сформулировать рабочее определение жизни. На первый взгляд, в определении должен присутствовать один из очевидных признаков живой клетки — способность к саморепликации, однако в некоторых случаях он не является обязательным. Большинство клеток взрослого организма, например красные кровяные тельца или нервные клетки, не реплицируются, однако они, несомненно, являются живыми клетками. Более того, некоторые люди, состоящие из миллиарда клеток, например буддийские монахи или католические священники, не заботятся (в большинстве случаев) о самовоспроизведении и все же являются очень даже живыми организмами. Итак, саморепликация, безусловно, является необходимой способностью для длительного существования любого вида живых организмов, однако она не представляет собой обязательное свойство жизни.

О другом свойстве жизни, еще более фундаментальном, чем самовоспроизведение, мы уже говорили, когда упоминали биомиметический подход в современной архитектуре: самодостаточность. Жизнь способна сама поддерживать себя в «живом состоянии». Таким образом, нашим минимальным требованием к протоклетке, созданной в лабораторных условиях в рамках синтетического подхода «снизу вверх», будет способность поддерживать жизнь в бурной термодинамической среде — тогда протоклетку можно будет классифицировать как живую.

К сожалению, согласно такому упрощенному определению ни одно из существующих поколений искусственно полученных протоклеток нельзя отнести к формам жизни. Даже протоклетки, способные на некоторые чудеса вроде простейшей формы репликации (деление на две части), производят дочерние клетки, которые на самом деле не похожи на клетки старшего поколения: в них содержится гораздо меньше компонентов (рибозимов или ферментов), поэтому на дальнейших стадиях репликации эти компоненты в конце концов растрачиваются полностью. Подобным образом, несмотря на то что протоклетки, полученные группой под руководством Лекоммандо, способны поддерживать метаболизм, свойственный простейшим живым организмам, их нужно постоянно заполнять активными биомолекулами, без которых протоклетки теряют самодостаточность. Существующие поколения протоклеток, полученных в лабораторных условиях, напоминают механические часы с заводным механизмом: они способны сохранять химическую активность при поддержке готовых ферментов и субстратов, пока запасы этих поддерживающих веществ не иссякнут. Затем под воздействием хаотичных ударов окружающих молекул структура протоклеток постепенно разрушается, их поведение становится все более случайным и беспорядочным, и в конце концов они растворяются в окружающей их среде. Таким образом, искусственные протоклетки, в отличие от живых, не способны «заводить» собственный механизм жизни.

Возможно, в протоклетках отсутствует какой-то важный компонент? Синтетическая биология — очень молодая дисциплина. Вполне вероятно, что в ближайшие десятилетия специалисты в этой области совершат немало новых открытий. В последней части нашей книги мы бы хотели поговорить о том, что квантовая механика может предоставить ту самую недостающую искру жизни, необходимую для того, чтобы искусственные формы жизни стали по-настоящему живыми. Создание синтетической жизни на основе квантовой механики могло бы предоставить человечеству не только революционно новые технологии и возможности, но и наконец дать подсказку, которая приведет нас к ответу на вопрос, который мы задавали на протяжении всей книги: что есть жизнь?