Джефф Хоуи - Сдвиг. Как выжить в стремительном будущем

«Было ясно, что нам необходимо уходить от физической сборки объектов (а именно так мы изготовляли полупроводники) к химической». А лучшая химия в мире, как он понимал, творится на клеточном уровне. И Найт решил, что самым вероятным преемником интегральных схем будет живая клетка: «Я решил, что пора переквалифицироваться в студенты-биологи».

Найт всегда считал биологию невероятно беспорядочной наукой. «Предположение, из которого я исходил (и к которому, думаю, пришли все инженеры в мире), состояло в том, что жизнь так невероятно сложна, что любой в здравом уме должен поднять лапки кверху и воскликнуть: “Оставь надежду”». Но внезапное открытие изменило его мышление: коллега дал ему почитать работу биофизика Гарольда Моровица [80] Harold J. Morowitz, “The Understanding of Life: Defining Cellular Function at a Molecular Level and Complete Indexing of the Genome”, дата публикации точно не известна, предположительно 1984 год, статья предоставлена Томом Найтом. .

Официальная «вертикаль власти» в биологии такова: «Мой организм намного сложнее, чем ваш». Финансирование и престиж строятся по той же схеме. Но Моровица не интересовали эукариотические, или многоклеточные, формы жизни. Вместо этого он посвятил свою многолетнюю карьеру изучению происхождения жизни на Земле, что означало внимание к простейшей из жизненных форм — скромной одноклеточной Mycoplasma .

Для сравнения, геном человека содержит примерно 3,2 миллиарда пар нуклеотидов (мельчайших фундаментальных составных частей нашего генетического кода). Наука совершила большой шаг в секвенировании, или чтении, генома. Но с учетом размеров «текста» мы до сих пор немногое понимаем в прочитанном. Напротив, M. tuberculosis содержит всего полмиллиона пар нуклеотидов. «Она проще примерно в три тысячи раз, — говорит Найт. — Поэтому можно, по крайней мере, обманывать себя, думая, что вы знаете о ней все, что можно».

Летом 1996 года Найт на конференции DARPA — научно-исследовательской группы Министерства обороны США — предложил исследовать то, что назвал «клеточным компьютером». Идея заключалась в том, что клетки можно программировать для выполнения полезных функций — например, выходить за пределы, где кончаются возможности кремниевых интегральных схем. В течение нескольких лет в своем «гнездышке» на кафедре информатики MIT он выстроил целую лабораторию, заполненную инкубаторами, пробирками и автоклавами. «Коллеги считали, что я ума лишился, — смеется он. — Все это мистическое оборудование биолога в сердце компьютерной лаборатории!»

Найт — инженер вовсе не по профессии. Это его призвание, страсть, дело жизни и система верований. Инженеры мыслят не так, как биологи, убежден он. «Мои друзья-биологи говорят: «Мы узнали все, что можно узнать о E. сoli , Том. Зачем их изучать?» В переводе это означает: «Я узнал все, что узнать собирался… из исследований E.сoli, а все остальное — детали, и мне они неинтересны».

Инженеры, по словам Найта, мыслят иначе. «Если твоя цель — изучать сложные разделы биологии, очень хорошо. Но если твоя цель — взять эти очень простые биологические системы и добиться понимания всего, что можно о них узнать, если иметь намерение обрести способность их модифицировать и построить на их основе нечто иное, тогда это совершенно другая перспектива, требующая особого уровня понимания, — говорит Найт. — Намного более глубинного уровня, чем им доступен». Для инженера понимание означает, что надо разобрать нечто на части, а потом собрать заново.

В 1998 году Найт занялся исследованием Vibrio fischeri — биолюминесцентной бактерии, найденной внутри короткохвостого кальмара. Кальмар питает бактерию сахаром и аминокислотами. В обмен бактерия излучает свет, по интенсивности сравнимый с лунным, делая кальмара практически невидимым ночью.

Но Найта заинтересовало, что запускает механизм биолюминесценции, поскольку Vibrio fischeri светится только внутри кальмара. «Бактерия выделяет небольшое количество определенного химического вещества, — объясняет он. — В открытом океане это вещество просто вымывается, но внутри кальмара оно скапливается, а когда достигает определенной плотности, запускается биолюминесценция». Иными словами, клетки посылают друг другу сигналы. Найт рассчитал, что сможет изолировать генетические последовательности, которые управляют биолюминесценцией, и «использовать их так, как не предполагала природа».

Воспроизведение клеточного сообщения по команде оказалось трудным делом. К тому времени Найт начал собирать вокруг себя молодых ученых, мыслящих в том же направлении. Двое из его сотрудников того периода, Дрю Энди и Рон Вайс, внесли основополагающий вклад в развитие синтетической биологии. (Вот почему Найта иногда называют «отцом синтетической биологии».) Подобно Найту, Энди и Вайс были захвачены волнующей перспективой — применить принципы программирования в генетике — и, как и Найт, не имели профессионального биологического образования. Энди изначально планировал стать инженером-экологом. Вайс, виртуоз программирования, пришел в биологию из проекта «интеллектуальной пыли», где нанокомпьютеры впечатываются в пластичные материалы, вроде краски или дорог. «Я думаю, будет честно, если я скажу, что на том этапе все мы находились в ранге любителей, — смеется Найт. — Но мы быстро учились».

На заре нового тысячелетия синтетическая биология как инженерная дисциплина являлась скорее теорией, чем практикой. Небольшое, но постоянно растущее число компьютерщиков, инженеров и физиков признавали революционные новшества, которые однажды могут быть созданы при помощи синтеза генетического материала, но пока с концептуальными доказательствами было туговато.

Все изменилось в январе 2000 года, когда биоинженер из Бостонского университета Джеймс Коллинз и его коллеги продемонстрировали «генетический тумблер» в E. сoli [81] James J. Collins, Timothy S. Gardner, and Charles R. Cantor, “Construction of a Genetic Toggle Switch in Escherichia Coli”, Nature 403, no. 6767 (January 20, 2000): 339-42, doi: 10.1038/35002131 . . Посылая внешний сигнал, ученые смогли инициировать в гене процесс транскрипции (первый этап генной экспрессии, когда ДНК транскрибируется в РНК, а затем, как правило, в белок). После посылки нового сигнала клетка отключалась, как переключатель, но только в бактерии.

В том же месяце журнал Nature опубликовал еще одну знаковую работу. Ученые спроектировали колебательный контур, продуцировавший белки с заданными интервалами. Они назвали его «репрессилятор», по названию репрессивного гена, помогающего контролировать вариант экспрессии гена [82] Michael B. Elowitz and Stanislas Leibler, “A Synthetic Oscillatory Network of Transcriptional Regulator”s, Nature 403, no. 6767 (January 20, 2000): 335-38, doi: 10.1038/35002125 . . Эти две работы показали, что сложные биологические процессы можно синтезировать с нуля. И уже на следующий год Найту и Вайсу удалось разработать межклеточную коммуникацию между Vibrio fischeri , то есть они смогли «включать свет». Теперь подобные проекты осуществляются на школьной выставке научных знаний и умений, но даже тогда, утверждает Найт, это не казалось чем-то исключительным в сфере биологии. «Однако в инженерной области это было новаторство. Биолог взглянул на то, что мы сотворили, и сказал: «А зачем это вам?» Но инженеры посмотрели и увидели, что мы сделали первый младенческий шажок в совершенно новом направлении».