Карл Циммер - Микрокосм. E. coli и новая наука о жизни

Первые сообщения об усовершенствовании живых организмов появились в 2000 г., и в обоих случаях речь шла о E. coli. Физик Майкл Еловиц из Калифорнийского технологического института совместно со Станисласом Лейблером из Университета Рокфеллера в Нью — Йорке заставили этот микроорганизм мигать. Для своего нового управляющего контура они выбрали три гена, отвечающих за производство трех разных репрессоров. Они модифицировали первый ген так, чтобы репрессор, за синтез которого он отвечает, блокировал активность второго гена. Репрессор, кодируемый вторым геном, блокирует третий. Третий реирессор, в свою очередь, блокирует первый; кроме того, кодирующий его ген отвечает за строительство флуоресцентного белка, позаимствованного у медуз.

Еловиц и Лейблер обнаружили, что в некоторых модифицированных ими бактериях три репрессора образовали циклическую систему. Первый ген командует производством репрессоров до тех пор, пока они не блокируют второй ген; третий ген при этом освобождается и блокирует первый. Когда первый ген прекращает выработку своего репрессора, второй ген освобождается и блокирует третий и так далее. Еловиц и Лейблер объединили эти гены в одной плазмиде и ввели ее в клетку E. coli. В бактериальной клетке гены активизировались, и ученые смогли наблюдать этот процесс собственными глазами: в зависимости от степени подавления активности третьего гена E. coli вырабатывала больше или меньше флуоресцентного белка. Иными словами, бактерия мигала, как крошечный фонарик.

Второе сообщение поступило из лаборатории Джеймса Коллинза в Бостонском университете. Коллинз с коллегами снабдили E. coli триггерным переключателем. Они сконструировали и ввели в бактериальную клетку два гена, каждый из которых отвечал за производство репрессора, который блокировал активность другого гена. Каждый из двух репрессоров можно было оттащить от ДНК E. coli путем добавления в раствор определенного (в каждом случае своего) химического вещества. Чтобы увидеть, как работает эта система, ученые ввели в один из участвующих в ней генов инструкцию по производству флуоресцентного белка. Добавление одного из химических веществ заставляло бактерии светиться, причем свечение продолжалось даже после прекращения действия этого вещества. При добавлении второго вещества свечение прекращалось, и E. coli оставалась темной даже после того, как вещество заканчивалось.

На сегодняшний день эти эксперименты считаются вехами, отметившими рождение новой науки, которую многие называют синтетической биологией. Возможно, кому‑то такая оценка покажется преувеличенной — ведь мигающую лампочку или переключатель может за несколько минут собрать любой сообразительный ребенок с электронным конструктором. Но биологи и инженеры понимают, что вслед за простыми схемами могут прийти и сложные. Из нескольких простейших логических элементов может получиться компьютерный чип.

Я пишу эту книгу всего через шесть лет после зарождения синтетической биологии, и ученые еще не построили на основе E. coli компьютерного чипа [28] В декабре 2010 г. группа Кристофера Войта объявила о создании E. coli, способной «выполнить» на генетическом уровне логическую функцию NOR («не — или»), и о возможности соединения колоний E. coli в различные пространственные конфигурации, выполняющие другие стандартные логические операции. В октябре 2012 г. они получили клетку E. coli, способную не только выполнить логическую операцию AND («и»), но и «обработать» четыре разных химических входных сигнала и «выдать сообщение» в том и только в том случае, если на все четыре входа подана «логическая единица». — Прим. пер. . Но путь от мигалки и выключателя уже пройден немалый. Фотокамера из E. coli, о которой говорилось в начале этой главы, — хороший пример сегодняшних возможностей этой молодой науки. Каждый год Массачусетский технологический институт проводит турнир по синтетической биологии, в рамках которого студенты пытаются превратить E. coli в различные устройства. В 2004 г. студенты Техасского университета и Калифорнийского университета в Сан- Франциско вместе сконструировали бактерию, способную зафиксировать изображение. Они представили на конкурс пленку из модифицированной E. coli, которая вела себя как традиционная фотопленка, то есть темнела там, где на нее не падал свет. Чем больше на пленку попадало света, тем светлее она становилась. Обычная E. coli не ощущает свет и не может создавать цветовых пятен. Но студенты сконструировали штамм, способный и на то и на другое. Они позаимствовали ген, отвечающий за светочувствительный рецептор, у одного из видов сине — зеленой водоросли под названием Synechocystis [29] Группа, которую раньше относили к растениям и называли сине — зелеными водорослями, теперь переименована в цианобактерии и относится к классу Oxyphotobacteria, так как они имеют типичные прокариотические клетки. — Прим. ред. . А для окрашивания — гены того же Synechocystis, отвечающие за синтез пигмента.

Сложнее всего было соединить два набора генов в единую систему. Студенты модифицировали светочувствительные рецепторы так, чтобы они передавали сигнал на обычные молекулы, производимые самой E. coli. Получив сигнал, эти молекулы присоединялись к ДНК микроорганизма и блокировали синтез ферментов, необходимых для производства пигмента Synechocystis. Время экспозиции для E. coli составляет 10–12 часов, да и изображение получается расплывчатым и каким‑то призрачным. Но зато, поскольку каждый микроорганизм изменяет свой цвет независимо от других, разрешение «фотографии» получается очень высоким — примерно в десять раз выше, чем у самых качественных принтеров.

Подобные эксперименты внушают специалистам по синтетической биологии великие надежды на будущее. Вскоре они смогут синтезировать ДНК для получения совершенно новых генов, причем стоимость этого процесса будет невелика. В настоящее время никто не знает, как сконструировать ген, который выполнял бы заданную функцию, но исследователи научились вносить изменения в уже существующие гены и просчитывать, как эти изменения скажутся на белке, за синтез которого они отвечают. Уже разработаны новые гены, которые позволяют E. coli распознавать нервно — паралитический газ и тротил. Один из самых амбициозных проектов запущен в Калифорнийском университете в Беркли, где ученые пытаются создать генетически модифицированные штаммы E. coli и дрожжей, которые могли бы вырабатывать противомалярийное средство под название артемизинин. В природе этот препарат вырабатывает только полынь однолетняя. Если бы к производству артемизинина удалось приспособить микроорганизмы, его стоимость, возможно, упала бы в десять раз.