Как сделать живой организм
Искусственно созданная форма жизни озадачила ученых
Разберите домик по частям — уберите оштукатуренные стены, покрытые шифером потолки, паркетные полы — и вы останетесь с рамой, скелетом, который составляет ядро любой структуры. Можем ли мы проделать то же самое с жизнью? Могут ли ученые послойно уменьшить сложность жизни, чтобы выявить суть жизни, основу биологии? Пытаясь это проделать, ученые создали искусственный организм, обладающий лишь генами, необходимыми ему для выживания. Но они понятия не имеют, что делает примерно треть этих генов.
Искусственно созданный организм под названием syn3.0
Работа Крейга Вентера и его коллег на эту тему была опубликована в журнале Science буквально на днях. Команда Вентера скрупулезно развинчивала геном Mycoplasma mycoides, бактерии, которая проживает в крупном рогатом скоте, чтобы выявить чистый костяк генетических инструкций, способных делать жизнь как процесс. Результатом этого стал крошечный организм под названием syn3.0, содержащий всего 473 гена. (Для сравнения: кишечная палочка E. coli содержит от 4 до 5 тысяч генов, а человек — порядка 20 000).
Подписывайтесь на наш канал в Яндекс Дзен. Там можно найти много всего интересного, чего нет даже на нашем сайте.
Тем не менее в этих 473 генах обнаружилась зияющая дыра. Ученые понятия не имеют, что делает треть этих генов. Вместо того чтобы подсветить основные компоненты жизни, syn3.0 показал, сколько нам осталось узнать о самых основах биологии.
«На мой взгляд, особенно интересно, что это может нам рассказать о том, чего мы не знаем, — говорит Джек Шостак, биохимик из Гарвардского университета, не принимавший участия в исследовании. — Так много генов с неизвестными функциями кажутся настолько важными».
«Мы совершенно удивлены и шокированы, — говорит Вентер, биолог, возглавляющий Институт им. Дж. Крейга Вентера в Ла-Хойя, Калифорния, известный за свой вклад в картирование человеческого генома. Исследователи ожидали, что в смеси будет некоторое количество неизвестных генов, возможно, от пяти до десяти процентов генома. — Но в результате получилась потрясающая цифра».
Семя для происков Вентера было посажено в 1995 году, когда его команда расшифровала геном Mycoplasma genitalium, микроба, живущего в мочеполовых путях человека. Когда ученые Вентера начали работать над этим новым проектом, они выбрали M. genitalium — второй полностью секвенированный бактериальный геном — в частности, из-за его крошечного размера. С 517 генами и 580 000 буквами ДНК, эта бактерия обладает одним из самых маленьких известных геномов среди самовопроизводящихся организмов. (Некоторые симбиотические микробы могут выживать со 100-буквенными генами, но полагаются на ресурсы своего хозяина в таком случае).
Компактный набор ДНК M. genitalium поднял вопрос: какое наименьшее число генов может позволить себе клетка? «Мы хотели узнать базовые генные компоненты жизни, — говорит Вентер. — 20 лет назад это казалось хорошей идеей — мы и понятия не имели, к чему нас приведут двадцатилетние поиски».
Минимальный замысел
Вентер и его коллеги изначально намеревались создать урезанный геном, основанный на знаниях учеными биологии. Они хотели начать с генов, участвующих в наиболее важных процессах клетки, вроде копирования и перевода ДНК, и от них уже строить.
Но прежде чем они смогли бы создать эту краткую версию жизни, ученым нужно было выяснить, как спроектировать и построить геном с нуля. Вместо того чтобы редактировать ДНК в живом организме, как делает большинство ученых, они хотели получить полный контроль — спланировать свой геном на компьютере и затем синтезировать ДНК в пробирках.
В 2008 году Вентер и его соратник Гамильтон Смит создали первый синтетический бактериальный геном, построив модифицированную версию ДНК M. genitalium. Затем, в 2010 году, они создали первый самовоспроизводящийся синтетический организм, произведя версию генома M. mycoides и пересадив его разным видам Mycoplasma. Синтетический геном возобладал над клеткой, вытеснил родную рабочую систему и заменил ее версией людей. Искусственный геном M. mycoides был практически идентичен природной версией, за исключением нескольких генетических пометок — ученые добавили свои имена и несколько знаменитых цитат, включая слегка искаженную версию высказывания Ричарда Фейнмана: «Чего я не могу создать, того не понимаю».
Заходите в наш специальный Telegram-чат. Там всегда есть с кем обсудить новости из мира высоких технологий.
Заполучив правильные инструменты, ученые разработали ряд генетических чертежей для своих минимальных клеток и затем попытались построить их. «Ни один замысел не удался», говорит Вентер. Он посчитал свои многочисленные неудачи наказанием за их высокомерие. Обладает ли современная наука достаточными знаниями базовых биологических принципов, чтобы построить клетку? «Ответом было сокрушительное нет», говорит он.
Поэтому ученые выбрали более трудоемкий и черный путь, заменив подход проектирования методом проб и ошибок. Они нарушали гены M. mycoides, определяя необходимые для выживания бактерий. И стирали лишние гены, чтобы создать syn3.0, имеющую самый маленький геном среди всех независимо размножающихся организмов, обнаруженных на сегодняшний день на Земле.
Минимальный набор ДНК — 473 гена
Что же осталось после липосакции генетического жира? Большинство оставшихся генов принимало участие в одной из трех функций: производство РНК и белков, сохранение точности воспроизведения генетической информации и создание клеточных мембран. Гены для редактирования ДНК были по большей части расходным материалом.
Правда, осталось неясным, что делают остальные 149 генов. Ученые смогли приблизительно классифицировать около 70 из них, основываясь на структуре генов, но они понятия не имеют, какую именно роль эти гены играют в клетке. Функция 79 генов оказалась абсолютной загадкой.
«Мы не знаем, что они дают и почему они имеют важное значение для жизни. Возможно, они делают нечто более тонкое, пока не очевидное и не оцененное в биологии», — говорит Вентер.
Группа Вентера намеревается выяснить, что делают загадочные гены, но сложность задачи умножается на то, что эти гены не похожи ни на какие другие известные гены. Один из способов исследовать их функцию — создать версию клетки, в которой каждый из этих генов можно будет включить и отключить. Когда его выключают, «что первое нарушается?», говорит Шостак. «Можно попытаться прикрепить его к общему классу, вроде метаболизма или воспроизводства ДНК».
Сокращая до нуля
Вентер осторожно старается не назвать syn3.0 универсальной минимальной клеткой. Если бы он проделал тот же набор экспериментов с другим микробом, говорит ученый, он мог бы прийти к совершенно другому набору генов.
На самом деле, нет никакого единого набора генов, в котором нуждаются все живые существа, чтобы существовать. Когда ученые впервые начали искать нечто подобное 20 лет назад, они надеялись, что простое сравнение последовательностей генома от разных видов поможет выявить основную суть, которая присуща всем видам. Но по мере роста каталога последовательностей генома, эта основная суть растворялась. В 2010 году Дэвид Ассери, биолог из Национальной лаборатории Оук-Ридж в Теннесси, и его коллеги сравнили 1000 геномов. И выяснили, что нет ни единого гена, который имелся бы у каждого проявления жизни. «Существуют разные способы получить базовый набор инструкций», говорит Шостак.
Все самые свежие новости из мира высоких технологий вы также можете найти в Google News.
Кроме того, особо важное в биологии зависит по большей части от окружающей среды организма. К примеру, представьте себе микроба, который живет в присутствии яда вроде антибиотика. Этому микробу потребуется ген, который сможет бороться с токсином и будет важным для него. Но уберите токсин — и ген больше не нужен.
Минимальная клетка Вентера является продуктом не только своей среды, но и всей истории жизни на Земле. Когда-то в истории биологии длиной в 4 миллиарда лет могла существовать клетка проще этой. «Мы не просто взяли и с нуля пришли к клетке с 400 генов», говорит Шостак. Вместе с другими учеными он пытается создать более базовые жизнеформы, которые являются показательными для ранних этапов эволюции.
Некоторые ученые говорят, что такой подход снизу вверх необходим, чтобы по-настоящему понять суть жизни. «Если мы когда-нибудь сможем понять хотя бы простейший живой организм, мы сможем спроектировать и создать его с нуля, — говорит Энтони Фосте, биолог из Университета Упсалы в Швеции. — Мы все еще далеки от этой цели».
Наука против Бога
Живое рождается только от живого. Ученым пока не удалось создать живое существо из неживых элементов. Креационисты (от латинского creatio — «творение») считают, что этот факт подтверждает их теорию. Они уверены: недостаточно смешать разные химические вещества, чтобы создать жизнь, — нужно одухотворяющее вмешательство высшей силы, Бога.
Противники креационистов, эволюционисты, считают, что жизнь развивается от простого к сложному. А самая простая форма жизни, по их мнению, образовалась из неживой материи под влиянием окружающих условий.
Американские ученые решили доказать, что правы сторонники теории эволюции. Они собираются создать искусственное живое существо, подтвердив тем самым, что без Бога можно обойтись. Этим существом должна стать бацилла, получившая рабочее название «лосаламосский клоп».
Человек из реторты
Эволюционисты не первыми придумали, что жизнь может самозарождаться. В древних мифологиях разных народов есть сюжеты о том, как первые живые существа появляются из глины, из океанской воды, из смешения «первоэлементов» (огня, воды, воздуха и земли). Например, древние греки считали, что мухи самозарождаются в гниющем мясе, а мыши — в домах и на кораблях, от грязи. Египтяне были уверены, что крокодилы, жабы и лягушки появляются из придонного ила.
В эпоху Средневековья (XI-XIV века) европейские алхимики пытались проверить гипотезу о самозарождении жизни экспериментально. Смешивая в реторте различные химические вещества, подогревая и охлаждая их, они надеялись вырастить гомункула — искусственное разумное существо, подобное человеку. Ничего научного в этих попытках не было, и все они окончились неудачно. После этого люди надолго прекратили опыты по созданию искусственной жизни.
В поисках начала
В XIX веке Чарльз Дарвин разработал теорию о происхождении видов. Эта теория натолкнула ученых на мысль, что первое живое существо было очень простым и вполне могло возникнуть из неживого вещества. Правда, наблюдая за прокипяченной водой в запаянной реторте, они не обнаружили в ней самозародившейся жизни. Ученые напали на верный след, но еще мало знали о мире и его естественной истории. Они плохо представляли себе и химическое строение живых клеток, а потому ошибочно полагали, что жизнь может зародиться в чистой воде.
Новая надежда появилась у ученых в XX веке с развитием молекулярной биологии. В начале 1950-х годов была открыта структура молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК). В этой молекуле закодирована информация, которую живые существа передают потомству. ДНК очень сложна, но, тем не менее, это химическое вещество, которое теоретически можно синтезировать. Теперь ученые знали, что им нужно сделать, чтобы создать искусственную жизнь.
Согласно новейшим представлениям, в то время, когда возникла жизнь, Земля представляла собой насыщенный соединениями углерода океан. На научном жаргоне его принято называть «первичным бульоном». Над поверхностью «бульона» сверкали молнии, а в атмосфере почти не было кислорода. Не было и озонового слоя, который отражал бы космическую радиацию. Океан бурлил, вещества смешивались, подвергались воздействию атмосферного электричества и солнечного излучения. Происходили химические реакции, производя все более сложные вещества. И в результате очередной реакции возникла живая клетка.
В 1969 году американский ученый Сидней Вальтер Фокс попытался воссоздать в лаборатории условия «первичного бульона». Пропуская электричество через сложный раствор, он получил многие органические вещества, из которых состоит почти все живое. Когда Фокс охладил реторту, некоторые особенно сложные молекулы объединились в структуры, которые ученый назвал микросферами. Это были капли, которые вели себя подобно живым клеткам. Они были плотнее остального раствора и выборочно вбирали в себя из него отдельные вещества. Этот процесс напоминал процесс питания. Тем не менее, микросферы, или, как их стали называть позже, коацерватные капли, не были живыми клетками. Они не могли размножаться и передавать потомству наследственную информацию, ДНК в них тоже не было.
Тем временем навстречу химикам двигались генные инженеры. Они раскрыли закономерности генетического кода, расшифровали геномы многих живых организмов, научились создавать клонированных животных и замещать гены одних существ генами других. Успехи генной инженерии подсказали ученым не полагаться на случай, моделируя «первичный бульон», а собрать живое существо из отдельных молекул, как машину.
На пороге открытия
Еще в 2002 году генетики из США Крэйг Вентер и Гамильтон Смит выбрали существо, на основе генома которого, по их мнению, можно создать искусственный организм. Это Mycoplasma genitalium — генитальная микоплазма, бактерия, живущая в мочеполовой системе человека, в ней всего 400-500 генов. Ученые намерены уничтожить лазером все гены микоплазмы, которые не нужны ей для жизни, а оставшиеся гены воссоздать искусственно и так получить новое существо.
Сходным путем движется и профессор Карл Штеттер с кафедры микробиологии Университета Регенсбурга. Он тоже нашел простейшее существо для воссоздания в лаборатории. Его выбор пал на Nanoarchaeum equitans — симбиотическую архебактерию. В ней не больше генов, чем в генитальной микоплазме. Разница между ними в том, что архебактерия живет на морском дне, в сероводородных источниках, и очень похожа на существа, жившие на планете два миллиарда лет назад. По своему строению она ближе всех стоит к той самой клетке, которая возникла в «первичном бульоне». Тем не менее, как бы странно это ни звучало, и генитальная микоплазма, и архебактерия более родственны человеку, чем каплям микросферам. Их жизнь, как и жизнь человека, основана на ДНК, и создавать их искусственно ученые пока не умеют. 
Рассчитывает осуществить свой проект и другой американский исследователь — Норман Паккард. Он предположил, что между коацерватными каплями и жизнью на основе ДНК должна была существовать промежуточная ступень, не дожившая до наших дней, — жизнь без ДНК. Исследовав свойства молекул пептидонуклеиновой кислоты (ПНК), он выяснил, что они, как и ДНК, способны содержать и передавать наследственный код. ПНК значительно примитивнее, чем ДНК, но ведь и существо надо создать очень простое. Норман Паккард рассчитал, как должно быть устроено это существо, и дал ему название — «лосаламосский клоп». Воздействуя на помещенные в воду молекулы ПНК электрическим током и ультрафиолетовым облучением, он хочет заставить их объединиться в примитивные организмы. По его замыслу эти организмы должны будут питаться, и размножаться, передавая потомству наследственную информацию. Ученый надеется, что электричество и ультрафиолет понадобятся только в начале эксперимента. Дальше должна начаться новая биологическая эволюция. Это будет жизнь, выросшая из химической реакции на глазах ученых. И к этой жизни Бог, даже если он есть, уж точно не будет иметь никакого отношения. И эти фантастические замыслы, хоть и медленно, становятся реальностью.
Первая в мире искусственная жизнь создана
Крейг Вентер, который десять лет назад первым прочитал геном человека, только что создал первый рукотворный геном и вживил его в клетку. Так человечество перешло от чтения геномов к их написанию
Поделиться:
Ученым впервые удалось создать искусственный геном и заставить живую клетку жить с этим генетическим кодом. Команда исследователей под руководством Крейга Вентера химическим путем синтезировала геном бактерии Mycoplasma mycoides и вставила его в клетку другого микроорганизма — Mycoplasma capricolum, из которой перед этим были удалены все гены. Полученный «франкенштейн» ожил, стал размножаться и вообще повел себя как обычная бактерия Mycoplasma mycoides. Описание этой замечательной работы опубликовано в четверг в журнале Science.
До сих пор ученые умели только «читать» ДНК живых существ, а вот создать геном de novo (заново) еще никому не удавалось. Получение искусственного организма имеет не только научный интерес, но даже философский: создав жизнеспособное существо с использованием искусственной ДНК, ученые наглядно доказали, что жизнь можно получить из десятка баночек с реактивами. Теоретически этот тезис всем очевиден, но на практике никто никогда его напрямую не подтверждал.
Прежде чем рассказать о деталях незаурядного эксперимента Вентера и коллег, стоит напомнить, кто такой Крейг Вентер. Это своего рода медийная звезда, исследователь, известный не только в биологических кругах, но и широкой публике: впервые его имя зазвучало на рубеже нового тысячелетия, когда вовсю осуществлялся проект «Геном человека» — ученые всего мира коллективными усилиями пытались определить последовательность ДНК Homo sapiens. Несмотря на все старания, работа продвигалась медленно — проект стартовал в 1990 году, и за девять лет была целиком расшифрована всего одна маленькая хромосома. Вентер и специалисты созданной им компании Celera Genomics усовершенствовали технологии работы с ДНК и подключились к «Геному человека». В 2001 году черновая расшифровка генома была наконец завершена.
На расшифровке генома человека основатель Celera Genomics не остановился — его следующим амбициозным проектом (а Вентера интересуют только амбициозные проекты) стало создание организма с синтетическим геномом.
Казалось бы, ничего сложного здесь нет: надо лишь воссоздать уже известную нам последовательность букв генетического кода и вставить ее в подходящую клетку. Но на самом деле на этом пути исследователи сталкиваются со множеством трудностей — не в последнюю очередь потому, что пока ученые доподлинно не знают всех особенностей работы генома как комплексной системы. Это не просто цепочка букв. Нить ДНК каждого организма снабжена навешанными на нее молекулами-«маячками», так называемыми эпигенетическими маркерами, без которых считывание генома будет проходить некорректно. На то, чтобы научиться вносить в искусственный геном Mycoplasma mycoides необходимые маркеры, у исследователей ушел не один год.
Эксперимент по созданию жизни был спланирован так: ученые синтезируют геном какой-нибудь бактерии (назовем ее бактерией-донором, так как она дает исследователям последовательность своей ДНК) и вставляют его в клетку бактерии другого вида, из которой предварительно удаляют собственный геном (это будет бактерия-реципиент). Если получившийся организм живет, питается и размножается, а также в точности напоминает донорные бактерии, а не бактерии-реципиенты или что-то промежуточное, то эксперимент удался.
Фото первых в мире бактериий с синтетическим геномом
В качестве донора ученые выбрали бактерию-паразита Mycoplasma mycoides, отчасти из-за того, что у нее очень маленький геном — всего около миллиона «букв» (для сравнения: в геноме человека их 3 миллиарда). Реципиентом выступала родственная бактерия Mycoplasma capricolum. Самой сложной частью эксперимента был синтез целого бактериального генома: современные технологии не позволяют за раз получать такие длинные цепи. Чтобы преодолеть эту трудность, ученые синтезировали небольшие «кассеты» из ДНК, содержащие только часть генома Mycoplasma mycoides, а затем соединяли их вместе. Пока самым эффективным инструментом для объединения «кассет» являются живые организмы — никакие химические ухищрения не позволяют делать это столь же точно. Исследователи как мозаику складывали геном Mycoplasma mycoides сначала в клетках кишечной палочки, а потом, когда им удалось получить достаточно крупные куски ДНК, в клетках дрожжей.
В итоге им удалось по кусочкам собрать весь геном. «Запихнуть» его в очищенную от ДНК клетку бактерии-реципиента также было нетривиальной задачей.
Полученные бактерии-гибриды выглядели так же, как Mycoplasma mycoides, росли так же, как Mycoplasma mycoides, поглощали питательные вещества так же, как Mycoplasma mycoides, и размножались так же. Чтобы дополнительно убедиться в успехе эксперимента, ученые выделили из гибридных клеток белки, разделили их на фракции и сравнили полученную картину с тем, что получается при выделении белков из обычной Mycoplasma mycoides. Получилось то же самое. Сейчас созданные исследователями бактерии растут в лаборатории и ничем не отличаются от своих соседей из чашки Петри.
Читатель может спросить, а в чем же глубинный смысл экспериментов Вентера? Что дадут человечеству искусственно созданные бактерии? Авторы статьи объясняют суть своей работы так: отработанная ими технология получения жизнеспособных организмов, геномы которых созданы искусственно, в будущем позволит не только делать копии уже существующих в природе живых существ, как сегодня сделал Вентер, но и создавать абсолютно новые организмы, которые не входили в генеральный план Создателя, или природы, или эволюции — как хотите. И речь не обязательно идет о каких-то неведомых чудищах: имея на руках работающую методику, можно переписывать генетическую программу привычных организмов таким образом, чтобы они сочетали в себе максимальное число полезных признаков. Можно создать абсолютно новый организм, который, например, одновременно давал бы молоко, синтезировал антибиотики и при этом представлял собой всего лишь культуру клеток в пробирке.