Минулого тижня група з 150 запрошених експертів зібралася в Гарварді. За зачиненими дверима вони обговорили перспективи проектування і будівництва цілого генома людини з нуля, використовуючи лише комп’ютер, синтезатор ДНК і сировину. Потім штучний геном буде введений в живу клітину людини для заміни її природного ДНК. Є надія, що клітина «перезавантажиться», змінить свої біологічні процеси для роботи на основі інструкцій, наданих штучної ДНК.
Іншими словами, незабаром ми, можливо, побачимо першу «штучну людську клітину».
Але мета полягає не просто в створенні Людини 2.0. В рамках цього проекту, «HGP-Write: Testing Large Synthetic Genomes in Cells», вчені сподіваються розробити нові і потужні інструменти, яке підштовхнуть синтетичну біологію до експоненціального зростання в промислових масштабах. У разі успіху ми не тільки матимемо біологічними інструментами для проектування людини як виду: ми отримаємо можливість переробити живий світ.
Синтетична біологія – це, по суті, шлюб між принципами інженерії та біотехнологій. Якщо секвенування ДНК присвячено читання ДНК, генна інженерія – редагування ДНК, а синтетична біологія – програмування нової ДНК, незалежно від її первісного джерела, з метою створення нових форм життя.
Синтетичні біологи бачать в ДНК і генах стандартні біологічні цеглинки, які можна використовувати як заманеться для створення і модифікації живих клітин.
У цій сфері є поняття конструктора, говорить доктор Джей Кіслінг, піонер синтетичної інженерії в Каліфорнійському університеті в Берклі. «Коли ваш жорсткий диск вмирає, ви можете піти в найближчий комп’ютерний магазин, купити новий, замінити старий, – каже він. – Чому б нам не використовувати біологічні частини таким же чином? ».
Щоб прискорити прогрес в цій області, Кіслінг і його колеги збирають базу даних стандартизованих частин ДНК – яка отримала назву BioBricks ( «біокірпічікі»). Її можна буде використовувати як елементи головоломки і зібрати генетичний матеріал, досі небачений в природі.
Для Кислінга і інших в цій сфері синтетична біологія – це як розробка нової мови програмування. Клітини – це апаратне забезпечення, «залізо», тоді як ДНК – це програмне забезпечення, яке дозволяє їм працювати. Маючи достатньо знань про те, як працюють гени, синтетичні біологи сподіваються, що зможуть написати генетичні програми з нуля, створити нові організми, змінити природу і навіть направити людську еволюцію в нове русло.
Подібно генної інженерії, синтетична біологія дає вченим можливість експериментувати з природного ДНК. Різниця в масштабах: редагування генів – це процес «вирізати / вставити», який додає нові гени або змінює букви в існуючих генах. Іноді змінюють не так-то багато.
Синтетична біологія, з іншого боку, створює гени з нуля. Це дає вченим більше можливостей для внесення змін в відомі гени або навіть для створення власних. Можливості практично безмежні.
Біомедікаменти, біопаливо, біоурожай
Вибух синтетичної біології за останні десять років вже навів результати, якщо вони спричинили захоплення як вчених, так і корпорацій. Ще в 2003 році Кіслінг опублікував одне з найперших досліджень, які доводять і демонструють силу такого підходу. Воно було присвячено хімічної речовини під назвою артемізинін, потужний протималярійний препарат, витягнутий з солодкою полину (полину однорічного).
Незважаючи на численні спроби культивувати цю рослину, його врожайність залишається вкрай низькою.
Кіслінг зрозумів, що синтетична біологія пропонує спосіб обійти процес збору врожаю взагалі. Ввівши потрібні гени в клітини бактерій, міркував він, можна перетворити ці клітини в машини з виробництва артемизинина і забезпечити за їх рахунок новий рясний джерело препарату.
Зробити це було дуже важко. Вченим потрібно було побудувати абсолютно новий шлях метаболізму в клітині, дозволивши їй обробляти хімічні речовини, яких вона раніше не знала. Методом проб і помилок, вчені склеїли воєдино десятки генів з декількох організмів в один пакет ДНК. Встановивши цей пакет в кишкову паличку – бактерія E. coli зазвичай використовується в лабораторії для виробництва хімічних речовин – вони створили новий шлях для бактерії, який дозволив їй секретировать артемізинін.
Ще трохи підкрутивши потрібні гайки, Кіслінг і його команді вдалося виростити виробництво в мільйон разів і знизити ціну препарату десятикратно.
Артемізинін був тільки першим кроком у величезній програмі. Цей препарат представляє собою вуглеводень, що належить до сімейства молекул, часто використовуваних для виготовлення біопалива. Чому б не застосувати цей же процес до виробництва біопалива? Замінивши гени, за допомогою яких бактерії проводили артемізинін, генами для виробництва біопаливних вуглеводнів, вчені вже зробили безліч мікробів, які перетворюють цукор в паливо.
Сільськогосподарська сфера – ще одна галузь, яка може отримати гігантську вигоду від синтетичної біології. Теоретично, ми могли б взяти гени, що відповідають за азотфіксацию у бактерій, помістити їх в клітини наших культур і повністю змінити їх природний процес росту. З потрібної комбінації генів ми могли б виростити урожай з повним спектром поживних речовин, який вимагає менше води, землі, енергії і добрив.
Синтетичну біологію можна було б застосувати для виробництва абсолютно нової їжі, наприклад, аромати через ферментацію змінених дріжджів або веганських сирів та інших молокопродуктів, створених без допомоги тварин.
«Ми повинні знижувати обсяг викидів вуглецю і шкідливих речовин, використовувати менше землі і води, боротися зі шкідниками і підвищувати родючість ґрунту», говорить доктор Памела Рональд, професор Каліфорнійського університету в Девісі. Синтетична біологія може забезпечити нас потрібними інструментами.
В сторону практику! Одна з кінцевих цілей синтетичної біології полягає в створенні синтетичного організму, зробленого виключно з спеціально розробленої ДНК.
Основною перешкодою зараз є технології. Синтез ДНК в даний час дуже дорогий, повільний і схильний до помилок. Більшість існуючих методів дозволяють зробити ланцюжок ДНК в 200 букв довжиною; звичайні гени в десять разів довше. Геном людини містить близько 20 000 генів, які виробляють білки. Але останні десять років витрати на синтез ДНК швидко знижувалися.
На думку доктора Дрю Енді, генетика Стенфордського університету, вартість секвенування окремої букви з 4 доларів в 2003 році впала до 3 центів сьогодні. Орієнтовна вартість роздруківки всіх 3 мільярдів букв людського генома на сьогоднішній момент складає 90 мільйонів доларів, але очікується, що впаде до 100 000 доларів протягом 20 років, якщо тенденція залишиться на такому ж рівні.
У 90-х роках Крейг Вентер, відомий своєю провідною роллю в секвенування генома людини, почав шукати мінімальний набір генів, необхідних для створення життя. Разом з колегами з Інституту геномних досліджень Вентер прибирав гени з бактерії Mycoplasma genitalium, щоб виявити критично важливі для життя.
У 2008 році Вентер зібрав разом ці «критично важливі гени» і зібрав новий «мінімальний» геном з бульйону хімічних речовин, використовуючи синтез ДНК.
Кількома роками потому Вентер пересадив штучний геном у другу бактерію. Гени прижилися і «перезапуск» клітку, дозволивши їй рости і самовідтворюватися – це був перший організм з абсолютно штучним геномом.
Якщо нове підприємство отримає фінансування, воно буде повторювати експерименти Вентера, використовуючи наш власний геном. З огляду на те, що геном людини приблизно в 5000 разів більше, ніж бактерій Вентера, важко сказати, наскільки складніше може бути такий синтез.
Навіть якщо нічого не вийде, галузь отримає цінний досвід. На думку доктора Джорджа Черча, провідного генетика Гарвардської школи медицини, цей проект може відкрити технологічні досягнення, які поліпшать нашу власну здатність синтезувати довгі ланцюжки ДНК. Черч навіть підкреслює, що головна мета проекту – розвиток технологій.
Втім, зустріч вчених викликала багато скептичних зауважень. Як би там не було, цей проект якось може привести до створення «дизайнерських немовлят» або навіть людей. Батьками таких людей можуть бути комп’ютери. Уявити таке майбутнє просто, але воно лякає: наскільки безпечно безпосередньо маніпулювати життям або створювати її? Хто буде володіти цією технологією? Що робити з життям, яка вийшла невдалою? Чи не породить все це дискримінацію і нерівність?
