Молекулярная биология - это редукционистская наука, которая изучает живые системы, "раскладывая их на части".
Биологи-синтетики используют противоположный подход: создают живые
системы из взаимозаменяемых деталей - сегментов ДНК. Эти конструкции
работают в клетках, которые снабжают их энергией, обеспечивают
мобильность и воспроизводство.
Уже созданы микроорганизмы, обладающие совершенно необычными
свойствами. Одни из них синтезируют сложные химические ингредиенты для
лекарственных препаратов, другие - аминокислоты, отличные от природных,
третьи поглощают тяжелые металлы из сточных вод, четвертые по команде
выполняют простейшие действия.
"Допустим, я хочу создать растение, изменяющее свой цвет в присутствии
тринитротолуола, - рассуждает Дрю Энди (Drew Endy), биолог из
Массачусетского технологического института (МТИ). - Я могу попытаться
"подправить" генетический аппарат растения, и если мне повезет, через
год-два создать в нем нужное устройство. Однако этот опыт никак не
поможет мне получить клетку, которая отыскивала бы на стенках
кровеносных сосудов бляшки и уничтожала их".
Энди - один из немногих ученых, кто строит фундамент нового направления
в генной инженерии - синтетической биологии. Вместе с
единомышленниками, которых становится все больше, он проектирует и
создает искусственные живые системы, которые обладают заранее заданными
свойствами, используют заменяемые генетические детали, а в некоторых
случаях - расширенный генетический код, что позволяет им делать вещи,
немыслимые для обычных организмов.
Новое направление ставит перед собой три основные задачи. Во-первых,
это изучение организмов через их создание, а не через разложение на
части. Во-вторых, развитие самой генной инженерии, с тем чтобы она
соответствовала своему названию и стала дисциплиной, способной
последовательно развиваться и создавать все более сложные биологические
системы. В-третьих, расширение границ живого и неживого миров, чтобы в
результате их пересечения появились программируемые живые существа.
Микробы, способные отыскивать и разлагать тринитротолуол или
производить артемизинин, уже не кажутся чем-то нереальным. Конечно,
пока это только примитивные предшественники будущих сложных
биологических механизмов, но то, что таковые будут созданы, не вызывает
сомнения.
Мигающие огни
Началом синтетической биологии стала работа пятнадцатилетней давности
Стивена Беннера (Steven Benner) и Питера Шульца (Peter Schultz). В 1989
г. Беннер из ETH (Eidgenssische Technische Hochschule) в Цюрихе создал
ДНК, содержащую кроме четырех известных букв генетического алфавита еще
две. С тех пор были получены несколько вариантов подобных ДНК, но пока
никому не удалось добиться функционирования их генов, т.е. транскрипции
и трансляции (синтеза белков). Впрочем, недавно Шульц из
Океанографического института Скриппса вырастил клетки (содержащие
нормальную ДНК), которые синтезировали аминокислоты, отличные от
природных, и соединяли их друг с другом с образованием необычных белков.
Беннер и другие представители старой школы биологов-синтетиков
расценивают искусственную генетику как один из инструментов для решения
ключевого вопроса биологии - происхождения жизни и возможности ее
существования во Вселенной. А шум, поднявшийся в последнее время вокруг
синтетической биологии, связан с последствиями ее биотехнологических
применений - конструированием и созданием биологических
внутри-клеточных устройств.
В 2000 г. появились сразу две научные публикации, рассказывающие о
создании механизмов, полученных путем встраивания специфических
нуклеотидных последовательностей в однотипные клетки Escherichia coli
(обычного представителя кишечной флоры человека), но выполняли
совершенно разные функции. Устройство Майкла Эловица (Michael Elowitz)
и Станислауса Лейблера (Stanislaus Leibler) из Принстонского
университета, состоявшее из трех взаимодействующих генов, заставляло
ритмично мигать несущую его клетку E. coli - она становилась похожа на
крошечную лампочку елочной гирлянды. Другие исследователи - Джеймс
Коллинз (James J. Collins), Чарлз Кантор (Charles R. Cantor) и Тимоти
Гарднер (Timothy S. Gardner) из Бостонского университета -
сконструировали генетический тумблер, переключение которого из одной
позиции в другую обеспечивала цепь отрицательной обратной связи из двух
взаимодействующих генов. Каждая бактериальная клетка, снабженная таким
устройством, приобретала зачатки цифровой памяти.
Проведенные эксперименты одновременно и воодушевляли, и отрезвляли
ученых. На то, чтобы создать генетический тумблер, понадобился год, а
на конструирование мигающей бактериальной клетки - два. Однако никто не
знает, как объединить эти два механизма, чтобы получить мигающую
бактерию, которая бы включалась и выключалась по команде. "Я мечтаю,
чтобы конструирование предсказуемых биологических систем из блоков
стало обычным делом, - говорит Энди. - Предположим, я хочу создать
организм, умеющий считать до 3000. Я подхожу к полке с набором готовых
генетических деталей, выбираю необходимые, соединяю их в определенном
порядке - и готово!" Четыре года назад о существовании подобного рода
элементов можно было только мечтать, а сегодня у Энди их целый набор.
Биологический конструктор
"Вот они - те самые генетические детали, - указывает Энди на флаконы с
прозрачной, похожей на сироп жидкостью. - В каждом - копии одного из
сегментов ДНК, которые или сами выполняют какую-либо функцию, или могут
использоваться клеткой для синтеза белка. Очень важно, чтобы каждая
деталь была тщательно подогнана таким образом, чтобы взаимодействовать
с другими на двух уровнях". Первый уровень - чисто механический.
BioBricks (так Энди назвал свои детали) можно создавать и хранить по
отдельности до поры до времени, а потом соединять друг с другом и
получать крупные сегменты ДНК. Второй уровень - функциональный, каждый
элемент способен посылать и принимать биохимические сигналы от своих
партнеров. Все это позволяет изменять поведение конструкции, просто
заменяя те или иные детали.
Взаимозаменяемые компоненты устройств - далеко не новость, они широко
применяются при обычном конструировании. Однако специалисты в области
генной инженерии только сейчас стали широко использовать этот прием.
Одно из его преимуществ состоит в следующем: точно так же, как
инженер-электрик, включая в цепь какой-нибудь конденсатор, не
задумывается о том, что там у него внутри, биотехнолог, используя
генетический тумблер, может ничего не знать о биохимической структуре
промоторов, репрессоров, активаторов, индукторов и других генетических
элементов, обеспечивающих работу переключателя. В одном из флаконов в
штативе Энди находится BioBrick-инвертор (другое его название -
NOT-оператор). Когда сигнал на его входе сильный, сигнал на выходе
слабый, и наоборот. BioBrick в другом флаконе выполняет функцию булева
оператора AND, посылающего сигнал только в том случае, когда на оба его
входа поступают сильные сигналы. Поскольку оба элемента оперируют
совместимыми сигналами, при их объединении получается оператор NAND
(NOTAND). Имея эти операторы в достаточном количестве, можно проводить
вычисления в двоичной системе.
У стандартных взаимозаменяемых деталей есть еще одно достоинство: из
них можно сконструировать функциональную генетическую систему, до конца
не представляя, как это сделать. В начале прошлого года 16 студентов
разработали четыре генетические программы, обеспечивающие синхронное
мигание клеток E. coli - подобный эффект наблюдается иногда у
светлячков. Юные исследователи не знали, как синтезировать нужные
ДНК-последовательности, но это и не входило в их планы. 58 деталей,
необходимых для сборки, были изготовлены на заказ в компании по синтезу
ДНК и пополнили реестр стандартных биологических элементов, созданный в
Массачусетском технологическом институте. В его базе данных сегодня -
более 140 подобных элементов, и их число увеличивается с каждым месяцем.
