И что вы тут натворили?

Сконструировав искусственную ДНК и внедрив ее в живую клетку, американские генетики положили начало новому этапу эволюции на Земле.

Известный американский физик и футуролог Фримен Дайсон, делая в 2009 году для "Итогов" прогноз развития науки и техники на будущее, отметил, что одним из самых перспективных направлений он считает генную инженерию. Профессор принстонского Института перспективных исследований уверен, что уже в XXI веке домохозяйки и дети смогут, не выходя из квартиры, при помощи своеобразных конструкторов типа "сделай сам" моделировать и создавать новые виды растений и животных. Подобно тому как сегодня на компьютере при помощи фотошопа можно раскрашивать цветы и подрисовывать дополнительные конечности животным, в будущем можно будет делать то же самое с живыми существами. Нет, это не ремейк истории про доктора Франкенштейна: никто не намерен собирать монстров, пришивая лошади слоновий хобот. Все изменения будут вноситься еще на стадии формирования зародыша живого существа. И, похоже, фантастические прогнозы американского футуролога начинают сбываться. Американский Институт Крейга Вентера опубликовал сенсационные результаты эксперимента по созданию искусственного живого организма. На исследовательские работы сам профессор Вентер затратил без малого 15 лет и 40 миллионов долларов. Но оно того стоило. Ученый добился поставленной цели: в ходе множества экспериментов его научной команде удалось создать и вырастить клетку, генетический код которой был полностью смоделирован на компьютере.

Как на дрожжах

Начало эксперименту было положено в 1995 году, когда ученые взяли простейшую бактерию Mycoplasma mycoides, обладателя самого маленького генома среди организмов, способных самостоятельно размножаться в лабораторной культуре. Исследователи полностью расшифровали геном микроба и превратили его в текст, записанный при помощи текстового редактора в компьютерный файл. Содержимое файла представило собой набор из миллиона букв A, G, C и T, скомпонованных в определенной последовательности и обозначавших четыре нуклеотида, из которых состоит цепочка любой молекулы ДНК.

Среди примерно 500 генов, записанных в ДНК бактерии, ученые выявили так называемые гены "домашнего хозяйства" - они отвечают за жизнедеятельность клетки. Еще около 100 генов определили как "гены роскоши", которые регулируют второстепенные функции бактерии, то есть то, что она делает для внешнего мира. Затем компьютерный файл снова отредактировали. В цепочку нуклеотидов вместо некоторых "генов роскоши" исследователи вставили фрагменты ДНК, в которых при помощи специального кода зашифровали четыре блока информации. Эти последовательности нуклеотидов назвали "водяными знаками", потому что они остаются в ДНК всех микробов, произошедших от данной клетки. В качестве "водяных знаков", как рассказал "Итогам" доктор биологических наук, ведущий научный сотрудник Палеонтологического института РАН Александр Марков, "в первую очередь "ради прикола", а также для того, чтобы в геноме присутствовали доказательства, что он искусственный", ученые вписали свои имена, адреса электронной почты и пару цитат из классики.

Но самое важное произошло потом. Имеющийся текст генетики разбили на тысячу кусков по тысяче букв каждый и отправили их в одну из фирм, занимающихся синтезом ДНК на основе подобных текстов. Таких компаний на рынке сегодня довольно много. Они выполняют заказы, например, для производителей биочипов или медиков. Синтез каждого нуклеотида в цепочке, как рассказал Александр Марков, сегодня стоит 1-2 доллара. Таким образом оказались получены 1000 кусков ДНК по 1000 нуклеотидов в каждом. Казалось бы, почему не заказать синтез сразу всей цепочки из миллиона букв? Но дело в том, что более длинные куски пока не умеют синтезировать химически - это очень сложная техническая задача. Однако это ограничение не остановило Крейга Вентера. Коль всю цепочку ДНК разом невозможно синтезировать в лаборатории сторонних компаний, ученые решили разобраться с проблемой самостоятельно. Они брали по 10 кусочков из 1000 нуклеотидов и вставляли их в клетки дрожжей. В конечном итоге удалось добиться того, что в дрожжевых клетках были получены целые геномы длиной в миллион нуклеотидов. Готовую цепочку ДНК исследователи вставили в бактерию Mycoplasma mycoides и увидели, что в некоторых случаях происходит поглощение генома и образование двух ДНК. Когда микроб размножился, ученые обнаружили, что некоторые экземпляры рождались только с искусственной хромосомой. Их отобрали и вывели чистую культуру бактерий с ДНК, сконструированной на компьютере. Получается, что искусственная хромосома взяла клетку полностью под свой контроль и трансформировала ее так, что клетка изменила идентичность. В итоге искусственные клетки стали нормально размножаться и образовали собственную колонию, радуя своих создателей плодовитостью и жизнерадостностью.

Вентеру впору было кричать "Эврика!"? Он - первый в мире создатель искусственной жизни?! Не совсем так. Как отмечают некоторые эксперты, получившаяся клетка была составлена по подобию уже существующей: образец ДНК взяли у известной бактерии, немного его изменили и вставили опять же в клеточную оболочку. Ученые утверждают, что им впервые удалось сначала полностью синтезировать ДНК в компьютерном варианте, а затем создать ее физически. "Они показали, что технически это возможно, и даже раскрыли весь путь создания искусственной жизни", - говорит Александр Марков.

Универсальный микроб

Что же дальше? Как практически использовать достижение американцев? Возможно, оно позволит уже в ближайшем будущем воплотить в жизнь мечты Фримена Дайсона. Ведь теперь на самом деле каждый сможет написать набор из миллиона-другого букв на компьютере и вывести собственное животное. Однако ученые призывают не торопиться с подобными выводами. О животных речь пока не идет. Взятая Вентером бактерия отличается от представителей млекопитающих, рыб или птиц тем, что является простейшей, прокариотной. Она в отличие от эукариотных клеток животных не обладает ядром, да и цепочка ДНК в ней намного короче и проще.

"Цепочка ДНК эукариотной клетки состоит как минимум из 10 миллионов нуклеотидов. Обычно же их там сотни миллионов или даже миллиарды. У человека - 3 миллиарда. Кроме того, этот геном состоит из множества хромосом, а не из одной кольцевой хромосомы, как у бактерии", - комментирует Александр Марков. А самая главная проблема в том, что у -эукариота очень непростая система регуляции генома. Сложнейшие связи между хромосомами эукариотных клеток и ферментами, которые они вырабатывают, не до конца изучены.

Тем не менее нельзя недооценивать достижение американских генетиков. Если до произведения искусственных высших организмов им еще очень далеко, то теперь по выработанной технологии можно будет создавать множество полезных в народном хозяйстве микроорганизмов. Например, сам Крейг Вентер рассчитывает заняться производством лекарств, вакцин и дешевого топлива. Вероятно, также они могут помочь откачивать излишний СО2 из атмосферы, бороться с загрязняющими веществами в водоемах, производить удобрения.

Известно, например, что некоторую часть углеводородов, добываемую из земных недр, создали бактерии. Они исследованы, но не могут работать на топливную промышленность, потому что не выживают в обычных условиях. Им нужны невероятные температура и давление. Питаются они серой или метаном. Но, поместив "гены роскоши" этих бактерий по технологии Вентера в оболочку обычной земной клетки, можно будет посадить микробы в большую цистерну, скажем, посреди приволжской степи, где они преспокойно, дыша углекислым газом из воздуха (унаследовав это свойство от какой-нибудь другой бактерии), смогут производить нефть или газ.

И все же, несмотря на сказочные перспективы использования искусственных бактерий и вероятность перенесения технологии от простейших микробов на более серьезных представителей животного мира, некоторые эксперты считают, что американцы открыли ящик Пандоры. Необычной технологией смогут воспользоваться не только ученые в благих целях, но и террористы, которым открывается прямой путь к созданию опаснейшего биологического оружия.

Тем не менее, если это даже и ящик Пандоры, то сейчас наступил совершенно новый этап в развитии не только науки, но и всего живого на Земле. Как и предсказывал Фримен Дайсон, теперь человек сможет полноценно контролировать и направлять эволюционные процессы на планете. И, вероятно, в ближайшем будущем если даже не изменится сам, то сделает такие бактерии, которые, например, будучи отправленными на Луну или одну из планет Солнечной системы, смогут, питаясь местным грунтом, выделить кислород и создать атмосферу, пригодную для жизни вне станций и скафандров.

Мнения

- Работа открывает захватывающие возможности для изучения клеточной жизнедеятельности. Значительно облегчится выяснение функции отдельных генов. Вместо используемого сейчас сложного метода генетического нокаута ("выбивания") отдельных генов можно будет просто вводить молекулу ДНК, в которой те или иные гены отсутствуют. Это, в частности, позволит приблизиться к решению проблемы минимальной хромосомы, то есть числа генов, абсолютно необходимых для обеспечения жизни клетки. Однако я скептически отношусь к принципиально новым блестящим перспективам использования в практике, будто бы открываемым этой работой. Они только просматриваются, и то с трудом. Генетические опасности также, по-моему, сильно преувеличены.

Александр Зеленин

глав­ный на­уч­ный сот­руд­ник Инсти­ту­та мо­ле­ку­ляр­ной би­оло­гии им. В. А. Энгель­гар­дта РАН, про­фес­сор, док­тор би­оло­ги­чес­ких на­ук

- Это реальный прорыв, начало большого биоконструирования, новый шаг, когда можно из кусков различного генетического материала собрать некий организм, который начинает нормально размножаться. Но нельзя забывать и о безопасности. Неограниченная экспансия не до конца изученного нового вида никому не нужна. Необходимо предусмотреть возможность легко убить искусственную клетку.

Петр Сломинский

док­тор би­оло­ги­чес­ких на­ук, за­ве­ду­ющий ла­бо­ра­то­ри­ей мо­ле­ку­ляр­ной ге­не­ти­ки нас­ледс­твен­ных за­бо­ле­ва­ний Инсти­ту­та мо­ле­ку­ляр­ной ге­не­ти­ки РАН

- За 3,5 миллиарда лет природа уже испытала все возможные варианты геномов. Одни организмы выживали, и погибали другие. Вряд ли получится создать какой-то особенный ген. Если его нет, значит, он не прошел естественный отбор и погиб навсегда. Об искусственной жизни речь не идет. Это больше похоже на то, как иностранные автомобили у нас собирают из готовых

Валерий Гальченко

член-кор­рес­пон­дент РАН, ди­рек­тор Инсти­ту­та мик­ро­би­оло­гии им. С. Н. Виног­рад­ско­го РАН