Машина творения: Новые организмы, редактирование генома и лабораторные гамбургеры - Эми Уэбб

Возможно, в школе на уроках биологии учитель просил вас препарировать лягушку, разобрать ее органы, описать увиденное, а затем вновь собрать. (По крайней мере, так было в классе у Эми.) Точно так же в середине 1990-х гг. в зарождающейся биотехнологии основное место занимали деконструкция и наблюдение. Найт не хотел работать над молекулярным аналогом лягушачьих трупов. Не хотел он заниматься и получением клонов генов, клеток и тканей – основным на тот момент направлением деятельности в биотехнологии. Это не приблизило бы его к решению вопросов, которые он исследовал в студенчестве и позднее, уже будучи преподавателем. Правда ли, что люди всего лишь мягкие машины? Можно ли программировать клетки подобно тому, как программируют компьютеры? Можно ли спроектировать компьютеры из биологических деталей?

Чтобы ответить на эти вопросы, требовались глубокие исследования и противостояние ряду глубоко укоренившихся в академической среде убеждений, например в том, что научные работы должны вестись разобщенно, по отдельным направлениям. Информатика, робототехника и искусственный интеллект не давали ответов. Не помогали и традиционные подходы к биологии или химии. Инженерный подход, используемый для понимания вычислительных систем – всего того, что связано с машинами, передачей информации, возможностями подключения и взаимодействия, сетями и автономными решениями, был применим и по отношению к механизмам клеток. Но в таком случае исследователям предстояло принять сложность и изменчивость биологии.

Новый инструментарий и попытка стандартизировать процесс открывали путь к использованию различных подходов. Ряд биологических деталей (биочастей) мог бы кодировать биологические функции, устройства, созданные из биочастей, – отвечать за определенные функции, а системы – выполнять поставленные задачи. Помня о том, какое серьезное влияние оказали Мински и его дартмутская междисциплинарная группа, результатом работы которой стали создание искусственного интеллекта как области исследования, появление вычислительной техники следующего поколения и стремительный прогресс во множестве областей научных изысканий, в 1995 г. Найт организовал на мысе Кейп-Код собственный летний семинар. Собранный им коллектив ученых сосредоточил усилия на объединении инженерии, информатики, биологии и химии для решения беспрецедентной задачи – сделать биологию технологической платформой, геном – кодом, а живую материю – программируемыми объектами. Сам Найт называл это клеточной информатикой{113}.

В следующем учебном году он убедил MIT профинансировать лабораторию молекулярной биологии в знаменитой лаборатории компьютерных наук университета, однако вскоре обнаружил еще одно препятствие, стоящее на пути к поддающимся компьютерной обработке клеткам. Каждый эксперимент, к которому приступала лаборатория, требовал создания необходимого фрагмента ДНК, часто с нуля. Для этого были нужны собственные серии экспериментов, что занимало очень много времени.

ЭРА СИНТЕТИЧЕСКОЙ БИОЛОГИИ

Когда Том Найт прокладывал путь в новую область науки, в Африке свирепствовал новый штамм резистентной к лекарствам малярии. Всего один укус зараженного комара был способен повлечь за собой тяжелую болезнь или смерть; ежегодно заражались 200 млн человек и почти 2 млн гибли{114}. Наиболее часто используемый препарат хлорохин быстро утрачивал эффективность, поскольку новый штамм выработал устойчивость к нему даже в тех регионах, где хлорохин никогда не применялся. Существовали и другие разновидности заболевания, распространяемые огромной и стремительно размножающейся популяцией комаров. Еще больше осложняла ситуацию сама малярия, которую зачастую очень непросто отличить от других болезней. Симптомы варьируются от озноба и потливости, диареи и головных болей до плохого общего самочувствия. Иногда болезнь около года находится в спящем состоянии, а затем внезапно проявляется, будто из ниоткуда{115}.

Как и в других частях света, в Китае борьба с малярией продолжалась тысячелетиями. Древние травники всецело полагались на растение под названием «цин-хао» (полынь однолетняя) – это душистая трава с одним относительно коротким вегетационным периодом. Ее плотные листья напоминают зеленую морковную ботву. В 340 г. н. э., еще до того, как малярия получила название или был изучен механизм ее передачи, китайский врач Гэ Хун в своем «Справочнике по рецептуре для неотложной помощи» рекомендовал лечить сладкой, или однолетней, полынью симптомы малярии. Во время войны во Вьетнаме комары явились неожиданным осложнением ситуации для всех сторон конфликта. Задолго до того, как в Африке хлорохин стал фактически бесполезным, лекарственно-устойчивые штаммы малярии распространились в Юго-Восточной Азии, и болезнь захлестнула войска. Поэтому Китай начал секретный правительственный проект, целью которого было найти эффективное лечение для своих союзников из Северного Вьетнама. Китайский ученый и фитохимик (специалист по химии растений) Ту Юю и группа исследователей под ее руководством использовали все свои знания в традиционной китайской медицине, изучили древние медицинские трактаты, в том числе тексты Гэ Хуна, и установили 640 растений и 2000 потенциальных лекарств против малярии. В итоге хорошим вариантом они сочли очень давно известную траву – полынь однолетнюю. К 1972 г. Ту и ее команда выделили содержащееся в нетоксичном экстракте действующее вещество, которое они назвали «цинхаосу», или «артемизинин». Однако в то время китайским ученым было запрещено делиться своими открытиями с внешним миром, поэтому опубликовать результаты исследований Ту не могла. В начале 1980-х гг. открытие наконец обнародовали, и на его основе были разработаны новые, более совершенные методы лечения, а в 2015 г. Ту Юю получила Нобелевскую премию, ставшую запоздалым признанием ее заслуг{116}.

Проблема с полынью однолетней заключается в том, что для ее выращивания требуются идеальные условия: она любит прямой солнечный свет, хорошо дренируемую почву и не переносит застой влаги. Учитывая спрос на эту траву, ее выращивали в коммерческих масштабах в Китае, Юго-Восточной Азии и Африке. Но из-за привередливости растения его качество, поставки и стоимость не отличались постоянством, их трудно было прогнозировать, что делало глобальное предложение артемизинина нестабильным. К началу 1990-х гг. артемизинин, принимаемый в сочетании с другими препаратами, был единственным эффективным средством для лечения малярии, однако растущий спрос на препарат значительно превышал возможности фермеров по выращиванию и сбору травы.

Пока Найт в Кембридже размышлял о программируемых клетках, в нескольких тысячах миль от него, в Калифорнийском университете в Беркли, инженер-биохимик и преподаватель Джей Кислинг также задумывался о пересечении инженерии, информатики, химии и молекулярной биологии. Старшие коллеги советовали ему вести исследования уже устоявшимися методами, например изучать эффективность введения в клетки новых генов. Но Кислинг был увлечен перспективой создания нового набора инструментов. Его особенно интересовали метаболические пути и такие способы перестройки клеток, чтобы будущие организмы были способны на большее, чем то, чего они достигли в процессе эволюции. Найт уже разработал своего рода биологический реостат – переключатель, управляющий потоком генов и мало чем отличающийся от регулятора силы света, который, возможно, установлен у вас в спальне. Этот подход он применил к различным метаболическим путям ряда организмов, пытаясь создать новые биологические контролируемые взаимосвязи или даже изобрести новые.

Кислинг и его команда сосредоточились на терпеноидах, представляющих собой побочные продукты, образующиеся в результате метаболических процессов в растениях{117}. Характерный сладкий запах пиона, ярко-желтый цвет куркумы и горчичного семени, клейкий осадок, известный как смола (используется для гидроизоляции лодок), и полезные соединения в конопле – все это примеры терпеноидов. В 1995 г. воссоздать их было непросто. Чтобы получить терпеноиды с нуля, некоторые ученые пытались ввести различные гены растений в микробы, но процесс был дорогостоящим и не давал хороших результатов, а выход продукта был небольшим. Поэтому Кислинг и его коллеги решили пойти по другому метаболическому пути{118}. Вместо того чтобы работать с близкородственными растениями, они попробовали взять нечто совершенно иное – дрожжи.

Если вы когда-нибудь замешивали тесто для пиццы или пекли хлеб, то, несомненно, помните волшебный этап процесса: в теплую воду с сахаром вы добавляете коричневые гранулы, слегка перемешиваете, а затем наблюдаете за тем, как на растворе образуется пенистая шапка. Дрожжи – одноклеточный микроорганизм, который питается сахаром (и выделяет при этом углекислый газ, благодаря чему тесто поднимается). Кислинг ввел этот метаболический путь в колонии кишечной палочки, что привело к обильной реакции. Затем ученые добавили другой путь, который,