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

Один из членов группы был знаком с исследованиями Ту по однолетней полыни и артемизинину. Несмотря на многообещающие перспективы этого препарата, крупные фармацевтические фирмы все еще продолжали торговать существующими лекарствами против малярии – дешевыми и приносящими высокий доход. Хлорохин предлагали по цене около 10 центов за курс лечения, а добавление артемизинина могло повысить цену до 2,40 доллара на легальном и до 27 долларов на черном рынке{119}. Проблемы с артемизинином, добываемым естественным образом, не имели бы значения при наличии способа получить его синтетическим путем. Исследователи установили реостат на высокий уровень, чтобы произвести молекулу-прекурсор – фарнезилпирофосфат (ФПФ), и выключили гены, которые трансформируют ФПФ в материал, образующий каркас клеточных стенок дрожжей. А затем ген полыни однолетней, который преобразует ФПФ в артемизиновую кислоту, ввели в геном дрожжей – и микроорганизмы размножились. Получился не сам артемизинин, однако начало было положено хорошее.

Кислинг и Найт, находясь на противоположных берегах друг от друга, пришли к сходным выводам. Если преобразовать клетки в программируемые компьютеры или фабрики и иметь инструменты для управления потоком информации, то человечеству больше не придется мириться с неотвратимостью естественного отбора. Началась эра современной синтетической биологии.

* * *

И Кислинг, и Найт понимали: чтобы синтетическая биология переместилась из их в некотором роде нетрадиционных лабораторий в научный мейнстрим, а затем и преодолела границы между академической наукой и окружающим миром, для этой новой гибридной дисциплины требуется более прочный фундамент. Необходима подготовка большего числа студентов, интересующихся знанием на стыке инженерии, информатики и биологии. И некая стандартизация ключевых компонентов. Бесконечное создание с нуля фрагментов ДНК и выявление метаболических путей утомляло, отнимало много времени и мешало ученым заниматься более интересной и более полезной для общества работой по производству новых организмов. Гораздо лучше было бы иметь магазин биологических материалов, со склада которого по первому требованию можно было бы взять биочасти, устройства и системы.

К 2002 г. группы исследователей – одна под руководством Кислинга, другая под руководством Найта – приступили к реализации новых радикальных проектов. Дрю Энди, биотехнолог и инженер-биохимик из команды Найта, работал над стандартизацией сборки ДНК, добиваясь того, чтобы детали можно было объединять в работающие устройства, метаболические пути и системы. Будучи преданным поклонником конструкторов Lego, Найт черпал вдохновение в этих легендарных кирпичиках и деталях. Он представил своего рода инструментарий под названием BioBricks («биоблоки») – набор биологических компонентов из стандартных последовательностей, которые можно собирать по мере необходимости. Но его команде требовалось понимание, как будут работать с такой системой другие специалисты и вызовет ли она достаточный интерес в кампусе MIT – там, где проект базировался и где изначально был запланирован к использованию{120}. Они задумывались о преподавании курса синтетической биологии, однако из-за исключительной новизны было неудивительно полное отсутствие педагогической экосистемы для ее воплощения: не существовало ни учебников, ни стандартной образовательной программы, а реальных экспериментов для использования их в качестве примеров было очень мало. И все же они организовали обучение, взяв за образец знаменитый курс Линн Конвей, исследовательницы в сфере информатики и электроники, прочитанный ею в 1978 г. в MIT. Вместе со своим коллегой профессором Калифорнийского технологического института Карвером Мидом Конвей разработала курс по проектированию нового вида микросхем, когда те находились еще на стадии изобретения. Конвей и Мид со своими студентами быстро составляли прототипы схем и по сети ARPANET передавали эти образцы на фабрику микросхем в Калифорнии. Спустя месяц проект, частично финансируемый за счет гранта Управления перспективных научных исследований и разработок Министерства обороны США, позволил получить экземпляры рабочих микросхем. Этот курс произвел революцию в разработке и использовании микросхем и доказал, что альтернативная инфраструктура для их проектирования и производства способна работать в нужном масштабе; таким образом, изменились подходы к разработке микросхем, что послужило толчком к развитию машин, в которых они используются, и бизнес-экосистем, которым эти машины нужны{121}.

В MIT действует зимняя исследовательская программа под названием «Период самостоятельной деятельности» (Independent Activities Period, IAP), во время которой студенты и преподаватели проходят короткие курсы по широкому спектру нестандартных и экспериментальных тем. Вспомнив об успехе курса Конвей и вызванной им революции, Энди и Найт задумались над тем, чтобы во время четырехнедельной программы IAP предложить занятия по конструкциям BioBricks и основам синтетической биологии. План заключался в том, чтобы вместо микросхемы студенты разработали и создали схему ДНК и посредством современного коммерческого интернета отправили ее на фабрику в Сиэтле для печати{122}. Один из первых проектов, получивший название репрессилятора, был впервые продемонстрирован Майком Эловицем и Станисласом Лейблером в 2000 г.{123} Это небольшая, встроенная в бактерию E. coli схема с тремя генами-репрессорами – для удобства назовем их A, B, C, – соединенными в цепь обратной связи. Белок из гена A подавляет образование белка из гена В. Белок из гена В подавляет образование белка гена С. Для замыкания цепи белок из гена С подавляет образование белка А. Еще один ген, кодирующий зеленый флуоресцентный белок (GFP), также подавляется белком С. Это дает визуальный сигнал, оповещающий о том, что происходит в системе. При запуске системы вырабатывается каждый белок, в том числе GFP, таким образом клетка окрашивается в зеленый цвет. Когда на каждый из генов начинают действовать репрессоры, создается цикл. C подавляет A (и GFP, поэтому клетка теряет яркость), что увеличивает B, который подавляет C (и клетка становится ярче). В процессе стабилизации динамики системы количество образующегося белка GFP колеблется между низким и высоким уровнем. По сути, происходит медленное мерцание клеток.

Или, по крайней мере, именно это должно было происходить. Последовательности, полученные Энди с фабрики в Сиэтле, работали, однако, не совсем так, как предполагалось. Блоки BioBricks первого поколения подходили друг к другу, что и было задумано, однако желаемых результатов не давали. Проблема заключалась в том, что у исследователей было недостаточно генетического материала. Они пытались построить проект Lego магистерского уровня, имея в своем распоряжении лишь малую часть необходимых деталей.

К счастью, курс IAP 2003 г. пользовался популярностью, поэтому участников разделили на команды, каждая из которых работала над самостоятельным проектом{124}. Командам предоставили некоторые стандартные готовые детали и финансирование для синтеза около 5000 пар оснований новой ДНК, но все спроектированные командами решения оказались слишком громоздкими. Кроме того, требовались более обширное хранилище стандартизированных деталей и реестр для отслеживания данных.

Летом 2004 г. Энди и Найт организовали в MIT первую международную встречу по синтетической биологии, SB1.0{125}. Трехдневная конференция собрала исследователей, интересовавшихся методами проектирования и создания стандартизированных биологических систем, а также их значением для общества. В результате в стенах Массачусетского технологического института зародился Международный конкурс генно-инженерных машин, iGEM, и был составлен первый реестр стандартных биологических частей. Эндрю внимательно следил за развитием событий в этой группе и хотел подключиться к работе. Он помогал в организации встречи меньшего масштаба с участием Энди и других исследователей в новом геномном центре в Оклахоме, в 2005 г. работал с командой iGEM из Торонто, а в 2006-м стал представителем iGEM и способствовал увеличению числа участвующих в программе команд с 13 до 39.

Помимо блоков требовался стандартный метод измерения: BioBricks нужно было описывать с помощью данных, что позволило бы исследователям создать более обширную базу знаний, которую могли бы использовать другие ученые. Вскоре началось формирование системы для каталогизации описаний необходимых биочастей, устройств и систем, кодифицированных для коллегиально рецензируемой базы данных. Более широкое сообщество приступило к стандартизации специального компьютерного языка, получившего название SBOL (Synthetic Biology Open Language, в переводе с английского – «открытый язык синтетической биологии»). В итоге информация должна была стать пригодной для считывания машиной и легко интегрируемой в программные инструменты разного типа.

Один из друзей Энди, физик Роб Карлсон, следил за темпами повышения результативности различных биотехнологий. Особенно его интересовал синтез ДНК. Он подсчитал, что к 2010 г. один лаборант ежедневно сможет с нуля синтезировать несколько человеческих геномов при затратах всего 10‒12 долларов за пару оснований. Учитывая, сколько времени