Синтетическая биология меняет мир

За последние сто лет наука, а вместе с ней и медицина развивались рекордными темпами. Однако победить главных врагов человечества – голод и болезни – так и не удалось. Тем временем, на горизонте появились и другие серьезные проблемы, например, энергетический кризис, связанный с сокращением запасов нефти и газа. Решить все эти проблемы обязуются адепты нового направления в науке – синтетической биологии. В конце 2010 года, в американском Институте Крейга Вентера была создана первая бактерия с полностью синтетическим геномом. Теперь от исследователей в буквальном смысле ждут чудес. Сам Крейг Вентер, а также его конкуренты заявляют о том, что человечеству необходимы новые подходы в обеспечении себя пищей и энергетическими ресурсами. И эти подходы они готовы предоставить.

Появление первой синтетической бактерии буквально взорвало научный мир. Оно и понятно – Вентеру и его коллегам удалось невероятное – создать из мертвой материи жизнь.

Как это было сложно, демонстрирует следующий пример: когда ученые допустили всего лишь одну ошибку в молекуле, состоящей из 1,08 млн пар нуклеотидных оснований, клетка не ожила. Но в итоге работу удалось выполнить безупречно, и на свет явилась искусственно созданная, но вполне живая клетка. Её название – Mycoplasma mycoides JCVI-syn 1.0.

Синтетическая биология очень перспективное направление в генной инженерии. Если обычно ученые вмешиваются в уже существующий ДНК животных и растений, присваивая им невиданные доселе свойства, то синтетическая биология занимается созданием принципиально новых живых систем. Ближайшей целью пионеров этой отрасли науки является создание организма с минимальным геномом, то есть способного питаться, расти и размножаться. Для биологов это возможность увидеть в деталях, как работают живые системы. Кроме того, открывается широкое поле для прикладной деятельности. Бактерия с минимальным геномом станет основой, к которой можно добавлять новые участки геномов с заданными качествами. Будут получаться микробы, например, генерирующие в процессе жизнедеятельности спирт или молекулы полимеров, из которых потом можно делать пластмассу. Таким образом, синтетическая биология стирает грань между Жизнью и машинами, программируемыми на определенную деятельность.

Долгое время на синтетическую биологию смотрели несерьезно. Она требует огромных затрат времени, а также денег. Первую бактерию создавали 15 лет, а вложения составили десятки и сотни миллионов долларов. Всего в мире этим вопросом занимается не больше 100 исследовательских групп. Однако в последнее время отношение к этому направлению поменялось. В сторону синтетической биологии смотрят теперь крупные энергетические компании, а также правительственные организации. Чего же они ждут от ученых?

Один из основных инвесторов Крейга Вентера- Министерство энергетики США. Это ведомство ежегодно в 2008-2010 годах вкладывало по 115 млн долларов в разработки Вентера. Интерес базируется на ожидании чудес в области альтернативной энергетики. Эксперты верят в то, что уже через 15-20 лет наработки исследователей можно будет использовать в создании альтернативных источников энергии.

Еще в 2009 году Крейг Вентер и его компания заключили договор с нефтегазовым гигантомExxonMobil по разработке дешевого и экологически безопасного топлива. Цена вопроса – 600 млн долларов. Согласно проекту, источником биотоплива станут водоросли с измененным геномом, который позволит им производить углеводороды, похожие по составу на органические вещества нефти. Все что нужно водорослям – солнечный свет и вода, их биомасса увеличивается очень быстро, и выращивать их можно в неограниченных количествах.

Еще более перспективными считают бактерии, которые могут выделять водород. Многие микроорганизмы могут запасать ионы водорода для удовлетворения собственных потребностей. В естественных бактериях этот процесс замедляется выделением побочного продукта – кислорода. Некоторые виды умеют изолировать кислород, чтобы он не окислял атомы водорода, однако такие бактерии в свою очередь не умеют расщеплять молекулы воды. Словом, природа основательно поработала, чтобы человек не мог получить дешевую и экологичную энергию. Исследователи попытаются соединить полезные свойства нескольких видов, таким образом, обойдя препятствие.

Кроме ExxonMobil, на новые возможности посматривает и еще один гигант -  BP. BP в сотрудничестве с Royal Dutch Shell и Martek Biosciences создали многомиллионную исследовательскую программу. Кроме выделения бактериями энергии есть и другие интересные открытия. Например, сотрудники Йельского университета разработали прямой метод получения электричества с помощью бактерий. Всего две живые клетки могут превращать энергию химических реакций в электричество с КПД в 10%. Однако осложнения вызывает возможность промышленного использования такого метода. Колония бактерий просто уничтожит себя тем же электричеством, которое выделит.

Человечество уже не раз мечтало о своей независимости от природы, еды, ресурсов. Еще в XIX веке французский химик Марселен Бертло, вдохновленный успехами органического синтеза, предсказывал, что уже через несколько десятилетий людям станут не нужны каши, супы и другие блюда. Достаточно будет съесть щепотку питательных веществ и солей, запив водой - больше для жизнедеятельности ничего и не надо.

Прогноз этот не сбылся. Химия до сих пор не в состоянии синтезировать сложные белки и углеводы в больших количествах.

Но в наше время дерзкая мечта человека возрождается. Миллионные колонии бактерий смогут синтезировать несметные объемы пищи, лекарств, нужных веществ. Будет тот «вечный хлеб», о котором мечтали химики в XIX веке. При этом затраты будут минимальными, человек будет сыт, здоров, а больше ничего и не надо.

Синтетическая биология сможет ответить на самые острые запросы мирового сообщества. Например, от малярии в Африке умирает ежегодно около 2 млн человек. Эффективное средство против малярии – артемизинин. Его изготовляют из корня сладкой полыни. Такое производство обходится «в копеечку», и жителям Африки не по карману. В 2004 году химик Калифорнийского университета Джей Кизлинг провел ряд экспериментов, которые показали, что путь к удешевлению лекарства есть. Изготовлять артемизинин ученый придумал с помощью дрожжей. В геном дрожжей было вставлено 12 новых участков, таким образом появилось нужное лекарство. Фонд Мелинды и Билла Гейтс выделили Кизлингу грант в 42 миллиона долларов. Однако снизить затраты на производство лекарства не удалось. Сейчас это стоит примерно столько же, сколько тратиться и на традиционный способ получения препарата из полыни. Недавно фармацевтический гигант Sanofi-Aventis предоставил в распоряжение Кизлинга 10 млн долларов. Ученый уверен в том, что ему удастся в скором времени увеличить количество получаемого из дрожжей артемизинина в 10 раз.

«Одно из направлений синтетической биологии, которым мы занимаемся – конструирование искусственных молекул, обладающих свойствами ДНК, но состоящих из 6 молекул. Разработки, которые применяются в медицине приносят нам 100 млн долларов в год.» - говорит профессор химии Флоридского университета Стивен Беннер. По словам ученого такой подход более амбициозен, чем наработки Крейга Вентера, который использует участки природной ДНК.

Кристофер Войт и Кристина Смолке пошли еще дальше. Они создают бактерии-симбионты, которые смогут жить в человеческом организме, при этом отыскивая в нем раковые клетки. В планах получение бактерий-убийц, которые могли бы уничтожать раковые клетки.

Имеет ли будущее синтетическая биология? Или это все-таки очередной «пузырь», который пропадет также быстро, как и появился? Раньше на Крейга Вентера смотрели, как на наивного мечтателя. Теперь отношение к подобным разработкам изменилось кардинально. Рынок с 2008 года, вырос с 234 млн долларов до 1 миллиарда долларов. Эксперты говорят, что к 2013 году, он увеличится еще больше, и составит 4,5 милиарда долларов. Может получиться и более безрадостная картина. В истории медицины не раз уже бывало так, что какое-то открытие буквально переворачивало сознание, люди уже ожидали невероятного результата, но проходили года, а воз и ныне там.

Кроме реальных исследований и результатов, имеется место и для удивительных мечтаний. Одной из задач синтетической биологии является создание системы так называемых «биокирпичей». Из них можно будет собирать новые организмы также легко, как и в детском конструкторе. В ближайших планах «юных» конструкторов – создание бактерии, которая может обнаружить ядовитые вещества и взрывчатку «по запаху»(по крошечным частицам, которые витают в воздухе). Также верят в создание микробов, которые смогут уничтожать пластиковый мусор.

Многим ученым последние открытия буквально кружат голову. «Генетическому коду уже 3,6 млрд лет. Пора его переписать!» - заявляет профессор Массачусетского технологического института Том Найт. Муж уже упомянутой Кристины Смолке, доктор Дрю Энди настроен еще более решительно: «К черту природу! Давайте построим новые живые системы, которые нам будет проще понять, так как мы их сами создали.» Это не такие уж и пустые и просто громкие слова. Дрю Энди несколько лет назад «переписал» природный вирус Т7, выпустив его облегченную версию. Вирус был избавлен от «ненужной» сложности, хотя при этом обладает главным своим свойством – успешно инфицирует клетки.

В ходе исследований ученые все дальше отходят от канонических форм научного познания. Астробиологи NASA в декабре 2010 года сумели получить бактерии, которые функционируют без фосфора – одного из стандартных элементов, на которых держится земная форма жизни. В качестве замены был использован мышьяк. Утверждение о том, что в клеточной структуре должен быть фосфор, а без него жизнь невозможна, являлось догмой для биологов всего мира. Этот эксперимент подрывает устои традиционной биологии, заставляет людей понять, что их знания об этом мире ничтожны. Стин Расмуссен пытается вовсе отойти от ДНК, заменив ее пептидно-нуклеиновой кислотой(ПНК). Эта молекула будет расположена не внутри клетки, а снаружи. Так клетке будет легче питаться и дышать, утверждают ученые.

Подобные эксперименты и заявления ученых вызывают порой очень гневную реакцию в обществе. Папа Римский уже несколько лет порицает исследователей, «изменяющих саму грамматику жизни, составленную Богом». Кроме того, ученым препятствуют жесткие законы, которые направлены на сдерживание их слишком буйной фантазии.