Техно

Когда человечество переделает природу под себя

Создав синтетические новые живые организмы, мы сможем победить болезни, создать дешевые источники энергии и породить монстров, способных убить все живое

Фото: Shutterstock

"Генетическому коду уже 3,6 млрд лет. Пора его переписать!" - заявляет профессор Массачусетского технологического института Том Найт. "К черту природу! Давайте построим новые живые системы, которые нам будет проще понять, так как мы их сами создали", - самонадеянно заявляет доктор Дрю Энди, который "переписал" природный вирус Т7, выпустив его облегченную версию. Так реагируют ее сторонники на последние достижения синтетической биологии, позволяющей проектировать и выстраивать несуществующие в природе биологические функции и системы. Некоторые скептики из научного мира и сейчас считают это направление дорогостоящей блажью: например, на создание первой искусственной бактерии ушло 15 лет и сотни миллионов долларов. И все же, по оценке экспертов Global Industry Analysts, объем мирового рынка синтетической биологии уже составляет сейчас порядка $4,7 млрд, а к 2016 г. он вырастет до $11 млрд. В чем не приходится сомневаться, учитывая объемы финансовых вливаний, которые делают в это направление ведущие мировые концерны.

Как человечество играет в Создателя

Первые реальные достижения синтетической биологии появились совсем недавно: в конце 2010 г. в американском Институте Крейга Вентера была создана первая бактерия с полностью синтетическим геномом. Чтобы оживить мертвую материю, ученым понадобилось 15 лет. Что, в общем-то, понятно, учитывая филигранность процесса. Например, достаточно было исследователям допустить всего одну ошибку в молекуле из 1,08 млн пар нуклеотидных оснований, чтобы клетка не ожила.
Впрочем, это лишь начальный этап. Главная идея - получить организм с минимальным геномом, то есть имеющий только самые необходимые для существования функции (питание, рост, размножение). Именно такая бактерия с минимальным геномом должна стать базой для конструирования любых организмов. Добавляя в геном новые участки, можно будет получать микроорганизмы с заданными качествами, скажем, выделяющие в процессе жизнедеятельности спирт, или молекулы полимеров, из которых можно делать пластмассу. Другой вид сможет пожирать определенные вирусы или клетки живых организмов (например, раковые). Синтетическая биология фактически стирает грань между живыми и искусственными организмами. Нередко, правда, новые биологические конструкции создаются ради самого создания. Например, специалисты NASA вывели бактерии, функционирующие без фосфора: его в клеточной структуре заменил мышьяк. С чисто научной точки зрения открытие сенсационное, с практической, абсолютно "пустое".

Энергетика будущего перейдет на водоросли

Впрочем, большинство разработок синтетической биологии ведется в весьма конкретных направлениях, одно из которых - поиск эффективного альтернативного топлива. Подобные исследования активно финансируются Штатами. В частности, министерство энергетики США ежегодно выделяет от $80 млн до $115 млн в разработки Крейга Вентера. Еще в 2009 г. Вентер и его компания заключили договор с нефтегазовым гигантом ExxonMobil по разработке дешевого и экологически безопасного топлива. Цена вопроса - $600 млн. 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. Ожидается, что на промышленную основу подобные технологии можно будет поставить через 15-20 лет. Кроме ExxonMobil, на новые возможности посматривает и еще один гигант - BP. В сотрудничестве с Royal Dutch Shell и Martek Biosciences компания создала многомиллионную исследовательскую программу по поиску источников энергии, производимой искусственно созданными организмами. Хотя пока о прорыве в этом направлении говорить рановато.

Синтетическая биология фактически стирает грань между живыми и искусственными организмами

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%. Низкий КПД - не единственное препятствие для промышленного использования такого метода. Колония бактерий просто уничтожит себя тем же электричеством, которое выделит.
Перспективным считается сейчас создание бактерий, выделяющих 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. Исследователи попытаются соединить полезные свойства нескольких видов, обойдя таким образом препятствие.

Неопасные комары и вкусные стейки

Более ощутимы наработки синтетической биологии в сельском хозяйстве. К примеру, китайские ученые из Института генетики и биологии развития в Пекине вывели овец с повышенным содержанием в мясе жирных кислот Омега-3. Достаточное количество этого вещества обеспечивает нормальный уровень холестерина в крови, способствует укреплению костной ткани, предотвращает депрессию и хроническую усталость. Ученые Калифорнийского университета смогли повысить устойчивость растений к засухе и низким температурам. А команда исследователей из Университета МакГилла в Канаде разработала способ влияния на развитие организма, чтобы корректировать проявление у него определенных характеристик. Это позволит в будущем создавать организмы с нужными свойствами (к примеру, коров с большей мышечной массой и сильным иммунитетом).

Фактически новые биологические организмы создаются не только для решения продовольственных проблем. Например, с их помощью специалисты пытаются лечить малярию, от которой в Африке ежегодно умирает около 2 млн человек. Ученые из Калифорнийского университета в Ирвине и французского Центра Пастера создали комаров с искусственными генами, обладающих повышенной сопротивляемостью возбудителю самого смертоносного типа малярии - Plasmodium falciparum. Крупные популяции модифицированных насекомых распространили в главных очагах заражения, и они постепенно заменили диких носителей инфекции. Параллельно биологи из австралийских университетов Квинсленда и Мельбурна и американского Университета Северной Каролины создали комаров, устойчивых к вирусу лихорадки денге и выпустили их в двух районах на северо-востоке Австралии. Спустя несколько месяцев в этой местности почти не осталось зараженных комаров - их вытеснили "искусственные". Аналогичные разработки проводят биологи бразильского Исследовательского института Fiocruz, ученые Вьетнама и Индонезии.

"Одно из направлений синтетической биологии, которым мы занимаемся, - конструирование искусственных молекул, обладающих свойствами ДНК, но состоящих из шести молекул. Разработки, которые применяются в медицине, приносят нам $100 млн 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 из Калифорнийского университета в Сан-Франциско и Кристина Смолке из Стэнфордского пошли еще дальше. Они создают бактерии-симбионты, которые смогут жить в человеческом организме. Сейчас ученые выводят бактерии-убийцы, которые не только находят, но и уничтожают рак.

Фото: wallpapersdesk.net

Когда планету заселят монстры

Как будет выглядеть окружающая среда в ближайшем будущем с развитием синтетической биологии, трудно пока и представить. О глобальности возможных перемен можно создать представление по последним открытиям в этой области. Например, биологам Исследовательского института Скриппса в Калифорнии удалось воссоздать живую клетку с использованием двух новых искусственных "блоков", которые ранее не присутствовали в ДНК. В результате получили настоящую живую клетку, обладающую расширенным запасом генетической информации. Ее внедрили в живые организмы, чтобы их клетки развивались и самовоспроизводились, сохраняя новую генетическую информацию. Экспериментом уже заинтересовались крупные фармацевтические компании и оборонные структуры.

Стин Расмуссен из американской Государственной лаборатории в Лос-Аламосе пытается вовсе отойти от ДНК, заменив ее пептидно-нуклеиновой кислотой (ПНК). Эта молекула будет расположена не внутри клетки, а снаружи, что, как считают ученые, облегчит клеточное питание и дыхание. Специалисты из университета Глазго под руководством знаменитого профессора Ли Кронина занимается созданием неорганических аналогов живых клеток iCHELL (Inorganic Chemical Cells). Несмотря на то что они состоят из металлов с примесями молекул других соединений, iCHELL демонстрируют поведение, присущее обычным живым клеткам, входящим в состав сложных биологических организмов. Британские специалисты из Медицинского исследовательского совета создали из несуществующего в природе искусственного генетического материала ферменты XNAzymes, способные хранить и передавать генетическую информацию, как это делает ДНК. Автор исследования, доктор Алекс Тейлор, говорит, что создание сначала синтетической ДНК, а затем ферментов из несуществующего в природе материала позволяет формировать организмы из совершенно альтернативного, не похожего на человеческий, набора молекул.

Разумеется, сторонники синтетической биологии предпочитают говорить о пользе своих открытий и сбрасывают со счетов связанные с ними риски. Тем не менее такие риски существуют, и их масштабы непредсказуемы. Доктор Хелен Уоллес из британской организации Genewatch UK, контролирующей исследования в области генетики, говорит, что если выпустить новые организмы в окружающую среду, то вреда от них может быть больше, чем пользы. Ведь никто на самом деле не знает, как такие организмы поведут себя в естественной среде и как повлияют на природные сообщества.

Экологи "зеленой" исследовательской организации ETC Group заявляют, что правительство ни одной из стран мира не готово к регулированию "синтетических" разработок. Опасность состоит также в том, что, получив возможность максимального контроля над биологической жизнью, люди могут создать мощнейшее биологическое оружие и использовать его отнюдь не в мирных целях. По словам директора Международной ассоциации биоэтики Дженнифер Миллер, с развитием синтетической биологии и появлением новых технологий по созданию искусственных организмов появится новая категория преступников - биологические террористы, противостоять которым общество пока не готово.

Опубликовано в ежемесячнике "Власть денег" за июль-август 2015 г. (№7-8/432-433)