«Конструктор» для биологов

Помните, в известной песенке ученик чародея хотел вызвать грозу, а получил козу, да еще розовую? В подобное положение время от времени попадают и биологи. Тем не менее, наука о живом, похоже, вступает в новую фазу. Не переставая изучать различные формы жизни, она начинает их… конструировать.

Библиотека биолога

Самый, пожалуй, удивительный «конструктор» в мире можно увидеть в лаборатории Дрю Энди, биолога из Массачусетского технологического института (МТИ).

Для непосвященного это просто ряды флаконов с прозрачной жидкостью. Однако в них не просто водичка; в биологическом растворе содержится та или иная копия одного из сегментов ДНК, которые способны сами выполнять какую-либо функцию или могут использоваться живой клеткой для синтеза белка. А если слить вместе содержимое хотя бы некоторых из этих флаконов в определенной последовательности, есть шанс получить нечто удивительное.

Конечно, сказать куда легче, чем проделать — ведь биологи, что ни говорите, все-таки имеют дело с живыми организмами. Тем не менее, опыт уже показывает, что BioBricks (так исследователь называет «детали», содержащиеся во флаконах) можно создавать и хранить по-отдельности до поры до времени, чтобы потом соединять друг с другом и получать крупные сегменты ДНК.

Правда, «склеить», скрепить отдельные фрагменты так, чтобы каждый элемент начал функционировать, то есть оказался способен посылать и принимать биохимические сигналы от своих партнеров, получается далеко не всегда. Однако Энди полагает, что научатся делать это без ошибок.

Для того чтобы добиться желаемого результата, он и его коллеги накопили целый арсенал приемов. Воздействуют на биологические растворы химическими добавками, используют для активизации фрагментов электромагнитные поля, ультрафиолетовое и инфракрасное излучение, даже радиацию…

Так постепенно, методом проб и ошибок ученые строят фундамент нового направления в генной инженерии — синтетической биологии. Они учатся создавать искусственные живые системы, которые смогут обладать заранее заданными свойствами. Заменяя детали ДНК, а в некоторых случаях просто используя расширенный или измененный генетический код, исследователи получают результаты, принципиально недостижимые методами обычной биологии.

Дрю Энди и его «библиотека».

Споры о генетическом «алфавите»

Начало синтетической биологии, напомним, было довольно скромным. В 1989 году Стивен Беннер, работавший тогда в одной из исследовательских лабораторий Цюриха, создал искусственную ДНК, содержащую, кроме четырех известных «букв» генетического алфавита — аденина, гуанина, цитазина и тимина — еще две, ранее неизвестные.

Работа Беннера вызвала жаркие споры. Его сторонники полагали, что ученый осуществил своего рода революцию в биологии. До сих пор генетики манипулировали лишь отрезками генов, переставляя их местами или заменяя одни на другие. То есть они как бы редактировали некий текст, переставляя и заменяя в нем лишь некоторые «слова». Беннер же предложил модернизировать саму азбуку, добавив в генетический алфавит новые, ранее неизвестные буквы, расширив тем самым его возможности в образовании новых слов.

Оппоненты же полагали такую модернизацию излишней. Уж если природа ограничилась в своей генетической азбуке всеми четырьмя буквами, значит, этого вполне достаточно. Ведь даже при этом, казалось бы, ограниченном наборе комбинации генов в ДНК исчисляются невероятно большими числами.

Однако Беннер и его сторонники не сдавались. И напомнили, что некогда люди считали вполне возможным обходиться лишь натуральными волокнами — льном, хлопком, пенькой, паутиной, наконец… Но когда химики синтезировали нейлон, капрон, дакрон, тефлон и другие синтетики, оказалось, что и они вовсе не лишние. Так что и природу можно бы сделать богаче.

Схема работы биологического миноискателя. Как видите, на рисунке все выглядит довольно просто.

Первые синтетические

Споры, впрочем, через некоторое время утихли сами собой. Выяснилось, что мало придумать новые генетические «буквы», «сконструировать» с их помощью новые «слова» — в данном случае, новые структуры ДНК.

Нужно еще, чтобы эти слова-структуры прижились. Ведь чтобы заработала радиосхема, недостаточно собрать в горсть радиодетали. А в природе все сложнее. Многие из новых, синтетических ДНК попросту не функционировали, никак не хотели вырабатывать белки. Лишь в самом конце прошлого столетия Питер Шульц из Океанографического института Скриппса, США, смог вырастить клетки, которые начали синтезировать аминокислоты, отличавшиеся от природных, и соединяли их друг с другом с образованием необычных белков. А дальше — больше.

В 2000 году появились две научные публикации, рассказывающие о создании синтетических «механизмов», полученных путем встраивания нуклеотидных последовательностей в однотипные клетки бактерии Escherichia coli (обычного представителя кишечной флоры человека). Причем, несмотря на одну и ту же схему построения, «механизмы» эти выполняли совершенно разные функции.

Так, устройство Майкла Эловица и Станислауса Лейблера из Принстонского университета, состоявшее из трех взаимодействующих генов, заставляло ритмично вспыхивать несущую его клетку. То есть, говоря попросту, сама клетка становилась похожей на крошечную лампочку елочной гирлянды или на «фонарик» светлячка.

А Джеймс Коллинз, Чарлз Кантор и Тимоти Гарднер из Бостонского университета сконструировали генетический тумблер, переключение которого из одной позиции в другую обеспечивала цепь отрицательной обратной связи из двух взаимодействующих генов. Таким образом, каждая бактериальная клетка, снабженная подобным устройством, приобретала свойства ячейки цифровой памяти.

Полученные результаты и воодушевили, и урезонили исследователей. Ведь на то, чтоб создать генетический тумблер, понадобился год, а на конструирование «подмигивающей» бактериальной клетки — два. Однако до сих пор никто не знает, как объединить эти два устройства, чтобы получить светящуюся бактерию, которая бы, подобно обычной лампочке, включалась и выключалась по команде.

Оборудование генетиков с каждым днем становится все сложнее.

Будущее начинается сегодня

«Лично я мечтаю, чтобы конструирование предсказуемых биологических систем из отдельных блоков стало обычным делом, — говорит Энди. — Предположим, я хочу создать организм, умеющий считать до 3000. Подхожу к полке с набором готовых генетических деталей, выбираю необходимые, соединяю их в определенном порядке — и через час, а еще лучше через несколько минут все готово!»

Правда, четыре года назад даже о существовании подобного рода элементов можно было только мечтать. А сегодня только у Энди их целый набор. И число флаконов все увеличивается…

Скажем, в прошлом, 2004 году Милан Стоянович из Колумбийского университета получил набор пробирок из ДНК-подобных молекул, которые способны играть на химическом уровне в известные всем «крестики-нолики».

Но это все — игрушки. Практическая цель биологов-синтетиков — создать генетические устройства, встраиваемые в клетки, которые бы могли выполнять практические задачи.

Одна из таких задач, к примеру, — изобретение биологического миноискателя.

Представьте, над минным полем пролетел дирижабль или вертолет и рассеял над ним множество мелких семян синтетического растения. Через 2–3 дня на поле, словно в сказке, стали появляться первые всходы. Некоторые из них отдают желтизной, а какие-то и вообще красные.

Оказывается, ДНК растений обучена реагировать изменением цвета всходов на присутствие в почве тринитротолуола — наиболее распространенной взрывчатки. И чем больше взрывчатки поблизости, тем более яркий цвет имеют всходы.

Словом, через неделю на засеянном поле проявляется карта минного заграждения, где красными кружками четко обозначены противопехотные мины. После этого их обезвредить намного проще. Ведь иначе два сапера за рабочий день могут разминировать всего 10 кв. м территории. А в одной только Африке, по самым скромным подсчетам, по полям рассыпано около 20 млн. противопехотных мин.

Именно такой видит конечную цель своей работы Хомм Хеллинга из Университета Дьюка, который уже сумел перенастроить природные сенсорные белки одной бактерии на связывание тринитротолуола. Теперь осталось встроить ген этой бактерии в наиболее подходящее быстрорастущее растение, чтобы получился биологический миноискатель.

По мнению Брайана Дэвиса из Научно-исследовательского фонда Южной Калифорнии, подобные разработки важны и для медицины, поскольку позволят создать белки, мгновенно разрушающие патогенные микроорганизмы или раковые клетки.

Другие исследователи намерены привлечь синтезированные бактерии, например, к уничтожению ядерных отходов, биологического и химического оружия. «Мы сконструировали микроорганизмы, способные адсорбировать на клеточной стенке тяжелые металлы, а также уран и плутоний, — сообщил один из разработчиков, Джей Каслинг, возглавляющий в Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли отдел синтетической биологии. — Насытившись опасными металлами, они выпадают в осадок, и в итоге мы получаем чистую воду».

В общем, как видите, задумок у ученых предостаточно. Заглядывая же далеко вперед, основоположники синтетической биологии видят перед собой, по крайней мере, три дороги, три пути дальнейшего развития своей науки.

Во-первых, у них теперь появляется возможность изучать организмы посредством их создания, «конструирования», а не только разложения или расчленения на части, как это делалось раньше.

Во-вторых, сама генная инженерия со временем, похоже, станет областью науки, которая будет способна создавать сложные биологические системы с уникальными, наперед заданными свойствами. Скажем, от той же козы, упомянутой вначале, можно будет получать пух не только розового, но и зеленого, фиолетового, да и вообще всех цветов радуги.

Наконец, в-третьих, исследователи уже сейчас думают о возможности создания неких киберов, которые соединят в себе лучшие свойства организмов и механизмов. Их можно будет послать на океанское дно или в жерло вулкана, они смогут жить хоть в адских условиях Венеры, хоть в холодном вакууме космоса, а соображать станут ничуть не хуже нас с вами…

Публикацию по иностранным источникам подготовил С.СЛАВИН

Кстати…

«ТЕЛЕГРАФ» КЛЕТОК

Сенсационное открытие сделали биологи из Великобритании. По их мнению, живые клетки для управления собственными генами пользуются подобием… азбуки Морзе!

Оказывается, что работа клетки, ее рост и размножение управляются различными генами, которые то включаются, то выключаются. Причем в качестве «выключателей» используются определенные сигнальные молекулы. Они движутся от нервной системы в определенном порядке, словно «точки» или «тире» некой телеграммы.

Теперь исследователи учатся читать подобные послания, чтобы затем создать лекарства, которые бы смогли «разговаривать» с больными клетками на их «языке».

Научиться по примеру природы получать из яйца взрослую птицу — мечта современных биологов.