Сотворение жизни
Шесть способов изобрести жизнь заново
Желание человека сотворить жизнь насчитывает не одно столетие. Но сделать это было непросто, пока ученые были уверены, что мухи самозарождаются из гниющего мяса, лягушки — из тины, а мыши — из грязных тряпок. Рецепт жизни оказался сложнее, а ученым пришлось проделать долгий путь от алхимии к синтетической биологии — науке о проектировании и создании новых организмов, не существующих в природе. Но чем искуснее становятся исследователи, тем с большей опаской и недоверием люди поглядывают на «игры в бога»: что если наши творения выйдут из-под контроля?
1 Оживший бульон
Теория
4,5 миллиарда лет назад Земля была безжизненным каменным шаром, раскаленная и булькающая поверхность которого бомбардировалась метеоритами. Остается загадкой, как в таком негостеприимном месте, даже если оно слегка подостыло, возникла химическая основа жизни — ДНК, РНК и белки. И тем более непонятно, как из этих молекул могла возникнуть живая клетка. Но непонятно — не значит непознаваемо. Первую теорию появления жизни на нашей планете выдвинул советский биолог Александр Опарин. Он предположил, что жизнь зародилась в «первичном бульоне», который под воздействием солнечного тепла и молний сварился на кухне древней Земли из незатейливой смеси газов и воды. Этот суп содержал основные молекулы-кирпичики жизни, которые прошли несколько этапов химической эволюции, прежде чем превратиться в белки, углеводы, жиры, РНК и ДНК. И если уж приступать к созданию жизни, то именно с приготовления этого первого блюда.
Практика
По рецепту Опарина в 1953 году первичный бульон сварили Гарольд Юри и Стэнли Миллер. В полуподвальной лаборатории ученые две недели гоняли по колбам, грели и шарахали током смесь аммиака, метана, водорода и водных паров, воссоздавая жуткие погодные условия древней Земли. После окончания эксперимента в жидкости из колбы были обнаружены аминокислоты — основные структурные единицы белков. В оригинальном эксперименте было обнаружено всего пять аминокислот, однако при последующих его повторениях нашли полный набор — 20 аминокислот. Если усложнить опыт Миллера-Юри, то суп получится разнообразнее и наваристее: там можно обнаружить все виды биологических молекул.
Зачем?
Эксперимент Миллера-Юри стал первой попыткой человека приблизиться к созданию искусственной жизни. Но несмотря на то, что он заложил основу будущих исследований, сам опыт сейчас столкнулся с серьезной критикой. Геохимики и биохимики доказали, что первичная атмосфера была совсем не похожа на смесь газов в колбах Миллера: водород оказался лишним, а вот кислорода недоставало (геологические данные свидетельствуют, что с самых ранних пор, то есть 3,7 миллиарда лет назад, атмосфера Земли уже содержала кислород).
Страшно?
Смесь органических веществ сама по себе ничем не угрожала человечеству. Опасной оказалась «святая вера» в эксперимент Миллера-Юри. В 1982 году участники конференции о происхождении жизни объявили, что раз опыт показал первый шаг происхождения жизни, то древняя атмосфера, должно быть, состояла из заявленной в эксперименте смеси газов. После этого противоречащие господствующей теории геологические и биохимические данные просто игнорировали. В результате ученые сами заперли себя в ловушку: ошибочная догма подменила эмпирическую науку на несколько десятков лет.
2 Не бульон, а майонез
Теория
У первичного бульона есть проблема: там нет границ, которые могли бы отделить первую живую клетку от окружающей среды. В таком растворе белки, ДНК и РНК просто расплываются и не могут эффективно взаимодействовать. Первая клетка должна была научиться строить стенки, чтобы держать оборону своих молекул. У современных живых организмов такую границу образует двойной слой особых жиров-липидов. Гарольд Моровиц предложил модель, которая позволяла объяснить, как «до»-жизнь избежала разбегания молекул: его идея носит название «модель первичного майонеза». Она предполагает, что примитивные клеточные границы существовали с древнейших времен: в бульоне обособились мелкие жировые пузырьки — протоклетки, в которые забрались остальные молекулы жизни. Эти протоклетки — недостающее звено в эволюции от неживого к живому.
Практика
Мартин Ханцик, исследователь из Университета Южной Дании, получил очень правдоподобные протоклетки из смеси капель масла в воде. Подобно волшебнику он заставил капли оживать: они приходят в движение благодаря передаче тепла, способны расти, размножаться, поглощать «сырье», реагировать на кислотность среды и даже эволюционировать. Что еще удивительнее, капли стараются не сталкиваться друг с другом, что предполагает наличие химического «языка», на котором они общаются. Такое «живое» и сложное для масла поведение появляется при добавлении молекулы масляного ангидрида (синтетического компонента моющих средств). Еще одну версию протожизни создала группа биологов из Токио в 2011 году. Ученые перемешали в пробирке ДНК и липиды. Молекулы слипались таким образом, что вокруг генетического материала образовывалась жировая «шубка» и получался пузырек с ДНК-начинкой. Когда ученые заставляли ДНК удваиваться и добавили в пробирку порцию жиров, образовывались новые протоклетки.
Зачем?
Создание примитивного предка — в первую очередь подтверждение существующих теорий зарождения жизни. Кроме того, ученые могли бы провести созданную протоклетку по «нехоженой» тропе эволюции и получить новую форму жизни.
Страшно?
Это самые безобидные эксперименты. Дело в том, что существующие в лабораториях протоклетки напоминают заводные часы: они не способны «заводить» собственный механизм жизни. Чтобы сохранять химическую активность, им нужен заботливый лаборант, который будет регулярно добавлять вещества в пробирку. Однако ученым решительно не нравится несамостоятельность протоклеток, и они усиленно работают над решением проблемы. Например, в 2013 году группа ученых из Чикагского университета собрала систему, которая позволит протоклеткам получать энергию из солнечного света. А чем решит заняться самостоятельная клетка, предсказывать, увы, сложно — и даже немного страшно.
3 Как создать Чужого
Теория
ДНК является важнейшим элементом живого — инструкцией по сборке организма. Молекула жизни состоит из четырех химических соединений: азотистых оснований аденина, тимина, гуанина и цитозина (сокращенно А, Т, Г, Ц). Информация о белках в ДНК кодируется с помощью сочетаний этих букв, складывающихся в трехбуквенные «слова», каждое из которых кодирует аминокислоту — одно звено в молекуле белка. Из этих букв и «слов» складывается длинное-длинное «стихотворение» — так клетка кодирует состав белков, которые определяют большинство свойств живого: от обмена энергии до взаимодействия с окружающей средой. С помощью нехитрого четырехбуквенного алфавита природа умудрилась составить инструкции для всего живого: и бактерии, и пингвина, и человека. Генным инженерам приходилось мириться с жесткими «грамматическими правилами» жизни: как и в любом языке, в ДНК недопустимо «слово», содержащее несуществующую букву. Однако биологам все же удалось расширить «алфавит».
Практика
С алфавитом жизни успешно играет Флойд Ромсберг из Исследовательского института Скриппс. В 2014 году ученые придумали дополнительные азотистые основания X и Y. В январе 2017-го встроили их в геном кишечной палочки. Бактерия с расширенным геномом живет, делится и успешно передает дальше диковинные X и Y. Введение всего лишь двух новых букв, комбинация АТГЦ + XY, увеличивает гипотетическое число аминокислот с 20 до 172, что невероятно расширяет возможности синтетической биологии.
Зачем?
С новым словарем ДНК человек может написать инструкции к несуществующим в природе белкам с уникальными функциями, получив, например, улучшенные антитела для лечения рака или белки, убивающие определенные бактерии. Кроме того, можно попытаться создать организмы, существующие на основе другого «алфавита» — такие гипотетические формы жизни получили название ксенобиологических. Но пока что эксперимент — демонстрация наших возможностей. Только представьте: люди взяли и изменили генетический код, который жизнь использовала 3,5 миллиарда лет!
Страшно?
Так как ксенобиологические организмы используют другие пары азотистых оснований и ферменты, они представляют собой закрытую систему, которая вряд ли будет способна взаимодействовать с природными видами на уровне генов. Например, вирусы не смогут подселиться к хозяину с расширенной ДНК, а значит, не смогут его убить. Это не очень хорошо: выключается один из механизмов регуляции численности организмов. Это особенно опасно для бактерий, чьи популяции в первую очередь сокращают вирусы. Уже известно, что бактерия с расширенным геномом продемонстрировала повышенную устойчивость к вирусу бактериофага Т7. Но важно понимать, что «изоляция» ксенобиологических видов также увеличивает их биобезопасность: становится невозможным горизонтальный перенос генов (процесс, в котором организм передает генетический материал другому организму, не являющемуся его потомком) и снижается опасность для здоровья человека.
4 Синтия — первое искусственное живое существо
Теория
Самое короткое «стихотворение»-геном принадлежит бактерии микоплазме и составляет около 500 генов, а вот «инструкция» для человека расползлась уже на 28 тысяч. При этом мы не очень-то хорошо представляем, какие части всей этой писанины ДНК необходимы для жизни, а какие можно выкинуть или изменить. И прежде чем писать инструкции к новым организмам, тем более с помощью нового «алфавита», ученым придется разобраться с «сочинениями» на старом. Хорошо бы определить минимальный набор генов, необходимых для базовых функций жизни: роста и развития. Но найти основу в тысячах генов, функции большей части которых неизвестны, не так-то просто.
Практика
Разобраться в проблеме пытается группа Крейга Вентера. За 15 лет ученые вдоль и поперек изучили ДНК бактерии микоплазмы. В 2010 году биологам удалось «списать» геном бактерии полностью. Бактерия с ласковым прозвищем Синтия (штамм JCVI-syn1.0) стала первой, чей геном полностью синтезировал человек. Затем ученые по очереди выключали гены, и если бактерия обходилась без гена, его удаляли как незначимый. В итоге биологи умудрились сократить геном вдвое. В джентльменском наборе генов половина была связана жизненно важными генетическими механизмами, но оставшиеся выполняли неизвестные функции и являлись, можно сказать, «секретным ингредиентом» живого. Наконец, в 2016 году ученые синтезировали этот «краткий пересказ» ДНК-инструкции к микоплазме и вставили ее в оболочку от другой клетки. Получилась бактерия Синтия 3.0, синтетическая ДНК которой полностью контролирует клетку.
Зачем?
В каркас из базовых генов можно встраивать дополнительные участки, например гены, ответственные за производство лекарств, синтез топлива, очистку экологических загрязнений. Кроме того, исходная простота такой ДНК поможет лучше контролировать систему.
Страшно?
Амбициозный проект уже успел обрасти мифами. Ходили слухи, что в 2011 году ученые запустили модифицированную Синтию в Мексиканский залив, чтобы та съела разлившуюся при аварии нефть и предотвратила экологическую катастрофу. Однако потом бактерия якобы перестала питаться нефтью и обернулась жуткой плотоядной тварью, нападающей на морских животных. Едва ли эта история правдива, но она намекает, что общество не очень готово выпускать лабораторных монстров на волю.
5 Оживить неживое
Теория
Основой жизни и органических молекул является углерод. Но могла ли жизнь выбрать другую химическую основу? Кандидатами на этот почетный пост считаются кремний, азот, фосфор и бор. Особенно популярным в альтернативной биохимии является кремний, так как по количеству химических связей и способности соединяться в цепочки полимеров он очень похож на углерод. Кроме того, кремний — один из самых распространенных элементов на Земле; в земной коре его в 150 раз больше, чем углерода, он входит в состав песка и буквально валяется под ногами. Если бы ученым удалось создать кремниевую или основанную на азоте жизнь, им бы, по сути, удалось оживить неживое: ведь все эти элементы относят к неорганическому миру мертвой материи.
Практика
Кремниевая жизнь, которую предсказывали фантасты, развивается прямо у нас под боком: весной 2017 года ученые из Калифорнийского технологического института научили кишечную палочку синтезировать кремнийорганические молекулы — полимеры из кремния и углерода. Для этого они внесли мутации в один из бактериальных белков — цитохром. Возможно, позже ученым удастся перевести бактерию исключительно на кремниевую химию жизни. Но калифорнийские исследователи все-таки работали со знакомым органическим живым миром, в который лишь частично включали кремний. А вот Ли Кронин из университета Глазго осмеливается превратить в живое существо исключительно мертвую материю — металл. Используя полиоксиметаллы (комплекс металлов с кислородом и фосфором), с помощью химических реакций он создает «неорганические химические клетки» (iCHELLs). Ученые вынуждают iCHELLs соревноваться за энергетические ресурсы (электроны) и право существовать, эволюционировать и самовоспроизводиться. Так исследователям удалось создать что-то похожее на жизнь из металла, совсем на жизнь не похожего.
Зачем?
Эти эксперименты выходят далеко за рамки синтетической биологии: исследователи пробуют доказать существование альтернативной биохимии. Построение таких живых систем помогает нам понять, как возникла жизнь на Земле. А также может послужить подтверждением возможности существования где-нибудь во Вселенной живых существ, чья жизнь заточена под другую химию.
Страшилка
Биохимики признаются, что бродят по совершенно неизвестной научной местности с непредсказуемыми последствиями. Ли Кронин, например, в своем публичном выступлении говорит: «Если мы собираемся оживлять мертвую материю, грозит ли нам опасность? Вопрос серьезный: если письменные ручки смогут размножаться, это станет проблемой».
6 Тупые коровы, ленивые каннибалы и отшельники
Теория
Может показаться, что до создания альтернативных форм жизни еще очень далеко. Но что если сменить носитель жизни с химического (растворов сахаров, белков) на цифровой? Компьютерные программы и вирусы напоминают живых существ: в их основе лежит подобие ДНК-цифрового кода, который они могут копировать и исправлять, то есть, по сути, размножаться и эволюционировать.
Практика
Создать необычную жизнь удалось еще в 1970 году, когда английский математик Джон Конвей придумал цифровую игру «Жизнь». В этой компьютерной модели на бесконечной разделенной на клетки плоскости проживают цифровые существа. Каждая клетка может быть «живой» и «неживой»: если трое ее соседей «живые», то и в пустой зарождается жизнь; напротив, если соседей у клетки менее двух, она погибает от одиночества и тоски. Цифровые животные ведут себя как популяции примитивных организмов вроде бактерий, а вариации игры могут повторить эволюцию видов. Например, в модели «ПолиМир», созданной Ларри Ягером, цифровым существам разрешалось перемещаться и взаимодействовать с другими клетками (скрещиваться или нападать на них). В итоге сформировались три стратегии: «тупая корова», «ленивый каннибал» и «жизнь на краю мира». «Тупые коровы» двигались прямолинейно, поедая что попало и скрещиваясь со всем на своем пути. «Ленивый каннибал» предпочитал крутиться на месте, поджидая, когда мимо проплывет кто-нибудь подходящий. Отшельники же циркулировали «на краю мира», где находили пищу и потенциальных партнеров. Еще одну программу, показавшую эволюцию алгоритмов, в конце 80-х создал тропический эколог Том Рей. Его цифровые организмы, размещенные в памяти компьютера, копировали сами себя, что приводило к конкуренции за свободное пространство на жестком диске и последующему взрыву «видообразования» программ.
Зачем?
Так как алгоритмам приходится конкурировать за цифровую память — они эволюционируют, а наиболее изящные решения начинают доминировать в цифровой популяции. То есть если правильно задать исходные правила существования «живых» алгоритмов, в итоге самым многочисленным станет лучшее решение — будь то конструкция крыла самолета, модель химического вещества или распределение лекций по аудиториям. Так что эволюционирующие программы можно применять для широкого круга сложных задач.
Страшно?
Доклад Тома Рея об эволюции в «Жизни» произвел фурор. Не только потому, что было сделано нечто выдающееся, но и потому, что все растревожились: тогда только появились первые компьютерные вирусы, и казалось, что соединение эффективной эволюции с вредоносностью вирусов может привести к катастрофическим последствиям. Но восстание программ все никак не начинается…
В коллаже использованы фотографии: Luis Santos/Фотобанк Лори, Rael Garcia Arnes/CC BY-NC 2.0/Flickr
Фотографии: В. Козлов/РИА Новости; Борис Кауфман/РИА Новости; Джон Конвей; Tom Deerinck, Mark Ellisman/ National Center for Microscopy and Imaging Research/University of California
Хочешь стать одним из более 100 000 пользователей, кто регулярно использует kiozk для получения новых знаний?
Не упусти главного с нашим telegram-каналом: https://kiozk.ru/s/voyrl