Состязание с Богом: зачем биологи создают искусственные формы жизни05.02.2025 Биологи завершили создание самого сложного на сегодня существа с полностью искусственными генами. Это первый синтетический организм, относящийся к эукариотам — той же ветви живого мира, что и человек. Раньше ученые умели синтезировать только вирусы и бактерии, устроенные гораздо проще.
![]()
ДНК, идентичная натуральной
Человек уже давно вмешивается в ДНК живых организмов. Эра мутационной селекции началась еще в 1930-е и продолжается до сих пор. Радиация или химические мутагены вызывают громадное число случайных мутаций, некоторые из которых случайно оказываются полезными. Именно так выведены сорта культурных растений, которые экоактивисты считают натуральными и не содержащими ГМО.
Потом появилась генная инженерия. Специалисты аккуратно вырезают и вставляют отдельные гены в точно выбранное место, оставляя весь остальной геном нетронутым. Можно пересаживать гены между очень далекими друг от друга видами. Например, инсулин на фармацевтических фабриках производят бактерии, в которые пересажены человеческие гены. И все же донором гена до сих пор выступает живой организм.
Однако на наших глазах начинается новая эпоха — эпоха прямого синтеза ДНК из простейших компонентов. Ученые создают с нуля гены и целые геномы.
Сотворение жизни
Возможность создания искусственной ДНК не должна удивлять. В конце концов, ДНК — это химическое вещество. Нюанс в том, что это самое сложное химическое вещество в природе. В молекуле человеческой ДНК десятки миллиардов атомов. Для сравнения, в молекуле упаковочного полиэтилена — всего несколько тысяч.
Молекула ДНК — спираль из двух вьющихся друг вокруг друга нитей. Каждая нить состоит из повторяющихся звеньев, как поезд из вагонов или слово из букв. Напротив каждого звена одной нити расположено звено другой нити, так что длину молекулы удобно считать в парах звеньев, или, как говорят биологи, в парах оснований.
Первая молекула ДНК, способная выполнять биохимическую функцию, была синтезирована еще в 1970 году. Это был очень короткий — всего 77 пар оснований — участок генома дрожжей. С тех пор технологии синтеза ДНК развивались и удешевлялись.
В 2002 году был синтезирован полный геном вируса полиомиелита Получился вирус, способный заражать живые клетки. Его можно назвать первым синтетическим живым существом, хотя не все биологи признают вирусы живыми.
Следующий крупный прорыв состоялся в 2008-м. Ученые синтезировали полный геном бактерии Mycoplasma genitalium. У нее самый короткий геном среди существ, способных размножаться самостоятельно. В нем 583 000 пар оснований, меньше только у вирусов и бактерий, обитающих внутри чужих клеток. В тот раз ученые остановились на синтезе «голой» ДНК, не создавая самой искусственной бактерии.
В 2010 году наконец была создана первая бактерия с полностью синтетическим геномом. Биологи синтезировали геном M. mycoides (более миллиона пар оснований) и чуть-чуть подкорректировали его. В частности, экспериментаторы закодировали в ДНК имена и электронные адреса ключевых участников проекта. Полученный геном был пересажен в клетку бактерии другого вида — M. capricolum. Это можно назвать операцией по смене вида. Потомки, получившиеся после деления «прооперированной» клетки, выглядели и вели себя как натуральные M. mycoides. Искусственное происхождение ДНК не мешало им расти и размножаться.
В 2016 году та же научная группа отчиталась об еще более смелом эксперименте. Ученые уменьшили геном «синтетических» M. mycoides почти вдвое, удалив все гены, кроме самых необходимых. Получилось живое существо, не имеющее аналогов в природе. Правда, мини-версия бактерии размножалась гораздо медленнее своего природного прототипа. Но спустя много поколений она сократила этот разрыв за счет естественной эволюции.
Победа над сложностью
Еще в 2006 году другая группа ученых взялась за создание первого синтетического генома гораздо более сложной клетки, чем бактериальная.
Геном типичной бактерии редко превышает 5 млн пар оснований. Он умещается в одну молекулу ДНК, и, соответственно, одну хромосому. Эта хромосома плавает прямо во внутриклеточной среде: у бактерии нет ядра, как и других органов (точнее, органелл). В целом бактериальная клетка довольно проста, хотя и удачно скроена.
Совсем другое дело — клетки эукариот, к которым относятся все многоклеточные и многие одноклеточные организмы. У них есть ядро и другие органеллы, одни из которых снабжают клетку энергией, другие синтезируют белки, третьи убирают отходы жизнедеятельности. У многоклеточных еще и сами клетки разные, специализированные под свои задачи: нервные, мышечные и т.д. За всю эту сложность приходится расплачиваться длиной генома. Так, в клетке человека 46 хромосом, а в нашей ДНК более 3 млрд пар оснований.
Разумеется, биологи не стали замахиваться сразу на человеческую клетку. Они взяли за основу пекарские дрожжи — одноклеточные грибы Saccharomyces cerevisiae. Проект по созданию первого эукариота с синтетическим геномом получил название Saccharomyces cerevisiae 2.0 (Sc 2.0).
У природных дрожжей 16 хромосом и 12,5 млн пар оснований. Но исследователи поставили перед собой даже более сложную задачу, чем просто скопировать натуральный геном. Они сократили его на 8%, выбросив «сломанные» и вредные участки ДНК. Некоторые фрагменты были изъяты из 16 обычных хромосом и перенесены в неохромосому, не имеющую аналогов в природе. В геном было внесено еще несколько поправок, дабы облегчить его дальнейшее редактирование. Но самое главное, что вся ДНК в клетке должна быть синтезированной.
Теперь этот многолетний проект завершен. В недавней статье ученые отчитались о синтезе шестнадцатой и последней хромосомы, содержащей 903 000 пар оснований. Тем самым создан первый эукариотический организм с синтетическим геномом. Наработанный опыт поможет создавать более сложные клетки. В перспективе можно будет синтезировать с нуля геном растения, животного или человека.
Будни демиургов
Зачем ученым искусственная жизнь? Почему бы не удовлетвориться пересадкой генов от одного живого организма другому?
Нельзя исключать, что со временем создать искусственный геном будет просто дешевле, чем редактировать естественный. Синтез фрагментов ДНК длиной в тысячи пар оснований стал отработанной коммерческой технологией уже в 2010-е. Правда, сборка геномов из таких заготовок все еще остается экспериментами на переднем крае науки. Но в биотехнологиях передний край быстро становится глубоким тылом.
У ученых есть и исследовательский интерес. Инженеры давно знают простую истину: если хочешь понять, как работает механизм, попробуй его собрать. Создавая искусственные клетки, биологи гораздо больше узнают о том, как работают естественные.
Еще одно направление — химическая и фармацевтическая промышленность. Эксперимент по сокращению генома бактерии показал, что искусственные организмы могут быть устроены гораздо проще природных прототипов. А значит, будет легче модифицировать их под задачи вроде производства инсулина или других веществ.
Синтез вирусов пригодится в производстве вакцин, и подобные эксперименты уже проводились. Правда, он открывает широкие возможности и для создания биологического оружия. Любые технологии — это палка о двух концах.
В далекой перспективе возможно конструирование принципиально новых видов растений и животных. Остается только гадать, как это может изменить нашу жизнь.
Источник: FORBES
Комментарии:Пока комментариев нет. Станьте первым! |