Глава 10. Жизнь под заказ

Когда мы создаем и пишем новое программное обеспечение для живых клеток, то как можно убедиться, что оно будет работать? Очевидный способ – попытаться на самом деле создать эту клетку, но пока что это относительно дорогой и долгий процесс, а если не получится, вы останетесь в недоумении – то ли проблема в самой программе, то ли в установках системы, которая превращает инструкции ДНК в реальность. В будущем компьютерное моделирование предложит способ проверить наши знания путем создания виртуальных клеток до того, как делать реальные. Роль компьютерного моделирования жизни сегодня больше, чем когда-либо прежде, и продолжает расти – отчасти из-за экспоненциального роста мощности компьютеров, отчасти потому, что современная биология уже оценила богатый урожай новой информации, приносимый быстро множащимися исследованиями такого рода. Последние двадцать лет, например, научное сообщество набирало все больше подробных данных по биологическим объектам, от системного анализа до изощренно сложенной трехмерной структуры белков. Разнообразие молекулярных машин с широким спектром функций изумительно, и мы узнаем все больше о том, как они взаимодействуют друг с другом и с другими клеточными компонентами. В результате этого потопа данных уже очень многое из основных жизненных процессов можно смоделировать in silico в дополнение к лабораторным экспериментам.

Компьютерной имитацией жизненных процессов уже десятилетиями занимается множество групп, применяющих модели разной степени сложности. В числе прочего моделируются и биохимические процессы – от генного регулирования до имитации метаболизма и синтеза белка. В Европе, например, проект Virtual Physiological Human («Виртуальная физиология человека») нацелен на моделирование в компьютере работы органов для создания виртуального тела. Чтобы успешно сделать это, участникам пришлось собрать воедино широкий круг сведений по физиологии, в том числе о десятках тысяч генов и их вариантов и о куда большем числе белковых компонентов, измененяющихся в ходе метаболизма.

Попытки моделировать органы и ткани предпринимались уже довольно давно. Первые математические модели сердечных клеток появились в 1960 году. К 1980-м показатели – электрические, химические и механические – сокращения клетки сердечной мышцы были довольно хорошо изучены, и стало возможно создать компьютерную модель биения клетки сердца. Три десятка уравнений описывают ключевые клеточные химические процессы, в частности работу ионных каналов, позволяющих сердечным клеткам порождать и проводить электрические сигналы. Увеличение мощности компьютеров с тех пор сделало возможным имитацию биения миллиардов таких клеток во всех четырех камерах виртуального сердца.

Опыты по имитации органов также направлены на мозг с его миллиардами взаимосвязанных нейронов. В рамках проекта Human Brain («Человеческий мозг») в Федеральной политехнической школе в Лозанне, на берегах Женевского озера, к 2008 году удалось имитировать микроконтур, состоящий из блока в десять тысяч клеток коры мозга – того тонкого слоя, с которым связаны самые интересные и продвинутые функции мышления. Для имитации человеческого мозга с его ста миллиардами нейронов понадобится не меньше десятка лет, и, начиная в 2013 году соответствующий проект, Еврокомиссия объявила, что потратит на него миллиард евро.

На более фундаментальном уровне было немало попыток создать in silico виртуальную клетку – динамическую биологическую систему в форме «живущей» программы, которая могла бы показать, как все процессы, идущие в живой клетке, функционируют вместе как одна система. Хотя я напрямую не участвую в этих проектах, они выиграли от работы моего института. Базовое знание и идеи, добытые нами в ходе наших исследований генома микоплазм, дали другим возможность создавать подробные модели клетки Mycoplasma в компьютере.

В 1990-х попытка воплотить наши данные по геному в «электронную клетку» была предпринята командой во главе с Масару Томита в Университете Кейо в японском городе Фудзисава. Когда группа в Кейо начала свой проект, было секвенировано всего восемнадцать организмов. Они считали, что беспрецедентное на тот момент количество доступной молекулярной информации по широкому спектру модельных организмов дало бы урожай в виде новых идей относительно внутриклеточных молекулярных процессов. Если имитировать их на компьютере, это позволило бы предсказывать динамическое поведение живых клеток. В компьютере было бы можно исследовать функции белков, взаимодействия между белками и белков с ДНК, регуляцию генной экспрессии и другие детали функционирования клетки. Другими словами, виртуальная клетка могла бы дать новые перспективы в исследованиях как программ жизни, так и ее материальной основы.

Весной 1996 года Томита и его студенты из Лаборатории биоинформатики в Кейо начали исследовать молекулярную биологию Mycoplasma genitalium (которую мы секвенировали в 1995-м) и к концу этого года учредили проект E-Cell («Электронная клетка»). Японская команда сконструировала модель гипотетической клетки всего со 127 генами, которых было достаточно для транскрипции, трансляции и производства энергии. Большинство использованных ими генов они «списали» у Mycoplasma genitalium. В свою модель команда заложила сеть метаболических взаимодействий этого гипотетического генома, в который входили двадцать генов тРНК и два гена рибосомальной РНК. Согласно принятым ими допущениям, клетка пребывала в нереально благоприятных внешних условиях.

Состояние модельной клетки в любой произвольный момент отображалось списком концентраций входящих в нее веществ, а также значений объема клетки, кислотности (pH) и температуры. Для моделирования программы ДНК команда использовала существующее программное обеспечение и разработала сотни правил, которые действуют для многих, но не всех метаболических путей M. genitalium, включая гликолиз, ферментацию лактата, поглощение глюкозы, глицерина и жирных кислот, синтез фосфолипидов, транскрипцию генов, синтез белка, работу полимераз и рибосом, а также деградацию белков и мРНК. Для пущей верности модель была сконструирована так, что ферменты и прочие белки спонтанно деградировали со временем, так что для поддержания «жизни» клетки они должны были постоянно синтезироваться.

Японская команда проводила эксперименты на виртуальной клетке как на «симуляторе двигателя», работающем примерно в двадцать раз медленнее живого организма. Они могли заставить клетку «голодать», убирая из питательной среды глюкозу. При этом они наблюдали, как количество АТФ временно возрастает, но затем резко падает до тех пор, пока клетка наконец не «умирает», исчерпав горючее-АТФ. Если глюкозу возвращали, виртуальная клетка могла оправиться или нет, в зависимости от степени ее истощения. Модель позволяла одним кликом мышкой воспроизвести – миллисекунда за миллисекундой – эффект выключения гена при разных концентрациях разных клеточных веществ. Клетку также можно было «убить», вырубив важный ген, например управляющий синтезом белка, в результате чего все ферменты постепенно деградировали и в конце концов полностью исчезали.

Но в то время, в конце 1990-х, задача связать разные уровни клеточных процессов – от работы генов до обмена веществ и далее – все еще была довольно трудной. Кроме того, формат модели Кейо в 127 генов был меньше «минимального набора генов», установленного нашими генными нокаутами и сравнением последовательностей наших двух первых секвенированных геномов. В результате модельная клетка оказалась «самоподдерживающейся», но неспособной к размножению; ей не хватало биохимических путей для репликации ДНК, генной регуляции и клеточного цикла. И конечно, в то время (как и сегодня), функции многих генов были еще неизвестны, так что для восполнения отсутствующих метаболических функций ученым приходится полагаться на догадки экспертов.

За десять лет со времени создания исходной «электронной клетки» японская команда ушла далеко вперед. Помимо постоянного улучшения модели, они начали моделирование человеческих эритроцитов, нейронов и других типов клеток, а также перешли к задачам, дополняющим работу по виртуальным клеткам, – таким как определение ответов E. coli на генетические и экологические проблемы. Эти работы показывают, что сеть метаболических взаимодействий внутри клетки чрезвычайно прочна благодаря ее избыточности.

Самая свежая работа на Mycoplasma genitalium была сделана в Америке системным биологом Маркусом Кавертом из Стэнфордского университета. Его команда использовала наши данные по геному, чтобы создать виртуальную версию, которая очень походила на живую микоплазму. Это достижение опиралось на синтез большого объема информации, включая данные из более чем 900 научных статей о геноме этого существа, его транскриптоме, протеоме, метаболоме и всяких прочих «-омах», которые вы можете придумать. В результате M. genitalium стала первым организмом, смоделированным столь подробно – вплоть до каждого из 525 генов и всех известных генетических функций.

Чтобы создать свою виртуальную клетку, стэнфордская команда использовала несколько тысяч параметров, относящихся к трем десяткам модулей субклеточных процессов, каждый из которых моделировался разными способами. Ученые программировали отдельные модули – каждый со своим собственным управляющим алгоритмом, – а те, коммуницируя друг с другом, интегрировались в единую клеточную машину. Таким образом, имитация бактерии была создана как серия модулей, которые отражают разные функции клетки. Используя сеть из 128 компьютеров, стэнфордская команда могла планировать поведение клеток виртуальных M. genita-lium на молекулярном уровне, от их ДНК и РНК до белков и метаболитов. Они смоделировали продолжительность жизни клетки на молекулярном уровне, расписав взаимодействия 28 категорий молекул. И, наконец, общая модель была проверена сравнением с базой знаний, объединяющей информационные базы данных по M. genitalium.

Стэнфордская команда, в частности, использовала свой виртуальный организм для выяснения деталей клеточного цикла, который включает в себя три фазы: инициацию, репликацию и цитокинез (деление клетки). Они заметили большую изменчивость длительности первых фаз по сравнению как с последней, так и с продолжительностью всего клеточного цикла. Длина отдельных фаз клеточного цикла варьирует от одной виртуальной клетки к другой, в то время как длина всего цикла значительно более постоянна. На основании поведения модели стэнфордцы предположили, что устойчивость полного клеточного цикла – результат работы встроенного механизма отрицательной обратной связи, компенсирующего различия в длительности отдельных фаз. Клетки, приступающие к репликации ДНК позднее, имеют время, чтобы накопить большой запас свободных нуклеотидов. Сама фаза репликации, на которой эти нуклеотиды расходуются на создание новых цепочек ДНК, после этого проходит относительно быстро. С другой стороны, клетки, которые проходят начальную фазу быстрее, не имеют избытка нуклеотидов. В этом случае скорость репликации ограничивалась скоростью производства нуклеотидов.

Команда Стэнфордского университета имитировала последствия мутаций для всех 525 генов, чтобы определить, остаются ли мутантные клетки жизнеспособными. Примерно 80 % их предсказаний при сравнении с экспериментальными данными по реальным клеткам оказались верны. Но как раз там, где результаты отличались, это порождало интересные объясняющие идеи. Согласно модели, утрата гена lpdA должна убивать клетку; на самом же деле такой штамм остается жизнеспособным, хотя растет на 40 % медленнее, чем дикий тип. Команда решила, что какой-то другой белок должен выполнять задачу, близкую к таковой для lpdA. При внимательном рассмотрении они нашли подходящий ген – nox, сходный с lpdA по последовательности и функции. Когда они поправили свою модель, добавив эту дополнительную функцию nox, виртуальная клетка тоже стала жизнеспособной. Расхождения в темпах роста мутантов in silico и в реальности помогли команде тонко отрегулировать скорость наработки ферментов в электронных клетках, чтобы сделать модели более реалистичными и более похожими на M. genitalium.

Подобные модели в конечном счете позволят нам просчитывать сценарии типа «что будет, если…», обычные в области инженерии. Так же как инженер подбирает на компьютере ширину несущего элемента конструкции небоскреба, чтобы увидеть, что происходит с его сейсмоустойчивостью, системные биологи смогут манипулировать программным обеспечением жизни для изучения его влияния на жизнеспособность клеток. Будет интересно сравнить сконструированный нами минимальный геном с компьютерными моделями, чтобы увидеть, насколько мы способны предсказывать последствия изменений генов.

Понятно, что эта революция в биологическом моделировании потребует существенного увеличения мощности компьютеров. В настоящее время имитация деления одной клетки отнимает у стэнфордской команды около десяти часов и генерирует полгигабайта данных. Между тем первая виртуальная бактерия с ее 525 генами намного проще, чем E. coli, у которой 4288 генов, которая делится каждые 20–30 минут и в которой происходит гораздо больше молекулярных взаимодействий, каждое из которых еще больше удлинило бы время, нужное для проведения имитации. Можно представить, насколько трудным окажется создание виртуальных версий еще более сложных, эукариотических клеток.

Предстоит еще многое узнать о живых организмах, чтобы понимать, как линейная программа разворачивается в трехмерный мир клетки. Важный шаг в этом направлении был сделан другим ученым из Стэнфорда, Люси Шапиро. Ее биография необычна: она пришла в науку из высокого искусства и занялась биологией развития, сосредоточившись на асимметрично устроенной пресноводной бактерии Caulobacter crescentus. В 2001 году моя команда сотрудничала с Люси при прочтении генома Caulobacter, 4 016 942 пары оснований которого кодируют 3767 генов.

Работа Люси Шапиро продемонстрировала, что бактерии – это не просто бесструктурные мешочки с белками: у них есть четко выраженные внутриклеточные отсеки со специфичными белковыми роботами, занимающими особые места в организации сложных биохимических процессов, таких как клеточный цикл и деление. Шапиро впервые выявила, что репликация бактериальной ДНК пространственно организована и что деление клеток зависит от этой организации и от расхождения двух образовавшихся молекул ДНК к противоположным концам клетки. Ее команда также доказала существование ведущих генетических регуляторов клеточного цикла. Например, регуляторный ген, участвующий в построении жгутика (выроста в виде бича, позволяющего организму плавать), жизненно необходим и для клетки в целом. Они обнаружили, что события жизненного цикла бактерии, ранее изучавшиеся как изолированные, на самом деле связаны общими регуляторами. Всего один такой регулятор управляет активностью 95 других генов. Применив более совершенную версию той методики, которую мы отработали на микоплазме, Шапиро каталогизировала до последней буквы те части генома, что были необходимы для выживания Caulobacter crescentus, – около 12 % генетического материала бактерии. К необходимым элементам относятся не только гены, кодирующие белки, но также регуляторные участки и, самое интересное, 91 небольшой сегмент ДНК с неизвестными функциями. Прочие 88 % генома можно разрушать, не лишая бактерию способности к росту и размножению.

Будущее биологических исследований будет основано в огромной степени на сочетании информатики и синтетической биологии. Прекрасное представление об этом будущем нам может дать серия конкурсов, которые завершаются замечательным событием, происходящим каждый год в Кембридже (штат Массачусетс), – собранием блестящих молодых умов, которое дарит мне большую надежду на будущее. Международный конкурс генно-инженерных машин (iGEM) приглашает старшеклассников, студентов и предпринимателей, чтобы перетасовать стандартный набор подпрограмм ДНК в нечто новое. Победитель получает символический приз – большой алюминиевый блок лего, символизирующий убеждение, что стыкуя и перестыковывая подпрограммы, можно построить жизнь.

Исходно соревнование было учреждено тремя инженерами – Томом Найтом, Рэнди Реттбергом и Дрю Энди, надеявшимися применить легоподобную логику построения систем из стыкующихся частей в биологии. Теперь оно проводится в МТИ. Событие выросло из практикума, предлагавшегося там в январе 2003 года, в котором командам ставилась задача разработки культуры E. coli, которая бы «мигала» – то есть генерировала свет через равные промежутки времени. Это переросло в летние соревнования, на которые заявилось пять команд в 2004 году и тринадцать в 2005-м – первом, в котором соревнования стали международными. С тех пор количество участников быстро росло, и в 2012 году команд было уже 245.

На iGEM-2011 участие в соревновании приняли около 160 команд и более двух тысяч участников из тридцати стран мира. Сначала были региональные отборочные туры, в конце – мировой чемпионат. Это стало не сухим учебным курсом с презентациями, лекциями и демонстрациями, но слетом генетиков, на котором участники – со своими талисманами и в командных футболках с логотипами спонсоров – сами режут ДНК дольками и рубят кубиками.

Одной из целей этой затеи было создание каталога стандартизованных деталей, а именно соединяемых кусков ДНК, называемых «биоблоками», которые программируют бактерию-хозяина на выполнение той или иной специальной задачи. Каждый биоблок обрамлен с двух концов последовательностями ДНК, которые способны соединяться с другими блоками и интегрироваться в плазмиды, чтобы их можно было вставить в бактериальную клетку. За годы проведения соревнований участники накопили централизованную открытую генетическую библиотеку из тысяч биоблоков, называемую «Реестром стандартных биологических деталей». Реестр, содержащий список функций, структур и так далее, сделан по образцу тысячестраничного каталога схемных элементов «Книга ТТЛ для инженеров-конструкторов».

Для каждого соревнования в начале лета команды получали определенный набор биологических деталей – комплект биоблоков. Им посылали и копии реальной ДНК в обезвоженном виде. Работая в своих школах или лабораториях все лето, они, используя и эти детали, и новые, которые они сами сконструировали, собирали биологические системы и оперировали ими в живых клетках. В поиске способов сборки новых биологических «схем» из набора стандартных частей некоторые студенческие команды пришли к тем же подходам, что и моя собственная группа.

Их базовые наборы инструментов включали промоторы, обозначающие, какие участки ДНК надо прочитать; операторы, способные регулировать работу промоторов; участки связывания рибосом, которые побуждают рибосому начать синтез белка; сама последовательность, кодирующая белки, где может быть записан какой-нибудь фермент, или репрессор для связывания и выключения промотора, или маркер вроде зеленого флюоресцентного белка (GFP), который может, как явствует из названия, показывать, что схема активна; и терминаторы, дающие сигнал прекратить чтение программы ДНК. Из этих деталей можно собрать устройства, которые, оказавшись в клетке, будут выполнять элементарные функции.

Главное, что могут делать такие устройства, – это производить белок. Но поскольку ДНК – это программа, они могут быть использованы для построения основных структурных единиц любого компьютера – логических элементов: «И» (ген включается, если к нему поступают оба запускающих его сигнала), «ИЛИ» (для включения гена достаточно любого из двух сигналов) и «НЕ» (белок синтезируется, если сигнала нет, и наоборот). Устройства могут также передавать сигналы от клетки к клетке, согласуя поведение клеточной популяции, – как это делают в природе бактерии с так называемым «чувством кворума», способные регулировать активность своих генов в зависимости от числа бактерий-соседей. Наконец, можно сделать светоуправляемые устройства на основе светочувствительных белков – таких как фоторецепторы растений и бактерий. Схемы, собранные из таких генных логических элементов, однажды могут стать компонентами сконструированных клеток, способных отслеживать состояние своей среды и отвечать на изменения в ней.

В свою очередь устройства можно соединить в систему. Например, они могут образовывать системы с обратной связью, как с положительной (используя активатор), вроде той, что превращает тихий звук в микрофоне в вопль, так и с отрицательной (используя репрессор), такой, что выключает нагрев в термостате при достижении заданной температуры. Можно сделать переключатели, которые будут отвечать на условия в клетке или вокруг нее, используя промотор и репрессор; или работающие по циклу осцилляторы (подумайте о ваших внутренних часах), которые можно собрать разными способами – например, сочетая отрицательную обратную связь с задержкой; или счетчики, где то или иное событие запускает производство белка, который в свою очередь активирует другой белковый генератор.

Таким образом, студенты, обучающиеся синтетической биологии, могут выстроить иерархию, начиная с деталей, переходя к устройствам, а от них – к системам. В результате их работы у нас теперь есть клеточные схемы, способные генерировать изображение, обрабатывать шум, обнаруживать край, считать события и создавать синхронизированные колебания в растущей популяции клеток. Одна команда из Корнелла изобрела бесклеточный способ получения сложных биомолекул, названный, естественно, «биофабрикой». Бактерию можно заставить флюоресцировать как заведенную, создав контур соответствующих генетических инструкций. E. coli можно превратить в устройство для хранения информации, «живой жесткий диск», как сделала команда из китайского университета Гонконга, назвавшая свою работу E. cryptor. Другие разработали программное обеспечение для манипулирования программами ДНК на экране с превращением их затем в реальную последовательность в лаборатории, с помощью роботов.

Более забавные проекты включали бактерий, которые светились в темноте или, как в проекте МТИ «О д’Е. coli», пахли цветами гаультерии, пока росли, и бананами – когда прекращали рост. Были представлены живые ЖК-мониторы, сделанные из дрожжей или бактериальных клеток вместо обычных пикселей. Одна команда из Техасского университета в Остине и Калифорнийского университета в Сан-Франциско изобразила фразу «Hello World» посредством E. coli, приспособленной ощущать свет: в ней домен белка цианобактерии управляет геном lacZ, обеспечивающим выработку черного пигмента.

Команды также понаделали альтруистичных микробов всех разновидностей, в том числе таких, которые меняют цвет, если в окружающей среде присутствует яд, производят вычисления, выявляют паразитов, засекают наземные мины, или, будучи обычными дрожжами, дают бета-каротин – ту оранжевую субстанцию, которая окрашивает морковь. Одна команда из британского Кембриджского университета придумала E. chromi, раскрасив E. coli в яркие цвета, – достижение, удостоенное награды в номинации «искусство и дизайн». Другие сварили «биопиво», богатое ресвератролом – веществом, которое находится в вине и, по мнению многих, полезно для здоровья.

Этот конкурс придает большое значение общественному аспекту синтетической биологии, необходимости того, чтобы не-ученые понимали и принимали эти попытки поиграть с механизмами жизни. В ходе своих проектов конкурсанты очень много общаются с публикой, принимают участие в опросах и говорят с прессой. Безопасность – одна из центральных тем, и каждая команда должна представить оценку того, какое воздействие их проект окажет на мир вокруг них. Один участник зашел так далеко, что разработал алгоритмы для определения, насколько похожа та или иная последовательность ДНК на те, что значатся в списке особо опасных возбудителей и токсинов Центров по контролю и предупреждению заболеваний (CDC).

Я аплодирую «биоблоковому» подходу к привлечению и обучению студентов и не могу сказать об организаторах iGEM ничего, кроме похвал. Я думаю, что они изменили процесс обучения в этой области, побуждая новое поколение ученых пережить волнующее чувство манипулирования программой жизни. Невероятная изобретательность, продемонстрированная в проектах iGEM, дает мне надежду на будущее. Мы далеко ушли от изменения геномов на ощупь – избирательным разведением, как в традиционном сельском хозяйстве, – в сторону конструирования жизни с помощью современной науки.

А пока эти студенты учатся биологическому конструированию, множество талантливых исследователей в разных лабораториях по всему миру уже регулярно достигают впечатляющих успехов. Некоторые создают целые лаборатории на чипах – биочипах, – сочетая в них синтез белка, сборку и компьютерную визуализацию для конструирования белков. Другие научились делать белки с единственной копии ДНК внутри микроскопической кварцевой ячейки. Тот же iGEM наглядно показывает глобальность попыток воспроизвести генетические схемы in vitro. Для будущего геномного конструирования нам нужен инструментарий: новые искусственные аминокислоты, переключатели, биологические реостаты, осцилляторы, модуляторы, гены самоубийства и генные пути для рукотворной жизни.

Позвольте мне остановиться на паре примеров, чтобы дать хотя бы самое общее представление о наших возможностях. Чтобы читать команды программы ДНК, клеткам нужны специальные белки – «цинковые пальцы». Их открыл в 1985 году Аарон Клаг, нобелевский лауреат, работающий в Кембриджской лаборатории молекулярной биологии Совета по медицинским исследованиям. Эти белки так называются, потому что содержат атом цинка, а по форме напоминают указательный палец. Их сотни вариантов, и все они работают, связываясь с ДНК, когда каждый палец соответствует трехбуквенной последовательности ДНК. Чем больше вы используете пальцев, тем точнее вы можете опознать конкретную последовательность. Всего с шестью пальцами вы можете выбрать любой конкретный ген.

Этот важный кусок биологической машинерии был адаптирован для синтетической биологии инженерами-биомедиками из Бостонского университета Ахмадом Халилом и Джеймсом Коллинзом. Они создали новые конструкции цинковых пальцев, способные связываться с новыми целевыми последовательностями. Бостонская команда смастерила новые генетические схему в эукариотных клетках (дрожжах), используя их собственные модульные функциональные части и «подключая» их с помощью цинковых пальцев. У этой работы много непосредственных приложений – она может быть полезна для формирования стволовых клеток в регенеративной медицине или при разработке внутриклеточных устройств и схем для диагностики ранних стадий рака и других болезней. Этот метод может также подготовить группы клеток для выполнения более сложных задач – обработки сигналов датчиков.

Другие прилагают усилия к тому, чтобы расширить и изменить существующий генетический код, чтобы кодировать аминокислоты, которых нет в природе. Генетический код избыточен: часто несколько кодонов кодируют одну и ту же аминокислоту. Эти дополнительные кодоны можно назначить кодирующими другие аминокислоты, которых нет среди двадцати «стандартных» природных. В одной такой работе – Джейсона Чина из лаборатории молекулярной биологии Совета по медицинским исследованиям – появились генноинженерные дрозофилы, у которых в белки клеток яичников включены три новых аминокислоты. Использование новых аминокислот позволит придавать белкам новые функции и создавать клетки, устойчивые к вирусным инфекциям.

Но что важнее всего, систематическое исследование потенциала синтетической биологии углубляет наше понимание биологии фундаментальной. С такими возможностями мы сможем расширять наше знание биологии в тысячи раз быстрее, чем это происходит сегодня. Достигнутое понимание, в свою очередь, поможет улучшить геномные конструкции, которые можно проверять на моделях виртуальных клеток, и, таким образом, ускорит работы по синтезу новой жизни.

Конструирование и создание новых форм жизни по-прежнему поднимает ряд важных этических вопросов. Попытки их исследования предпринимались много раз, не только в Америке, но и во многих других странах с развитой биотехнологической индустрией. Я инициировал первую этическую экспертизу искусственных геномов и синтетической жизни в конце 1990-х, когда мой институт профинансировал оценку нашей работы Центром биоэтики Пенсильванского университета. Моя команда работала с разными государственными ведомствами, в том числе с министерством энергетики США, с Управлением по науке и технической политике Белого дома (OSTP) и с НИЗ со времени нашей работы на phi X 174. Только один пример: в 2004 году наша группа по связям с общественностью, возглавляемая Робертом Фридманом, совместно с Центром стратегических и международных исследований (CSIS) и МТИ, получила средства от Фонда Альфреда П. Слоуна на проведение семинаров и публичных сессий в течение двух лет для обсуждения этических и социальных последствий синтетической геномики. Мы (я был среди основных участников, туда же входили Джордж Чёрч, Дрю Энди, Том Найт и Хэм Смит) опубликовали свои выводы в октябре 2007 года под названием «Синтетическая геномика: варианты управления».

Все это время я, как и остальные члены моей команды, читал публичные лекции; представлял подробные статьи на научных конференциях; разбирался с постоянными вопросами мировых СМИ. Мы несколько раз путешествовали на Капитолийский холм, чтобы ввести в курс дела более пятидесяти членов Конгресса, и обращались к OSTP, ЦРУ, Национальному научному консультативному совету по биобезопасности (NSABB), Президентской комиссии по изучению вопросов биоэтики и в Департамент внутренней безопасности. Отчеты о синтетической биологии были выпущены многими органами, такими как министерство энергетики США и NSABB. Публичные обсуждения происходили не только в Америке, но и в таких странах, как Великобритания. Делегаты от ведущих учреждений и ассоциаций собрались в июле 2009 года на симпозиуме, организованном совместно Королевским обществом Великобритании, Национальной академией наук США и ОЭСР, и рассмотрели возможности, угрозы и более широкие вопросы, поставленные синтетической биологией, например, что значит быть человеком. Обсуждения точного смысла выражения «создать синтетическую жизнь» были с любой точки зрения долгими, содержательными и открытыми.

Много лет меня поражало, что мало какие из вопросов, поднятых синтетической геномикой, действительно новы. Одну из самых знаменитых попыток побороться с проблемами, порожденными искусственными формами жизни, можно найти в «трех законах роботехники» Айзека Азимова, автора научно-фантастических романов и рассказов. Впервые их формулировка появилась в 1942 году в рассказе «Хоровод»: «1. Робот не может причинить вред человеку или своим бездействием допустить, чтобы человеку был причинен вред. 2. Робот должен повиноваться всем приказам, которые дает человек, кроме тех случаев, когда эти приказы противоречат Первому Закону. 3. Робот должен заботиться о своей безопасности в той мере, в которой это не противоречит Первому и Второму Законам». Позже Азимов добавит четвертый, «нулевой закон», предваряющий остальные: «0. Робот не может причинить вред человечеству или своим бездействием допустить, чтобы человечеству был причинен вред». Можно с тем же успехом применить эти принципы к нашим попыткам изменить основные механизмы жизни, заменив «робота» на «синтетическую форму жизни».

Новые технологии, будь то в роботехнике или в синтетической биологии, могут оказаться палкой о двух концах. Сегодня много споров идет вокруг «технологий двойного назначения» – как, например, в работе, опубликованной в 2012 году Американской ассоциацией содействия развитию науки, группой американских университетов и ФБР. Их исследование было вдохновлено работами двух команд в Америке и Нидерландах, определивших те элементы вируса гриппа H5N1, которые обеспечивали его быстрое распространение. Когда в августе 2011 года результаты обеих групп были представлены в Science и Nature, они вызвали широкое беспокойство. Эта тревога побудила ученых всего мира к добровольному соглашению – наложить мораторий на исследования, пытающиеся понять и обуздать угрозу пандемии, пока не станет ясно, как безопасно их вести и публиковать их результаты.

Проблема тут, конечно, в том, что такие работы позволяют выявить вирусы, представляющие наибольшую угрозу человеческой жизни, и разработать лечение от них, но в то же время предоставляют информацию, которой могут воспользоваться террористы. Национальный научный консультативный совет по биобезопасности США рассмотрел те и другие возможные последствия и рекомендовал публиковать обе статьи об H5N1 только после того, как авторы удалят из них ключевые данные. Но в феврале 2012 года совещание ВОЗ решило, что выгоды от публикации работ перевешивают риски, и выразило сомнение в надобности редактирования статей. Позже в докладе ФБР предлагались некоторые меры для достижения баланса между прогрессом в исследованиях и минимизацией рисков, а также между свободой науки и национальной безопасностью.

Доклад ФБР начинался с указания, что двуликая природа инновации в последние несколько десятилетий проявлялась снова и снова. В нем подчеркивалось значение таких инициатив, как Асиломарский мораторий (с которым я разбирался выше) и принятие Конвенции о биологическом и токсинном оружии 1972 года. Я уверен, что проблема ответственного применения науки фундаментальна и восходит к зарождению человеческой изобретательности – ко временам, когда человечество впервые открыло, как добывать огонь по желанию. (Можно просто погреться, а можно и сжечь соседский урожай.) Каждые несколько месяцев проходит какое-нибудь совещание, где обсуждается, что действенная технология – это палка о двух концах.

Но важно не упускать из виду возможности, которые дают такие исследования. Синтетическая биология может помочь в решении ключевых проблем, стоящих перед планетой и ее населением, – таких как продовольственная безопасность, устойчивая энергетика и здоровье. Со временем исследования в области синтетической биологии могут породить новые технологии, которые будут производить чистую энергию и помогут прекратить загрязнение; помогут нам растить урожаи на менее пригодных землях; обеспечат более доступные продукты питания, а также вакцины и другие лекарства. Уже слышны разговоры о способности «умных» белков или запрограммированных клеток к самоорганизации на месте заболевания для ремонта повреждений.

Понятно, что этот, по-видимому, безграничный потенциал вызывает много тревожных вопросов – хотя бы потому, что синтетическая биология освобождает конструкцию жизни от эволюционных оков и открывает для жизни новые перспективы. Чтобы обеспечить безопасное и эффективное развитие синтетической биологии, необходимо вкладываться в поддерживающие технологии, науку, образование и политику. Надо организовывать общественные дискуссии и обсуждения по этой теме, причем в обсуждении действительно важных вопросов должны участвовать и непрофессионалы. Я надеюсь, что эта книга хотя бы немного поможет читателям разобраться в разнообразии современных разработок.

Конечно, безопасность превыше всего. Хорошая новость состоит в том, что благодаря обсуждениям, начатым еще в Асиломаре в 1970-х, уже утверждены надежные и подробные правила безопасности в биотехнологии и технологии рекомбинантной ДНК. Тем не менее мы должны быть бдительными и не терять осторожности. В будущем может оказаться трудно определить источники угроз, если они выглядят как что-то, с чем мы никогда раньше не сталкивались. Политический, социальный и научный фон постоянно меняется и со времен Асиломара сильно сместился. Синтетическая биология опирается в числе прочего на умения специалистов, не искушенных в биологии, – например, математиков или электротехников. Работы начинающих синтетических биологов – участников конкурса iGEM – показывают, что эта область уже не является монополией высококвалифицированных маститых ученых. Демократизация знания и подъем «биологии с открытыми исходниками»; создание фабрики ДНК-конструкций BioFab в Калифорнии; и доступность кухонных версий ключевых лабораторных инструментов, таких как метод копирования ДНК посредством ПЦР, – все это делает игру с программным обеспечением жизни легкой для всех, включая тех, кто находится вне обычных сетей государственных, коммерческих и университетских лабораторий, вне культуры ответственного обучения и биобезопасности.

Есть и «биохакеры», которые хотят свободно экспериментировать с программами жизни. Неоднократно упоминавшийся выше физик Фримэн Дайсон с энтузиазмом рассказывает, что будет, если инструменты генетической модификации станут широко доступной домашней биотехнологией: «Появятся наборы “сделай сам” для садовников, которые будут использовать генную инженерию для выведения новых сортов роз и орхидей. И наборы для любителей голубей и попугаев, ящериц и змей, чтобы выводить новые разновидности питомцев. Заводчики собак и кошек тоже получат свои наборы».

Многие зацикливаются на рисках попадания этой технологии «не в те руки». События 11 сентября 2001 года, последовавшая за ними рассылка спор сибирской язвы и угроза пандемий гриппа H1N1 и H7N9 подчеркнули необходимость принимать эти опасения всерьез. Биотерроризм становится все более вероятным по мере созревания технологии и повышения ее доступности. Однако синтезировать вирус не так-то просто – тем более способный вызывать болезнь и заражать, не говоря уж о пригодном для боевого использования. А замечательная скорость, с которой мы теперь можем секвенировать патоген, показывает, что та же технология упрощает противостояние угрозе с помощью новых вакцин.

Меня больше тревожит не биотерроризм, а «биоприколизм»: неприятные последствия манипуляций с ДНК какого-нибудь не имеющего научной подготовки биохакера или «биопанка». По мере распространения технологии и повышения риска наши понятия о вреде меняются вместе с нашими взглядами на то, что мы подразумеваем под «естественной средой», так как человеческая деятельность меняет климат, а это, в свою очередь, меняет наш мир.

Люди склонны видеть в «аномальных» созданиях чудовищ, продукт злоупотребления властью и возможностями, как это живо изображено в истории Франкенштейна. И все же нам важно сохранять чувство перспективы и взвешенности. Несмотря на дежурные требования еще более строгой регуляции и контрольных мер, отвечающих «принципу предосторожности» – что бы мы ни понимали под этим изрядно заезженным термином, – мы не должны упускать из виду необычайной способности этой технологии приносить полезные плоды для всего мира.

Я не одинок в убеждении, что чрезмерное регулирование может быть столь же вредным, как и излишняя мягкость в этом отношении. Я был рад увидеть отражение моих собственных взглядов в реакции на мою работу над первым работающим синтетическим геномом, когда Президентская комиссия по изучению биоэтических вопросов в декабре 2010²³¹ года выпустила доклад, озаглавленный «Новые направления: этика синтетической биологии и передовых технологий». Этот документ открывался письмом президента Барака Обамы, подчеркивавшим, что нам как обществу жизненно важно разумно рассмотреть значение этой работы и найти баланс между «важными выгодами» и «естественными опасениями».

Комиссию возглавлял политолог Ами Гутманн, президент Пенсильванского университета, и в нее входили специалисты по биоэтике, праву, философии и науке. В своих выводах комиссия сформулировала пять руководящих этических принципов, которые сочла существенными для социальной приемлемости новых технологий: общественная польза, ответственное управление, интеллектуальная свобода и ответственность, демократическое обсуждение, справедливость и честность. Комиссия пришла к выводу, что если неуклонно применять эти принципы при выработке и разъяснении государственной политики в области синтетической биологии, мы можем быть уверены, что эта технология разрабатывается ответственно и этично.

Одна из рекомендаций комиссии президенту гласила, что правительство должно провести согласованную оценку государственного финансирования исследований по синтетической биологии, в том числе исследований по технологиям оценки риска и его снижения, а также по этическим и социальным вопросам, на предмет выявления заметных упущений с учетом того, что главной целью должно быть «общественное благо». Рекомендации были, к счастью, прагматичными: учитывая зачаточное состояние области, предлагалось поощрять инновации, а вместо создания очередной бюрократической структуры навести порядок в мешанине компетенций и полномочий существующих органов управления.

Конечно, были выражены опасения по поводу «маловероятных, но потенциально катастрофических» событий, таких как создание апокалиптического вируса. Эти редкие, но катастрофические возможности не следует игнорировать, учитывая, что мы еще не опомнились от ужасов 11 сентября. Но и слишком большое значение им не следует придавать: хотя кто-то может получить доступ к «опасным» последовательностям вирусной ДНК, раздобыть их – далеко не то же самое, что успешно вырастить их в лаборатории. Тем не менее доклад требует установления гарантий в области мониторинга, содержания и контроля синтетических организмов – например, путем включения в них «генов самоубийства», молекулярных «тормозов», «переключателей смерти» или «ремней безопасности», которые ограничат их способность процветать вне лаборатории, сдерживая рост или требуя специальной диеты вроде новых аминокислот. Как в случае с нашей «клейменой» бактерией, нам были нужны новые способы маркировки и мечения синтетических организмов.

В более широком плане доклад призывал к международному диалогу по этой новой технологии, а также к адекватному обучению, чтобы напомнить всем занятым этой работой об их обязанностях и ответственности – не в последнюю очередь в области биобезопасности, заботы о биоразнообразии и экосистемах и пищевых ресурсах. Хотя он рекомендовал правительству поддержать культуру саморегуляции, он также призывал к бдительности относительно возможностей «самодеятельной» синтетической биологии, бытующей в «неофициальной обстановке». Каждому, кто глянет критическим оком на синтетическую биологию, бросается в глаза одна проблема – та, что эта область развивается столь быстро. Поэтому оценки этой технологии должны постоянно пересматриваться, а мы должны быть готовы принимать новые меры безопасности и контроля по мере надобности.

Признавая, что если демократия действительно работает, представления синтетических биологов должны быть приняты обществом, доклад призывает к широкому участию в их обсуждении научных, религиозных и общественных кругов, просвещению публики и обмену мнениями как о надеждах, так и об опасностях – избегая впадения блогеров и журналистов в поверхностную сенсационность (и затасканных возражений насчет «игры в Бога»), умолчаний и искажений. Я бы первым согласился, что для того, чтобы общественность нам доверяла, мы должны внимательно слушать ее, прилежно работать и сохранять бдительность.

Всегда найдутся луддиты, которые считают, что мы вообще не должны идти этой дорогой, кто хотел бы скорее того, чтобы мы оставили попытки создать синтетическую жизнь, отвернулись от этой «разрушительной технологии». В 1964 году Айзек Азимов сделал мудрое замечание о становлении роботов, которое столь же справедливо и в отношении становления переделанной жизни: «Да, в знании есть свои опасности, но надо ли отвечать на них отказом от знания? Или этим знанием будет можно заслониться от опасности, которую оно несет? Держа все это в уме, я начал в 1940 году писать собственные рассказы о роботах – но рассказы нового типа. Никогда, никогда ни один из моих роботов не восставал на своего создателя тупо и без причины, просто для того, чтобы в очередной надоевший раз продемонстрировать преступление и наказание Фауста». Я больше всего боюсь не злоупотребления технологией, а неупотребления ее – того, что мы вообще не станем ее использовать и упустим замечательную возможность в такое время, когда мы перенаселили нашу планету и необратимо меняем окружающую среду. Отказавшись от технологии, мы откажемся и от возможности использовать ее для сохранения и улучшения жизней. Последствия бездействия могут быть опаснее, чем неподобающее использование технологии.

Я могу предвидеть, что в ближайшие десятилетия мы станем свидетелями множества необычайных и реально полезных разработок, например культур, устойчивых к засухе, способных выдерживать болезни и процветать на скудных землях; обеспечивающих богатые новые источники белков и других питательных веществ; пригодных для очистки воды в суровых и засушливых регионах. Я могу себе представить конструирование простых форм животных, которые обеспечат новые источники питательных веществ и фармацевтических препаратов, настройки стволовых клеток человека для регенерации поврежденного, старого или больного тела. Появятся новые способы улучшения человеческого тела, например повышение интеллекта, адаптация к новым условиям среды – таким как уровни излучения, характерные для космоса, – омолаживание изношенных мышц и так далее.

Давайте не будем отвлекаться от глобальных проблем, влияющих на человечество. Немало серьезных проблем угрожает сегодня нашему хрупкому и переполненному миру, который в скором времени будет домом для девяти миллиардов человек, в котором кончаются основные ресурсы – продукты питания, вода и энергия – и над которым навис призрак непредсказуемого и разрушительного изменения климата.