Глава 9. Внутри синтетической клетки

Определения важны в науке. Но иногда бывает почти так же важно не слишком ими увлекаться, особенно когда вы отваживаетесь на что-то новое, потому что они могут быть лишь сбивать вас с толку, мешая вам думать и делать. Они могут стать ловушкой, как это случилось в первой половине ХХ века, когда ученые были уверены, что генетический материал – это белки. Ричард Фейнман сформулировал знаменитое предупреждение об опасности попыток дать чему-либо абсолютно точное определение: «Мы впадаем в тот паралич мысли, который находит на философов… когда один говорит: „Вы сами не знаете, о чем говорите“; а второй отвечает: „А что такое «знать»? Что такое «говорить»? Что такое «вы», наконец?“ Ну и так до бесконечности. Так что для пользы дела лучше сначала условиться, что мы будем говорить хотя бы приблизительно об одних и тех же вещах».

Когда мы раскрыли детали первого синтетического организма в нашей публикации в Science, мы определили, что мы сделали и как мы это сделали. Мы придали терминам «синтетическая жизнь» и «синтетические клетки» достаточно ограниченный смысл: клетки, полностью управляемые только хромосомой из синтетической ДНК. Синтетический геном был программой, которая определяла структуру и функции каждого белкового робота в клетке и тем самым – все ее функции. Но общественный отклик на наше публичное заявление и научную публикацию показал, что некоторым очень трудно принять представление о жизни как информационной системе.

Еще очевиднее была эта трудность в последующих публикациях мировой прессы. Большинство откликов было очень положительными – или даже слишком положительными. Один профессор заявил, что я «со скрипом отворил самую важную дверь в человеческой истории», и добавил, что я «собираюсь играть роль Бога». Некоторые сообщения были более трезвыми и квалифицированными. ВВС назвала это несколько заезженным словом «прорыв», а Time поместил это событие среди самых важных медицинских достижений 2010 года. The New York Times цитировал исследователей, которые думали, что мы достигли технического tour de force, если не настоящего прорыва. Судя по книге Филипа Ф. Шеве «Гений-вольнодумец» – биографии Фримэна Дайсона, известного физика, профессора Института перспективных исследований в Принстоне, – на биологов в целом наша работа произвела глубокое впечатление. Там же приведены слова самого Дайсона, что мой эксперимент был топорной, но «важной работой, так как это был большой шаг к созданию новых форм жизни». Затем, как и следовало ожидать, зазвучали дежурные опасения каких-то зеленых экстремистов и обычный сенсационный тон британских таблоидов. Один из них прямо спрашивал про нашу клетку: «Может ли она истребить человечество?»

Наиболее существенная критика касалась истинного значения создания клетки, управляемой программой ДНК. Можно ли ее считать синтетической жизнью? Некоторые резонно указывали, что наш синтетический геном был основан на существующем геноме и, имея естественного предшественника – M. mycoides, не может считаться по-настоящему синтетическим. Но, как писал Шеве, находились и биологи, которые были абсолютно уверены, что мы не создали синтетическую жизнь, потому что использовали природную клетку-реципиент. Они считали, что это слово надо приберечь до создания живого существа «с нуля». И конечно, Комиссия по биоэтике при президенте Обаме согласилась, что наша работа, «хотя во многих отношениях выдающаяся» и имеющая принципиальное значение, не означает создания жизни, так как мы использовали существующий природный носитель – клетку, которая уже была живой. Более мягкие версии этого аргумента пытались на разные лады принизить значение того, что мы достигли. Ватиканская газета L’Osservatore Romano завершила свое (в остальном позитивное и любезное) изложение выводом, что наша команда не создала жизнь, но всего лишь «поменяла один из двигателей жизни».

Это разнообразие мнений кое о чем нам говорит. До сих пор нет общепринятого определения того, что мы обозначаем этим неудобным словом «жизнь», не говоря уж о «синтетической жизни», «искусственной жизни» или «жизни с нуля». Определения, конечно, сильно зависят от того, в какой традиции они даются. Термин «искусственная жизнь» имел совсем другое значение в научной среде в 1990-е, когда он в основном применялся по отношению к реплицирующимся программам в компьютере. Характерный пример можно найти в работе Томаса С. Рэя, писавшего в 1996 году о системах, которые «свободно развиваются в цифровой среде, подобно эволюции посредством естественного отбора в органической среде, породившей жизнь на Земле». Главная цель этой работы, пояснял он, «побудить цифровую эволюцию породить в цифровой среде сложность, сравнимую по масштабу со сложностью органической жизни».

Наша работа с синтетическими хромосомами в живых клетках резко отличается от имитации искусственной жизни в твердом кремнии. «Искусственная жизнь» – это термин, обычно применяемый к описанию того, что наблюдается в цифровом мире, в то время как «синтетическая жизнь» происходит из цифрового мира, но охватывает и жизнь в биологическом мире. Тем не менее жизнь in vivo и in silico объединены понятием «системы, управляемые информацией», а наша работа с синтетической клеткой создает первую прямую связь между ними.

Теперь мы знаем, что правильная последовательность ДНК, представленная в правильном порядке и помещенная в правильную химическую среду, может сделать из существующей жизни новую. Создавая синтетическую клетку, мы основывались на 3,5 миллиарда лет эволюции и не пытались ее повторить: поскольку мы изменили геном, у созданной нами клетки нет прямого предшественника, которого можно было бы найти в природе. Нашей искусственной ДНК мы добавили новый приток в реку жизни.

Мы теперь знаем, как написать текст ДНК на компьютере с нуля. Это даст нам возможность проектирования почти любого живого существа – когда мы будем знать больше деталей механизма жизни. По итогам этой работы моей лаборатории мы можем определить «синтетическую жизнь» как самовоспроизводящуюся живую систему, основанную на синтетическом геноме, синтетическом тексте ДНК. К тому моменту, как я это пишу, моя команда, исходя в основном из самых общих соображений, разработала план нашей первой попытки создать минимальный геном, состоящий из тех генов, которые мы полагаем необходимыми для жизни. Как обсуждалось выше, функции значительной части генов все еще не определены, хотя из подробных экспериментов мы знаем, что они абсолютно необходимы клеткам, чтобы жить. Мы используем клетку-реципиент, чтобы поставить в нее эту новую программу жизни – так же, как делали с первой синтетической клеткой.

Наша способность конструировать жизнь имеет далеко идущие последствия. Со времени пионерной работы Роберта Гука в XVII веке мы знали, что все живые существа состоят из одной или более клеток. Сегодня, регулируя их генетические программы, мы в принципе можем менять структуру и функции любой клетки как захотим, создавая изумительное разнообразие жизни, от миниатюрных дрожжевых клеток до быстрорастущей рыбы. Мы также можем экспериментировать с древними механизмами, используемыми при развертывании линейной генетической программы в трехмерную структуру клетки.

Насколько мы знаем, вся клеточная жизнь, которая существует на нашей планете, происходит от более ранних разновидностей клеток. Каждая единица из этих фундаментальных элементов жизни, включая 5 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 или около того земных бактерий, произошли от клеток, которые жили примерно четыре миллиарда лет назад. Даже если эти клетки занесло с другой планеты в процессе, известном как панспермия, или их рассеяли какие-то разумные существа (что Фрэнсис Крик называл «направленной панспермией»), в конечном счете происхождение первых клеток остается загадкой.

Где есть тайна, там есть возможность для процветания витализма и религии. Однако когда моя команда успешно установила синтетическую программу ДНК в клетку, мы продемонстрировали тем самым, что наше базовое понимание механики клеточной жизни достигло важной точки. На вопросик Эрвина Шрёдингера «Что такое жизнь?» мы ныне способны дать один несомненный ответ: «Программа и основа всякой жизни – ДНК».

Но поскольку мы начинали с существующей клетки и всей ее белковой машинерии, остается вопрос, можно ли в самом деле заново создать современные клетки – результат миллиардов лет эволюции – из основных компонентов жизни. Можем ли мы заставить работать все сложные клеточные функции, не прибегая поначалу к защите клеточной мембраны, и если так, то сможем ли мы использовать отдельные белки и химические компоненты, чтобы привести в действие синтетическую хромосому и в ходе этого создать новый вид самовоспроизводящейся клетки? Можем ли мы вырастить в лаборатории организм, который будет представлять совершенно новую ветвь на древе жизни, станет представителем того, что некоторые по аналогии с растительным и животным царствами любят называть «синтетическое царство»? Теоретически, по крайней мере, можем. Наша способность создавать синтетические клетки и манипулировать жизнью будет определять лицо науки нынешнего века.

Моя уверенность основана отчасти на огромных успехах, достигнутых после 1965 года, когда было впервые высказано предположение, что синтез живых клеток станет национальной целью Америки. В последние несколько лет мы наблюдали подъем синтетической биологии – эмерджентной фазы молекулярно-биологических исследований. В этой области можно видеть заметный отход от редукционистского экспериментирования, которое десятилетиями было мощным методом, помогавшим нам понимать клетки, выявляя их составные части, динамику и циклы. Теперь нам нужно посмотреть, можем ли мы собрать все эти мириады клеточных компонентов новыми способами, чтобы заново создать жизнь. Когда мы дойдем до этой вехи, мы откроем новую главу в нашем понимании жизни и, я верю, получим полный ответ на трудный вопрос Шрёдингера.

Но даже когда мы получим жизнь из бесклеточной системы, это все равно нельзя будет считать «жизнью с нуля», что бы это ни значило. Сомневаюсь, чтобы хоть кто-то из тех, кто употребляет этот мем, вдумывался в то, что он на самом деле хочет им выразить. Давайте для иллюстрации возьмем приготовление «с нуля» хотя бы пирога. Можно представить покупку пирога и наведение на него дома глазури. Или можно купить смесь для выпечки, в которую надо добавить только яйца, воду и растительное масло. Большинство рассматривает выпечку пирога «с нуля» как соединение отдельных ингредиентов, таких как пекарский порошок, сахар, соль, яйца, молоко, кулинарный жир и так далее. Я сомневаюсь, что кто-то имеет в виду изготовление собственного пекарского порошка (с получением соды из натрия, водорода, углерода и кислорода) или домашнее производство крахмала – сильно разветвленного полисахарида, состоящего из множества остатков глюкозы, соединенных гликозидными связями. Глюкоза, в свою очередь, образуется из углерода, водорода и кислорода. Если мы применим те же самые ограничения к созданию жизни «с нуля», это будет означать производство всех необходимых молекул – белков, липидов, органелл, ДНК и т. д. – из основных химикатов или даже из основных элементов – углерода, водорода, кислорода, азота, фосфора, железа и прочих. Вопрос о происхождении самих первичных ингредиентов – органических соединений – уводит от сути дела, хотя оно имеет отношение к большому вопросу, откуда первоначально взялась жизнь. Химия зарождения жизни – пребиотическая химия – возвращает нас в 1952 год к знаменитому эксперименту Стэнли Миллера и Гарольда Юри в Чикагском университете. Сложные органические молекулы, включая сахара и аминокислоты, спонтанно образовывались из воды (H₂O), аммиака (NH₃), водорода (H₂) и метана (CH₄), когда эти последние оказались в условиях (закрытая стерильная система с нагревом и электрическими разрядами), имитировавших предполагаемые условия молодой Земли. Спустя несколько лет в университете Хьюстона Хуан Оро обнаружил, что нуклеотидное основание аденин и основания других нуклеотидов РНК и ДНК могут спонтанно образовываться из воды, синильной кислоты (HCN) и аммиака.

Многие полагают, что первым важным реплицирующимся генетическим материалом была РНК, и описывают некий «мир РНК», предшествовавший жизни, основанной на ДНК. В 1967 году Карл Вёзе одним из первых предположил, что у РНК могут быть свойства катализатора, так что она и несет генетическую информацию (подобно ДНК), и может вести себя как белки (ферменты), что существенно, потому что практически все химические реакции, проходящие в живой клетке, требуют катализаторов. До самого 1982 года, когда Томас Чек из Колорадского университета в Боулдере показал, что молекула РНК может сама вырезать интрон, а Сидней Альтман из Йельского университета открыл каталитические свойства РНК-компонента рибонуклеазы P, которая может нарезать РНК, мы не знали точно, что эти каталитические РНК – «рибозимы» – на самом деле существуют. Чек и Альтман поделили Нобелевскую премию 1989 года по химии за эти открытия.

Рибозимы могут быть ключом в попытках ответить на самый основной вопрос из всех. Как появилась самая первая клетка, будь то на Земле или на какой-то экзопланете? В попытках понять происхождение жизни применялось много подходов, но если и есть какой-то один исследователь, который попытался сделать это путем формирования реальной примитивной «жизни» (с нуля), то это нобелевский лауреат Джек Шостак и его лаборатория в Гарварде. В отличие от групп, работающих на «искусственных клетках», состоящих из белковых систем в липидных пузырьках, но без каких-либо программных молекул жизни, Шостак понимает, что жизни требуется самовоспроизводящийся «информационный геном». Точка зрения Шостака – между позициями двух лагерей, занятых изучением происхождения жизни. Лагерь первичности программ считает самым важным шагом в происхождении жизни появление репликации РНК как одновременно носителя информации и каталитической молекулы. Другая группа утверждает, что ключевым фактором эволюции первичной жизни стало появление клеточной мембраны в форме самособирающихся и самовоспроизводящихся везикул.

Эти везикулы, пузырьковидные структуры, также известные как мицеллы, спонтанно образуются из липидных молекул, когда концентрация этих молекул превышает определенный порог. Самые первые липидные молекулы, как полагают, были жирными кислотами, которые присутствовали на древней пребиотической Земле и были найдены даже в метеоритах. У их молекул есть гидрофобный (жирный, водоотталкивающий) конец и гидрофильный (любящий воду) конец, которые могут сцепляться, образуя структуры. Липидные молекулы соединяются хвостом к хвосту (жирный конец к жирному), оставляя водолюбивые концы открытыми наружу на внешней и внутренней поверхностях образующейся мембраны. Эта сборка действует как эффективный барьер, удерживающий растворенные в воде молекулы внутри пузырька, чтобы создать уникальную среду.

В совместной работе со своей студенткой Ирене Чен и Ричардом Робертсом из Калтеха Шостак показал, что простое присутствие РНК в пузырьках, образованных жирными кислотами, может ускорить их рост, отбирая мембранные молекулы из соседних везикул, содержащих меньше РНК или не содержащих ее вовсе. Этот рост происходит, потому что РНК в везикулах создает осмотическое давление. Это внутреннее давление распирает мембрану, и она растет за счет поглощения жирных кислот из любых окружающих везикул, которые менее раздуты вследствие того, что в них меньше нуклеиновой кислоты. Протоклетки, в которых было больше РНК, росли быстрее, до момента, когда при легком встряхивании – например, под действием ветра или волн на первичной Земле – они разваливались на дочерние везикулы.

Следующим шагом Шостака снова было вставить РНК, но на этот раз оснастить эту программу полезными инструкциями для его протоклеток. Эта информация может кодировать способы создания фосфолипидов, класса липидов, которые характерны для современных мембран. Это стало бы критическим этапом в переходе от примитивных мембран, основанных на жирных кислотах, к современным клеточным мембранам на фосфолипидах. Таким образом, внесение программной РНК в протоклетки делает теоретически возможными простые самовоспроизводящиеся системы. Это захватывающие исследования, и, я уверен, они продемонстрируют, что самовоспроизводящиеся клетки могут формироваться из пребиотических химикатов.

Если синтетический генетический материал можно составить так, чтобы он катализировал собственную репродукцию внутри искусственной мембраны, значит, в лаборатории могла бы быть создана примитивная жизнь. Возможно, эти клетки походили бы на первые формы жизни на Земле, существовавшие четыре миллиарда лет назад, но скорее они будут представлять собой нечто совершенно новое. Важно, что эти первые синтетические клетки, как и те, что были на заре жизни, будут обладать огромным потенциалом: способностью к мутациям и дарвиновской эволюции. Я уверен, что, когда дойдет до амбициозной цели превращения ДНК в клетку, они станут источником ценных идей и для моей собственной команды, и для многих других, кто исследует эти важные проблемы.

Дополняя эту работу по происхождению жизни, мы проводим новое исследование, долгосрочная цель которого – сотворение «универсальной реципиентной клетки», которая сможет принимать любую синтетическую ДНК с программой, настроенной на создание жизни, причем назначенного вида. Сейчас количество типов реципиентных клеток, которые мы используем для пересадки генома в наших лабораториях, очень ограниченно. Чтобы создать универсальную реципиентную клетку, мы сейчас переписываем генетический текст клетки микоплазмы, чтобы она приобрела способность транслировать и транскрибировать любую пересаженную ДНК. Это исследование должно расширить и детализировать наши догадки о том, почему жизнь существует в виде маленьких упаковок, которые мы называем клетками.

Есть и более радикальный подход: мы ищем возможность обойтись вообще без существующей клетки в качестве реципиента для синтетического генома. Мы надеемся, что сможем создать полностью синтетические клетки – начав с бесклеточных систем и добавляя затем основные компоненты, собрать в итоге полную клетку. Это могло бы стать потрясением основ, но опять же сходные исследования известны с удивительно давних времен. Еще в начале революции ДНК, в 1950-х, несколько исследовательских команд независимо продемонстрировали, что клетка не строго необходима для выполнения некоторых основных жизненных операций. Они обнаружили, что производство белков может идти даже после того, как мембрана клетки распалась.

Это впервые предположил Пол Чарльз Замечник, профессор медицины в Гарвардской медицинской школе и старший научный сотрудник в соседней Массачусетской больнице. Он заинтересовался этой проблемой в 1938 году, когда при вскрытии патологически ожиревшей женщины он был поражен обилием жира в ее тканях при относительной бедности их белком. Это побудило его поинтересоваться, как производятся белки – вопрос, который будет занимать его в течение большей части его дальнейшей карьеры. В какой-то момент он понял, что для выяснения промежуточных стадий синтеза белков ему нужно разработать бесклеточную систему. После нескольких лет опытов он наконец добился этого с помощью коллеги Нэнси Бачер, проложив путь многим важным прозрениям: от выявления, что для синтеза белка нужна АТФ, до открытия, что место сборки белка – рибосомы.

Многие исследовательские группы работали по воссозданию биологических процессов из отдельных компонентов. В 1955 году Хайнц Френкель-Конрат и Робли Уильямс были первыми, кто показал на примере вируса табачной мозаики, что действующий вирус можно создать из очищенной РНК и белковой оболочки. Вскоре последовала расшифровка основ генетического кода и того, как информация передается с ДНК к белку, – в пионерной работе 1961 года Маршалла Ниренберга и его сотрудника-постдока Иоганна Генриха Маттеи. В своем эксперименте они приготовили экстракт из бактериальных клеток, который мог вырабатывать белок, хотя цельных живых клеток в нем не было. Используя искусственную РНК и аминокислоты с радиоактивными метками, они открыли, что три урацила (УУУ) образуют кодон для аминокислоты фенилаланина.

С тех пор стало обычным делом – взять ДНК или РНК и получать белки в пробирке. В результате внеклеточный синтез белка стал важным инструментом для молекулярных биологов. Первоначально эти методы требовали экстрактов клеток, но затем появилась так называемая система PURE (синтез белка с рекомбинантными элементами), когда синтез белка ведется в бесклеточной системе с трансляционной механикой от E. coli, воссозданной из очищенных веществ и рибосом. Мы сейчас пытаемся использовать коктейль из ферментов, рибосом и химикатов (включая липиды) и синтетического генома, чтобы создавать новые клетки и формы жизни, не нуждаясь в естественных клетках. В ближайшие годы будет всё легче создавать широкий спектр клеток с написанных на компьютере программ жизни в бесклеточных системах и/или через универсальную клетку-реципиент.

Окончательное овладение технологией создания клеток с нуля откроет невероятные новые возможности. Во-первых, изучая эту границу между живым и неживым, мы сможем уточнить наше определение понятия «жизнь». Другим последствием этой работы может стать то, что мы будем иначе определять слова «машина» и «организм». Способность создавать жизнь без естественных клеток будет иметь также вполне практические применения: мы сможем повысить степень свободы в проектировании новых форм жизни. Мы сможем изучать и прежние формы жизни, воссоздавать геномы вымерших существ на основании геномов их живых потомков и использовать искусственные клетки для реализации этих древних программ.

Мы также начнем пользоваться возможностями наборов синтетических клеток. Человеческое тело само по себе замечательное коллективное предприятие, в котором только пищеварительная система приютила около ста триллионов микробов – примерно в десять раз больше, чем число клеток во всех крупных органах вашего тела. Подавляющее большинство их – дружественные микробы, которые сотрудничают с нашей биохимией. Эта склонность клеток работать совместно появилась в истории жизни относительно рано. Многоклеточные цепочки бактерий возникли около 3,5 миллиарда лет назад. Были и другие формы микробного сотрудничества, как упоминалось ранее. Покойная Линн Маргулис из Университета Массачусетса в Амхерсте предположила, что эукариотные клетки приобрели свои системы фотосинтеза и вырабатывающие энергию митохондрии путем симбиогенеза – взаимно полезного слияния двух предковых клеток.

За столь древними примерами последовала новая волна сотрудничества, когда эти сложные клетки сами объединялись, образуя сообщества, – в эволюции это происходило независимо несколько раз. Более 600 миллионов лет назад появление гребневиков – студенистых прозрачных животных с хорошо развитыми тканями – отметило точку разветвления многоклеточной жизни. Губки – это другой древний пример отдельных клеток, которые объединились в более сложные тела. Они состоят из нескольких разных типов клеток – пищеварительных клеток, клеток, которые выделяют спикулы (сегменты скелета губки), и так далее, – и все они могут общаться друг с другом и действовать вместе как единая особь.

В геноме губки Amphimedon queenslandica – фирменной губки Большого Барьерного рифа – можно видеть некоторые из генетических механизмов, позволяющих индивидуальным клеткам работать совместно. Существует с полдюжины критериев многоклеточности: регулируемый клеточный цикл и рост; программируемая смерть клетки (так называемый апоптоз); адгезия (прилипание) клетки к клетке и клетки к субстрату, позволяющая клеткам держаться вместе; сигналы развития и генная регуляция; механизмы защиты от вторгающихся патогенов; наконец, специализация типов клеток, благодаря которой у нас есть нервные клетки, мышечные клетки и т. д. Если учесть, сколько раз многоклеточность возникала независимо, то непохоже, что переход к ней можно объяснить чем-то одним, за исключением того, что клеточное сотрудничество было наилучшим решением эволюционного вопроса, как успешнее передать свои гены следующему поколению – посредством ли защиты от специфических паразитов или развития более эффективного способа передвигаться и разведывать доступные ресурсы еды и энергии.

С появлением синтетической клетки мы сможем выявить детали механизмов перехода к многоклеточности. Синтетические клетки можно будет разобрать и упростить, чтобы посмотреть, как каждый из перечисленных выше факторов многоклеточности может влиять на способность клеток общаться и сотрудничать. Это дало бы нам беспрецедентный инструмент для распутывания невероятно сложных взаимодействий, которые происходят между клетками в многоклеточном существе, будь то червячок-нематода или человек. В то же самое время мы наверняка попытаемся построить синтетическое многоклеточное существо снизу вверх, из синтетических клеток, содержащих синтетические органеллы, чтобы исследовать эту тончайшую форму сотрудничества.

Еще в конце 1960-х команда в Университете штата Нью-Йорк в Баффало успешно создала относительно крупный организм, Amoeba proteus, из крупных клеточных компонентов: ядра, цитоплазмы и клеточной мембраны от других амеб. Они сообщили, что «успех наших экспериментов по перекомпоновке организма означает, что теперь у нас есть техническая возможность собирать амеб с любым желаемым сочетанием составных частей, что дает нам отличную тестовую систему». Мы можем дать этим произведенным клеткам более эффективные клеточные барьеры или создать синтетический эндоплазматический ретикулум – усеянную рибосомами органеллу, на которой идет синтез и накопление белка.

В ходе наших работ на микоплазме и других организмах мы уже установили ингредиенты базового рецепта живой клетки: это коктейль из трех-пяти сотен белков (примерно столько же, сколько обнаружилось в работе Люси Шапиро по «необходимому геному» бактерии Caulobacter crescentus). Представьте, что мы сможем систематически разрабатывать варианты механизмов жизни, выясним, какие компоненты критичны, а какие нет, и докопаемся, как они работают вместе. Это будет благом для синтетической биологии, так как расширит спектр биологических компонентов, подпрограмм и схем, которые мы можем разработать.