Думаю, каждый согласится, что $314 за галстук – это дорого. А что, если он выткан из паутинного шелка? Звучит странно, но цена уже не кажется такой заоблачной. Паутинный шелк – удивительный материал: белок, принимающий разные формы в зависимости от вида паука и того, для чего этот белок используется – плетения паутины, опутывания жертвы или защиты яиц. У каждой формы свои механические и физические свойства, свой запас эластичности, но все они превосходят любые материалы, производимые сейчас людьми. При пересчете на единицу массы прочность каркасной нити паутины оказывается выше прочности стали. Все формы выделяются в брюшной полости паука через паутинные бородавки, которые представляют собой сложную структуру из множества паутинных трубочек, формирующих короткие волокна белка шелка в зависимости от требуемого типа паутины.

Разумеется, было бы здорово поставить производство паутинного шелка на поток, чтобы извлечь пользу из его замечательных физических характеристик, но разведение пауков, как известно, – занятие не из легких. У большинства есть ряд индивидуальных особенностей, которые не совсем подходят для современных методов ведения сельского хозяйства. А без них мы не сможем обеспечить производство волокна в достаточных объемах: в большинстве своем пауки живут поодиночке и, попадая в компанию подобных себе, проявляют склонность к каннибализму. Так что вторая причина, объясняющая высокую цену галстука, заключается в том, что он соткан из настоящего паутинного шелка, но при этом этот шелк никогда не был даже рядом ни с одним пауком и не контактировал ни с одной паутинной бородавкой. Шелк этот был выращен и ферментирован на дрожжах.

Добро пожаловать в удивительный мир синтетической биологии. Фраза в заголовке этого раздела – не что иное, как оксюморон: биология – это часть природы, а потому она не должна иметь дела с синтетикой. Это противоречие отражает самую суть технологии, которая однажды будет оказывать значительное, если не решающее, влияние не только на наш гардероб, но также и на медицину, сельское хозяйство, фармацевтику, энергетику и даже космонавтику. Галстук – первое изделие компании Bolt Threads, занимающейся внедрением в производство методов синтетической биологии. В определенном смысле мы стали свидетелями серьезной вехи. Конечно, это еще не совсем тот продукт, который годится для массового коммерческого производства и сбыта на широком потребительском рынке, – пока что было изготовлено всего 50 галстуков из паутинного шелка, и даже стильный узор переплетений в сочетании с синим цветом не дает забыть о достаточно высокой цене. В сферу интересов Bolt Threads входит производство материалов для одежды без использования продуктов традиционного животноводства и растениеводства, то есть хлопка, шерсти и шелка, получаемых от неэффективных организмов, коими являются растения и животные. Вот уже более 10 000 лет мы занимаемся «дизайном» животных и растений с тем, чтобы они обеспечивали нас всем необходимым. Но возможности земледелия и животноводства всегда были ограничены одним обстоятельством – медленным и трудоемким процессом селекции с использованием полового размножения, обусловленного главным образом биологической необходимостью и протекающего почти исключительно с участием организмов одного вида. Благодаря синтетической биологии мы можем навсегда забыть о скрещивании и селекции, объединяя свойства организмов, между которыми невозможны никакие половые контакты, отделенными друг от друга на дереве эволюции сотнями миллионов лет, – пауков и дрожжей. Задача специалистов в области синтетической биологии заключается в том, чтобы извлечь исходный код и встроить его в значительно более производительные биологические фабрики.

Естественный исходный код – это ДНК. Белок паутинного шелка закодирован в генах, которые в течение нескольких сотен миллионов лет присутствовали только в организме пауков. Несколько десятилетий назад мы научились выделять и описывать гены точно и быстро. Тогда нам стало интересно: а нельзя ли их поместить обратно в организмы, относящиеся к тому же виду или даже к совершенно другим видам? Мы можем оставить гены без изменения, чтобы понаблюдать за тем, что будет с ними происходить; мы можем изменить их или даже специально повредить, чтобы выяснить, в чем их функция, изучая последствия изменения или деформации определенных фрагментов. Это – генная инженерия, в основе которой лежит тот факт, что исходный код в биологии универсален, так как все организмы на Земле – это ответвления от одного эволюционного дерева с удивительно раскидистой кроной, которая, согласно идее Чарльза Дарвина о естественном отборе, росла и цвела в течение приблизительно 4 млрд лет. А это означает, что ДНК – носитель наследственной информации всех живых существ. Мы имеем дело с обманчиво простым алфавитом, состоящим всего лишь из четырех букв-оснований, образующих язык, которым написаны гены; слова в языке генов складываются из аминокислот. В генах всех живых существ используется всего 21 аминокислота. При соединении аминокислот получаются белки. Так формировались и формируются все белки, когда-либо существовавшие на нашей планете, а все живое состоит из белков.

Историю генной инженерии принято начинать с середины 1970-х гг., когда мы поняли, что при правильном подходе для клетки, или организма-хозяина, происхождение ДНК не имеет никакого значения, пока она может ее прочитывать. Гены с инструкциями для синтеза белков и их последующей жизнедеятельности, которые прежде формировались исключительно в рамках одного вида, теперь можно было записать в ДНК совсем другого вида.

За несколько лет до того The Beatles изобрели семплирование в музыке. При работе над треком «Бенефис мистера Кайта!» («Being for the Benefit of Mr. Kite!») для альбома «Оркестр клуба одиноких сердец сержанта Пеппера» (Sgt Pepper's Lonely Hearts Club Band, 1967 г.) Джордж Мартин и Пол Маккартни использовали пленку с записью звуков циркового инструмента Викторианской эпохи под названием «каллиопа», разрезав ее на короткие полоски. По легенде, они бросали их в воздух, подбирали с пола первые попавшиеся и вставляли в запись. Язык нот для всех один, так что, добившись совпадения тона и ритма, музыканты смогли – впервые в истории – вставить в проигрыш между куплетами фрагменты, взятые из совершенно другой записи. С тех пор семплирование стало достаточно широко использоваться в популярной музыке, положив начало целым жанрам, прежде всего хип-хопу – самому прибыльному музыкальному жанру в истории.

В 1973 г. группа ученых из Стэнфорда под руководством Пола Берга сумела перенести ген из одного вируса в другой. Можно сказать, что с этого эксперимента по биологическому семплированию началась современная биология. Тогда были заложены основы биотехнологии, которая постепенно заняла ведущие позиции. Сегодня среди наук о жизни нет ни одной, которая бы не пользовалась этими методами. Работа по выявлению дефектных генов, приводящих к развитию заболеваний, а затем расшифровка всех наших генов в рамках проекта «Геном человека» были бы невозможны, если бы мы не умели выделять гены и переносить в бактерии, где их можно было бы комбинировать, описывать и изучать. В той области научных исследований, которой я занимаюсь, а именно – генетике развития, чтобы понять, что гены делают, они также выделяются из одного организма и встраиваются в другой, который лучше изучен или с которым проще работать. Мы брали гены человека и переносили их в бактерии, а потом, повозившись с кодом, внедряли в геном мышей. За два десятка лет с начала 1980-х гг. рекомбинация стала обычным инструментом в биологии.

С наступлением XXI в. младенческий период в развитии генетики, генной инженерии и молекулярной биологии закончился, сменившись детством. То время, прошедшее под знаком проекта по расшифровке генома человека, казалось сумасшедшим, насыщенным находками и открытиями. Наверное, такое ощущение появляется у всех, кто работает в научной области, переживающей революцию. Но сейчас, оглядываясь назад, я понимаю, что мы все работали слишком медленно и неэффективно – главным образом из-за того, что многие манипуляции, которые мы проделывали с ДНК и на которых были основаны наши эксперименты, приходилось изобретать каждый раз заново. Мы словно разрезали пленочные записи звуков каллиопы всякий раз, когда хотели использовать семплирование. Это был мир исключительно ручного рекомбинирования.

Так бывает со всеми новыми технологиями. Сначала их нужно изобрести. На этом этапе проводится множество экспериментов, а сам процесс разработки выглядит немного хаотичным. Затем они доводятся до ума и внедряются повсеместно, благодаря чему все получают к ним доступ. К новым технологиям быстро привыкают. Работать с ними становится легче. Они перестают быть чем-то необычным. Сегодня семплирование в музыке – простейшая операция, которую вы можете проделать даже на смартфоне. Я набираю эти слова с помощью технологии, которую невозможно было представить себе еще 50 лет назад, технологии, которую я едва понимаю, но которая практически всегда работает так, как ожидаешь, и основана на принципах электроники и определенных свойствах материалов. Ударяя по кнопкам, я заставляю электроны бежать по цепям через логические элементы и транзисторы в светоизлучающие диоды. Процесс этот настолько сложен, что я вряд ли смогу до конца понять, как это все на самом деле работает. Буму в электронике способствовала всеохватная торговля компонентами электронных схем. В результате они все больше и больше стандартизировались. Так что вам не нужно изобретать диод каждый раз, когда вы хотите его использовать. Достаточно просто купить его и соединить с другими компонентами. При этом вы прекрасно понимаете, что получите на выходе.

Компоненты становились все меньше, и создание все более сложных схем упрощалось. Сегодня полупроводниковая электроника используется практически во всех сферах жизни людей.

Все это хорошо известно тем, кто стоял у истоков синтетической биологии. Это были инженеры-электротехники и математики главным образом из Стэнфорда и Массачусетского технологического института в США, которые заметили, что по сути своей генетика – это закодированная цепь микросхем, которую можно собирать и разбирать, но сами генетики тратят полжизни на то, чтобы раз за разом заново изобретать эти микросхемы. Если бы компоненты, используемые в генной инженерии, удалось стандартизировать так же, как это произошло с компонентами электронных схем, это бы позволило многократно ускорить процесс внедрения наработок биологов в условиях промышленного производства.

Как раз это они и сделали. В 2006 г. основали некоммерческую организацию BioBricks Foundation, в задачу которой входило создание общедоступного хранилища стандартных частей ДНК, слегка измененных для того, чтобы их можно было комбинировать и складывать вместе, как лего. В итоге получился самый настоящий конструктор: гены и генные переключатели выделялись в виде нитей ДНК, а их концы формировались таким образом, чтобы они могли соединяться с концами других элементов, образуя биологически правильную последовательность. Любую из этих генетических деталей можно было взять из хранилища и разослать по всему миру на небольшом кусочке фильтровальной бумаги. При добавлении раствора ДНК просто открепляется от бумаги и присоединяется к следующему компоненту по принципу домино. Свести генную инженерию к такой простой операции – вещь немыслимая не только для науки прошлого, но даже и для современной науки.

Несмотря на недюжинную прозорливость и способность предсказывать будущее технологий, никто из классиков научной фантастики не сумел распознать потенциал новой науки. Эволюция с ее доведенным до совершенства за 4 млрд лет методом проб и ошибок обеспечила планету мощнейшим ресурсом для построения форм жизни – генами во всем их бесконечном разнообразии, обеспечивающем выживание внутри организма-хозяина в условиях меняющейся внешней среды. С появлением синтетической биологии мы получили систему, которая позволяет брать эти кирпичики эволюции и комбинировать их не так, как требуется для выживания организма-хозяина, а как нужно нам.

Существует много направлений синтетической биологии. Ряд исследователей не просто переписывают генетический код для определенной цели, но дополняют язык ДНК буквами, которых не существует в природе, или скорректированными версиями ДНК, которых никогда прежде не было. Другие делают упор на использование ДНК в качестве хранилища данных – собственно, в этом и заключается ее главная функция в естественных условиях. Гены – информация, а ДНК как формат данных отличается исключительно высокой степенью устойчивости, благодаря чему мы можем восстановить геномы людей и организмов, которые умерли десятки или даже сотни тысяч лет назад. Поскольку это не просто данные, а ДНК, мы точно не потеряем интерес к этому формату. Например, в мире цифровых носителей информации целостность данных нарушается, а форматы устаревают даже не за десятилетия – за считаные годы. Помните 5-дюймовые дискеты? Или видеокассеты? В рамках нескольких проектов в разных странах мира были успешно проведены опыты по сохранению на ДНК видеороликов, сонетов Шекспира, книг и иных цифровых данных. При этом ДНК в настоящее время имеет самую высокую плотность записи информации, на несколько порядков превышающую плотность записи на Blu-ray. Пока у ДНК как носителя цифровой информации есть один большой недостаток – невысокая скорость записи и чтения, из-за которой она подходит только для долгосрочного архивирования. Однако не исключено, что в будущем мы будем пользоваться компьютерами с ДНК вместо жесткого диска.

Нынешнее десятилетие – первое после рождения синтетической биологии – принесло нам множество замечательных идей, открывающих невиданные возможности для построения лучшего будущего. Разнообразие проектов и методов просто поражает, но главным направлением остается дизайн генетических цепей, которые производили бы что-то такое, создание чего любым другим способом сейчас для нас очень трудно или просто невозможно.

На данный момент одним из главных достижений в рамках работы по развитию синтетической биологии является разработка метода лечения одного из самых губительных заболеваний. Ежегодно малярией заражаются 200–500 млн человек. Около 400 000 из них – главным образом дети в возрасте младше 15 лет – умирают. Она унесла больше жизней, чем какой-либо другой недуг за всю историю человечества. В разное время появлялись методы лечения этого заболевания, дававшие короткую передышку, но их неконтролируемое интенсивное использования из раза в раз приводило к появлению паразитических простейших из рода плазмодиев, обеспечивавших адаптацию и устойчивость заболевания к имевшимся на рынке лекарственным препаратам. На протяжении последних нескольких лет самым эффективным средством являлось вещество под названием «артемизинин». Его традиционно получают из полыни однолетней, но, как это часто бывает с традиционными сельскохозяйственными культурами, его производится то мало, то много, что приводит к резким ценовым колебаниям. Когда в самом начале XXI в. компания Amyris из Сан-Франциско, работающая в области синтетической биологии, занялась разработкой нового вида дизельного топлива, которое можно было бы выращивать в дрожжевой среде, один из исследователей заметил среди компонентов извилистого молекулярного пути прекурсор артемизинина. После этого началась работа по оптимизации генетических конструкций с целью обеспечения выработки артемизинина в клетках дрожжей в промышленных масштабах. Это позволило бы получить новый источник эффективного препарата. Распознав в новой разработке потенциальное решение проблемы зависимости производства противомалярийного препарата от экономических неурядиц традиционного растениеводства, Фонд Билла и Мелинды Гейтс инвестировал в нее многие миллионы долларов. Лицензия на технологию была передана фармацевтической компании Sanofi, которая должна была вывести лекарство на рынок по существенно более низкой цене.

С самого начала развития синтетической биологии ведется разработка методов, позволяющих использовать клетки в качестве сенсоров. Некоторые из механизмов, обеспечивающих существование жизни, отличаются исключительной чувствительностью – достаточно вспомнить о том, что фоторецепторы в сетчатке наших глаз способны улавливать единичные фотоны света. Сегодня мы научились перепрограммировать клетки так, чтобы они распознавали самые разные сигналы, поступающие из внешней среды, что используется в самых разных задачах: от контроля качества мяса в супермаркете до выявления нефтяных загрязнителей или носителей инфекций в организме.

При этом область интересов синтетической биологии не ограничивается Землей. NASA уделяет большое внимание разработке технологий на основе методов перепрограммирования ДНК и активно инвестирует в них, что вполне объяснимо – ведь клетки ничтожно малы и почти ничего не весят. Как известно, вес – самый главный фактор, определяющий величину расходов в космонавтике. По некоторым подсчетам, чтобы вырвать из оков гравитации и доставить 1 кг груза с земли на орбиту, требуется приблизительно $30 000. Если всерьез рассматривать возможность отправки людей на другие планеты, нам придется найти решение для двух главных проблем. Первая связана с суровыми условиями космической среды – эволюция не подготовила нас к выживанию за пределами защитного кокона земной атмосферы, то есть там, где космические корабли будут находиться под постоянным воздействием космических лучей и порывов солнечного ветра, а люди в них будут за короткое время получать большую дозу радиации. Под влиянием этих факторов во время путешествия на Марс и обратно астронавтам будет грозить бесплодие, риск развития катаракты, а также они окажутся подвержены высокому риску развития злокачественных опухолей. Лучший способ защиты от этих смертельных лучей – толстая металлическая оболочка, вывод в космос которой из-за большой массы будет стоить непомерно дорого. Исследователи центра NASA в городе Эймс в Калифорнии обратились за решением этой проблемы к синтетической биологии, приступив к работе по получению бактерий, которые бы начинали вырабатывать цитокины под воздействием радиации. Цитокины – естественная реакция нашего организма на вызванное радиацией разрушение ДНК, поэтому синтетические бактерии, способные самостоятельно вырабатывать цитокины, могли бы противостоять этому разрушительному воздействию.

Вторая причина, по которой NASA финансирует собственную программу разработок в области синтетической биологии, связана с тем, что после приземления на другой планете астронавтам понадобятся кров, кислород и пища. В рамках нескольких разных проектов началась работа по созданию из компонентов, имеющихся в хранилище BioBricks, клеток, которые могли бы вырабатывать кислород, пищу и даже строительные материалы: благодаря способности выделять цементирующие молекулы в процессе роста в песке, выполняющем роль марсианского риголита, такие клетки образуют плотные блоки, похожие по своим свойствам на кирпичи. При этом в качестве сырья выступают пробирка с клетками, вода и марсианский песок. Для получения нужного результата с Земли будет достаточно доставить на Марс лишь первый компонент из списка.

Такой полет творческой фантазии вряд ли стал бы возможен, если бы не невероятный энтузиазм, рождаемый мечтами о фантастическом будущем, которое может стать реальностью благодаря синтетической биологии. Эта область кипит молодым задором. Комбинировать генетические цепочки можно как угодно – никаких рамок, кроме вашей фантазии, не существует. Проблема в том, что долгое время лишь немногие из таких фантазий удавалось довести до полноценной реализации. Оказавшись в живой клетке, составленные на бумаге цепочки вели себя не совсем так, как ожидалось. То, что по плану должно было на выходе быть чистым цифровым сигналом, растворялось в шуме создаваемых системой помех. Получить конечные продукты, будь то химические датчики, лекарства или виды топлива, не получалось. Чтобы разрабатываемые NASA защитные устройства для астронавтов стали пригодны для использования, потребуется еще не одно десятилетие. Как оказалось, разработанное Amyris дизельное биотопливо плохо годилось для производства в промышленных масштабах, что не позволило компании хотя бы даже приблизиться к объемам выпуска, обеспечивающим приемлемый уровень рентабельности. Дешевый артемизинин должен был заполонить рынок еще несколько лет назад, но это ему так до сих пор и не удалось. При этом уже сформировался черный рынок, в результате чего препарат попадает в руки потребителей, которые в большинстве своем не следуют рекомендациям ВОЗ, предполагающим его применение исключительно в составе комплексной терапии. Итог – уже сейчас начинают формироваться очаги резистентности к нему.

Несмотря ни на что у синтетической биологии действительно огромный потенциал. Ее рождение в первое десятилетие XXI в. сопровождалось небывалым ажиотажем. К ней было приковано внимание прессы. Все говорили только о ней. Но, как это часто случается с новыми технологиями, ей не удалось в полной мере оправдать ожидания. Период шумихи сменился более приземленным и спокойным этапом, когда нужно просто работать. Так что скоро мы увидим вполне реальные продукты синтетической биологии, помогающие решать реальные проблемы в современном мире. Подход к ДНК сменился – теперь она рассматривается как программная начинка (software) или, точнее, как нервная система (wetware). Наряду с программированием ДНК инженеры, занимающиеся ее нервной системой, ищут ошибки в продуктах, которые в скором времени будут выведены на рынок, и исправляют их. Галстук Bolt Threads – рекламный прием, демонстрация возможностей технологии, которая однажды полностью изменит наш подход к производству вещей. Научные революции не терпят спешки и обычно происходят в несколько этапов. Десятки тысяч лет мы выращивали, собирали и совершенствовали материалы, из которых состоят все вещи в нашем мире. Довольно скоро многие из них будут вырабатываться внутри живых клеток в соответствии с запрограммированными нами цепочками, представляющими собой переработанную версию природных.