Наука - Новые творцы

Если способность к размножению – решающая характеристика, которая отличает живое от неживого, то искусственная жизнь уже создана. На основании открытых данных расшифрованного генома в 2002 году Экард Уиммер из университета Стони Брук, штат Нью-Йорк, сделал неотличимый от настоящего вирус – возбудитель полиомиелита – из отдельных молекул. Группа Уиммера на самом деле создала «полусинтетическую полужизнь»: вирусы находятся на границе между живым и неживым, а для синтеза использовались ферменты, выделенные из живых клеток, и готовые олигонуклеотиды – короткие отрезки ДНК, состоящие из нескольких десятков или сотен нуклеотидов. В 2003 году ученые из Института альтернативной биологической энергии (США) под руководством знаменитого Крейга Вентера синтезировали из общедоступных реактивов вполне живой бактериофаг phi-X174 (безопасный для человека и животных вирус, который внедряется в бактерию Esherichia coli).

Синтез вирусов – факт свершившийся. Однако спор о том, можно ли вирусы в полной мере называть «живыми», до сих пор продолжается. Наиболее просто устроенные вирусы состоят из нуклеиновой кислоты (ДНК или РНК) и покрывающего нуклеиновую кислоту белкового чехла. В состав некоторых вирусов входят также углеводы и жиры (липиды). Таким образом, вирусы можно рассматривать просто как мобильные наборы генетической информации. Вирусы могут размножаться только внутри живой клетки, метаболизм которой после заражения перестраивается на воспроизводство вирусных, а не клеточных компонентов.

В качестве генетического материала вирусы содержат либо ДНК, либо РНК – но никогда обе нуклеиновые кислоты сразу, как это всегда происходит у «истинно живых» организмов (начиная с бактерий). Поскольку вирусы не обладают собственным обменом веществ, вне клетки их вряд ли можно назвать живыми – это скорее инертные кристаллы. Но при попадании в клетку они чудесным образом «оживают», запуская механизм собственной репликации и используя ресурсы клетки-хозяина. Так что же такое вирусы? На этот вопрос Экарт Уиммер, создатель полиовируса из химических реактивов, дал очень удачный ответ: «Вирус – это набор молекул с жизненным циклом».

Что же это за набор? Ядро вириона (так называется заразная вирусная частица вне клетки) содержит линейную или кольцевую молекулу (или несколько) нуклеиновой кислоты (ДНК или РНК). Для всех остальных живых организмов характерна двухнитчатая ДНК и однонитчатая РНК – однако вирусы заполняют этот «пробел», поскольку существуют вирионы с однонитчатой ДНК (например, крысиный вирус Килхама) и двухнитчатой РНК (например, реовирусы и вирусы раневых опухолей растений). С этой точки зрения герпес-вирусы (двухнитчатая ДНК) и реовирусы (двухнитчатая РНК) отличаются друг от друга больше, чем герпес-вирусы от человека или пальмы (и намного больше, чем человек от пальмы). Конечно, генов в вирусах поменьше, чем даже в самых простых бактериях, – всего 3–4 в самых мелких и до 100 в крупных. Нити (цепочки) вирусной нуклеиновой кислоты, двойные или одинарные, могут иметь линейную форму или замыкаться в кольцо.

Белковый чехол, покрывающий нуклеиновую кислоту вириона и защищающий ее от вредных воздействий окружающей среды, называется капсидом. Капсиды самых мелких и простых вирусов могут состоять лишь из одного или нескольких видов белковых молекул. Несколько молекул одного или разных белков объединяются в субъединицы, называемые капсомерами. Капсомеры, в свою очередь, образуют правильные геометрические структуры вирусного капсида. Для разных видов вирусов характерна определенная форма капсида – именно по этому признаку построена их классификация. Белки капсида более сложно устроенных вирусов работают в качестве ферментов, разрушающих клеточную оболочку, или способны сокращаться, впрыскивая нуклеиновую кислоту в клетку.

Генетическую информацию, закодированную в отдельном гене, в общем можно рассматривать как инструкцию по производству определенного белка в клетке. Для того чтобы эта информация стала доступной для рибосом (клеточных «фабрик» белка), ее необходимо перекодировать в молекулу матричной РНК. Поэтому ДНК-содержащие вирусы для начала должны встроить свои гены в ДНК хозяина и переписать (транскрибировать) свою генетическую информацию в этот формат. РНК-вирусы могут либо сразу встраивать свою генетическую информацию в матричную РНК клетки, либо должны синтезировать понятную для рибосом матричную РНК, используя собственную РНК как шаблон. Только после этого начинается синтез вирусных белков и происходит репликация вируса. А особая группа РНК-вирусов – ретровирусы – вместо «общепринятой» транскрипции ДНК в РНК поступает наоборот: они переписывают свою РНК в ДНК и встраивают ее в хромосомную ДНК клетки. На матрице такой ДНК производится новая РНК, которая и определяет синтез вирусных белков.

Вирусы могут начать размножаться сразу после проникновения в клетку или долгое время оставаться в латентном (покоящемся) состоянии и даже передаваться в таком неактивном виде в дочерние клетки после деления. Если вирус приступил к делению, синтезированный белок, который используется для строительства капсида, и размноженная во многих копиях вирусная ДНК объединяются и формируют новые вирионы. Они покидают использованную клетку (которая при этом погибает) и поражают новые.

В 1992 году Крейг Вентер основал Институт по изучению генома в Роквилле (Мэриленд, США), где с середины 1990-х годов стартовал проект минимального генома. Его цель – отобрать гены, которые абсолютно необходимы для поддержания жизни в отдельно взятом организме, и отбросить все лишнее. В центре эксперимента – условно-патогенный микроорганизм Mycoplasma genitalium. Это одни из самых примитивных бактерий, способные вызвать воспаление мочеполовых путей, но нередко их выявляют и у здоровых людей.

M. genitalium обладает наименьшим из известных клеточных геномов – 517 генов, из которых 480 кодируют белки, а 37 отвечают за производство РНК, которая обеспечивает синтез белков, регулирует развитие клетки и выполняет другие жизненно важные функции. Выключая гены по одному, ученые отобрали минимальный геном микоплазмы – 265–350 кодирующих белки генов, без которых бактерия не способна существовать даже в самых лучших лабораторных условиях. Функцию 111 генов установить не удалось – возможно, даже в хромосоме такой простой бактерии в процессе эволюции накопились ненужные гены.

Доклад о проекте минимального генома в 1999 году произвел такой фурор, что была создана специальная комиссия из независимых экспертов по исследованию этичности подобных исследований. Через год глава комиссии Милдред Чо из Центра биомедицинской этики Стенфордского университета (Калифорния, США) сказала о создании искусственных организмов буквально следующее: «Можно сказать, что этим мы вмешиваемся в промысел Божий. Но наша группа пришла к выводу, что манипулирование другими организмами давно является традицией человечества».

Как далеко может зайти это манипулирование, остается только гадать. Ведь если вирусы или бактерии можно создать «с нуля», то теоретически ничто не мешает придать им новые, желаемые свойства. Институт альтернативной биологической энергии ведет работу по созданию микроорганизма, который можно будет использовать для производства водорода – получения энергии из восполняемых источников. Хорошо, если бы все цели в этой области были бы такими же благородными. Учитывая, что мы имеем дело с вирусами и бактериями, всегда есть возможность создания организмов, способных как принести пользу, так и погубить человечество.

В случае, если геном и так достаточно прост, дополнительное упрощение уже не требуется. В 2002 году Экарт Уиммер из университета Стони Брук, штат Нью-Йорк, опубликовал работу по синтезу вируса полиомиелита из кусочков молекул. Синтетические вирусные частицы оказались совершенно неотличимы от естественных по всем параметрам – размеру, поведению, заразности. Причем слово «синтез» применимо к этой работе в самом буквальном смысле: зная нуклеотидную последовательность, ученые шаг за шагом построили вирус совершенно так же, как химики синтезируют сложные молекулы. Сам синтез занял у группы три года.

Итак, вирусы уже синтезированы, бактерии ждут своей очереди. Технология минимального генома, в теории, применима и к другим моделям – сейчас она работает для бактерий, но это далеко не предел. Так что же дальше? Сможем ли мы когда-нибудь, подобно Виктору Франкенштейну, собрать что-либо более сложное из молекулярного «конструктора»? Сможем ли мы не только копировать существующие организмы, а и создавать принципиально новые? Скорее всего, это лишь вопрос времени.

Вирусы содержат в своем составе только один из типов нуклеиновых кислот: либо рибонуклеиновую кислоту (РНК), либо дезоксирибонуклеиновую (ДНК), а все клеточные организмы, в том числе и самые примитивные бактерии, содержат и ДНК, и РНК одновременно.
Вирусы не обладают собственным обменом веществ и имеют очень ограниченное число ферментов. Для размножения они используют обмен веществ клетки-хозяина, ее ферменты и энергию.
Вирусы могут существовать только как внутриклеточные паразиты и не размножаются вне клеток тех организмов, в которых паразитируют.

От искусственных белков к искусственной жизни

Четыре нуклеотида – аденин, гуанин, тимин и цитозин – кодируют 20 аминокислот, из которых синтезируют белки все живые организмы. Это непререкаемый, универсальный закон жизни. Так было до недавнего времени. Несколько групп ученых уже смогли обойти этот закон.

Начало было положено 15 лет назад, когда группы под руководством Ричарда Чемберлена (Калифорнийский университет, США) и Питера Шульца (Научно-исследовательский Институт Скриппа, Ла-Джолла, Калифорния, США) предложили метод, позволяющий синтезировать белки, в состав которых входят такие аминокислоты, которых нет ни в одном живом организме. А недавно стало возможным генетически кодировать эти искусственные аминокислоты и с высокой точностью внедрять их в белки живых одноклеточных организмов, которые после этого начинают использовать этот новый «материал» для синтеза собственных белков. В 2001 году этот метод был опробован на бактерии Escherichia coli, а в 2003 году – на обычных пекарских дрожжах Saccharomyces cerevisiae. Дрожжи – одноклеточные организмы, но в отличие от бактерий их хромосомы, как и у нас с вами, находятся не прямо в цитоплазме клетки, а ядре.

Дизайн олигонуклеотидов (относительно коротких последовательностей одинарной ДНК) – 8 часов.
Синтез олигонуклеотидов – примерно 4 дня.
Очистка полученных олигонуклеотидов, электрофорез – 2 дня.
Фосфорилирование олигонуклеотидов – 4 часа.
Соединение олигонуклеотидов попарно, оставляют на ночь – 18 часов.
Полимеразная цепная сборка в хромосомы, 35–70 циклов – 12–24 часа.
Многократное копирование хромосом (ПЦР – полимеразная цепная реакция) – 3 часа.
Очистка полученных хромосом – 8 часов.
Замыкание синтезированной линейной ДНК в кольцо (для придания заразности) – 4 часа.
Пропускание через культуру бактерии Escherichia coli, высаживание на чашку Петри – 24 часа.

Результат: бактерия заражена свежесинтезированным вирусом. Весь процесс от набора реактивов до работающего вируса занимает около двух недель.