Нанонауки. Невидимая революция
Шрифт:
XX век был веком «поделок» из атомов и всяческих манипуляций с ними. Век XXI обещает стать столетием «поделок» из живого и махинаций с жизнью. Сегодня так называемая «синтетическая» биология, едва научившись по-младенчески лепетать, замахивается на воспроизводство жизни — на творение живого в лаборатории. И ученые, работающие над этим, своих намерений не скрывают. Но что такое жизнь? Определение очень даже пригодится: когда придет день и в какой-то лаборатории в пробирке что-то этакое зашевелится, придется проверять соответствие нового творения ученых некой четкой дефиниции. Но определения — материя деликатная. Большинство знающих людей сходятся на такой дефиниции: жизнь есть способность организованных структур к самовоспроизведению.
Словосочетание «синтетическая биология» появилось в 1912 году на обложке научного сочинения, автором которого был
Прошли годы, и этот термин вновь появился — он воскрес в 1978 году под пером автора редакционной статьи в журнале Gene(«Ген»), провозглашавшего пришествие «эры биологии синтеза, когда биологи не станут довольствоваться описанием существующих генов, но постараются построить новые» [19] .
19
Szybalski W ., Gene.1978. Vol. 4. № 3. P. 181.
Считая, что жизнь сводится к расстановке сложных молекул, которые (заняв верное положение) и образуют биологические системы, поборники синтетической биологии не сомневаются, что в один прекрасный день им удастся создать живое. А пока они стараются изучить механизмы, действующие в клетке: выяснить, как внутри нее циркулирует информация, как работают внутриклеточные регуляторы, как взаимодействуют между собой гены и белки, как клетка общается с соседями и окружением и т. п., чтобы потом воспроизвести познанные механизмы. Они думают и об изобретении неведомых самой природе функций, и о «программировании» клетки на выполнение новых, то есть прежде не выполнявшихся ею, задач. Так, одну бактерию видоизменили так, что она, обнаружив какие-то — вполне определенные — молекулы близ себя, начала светиться, фосфоресцируя зеленым светом; ни о чем подобном эта бактерия конечно же и не помышляла, пока исследователь не подтолкнул ее на эту дорожку [20] .
20
Weiss, R. Princeton University.
Не бывает жизни без информации — передаваемой, принимаемой или передающейся. Информация записывается в цепочках молекул ДНК (дезоксирибонуклеиновой кислоты) почти во всех живых организмах. Но все-таки не во всех. Да и было так, похоже, не всегда. Есть биологи, считающие, что сначала информация хранилась в молекулах РНК (рибонуклеиновой кислоты) — почти у всех вирусов РНК есть, и без ДНК они по большей части легко обходятся. Вообще-то между ДНК и РНК разница невелика, но РНК может еще и миллионнократно ускорять химические реакции — словно какой-то фермент. Раз уж РНК — и носитель, и хранитель информации, и катализатор, то естественно думать, что сначала появилась РНК, а уж потом ДНК, более устойчивая и более специализированная, — в сущности, ДНК занимается только информацией.
А как же в ней записываются те или иные сведения? Грубо говоря, ДНК содержит полное описание клетки. Цепочки ДНК — это своего рода приказы или команды, получаемые макромолекулами, присоединяющимися к ДНК. Они передают полученные команды «производственным машинам», вырабатывающим белки, необходимые для выживания клетки. Алфавит для записи информации состоит всего из четырех букв — нуклеотидов А, Ц, Г и Т, именуемых основаниями. Учредители синтетической биологии умеют синтезировать эти основания и приводить их в порядок. Итак, сначала они изготавливают искусственные ветви ДНК. Потом исследуют то, что получилось, проверяя, действительно ли искусственная ДНК функционирует так же, как естественная. Они вводят эти искусственные участки ДНК в бактерии и наблюдают за тем, что после этого происходит, надеясь понять жизнь через подражание ей, а потом, быть может, эту самую жизнь удастся воссоздать или сотворить заново. Таким образом уже были получены более 10 000 искусственных участков, а затем более 32 000 тех оснований, которые кодируют некоторые белки в бактерии Escherichia Coli.Кроме того, предпринимаются попытки синтезировать искусственные основания, непохожие на те (А, Ц, Г и Т), которыми пользуется известный нам мир живого. Так, в 2002 году японцы создали ДНК с шестью основаниями: к четырем естественным (А, Ц, Г и Т) они добавили два рукотворных — S и Y. Эксперименты показали, что бактерии способны включать в себя эти незнакомые им основания. А нельзя ли ожидать также и появления неведомых природе генетических кодов, новых белков или каких-то прежде неизвестных функций? Иными словами, а вдруг ученые, эти энтузиасты, создадут иные формы жизни? Пока что, однако, ни один диковинный кролик из колпака волшебника не выскочил.
Не так давно исследователи синтезировали вирус полиомиелита. Ну вот, вирус уже есть — значит, пора бы синтезировать бактерию, правда? «Технология производства» могла бы оставаться той же. Однако в геноме Escherichia Coli,бактерии из зауряднейших и самых распространенных, 4,7 млн оснований! Размах несколько иной, чем в случае вируса полиомиелита, для изготовления которого потребовалось синтезировать «лишь» 7200 оснований. Не диво, что биологи заинтересовались бактериями попроще и поменьше, чем Е. Coli.К примеру, американский биолог Крейг Вентер, участвовавший в расшифровке генома человека, работает с крошечной бактерией Mycoplasma genutalium:у малютки — 517 генов, что означает наличие каких-то 500 000 оснований! Некоторые гены кажутся бесполезными, или, точнее, неиспользуемыми. Весь вопрос в том, как бы поточнее определить, какие именно «гены» не нужны, да и угадать, сколько все-таки их нужно для жизни — речь о минимуме, понятно. По оценкам биологов, он примерно равен 250, что не кажется чем-то совсем уж недостижимым. Но никто не посмеет утверждать, что стоит подогнать друг к другу нужные основания, и возникнет жизнь.
Жизнь, она не так проста. Положим, удалось выстроить генетическую программу — но ведь нужна еще и «коробочка» (вместилище). Приверженцы синтетической биологии уже кое-что придумали и даже опробовали. Например, они научились делать искусственные мешочки, делящиеся самостоятельно, под воздействием механического давления извне. Еще они синтезировали белки, способные проникать в мембрану и создавать канал, соединяющий то, что внутри мембраны, с внешним миром — по этому каналу могут перемещаться питательные вещества или отходы метаболизма. Как и с оболочками (вместилищами), так и с их содержимым дела продвигаются, и довольно быстро, но на сегодняшний день ничего похожего на самовоспроизводящуюся жизнь не создано. Не помогут ли нанотехнологии решению и этой задачи?
Синтетическая биология не пользуется нанотехнологиями, но применяет генетические методы. А ведь новаторский нанотехнологический инструментарий как нельзя лучше пригоден для изучения сокровенных тайн клетки. Совершенствование туннельного микроскопа привело к созданию микроскопа ближнего поля, пользуясь которым исследователь может как бы «сорвать» мембрану и заглянуть внутрь клетки. Из наноматериалов мастерят нанозонды, и эти крошечные приборчики приклеивают затем к белкам или к маленьким вирусам, что позволяет проследить их перемещения внутри клетки. Если такие маркеры еще и светятся, флюоресцируют, то за движениями белковых молекул или вирусов можно наблюдать с помощью конфокального оптического микроскопа, in vivo.
Но верно и обратное: биология иной раз способна принести большую пользу нанотехнологиям: творения Владычицы Природы научают определенным приемам и наводят на интересные мысли, подсказывая, например, как создать тот или иной нанообъект, или наталкивая на изобретение чего-то неведомого и самой природе. Например, изучение макромолекулярных конфигураций на поверхности мембраны, выступающих в роли «запоров» или «замков», открывающихся только для определенных протеинов (стало быть, эти белки — «ключи» к замкам), помогает создавать молекулярные установки типа «ключ — замок». Наночастицы можно будет оснастить «ключами», а сами они смогут приклеиваться к заданным участкам больных клеток, доставляя в эти места лекарства. В том же духе изучение обнаруживаемых в природе режимов и механизмов самосборки, заживления или регенерации помогает создавать наноматериалы, способные самостоятельно (без вмешательства человека) собирать (строить) и ремонтировать себя.
Более полные знания биологии клетки могут оказаться полезными и разработчикам все более и более усложняющихся молекул-машин. Вспомним грезы 1980-х об использовании естественного биохимического завода — а это любая бактерия — для производства (синтеза) тех или иных частей или деталей молекулы-машины. В сущности, это монументализация, только доведенная до предела и осуществляющаяся в лоне бактерии. Правда, ничего похожего на поиски искусственной жизни здесь нет, так как планы сборки будут отличаться от тех, по которым собираются макромолекулы и органические вещества самой бактерии, пусть даже молекулярные веса или иные параметры окажутся равными или близкими.