Письмо 12. Искусственная жизнь

 

В последних своих колонках я в основном писал об исследованиях мозга человека, но сегодня хочу поговорить на другую тему: об «искусственной жизни» в одном из ее вариантов — о химическом синтезе живых организмов¹. Это, в частности, связано с не вполне адекватной, на мой взгляд, реакцией в социальных сетях на статью американских биологов о синтезе «минимального генома»². В одной из увиденных мною заметок говорилось, что эта статья является чуть ли не решающим доказательством того, что жизнь не была сотворена Богом, и, стало быть, мы больше «в этой гипотезе не нуждаемся». Так ли это, мы и поговорим.

Начнем издалека. Еще сравнительно недавно — полвека назад — мы знали, что такое жизнь, точнее, что такое живое: живое — это не мертвое. Такая оппозиция живого организма и мертвой (инертной) материи казалась ясной, и вопрос в каждом конкретном случае — разрешимым. Но, судя по научным работам последних 10–15 лет, вопрос сложнее, и где проходит граница между мертвым и живым, не очевидно.

В 1975 году знаменитый генетик и теоретик эволюционной биологии Джон Мэйнард Смит (John Maynard Smith) дал такое определение: живой следует называть «любую популяцию сущностей (entitiesas), имеющих свойства размножения, наследования и изменчивости»³. Правда, сегодня под это определение подходят не только природные вирусы, но и компьютерные. Считать ли полиморфные цифровые программы живыми? Ответы на этот вопрос даются прямо противоположные⁴.

В 2002 году было сделано очень важное открытие, положившее начало синтезу живых организмов не из других организмов (например, в процессе их распада, то есть «сверху — вниз»), а из химических соединений («снизу — вверх»).

Эккард Виммер (Eckard Wimmer) и его коллеги из университета Стони Брук (Stony Brook University) собрали из небольших фрагментов (олигонуклеотидов) полную РНК вируса полиомиелита (полиовируса)⁵. Это в 2002 году было не очень-то просто. РНК состоит из 7500 нуклеотидов (это сравнительно немного, например, РНК вируса Эбола — около 19 000 нуклеотидов⁶). Кусочки РНК (олигонуклеотиды) заказывали в биотехнологических компаниях, а потом склеивали⁷. В результате РНК вируса полиомиелита была собрана. Но РНК это еще не вирус, это своего рода его схема, или «операционная система клетки» (или в данном случае вируса). Синтезированная РНК была помещена в специально приготовленный клеточный экстракт, состоящий из неинфицированных клеток человека, лишенных ядер, митохондрий и других клеточных органелл, то есть от клеток фактически остались — мембрана и цитоплазма. Когда плотность синтезированной вирусной РНК в этом экстракте достигла некоторой критической массы, появились нормальные вирусы — линейная РНК свернулась в нормальную трехмерную форму, и синтетический вирус оказался способным к жизнедеятельности.

Эта работа была, безусловно, важной, но свои даже не 15, а много больше минут всемирной славы она получила не только потому, что это первый случай синтеза вируса (и вообще любого организма) из химических элементов (сборка «снизу — вверх»), но и потому, что работа появилась в трагический момент истории: через неделю после атаки самолетов на башни-близнецы (11 сентября 2001 года) — 18 сентября произошел еще один террористический акт: многие американские политики и редакции СМИ получили конверты, содержащие споры сибирской язвы: пять человек умерли, еще 17 — заразились, но выжили. И когда менее чем через год вышла статья Виммера и его коллег, ученым пришлось отвечать на вопрос: а не могут ли теперь террористы просто собрать любой смертельный вирус и провести масштабную атаку?

Виммер утверждал, что вероятность такого поворота событий крайне мала, но полностью отрицать такую возможность он не мог. С тех пор прошло уже полтора десятилетия, достижения генетиков на пути синтеза организмов — очень значительны (о них эта заметка), но террористических атак с помощью синтетических вирусов пока не было.

Спустя четыре года после выхода статьи с описанием синтеза вируса Виммер опубликовал другую статью, главной целью которой было прояснение некоторых не столько научных, сколько философских и социальных вопросов, связанных с экспериментом. В этой своей статье⁸Виммер сетует на редакторов журнала Science, которые убедили его убрать из научной статьи 2002 года все рассуждения о «далеко идущих социальных последствиях». Из-за этого, по мнению Виммера, вокруг публикации возник ненужный ажиотаж и произошло серьезное недопонимание социальных проблем, связанных с синтезом живых организмов. (К вопросу «Считать ли вирус живым?» — мы еще вернемся.)

В статье 2006 года Виммер пишет: «Наш эксперимент опроверг одну из аксиом в биологии, а именно что пролиферация [размножение] клеток или вирусов зависит от физического присутствия функционального генома, способного управлять процессом репликации. Считалось, что без родительских геномов невозможно возникновение дочерних клеток или потомства вирусов. Мы опровергли этот фундаментальный закон биологии. Мы показали, что полиовирус — это химический объект, который может быть синтезирован на основе информации общего доступа. Это — экспериментальное доказательство того, что подобный подход применим к синтезу всех вирусов вообще».

До эксперимента по синтезу РНК полиовируса казалось, что создать генетически новый организм можно только частичным разрушением или изменением уже существующего живого организма. Одно живое может порождаться только другим живым, и никак иначе. Создавать новое живое мы можем только из другого живого — «сверху — вниз». Это и есть та «аксиома биологии», о которой пишет Виммер. Но оказывается, можно создать живое из таких заведомо мертвых сущностей, как молекулы, то есть «снизу — вверх».

Виммер сравнивает синтезирование РНК полиовируса с другим фундаментальным открытием. В 1828 году немецкий химик Фридрих Вёлер (Friedrich Wöhler; 1800–1882) впервые синтезировал органическое вещество из неорганического — мочевину из цианата аммония. Виммер пишет: «Витализм утверждает, что органические соединения обладают свойствами, которые не могут быть объяснены в физических или химических терминах. Но точно так же, как при синтезе мочевины нет никакой необходимости в особой «жизненной силе», так нет и никакой необходимости в подобной силе при синтезе инфекционной вирусной РНК. Нет ничего трансцендентного в последовательности нуклеотидов, образующих геном вируса полиомиелита. Витализм просто не нужен для объяснения свойств полиовируса или любого другого вируса» (курсив мой. — В.Г.).

Здесь самое время вернуться к вопросу: является ли вирус живым организмом? Ответ Виммера довольно неожиданный — вирус и живой, и неживой, в зависимости от условий, в которых он находится: «Когда меня спрашивают, является ли вирус полиомиелита неживым или живым, мой ответ [в обоих случаях] — да. Я считаю вирусы объектами, которые способны переходить из неживой фазы в живую и обратно. Вне клетки-хозяина полиовирус мертв, как шарик для пинг-понга. Это химическое вещество, которое может быть очищено до гомогенного состояния и кристаллизовано, и его физическими и химическими свойствами в значительной степени задается его трехмерная структура. Так же, как обычный химикат, полиовирус может быть синтезирован в пробирке. Но когда вирус полиомиелита попадет в живую клетку, у него есть план выживания. Его развитие подчиняется эволюционным законам: наследственности, генетическим вариациям, адаптации к внешним условиям, эволюции и так далее, то есть полиовирус подчиняется тем же законам, что и живые существа. Можно даже утверждать, что вирус полиомиелита способен к половому размножению в инфицированной клетке, так как он легко соединяется с другими подобными вирусами для обмена генетической информацией». «До сих пор вирусы определялись как внутриклеточные паразиты, нуждающиеся в живой клетке для репликации. Наша работа ставит это определение под сомнения. После того как последовательность генома вируса полиомиелита была определена и был разработан протокол для репликации вируса в клеточном экстракте, химический синтез генома стал логичным шагом для доказательства того, что вирусы могут быть характеризованы как химические вещества. Если для многих вирусологов двойная природа вирусов — как химических веществ с формулами, хранящихся в банках данных, и в качестве организмов, циркулирующих в природе, — не была новостью, то для большинства ученых и простых людей то, что вирусы могут быть синтезированы, стало удивительным, если не шокирующим».

Вывод из этого радикальный: окончательная победа над вирусом невозможна, поскольку вне живой клетки он может сохраняться неограниченно долго, а при изменении условий способен воскреснуть (именно так — без кавычек) и сделать свое черное дело. Если даже мы достигли больших успехов в борьбе с полиомиелитом, не стоит расслабляться и полностью прекращать прививки. Вирусы ждут своего шанса, как шарики для пинг-понга, рассыпанные по столу, — стоит столу слегка накрениться, и они начнут прыгать, вот только не так безобидно.

Подтверждением такого вывода стал эксперимент по воскрешению вируса испанки (Spanishinfluenza) — вируса гриппа с генетической сигнатурой H1N1, который в 1918–1919 годах унес, по разным оценкам, 40–50 миллионов человеческих жизней по всему миру. Это одна из самых страшных пандемий в истории человечества, по сравнению с которой бледнеет даже «черная смерть» — чума, погубившая десятки миллионов в средневековой Европе. Учитывая постоянную опасность новых пандемий гриппа, в том числе угрозы птичьего гриппа H5N1, было решено воскресить вирус испанки и расшифровать молекулярные механизмы, с помощью которых он достиг такого уровня патогенности⁹.

Виммер отмечает в своей статье: «Мы не «создали» этот вирус. Сложность его структуры и репликации в настоящее время делает невозможным разработать совершенно новый вирус, независимо от того, являются ли его клетками-хозяевами бактерии, растения или млекопитающие». Виммер остался послушным учеником природы, следующий шаг сделали другие.

Прошло немногим больше 10 лет, и сегодня мы уже можем сказать, что человек способен создавать новые живые организмы. И доказательство этому — статья, вышедшая в Science 25 марта 2016 года¹⁰. Эта статья — своего рода промежуточный (но очень важный) итог более чем 20-летней работа «J. Craig Venter Institute», La Jolla, California, возглавляемого Крэйгом Вентером.

Целью Крэйга Вентера и его коллег был и остается синтез живого организма с заранее заданными свойствами.

Для этого необходимо понять, что же все-таки существенно в геноме, а что — нет. В геноме любого организма есть так называемые транспозоны — участки ДНК, которые не кодируют белки. Зачем эти транспозоны нужны — далеко не всегда ясно. А их много. Например, в геноме человека — их 45%, а в геноме кукурузы даже 85%¹¹.

Вентер и его коллеги посчитали, что для нормального развития организма необходимы гены, которые отвечают за четыре важнейших процесса: хранение генетической информации, экспрессия генов, метаболизм клетки и формирование клеточной мембраны. Все остальные фрагменты генома несущественны (и транспозоны здесь — первые кандидаты). Чтобы выделить гены, которые отвечают в любом организме за эти четыре функции, биологи взяли бактерии Mycoplasmaиначиная с 1995 года провели полную расшифровку нескольких бактериальных геномов: Mycoplasma genitalium (бактерия, живущая в половых органах млекопитающих и человека) — она состоит из 583 тысяч пар оснований (п. о.) и 525 генов (это самое маленькое живое существо, способное к самостоятельному размножению, — меньше только вирусы), Mycolasma mycoides (миллион п. о. и вдвое больше генов) и Mycoplasma capricolum. Это главные участники расследования под названием: «Что такое жизнь?»

Сравнивая разные геномы, ученые выяснили, что все они содержат примерно 250 основных генов, которые встречаются всегда. Тогда была сформулирована гипотеза о гипотетическом минимальном геноме (ГМГ), то есть таком геноме, который обеспечит живому организму самостоятельное существование (хотя и в идеальной лабораторной среде) и который не содержит никаких несущественных фрагментов. И решено было создать бактерию с таким минимальным геномом.

Бактерии Mycoplasma — это паразиты млекопитающих. Они живут в среде, близкой к идеальной, и именно поэтому биологи сосредоточили на них свое внимание: у этих бактерий всё, без чего можно обойтись, и так уже в процессе эволюции утрачено. Вот, стало быть, здесь и надо искать. Как искать?

В двух статьях, опубликованных в 2007¹² и 2010¹³ годах, ученые рассказали о двух своих важных результатах. В 2007 году они сообщили, что им удалось пересадить геном одной бактерии в другую — и эта другая стала делиться и превратилась в ту, чей геном был в нее пересажен. Вот такая история про Клима Чугункина (бактерия-источник) и собаку Шарика (бактерия-реципиент). Этот метод позволяет тестировать искусственно синтезированные геномы, подсаживая их в живые клетки. То есть не только писать код, но и запускать его на машине, если использовать компьютерную аналогию (такая аналогия совершенно неслучайна и вполне в духе Крэйга Вентера).

Но запускать-то научились, а вот с написанием кода выходило не шибко гладко. Конечно, можно было использовать технику, аналогичную той, которую использовал Эккард Виммер при создании вируса полиомиелита. Примерно так и поступили, но если в полиовирусе 7500 нуклеотидов, то даже в самом маленьком геноме — Mycoplasma genitalium — почти 600 тысяч п. о., а в более интересной исследователям (поскольку она гораздо быстрее растет и делится) Mycoplasmamycoides — миллион. Существенная, прямо скажем, разница — чуть ли не три порядка.

В 2010 году геном Mycoplasma mycoides (Клим Чугункин) был синтезирован, пересажен в клетку Mycoplasmacapricolum (Шарик) — и Mycoplasma capricolum (Шарик) стала Mycoplasma mycoides (Климом Чугункиным). Все удалось. Правда, пока не в масштабах профессора Преображенского, а всего лишь в одной клетке, но тем не менее. Трудности на этом пути были отнюдь не только технические. Пришлось изобрести множество совершенно новых методов сборки и «отладки кода». Одной из самых трудных задач при написании программы на машинном языке является поиск ошибок. Если геном — это язык (а Крэйг Вентер и его коллеги в этом уверены) и на нем мы пишем (кодируем) достаточно длинную программу, то, не умея тестировать, мы ничего путного не напишем. Если программу длиной в 7 килобайт (как у Виммера) еще можно писать без отладки и она с высокой вероятностью заработает, то программу длиной в 1 мегабайт без отладки и тестирования не напишешь.

Вот как Александр Марков в своем обзоре статьи 2010 года описывает решающий этап эксперимента: «Первая попытка окончилась неудачей. Хотя все было сделано предельно аккуратно, искусственный геном не приживался в клетках-реципиентах. Это означало, что в синтезированную авторами генетическую «программу» на каком-то этапе сборки вкралась ошибка... Исследователям пришлось тестировать фрагменты синтетического генома по отдельности, вставляя в клетки M. capricolum комбинированные хромосомы M. mycoides, содержащие по одному синтетическому фрагменту, тогда как остальная часть хромосомы была «натуральная», то есть происходила от живых бактерий M. mycoides. Наконец ошибку нашли: как выяснилось, дело было в том, что выпал один-единственный нуклеотид из жизненно важного гена dnaA. Этот ген необходим для репликации (размножения) ДНК. Потеря нуклеотида привела к сдвигу рамки считывания и превратила генетическую инструкцию в бессмыслицу»¹⁴.

То есть исследователи нашли один (!) потерянный нуклеотид из миллиона. Это очень похоже на процесс отладки компьютерной программы, правда, написанной скорее на ассемблере, а не языке высокого уровня. Но, в принципе, ДНК — это и есть ассемблер, а языки высокого уровня еще предстоит создать.

В результате ученым удалось полностью синтезировать работающую ДНК и, используя метод, разработанный в 2007 году, вставить ее в живую клетку. Клетка модифицировалась и стала жить.

И вот наконец мы подошли к марту 2016 года. Целью эксперимента стало создание организма с минимальным геномом — своего рода квинтэссенцией жизни — ничего лишнего, только важные, работающие гены. И никаких транспозонов. Ученые синтезировали геном Mycoplasma mycoides (как в эксперименте 2010 года) и стали из него последовательно удалять «несущественные» гены. Оказалось, что 250 генов, как в ГМГ — мало. Только с этими генами организм жить не может. Это связано с тем, что разные гены в разных организмах могут выполнять одни и те же жизненно важные функции. Тогда в ГМГ добавили квазисущественные гены — без них клетка не может жить и развиваться, но вот почему она не может без них жить, так и осталось на сегодня непонятным.

Работающий минимальный геном оказался меньше, чем геном Mycoplasma genitalium, — примерно 530 тысяч п. о., и гораздо меньше, чем у Mycoplasma mycoides, из генома которой вырезали лишнее.

Нет, мы пока еще не всё знаем про то, что же необходимо для жизни даже такого простого существа, как бактерия. Но результат, полученный Вентером и коллегами, впечатляет. Фактически методом сборки из химических соединений создано новое, не встречающееся в природе живое существо. И можно ли такое существо получить как-то иначе, скажем, последовательной селекцией, — непонятно. Весьма вероятно, что нельзя: если при селекционной работе одни несущественные гены будут замещаться другими несущественными, результат так и не будет достигнут.

Работы еще не просто много — ее непочатый край. Но открываются такие пространства и видятся такие приложения, что буквально захватывает дух. Биологи пока по инерции говорят о бактериях, которые будут производить энергию, буквально вычерпывая ее из мирового океана. Уже сегодня разрабатывается цифровая модель клетки, с которой можно экспериментировать и которую потом можно воплотить в жизнь (буквально). Но, скорее всего, как бывает почти всегда при технологическом прорыве, приложения окажутся совершенно неожиданными и, наверное, куда более впечатляющими. Но им уже никто удивляться не будет.

Если в 2002 году Виммера ругали на чем свет стоит за лабораторный вирус полиомиелита, который вот прямо сейчас будут применять биотеррористы, то авторов работы по воскрешению вируса испанки в 2005-м скорее хвалили, да и не особо кто заметил их работу, кроме специалистов, хотя, казалось бы, потенциальная опасность на много порядков выше.Публика впечатлительна и забывчива. И все так быстро меняется.

Можно ли сказать, что Крйэг Вентер и его коллеги создали живое? Не все биологи с этим согласны. Многие говорят: да, геном, конечно, новый, но ведь его же пересадили в живую клетку. И несмотря на то, что эта живая клетка полностью изменилась и пришла в полное соответствие своему новому геному, это не так существенно — «жизнь» не родилась в пробирке, она в пробирке просто изменила свою форму. Эти возражения предполагают, что «жизнь» — это нечто трансцендентное и ее невозможно создать. Она либо есть, либо ее нет.

Я, пожалуй, с этим не соглашусь. Не только потому, что, в принципе, мы не так далеки от того, что молекулярные 3D-принтеры научатся печатать клеточную мембрану (ткани из живых клеток они уже печатают). Не только потому, что на наноуровне крайне важную роль играют реакции самоорганизации (вспомним, как вокруг генома в эксперименте Виммераспонтанно собирались целые вирусы). Не только.

Мы совершенно серьезно можем ответить на шутливый вопрос: что было раньше: курица или яйцо? Раньше было яйцо. Но это яйцо снесла не курица, а нечто третье, которое мутировало (естественно или искусственно) и стало нести куриные яйца. И в этот момент родилась новая форма жизни.

Жизнь (как и материя) всегда имеет форму. «Жизнь вообще» (как и «материя вообще») может интересовать, наверное, философов, но никак не ученых. Трансценденция «жизни» осталась, но она отступила еще дальше в область идеальных абстракций, как когда-то она отступила после получения Вёлером мочевины.

Но здесь нужно вспомнить фразу Лапласа, которую я упомянул в первом абзаце. Семен Гиндикин в книге «Рассказы о физиках и математиках» пишет:

«Известна легенда о разговоре, состоявшемся между Наполеоном и Лапласом, дарящим свою книгу:

Наполеон. Гражданин Лаплас, Ньютон в своей книге говорил о Боге. В вашей же книге, которую я уже посмотрел, я не встретил имени Бога ни разу.

Лаплас. Гражданин Первый консул, я не нуждался в этой гипотезе».

Слова Лапласа часто воспринимаются как демонстрация атеизма, хотя, по-видимому, здесь речь идет и о том конкретном обстоятельстве, что построения Лапласа не нуждаются во внешних факторах: ни в гипотезе о возникновении Солнечной системы, ни в вопросе об ее устойчивости»¹⁵.

Французский астроном Эрве Фай (1814–1902) был уверен, что слова Лапласа переданы намеренно искаженно, и сам Лаплас настаивал, чтобы они были удалены из его биографии, изданной еще при его жизни¹⁶ Как утверждал Фай, в разговоре Лапласа с Наполеоном речь шла именно о возникновении и устойчивости Солнечной системы. Ньютон не смог доказать устойчивость и был вынужден допустить гипотезу, согласно которой Бог периодически «поправляет» движение планет, чтобы система не развалилась. А Лаплас доказал, что система вполне устойчива и без гипотезы о постоянном Божественном вмешательстве. Впрочем, сегодня мы знаем, что и Лаплас многого не учел, и устойчивость пришлось еще не раз доказывать. И в том, что Солнечная система действительно устойчива на очень длинных временных промежутках, уверенности все-таки нет.

Лаплас учился в школе Бенедиктинцев, потом в университете Кана изучал теологию. Был ли он атеистом — это большой вопрос. В 1809 году он писал сыну: «Я молю Бога, чтобы Он не оставлял тебя до конца твоих дней. И пусть Он всегда присутствует в твоем уме, так же как твой отец и твоя мать»¹⁷. Это немного странно даже для деиста, каковым обычно считают Лапласа, об атеизме речь просто не идет. Но здесь важно другое: в тот момент, когда Лапласу удалось доказать, что Солнечная система устойчива без Божественного вмешательства, случилось примерно то же, что и при открытии мочевины, и вот теперь при создании первого синтетического живого существа — трансценденция отступила, и та область мира, в которой человек может опереться только на рационально познанное, — немного расширилась.

 

Если перейти от нейробиологическихштудий к генетике и молекулярной биологии (как это сучилось со мной, когда я взялся писать эту заметку), буквально попадешь в другой мир. Нейробиологипока в общем-то занимаются гаданием на кофейной гуще (и это несмотря на выдающие достижения, о которых я писал в своих предыдущих колонках). Генетики занимаются реальным делом: они прямо сейчас совершают настоящий прорыв — от описательной (дескриптивной) стадии исследований к конструктивной, они уже не только рассказывают «как это устроено», но и конструируют живое.

Это стало возможным только потому, что когда-то, давным-давно, в 1953 году, была расшифрована структура ДНК, лежащая в основе живого. ДНК, несмотря на всю ее сложность, оказалась довольно простой молекулой — нормальной строкой символов вроде большой компьютерной программы.

В нейробиологии пока своя «ДНК» не открыта. Идет ее поиск. На это направляются огромные усилия и средства. Что станет такой «ДНК» и удастся ли ее найти — пока неясно.