Ревизия работ по созданию искусственной жизни, ведущихся в передовых лабораториях мира.

25 февраля 2012 - Украина

Ревизия работ по созданию искусственной жизни, ведущихся в передовых лабораториях мира.

Ревизия работ по созданию искусственной жизни, ведущихся в передовых лабораториях мира.

Ревизия работ по созданию искусственной жизни, ведущихся в передовых лабораториях мира. Результаты впечатляют и пугают одновременно: искусственная жизнь уже существует, причем сразу в нескольких формах. Некоторые из этих форм продемонстрировали способность к саморазмножению и эволюционированию. Параллельно ученые научились менять живым организмам вид с помощью искусственной ДНК — превращать одни бактерии в совершенно другие. Пугает то, что на бактериях и вирусах передовые исследования вряд ли остановятся. Хотя даже они несут принципиально новые риски для человечества.

Основная цель синтетической биологии (SynBio) — новой науки, которой всего около десяти лет — создать живую систему из частей, которых нет в природе. Кирпичики для такой системы должны быть синтезированы в лаборатории. И такие элементы живой материи уже создаются, причем, на самых разных уровнях. Ученые синтезируют в лаборатории биологические молекулы, которых нет в природе, конструируют вирусы, собирают клеточные органеллы и целые клетки.

Шестибуквенная днк размножается и эволюционирует

Еще в 1989 году команда Стивена Беннера (Steven Benner), который в то время работал в Цюрихском университете, создала ДНК, состоящую не из четырех, а из шести нуклеотидов. Напомним, что цепочка природной ДНК образована из четырех кирпичиков — нуклеотидов: аденин, цитозин, тимин и гуанин (А, С, Т и G). В этот «генетический алфавит» ученые добавили две буквы и, тем самым, четырехбуквенный генетический код превратили в шестибуквенный. Это достижение считают первым шагом синтетической биологии.

В 2009 году тот же Стивен Беннер, уже руководя лабораторией в Фонде прикладной молекулярной эволюции в Гейнсвилле, Флорида, объявил о следующем успехе работы с искусственной ДНК — ученые «оживили» ее, заставили работать.

Синтетическая ДНК, как и природная, имеет вид двойной спирали. Исходя из структуры двойной спирали ДНК, открытой Уотсоном и Криком, мы можем использовать для генетического кода алфавит из двенадцати букв, но пока ограничились шестибуквенным. В состав синтетической ДНК помимо четырех природных нуклеотидов входят два искусственных. Она самовоспроизводится, размножается и даже эволюционирует.

В течение 20 лет Стивен Беннер и его коллеги работали, чтобы создать в лаборатории искусственные генетические системы — молекулы, способные копировать себя, передавать таким способом информацию и эволюционировать. Дополнительные буквы генетического кода они получили путем химической модификации природных нуклеотидов.
Сконструированная ДНК оказалась способна к самовоспроизведению и размножению. Правда, для этого ее надо «кормить» нуклеотидами и ферментами, добавляя их в жидкую реакционную среду, и следить за температурой. Важно, что искусственные нуклеотиды ДНК не отбрасывала, а использовала так же, как и природные.
Возникает вопрос, может ли искусственная ДНК кодировать искусственные белки. В принципе, может, считает Беннер. Ученый убежден: «Лучший способ познать жизнь — это сделать ее в своей собственной лаборатории».

Новый принцип кодирования

Чтобы понять суть работы другой группы биологов, напомним, как в клетке происходит синтез белка. Информация о строении белка содержится в молекуле ДНК (в ее участке — гене). ДНК-алфавит — это последовательность четырех букв-нуклеотидов. А сама ДНК — это постоянный носитель информации, она всегда находится в ядре. С некоторой натяжкой ДНК можно сравнить с «жестким диском» компьютера при условии, что на этот диск мы не можем больше ничего записать. Чтобы снимать с ДНК информацию и использовать ее, природой созданы молекулы РНК (матричная РНК или мРНК). Это временный носитель. мРНК может копировать информацию только с одного гена. Происходит это благодаря тому, что мРНК собирается из «букв» в строгом соответствии со строением гена. Процесс переписывания информации с ДНК на мРНК называется транскрипцией.

Скопировав ДНК, молекула мРНК выходит из ядра клетки в «цех сборки белка», где работают основные белоксинтетические машины — рибосомы. На этом этапе информация на мРНК, закодированная в последовательности нуклеотидов, переводится в строение молекулы белка, которая состоит из цепочки аминокислот. Этот процесс называется трансляцией. Принцип кодирования заключается в следующем: три рядом стоящих нуклеотида (они составляют кодон) соответствуют какой-то одной аминокислоте. Природа использует 64 кодона для синтеза белков из 22 аминокислот. Это весь набор природного конструктора, из которого состоит все живое.

 



Ученые Кембриджского университета во главе с Джейсоном Чином (Jason Chin) покусились на этот базовый принцип кодирования. Кодоны они оставили, но составили их не из трех, а из четырех нуклеотидов. И научили клетки бактерии кишечной палочки синтезировать белки по измененным четырехбуквенным кодонам. Так у них получилось создать дополнительно 256 комбинаций нуклеотидов, не соответствующих 22 природным аминокислотам. Эти кодоны можно использовать, если научить их распознавать синтетические аминокислоты. А синтезировать аминокислоты, которые являются аминокислотами по химическому строению, но не входят в состав природных белков, в лаборатории — пара пустяков.

«Наша работа — это начало использования совершенно нового искусственного генетического кода параллельно существующему природному», — считает Чин. Его команда сумела встроить две искусственные аминокислоты в белки кишечной палочки. В будущем манипуляции с искусственными аминокислотами позволят получать не существующие в природе белки с заданными полезными свойствами. А дальше из таких белков можно начать создавать новые формы живых организмов.

Рукотворные белки

Все белки синтезируются в организме по программе, заложенной в генах. Этой цели служит сложная молекулярная система, главная деталь которой — машина для синтеза белка — рибосома. Первый рукотворный белок под названием Тор7, синтезированный в лаборатории без помощи генов и рибосом, команда Дэвида Бейкера создала в 2004 году, в Медицинском институте Ховарда Хьюза при Университете Вашингтона.

Дизайн белка ученые смоделировали на компьютере, а затем химическим путем синтезировали последовательность из нескольких десятков аминокислот. Но это еще не все. Работающая молекула белка — это не простая цепочка аминокислот, а свернутая в определенную трехмерную конфигурацию. Для того чтобы правильно сложить белок, авторы использовали программу Folding@Home, основанную на принципе распределенных вычислений. Программа использует вычислительную мощь сотен тысяч персональных компьютеров по всему миру. Ее суммарная производительность составляет 6,7 петафлопс, и она занимает второе место в рейтинге самых мощных систем распределенных вычислений.

А Майкл Гехт и его коллеги из Принстонского уни¬верситета создали целую коллекцию (библиотеку) из полутора миллиона синтетических белков. Для этого ученые сначала синтезировали искусственные гены (последовательности ДНК), а на основе информации, закодированной в этих генах, получили искусственные белки. Белки состояли из комбинации 102 аминокислот и были способны трехмерно сворачиваться.

Удивительно, но эти совершенно неестественные белки смогли обеспечить жизнь и рост клетки. 27 штаммов кишечной палочки были обречены на смерть, так как ученые лишили их жизненно важных генов. Но искусственные белки, не имеющие никакого отношения к белкам кишечной палочки, поддержали жизнь четырех штаммов бактерий. Что доказывает — белки работают. «Эти искусственные белки не связаны ни с какими известными биологическими последовательностями, и, тем не менее, они поддерживали жизнь», — комментирует свою работу Гехт.

Сборка вируса

Первый синтетический живой организм — вирус — создала группа исследователей из Университета штата Нью-Йорк под руководством Экарда Виммера. Правда, дизайн этого вируса ученые не придумали, а взяли из природы — они скопировали вирус полиомиелита. Он состоит из РНК и белковой оболочки.

Ученые синтезировали все это, но не химическим путем, а используя клеточное «хозяйство» - ферменты, рибосомы и пр.
Второй вирус, точнее, бактериофаг (это вирусы, которые паразитируют в бактериях) собрал американский ученый, бизнесмен и организатор науки Крейг Вентер (Craig Venter). Команда Вентера реконструировала бактериофаг phiX174, ДНК которого состоит из 5386 нуклеотидов. Когда ученые поместили свое детище в колонию бактерии кишечной палочки, бактериофаг успешно заражал бактериальные клетки.

Кстати, применение искусственных бактериофагов лежит на поверхности — их можно использовать для борьбы с инфекционными бактериями.

Синтетическая клетка

Сборку живой клетки из отдельных компонентов осуществили в 2005 году ученые из Университета имени Рокфеллера под руководством Альберта Либчейбера (Albert Libchaber). Составные части они позаимствовали буквально - с миру по нитке. Важнейшая часть клетки — мембрана, которая отделяет ее от окружающей среды. Ученые сделали искусственную мембрану из фосфолипидов куриного яйца. Чтобы научить искусственную клеточную мембрану транспортировать вещества внутрь и наружу, биологи использовали микропузырьки (везикулы), взятые из разных организмов. Цитоплазму клетки они создали из содержимого бактерий кишечной палочки, убрав из него бактериальную ДНК. А ДНК для клетки позаимствовали у медузы — это знаменитый ген зеленого флуоресцирующего белка. И еще одним геном снабдили клетку — он дырявил ее мембрану и делал ее проницаемой для питательных веществ. Для чтения же ДНК в искусственную клетку впрыснули фермент, взятый из вируса.

В общем, над этим конструктором ученым пришлось немало потрудиться. Но когда они его полностью собрали, то убедились в успехе — клетка ожила. С гена считывалась информация, и в клетке синтезировался белок — об этом ученые узнали по свечению клетки зеленым светом в ультрафиолете.

Правда, авторы признают, что эта клетка еще не вполне живая — она живет, но не может размножаться. Можно даже сказать, что это, скорее, биореактор. Но все еще впереди, и ученые верят, что синтетическая клетка сможет делиться и порождать себе подобных.

Искусственный геном пометили водяными знаками

К тому, чтобы создать организм с искусственным геномом, команда Крейга Вентера шла долгие годы. Сначала исследователи полностью собрали копию природного генома из отдельных нуклеотидов. Это произошло еще в 1995 году.
Для сборки генетического конструктора из деталей они выбрали самый маленький на свете геном, которым обладает бактерия Mycoplasma genitalium — возбудитель венерического заболевания. Но даже самый маленький — это 600 тысяч пар нуклеотидов. Химически соединить их в цепочку все равно очень непросто. Ученые справились с этой задачей в несколько приемов. План действий они получили, прочитав естественный геном бактерии М. genitalium. Из отдельных нуклеотидов собрали короткие последовательности — кассеты длиной около тысячи пар оснований. Для того чтобы соединить эти кассеты в более длинные последовательности, ученые привлекли в работу клетки дрожжей и кишечной палочки Е. coli. Дрожжевые и кишечнопалочковые ферменты сшивали кусочки друг с другом и размножали их. Таким путем биологи последовательно собрали сначала фрагменты длиной 10 тыс. пар оснований, потом — 100 тыс. пар оснований и наконец целую бактериальную ДНК длиной lf08 млн пар оснований.

Искусственный геном практически не отличался от природного генома М. mycoides за исключением нескольких деталей. Около 40 генов во время переноса приобрели мутации (то есть, оказались повреждены), но эти гены не были критичны для жизнедеятельности. В то же время, подчеркивает Вентер, ошибка в одном ключевом гене оказалась очень существенной и затормозила работу на некоторое время — до тех пор. пока ее не устранили. А чтобы отличить искусственный геном от естественного, создатели нанесли на него «клеймо фирмы» — пометили четырьмя последовательностями, в которых закодировали имена создателей. Они стали своеобразными «водяными знаками», защищающими от подделки.

То есть команда Вентера изучила природный геном и собрала такой же самостоятельно. По природе новый геном полностью искусственный, но по функционалу и составу нуклеотидов — копия природного, только с «водяным знаком».

Ее зовут синтия

На следующем этапе группа Крейга Вентера занялась пересадкой генома от одной бактерии к другой. Участниками эксперимента стали бактерии из той же группы микоплазмов, правда, других видов: Mycoplasma mycoides и Mycoplasma capricolum. Наподобие того, как человекдонор дает реципиенту, к примеру почку, бактерия одного вида — М. mycoides передала бактерии другого вида — М. capricolum свою ДНК. Разница в том, что в этом случае трансплантировалась не какаято часть организма, а его сущность — наследственная информация. Еще один важный момент: биологи пересаживали не природный геном М. mycoides, а синтетический, который они сделали сами.

Сначала реципиента — М. capricolum лишили собственной ДНК. А потом при помощи микроманипуляций внедрили в бактериальную клетку синтетический геном М. mycoides. На этом пути пришлось преодолеть трудности: ферменты клетки реципиента норовили разрезать донорский геном на куски. Ученые выяснили, что защитить донорскую ДНК можно путем метилирования. Этим словом обозначают «внешнее» химическое изменение ДНК, которое не затрагивает ее информационной сущности. Метильные группы (CH3) просто «навешиваются» на молекулу. Проведя «в пробирке» метилирование, биологи сделали ДНК неуязвимой. В таком виде бактерия М. capricolum приняла чужую ДНК и стала жить дальше.

 



Но жизнь ее радикально изменилась: донорская ДНК стала синтезировать в ней белки чужого вида. То есть донорский геном взял жизнь бактерии-реципиента под свой контроль. И М. capricolum фактически превратилась в М. mycoides. Бактерию, живущую под началом синтетического генома, назвали Синтией.

Самое главное, что бактериальные клетки размножались — колонии росли. А значит, искусственная ДНК оказалась способна воспроизводить себя, как при естественном клеточном делении. Дочерние клетки не имели ничего общего с бактерией-реципиентом и по всем чертам принадлежали к М. mycoides.

Итак, ученым удалось, вопервых, успешно пересадить геном, а во-вторых, поменять организму биологический вид. Доктор Франкенштейн о таком не мог даже мечтать...

Зачем нам синтетическая жизнь

Какую пользу человечеству могут принести игры ученых в Создателя? Конечно, заманчиво научиться создавать живые организмы с полезными для нас качествами, чтобы решать всякие практические задачи. Например, производить лекарства, биотопливо, пищу, новые материалы — полимеры или ткани, очищать окружающую среду, улавливать опасные вещества, к примеру взрывчатку, бороться с инфекциями.

Можно возразить, что человек и так научился делать многое, например, получать лекарства, вакцины или очищать окружающую среду, путем генетического модифицирования существующих организмов — а это все же проще, чем создавать новые. Но адепты синтетической биологии считают, что ее возможности гораздо больше, чем возможности генной инженерии. Они говорят о том, что любой нужный организм можно будет собирать, пользуясь набором генетических последовательностей из специального банка. Пока речь идет о банке с генетическими наборами микроорганизмов, но нет сомнений в том, что по мере отработки технологий ученые постепенно будут увеличивать сложность искусственных организмов. «Мы получаем возможность не модифицировать существующие геномы, а создавать новые, вычисляя их на компьютере, — подчеркивает Крейг Вентер. — То есть мы сможем сами писать инструкции и создавать новые формы жизни по этим инструкциям».

Некоторые исследователи уже работают над практическими приложениями синтетической биологии. Так, команда Джорджа Черча (George М. Church) в Гарвардском медицинском центре поставила перед собой цель создать организм, который бы, ни много ни мало, преобразовывал солнечный свет в биотопливо — эффективно и без ущерба для окружающей среды. К этому же стремится и Крейг Вентер. Он считает, что синтетические организмы «заменят нефтехимическую промышленность, большую часть пищи, будут участвовать в биоочистке почвы и выработке экологически чистой энергии».

Оптимизм ученых подогревается и тем, что синтез искусственной ДНК, совершенно очевидно, со временем будет дешеветь такими же темпами, что и секвенирование геномов. А это значит, что производство искусственных организмов с годами будет становиться все более масштабным.

Конечно, есть риски. Например, доступность знаний, механизмов и инструментов создания новых форм жизни может привести со временем к появлению нового вида терроризма, где эти новые формы будут служить оружием. Еще одна опасность — выход способных к эволюционированию синтетических организмов из-под контроля ученых или военных (последние, вне всяких сомнений, ведут свои закрытые разработки в этой области) и начало завоевания ими планеты. В конце концов, искусственные бактерии могут быть сами по себе очень опасны. «Никто не сказал и не доказал, что синтетические существа будут менее опасны, чем природные бактерии-паразиты, — отвечает доктор биологических наук Вадим Говорун на вопрос корреспондента ДМ об этой потенциальной опасности. Но никакие опасности никогда не могли остановить человека, стремящегося к прогрессу.

«Детали мира» 



Похожие записи:

Сколько стоит заказать видеоролик для сайта – избегайте ошибок
Сколько стоит заказать видеоролик для сайта – избегайте ошибок
В разделе: Полезности
Создание видеоролика для сайта означает ряд нескольких процедур, которые займут не один день, а минимум неделю. Так и со стоимостью, ведь будет учитываться каждый вид графики, озвучивания, продум...
Крейг Вентер (Craig Venter)
Крейг Вентер (Craig Venter)
В разделе: Наука и технологии
Крейг Вентер (Craig Venter) — американский ученый и бизнесмен, человек неоднозначной репутации, спортсмен и авантюрист, ветеран войны во Вьетнаме. 
Минимум необходимый для искусственной для жизни
Минимум необходимый для искусственной для жизни
В разделе: Наука и технологии
Объект исследования — бактерии микоплазмы, которые обладают очень малым геномом. Эти бактерии могут служить моделью «минимальной клетки», способной жить и размножаться. 
Ремонт балконов от «Люкс Окна»
Ремонт балконов от «Люкс Окна»
В разделе: Все для дома
Компания «Люкс Окна» предоставляет потребителям услуги качественного ремонта балконов и лоджий. Любой вид работы или целый комплекс «под ключ» 
Комментарии (0)

Нет комментариев. Ваш будет первым!

 

Новини України