Полдень, XXI век, 2010 № 08

Практических приложений у новой науки может быть неограниченное количество. Например, она открывает путь к созданию специальных микробов, которые буквально из мусора производили бы сложные и дефицитные лекарства, чем резко снизили бы их себестоимость. А можно, например, создать биодетектор мин: геномодифицированные бактерии распыляют на местности, и там, где есть тротил в почве (а он неизбежно просачивается из мины наружу), бактерии синтезируют особый флуоресцентный белок, который светится в темноте, указывая местоположение смертельной угрозы. Схожие бактерии можно использовать в медицинской диагностике.

При этом, что примечательно, адепты синтетической биологии намерены прийти к такому положению вещей, когда любой нужный организм создавался бы набором стандартных генетических последовательностей — как детский домик из кубиков. Сама технология должна походить на сборку электронной схемы из серийных транзисторов и диодов. Человек, собирающий принципиально новую схему, даже не обязан понимать, как эти детали устроены, — ему достаточно знать характеристики используемой детали: что имеем на входе и что получаем на выходе.

Сейчас в Массачусетском технологическом институте создали и систематизировали уже более 140 фрагментов ДНК (под этой аббревиатурой понимают дезоксирибонуклеиновые кислоты, несущие в себе генетическую информацию). Зная заранее характеристики этих «кубиков», ученый может произвольно соединять их, программируя отклик живого на те или иные химические сигналы.

«Машина эволюции»

Быстрое развитие новой науки тормозится одной проблемой. Поместив сконструированную ДНК в некую клетку, ученые заставляют взаимодействовать новые последовательности с теми, что имеются у исходной клетки, — в результате большинство «кубиков», которые пробовали внедрять в генетический код клетки, просто убивали ее. А ведь именно клетка должна обеспечивать жизнь искусственной ДНК, ее копирование и распространение…

Созданием «машины эволюции», которая решит многие из проблем, стоящих перед «синтетическими» биологами, занялась американская корпорация «LS9».

На первом этапе была поставлена задача построить эффективный биореактор, который прямо превращал бы бытовые отходы в эффективное топливо для транспорта. Его проект разрабатывается группой ученых под руководством Джорджа Чёрча — профессора генетики из Гарварда.

Тут следует отметить, что микроорганизмы обладают массой преимуществ в качестве синтезаторов горючего и других полезных смесей. Микробы очень быстро размножаются и неприхотливы, но есть серьезная проблема: нам не известны бактерии, которые «гнали» бы искусственный бензин. Необходимо подкорректировать геном какой-нибудь бактерии так, чтобы она выдавала требуемые вещества в качестве продукта своего метаболизма. К примеру, генетики уже научили кишечную палочку синтезировать пластмассу.

Конечно, у ученых имеются различные варианты коррекции генома, которые сдвигают биохимические реакции внутри бактерии в нужную сторону. Но стоит только применить одну из них, как оказываются затронутыми другие цепочки превращений, сразу возникают побочные эффекты. Биологам приходится действовать методом проб и ошибок, проверяя получающиеся организмы на полезный выход целевого соединения и на его жизнеспособность. Добавляют в геном один ген, дают бактериям размножиться — анализируют результат.

Этот процесс занимает слишком много времени и сил. Таким путем желаемый штамм можно искать годами. Разработка Джорджа Чёрча сокращает этот срок до нескольких дней.

Чёрч с товарищами применили оригинальную технологию MAGE (Multiplex-automated genomic engineering — Умноженно-автоматизированная генная инженерия). В ее основе устройство, которое уже назвали «Машиной эволюции». Оно позволяет проводить с бактериями одновременно по 50 искусственных генетических изменений, то есть апробировать на микробах по полсотни экспериментальных генетических кодов за раз.

Работает это так. Сначала ученые готовят пятьдесят коротких цепочек ДНК, представляющих собой один и тот же участок генома бактерии, но с пятьюдесятью разными вариациями, способными повлиять на синтез определенного фермента или белка. Эти пятьдесят цепочек помещают вместе с бактериями в специальную машину, в которой смесь подвергается определенным температурным воздействиям и в которой запускается цепочка реакций, приводящих к встраиванию привнесенного участка кода в геном бактерий. С каждым поколением микробов в них насчитывается всё больше и больше экземпляров с измененным геномом — через несколько поколений все бактерии в машине «впитывают» необходимые генетические изменения.

Первые же опыты ошеломляют. Так, всего за три дня был синтезирован штамм бактерий, которые производили антиоксидант впятеро интенсивнее собратьев. В новичках, как выяснилось, «заработали» 24 генетических изменения, на поиск сочетания которых традиционным способом исследователи потратили бы год.