"Скажите, что я должен поменять растение так, чтоб оно меняло цвет в присутствии тротила, — гласит биолог Дрю Энди (Drew Endy) из Массачусетского технологического института (MIT).
Я могу начать изменять генетическую последовательность, чтоб сделать это и, если повезёт, после года либо 2-ух лет работы я смогу получить заказанное "живое устройство" для обнаружения мин. Но это не поможет мне позднее выстроить, например, клеточку, которая плавает и ест отложения на стенах артерий. И это не поможет мне вырастить маленькую микролинзу. В главном текущая практика биоинженерии — это искусство".Конкретно это положение дел стремиться поправить юная наука — синтетическая биология (Synthetic Biology), которую на данный момент развивает маленькая плеяда учёных. Мистер Энди — в числе их.
Основных целей три:
Выяснить о жизни больше, строя её из атомов и молекул, а не разбирая на части, как это делали ранее.
Сделать генную инженерию достойной её наименования — перевоплотить её из искусства в строгую дисциплину, которая безпрерывно развивается, стандартизируя прошлые искусственные сотворения и повторно сочитая их, чтоб делать новые, более сложные живы системы, которых ранее не было в природе.
Стереть границу меж живым и машинами, чтоб придти к вправду программируемым организмам.
Создание биодетектора укрытых мин. Нужные генетические "фразы" из пробирок встраиваются в геном бактерии. Бактерии распыляют на местности. Там, где есть тротил в почве (а он безизбежно проникает из мины наружу) — бактерии синтезируют флуоресцентный белок. Приходим ночкой и обезвреживаем мины (иллюстрация с веб-сайта sciam.com).
Практических приложений новейшей науки видится масса. К примеру, создание генинженерных бактерий, которые посиживали бы в чанах и производили бы сложнейшие и дефицитные лекарства — дёшево и в промышленных объёмах.
При всем этом, что принципиально, адепты синтетической биологии хотят придти к такому положению дел, когда хоть какой подходящий организм биотехнологии делали бы, пользуясь набором генетических последовательностей из широкого банка.
Это должно припоминать создание электрической схемы из промышленных транзисторов и диодов. Человек, собирающий новейшую схему, даже не должен знать, что у этих деталей снутри и принцип, по которому они действуют. Ему принципиально только знать свойства применяемой детали — что имеем на входе, и что — на выходе.
Группа учёных MIT разложила на составляющие вирус Т7, как будто машину (иллюстрация с веб-сайта sciam.com).
Корешки синтетической биологии уходят в 1989 год, когда команда биологов из Цюриха под управлением Стивена Беннера (Steven Benner) синтезировала ДНК, содержащую два искусственных генетических слова (либо букв, в общем — нуклеотидных пар), кроме четырёх узнаваемых, применяемых всеми живыми организмами Земли.
Представьте, что всё обилие жизни кодируется длиннейшими цепочками чередующихся четырёх нуклеотидных "букв". Упрощённо представим такую запись как ВААГБАВАГБББААГВ и т.д., и тому схожее.
По сути — это вещества — аденин, цитозин, гуанин и тимин, но для простоты обозначим их конкретно первыми знаками алфавита.
И здесь вдруг учёные добавляют в этот язык никогда не применявшиеся в природе Д и Е — другие вещества, вплетающиеся в код жизни. Есть от чего взяться за голову.
Естественно, от шестибуквенной генетической последовательности до целых "шестибуквенных" организмов — большая дистанция, но впору гласить о зарождении Жизни 2.0.
А ведь и без этих необыкновенных опытов биоинженеры были способны на чудеса.
Так группа учёных из института Принстона (Princeton University) сделала бактерии пищеварительной палочки, сверкающие, как новогодняя ёлка. А биологи из института Бостона (Boston University) и совсем наделили эту бактерию простой цифровой бинарной памятью.
Они соединили в бактерии два новых гена, активирующихся в противофазе — зависимо от хим компонент на входе эти бактерии "переключались" меж 2-мя устойчивыми состояниями, как будто триггер на транзисторах.
Но вот что любопытно — ни та, ни другая работа, как ни удивительно, ни на шаг не приблизила учёных к созданию, допустим, светящейся бактерии пищеварительной палочки, которую можно было бы по желанию включать и выключать, как лампочку. Хотя, кажется, оба компонента, исключительно в различных организмах, уже были сделаны.
Потому-то Энди на данный момент интенсивно трудится над созданием механизма, инфраструктуры либо, если угодно, науки, которая позволила бы классифицировать такие работы, свести их в систему.
Тогда можно будет проектировать живы системы, которые ведут себя прогнозируемым (и заказанным по желанию) образом и употребляют взаимозаменяемые детали из стандартного набора кирпичиков жизни.
Необходимо сказать, что почти все в этом направлении уже изготовлено. К примеру, Энди охотно указывает гостям собственной лаборатории ящичек с 50 пробирками, заполненными густыми жидкостями.
В каждой пробирке — строго определённый кусок ДНК (в МIТ их именуют биокирпичами — BioBrick), функция которого определена. Его можно ввести в геном клеточки, и та начнёт синтезировать заблаговременно узнаваемый белок.
Все отобранные биокирпичи спроектированы так, чтоб отлично вести взаимодействие со всеми другими на 2-ух уровнях. Чисто механически — чтоб его просто было сделать, хранить и, в конце концов — включать в генетическую цепочку.
И, так сказать, программно — чтоб каждый кирпич посылал определённые хим сигналы и вести взаимодействие с другими кусками кода.
Из ДНК можно составлять логические схемы (иллюстрация с веб-сайта sciam.com).
На данный момент в MIT сделали и классифицировали уже более 140 таких простых кирпичиков — фрагментов ДНК.
Зная заблаговременно свойства этих кирпичиков, учёный может произвольно соединять их, программируя отклик живого на те ли другие хим сигналы.
Интересно, что один из сделанных Энди кирпичиков — это генетический аналог компьютерного оператора НЕ. Когда на его входе высочайший сигнал (определённые молекулы), то на выходе — малый уровень синтеза определённого белка. И напротив: хим сигнал на входе маленький — высочайший сигнал (другими словами синтез белка) — на выходе.
Другой биокирпичик спроектирован так, что является биохимическим оператором И. Другими словами он имеет два хим входа и синтезирует белок, только когда сигнал есть на каждом из их сразу.
Сочитая эти куски ДНК, можно сделать живой оператор НЕ-И, а из Булевой алгебры понятно, что из подабающего числа таких операторов можно организовать всякую логическую схему, реализующую любые двоичные вычисления.
О двоичной памяти из отдельных микробов мы уже произнесли — вот вам и скрещивание живого и машинного.
Предстоящее продвижение идеи тормозится одной сложностью — поместив сконструированную ДНК в некоторую клеточку, мы, невольно, заставляем вести взаимодействие новые последовательности с теми, что имеются у начальной клеточки.
Поточнее — со всех биохимией, которая вертится там, в согласовании с закодированной в начальном геноме информацией.
Очень многие из кирпичиков, которые пробовали внедрять в генетический код клеточки реципиента — просто уничтожали её. А ведь конкретно клеточка должна обеспечивать жизнь нашей искусственной ДНК, её копирование и распространение.
Ведь мы же желаем создавать искусственные организмы.
Ну и неясно пока, как вынудить реагировать на хим сигналы только отдельный, допустим, ДНК-транзистор, ведь рядом с ним в одном котле клеточки будут "вариться" ещё несколько таких же частей. Здесь пора мыслить о разработке искусственного биохимического провода.
Но, так либо по другому, работа движется вперёд. Вот, прошлой осенью группа учёных из южноамериканского института био энергетических альтернатив (Institute for Biological Energy Alternatives) всего за две недели собрала на пустом месте живой вирус-бактериофаг phiX174, синтезировав шаг за шагом его ДНК — а это 5 тыщ 386 нуклеотидных пар.
Биолог Дрю Энди перебирает пробирки с кирпичиками жизни — синтезированными генетическими кодами (фото с веб-сайта sciam.com).
Синтезированный вирус вёл себя точно так же, как и его природные собратья.
Естественно, вирус — очень небольшой объект. Но всё равно достижение впечатляет — представьте по аналогии, что учёные взяли воду, железо, натрий, калий, серу, цинк, марганец, фосфор и т.д., и тому схожее, и синтезировали из этого всего живого кота. Либо человека.
Создание микробов, способных переваривать хим орудие либо очищать воду от ядовитых тяжёлых металлов — уже на подходе. А далее?
Скептики молвят, что благодаря таким вещам, как Веб, и тому факту, что никакие плодотворные исследования невозможны в изоляции учёных от собственных коллег — дело кончится тем, что какая-нибудь конструктивная группировка соберёт из кирпичиков жизни ужасное био орудие и поставит под опасность саму жизнь на планетке.
Энди гласит, что это — неминуемый риск, как в хоть какой области прогресса. Об этом необходимо гласить и мыслить. Но разве мы не желаем выстроить более благополучное общество, где тыщи людей будут сохранены от заболеваний либо старенькых мин, благодаря синтетической биологии?
Что предпочесть — риск терроризма (хоть какое принципиальное открытие можно перевоплотить в орудие) и благо для нуждающихся, либо — отсутствие риска плюс смерть многих людей от заболеваний?
Энди верует, что не плохих людей больше, чем нехороших.
