О синтетической биологии

Часть 1. Курс – на здоровое соперничество с природой

Синтетическая биология – научное направление, которое позволяет убедиться в том, как использование современных технологий может привести исследователей к новому пониманию регуляции жизненных процессов и таким образом, возможно, приблизить к пониманию того, как устроена жизнь.

К этому люди шли на протяжении более чем столетия – как только Шлейденом и Шванном была сформирована в середине 19 века клеточная теория.

От наблюдения – к копированию

Если рассмотреть разные этапы в истории развития биологии, следует отметить возникновение редукционизма как основного подхода, связанного с пониманием, что без современных инструментов исследований познать сложность жизненных процессов практически невозможно – а значит, необходимо разбить их на некие компоненты. Этот подход, направленный на индивидуальное изучение одного отдельного гена, фермента, ферментативной системы и пр., просуществовал довольно долго и существует сейчас, причем в настоящую эпоху редукционизм наполнился новыми семантическими особенностями. Мы много знаем, и поэтому иногда произнесенное какое-то название — например, MyD88 или какая-нибудь пируваткиназа – для исследователей значит очень много.

Но уже в конце прошлого века, когда стали возникать геномные технологии, то есть сиквенс одного гена или нескольких генов перестал быть научным подвигом, ряд исследователей стали формулировать совершенно новые направления.

Сначала Джек Манилофф, а потом и несколько других специалистов попытались сформулировать некую концепцию, которая могла бы приблизить нас к пониманию того, что такое минимальная жизнь: как можно манипулировать большими массивами информации и жизнь не изучать, а создавать.

В то время это было слишком революционно, и первый проект 1989 года, заявленный на грантовый конкурс — а тогда еще генетические технологии не были столь впечатляющими, как сегодня, когда они стали рутинными процессами — был отвергнут как малореализуемый.

За шаг до клетки

Считается, что синтетическая биология родилась в 2004 году, когда группа Хатчисона создала первый вирус синтетическим способом и заставила его реплицироваться на кишечной палочке — это был вирус-фаг Phi X 174. При этом опускается довольно значительный период развития научных технологий, когда научное сообщество постепенно понимало, как приблизиться к этому — то есть приступить к синтезу и развивать синтетические технологии, чтобы создать хотя бы мини-чертеж того, что впоследствии будет называться искусственной живой системой.

Эта технология до сих пор еще существует, она претерпела много научных и технологических итераций, и первые биоинформатические подходы, которые попытались определить минимальную жизнь, возникли тотчас же. Биоинформатики – наиболее реактивная и в своем роде не очень ответственная среда, потому что их предсказаниям почти все верят, а они говорят только о том, что сбыло.

У истоков живой системы

А «первопроходец» направления Джек Манилофф, как и ряд других исследователей, в том числе научная группа автора настоящего обзора – Вадима Говоруна – на протяжении очень длительного времени занимался самыми маленькими представителями живого мира на нашей планете — микоплазмами.

От микоплазмы до «нежизни» – всего один шаг: это объект, который довольно плохо растет; для клеточных биологов он представляет безусловно большой интерес, но в негативной коннотации, поскольку является патогеном клеточной культуры и приносит немалый ущерб. Однако для всех остальных, называющих себя микоплазмологами, он представляет собой некую «таинственную историю», потому что маленький геном сочетается с очень большой пластичностью, приспособляемостью, в том числе к антибиотикам. Не только клеточные, но и сельскохозяйственные биологи знают, что микоплазма очень трудно убиваема в популяциях животных — и это приносит значительный сельскохозяйственный урон, поэтому заставляет выбирать просто-таки радикальные способы борьбы с микроорганизмом.

Но при всем своем минимализме эта форма жизни очень пластична, она способна, используя минимальное количество того, что называют теперь геномной информацией, все-таки выживать, приспосабливаться и существовать дальше.

Примерно к началу нашего столетия, когда генетические технологии не только секвенирования, но и манипулирования развивались очень бурно, возникли техники, которые позволили довольно серьезно и логически непротиворечиво подойти к основному вопросу: что такое минимальная жизнь? Насколько можно в совсем маленьких организмах отключать гены, чтобы организм при этом сохранял жизнеспособность, способность расти на искусственных питательных средах, не нуждался в неких дополнительных приемах, таких как клеточные культуры или другие приспособления биологического или химического свойства? Можно ли сформулировать концепцию так называемой минимальной клетки?

Евгений Кунин и его соавторы, как только появились первых два генома — Mycoplasma Pneumoniae и Haemophilus influenzae — постарались путем их элайнмента выделить генетическое ядро, которое является общим.

Был определен достаточно небольшой сет консервативных генов – 256 штук. Впоследствии эта концепция долго эволюционировала, были использованы другие бактерии для направленного и случайного мутагенеза с помощью транспозонов, специального мутагенеза — таргетного, как уже делала американская группа в институте Крейга Вентера, чтобы понять, насколько генетическая информация избыточна относительно того, что можно назвать минимумом.

«Критический минимум» в их проектах звучал таким образом, чтобы, определив его, синтезировать соответствующую структуру и потом искусственным способом наращивать необходимые генно-инженерные потенции, предназначенные, например, для синтеза энергии или для синтеза неких искусственных важных биологически активных соединений. То есть перейти к тому, что называется синтетическими способами или методами в биологии для биотехнологий.

Разобрать, чтобы понять устройство

У европейцев, более консервативных и меньше требующих внимания к рекламе (это скорее фирменный стиль, чем научный), сложилась в этом плане своя школа. Одним из основоположников того, что называется системным изучением минимальной жизни, в Европе является Луис Серрано, который создал в нулевых годах довольно большой консорциум на основе Европейской молекулярно-биологической лаборатории. Множество лабораторий в Европе объединил один общий проект.

Он выбрал опять-таки случайно определенный вид микоплазмы, Mycoplasma Pneumoniae — это патоген человека – только с одной целью. Когда все вроде бы было понятно, когда существовали уже и протеомные, и геномные технологии, и технологии транскрипционного профилирования были достаточно совершенны (может быть, они отличались от сегодняшнего уровня, но их было достаточно, чтобы использовать для понимания того, как происходит регуляция), предполагалось не провести инвентаризацию отдельных классов макромолекул и метаболитов — низкомолекулярных соединений, а понять и разобраться в том, как это все регулируется.



Если бы сейчас, почти в 2022 году, автора этой публикации спросили, что такое приступить к синтезу, он бы ответил однозначно: это значит понять, как все синхронизировано в клетке. Даже не «как это регулируется», потому что регулирование подразумевает под собой все же инженерную задачу. Но загадка заключается совсем в другом. В объекте, который научная группа изучает на протяжении последних 15 лет – это родственный Mycoplasma Pneumoniae вид, Mycoplasma Gallisepticum – отмечено 225 химических реакций, 720 структурных генов, еще около сотни генов регуляторных, генов рибосомной РНК – в общем, не так много. Но если начать представлять себе, как это все работает, то в общем-то мало что получится.

Когда, освоив все первичные курсы молекулярной биологии, исследователи говорят о том, как регулируются те или иные процессы, выстраивают схемы, делают некие многозначительные выводы, они теряют общность. Пресловутый редукционизм — упрощение системы — приводит к тому, что теряется смысл. Это не понимал Серрано, потому что изначально было уже много данных, а также мощный арсенал методов.



Основные усилия Серрано, хотя он испанец, напоминали «тотальный футбол», который когда-то пропагандировали немцы, становясь раз за разом чемпионами мира по футболу. То есть эти исследователи довольно много что сделали и внесли огромный вклад в понимание того, как регулируется, но не синхронизирована простая клетка. Они привлекали все новые и новые дополнительные сущности, потому что стало понятно, что на уровне, например, просто регуляции транскрипции путем транскрипционных факторов или каких-то взаимодействий с помощью описания существующих и динамических биохимических комплексов, о которых мало говорят в разных аудиториях (не только в России, но и в других странах мира), трудно построить эту теорию.

Возникло представление о критическом влиянии суперспирализации ДНК — то есть появились структурные компоненты как регуляторы иерархий, настройки этих синхронизирующих контуров. В конце концов они построили свою теорию — описательный процесс того, как может существовать такая простая клетка, называемая Mycoplasma Pneumoniae.