Создать и применить на пользу людям

Сборка геномов происходит очень по-разному – задействованы либо чипы, либо склейка «хвост к хвосту» – синтез олигонуклеотидных праймеров из сделанных блоков по 35 тысяч пар нуклеотидов, затем клонирование в прицентровую большую плазмиду или дрожжевую хромосому, сборка путем рекомбинации цельного генома, его проверка на аутентичность, получение в агарозном геле, чтобы не порвать – и затем трансформация другого вида микоплазмы.

Это цитата публикаций 2010-17 года, описывающих, как происходили упомянутые процессы – естественно с некоторой модификацией – для получения принципиально нового живого организма, называемого синтетической микоплазмой. Просто подразумевается, что геном сделан не природой, а людьми. Но, естественно, он сделан по чертежу, практически без изменений, которые внесла когда-то природа.

Единственное отличие этого генома за эволюцию до 2011 года – то, что американцы попытались много раз, имея по крайней мере инструменты синтеза генома и развивая их, то есть переводя твердофазный объемный синтез в синтез на чипах и ручное ассемблирование в автоматизированное, серьезно этот геном редуцировать, чтобы понять, какие элементы этого генома являются неважными.

Смысл «прятался» не там, где его искали

Тут их ждал некоторый казус, который они с удивлением опубликовали. Действительно, многие гены можно выбросить, но, например, некоторые межгенные участки в этом геноме выбросить нельзя, хотя они не имеют никакого смысла. Они не являются структурными белками, они не участвуют напрямую в транскрипции и пр.

Одно из достижений группы под руководством Глеба Юрьевича Фисунова в том, что там разобрались, почему при такой компактной записи информации тем не менее некоторые межгенные области являются гораздо более важными чем структурные. То есть в этом смысле просто генетический синтез, как можно было подумать, нокауты, которые любят молекулярные биологи, то есть отключения чего-то – вроде бы такая хорошо построенная логика, но она не всегда работает в качестве совершенного эвристического элемента.

Одноклеточные «рабочие лошадки»

Всегда нужно помнить, что не только модификация белкового кода имеет существенное значение для практики, потому что создаются модифицированные и другие какие-то компоненты клеток.
Один из подходов клеточной инженерии, обнародованный на одной из научных конференций, состоял в следующем: корейский студент, защищая диплом путем расчетных технологий, путем генной инженерии кишечной палочки сделал эту бактерию продуцентом ликопина – линейного каротиноида, который не требует терминальной циклизации по краям – с таким эффектом, что пять литров ферментера производил столько же целевого продукта, сколько содержится в вагоне красных помидоров – самого яркого источника ликопина.

Так делают пластик, производят очень многие биотехнологические продукты, заставляют клетки деградировать пластик, делают большие количества различных продуцентов в дрожжах. Самым известным примером применения таких технологий является средство против малярии: его дешевле делать биохимическим путем, чем синтетическим.

Существует много примеров того, как постепенно генная инженерия перерастает в инженерию сложных ферментативных систем на основе генных сетей с оптимизацией, с выходом продуктов.
Этот подход не слишком новый: применяется на протяжении последних 15-20 лет. Новизна заключается в том, что в эту историю начинают имплементироваться белки совершенно неожиданного свойства. Они не просто модифицированы в соответствии с принципами белковой инженерии, они принципиально модифицированы – содержат те аминокислоты, включение которых в состав белков, производимых обычными микроорганизмами (не говоря уж про эукариотические) просто невозможно.

Живые датчики не хуже электроники!

Тем не менее это произошло, происходит и такие продуценты, по-видимому – некий современный биотехнологический тренд. Для того, чтобы оправдывать усилия по созданию еще не живых систем, но по крайней мере систем, которые сильно подобны и подходят для изучения свойств живого – в частности свойств структурирования, конденсации, распределения, осциллирующих реакций, происходящих в живой природе, исследователи – в том числе и группа В.М. Говоруна – рассматривает биосенсоры.

Если создан некий биохимический контур, то он как минимум может быть чувствителен к тем метаболитам или органическим соединениям, которые этот биохимический контур способен перерабатывать.

Это не кремний, не металл, не радиофизика, а те же самые ферменты – вплоть до того, что ферменты эти можно взять из организма, даже из организма человека, то есть получится идеально совместимая среда.

В таком случае можно говорить о нанороботах или наносенсорах, которые будут апплицированы на кожу или пойдут в кровь – и считывать с них не физические сигналы, а оптические или какие-то другие. Это довольно бурное направление в синтетической биологии. Потому что миметики, собственно, для этого и предназначены.

Ученые смотрят с любопытством, как это все устроено – но для того, чтобы писать проекты, получать гранты и оправдывать свое значение в народно-хозяйственном комплексе страны, по многим показателям превосходящее всех остальных, они говорят о биосенсорах – системах, которые довольно просто построить, не так просто стабилизировать и еще сложнее использовать. Но их технологическое развитие может привести к онлайн диагностике, которая уже не будет подразумевать поход в лабораторию, где делают некий клинический анализ, а перейдет в онлайн – и это больше не кажется неким фантастическим началом, поскольку все системы довольно хорошо изучены.

Когда вы сдаете тест на глюкозу, вы используете глюкозооксидазу, на холестерин – холестериноксидазу, и так далее. Спектр простых биохимических процессов, который можно локализовать в липосоме или в какой-то деградируемой капсуле, но только полупроницаемой, довольно велик. Тогда почему бы не использовать эти стабилизированные системы, а возможно еще и с постоянным обновлением за счет синтеза внутри этих капсул – матричного белкового синтеза – чтобы сделать эту систему долгоиграющей?

Это одно из направлений синтетической биологии, которое, изучая способы стабилизации и функционирования отдельных систем и комплексов, может приводить к неожиданным диагностическим практическим результатам. Они уже влияют на то, как будет развиваться диагностика, приближенная не к телу пациента (если говорить о прикроватных тестах), а уж скорее к душе человека – это сенсоры, находящиеся где-то на коже либо внутри – в тканях или кровеносной системе, потому что на самом деле отличить их от обычной работающей клетки почти невозможно.

В связи с этим возникает очень много инженерных фантазий.

Есть примеры как раз инженерной работы: под ту или иную задачу всегда можно подобрать биохимический ансамбль или биохимический конвертор, который будет давать либо цветное, либо излучающее или другое фиксируемое соединение. Доходит до того, что в этих целях пытаются использовать бактерии.

Изучение микробиоты – это еще одна из областей научных интересов, где трудится В.М. Говорун. На современном этапе для кишечника используются модифицированные бактерии, которые могут измерять уровень индолов, триптофана, продуктов вторичного метаболизма – вторичных аминов, и это все представляет собой цветную систему. Бактерия окрашивается, и в экскрементах можно измерить спектрофотометрией интенсивность этой окраски, чтобы узнать концентрацию внутрикишечного содержимого по тем или иным метаболитам.

Так что области применения модифицированным живым системам находятся самые разные, и сегодня они существуют в виде готовых прототипов.

При обсуждении идеи искусственного генома стоит не только помнить о довольно серьезном развитии оптогенетики. Можно обсудить и возможность вместо синтеза химер, состоящих из флуоресцентного белка и целевого нас интересующего – создавать интересующие нас белки без химеры с флуоресцирующим, а просто заменяя одну из аминокислот на флуоресцирующий аналог.

Этот метод пока не довели до конца, потому что он требует сложных расчетов, а эмпирически это не очень хорошо получается. Но идея миметических подходов, в рамках которых исследователь, зная трехмерную структуру какого-то препарата или белка, может его эмулировать другими инструментами – введением других аминокислот или иных соединений – существует.

Одна из простых задач – это замещение пептидов с биологически активными свойствами, например, ядов, на низкомолекулярные соединения. Она вполне решаема. Белковую структуру – олигопептид – можно заменить на более стабильную органическую молекулу.

Новый «язык» для живой системы

Следует упомянуть такое понятие как девиантный код. Это тоже не слишком новый подход. Первые публикации появились относительно давно, они сначала были американского происхождения, потом во всем мире появилось некое количество групп, представляющих направление «техническая биохимия». Одна из сильных – исследовательская группа в Мюнхене, в техническом университете.

Они довольно широко используют подходы, в рамках которых можно не только вводить в процесс аминокислоты, не встречающиеся в природе, но и использовать четырехбуквенные коды – совсем другие комбинации.

Правда, стоит отметить, что бактерии с четырехбуквенным кодом пока существенно менее устойчивы, чем их «классические» собратья: все-таки генетическая модификация не так совершенна.

Российская наука – тоже в тренде

Может показаться, что в России с синтетической биологией сложилась достаточно грустная ситуация. Но если рассматривать все же экспериментальные подходы, в России довольно много сильных информационных групп, которые могут работать в области искусственных геномных сетей, создания различных контуров, которые предназначены для генной инженерии.

С другой стороны, синтетическая биология – это даже не мультиомиксные подходы, это достаточно сложная методическая база, где требуется микрофабрикация, микрофлюидика, нанофлюидика. Переход в этот мир из системной биологии – это не то чтобы совсем законченная история, но заканчивающаяся. Этот переход сопряжен с гигантской транзицией в инструментальной области и освоении технологий.

Что касается голов, мозгов и вычислений – в России ситуация в целом нормальная. И российские ученые довольно активно используются как группы для расчетов в этой области. Но нужно помнить, что расчеты в этой области – это только «приглашение к танцу». Хорошо, если они получаются. Без экспериментальных подходов это почти бессмысленно.

Путь к полному пониманию продолжается

Подводя итог, можно отметить следующее: синтетическая биология – эволюционная наука; она, как и всё в настоящей науке, не может возникнуть «среди чистого поля в снегу».

Для этого требуются довольно большие упражнения и довольно тонкое разбирательство того, как устроена системная биология, что она нам недодает и чего мы не понимаем. А мы гарантированно чего-то не понимаем, используя омиксы, математическое моделирование и тому подобное. То есть эвристически можно сказать, что все понятно, облечь это в форму красивой лекции, но когда появляются новые факты, оказывается, что имеющихся знаний недостаточно.

Как и в 50-х годах прошлого века, на первый план выходит физика процессов: критическое распределение между жидкими фазами внутри клеток, сверхвысокие концентрации макромолекул, которые иерархическим образом структурированы. Даже в простых системах это совсем не то, что раньше представлялось о живом организме – не «жидкий бульончик с белками», где происходят некие биохимические реакции. Это очень сложная структурированная среда, где молекулы воды присутствуют и гидратация существует, но количество молекул воды счётно, речь о водном растворе «из банки» как таковом не идет.

Понимание этих процессов с одной стороны – а с другой стороны генетическая модификация «блэкбоксов», которыми называются до сих пор живые клетки любого свойства, даже очень маленькие – это, по-видимому, два мощных новых вектора в биологии, которые, как ни странно, могут давать довольно большое количество новых инсайтов для понимания физиологии, в том числе физиологии человека.

Размышляя и начиная заниматься тем, как может быть устроена простая живая система, какие подходы могут быть использованы для изучения таких систем, можно сделать вывод, что антихаос в маленьких бактериальных клетках может быть похож на то, чего не знают ни медики, ни физиологи.

Что такое норма человека? Мы привыкаем к рассуждениям о персонифицированной медицине, о персональном подходе, но тех, кто получал естественнонаучное образование, всегда учили, что нужно всегда сначала понять, что такое начало координат. Как без начала координат определять персонифицированные подходы, нормировать что-то, не имея представления о норме? Пока это своеобразная научная загадка. Но выражение прижилось и живет в массах.

Синтетическая биология как некая область все-таки пока еще теоретической биологии может не только обогащать наши представления об утилитарных биотехнологических процессах. Она может серьезно повлиять в будущем на наше понимание того, как в принципе устроены – не физиологически конечно, но молекулярно-биологические принципы существования сложных живых систем – в том числе таких непростых, непростых к которым относится и человек.

Вадим Маркович Говорун – академик РАН, директор НИИ дезинфектологии, доктор биологических наук.