Один из пионеров расшифровки человеческого генома и создатель первого синтетического организма рассуждает о прошлом, настоящем и будущем синтетической биологии.
Имя Крейга Вентера в современной науке более чем известно: достаточно сказать, что об этом учёном, по сей день активно работающем, есть статья в русскоязычной Википедии (хотя по объёму она явно уступает англоязычной заметке). Г-н Вентер стоял у истоков расшифровки человеческого генома в начале 2000-х, а в 2010 году сообщил о создании синтетического организма с минимально возможным набором генов.
При этом его деятельность часто носила оттенок скандальности: расшифровкой генома человека он занимался независимо от «официального» международного проекта, и у многих метод Вентера не вызывал доверия. Кроме того, он рассчитывал использовать всё это в медицинско-коммерческих целях. Его компании удалось прочитать человеческий геном даже раньше конкурентов, но вскоре после этого г-н Вентер был вынужден уйти из неё.
Выдающиеся организаторские и научные способности вместе с вольной или невольной скандальностью делают Крейга Вентера действительно крупной фигурой в современной науке. Недавно учёный выпустил книгу «Жизнь со скоростью света: от двойной спирали к цифровому бытию» («Life at the Speed of Light: From the Double Helix to the Dawn of Digital Life»), в которой среди прочего описал историю создания первого синтетического организма. В интервью, данном журналу Wired, можно узнать не только о содержании этого труда, но и о том, чтоисследователь думает о настоящем и будущем синтетической биологии, научно-этических проблемах и даже... о жизни на Марсе.
— В «Жизни со скоростью света» вы утверждаете, что человечество входит в новую фазу эволюции. Что вы под этим понимаете?
— Индустриальная эпоха заканчивается, переходя в эпоху биологического дизайна. Уже сейчас ДНК существует в виде оцифрованных данных. Благодаря развитию генетической инженерии — и синтетической биологии — мы можем манипулировать ДНК как нам заблагорассудится, а благодаря оцифровке биологической информации способны передавать её с помощью электромагнитных волн куда угодно, как если бы у нас был «биологический телепортер». Геном — это что-то вроде программного обеспечения клетки, и чем больше мы про него знаем, тем лучше понимаем, как работает клетка. Более того, мы можем отредактировать этот «софт» так, чтобы изменить работу «железа», то есть клеточных молекулярных машин.
— Из всего того, что вы сделали за последние двадцать лет, что вам кажется наиболее важным?
— Проект по созданию синтетической клетки. Но если попробовать выделить какое-то одно исследование, которое больше остальных расширило бы мои представления о жизни, то это работа 2007 года Genome Transplantation in Bacteria: Changing One Species to Another, которую мы с командой опубликовали в Science. В ней мы не просто убедились, что манипуляцией с ДНК можно превратить один вид в другой: после неё стало окончательно понятно, что с геномом можно обращаться как с программой, и именно эта работа заложила основы для создания синтетической клетки.
— В вашей книге есть впечатляющие примеры неудач, с которыми вы сталкивались на пути к синтетическому организму. Какое из разочарований было самым сильным?
— Когда мы только начинали работу над синтетическим организмом JCVI-syn1.0, то выбрали в качестве отправной точки бактерию Mycoplasma genitalium — из-за её исключительно маленького генома (до недавнего времени M. genitalium считалась по этому параметру чемпионом среди живых организмов, не считая вирусов. — Прим. К. С.). Но тут оказалось, что M. genitalium в лабораторных условиях растёт чрезвычайно медленно. Если, скажем, кишечная палочка делится раз в 20 минут, то M. genitalium для этого требовалось 12 часов. Следовательно, вместо того чтобы узнать результат эксперимента на следующий день, нужно было ждать несколько недель. Я чувствовал, что весь тяжелейший труд, потраченный на эту бактерию, закончится ничем, и мы переключились наMycoplasma mycoides, геном которой раза в два больше, чем у M. genitalium, зато и растёт она гораздо быстрее.
— Многие из ваших коллег были весьма впечатлены вашей работой; одни восторгались самим появлением искусственной клетки, другие — техническими ухищрениями, которые были при этом использованы. Но были и такие, которые отнеслись к синтетическому организму довольно пренебрежительно: дескать, это совсем не то, что создание жизни «с нуля».
— Говорящие так не слишком отдают себе отчёт в том, что в данном случае означает выражение «жизнь с нуля». Возьмём, к примеру, кекс. Вы можете купить готовый. Можете взять специальную смесь, в которую нужно добавить лишь яйца, масло и воду. Можете «собрать» кекс из индивидуальных ингредиентов: муки, сахара, соли, молока, соды и т. п. Это, пожалуй, можно считать изготовлением кекса «с нуля». Но вряд ли кто-то при этом будет синтезировать соду из натрия, углерода, водорода, кислорода. Если перенести требование «абсолютного нуля» на синтетический организм, то не придётся ли нам заняться сборкой белков, липидов и нуклеиновых кислот даже не из предшественников-мономеров, а из тех же самых простейших элементов периодической таблицы?
— Есть параллельные исследования, посвящённые созданию синтетических организмов, но в виртуальном мире (о чём вы упоминаете в своей книге). Насколько удовлетворительны такие модели?
— Виртуальные клетки уже успели подтвердить свою «компетентность»: они действительно помогают узнать больше о том, что происходит в реальности. Вообще эти исследования начались в 1996 году, когда Масару Томита вместе со своими сотрудниками начал работать с только что расшифрованным геномом Mycoplasma genitalium и запустил так называемый E-Cell Project. Самые последние труды говорят о том, что исследователи способны на основании геномной информации создать виртуальную клетку, которая будет довольно близка к настоящей.
— Вас постоянно вовлекали в дискуссии об этических аспектах создания синтетических организмов. Имеет ли смысл говорить об этом сегодня?
— Проблема исследовательской ответственности сопровождает любое открытие и любую технологию, и все подобные вопросы можно было бы адресовать, например, тому, кто первым добыл огонь. Буквально каждые несколько месяцев проходят разные публичные мероприятия, посвящённые этическим проблемам, сопряжённым с новыми технологиями. Разумеется, важно прилагать все усилия во всех общественных областях, от образования до политики, чтобы новые технологии оставались не только эффективными, но и безопасными. Но за общественными дискуссиями не следует забывать, что синтетическая биология может дать ответы на ключевые вопросы медицины, экологии и прочих областей науки, касающихся всех и каждого.
— В чём кроется бóльшая опасность — в исследовательских ошибках или в злонамеренном использовании результатов биологических исследований?
— Меня больше заботят случайные утечки научной информации. Синтетическая биология, во-первых, во многом полагается на исследователей небиологического профиля, математиков и инженеров, чьи познания в биологии не так уж высоки. Во-вторых, молекулярно-биологические методы сегодня сверхдоступны; набор для проведения полимеразной цепной реакции позволяет провести эту самую реакцию едва ли не на кухне. И всё это биологическое знание может легко оказаться за пределами структур — правительственных, коммерческих, образовательных, — которые обеспечивают безопасность и культуру научных исследований. Последствия таких «биоинформационных утечек» непредсказуемы — особенно если речь идёт о «программируемой жизни».
— Не отказаться ли нам тогда вообще от синтетической биологии?
— Всё-таки мой самый большой страх связан не с тем, что технологии нам навредят, а с тем, что мы упустим возможности, которые они нам предоставляют. С их помощью мы можем решить, например, важнейшие проблемы, связанные с перенаселением и экологическими изменениями на планете.
— Вы работали над тем, как превратить информацию из ДНК в цифровой сигнал и передать такой сигнал на машину, которая на его основе реконструирует живой организм...
— Сейчас мы можем отдать цифровой ДНК-код программе, которая способна восстановить, синтезировать эту последовательность; такие эксперименты мы ставим в нашей компании Synthetic Genomics (г-н Вентер основал Synthetic Genomics вместе со своим давним коллегой, нобелевским лауреатом Хамилтоном Смитом. — Прим. К. С.). Аппарат-синтезатор создаёт короткие ДНК-последовательности, которые потом соединяются специальным роботом-сборщиком. Синтез фрагментов ДНК, внесение в них специальных знаков, определяющих их итоговую последовательность, сборка — всё это выполняется автоматически. Мы используем мобильную лабораторию, которая позволяет брать образцы почвы, анализировать в них ДНК; полученная информация образует своеобразное «облако». Сведения из такого облака можно передать на следующий блок, который будет комбинировать из них программу нового организма.
— Что может дать эта технология с практической точки зрения?
— Самое очевидное применение — создание противовирусных вакцин. Когда в 2009 году разразилась пандемия свиного гриппа, за полгода были созданы сотни миллионов препаратов вакцины — но даже этого было мало: тогда, напомню, погибло 250 тыс. человек. При производстве вакцины вирус растёт в оплодотворённых куриных яйцах, процесс занимает 35 дней. Чем сильнее, чем «патогеннее» вирус, тем более критичным будет время, которое тратится на разработку вакцины.
Сейчас мы вместе с компанией «Новартис» как раз заняты тем, чтобы ускорить этот процесс с помощью нашего метода. Геном вируса полностью прочитывается, после чего в нём выбираются гены, которые могут послужить хорошим материалом для вакцины, — как, например, гены белков оболочки. Эти белки далее тестируются на иммунитете: насколько сильный иммунный ответ они вызывают. Информационная работа с вирусом позволяет создать вакцину менее чем за пять дней. В принципе, метод был опробован ещё в 2011 году и с тех пор показал свою эффективность на множестве штаммов гриппа.
— А ещё вы занимаетесь проблемой лекарственной устойчивости бактерий...
— Да, страх перед универсально устойчивыми бактериями заставляет многих говорить о том, что мы скоро узнаем, как жилось нашим предкам без антибиотиков. Однако хорошая альтернатива антибиотикам — это фаги. Каждые несколько дней половина всех бактерий на Земле погибает от фагов. С точки зрения медицины у фагов есть преимущество перед антибиотиками: они высокоспецифичны и не бьют по хорошим симбиотическим бактериям. Однако бактерии, в свою очередь, вырабатывают устойчивость и к фагам. Кроме того, сам организм человека стремится избавиться от них как можно скорее. Опять же информационные манипуляции с ДНК позволяют решить эти проблемы: нужно лишь создать необходимую программу для фага. Разумеется, для этого нужно перебирать множество вариантов, но наш метод позволяет проектировать и создавать до 300 новых фагов в день, так что много вариантов не проблема.
Хотя сейчас мы ограничены небольшими организмами — вирусами и бактериальными клетками, в будущем собираемся перейти к более сложным системам, вплоть до тканей...
Очевидно, что конструирование и переконструирование организмов с помощью «ДНК-софта» и впрямь может открыть перед нами эру биологического дизайна. Однако амбиции Крейга Вентера одной лишь нашей планетой не ограничиваются. ДНК-конструкторы и ДНК-передатчики могли бы сильно упростить жизнь, к примеру, марсианским колонистам, которым не пришлось бы тащить с собой с Земли растения и бактерии, что называется, «на развод». Судя по тому, что исследования г-на Вентера спонсирует НАСА, американские космические чиновники прониклись масштабом идеи.
Однако г-н Вентер рассчитывает на большее: он полагает, что методы расшифровки и анализа ДНК позволят обнаружить жизнь на других планетах. В том числе, как это ни парадоксально, и на Марсе. Да, г-н Вентер — один из тех, для кого вопрос «Есть ли жизнь на Марсе?» до сих пор не потерял своей актуальности. По мнению Крейга, жизнь в космосе не нашли до сих пор просто потому, что плохо искали. Он упоминает о своей работе с BP, когда в образцах воды, поднятых из метановых месторождений на глубине 2,2 км, обнаружилось невиданное изобилие микробов — почти такое же, по его словам, как в океане. И если уже в недрах Земли творится такое, то почему бы бактериям не жить и в глубинах Марса?..
Впрочем, чтобы не углубляться в обсуждение вопросов, есть ли жизнь на Марсе и обязательно ли она должна быть ДНК-белковой, на этом мы и закончим рассказ о Крейге Вентере — несмотря ни на что, выдающемся учёном нашего времени.
Подготовлено по материалам Ars Technica.
http://compulenta.computerra.ru/chelovek/biologiya/10009996/
Имя Крейга Вентера в современной науке более чем известно: достаточно сказать, что об этом учёном, по сей день активно работающем, есть статья в русскоязычной Википедии (хотя по объёму она явно уступает англоязычной заметке). Г-н Вентер стоял у истоков расшифровки человеческого генома в начале 2000-х, а в 2010 году сообщил о создании синтетического организма с минимально возможным набором генов.
При этом его деятельность часто носила оттенок скандальности: расшифровкой генома человека он занимался независимо от «официального» международного проекта, и у многих метод Вентера не вызывал доверия. Кроме того, он рассчитывал использовать всё это в медицинско-коммерческих целях. Его компании удалось прочитать человеческий геном даже раньше конкурентов, но вскоре после этого г-н Вентер был вынужден уйти из неё.
Крейг Вентер (фото Erica Berger).
Выдающиеся организаторские и научные способности вместе с вольной или невольной скандальностью делают Крейга Вентера действительно крупной фигурой в современной науке. Недавно учёный выпустил книгу «Жизнь со скоростью света: от двойной спирали к цифровому бытию» («Life at the Speed of Light: From the Double Helix to the Dawn of Digital Life»), в которой среди прочего описал историю создания первого синтетического организма. В интервью, данном журналу Wired, можно узнать не только о содержании этого труда, но и о том, чтоисследователь думает о настоящем и будущем синтетической биологии, научно-этических проблемах и даже... о жизни на Марсе.
— В «Жизни со скоростью света» вы утверждаете, что человечество входит в новую фазу эволюции. Что вы под этим понимаете?
— Индустриальная эпоха заканчивается, переходя в эпоху биологического дизайна. Уже сейчас ДНК существует в виде оцифрованных данных. Благодаря развитию генетической инженерии — и синтетической биологии — мы можем манипулировать ДНК как нам заблагорассудится, а благодаря оцифровке биологической информации способны передавать её с помощью электромагнитных волн куда угодно, как если бы у нас был «биологический телепортер». Геном — это что-то вроде программного обеспечения клетки, и чем больше мы про него знаем, тем лучше понимаем, как работает клетка. Более того, мы можем отредактировать этот «софт» так, чтобы изменить работу «железа», то есть клеточных молекулярных машин.
— Из всего того, что вы сделали за последние двадцать лет, что вам кажется наиболее важным?
— Проект по созданию синтетической клетки. Но если попробовать выделить какое-то одно исследование, которое больше остальных расширило бы мои представления о жизни, то это работа 2007 года Genome Transplantation in Bacteria: Changing One Species to Another, которую мы с командой опубликовали в Science. В ней мы не просто убедились, что манипуляцией с ДНК можно превратить один вид в другой: после неё стало окончательно понятно, что с геномом можно обращаться как с программой, и именно эта работа заложила основы для создания синтетической клетки.
— В вашей книге есть впечатляющие примеры неудач, с которыми вы сталкивались на пути к синтетическому организму. Какое из разочарований было самым сильным?
— Когда мы только начинали работу над синтетическим организмом JCVI-syn1.0, то выбрали в качестве отправной точки бактерию Mycoplasma genitalium — из-за её исключительно маленького генома (до недавнего времени M. genitalium считалась по этому параметру чемпионом среди живых организмов, не считая вирусов. — Прим. К. С.). Но тут оказалось, что M. genitalium в лабораторных условиях растёт чрезвычайно медленно. Если, скажем, кишечная палочка делится раз в 20 минут, то M. genitalium для этого требовалось 12 часов. Следовательно, вместо того чтобы узнать результат эксперимента на следующий день, нужно было ждать несколько недель. Я чувствовал, что весь тяжелейший труд, потраченный на эту бактерию, закончится ничем, и мы переключились наMycoplasma mycoides, геном которой раза в два больше, чем у M. genitalium, зато и растёт она гораздо быстрее.
— Многие из ваших коллег были весьма впечатлены вашей работой; одни восторгались самим появлением искусственной клетки, другие — техническими ухищрениями, которые были при этом использованы. Но были и такие, которые отнеслись к синтетическому организму довольно пренебрежительно: дескать, это совсем не то, что создание жизни «с нуля».
— Говорящие так не слишком отдают себе отчёт в том, что в данном случае означает выражение «жизнь с нуля». Возьмём, к примеру, кекс. Вы можете купить готовый. Можете взять специальную смесь, в которую нужно добавить лишь яйца, масло и воду. Можете «собрать» кекс из индивидуальных ингредиентов: муки, сахара, соли, молока, соды и т. п. Это, пожалуй, можно считать изготовлением кекса «с нуля». Но вряд ли кто-то при этом будет синтезировать соду из натрия, углерода, водорода, кислорода. Если перенести требование «абсолютного нуля» на синтетический организм, то не придётся ли нам заняться сборкой белков, липидов и нуклеиновых кислот даже не из предшественников-мономеров, а из тех же самых простейших элементов периодической таблицы?
— Есть параллельные исследования, посвящённые созданию синтетических организмов, но в виртуальном мире (о чём вы упоминаете в своей книге). Насколько удовлетворительны такие модели?
— Виртуальные клетки уже успели подтвердить свою «компетентность»: они действительно помогают узнать больше о том, что происходит в реальности. Вообще эти исследования начались в 1996 году, когда Масару Томита вместе со своими сотрудниками начал работать с только что расшифрованным геномом Mycoplasma genitalium и запустил так называемый E-Cell Project. Самые последние труды говорят о том, что исследователи способны на основании геномной информации создать виртуальную клетку, которая будет довольно близка к настоящей.
— Вас постоянно вовлекали в дискуссии об этических аспектах создания синтетических организмов. Имеет ли смысл говорить об этом сегодня?
— Проблема исследовательской ответственности сопровождает любое открытие и любую технологию, и все подобные вопросы можно было бы адресовать, например, тому, кто первым добыл огонь. Буквально каждые несколько месяцев проходят разные публичные мероприятия, посвящённые этическим проблемам, сопряжённым с новыми технологиями. Разумеется, важно прилагать все усилия во всех общественных областях, от образования до политики, чтобы новые технологии оставались не только эффективными, но и безопасными. Но за общественными дискуссиями не следует забывать, что синтетическая биология может дать ответы на ключевые вопросы медицины, экологии и прочих областей науки, касающихся всех и каждого.
— В чём кроется бóльшая опасность — в исследовательских ошибках или в злонамеренном использовании результатов биологических исследований?
— Меня больше заботят случайные утечки научной информации. Синтетическая биология, во-первых, во многом полагается на исследователей небиологического профиля, математиков и инженеров, чьи познания в биологии не так уж высоки. Во-вторых, молекулярно-биологические методы сегодня сверхдоступны; набор для проведения полимеразной цепной реакции позволяет провести эту самую реакцию едва ли не на кухне. И всё это биологическое знание может легко оказаться за пределами структур — правительственных, коммерческих, образовательных, — которые обеспечивают безопасность и культуру научных исследований. Последствия таких «биоинформационных утечек» непредсказуемы — особенно если речь идёт о «программируемой жизни».
Синтетический организм JVCI-syn1.0, созданный Крейгом Вентером и его сотрудниками на основе бактерий микоплазмы (фото Dr. Thomas Deerinck).
— Не отказаться ли нам тогда вообще от синтетической биологии?
— Всё-таки мой самый большой страх связан не с тем, что технологии нам навредят, а с тем, что мы упустим возможности, которые они нам предоставляют. С их помощью мы можем решить, например, важнейшие проблемы, связанные с перенаселением и экологическими изменениями на планете.
— Вы работали над тем, как превратить информацию из ДНК в цифровой сигнал и передать такой сигнал на машину, которая на его основе реконструирует живой организм...
— Сейчас мы можем отдать цифровой ДНК-код программе, которая способна восстановить, синтезировать эту последовательность; такие эксперименты мы ставим в нашей компании Synthetic Genomics (г-н Вентер основал Synthetic Genomics вместе со своим давним коллегой, нобелевским лауреатом Хамилтоном Смитом. — Прим. К. С.). Аппарат-синтезатор создаёт короткие ДНК-последовательности, которые потом соединяются специальным роботом-сборщиком. Синтез фрагментов ДНК, внесение в них специальных знаков, определяющих их итоговую последовательность, сборка — всё это выполняется автоматически. Мы используем мобильную лабораторию, которая позволяет брать образцы почвы, анализировать в них ДНК; полученная информация образует своеобразное «облако». Сведения из такого облака можно передать на следующий блок, который будет комбинировать из них программу нового организма.
— Что может дать эта технология с практической точки зрения?
— Самое очевидное применение — создание противовирусных вакцин. Когда в 2009 году разразилась пандемия свиного гриппа, за полгода были созданы сотни миллионов препаратов вакцины — но даже этого было мало: тогда, напомню, погибло 250 тыс. человек. При производстве вакцины вирус растёт в оплодотворённых куриных яйцах, процесс занимает 35 дней. Чем сильнее, чем «патогеннее» вирус, тем более критичным будет время, которое тратится на разработку вакцины.
Сейчас мы вместе с компанией «Новартис» как раз заняты тем, чтобы ускорить этот процесс с помощью нашего метода. Геном вируса полностью прочитывается, после чего в нём выбираются гены, которые могут послужить хорошим материалом для вакцины, — как, например, гены белков оболочки. Эти белки далее тестируются на иммунитете: насколько сильный иммунный ответ они вызывают. Информационная работа с вирусом позволяет создать вакцину менее чем за пять дней. В принципе, метод был опробован ещё в 2011 году и с тех пор показал свою эффективность на множестве штаммов гриппа.
— А ещё вы занимаетесь проблемой лекарственной устойчивости бактерий...
— Да, страх перед универсально устойчивыми бактериями заставляет многих говорить о том, что мы скоро узнаем, как жилось нашим предкам без антибиотиков. Однако хорошая альтернатива антибиотикам — это фаги. Каждые несколько дней половина всех бактерий на Земле погибает от фагов. С точки зрения медицины у фагов есть преимущество перед антибиотиками: они высокоспецифичны и не бьют по хорошим симбиотическим бактериям. Однако бактерии, в свою очередь, вырабатывают устойчивость и к фагам. Кроме того, сам организм человека стремится избавиться от них как можно скорее. Опять же информационные манипуляции с ДНК позволяют решить эти проблемы: нужно лишь создать необходимую программу для фага. Разумеется, для этого нужно перебирать множество вариантов, но наш метод позволяет проектировать и создавать до 300 новых фагов в день, так что много вариантов не проблема.
Хотя сейчас мы ограничены небольшими организмами — вирусами и бактериальными клетками, в будущем собираемся перейти к более сложным системам, вплоть до тканей...
Очевидно, что конструирование и переконструирование организмов с помощью «ДНК-софта» и впрямь может открыть перед нами эру биологического дизайна. Однако амбиции Крейга Вентера одной лишь нашей планетой не ограничиваются. ДНК-конструкторы и ДНК-передатчики могли бы сильно упростить жизнь, к примеру, марсианским колонистам, которым не пришлось бы тащить с собой с Земли растения и бактерии, что называется, «на развод». Судя по тому, что исследования г-на Вентера спонсирует НАСА, американские космические чиновники прониклись масштабом идеи.
Однако г-н Вентер рассчитывает на большее: он полагает, что методы расшифровки и анализа ДНК позволят обнаружить жизнь на других планетах. В том числе, как это ни парадоксально, и на Марсе. Да, г-н Вентер — один из тех, для кого вопрос «Есть ли жизнь на Марсе?» до сих пор не потерял своей актуальности. По мнению Крейга, жизнь в космосе не нашли до сих пор просто потому, что плохо искали. Он упоминает о своей работе с BP, когда в образцах воды, поднятых из метановых месторождений на глубине 2,2 км, обнаружилось невиданное изобилие микробов — почти такое же, по его словам, как в океане. И если уже в недрах Земли творится такое, то почему бы бактериям не жить и в глубинах Марса?..
Впрочем, чтобы не углубляться в обсуждение вопросов, есть ли жизнь на Марсе и обязательно ли она должна быть ДНК-белковой, на этом мы и закончим рассказ о Крейге Вентере — несмотря ни на что, выдающемся учёном нашего времени.
Подготовлено по материалам Ars Technica.
http://compulenta.computerra.ru/chelovek/biologiya/10009996/
