истории

Биологи создали «с нуля» искусственную клетку, которая начала самостоятельно расти и размножаться Можно ли считать ее живой? И значит ли это, что «секрет жизни» разгадан?

Источник: Meduza

Биологи из Университета Миннесоты создали из химически чистых компонентов искусственную клетку, которая оказалась способна самостоятельно питаться, расти и даже (некоторое время) делиться. Описание открытия пока не прошло рецензирование другими учеными, и поэтому официально не опубликовано в научном журнале, а просто выложено в виде препринта. Мировые научно-популярные СМИ тем не менее уже обратили на работу внимание — ведь если собрать живой организм из неживых компонентов действительно удалось, это почти без сомнений означает Нобелевскую премию для авторов. Но насколько «живой» оказалась полученная клетка? Что она умеет делать? Да и можно ли то, что получилось, действительно назвать клеткой? «Медуза» пытается найти ответы на эти вопросы в этом коротком тексте.

В 2002 году родившийся в СССР американский ученый Юрий Лазебник опубликовал в журнале Cancer Cell cтатью с необычным заголовком «Сможет ли биолог починить радио?». Статья была посвящена исследованиям рака и запрограммированной гибели клетки, апоптоза, которыми он тогда занимался. Но главная ее мысль была посвящена тому, чем именно отличается инженерный и биологический подход при исследовании сложных систем.

Чтобы описать это отличие и понять, что именно «не так» с биологическим подходом, Лазебник предложил такой мысленный эксперимент. Он представил, что группе биологов, которые не разбираются в физике и электронике, принесут неработающее радио и попросят его починить. Дальше идет крайне убедительное и самоироничное (ведь статья написана биологом) описание того, как именно биологи будут пытаться решить инженерную задачу. Прежде всего они постараются организовать бесперебойные поставки одинаковых работающих радио, затем смогут разобрать их на компоненты и классифицировать по цветам и размеру. И, наконец, перейдут к поиску того, какой именно из компонентов радио должен быть «самым важным», — для чего будут расстреливать устройство из ружья, наблюдая за тем, потеря каких именно деталей приведет к поломке (метафора классического метода генетики — искусственного мутагенеза).

В конце концов, резюмирует Лазебник, если биологи все-таки и смогут починить неработающее радио, то только совершенно случайно, — если по совпадению поломка действительно будет скрыта в каком-то одном «перегоревшем» компоненте, который можно будет отличить по внешним признакам.

Важная мысль статьи заключается в том, что исследование любых достаточно сложных систем — безразлично, сделаны они человеком или эволюцией, — требует совершенно другого языка и другого подхода по сравнению с тем, какие выработались в биологии за время ее существования как строгой науки. Этот новый язык и новый подход, аргументирует Лазебник, должен быть похож на инженерный, в котором оперируют стандартизованными, четко описанными компонентами, которые взаимодействуют друг с другом по понятным законам.

Создание таких компонентов и такого языка — задача отдельной области науки, которая стала активно развиваться как раз с начала 2000-х и которая называется синтетической биологией.

В широком смысле под синтетической биологией можно понимать самые разные исследования, в диапазоне от ДНК-оригами, где нуклеиновая кислота используется как стоительный материал для производства наноструктур, до создания искусственных органоидов — напечатанных на 3D-принтере искусственных тканей, собранных из обычных или генетически-модифицированных клеток. Их можно использовать, например, для тестирования лекарств, исследования клеточных связей ну или просто — для демонстрации возможностей современных технологий.

Однако в самой центральной и амбициозной своей форме синтетическая биология это именно попытка собрать живую систему из неживых компонентов. В идеале — сконструировать полноценную клетку, которая будет способна питаться, расти и размножаться. Проще говоря, жить.

Скажем сразу — до сих пор это никому не удавалось. Хотя разного рода амбициозных заявлений на эту тему было достаточно как минимум с 2010 года. Тогда группа известного биолога Крейга Вентера (среди прочего, он известен как человек с прервым прочитанными геномом) сообщила о «создании клетки с искусственным геномом». Можно было бы подумать, что уже тогда была создана первая первая искусственная клетка — однако в реальности речь шла о том, чтобы заменить у бактерии Mycoplasma mycoides ее обычный геном на его синтетическую версию, которая была получена на синтезаторах нуклеиновой кислоты и впрыснута в клетку.

Все остальные свои компоненты бактерия сохранила в нетронутом виде, а в процессе перехода на новую «прошивку» клетка не останавливала своего метаболизма. Фактически менялся только источник проихождения ДНК — что вообще говоря не самая большая инновация, учитывая, что наследственная роль ДНК в клетке была открыта британским микробиологом Фредериком Гриффитом очень схожим путем еще в 1928 году (тогда очищенная ДНК передавала стрептококкам их вирулентность).

В общем, задача синтеза целого генома была впечатляющим техническим успехом команды Вентера (пришлось синтезировать и собрать в одну молекулу более миллиона «букв» ДНК), но концептуально мало чего добавляла к пониманию работы живых систем. Однако за этим последовала серия работ, последняя из которых и стала поводом для данного разговора.

Все эти работы, как и вообще все попытки создания «искусственной жизни» можно разделить на две линии: сверху вниз и снизу вверх.

В первом случае имеется ввиду, что за исходную точку берется существующая живая клетка, которая затем упрощается до предельного состояния, которое еще способно хоть как-то поддерживать жизнь. Например, в 2016 году та же группа Вентера впервые реализовала этот подход и представила бактерию с минимальным геномом — все не-необходимые компоненты Mycoplasma mycoides были учеными удалены из генома, чтобы получить голый минимум ДНК, который способен поддерживать в клетке жизнь. Таким образом удалось уменьшить геном Mycoplasma mycoides почти вдвое. А, надо сказать, и до «принудительной оптимизации» геном бактерии был рекордно маленьким среди всех клеток — ведь большую часть жизненных функций этого внутриклеточного паразита обеспечивает клетка-хозяин, внутри которой живет микоплазма.

Подход снизу-вверх предполагает, наоборот, использование в качестве отправной точки химически чистых компонентов, которые требуется собрать в систему, способную воспроизвести все необходимые для живого процессы: метаболизм, питание, рост и размножение.

На примитивном уровне создать нечто (внешне) похожее на живую клетку можно относительно просто: например, обрабатывая смесь воды и липидов ультразвуком можно заставить липиды сворачиватся в пузырьки, внутри которых окажутся растворенные в воде вещества. Если предварительно в воду добавить нуклеиновые кислоты — ДНК или РНК, — то они попадут внутрь этих пузырьков и будут, таким образом, изолированы от внешней среды.

Кстати говоря, РНК-вакцины, в том числе вакцины против коронавирусной инфекции производства Moderna или Pfizer/BioNTech устроены именно таким образом: они представляют собой липосомы со спрятанной внутри РНК. Живыми эти препараты липосом считать, конечно, нельзя — ведь они представляют собой просто пассивные структуры, которые пусть и состоят из натуральных компонентов, ничего делать не способны.

Более сложный вариант подхода, когда ученые пытаются собрать эменты жизни из простых компонентов это, например, создание зеркального изомера ДНК-полимеразы — фермента, который синтезирует ДНК.

Не вдаваясь в детали, можно просто напомнить, что многие органические молекулы (в частности, сахара и аминокислоты) могут существовать в виде двух копий, похожих друг на друга как левая и правая рука. При этом в реальных живых клетках присутствует только одна из этих версий (например, натуральные сахара всегда правые, а аминокислоты — левые).

В 2016 году группе биологов из Университета Циньхуа путем сложного и долгого химического синтеза полимеразы из «зазеркальных» аминокислот удалось фактически отразить живые компоненты в зеркале. Они получили «зазеркальный» вариант фермента, который размножал «зазеркальную» ДНК. Сам по себе этот эксперимент не привел, конечно, к созданию полноценной зеркально-отраженной искуственной клетки, но показал, как можно производить для нее компоненты.

Вообще же некоторые отдельные функции живой клетки ученые умеют воспроизводить «в пробирке» очень давно. Например, для производства белков, которые невозможно синтезировать в живых бактериях, с 1970-х существуют бесклеточные системы синтеза (они представляют собой раствор рибосом, аминокислот и набора других необходимых для синтеза факторов). Или, например широко известный метод анализа на инфекции, полимеразная цепная реакция (ПЦР), — это фактически, редуцированный до самых базовых составляющих процесс клеточного размножения. Несмотря на свою практическую важность, по своему целеполаганию эти примеры крайне далеки от создания искусственной жизни из химических компонент.

Что же удалось сделать авторам новой работы из Университета Миннесоты, что позволяет заявлять о создании исскусственной клетки? Что нового удалось добавить к известному методу производства липосом с РНК, которые чисто внешне напомнинают примитивные клетки?

Если совсем коротко, то главное достижение авторов скорее концептуальное, чем практическое. Оно состоит в том, что ученым впервые удалось продемонстрировать все основные функции живой клетки, пусть и в самом примитивном виде: это питание, рост и размножение. Ничего подобного липосомы делать не способны. При этом для создания искусственных клеток были использованы только исключительно чистые химические вещества.

Конечно же, как можно догадаться, все ипользованные здесь слова, — размножение, питание, рост, — по-хорошему, нужно брать в кавычки.

Например, рост искусственных клеток проводился следующим образом: в раствор, где находилась «синтетическая жизнь», добавлялись липосомы, которые несли на своей поверхности специальные пептиды. Эти пептиды связывались с белками на поверхности искусственных клеток, что приводило к сливанию их друг с другом. В результате размер искусственной клетки чисто физически увеличивался. Процесс этот напоминает скорее проникновение в клетки некоторых вирусов, назвать его полноценным ростом можно только с большой натяжкой. В отличие от искусственных, настоящие клетки (даже самые примитивные) сами синтезируют свои липиды, из которых собирается их растущая мембрана.

Еще ярче условность таких искусственных клеток показывает то, как они «размножаются». И сравнение этого процесса с тем, который происходит в природе. Размножение авторами был симулировано так: внутри искусственной клетки имеется РНК, которая кодирует один из мембранных белков. Такой белок, попав в мембрану искусственной клетки, изменяет ее кривизну и поверхностное натяжение, в результате на липидной оболочке образуется перетяжка, которая в конце концов делит искусственную клетку надвое.

Внешне процесс действительно напоминает размножение — но только не клеточное размножение, а формирование таких липидных пузырьков как, например, эндосомы и лизосомы. Это органеллы, которые клетка использует для переваривания пищи и (других задач, где нужно иметь изолированную химическую среду).

В настоящем размножении главная задача — это удвоение генетического материала и контроль за тем, чтобы в дочерние клетки попало нужное число копий этого материала. Только в таком случае дочерние клетки смогут выжить и быть самостоятельными организмами. Для клетки используют сложную систему контроля синтеза ДНК, которая синхронизирует физический рост клетки и процесс удвоения ее генетического материала. Одновременно белки цитоскелета фиксируют и разделяют надвое наборы хромосом (или их бактериального аналога, хроматид). В общем, даже в самом простом случе суть настоящего размножения именно в контроле за генетическим материалом, чего искуственные клетки — по крайней мере описанные в новой статье — вовсе не делают. Физически «размножаются», — то есть увеличиваются в количестве — но контроля за потоком генетической информации при этом нет.

Неудивительно, что симулировав размножение таким примитивным путем, авторы смогли добиться от искусственных клеток только пяти поколений потомков» Без всех тех компонентов, что делают размножение клеток таким сложным и запутанным, добиться постоянного размножения своих искусственных клеток учеными все-таки не удалось.

Однако все это, конечно, нисколько не нивелирует важности нового открытия. Как бы ни были примитивны те процессы, которые искусственные клетки имитируют, их примитивность — вовсе не недостаток, а достоинство. Почему полезно думать об этом именно так, объяснил еще Юрий Лазебник в своей ироничной метафоре с радио: чтобы по-настоящему понять устройство системы, нужно свети ее до самых базовых компонентов, которые можно описать количественно. Только тогда задача понимания и моделирования становится реалистичной. Сложность систем, с которыми приходится иметь дело, не пугает инженеров. Не должна она пугать и биологов — если те спустятся на уровень, допускающий стандартизацию и количественное описание. Искусственные клетки это один из важных шагов в этом направлении — пусть даже «рост» и «размножение» в их случае хочется взять в кавычки.