Принципиально новые возможности искусственной ДНК

Каждая когда-либо существовавшая живая клетка была продуктом комбинаций четырёхбуквенного генетического алфавита: A, T, C и G, базовых единиц ДНК. Теперь же всё изменилось. В своём провидческом выступлении синтетический биолог Флойд Ромсберг представляет нам первые живые организмы, созданные на основе шестибуквенной ДНК — четырёх природных и двух искусственных букв, X и Y. Ромсберг рассуждает о том, как этот прорыв может изменить наши фундаментальные представления о природе.

Строение всех форм жизни,

каждого живого существа,

базируется на информации,
заложенной в ДНК.

Что это значит?

Это значит, что подобно тому,
как английский язык

состоит из букв алфавита,
которые складываются в слова

и дают мне возможность
вести сегодня этот рассказ,

ДНК состоит из генетических букв,
которые, складываясь в гены,

дают клеткам возможность
производить белки́ —

цепочки аминокислот,
сворачивающиеся в сложные структуры,

которые выполняют функции,
позволяющие клеткам делать свою работу,

рассказывать свою историю.

В английском алфавите 26 букв,
в генетическом — четыре.

Они хорошо известны.
Возможно, вы о них слышали.

Их часто называют просто G, C, A и Т.

Но удивительно то,
что всё разнообразие жизни

является результатом
комбинаций четырёх букв.

Что, если бы английский алфавит
состоял из четырёх букв?

Какие мы смогли бы рассказывать истории?

Что, если бы в генетическом алфавите
было больше букв?

Может быть, такие формы жизни
смогли бы рассказать иные истории,

возможно, даже более интересные?

В 1999 году моя лаборатория
в Институте Скриппса в Ла-Холье

начала работу в этом направлении
с целью создания живых организмов

с ДНК, состоящей из шести букв:

четырёх природных и двух новых,
созданных человеком.

Такой организм был бы первой

когда-либо созданной
радикально изменённой формой жизни.

Это была бы полусинтетическая форма жизни,

содержащая больше информации,
чем все другие формы до неё.

Она могла бы создавать новые белки,

собирая их из большего числа аминокислот,

не ограничиваясь обычными двадцатью.

Какие истории рассказал бы этот организм?

С помощью синтетической химии,
молекулярной биологии,

посвятив этому почти 20 лет,

мы создали бактерию с ДНК из шести букв.

Давайте я расскажу как.

Всё, что вам нужно помнить
из школьного курса биологии, —

четыре природных буквы встают в пары,
формируя две пары нуклеотидов.

G располагается в паре с C,
А — в паре с T.

Чтобы создать новые буквы,

мы синтезировали сотни новых кандидатов —
кандидатов в буквы —

и изучили их способности
избирательно образовывать пары.

Спустя 15 лет работы

мы обнаружили две буквы,
встававшие в пару очень хорошо, —

по крайней мере, в пробирке.

У них сложные названия,

но давайте просто называть их X и Y.

Затем нам нужно было найти способ
поместить X и Y в клетки,

и в итоге мы обнаружили, что белок,
который аналогично вёл себя в водорослях,

работал и в наших бактериях.

Наконец, нам нужно было убедиться,
что, имея в своём составе X и Y,

клетки будут расти, делиться
и не избавятся от новых букв в своей ДНК.

Все предыдущие этапы работы
заняли дольше, чем я надеялся, —

а я очень нетерпелив, —

но этот самый последний шаг
сработал быстрее, чем я смел мечтать,

практически сразу.

В 2014 году, за одни выходные,

аспирант в моей лаборатории вырастил
бактерию с шестибуквенной ДНК.

Воспользуюсь возможностью
показать её вам прямо сейчас.

Это их реальное изображение.

Это первые полусинтетические организмы.

Итак, бактерия с шестибуквенной ДНК —
круто, да?

Что ж, может, кому-то из вас
всё ещё не ясно, что здесь такого.

Позвольте рассказать ещё немного
о наших побуждающих факторах —

и теоретических, и практических.

Что касается теории, люди задумывались
о жизни, её природе,

об отличии живого от неживого

с момента, как научились задумываться.

Многие видели жизнь совершенной,

и это считалось доказательством
существования творца.

Живое отличается тем,
что творец вдохнул в него жизнь.

Другие искали более научное объяснение,

но, думаю, справедливо утверждение,

что они всё ещё считают
молекулы жизни особенными.

Ведь эволюция совершенствовала их
миллиарды лет, не так ли?

Каким бы ни было ваше мнение,
кажется невероятным,

чтобы химики могли синтезировать
новые составные части,

функционирующие внутри и наравне
с природными молекулами жизни,

не наворотив при этом дел.

Но насколько идеален наш организм?

Насколько совершенны молекулы жизни?

Такими вопросами и задаваться
было невозможно,

так как у нас не было ничего,
с чем можно сравнивать.

Теперь — впервые —
наши исследования показывают,

что, может быть, молекулы жизни
не такие уж и особенные.

Быть может, жизнь какой мы её знаем —
не единственный возможный вариант.

Может, мы не единственное решение,
даже не оптимальное решение,

а всего лишь одно из решений.

Эти вопросы касаются
фундаментальных аспектов жизни,

но они могут показаться слегка заумными.

А что насчёт практических побуждений?

Что ж, мы хотим увидеть, какие ещё истории

могут рассказать формы жизни,
у которых прибавилось букв, —

и не забывайте, истории —
это белки, производимые клеткой,

и их функции.

Так какие же новые белки
с новыми функциями

наши полусинтетические организмы могут
производить и, возможно, использовать?

Ну, у нас есть пара идей.

Во-первых, можно заставить клетки
производить белки для наших нужд.

Сегодня белкам находится

всё большее число применений:

от создания материалов,
защищающих солдат от ранений,

до устройств, способных обнаружить
опасные соединения,

но лично мне

самыми интересными
кажутся лекарства из белков.

Несмотря на относительную новизну,

белковые лекарства уже произвели
революцию в медицине.

К примеру, инсулин — белок.

Вероятно, вы о нём слышали: это препарат,

который полностью изменил
терапию диабета.

Но сложность в том,
что белки трудно производить,

единственный реальный способ их получить —
научить клетки их вырабатывать.

Конечно, вы можете заставить

природные клетки вырабатывать
только природные аминокислоты,

и свойства и применение

этих белков будут ограничены

особенностями аминокислот,

входящих в их состав.

Вот они —

20 обычных аминокислот,
соединяющихся в белки,

и вы видите, что они довольно-таки похожи.

Функции, за которые они отвечают, похожи.

Нет большого разнообразия функций.

Сравните с небольшими молекулами,
которые химики синтезируют для препаратов.

Они проще по составу, чем белки,

но обычно в их составе гораздо более
широкий набор разнообразных элементов.

Вам не нужно разбираться в этих молекулах,

но, думаю, вам и так понятно,
какие они разные.

Именно это разнообразие
позволяет им быть отличными препаратами

для лечения заболеваний.

Поэтому весьма интересно задуматься,
какие белковые препараты

можно разработать, создавая белки
из большего разнообразия элементов.

Можно ли заставить
наш полусинтетический организм

вырабатывать белки, включающие
новые, разнообразные аминокислоты,

возможно, аминокислоты, отобранные
для производства белков,

с нужными свойствами и функциями?

К примеру,

многие белки недостаточно стабильны
при введении в организм человека.

Они быстро распадаются или выводятся

и не выполняют лекарственную функцию.

Что, если создать белки
с новыми аминокислотами

с добавками,

защищающими их от условий среды,

от распада и выведения,

чтобы они могли лучше выполнять
роль лекарств?

Можно ли создать белки с «пальчиками»,

которые бы цеплялись
к определённым молекулам?

Многие небольшие молекулы
так и не стали лекарствами,

потому что не были узкоспециализированными
и не могли найти цель

в сложной среде человеческого организма.

Можем ли мы взять эти молекулы
и сделать их частью новых аминокислот,

которые войдут в состав белка

и будут направлены к цели этим белком?

Я основал компанию биотехнологий Synthorx.

Synthorx расшифровывается
как «синтетический организм»,

а буква X на конце — дань моде
в среде биотехнологических компаний.

(Смех)

Synthorx тесно сотрудничают
с моей лабораторией,

и их интересует белок,
распознающий определённый рецептор

на поверхности человеческой клетки.

Проблема в том, что этот белок
также распознаёт

другой рецептор
на поверхности этих клеток,

что делает его токсичным.

Можем ли мы создать такой вариант белка,

в котором участок, взаимодействующий
с неправильным рецептором, заблокирован,

прикрыт чем-то вроде большого зонтика,

чтобы этот белок распознавал
только нужный нам рецептор?

Такое было бы очень сложно сделать,

или даже невозможно,
с обычными аминокислотами,

но не с аминокислотами, специально
созданными для этой цели.

Минифабрики из синтетических клеток,
производящие более эффективные

белковые лекарства, —

не единственное потенциально
интересное их применение,

потому что именно белки позволяют
клеткам выполнять их функции.

Если клетки производят новые белки
с новыми функциями,

сможем ли мы заставить их делать то,
чего обычные клетки не умеют?

Например, можем ли мы разработать
полусинтетические организмы,

которые, попадая в тело человека,
искали бы раковые клетки,

и только найдя их, выделяли бы
убивающий их токсин?

Можем ли мы создать бактерию,
питающуюся нефтью,

чтобы, например, справиться
с аварийным разливом?

Это лишь пара примеров того,

какие истории смогут рассказать
формы жизни с новыми буквами в ДНК.

Звучит отлично, да?

Внедрение полусинтетических
организмов в людей,

выброс миллионов литров бактерий в океан

или на ваш любимый пляж?

Подождите-ка, на самом деле
звучит страшновато.

Какой страшный динозавр!

Но вот в чём штука:

чтобы выжить, наши
полусинтетические организмы

должны питаться
химическими прекурсорами X и Y.

X и Y не похожи ни на что в природе.

Их нет в клетках,
клетки не умеют их синтезировать.

Поэтому, создав их,

вырастив их в контролируемой
лабораторной среде,

мы накормим их большим количеством
того, чего не существует в природе.

Затем мы введём их в организм человека
или поместим на пляж,

где у них не будет доступа к такой пище.

Какое-то время они будут расти,
оставаться в живых,

возможно, только на время,
необходимое для выполнения их работы,

но затем у них закончатся
питательные вещества.

Они начнут голодать.

Они умрут от голода и просто исчезнут.

Формы жизни смогут
рассказывать новые истории,

а мы сможем контролировать,
когда и как они будут их рассказывать.

В начале выступления я рассказал,
что в 2014 г. мы объявили

о создании полусинтетических организмов,
имеющих добавочную информацию,

то есть буквы Х и Y, в ДНК.

Но все потенциальные применения,
о которых я говорил,

требуют того, чтобы Х и Y создавали белки,

и мы стали над этим работать.

За следующие пару лет мы показали,
что клетки с X и Y в ДНК

могут копировать её в РНК —
рабочую копию ДНК.

А в конце прошлого года

мы продемонстрировали, что затем они могут
использовать X и Y для создания белков.

Вот они, наши звёзды,

первые полнофункциональные
полусинтетические организмы.

(Аплодисменты)

Эти клетки зелёного цвета, потому что
синтезируют белок с зелёным свечением.

Это довольно известный белок медузы,

который часто используют
в естественной форме,

потому что его легко опознать.

Но в каждом из этих новых белков

есть новая аминокислота, которая
не используется в белках в природе.

Каждая когда-либо существовавшая
живая клетка,

создавала каждый из этих белков

с помощью четырёхбуквенного алфавита.

Эти же клетки живут, растут
и синтезируют белок

из шестибуквенного набора.

Это новая форма жизни.

Это полусинтетическя форма жизни.

А что же в будущем?

Моя лаборатория работает
над расширением алфавита других клеток,

включая человеческие,

и мы готовимся работать
с более сложными организмами.

Представьте полусинтетических червей.

Последнее, что я вам скажу, —

самое главное —

время полусинтетических
форм жизни пришло.

Спасибо.

(Аплодисменты)

Крис Андерсон: Флойд, это невероятно.

Я только хотел спросить,

что ваша работа значит

в контексте вероятности
существования жизни

где-то ещё во Вселенной?

Кажется, многие наши представления
о жизни базируются на том,

что она должна иметь ДНК,

но возможна ли жизнь в виде
самовоспроизводящихся молекул,

намного крупнее ДНК,
даже ДНК из шести букв?

Флойд Ромсберг: Несомненно,
я думаю, это так,

я считаю, наша работа показала,

что всегда существовало мнение,

что мы совершенны,

оптимальны, созданы по образу божьему,

что нас отшлифовала эволюция.

Мы создали молекулы, способные работать
вместе с природными,

что означает, что любые молекулы,

подчиняющиеся фундаментальным
законам химии и физики, —

при этом их можно улучшать —

могут делать то же,
что и природные молекулы жизни.

И это не волшебство.

Это может значить,

что жизнь способна развиваться по-разному,

она может быть похожей на нашу,
но с другими ДНК,

может, вообще без ДНК.

КА: По вашему мнению,

насколько большим
может быть это разнообразие?

Можем ли мы это даже представить?
Это в основном молекулы ДНК

или что-то радикально иное,
способное к самовоспроизведению

и, потенциально, к созданию живого?

ФР: Я лично считаю, что если мы найдём
новые формы жизни,

мы можем их даже не узнать как таковые.

КА: Значит, эта одержимость планетами,
потенциально пригодными для жизни,

в нужном месте, с водой и прочим —

возможно, весьма эгоцентрична?

ФР: Возможно и нет, если вы хотите
найти того, с кем можно поговорить,

но я считаю, что если вы просто ищете
любую форму жизни,

вы правы, думаю, мы ищем
в слишком очевидных местах.

КА: Спасибо за то, что поразили
наше воображение! Спасибо, Флойд!

(Аплодисменты)