Ученые создали синтетическую ДНК — что может ждать человечество в связи с этим открытием
Синтетические биологи, подобно богу, создают искусственные геномы, а вместе с ними выводят несуществующие в природе организмы. Внешне они такие же, как и в природе, но их ДНК содержит минимальный набор генов и идеальный «выхолощенный» код. Расскажем подробнее об открытии и о том, как ученые смогут использовать наработки, связанные с ним в будущем.
Что такое ДНК
Все организмы состоят из клеток, в которых содержится дезоксирибонуклеиновая кислота или молекулы ДНК. В них заключена наследственная информация. Сумму этих «биокирпичиков» называют геномом.
Большинство функций в геномах одинаковы: они способны увеличивать вдвое кислоты, синтезировать белки, потреблять необходимые вещества из окружающей среды и формировать мембрану, а также определяют, как будет делиться клетка и какие химические процессы в ней начнут происходить.
Но есть и другие, более узкоспециализированные задачи, которые связаны со способностью организма к приспособлению: у одних бактерий есть гены, которые позволяют защищаться от воздействия антибиотиков, а у других их может и не быть из-за отсутствия такой необходимости. Клетки у животных и людей содержат в геноме сложные инструкции, помогающие им, например, формировать ткани и органы. Некоторые составные части ДНК, которые регулируют эти процессы, не нужны определенным клеткам, но все равно содержатся для поддержания правильного функционирования всего организма.
Размеры двойной спирали ДНК могут быть абсолютно разными. Так, у круглых червей примерно двадцать тысяч генов и 97 млн нуклеотидов, а у человека она составляет 3 млрд нуклеотидов, но кодирующих белков всего 20-25 тысяч. Существуют организмы, которые еще сильнее «раздуты» по количеству молекул. Например, у рыбы мраморный протоптер в 40 раз больше генома, чем у человека.
Такой огромный разброс в количестве генной информации объясняется тем, что в ДНК содержится не только «все самое необходимое», но и масса «ненужного». В 2004 году ученые «вырезали» из генома белых мышей большое количество «пустых» фрагментов дезоксирибонуклеиновой кислоты: при этом животные были такими же, как и их нетронутые родственники. Они прекрасно развивались, двигались и приносили здоровое потомство.
Структуру ДНК можно условно сравнить с новеньким смартфоном, у которого много свободной памяти, но папка «Другое» всегда чем-то заполнена на 2 гигабайта. Теперь же ученым удалось «очистить» ген от ненужного материала.
Синтетическая ДНК
Как мы говорили выше, геномы у всех организмов разные, но самые небольшие по размеру у бактерий и вирусов. Именно с них начали исследователи для создания искусственной ДНК. Ученые выбрали для изучения вид микробов, который размножается в половой и дыхательной системе приматов. Он содержит 475 генов и 580 тысяч нуклеотидов.
Вот только эти микробы размножаются очень медленно, поэтому стали непригодны для изучения. Поэтому выбор пал на другой близкий к ним вид, у которого хоть и вдвое больше генов по количеству, но рост их колонии происходит гораздо быстрее. ДНК этих микробов и послужил для грядущего «улучшения».
Работу по выведению синтетической ДНК проводил Крейг Вентер в 2010 году. Эксперимент по созданию искусственной жизни заключался в «обрезании» ненужных «пустых» участков в геноме, его синтезе и переносе в клетку бактерии другого вида. В результате чего бактерия-реципиент была идентична донору и могла функционировать.
После этого журналисты назвали удачный опыт Вентера «игрой в бога». Но если это было состязание, то ученый «обыграл» всевышнего: в 2016 году он сократил первоначальный геном в два раза и снова получил живые и активные клетки.
Генетический код и исследование Чёрча
Если Вентер создавал синтетическую ДНК путем удаления «лишних генов», то Джордж Чёрч пытался свести к минимуму сам код.
Генетический код — это особый набор инструкций, с помощью которых белки кодируются генами. С участков ДНК считываются копии в виде РНК, которые служат «правилами» для синтеза.
Каждый белок состоит из аминокислот, который кодируется тремя нуклеотидами. При этом ДНК и РНК состоят из 4 видов нуклеотидов, которые могут составлять 64 типа разных троек или «кодонов», а аминокислоты в белках имеют всего 20 вариантов.
Отталкиваясь от этой информации, в 2016 году Джордж Чёрч вместе со своей командой провел эксперимент и позже опубликовал статью о получении первого в мире организма, состоящего из 57 кодонов, вместо 64. Материалом для опыта послужил один из видов кишечной палочки.
Такое «упрощение» генетического кода стало причиной побочного эффекта: была выявлена поразительная устойчивость новых организмов к вирусам.
«Оцифровка» жизни
Удивительные исследования двух ученых позволили человечеству взглянуть по-другому на мир, ведь теперь можно изменять ДНК как программное обеспечение на компьютере.
По мнению Вернера, синтетические организмы могут использоваться для получения биотоплива и лекарств, разработки систем очистки водоемов, а также для изготовления сырья для текстильной и пищевой промышленности.
Также ученый считает, что в совокупности с 3D-печатью можно создать совершенно новый организм. В одном из интервью профессор сказал о том, что процесс 3D-печати позволит создателю работать с моделями будущего продукта. Специалисты по синтетической биологии могут, например, работать над ДНК с определенным функционалом, который несложно будет купить или скачать.
По мнению Чёрча, который вместе со своими коллегами всерьез обсуждает возможность синтеза человеческого генома, генная инженерия позволит лечить наследственные и онкологические заболевания. На основе открытия начались глобальные исследования, посвященные борьбе с вирусами: ученые используют новый способ для борьбы, например, с ВИЧ-инфекцией. В дальнейшем, по мнению ученых, наработки позволят замедлить процессы старения организма, и жизнь человека может стать длиннее как минимум вдвое.
Преждевременное старение: что такое мандибулоакральная дисплазия
Эра «синтетики» и генномодифицированные продукты
Теперь ученые могут не только создавать те последовательности генома, которые невозможно получить в природе естественным путем, но и сокращать за ненадобностью слишком длинные цепочки, которые содержат в себе «лишнюю» или невостребованную, на их взгляд, информацию. «Редактирование» ДНК нашло свое применение в сельском хозяйстве.
Например, в США появилось соевое масло от Calyxt, которое из-за большого содержания линолевой кислоты (CLA) быстро портилось во фритюрнице и в целом имело небольшой срок хранения. Чтобы уменьшить количество отходов, компания «подкорректировала» геном сои и снизила выработку CLA, чтобы соевое масло дольше сохраняло свои потребительские свойства. Теперь продукт имеет лучшие характеристики и пользуется большей популярностью на американском рынке.
Также компания Pairwise проводит опыты по улучшению вкуса горчицы, а холдинг Corteva работает над выведением овец с более длинной шерстью и яиц, которые не будут содержать в себе аллергены.
Изменение кода ДНК служит благим целям и облегчает жизнь исследователям в области фармакологии и пищевой промышленности, но у такого вмешательства есть и обратная сторона. Оставляя только «сильные» гены и исключая «слабые», ученые могут получить такие мутировавшие виды тех же бактерий, которые будут неуязвимы к внешним угрозам. И это только начало.
Гмо-фобия, или как перестать беспокоиться и начать есть
Коронавирус и синтетическая ДНК
Есть версия, что открытие синтетической ДНК тесно связано с эпидемией коронавирусной инфекции.
В 2020 году в открытом доступе начала появляться информация об утечке Covid-19 из лаборатории Китая. И если предыдущие отчеты только намекали на такую возможность, то Майкл Маккола в одном из докладов говорит об этом как об установленном факте.
Незадолго до этого Крейг Вентер, под руководством которого была разработана технология синтеза больших молекул ДНК, отметил в одном из интервью, что в случае пандемии мирового масштаба синтетические биологи в кратчайшие сроки смогут разработать вакцину и «отправить ее оцифрованную версию по всему миру, чтобы ее смогли размножить с помощью биопечати и использовать по назначению».
Конечно, гипотеза о «вирусе из пробирки» существовала с самого начала пандемии. Тогда многие ученые и влиятельные лица большого числа стран призывали не верить в теорию заговора, однако некоторые из них не отрицали такой возможности, как например, американский ученый-медик, иммунолог и инфекционист Энтони Фаучи.
В феврале 2021 года комиссия ВОЗ начала расследовать «искусственность» вируса. Выводы, к которым пришли исследователи, не удовлетворили членов республиканской партии США.
А в журнале Американской ассоциации содействия развитию науки Science было опубликовано письмо от имени 18-ти известных биологов, в том числе Ральфа Барика и Майкла Макколы, в котором они просили изучить этот вопрос еще раз.
В тезисах исследователей, настаивающих на повторной проверке, и, в частности, Майкла Макколы, указано следующее:
• Утечка вируса из китайских лабораторий не является единичным случаем, она уже случалась в Пекине в 2004 году;
• В 2019 году из базы данных Уханьского института вирусологии были изъяты записи о патогенах летучих мышей;
• До 2019 года совместно с американскими исследователями сотрудники Уханьского института публиковали статьи об изменениях коронавируса у летучих мышей, который был способен передаваться человеку и был устойчив к вакцинам и антителам;
• Нет никаких доказательств, что вирус SARS-CoV-2 был у животных и передался человеку, так как нет ни одного животного-носителя заболевания и, соответственно, нет описанного механизма передачи;
• РНК вируса имеет необычную последовательность генетического кода, нехарактерную для естественных вирусов, но широко использовавшуюся в лабораториях.
Так, ученые считают, что у них есть основание полагать, что вирус имеет синтетическое происхождение. Однако подтверждающей официальной информации по этому вопросу пока нет.
Алкоголь, воздержание и сигареты: как лечили чуму в средние века и причем тут коронавирус
Что нас ждет в будущем
Открытие синтетической ДНК может быть использовано как на благо людей, так и во вред. Неудачные эксперименты, вышедшие из-под контроля, могут привести к неожиданным глобальным последствиям, поэтому сфера требует пристального внимания со стороны квалифицированного круга лиц.
Новая эра синтеза и технологий позволит человечеству в корне изменить область генной инженерии и реализовать проекты, которые только недавно казались научной фантастикой.
Так, например, на базе нового метода по «редактированию» ДНК в 2019-м году китайские ученые получили пять клонов макаки с измененными генами, повторив эксперимент с овечкой Долли, но на этот раз более удачно. Этот метод клонирования, по мнению исследователей, позволит реже использовать рожденных естественным путем обезьян в экспериментах.
Нравственный вопрос также тревожит умы общественности, поскольку многие убеждены, что зачатые в пробирке имеют право на жизнь и защиту своих прав не меньше, чем их собратья.
А в 2020-м году в США уже начали проводить лечение ВИЧ-инфицированных с помощью улучшенного препарата, воздействующего на генном уровне, — клинические испытания оказались довольно успешными. В дальнейшем, по словам ученых, изменение генетического кода поможет в борьбе с множеством неизлечимых ранее заболеваний. Многие из них возможно будет выявить и предотвратить, в том числе на этапе зачатия.
Эксперименты с синтетической ДНК помогут понять, насколько реально выращивать определенные органы в пробирке, в замене которых нуждается человек, а значит, речь идет о возможности продления жизни людей на десятки лет вперед.
Не исключено, что синтетические биологи находятся в одном шаге от изобретения той самой «таблетки бессмертия», ведь для того, чтобы клетки не старели, нужно «перепрограммировать» ДНК человека, разгадав ее устройство. При этом вопрос о том, нужна ли вечная жизнь человечеству, остается открытым.
Ген в ребро: что стоит знать о ДНК и мутациях в нашем организме
Рожденные в чешуе: самые страшные человеческие мутации и их причины
Как работает цифровое бессмертие и почему в него верит все больше людей
