Синтетическая биология: не будите спящую собаку

Bankim Desai / Unsplash

Знаете ли вы, что ученые умеют модифицировать микроорганизмы? Они могут переписать генетический код кишечной палочки и превратить ее в крошечную фабрику по производству биотоплива. Из обыкновенных дрожжей, которые хозяйки используют для замешивания теста, удалось получить артемизин. Ранее это вещество можно было получить только из полыни. Артемизин обладает быстрым действием среди всех существующих лекарств против тропической малярии.

Все эти достижения стали возможными только благодаря передовым генно-инженерным технологиям, которые объединены общим названием «синтетическая биология». У этого термина пока что не существует точного международного определения.

Технологии не ограничиваются одними манипуляциями с микроорганизмами для получения определенных химических веществ. Ученые, которые активно работают над развитием этой научной области, создают стратегии для изменения жизни целых видовых популяций. Целью подобных исследований может стать уничтожение переносчиков опасных заболеваний, истребление инвазионных видов и повышение устойчивости растений и животных, которые оказались под угрозой исчезновения.

Синтетическая биология способна кардинально изменить правила самой природы, поэтому некоторые рассматривают ее, как прямую угрозу для окружающей среды.

Конструкторы живого

Синтетическая биология — это молодое междисциплинарное направление науки, которое объединяет физиков, генных инженеров, химиков, программистов и молекулярных биологов. Ученые применяют принципы инженерии и программирования для модификации биомолекулярных компонентов в новые структуры. Они используются для изменения живых организмов (животных, грибов, растений, бактерий и вирусов). Эти структуры придают им новые свойства, которые необходимы для решения задач в области энергетики, здравоохранения, развития окружающей среды, производства продуктов питания.

Ход научно-технического развития человечества подчиняется простой формуле «от познания — к созданию».

Если в программный код внести коррективы, то это повлечет за собой изменения в функционировании живого организма, который будет его считывать. Синтетические биологи расшифровывают код, убирают из него лишние части и собирают его по кусочкам заново.

Ген человека был открыт датским биологом Вильгельмом Йоханнсеном в начале прошлого века. На тот момент у человечества еще не было технологий, которые позволили бы всесторонне его изучить. В 1912 году французский биолог Стефан Ледук написал книгу под названием «Синтетическая биология». В ней шла речь о философском подходе к познанию основ функционирования живых систем. Ледук предполагал, что их поведение можно воспроизвести, если использовать известные «физические силы», которые появились гораздо позже. Биолог сумел предугадать дальнейшее развитие этой научной области, став Нострадамусом от биологии.

Только в 1953 году ученым удалось расшифровать структуру загадочной двойной спирали. Это приоткрыло завесу тайны над принципами функционирования живых организмов. Через двадцать лет ученые сумели применить особые ферменты, которые позволяли смешивать или разрезать молекулы ДНК. Это открытие стало первой предпосылкой к созданию генно-модифицированных организмов. Еще спустя три года научный мир потрясли результаты необычного эксперимента. Группа исследователей успешно создала бактерию, ген которой был пересажен от другой. Их «подопытная» получила устойчивость к антибиотикам, которой ранее не обладали представители ее вида.

В 1990 году в США был запущен научно-исследовательский проект под названием «Геном человека». Его главной целью стала идентификация генов человека. Этот проект до сих пор считается самой масштабной международной программой из всех, что когда-либо проводились в области биологии. Он стал мощным толчком для развития синтетической биологии.

Так как ученые сумели идентифицировать гены человека, они планировали зайти дальше и выявить особенности их взаимодействия и объединения в цепи. Исследователи столкнулись с одной серьезной проблемой — необходимостью воспроизводства генных цепочек в лабораторных условиях. Здесь специалистам и пригодились принципы инженерии. Конечная цель синтетической биологии — создание принципиально новых живых систем с определенным набором свойств подобно тому, как создаются компьютеры, автомобили, самолеты, поезда. Для синтетических биологов живые организмы — это устройства, которые воспроизводят программы. ДНК в них стал программным кодом. Исследователи сумели его изучить и научились воспроизводить.

Если в программный код внести коррективы, то это повлечет за собой изменения в функционировании живого организма, который будет его считывать. Синтетические биологи расшифровывают код, убирают из него лишние части и собирают его по кусочкам заново. Долгое время для этих операций использовался метаболический аппарат дрожжевой клетки, но был совершен прорыв. Теперь специалисты могут собирать искусственные геномы из полинуклеотидных цепей. В 2006 году инженерами и учеными была основана некоммерческая организация BioBricks Foundation. Она занимается стандартизацией биологической части в этой области науки. Огромный вклад в развитие синтетической биологии внес американский генетик Крейг Вентер. В конце 2010 года в Институте Крейга Вентера была успешно создана первая бактерия, геном которой был полностью синтетическим.

Nadia Jamnik / Unsplash

Угроза или дверь в новый мир?

Разработки синтетической биологии вызвали множество споров не только в научных кругах, но и в обществе. Современный человек хорошо знаком с генно-модифицированными продуктами питания. Они были настолько негативно приняты, что пометка «не содержит ГМО» стала своеобразным знаком качества.

Почему же результаты трудов специалистов в области синтетической биологии вызвали такую бурю негодования? Они вмешиваются в естественные процессы и искусственно меняют принципы самой природы. Подобные действия могут привести к печальным последствиям. Многие скептики полагают, что синтетическая биология рано или поздно выйдет из-под контроля ученых и тогда весь мир вздрогнет. Если выпустить в окружающую среду живой организм, геном которого был искусственно изменен, то это может стать началом глобальных изменений.

Уже в 2011 году две независимые группы исследователей в США и Нидерландах заявили об успешной модификации штамма гриппа H5N1. В естественных условиях он способен убить куда больше людей, чем лихорадка Эбола и даже коронавирус.

Не так давно ученые сумели заменить часть генов в двойной спирали домашних свиней, которые теперь стали устойчивыми к африканской свиной чуме. Новое свойство действительно полезно для животного и выгодно для фермера, но природа тоже умеет подстраиваться под ситуацию. К примеру, никто не может предугадать естественную мутацию вируса, который станет опаснее африканской чумы и будет поражать даже свиней, обладающих иммунитетом к ней. Ученые сами создают условия, под которые другим живым организмам придется подстраиваться, тем самым толкая их к очередному витку эволюции. Впоследствии это новое заболевание может стать опасным и для человека.

Раньше, чтобы создать смертельный вирус, требовались годы упорного труда, десятки неудачных экспериментов и огромные инвестиции. Разработки синтетической биологии значительно упростили этот процесс. Уже в 2011 году две независимые группы исследователей в США и Нидерландах заявили об успешной модификации штамма гриппа H5N1.

В естественных условиях он способен убить куда больше людей, чем лихорадка Эбола и даже коронавирус. Единственное слабое место штамма — он не передавался от заболевшего к здоровому человеку. Ученые сумели подправить геном вируса, в результате чего он стал заразным. Сейчас образцы этого генно-модифицированного штамма находятся в лабораториях, но что произойдет, если он вырвется на свободу? Мир сотрясет очередная пандемия, которая на этот раз унесет десятки миллионов жертв.

На данный момент создание искусственного организма с синтетическими генами — это задача, к которой стремятся специалисты генной инженерии. По предположениям достижение конечной цели произойдет в недалеком будущем. Ученые хотят не просто создать, но еще и адаптировать этот организм для жизни в окружающей среде. Его случайное или преднамеренное высвобождение может привести к катастрофическим последствиям и для природы, и для самого человека. Проблема в том, что просчитать все варианты сценариев развития событий невозможно.

Природа продолжает жить по своим законам. Пока человеку удалось лишь одним глазом заглянуть за ширму, скрывающую их. Его знаний недостаточно для того, чтобы вмешиваться в работу этой отлаженной системы. Вспомните о так называемом «эффекте бабочки». Любое незначительное действие в настоящем может потянуть цепочку роковых события и привести к фатальным последствиям в будущем.

Синтетическая биология — молодая наука. Хотя некоторые разработки специалистов этой области уже внедрялись в разные сферы жизни человека, еще рано говорить о последствиях. Пять, десять, двадцать лет — это слишком малый срок для оценки масштабов изменений, к которым могут привести генно-модифицированные организмы. Проблема развития синтетической биологии стала настолько острой, что потенциальные риски оценивают уже в ООН.

«Неправильное использование этих технологий и непредвиденные последствия могут привести к необратимому ущербу для окружающей среды», — заявила Пинья Сарасас, специалист ООН по окружающей среде. Она считает, что разработки синтетической биологии потенциально опасны для природы, поэтому к их использованию нужно подходить ответственно. Эти исследования необходимо взять под строгий контроль.

Похожие идеи высказал и Тоби Орд в своей новой книге «Обрыв». Специалист по оценке экзистенциальных рисков полагает, что человечеству в новом веке предстоит сыграть в «русскую рулетку». Один из «патронов» в обойме станет слишком быстрый темп развития научно-технического прогресса. Ученые, в том числе и специалисты синтетической биологии, должны остановиться на секунду и задуматься над тем, к каким последствиям могут привести результаты их трудов.

По мнению американского писателя Роба Рейда, в будущем ничто не помешает террористам использовать биотехнологии для убийства миллионов людей во всем мире. Разработки синтетической биологии рано или поздно обязательно будут использованы со злым умыслом, хотя Рейд и не призывает свернуть все исследования.

Ученые в ответ на критику начали разрабатывать особые меры безопасности. Одним из таких методов стала криптография. Специалисты планируют зашифровывать всю информацию, которая имеет непосредственное отношение к разработкам по синтезу ДНК. Это поможет ограничить доступ к важным данным, который получит только узкий круг лиц. Поможет ли это синтетической биологии отбелить свою репутацию? Время покажет.

#биология #наука #оон #безопасность