Создание жизни по принципу «снизу вверх»
Сторонники принципа синтетической биологии «снизу вверх» мечтают о создании новых форм жизни, которые могли бы изменить наш мир. Например, одно из самых важных понятий для современной архитектуры — экоустойчивость: архитекторы проектируют экоустойчивые дома, офисы, заводы и целые города. И тем не менее, несмотря на то что современные здания и города часто характеризуются как «самодостаточные», их функционирование всецело зависит от усилий и навыков действительно самодостаточных существ — людей, способных поддерживать необходимые условия данных объектов: когда ветер срывает черепицу с крыши вашего дома, вы вызываете строителя, который забирается на крышу и покрывает ее новой черепицей; когда у вас протекает труба, вы вызываете сантехника; когда ломается ваш автомобиль, вы обращаетесь за помощью к механику. В сущности, человек до сих пор своими руками исправляет тот ущерб, который наносят его вещам, машинам, домам ветер, дождь и другие природные явления, в основе которых лежит знакомое нам хаотичное движение молекул, напоминающее движение беспорядочно сталкивающихся бильярдных шаров.
Жизнь устроена по-другому. Живые организмы способны поддерживать сами себя, обновляя, заменяя или «ремонтируя» поврежденные или изношенные ткани. До тех пор пока мы живы, мы действительно самодостаточны. Современная архитектура попыталась наделить многие знаковые здания, построенные в последние годы, определенными свойствами живых организмов. Например, башня Мэри-Экс, или «огурец», построенная в Лондоне в 2003 году по проекту Нормана Фостера, имеет уникальную поверхность из шестигранников, что позволяет небоскребу успешно выдерживать ветровые нагрузки. Такая особенность покрытия придает зданию сходство с морской губкой Euplectella aspergillum , известной также как цветочная корзиночка Венеры. Система кондиционирования воздуха, обеспечивающая вентиляцию и охлаждение здания Eastage Centre , построенного по проекту архитектора Мика Пирса в столице Зимбабве Хараре, устроена по принципу вентиляционной системы термитника. Рэйчел Армстронг, одна из руководителей исследовательской группы архитекторов AVATAR Гринвичского университета, придерживается еще более смелых взглядов — она считает возможным создание биометрической архитектуры и полностью самодостаточных зданий. Наряду с некоторыми другими архитекторами — мечтателями и единомышленниками, она увлечена идеей проектирования зданий из искусственно созданных живых клеток, которые будут способны сами поддерживать функционирование, устранять ущерб и самовоспроизводиться[190]. Подобные «живые» здания будут способны оценить степень ущерба, нанесенного им ветром, дождем или, скажем, наводнением, и, как любой живой организм, использовать внутренние ресурсы для самовосстановления.
Идеи Армстронг можно развить и подумать, как можно еще использовать свойства живых организмов в синтетической биологии. Материалы, созданные на основе жизни, можно использовать в протезировании, например в производстве искусственных конечностей и суставов, которые имели бы способность к самовосстановлению и защите самих себя от воздействия микробов, то есть обладали бы некоторыми важными свойствами живой ткани. Искусственные формы жизни можно было бы внедрять в человеческий организм, например, для поиска и уничтожения раковых клеток. Лекарственные препараты, топливо и продукты питания можно было бы создавать на основе синтетических форм жизни, не обремененных эволюционной историей. Можно также вполне серьезно говорить о будущем, в котором всю «черную» работу за людей будут выполнять живые роботы — андроиды. Они также могли бы заняться терраформированием Марса, созданием на красной планете условий для жизни людей, а также строительством космических кораблей, которые могли бы исследовать нашу Галактику.
Идеи создания синтетических форм жизни по принципу «снизу вверх» возникли еще в начале XX века, когда французский биолог Стефан Ледюк написал: «Подобно тому как синтетическая химия начиналась с искусственного создания простейших органических продуктов, синтетическая биология должна поначалу довольствоваться созданием форм, напоминающих низшие организмы»[191]. В главе 9 мы говорили о том, что даже современные «низшие организмы» — это сложнейшим образом организованные бактерии, состоящие из нескольких тысяч частей, которые невозможно синтезировать даже за очень длительный промежуток времени в рамках какого бы то ни было научного подхода. Жизнь, несомненно, начиналась с более простой формы, чем бактерия. Как мы уже говорили в этой главе, современные представления о нашем древнейшем предке связаны с молекулами самореплицирующейся ферментативной РНК (рибозимами) или белка, скопившимися в некоем пузырьке и таким образом сформировавшими простейшую клеточную структуру — протоклетку , способную к самовоспроизведению. Природа первых протоклеток, если они на самом деле существовали, остается полнейшей загадкой. Многие ученые полагают, что первые формы жизни сохранились в микроскопических порах древнейших пород (например, в горах Исуа, о которых мы говорили в главе 9), заполненных простыми биохимическими соединениями, способными поддерживать жизнь. Другие считают, что протоклетки представляли собой пузырьки или капельки биохимических соединений, связанных чем-то наподобие мембраны, плавающей в «первичном бульоне».
Большинство сторонников принципа «снизу вверх» черпают вдохновение из различных теорий происхождения жизни и пытаются создать живые протоклетки, способные выживать в искусственно созданном в лаборатории первичном океане. Возможно, простейший вариант такой протоклетки — пузырек или капелька масла в воде или, наоборот, воды в масле. Получить такую протоклетку несложно: вы и сами миллион раз ставили этот эксперимент, например заправляя салат маслом. Известно, что вода и масло не вступают в реакции, поэтому быстро отделяются друг от друга. Однако, если вы добавите к ним вещество, молекулы которого займут место между молекулами воды и масла (этим веществом — сурфактантом — может послужить, например, горчица), и хорошенько перемешаете все три компонента, у вас получится густая, однородная заправка для салата. На самом деле полученная смесь только на вид густая и однородная: в ее структуре сохраняются триллионы отдельных стабильных капелек масла.
Мартин Ханцик, профессор Университета Южной Дании, получил удивительно правдоподобные протоклетки из капель масла в воде, которые он стабилизировал при помощи синтетического компонента моющих средств. Его протоклетки имеют очень простую структуру и состоят в основном только из пяти соединений. Если соблюдать правильные пропорции, эти соединения самоорганизуются в маслянистые капельки. Химия таких капелек очень проста: подобные протоклетки приходят в движение благодаря конвекции (передаче тепла) и подобным химическим силам, благодаря которым масляные капельки объединяются в более крупные пузырьки. Они также характеризуются способностью к простейшей форме роста и самовоспроизведения. Протоклетки способны поглощать «сырье» из окружающей среды и распадаться на две части[192].
Сравнение протоклеток Ханцика с живыми клетками как бы вывернуто наизнанку: протоклетки характеризуются маслянистой внутренней средой, а окружает их водная среда. Большинство исследователей все же склоняются к созданию протоклеток с внутренней водной средой. Это позволит заполнить протоклетки готовыми биомолекулами, растворимыми в воде. Так, в ходе эксперимента, проведенного в 2005 году, генетик Джек Шостак заполнил протоклетки рибозимами РНК[193]. Как вы помните (из главы 9), рибозимы — это молекулы РНК, кодирующие генетическую информацию, как и ДНК, и обладающие ферментативной активностью. Команда ученых продемонстрировала, что заполненным рибозимами протоклеткам свойственна простейшая форма наследственности: они, как и протоклетки Ханцика, в конце концов распадаются на две протоклетки. В 2014 году группа исследователей под руководством Себастиана Лекоммандо (Университет Неймегена имени святого Радбода, Нидерланды) создала еще один вид протоклетки, многочисленные ячейки которой были заполнены ферментами, способными, как и живые клетки, поддерживать простейший метаболизм, передающийся от одной ячейки к другой[194].
Эти динамичные, химически активные протоклетки представляют собой удивительные, впечатляющие конструкты. Но являются ли они простейшей формой жизни? Прежде чем ответить на этот вопрос, нам необходимо сформулировать рабочее определение жизни. На первый взгляд, в определении должен присутствовать один из очевидных признаков живой клетки — способность к саморепликации, однако в некоторых случаях он не является обязательным. Большинство клеток взрослого организма, например красные кровяные тельца или нервные клетки, не реплицируются, однако они, несомненно, являются живыми клетками. Более того, некоторые люди, состоящие из миллиарда клеток, например буддийские монахи или католические священники, не заботятся (в большинстве случаев) о самовоспроизведении и все же являются очень даже живыми организмами. Итак, саморепликация, безусловно, является необходимой способностью для длительного существования любого вида живых организмов, однако она не представляет собой обязательное свойство жизни.
О другом свойстве жизни, еще более фундаментальном, чем самовоспроизведение, мы уже говорили, когда упоминали биомиметический подход в современной архитектуре: самодостаточность. Жизнь способна сама поддерживать себя в «живом состоянии». Таким образом, нашим минимальным требованием к протоклетке, созданной в лабораторных условиях в рамках синтетического подхода «снизу вверх», будет способность поддерживать жизнь в бурной термодинамической среде — тогда протоклетку можно будет классифицировать как живую.
К сожалению, согласно такому упрощенному определению ни одно из существующих поколений искусственно полученных протоклеток нельзя отнести к формам жизни. Даже протоклетки, способные на некоторые чудеса вроде простейшей формы репликации (деление на две части), производят дочерние клетки, которые на самом деле не похожи на клетки старшего поколения: в них содержится гораздо меньше компонентов (рибозимов или ферментов), поэтому на дальнейших стадиях репликации эти компоненты в конце концов растрачиваются полностью. Подобным образом, несмотря на то что протоклетки, полученные группой под руководством Лекоммандо, способны поддерживать метаболизм, свойственный простейшим живым организмам, их нужно постоянно заполнять активными биомолекулами, без которых протоклетки теряют самодостаточность. Существующие поколения протоклеток, полученных в лабораторных условиях, напоминают механические часы с заводным механизмом: они способны сохранять химическую активность при поддержке готовых ферментов и субстратов, пока запасы этих поддерживающих веществ не иссякнут. Затем под воздействием хаотичных ударов окружающих молекул структура протоклеток постепенно разрушается, их поведение становится все более случайным и беспорядочным, и в конце концов они растворяются в окружающей их среде. Таким образом, искусственные протоклетки, в отличие от живых, не способны «заводить» собственный механизм жизни.
Возможно, в протоклетках отсутствует какой-то важный компонент? Синтетическая биология — очень молодая дисциплина. Вполне вероятно, что в ближайшие десятилетия специалисты в этой области совершат немало новых открытий. В последней части нашей книги мы бы хотели поговорить о том, что квантовая механика может предоставить ту самую недостающую искру жизни, необходимую для того, чтобы искусственные формы жизни стали по-настоящему живыми. Создание синтетической жизни на основе квантовой механики могло бы предоставить человечеству не только революционно новые технологии и возможности, но и наконец дать подсказку, которая приведет нас к ответу на вопрос, который мы задавали на протяжении всей книги: что есть жизнь?
Мы, как и многие другие исследователи, считаем, что описание механизма жизни в рамках термодинамики является неполным, поскольку оно не учитывает способности живой материи управлять явлениями квантового мира. Мы уверены, что жизнь зависит от законов квантовой механики. Но правы ли мы? Как мы уже говорили, данное предположение едва ли возможно проверить с помощью современных технологий, поскольку мы не имеем возможности проникнуть в живую клетку так глубоко, чтобы отключать и снова включать действующий в ней квантовый механизм. Тем не менее мы выдвигаем гипотезу о том, что жизнь, естественная или искусственная, невозможна без тех таинственных свойств квантового мира, о которых мы говорили в этой книге. Единственный способ проверить нашу гипотезу заключается в том, чтобы создать синтетические формы жизни с квантовыми свойствами и, если это возможно, без них и проверить, какие из них являются более жизнеспособными.