Жизнь на грани. Ваша первая книга о квантовой биологии - Джонджо МакФадден

Мы, разумеется, знакомы с подобными технологиями и всецело от них зависим, особенно в сфере сельского хозяйства и производства пищевых продуктов. Мы питаемся продуктами, которые являются результатом таких технологий: хлеб, сыр, пиво и вино получаются в результате переработки муки, молока, зерна и сока фруктов дрожжами и бактериями. Подобным образом весь современный мир пользуется неживыми результатами деятельности некогда живых клеток, такими, например, как ферменты, которые Мэри Швейцер использовала для расщепления кости динозавра. Похожие ферменты применяются для расщепления природных волокон и изготовления тканей. Кроме того, они входят в состав моющих и чистящих средств. Биотехнологическая и фармакологическая индустрия, в которую вложены миллионы долларов, выпускает сотни продуктов (в том числе антибиотики), защищающих нас от инфекций. В энергетической промышленности применяется способность бактерий превращать избыточную биомассу в биотопливо. Многие материалы, без которых невозможно представить современную жизнь, например древесина и бумага, некогда были живой материей, как и те топливные ресурсы, которыми мы обогреваем дома и заправляем автомобили. Даже в XXI веке мы всецело зависимы от тысячелетней технологии, основанной на жизни. Если у вас остаются какие-либо сомнения на этот счет, прочтите роман-антиутопию Кормака Маккарти «Дорога». В этой книге описывается суровый мир, в котором окажется человечество, беспечно уничтожившее технологии жизни.

Однако у существующих технологий жизни есть свои ограничения. Например, несмотря на невероятно высокую энергетическую эффективность некоторых стадий процесса фотосинтеза, о которых мы говорили выше, большинство из них эффективными не являются. В целом эффективность превращения солнечной энергии в химическую (это превращение мы применяем в сельском хозяйстве) очень невысока. Дело в том, что собственные планы растений и бактерий отличаются от тех планов, которые строим мы с вами. Например, они производят растения и семена — казалось бы, рутинная работа, не требующая особых энергетических затрат, но тем не менее невероятно важная для выживания этих организмов. Так, бактерии, участвующие в производстве антибиотиков, ферментов и лекарственных средств, также делают это весьма неэффективно, поскольку их собственная программа, опирающаяся на эволюцию, заставляет их тратить силы на «ненужную» деятельность, например на производство новых бактериальных клеток.

Можем ли мы создать жизнь, которая действовала бы по нашей программе? Разумеется, можем. Мы уже давно пользуемся результатом успешного одомашнивания человеком диких растений и животных: выращивание злаков и разведение домашнего скота тоже является технологией, основанной на жизни. Однако искусственный отбор, благодаря которому мы имеем растения с более крупными семенами и послушных животных, удобных для разведения, все же имеет свои рамки. Например, миллиарды долларов ежегодно тратятся на удобрения, восполняющие утрату почвой азота вследствие интенсивного использования ее в земледелии. Бобовые культуры, например горох, не нуждаются в азотных удобрениях, поскольку в их корнях живут бактерии, захватывающие необходимый растению азот прямо из воздуха. Эффективность сельского хозяйства значительно возросла бы, если бы мы сумели вывести и зерновые культуры, которые могли бы сами добывать себе азот из воздуха, как это делает гороховое растение. Однако пока злаки с таким полезным свойством вывести не удалось.

Тем не менее даже такое ограничение преодолимо, по крайней мере частично. Генетические манипуляции с растениями, бактериями и даже животными (генная инженерия) получили широкое распространение в конце XX века. В наши дни большую часть урожая основных сельскохозяйственных культур, например сои, мы получаем с генетически модифицированных растений, невосприимчивых к болезням и воздействию гербицидов. Современные ученые работают над внедрением в геном злаков генов, отвечающих за получение азота из воздуха. Современную биотехнологическую промышленность невозможно представить без генетически модифицированных бактерий, которые широко применяются для производства антибиотиков и других лекарственных препаратов.

И все же в этой сфере не обойтись без ограничений. Генная инженерия в основном занимается тем, что перемещает гены из одного вида живых организмов и растений в другой. Например, листья, но не зерна рисового растения содержат витамин A (бета-каротин), поэтому в одном из ведущих продуктов питания развивающихся стран мира едва ли найдется один из самых полезных витаминов. От витамина A зависит нормальное функционирование нашей иммунной системы и зрения. Его нехватка в самых бедных регионах планеты, где основным продуктом питания является рис, приводит к тому, что ежегодно в этих странах миллионы детей теряют зрение или умирают от инфекций. В 1990-х годах Питер Бейер из Фрайбургского университета и Инго Потрикус из Швейцарской высшей технической школы в Цюрихе внедрили в геном рисового растения два гена (один из генома нарцисса, другой — из бактерии), отвечающих за выработку витамина A, чтобы получить рис с высоким содержанием витамина A в зернах. Генетически модифицированный сорт «Золотой рис», как его назвал Бейер за золотисто-желтый цвет зерен, способен обеспечить детей развивающихся стран необходимым витамином A. Однако, несмотря на то что генная инженерия является довольно успешной технологией, она только начинает серьезные эксперименты с живой материей. Развивающаяся научная дисциплина — синтетическая биология — занимается разработкой революционных технологий на основе жизни, благодаря которым станет возможным появление новых ее форм.

Существует два взаимодополняющих подхода к синтетической биологии. О научном подходе «сверху вниз» мы уже упоминали, когда говорили о том, как известный генетик, пионер в области расшифровки генома Крейг Вентер создал так называемую синтетическую жизнь, заменив геном бактерии микоплазмы синтетической копией того же генома. Замена генома живого организма сопровождалась незначительными изменениями в последовательности генов, и все же новый организм был настоящей бактерией микоплазмы: своим вмешательством ученые не сильно повлияли на биологию бактерии. В ближайшие годы Вентер и его команда планируют внести в геном синтетического организма радикальные изменения, однако согласно научному подходу «сверху вниз» эти изменения будут вводиться постепенно, шаг за шагом. Команда Вентера не создала новую жизнь — они лишь модифицировали одну из существующих ее форм.

Второй подход в синтетической биологии — принцип «снизу вверх» — является более радикальным. В рамках данного подхода ученые отдают предпочтения не модификации уже существующих живых организмов, а созданию новых форм жизни на основе инертных химических соединений. Многие посчитают подобные эксперименты опасными и даже кощунственными. Осуществимы ли такие проекты? Что ж, живые организмы вроде нас с вами — это удивительно сложно устроенные механизмы. Чтобы понять принципы их действия, как и в случае с любыми другими механизмами, необходимо провести инженерный анализ и так называемое обратное проектирование. Впоследствии можно использовать выявленные принципы для построения более совершенных механизмов.

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.