С развитием синтетической биологии человечество переходит от простого одомашнивания живой природы к ее полномасштабному инженерному перепроектированию. На мастер-классе Всемирного фестиваля науки (World Science Festival) профессор Стэнфордского университета Дрю Энди (Drew Endy) представил концепцию живой материи как программируемой платформы. По его мнению, в ближайшие десятилетия мир ждет новая технологическая революция, которая позволит заменить централизованные заводы распределенным выращиванием вещей и переведет человечество от эксплуатации планеты к гармоничному сосуществованию с ней.
🧬 От селекции к рекомбинантной ДНК: как зарождалась многомиллиардная индустрия 1:11
Человечество веками меняло окружающую биологию с помощью традиционной селекции. Дрю Энди демонстрирует изображения диких предков привычных нам продуктов: моркови, арбуза, баклажана, банана, брокколи и кукурузы. В своем первозданном виде кукуруза имела лишь несколько зерен и не обладала початком, а дикие бананы были полны жестких семян. Скрещивая организмы и отбирая нужные признаки, люди выступали в роли своеобразных художников. «Я сам создал эту прекрасную собаку, выбирая ее родителей на протяжении нескольких поколений», — делится личной историей Энди. Помимо этого, человек менял биологию, трансформируя саму среду ее обитания — например, вырубая джунгли под плантации масличных пальм.
Качественный скачок произошел около 40 лет назад, когда ученые открыли молекулярные механизмы, позволяющие «вырезать и вставлять» фрагменты ДНК для создания химерных молекул. Выданный в США в 1980 году знаменитый патент заложил основу технологии рекомбинантных ДНК. По данным исследователя Роба Карлсона, опубликованным в журнале Nature Biotechnology, сегодня объем биотехнологического сектора экономики США составляет от 300 до 400 миллиардов долларов в год. Основными драйверами роста стали биопрепараты (лекарства), промышленные ферменты и генетически модифицированные сельскохозяйственные культуры. Биоинженерия стала одним из самых быстрорастущих секторов, обогнав по объемам традиционную горнодобывающую промышленность.
Сегодня инженеры заставляют микробные клетки перерабатывать сахарный тростник в биотопливо или косметические крема. Энди приводит в пример работу своей супруги: в прошлом году ее команда внедрила в обычные пекарские дрожжи около 30 растительных ферментов, благодаря чему дрожжи начали синтезировать гидрокодон — мощное обезболивающее, которое обычно получают из опийного мака. Несмотря на потенциальные риски появления нелегального рынка, ученый подчеркивает гуманитарную значимость проекта: более 5 миллиардов человек на Земле не имеют доступа к базовым анальгетикам, включенным ВОЗ в список жизненно важных лекарств. Еще одним примером практического применения технологии стала разработка на Гавайях генетической «вакцины» для папайи, спасшей плантации от разрушительного вируса пятнистости колец.
💻 Перезагрузка цикла «дизайн — сборка — тестирование» 5:47
Главный вопрос, который стоит перед современными учеными: насколько далеко мы можем зайти в проектировании живой материи? Согласно стратегическому документу инженерной школы Стэнфордского университета, потенциал биоинженерии оценивается как «невероятно высокий». Энди считает, что ученые способны научиться проектировать живые системы с такой же точностью, с какой сегодня создаются мосты или компьютерные процессоры.
В качестве исторического ориентира биоинженеры используют опыт Линн Конвей и ее коллег из Массачусетского технологического института (MIT), которые в 1970-х годах разработали принципы проектирования сверхбольших интегральных схем (СБИС), совершив революцию в микроэлектронике. В 2003 году группа биоинженеров при поддержке агентства DARPA провела 18-месячное исследование с целью сделать биологию более предсказуемой и «инженерной». По результатам работы ученые рекомендовали модернизировать базовый инженерный цикл:
- Дизайн (Design): создание теоретической модели или прототипа.
- Сборка (Build): физический синтез биологической системы.
- Тестирование (Test): проверка работоспособности и отладка (дебаггинг).
По мнению Энди, для масштабирования этой индустрии необходимо внедрение трех фундаментальных инженерных принципов:
- Разделение труда через синтез ДНК. Проектированием системы должен заниматься архитектор (биоинженер), а физическим производством — специализированный подрядчик.
- Технические стандарты. Компоненты, созданные в одной лаборатории, должны быть совместимы с проектами других ученых для их многократного использования.
- Абстракция. Способность управлять сложностью биологических систем без необходимости держать в уме все низкоуровневые молекулярные механизмы.
Аналогию Энди находит в производстве микросхем из обычного песка. Никто не пытается собрать процессор из горсти песка, принесенного трехлетним ребенком с пляжа, поскольку природный материал требует глубокой очистки и стандартизации. Тот же подход, по убеждению спикера, применим и к живым клеткам.
💾 Цифровые переключатели и логические вентили внутри клеток 10:37
Чтобы доказать возможность создания биологического компьютера, Энди демонстрирует видеозапись 2008 года, на которой запечатлено заражение бактерий E. coli бактериофагом лямбда. Инфицированные клетки светятся зеленым цветом под флуоресцентным микроскопом. В то время как одна из клеток гибнет, разрываясь (лизируя) и высвобождая тысячи новых вирусов, другая зараженная клетка переходит в состояние покоя (лизогению), продолжая делиться. Для инженера такой выбор представляет собой классический цифровой исход: «ноль» или «единица».
Долгое время считалось, что выбор пути вирусом носит абсолютно случайный (стохастический) характер. Однако студент MIT Франсуа Сен-Пьер в ходе исследований обнаружил, что этот процесс детерминирован и напрямую зависит от размера клетки в момент заражения. Крупные бактерии лизируют в 16 раз чаще, что доказывает предсказуемость биологического переключателя.
Используя ферменты бактериофагов, команда Энди создала искусственный генетический элемент под названием «flippy» (перевертыш). Этот инструмент позволяет физически разворачивать определенный участок ДНК на 180 градусов, переключая сигнал «вперед» или «назад» и меняя цвет клетки с зеленого на красный. Ученые стали первыми, кому удалось заставить ДНК стабильно менять ориентацию неограниченное число раз.
Однако разработка далась огромным трудом: исследователю Жерому Бонне потребовалось три года работы и 700 неудачных вариантов дизайна ДНК, чтобы добиться точного срабатывания переключателя. Написание такой ДНК-последовательности Энди называет настоящим «произведением искусства», которое невозможно масштабировать вручную. Конечной целью ученый называет создание встроенных 8-битных счетчиков в клетках человека, способных считать до 256. Размещенный в каждой клетке тела, такой счетчик мог бы фиксировать количество делений, отслеживать старение органов и вовремя останавливать деление предраковых опухолей.
Развитием этой идеи стало создание «транскриптора» (transcriptor) — аналога полупроводникового транзистора. Ученые использовали терминатор транскрипции, который действует как обратный клапан для РНК-полимеразы, читающей ДНК. Поворот этого элемента позволяет управлять экспрессией генов. На основе транскриптора команда Энди всего за шесть недель смогла собрать все базовые логические вентили Джорджа Буля (включая вентили И и ИЛИ). Созданные конструкции работают как усилители: слабый входной сигнал (например, присутствие в организме фруктозы, мышьяка или маркеров воспаления) вызывает мощный выходной ответ.
🖨️ Экспонента синтеза ДНК и Олимпиада для биоинженеров 22:33
В основе всех этих достижений лежит технология синтеза ДНК «с нуля» из четырех базовых бутылей с нуклеотидами A, T, C и G стоимостью около 250 долларов каждая. ДНК-синтезатор работает подобно музыкальному синтезатору, где вместо нажатия клавиш задается текстовая последовательность букв.
Падение стоимости этой технологии происходит невероятными темпами. Энди приводит следующие данные: в начале его преподавательской карьеры стоимость синтеза одного базового фрагмента составляла 4 доллара за пару оснований, затем цена упала до 4 центов, а к 2016 году приблизилась к 1 центу. Столь стремительное удешевление сделало технологию доступной для массового использования.
Главной площадкой для молодых талантов стал международный конкурс iGEM (International Genetically Engineered Machines). Стартовав в 2003 году с группы из 16 студентов, сегодня это мероприятие собирает в Бостоне более 4000 участников из 300 стран, а общее число выпускников превысило 30 000 человек. Студенты получают стандартный набор биологических деталей (BioBricks) и создают собственные проекты с открытым исходным кодом.
Для объяснения темпов развития биотеха Энди обращается к истории киностудии Pixar. В середине 1980-х годов ее основатели дважды пытались запустить производство полнометражного 3D-мультфильма, но были вынуждены закрыть проекты, так как компьютеры оставались слишком медленными, а графика — дорогой. Опираясь на закон Мура, они точно рассчитали, что технологии созреют через пять лет, и в итоге выпустили культовую «Историю игрушек». Энди цитирует знаменитого хоккеиста Уэйна Гретцки: «Я еду туда, где шайба будет, а не туда, где она была». Но если на льду шайба замедляется из-за трения, то графики Карлсона (Carlson curves) показывают, что скорость чтения и записи ДНК растет по экспоненте, опережая даже закон Мура.
Среди необычных примеров применения синтетической ДНК спикер отмечает хранение данных: ученый Джордж Черч закодировал свою книгу в виде бинарного кода ДНК, а рок-группа OK Go записала на молекулярные носители свой музыкальный альбом. Крупные корпорации, такие как DuPont с более чем 200-летней историей, также переводят свои производственные цепочки на биологические рельсы.
🌳 Концепция «биологизации» промышленности вместо эксплуатации природы 32:39
Политики высшего ранга, такие как бывший министр науки Великобритании Дэвид Уиллетс (известный под прозвищем «Два мозга»), заявляют, что синтетическая биология способна «вылечить, прокормить и обеспечить топливом» все человечество. Государства выпускают масштабные дорожные карты по «индустриализации биологии».
Однако Дрю Энди признается, что эта формулировка его пугает. В качестве негативного примера промышленного подхода он демонстрирует снимок олимпийского парусного павильона в Пекине, полностью заросшего водорослями из-за сельскохозяйственных стоков. По его мнению, человечеству нужна не индустриализация биологии, а «биологизация» промышленности.
Энди приводит тревожную экологическую статистику: с момента его рождения в 1970 году население Земли удвоилось, в то время как популяция диких животных сократилась вдвое. Ученые констатируют наступление шестого массового вымирания видов, вызванного деятельностью человека: с 1900 года планета безвозвратно потеряла около 70 видов млекопитающих и более 400 других видов беспозвоночных.
Альтернативный подход к технологиям Энди иллюстрирует фотографией из Индии, где местные жители выращивают двухэтажные подвесные мосты из живых корней каучуковых деревьев. Такой мост растет десятилетиями, но со временем становится только крепче, поглощает углерод и требует не эксплуатации, а заботливого управления. Спикер напоминает, что земная биосфера — это готовая зеленая нанотехнология, которая ежесекундно поглощает 90 тераватт энергии за счет фотосинтеза, тогда как вся человеческая цивилизация потребляет менее 20 тераватт.
Целью новой науки Энди называет глобальный переход человечества:
«Я не хочу, чтобы мои дети росли простыми потребителями биотехнологий, я хочу, чтобы они были их гражданами. Наша главная цель — перевести человечество от жизни на Земле к жизни с Землей».
🧀 Сыр из микробиома философа и программируемые духи 38:20
Поскольку этот переход требует культурных изменений, Энди организовал программу арт-резиденций стоимостью 250 тысяч долларов от Национального научного фонда США (NSF), объединив художников и биологов.
Берлинская художница и специалист по запахам Сиссель Толаас совместно с микробиологом Кристиной Агапакис исследовали штаммы бактерий, формирующих аромат дорогих крафтовых сыров. Осознав, что человеческий микробиом (бактерии на нашей коже и в кишечнике) тесно связан с окружающей средой, они решили провести эксперимент. Вместо компьютерного анализа ДНК они буквально вырастили сыр из мазков, взятых с кожи сотрудников Гарварда.
Участники проекта создали 48 сортов сыра, включая:
- Сыр из бактерий с большого пальца ноги известного философа.
- Сыр из микрофлоры подмышек художницы Дейзи Джинс.
- Сорта из бактерий с рук и носов самих исследователей.
«Сыр из подмышек Дейзи пахнет великолепно — у него яркий цитрусово-цветочный букет, — иронизирует Энди, — а вот сыр из ноги философа получился настолько ужасным, что для его описания нужно придумывать новые прилагательные». Этот опыт перевернул представление ученого о фразе «мы то, что мы едим». Оказалось, справедливо обратное: «мы едим то, чем мы являемся». Рассказав об этом за ужином инвестору из фонда Fidelity, Энди ожидал, что тот потеряет аппетит, однако банкир сразу же разглядел в этом многомиллиардный рынок «знаменитых сыров» (например, камамбер от Барака Обамы).
Параллельно на конкурсе iGEM студенты создали проект «Eau de Coli». Они удалили из бактерий ген неприятного запаха индола и внедрили синтез метилсалицилата (запах грушанки) и изоамилацетата (запах банана). В результате логическая схема управляла ароматом колонии: во время роста бактерии пахли мятной свежестью, а при достижении готовности — спелыми бананами.
По мнению Энди, в будущем это позволит отказаться от централизованных парфюмерных фабрик. Через гипотетический сайт «iFumes» пользователи смогут за 99 центов скачивать генетические коды ароматов, распечатывать их на домашнем ДНК-принтере и наносить на кожу в виде живых программируемых духов.
💩 Проект Scatolog и компьютеры из сосновых шишек 45:37
Другая команда из Кембриджа разработала проект «Escherichia Chromie», научив бактерии вырабатывать разноцветные пигменты в зависимости от внешних условий. Совместно с Королевским колледжем искусств в Лондоне они создали концепт лечебного йогурта «Scatolog». Внедренные в йогурт биосенсоры должны отслеживать состояние кишечника. Если у человека начнется воспаление или дефицит витаминов, бактерии изменят цвет стула, сигнализируя о необходимости визита к врачу. Команда поставила на концепте дату — 2049 год, полагая, что именно к этому времени общество будет морально готово принять подобный продукт на рынке.
В финале лекции Дрю Энди делится математическими расчетами, сделанными в своем саду в Менло-Парке (Кремниевая долина). Каждое дерево ежегодно сбрасывает около 500 фунтов сосновых шишек и веток на человека, что для города с населением 32 тысячи жителей дает 16 миллионов фунтов биомассы в год, за утилизацию которой город платит огромные деньги. При этом вся мировая индустрия кремниевых микросхем производит около 1 миллиарда чипов весом в 1 грамм каждый, что составляет всего 2 миллиона фунтов материи в год. Мощность сосновых садов одного маленького городка в 8 раз превышает потребности планеты в материале для процессоров. «Как перепрограммировать сосну, чтобы она выращивала микропроцессоры вместо шишек? Пока я не знаю», — признается Энди.
Вместом этого предприниматель Фил Росс показал ему возможности использования грибного мицелия. На ферме Far West Fungi в Монтерее обычные опилки смешивают с ракушками устриц и заражают культурой грибов. В процессе переработки целлюлозы мицелий формирует прочнейшую матрицу. Из этого материала Росс уже выращивает прочные кирпичи, мебель, детские игрушки и даже полноценные чайные домики, блоки которых способны самостоятельно срастаться друг с другом при добавлении влаги. По прогнозам Энди, в ближайшие годы «грибные» материалы появятся даже на модных подиумах.
Синтетическая биология находится на пороге невероятного взлета. По мнению спикера, этот путь от первых экспериментов до полноценного управления живой материей займет от 20 до 50 лет, повторив компьютерную революцию, но с гораздо большей скоростью.
