чек. Каждый такой фрагмент (называемый прочтением последовательности) затем можно сопоставить (наложить) с участками известных геномов других видов, уже присутствующих в базах данных по ранее секвенированным геномам. Это позволяет количественно оценить, насколько много организмов того или иного типа попало в образец. Также можно осуществить сборку коротких прочтений de novo (с нуля) и составить из них более длинные прочтения. Принцип во многом напоминает сборку пазла. Именно так удобнее всего исследовать организм, который не выращивается в нормальной бактериальной среде. Можно даже найти организмы, ранее не попадавшие ни в какие реестры.
Секвенирование нового поколения уже показало, что у бактерий, развивающихся на орбите, повышена вирулентность, резистентность к антибиотикам, они лучше образуют биопленки и даже толстеют. В 2016 г. благодаря работе Луиса Зеа, Шона Леви и их коллег удалось показать, как меняются (а именно становятся разнообразнее) типы маркеров резистентности к антимикробным препаратам и пути экспрессии генов у бактерий в результате космического полета. Это явление охватывало целый спектр биохимических путей, в том числе синтез белков, связывание нуклеиновых кислот и обмен веществ. Как и ожидалось, МКС является экстремальной средой для микроорганизмов, поэтому они испытывают сильное давление отбора.
Полунеизвестность
Изучив микроорганизмы, обитающие на МКС, доктор Венкатесваран обнаружил у них высокую изменчивость: некоторые особи могли показаться представителями совершенно нового вида, так как фрагменты их ДНК не совпадали ни с какими известными геномами. Но само по себе это нельзя назвать необычным. Когда в 2015 г. наша группа проанализировала генетическую информацию микроорганизмов, собранных в нью-йоркском метро, а потом в 2021-м повторила анализ в глобальном масштабе, оказалось, что ~50 % отсеквенированной ДНК выглядело как совершенно новая и ранее не встречалась. Примерно такие же цифры получил и генетик Крейг Вентер, секвенировавший методом дробовика микрофлору Саргассова моря. Таким образом, главной причиной загадочной изменчивости ДНК на борту МКС следует считать вовсе не пришельцев, а неполноту существующих справочных баз данных. Учитывая, что, по оценкам, на Земле в 2020 г. обитал примерно триллион видов живых существ, а мы располагаем 100 000 справочных геномов (на которые можно ориентироваться), остается лишь удивляться тому, что нам вообще удается идентифицировать те организмы, которые обнаружили.
По мере того как мы секвенируем все больше и больше геномов из разных экосистем по всему миру, «неизвестных» фрагментов ДНК становится меньше. В 2020 г. один новый вид бактерий с МКС даже был назван в честь Кейт Рубинс (Kineococcus rubinsiae). Тем не менее доля неизвестных последовательностей никогда не сократится до нуля – всегда найдется последовательность, которая ранее не попадалась. Дело в том, что жизнь не стоит на месте, и особенно это касается бактерий и вирусов, поколения которых сменяются за считаные минуты. Следовательно, стоит только создать каталог всех видов живых существ, обитающих на Земле, и через несколько минут он будет неполным.
Однако это не означает, что нужно прекратить поиск новых неизвестных. Чтобы подступиться к нашей инициативе по защите планет, необходимо проанализировать все фрагменты ДНК, которые мы сможем найти на космических аппаратах (кстати, именно этим мы и занимаемся). Благодаря работе Венкатесварана, Смита и других сотрудников Лаборатории реактивного движения секвенирование методом дробовика и выискивание микроорганизмов на космических кораблях превратились в стандартную практику оценки прямого загрязнения. Затем эти данные сравниваются с общим списком всех секвенированных последовательностей ДНК на Земле. Это позволяет определить, какой биоматериал вообще существует и что может быть случайно занесено в космос при следующей экспедиции.
Пока результаты однозначны. Мы вне всяких сомнений загрязнили Марс, а возможно, и другие планеты. Хотя «бионагрузка» межпланетных миссий была низкой, она никогда не снижалась до нуля. Это касается и спускаемых аппаратов «Викинг», достигших Марса в 1970-х гг. Для Марса данная проблема стоит особенно остро, поскольку там бушуют глобальные пыльные бури, которые уже могли подхватить и разнести инородную биомассу по всей планете. В целом не приходится надеяться, что мы сможем сохранить девственно чистыми какие-либо регионы Марса. Если мы и найдем там местную жизнь, то она должна будет кардинально отличаться от всего существующего на Земле, чтобы уверенно считать эти организмы исконно марсианскими.
В других случаях мерам планетарной защиты уделялось гораздо больше внимания. В 2003 г. мы намеренно пожертвовали спускаемым аппаратом «Галилео», позволив ему сгореть в атмосфере Юпитера ради полной стерилизации. Точно так же исследовательский зонд «Кассини» был намеренно сожжен в атмосфере Сатурна во избежание прямого загрязнения. Иногда сгорание зонда – наилучшее решение таких проблем.
Корни синтетической биологии
Допустим, мы обнаружили на другой планете живой организм и уверены, что он не с Земли. Как он будет выглядеть? На самом деле мы не знаем этого, поскольку в своих представлениях о жизни опираемся на информацию о всего одной – земной – биосфере. К тому же наши представления об определяющих свойствах жизни продолжают меняться по мере того, как мы открываем на Земле все новых экстремофилов и делаем успехи в развитии синтетической биологии.
Синтетическая биология – относительно новая научная дисциплина. Даже (казалось бы, очевидная) идея о том, что работа клеток регулируется на уровне модульных молекулярных сетей, была сформулирована только в 1961 г. Франсуа Жакобом и Жаком Моно, изучавшими кишечную палочку (E. coli). Способность E. coli извлекать энергию из лактозы (например, содержащейся в молоке) обусловлена лактозным опероном, группой генов с общим промотором[21].
Такой генетически управляемый переключатель «вкл./выкл.» позволил Жакобу и Моно предположить, что все генетические функции работают по тому же принципу, что и программируемые схемы в компьютере. В 1970-е и 1980-е гг. синтетическая биология развивалась благодаря молекулярному клонированию. Как только появилась возможность вырезать и составлять фрагменты ДНК при помощи ферментов-рестриктаз, мы стали модифицировать генетический код различных организмов и даже комбинировать генетический материал, взятый от разных видов. В начале 1990-х гг. были секвенированы геномы многих живых существ, в том числе Haemophilus influenzae, Saccharomyces cerevisiae и, наконец, E. coli. Это открыло путь к сравнительной геномике, которая занимается поиском и сравнением фрагментов геномов, а также их аннотированием и анализом.
В 2000 г. началось создание синтетических генетических схем и их «пересадка» в другую живую систему. В 2002 и 2003 гг. такие схемы удалось внедрить в E. coli, благодаря чему впервые были получены бактерии для производства лекарственного препарата (артемизинина). Эти эксперименты открыли совершенно новый путь к синтезу буквально любых терапевтических малых молекул. Тем не менее процесс был нетривиальным, медленным и трудоемким. Чтобы препарат мог использоваться клетками человека, почти все молекулы необходимо синтезировать и достраивать в несколько этапов. Как и многие другие биотехнологии, о которых шла речь выше (например, оптимизация кодонов), данная технология также требовала доработки через инновации.
Чтобы стимулировать развитие, с 2004 г. стали проводиться международные конкурсы по генной инженерии и биотехнологиям iGEM, в которых участвовали старшеклассники, студенты и аспиранты. Участники iGEM стали пионерами в разработке стандартов, технологий и программных пакетов для синтетической биологии. В частности, был создан стандарт передачи данных по синтетической биологии SBOL. Даже концепция этой книги (10-этапный план на 500 лет) появилась в 2011 г. как пост в «Википедии» для iGEM-команды генетической лаборатории Мейсона в медицинском колледже Вейля при Корнеллском университете.
Еще одна инициатива, запущенная в 2004 г. для стимулирования сотрудничества, – Международная конференция по синтетической биологии (SynBio 1.0), объединяющая множество дисциплин, относящихся к инженерным наукам, генетике, химии, физике, электротехнике и проектированию. Истинным испытанием для синтетической биологии стал вопрос, сможем ли мы модифицировать элементы клеточного генома или вставить в него фрагменты чужеродного генома, а затем точно предсказать, как это скажется на геноме хозяина. Дрю Энди, биолог, работавший сначала в Массачусетском технологическом институте, а затем в Стэнфорде, назвал эти интегрированные участки «биокирпичики». Так появился реестр стандартных биологических частей, активно поддерживаемый до сих пор и позволивший сформулировать множество гипотез о том, какой генетический материал можно передавать от вида к виду.
Многие идеи, зародившиеся на этих первых встречах, очень скоро воплотились в реальность. В 2006 г. появилась первая бактерия, которую методом генной инженерии заставили вторгаться в раковые клетки. В 2007-м был получен первый бактериофаг, который мог контролировать образование биопленок. В 2008 г. появились многообещающие образцы биотоплива, полученные с использованием E. coli.
Минимальный набор для жизни
В 2010 г. мы достигли еще одной вехи в истории синтетической биологии. Впервые с нуля был химически синтезирован полноценный геном. В статье с многозначительным названием «Создание бактериальной клетки, контролируемой химически синтезированным геномом» было показано, что можно собрать полностью синтетический геном из простых нуклеотидов, поместить его в клетку и активировать новую жизнь. Как и в случае с экзоматками, это был один из последних гвоздей в крышку гроба «витализма» и даже «неовитализма». К 2012 г. Джеф Боке смог синтезировать целые плечи дрожжевых хромосом, а в 2013-м была создана генетически модифицированная