Laboratorijoje sukurta nauja gyvybės forma, ir aušta sintetinės biologijos era.
O vis dėlto nebuvo nei pilies, nei perkūnijos, ir tikrai nebuvo kikenančio kuproto laboratorijos asistento. Tačiau Craigas Venteris, Hamiltonas Smithas ir jų kolegos iš tiesų padarė tai, ką Mary Shelley tik įsivaizdavo. Gegužės 20-ąją „Science“ puslapiuose jie paskelbė sukūrę gyvą padarą.
Kaip ir M. Shelley protagonistui, dr. C. Venteriui ir dr. H. Smithui, kad jų padaras atgytų, reikėjo kai kurių dalių iš negyvų kūnų. Bet skirtingai nuo Viktoro Frankenšteino padarui įkvėpti gyvybę jie galėjo ir be prometėjiško žaibo kibirkšties. Tą gyvybės pagrindą – DNR dalį, kurią sudaro apie 1000 genų, – iš masinės gamybos laboratorinių cheminių medžiagų jie padarė patys. Gautas pirmasis nuo padarų pradžios padaras, neturintis protėvio. Kas tai ir kaip jis gyvena, visiškai priklauso nuo J. Craigo Venterio instituto mokslininkų sukurto projekto, saugomo instituto kompiuteriuose Rokvilyje (Merilandas) ir San Diege (Kalifornija). Paaiškėjus, kad pirmasis iš šių dirbtinių padarų gali daugintis savarankiškai, prasidėjo dirbtinės gyvybės epocha.
Pranešimas itin reikšmingas. Bet nėra netikėtas. Siekti gyvą organizmą sukurti beveik nuo nulio C. Venteris panoro prieš 15 metų, ir jau dešimtmetį tai žinoma viešai. Kadangi praėjo tiek laiko, šios srities veikėjams maga pasakyti „parodykit ką nors, ko nežinojome“. Galų gale sintetinę DNR akademikai, biotechnikos įmonės ir netgi moksleiviai reguliariai įterpia į gyvus padarus. Tobulas artistas C. Venteris ir linkęs šešėlyje likti H. Smithas (nuotraukoje dešinėje) tiesiog tai padarė stambiu mastu.
Craigo dalių sąrašas
Bet jei tai efektingas reginys, jis gerai apgalvotas. Jis kur kas įtaigiau nei kas nors kita iki šiol rodo, kad gyvybės esmė yra informacija. Iki šiol tą informaciją vienas gyvas organizmas perduodavo kitam. Dabar tai nebūtina. Negyvai materijai gyvybę galima įkvėpti ir be žaibo, gyvybinės energijos arba Dievo. Ir ši nauja galia leis plačiu mastu manipuliuoti gyvaisiais organizmais. Ligi šiol genetinėmis modifikacijomis užsiimdavo praktikantai ir paprasti specialistai. O šis naujas žingsnis yra tikrąja to žodžio prasme šedevras. Tai įrodymas, kad praktikas įvaldė savo meną.
Kelionė meistriškumo link buvo ilga. Iš pradžių, nenorėdamas imtis sunkesnės užduoties nei būtina, C. Venteris surado patį mažiausią įmanomą gyvą padarą ir ėmėsi bandymų jį dar labiau sumažinti. Jis pasirinko Mycoplasma genitalium – genitalijose gyvenantį padarą. Turinti tik 485 genus, tai mažiausia žinoma savarankiškai gyvenanti bakterija. Tuomet jis vieną po kito naikino bakterijos genus, norėdamas pamatyti, be kurių ji gali gyventi, vildamasis sukurti dar mažesnį organizmą, kurį tuomet galėtų naudoti kaip modelį sintezei.
Tai buvo lyg ir aklagatvis. Nors paaiškėjo, kad Mycoplasma genitalium, bent jau patogiose laboratorinėse sąlygose, gali apsieiti be 100 genų – be jų visų iš karto apsieiti ji negalėjo. O ieškant, kurie mažesni genomai yra geriausi, praėjo nemažai laiko, nes Mycoplasma genitalium auga gana lėtai.
Be to, nebe taip svarbu buvo gauti labai mažą genomą. DNR sintezės metodai tobulėjo, ir tai atspindi jų vis mažėjanti kaina (žr. grafiką). Taigi C. Venteris pakeitė taktiką ir nutarė imti šiek tiek modifikuotą viso Mycoplasma genitalium genomo versiją.
Beveik tuo pačiu metu, 2003 metais, jis susintetino viruso Phi-X174 genomą iš vos 11 genų. Tai nebuvo pirmasis dirbtinis virusas: Niujorko valstijos universitete (Stony Brook) viena komanda metais anksčiau padarė poliomielito viruso kopiją. Bet jų versija buvo silpna, vos tegalinti veistis. Tuo tarpu C. Venteris sukūrė tikrą dalyką: virusinį DNR jam įterpus į ląsteles nešiotojas, šios pradėjo gaminti naujus virusus su tokia pat savęs naikinimo jėga, kaip natūraliu Phi-X174 užkrėstos ląstelės.
Iš esmės, stengiantis sukurti dirbtinę bakteriją, siekta didžiulį sintetinį genomą traktuoti kaip didžiulę Phi-X174 versiją ir ją naudoti užgrobiant ląstelę, iš kurios pašalintas visas jos DNR. Vienintelis skirtumas, kad šį kartą išeis ne daugiau virusų gaminanti ląstelė, o daugiau ląstelių gaminanti ląstelė. Užgrobtai ląstelei pasidalijus kelis kartus, visi jos ankstesnės esybės ženklai būtų sunaikinti: jos proproproanūkės būtų pavirtusios nauja rūšimi.
Genomą susintetinti pasirodė gana lengva. Jis buvo suskirstytas į „kasetes“ iš apytikriai 1 000 bazinių porų (bazinė pora – viena iš genetinių „raidžių“, sudarančių DNR). Joms sujungti naudota įprasta chemija. Tuomet komanda pagalbon pasitelkė mielių ląsteles, kad kasetes susietų tinkama tvarka, gaunant išbaigtus genomus.
Šiame etape būtinai reikėjo paruošti lavonus, o tai buvo kur kas kebliau. Nepakako paimti su Mycoplazma genitalium artimai susijusią bakteriją ir ištraukti jos DNR. Bakterijos turi apsaugas nuo virusų – chemines medžiagas, vadinamas restrikcijos enzimais, kurios svetimą DNR sukapoja. Šie enzimai (XX a. aštuntajame dešimtmetyje atrasti H. Smitho, už darbą gavusio Nobelio premiją) tūno lavone be DNR ir sintetinį genomą suskaldo šiam dar neatlikus savo darbo. Taigi paskutinis vingiuoto kelio etapas – sukurti bakterijų štamą be jokių restrikcijos enzimų genų, taigi, ir be pačių restrikcijos enzimų, kad komanda turėtų išgrynintą reakcijos indą, kuriame naujasis genomas galėtų užsiimti savo veikla.
Na, tai beveik paskutinis etapas. Problema, kad Mycoplasma genitalium tebeaugo lėtai, taigi komanda paėmė kitą bakteriją, pasirinkusi pirmosios pusseserę Mycoplasma mycoides. Jos DNR dvigubai didesnis, bet tai nebebuvo svarbu. Kad naujoji bakterija pastebimai skirtųsi, C. Venteris ir jo kolegos ištrynė 14, jų manymu, nebūtinų Mycoplazma mycoides genų ir pridėjo nuo nulio sukurtą DNR, atlikdami procesą, kurį C. Venteris vadina „žymėjimu vandenženkliais“.
Tai buvo proga pasilinksminti. Anot C. Venterio, vandenženklyje yra šifras su tinklalapio adresu ir trimis citatomis, jei pavyks išsiaiškinti, kaip tai iššifruoti. Tekstinėje vandenženklio dalyje bakterija pažymėta kaip priklausanti C. Venteriui, užkoduojant serijos numerį JCVI-syn1.0. (Regis, kol kas atsisakyta plano rezultatą pavadinti Mycoplasma laboratorium ir pasirūpinti, kad jis būtų pripažintas visiškai nauja rūšimi.)
Vandenženklis nėra tiesiog įmantrus parašas. Jei, nepaisant atsargumo priemonių, Frankenterija paspruks, pasitelkus paprastą DNR amplifikaciją, taikomą tikrinant genetinius atspaudus, bus galima nustatyti visiškai nekenksmingą jos buvimą bet kuriame mėginyje. Be to, ji galėtų į spąstus įvilioti vagis. C. Venter pateikė savo išradimą patentui (tikrai gana kontroversiškas veiksmas), taigi vandenženklis leis sekti tai, ką jis viliasi tapsiant jo įmonės „Synthetic Genomics“ nuosavybe.
Išbaigtą genomą įterpus į bakteriją be genomo, darbai grįžo prie tos mikrobiologijos, kurią žinotų ir šios mokslo srities pirmeiviai iš XIX a. Skysčio su jame esančiomis bakterijomis užlašinta ant agaro plokštelių. Atskiroms bakterijoms augant ir dauginantis ant agaro atsirado dėmių. Norėdami patikrinti, tyrėjai nustatė kai kurių tarpstančių dėmių DNR sekas (Mycoplasma genomas yra toks, kad šiuolaikinės sekų nustatymo priemonės jį gali nukopijuoti prieš išgeriant rytinę kavą). Kolonijų genomas iš tiesų buvo sintetinis. Šedevras gyveno.
Radikalizmas ir ribosomos
Tačiau C. Venteriui ant kulnų mina kiti paprasti specialistai. Ir kai kurie kitaip įsivaizduoja, kaip spręsti gyvybės kūrimo problemą, domėdamiesi dalykais, kuriuos C. Venterio „lavono užgrobimo“ būdas jam leidžia užglaistyti.
Minimalus genomas tai viena. Harvardo medicinos mokykloje Jackas Szostakas dirba siekdamas minimalios ląstelės, kurios komponentai gali būti ne itin panašūs į turimus bet kurios šiuolaikinės gyvybės formos. Dr. J. Szostakas domisi gyvybės kilme ir nori sukurti ką nors panašaus į tai, kaip jis įsivaizduoja ankstyviausius gyvybės laikus: reakcijos indą, kuriame savarankiškas cheminių reakcijų ciklas gali reprodukuotis.
Šiuolaikinėje ląstelėje, tarkime, bakterijoje, DNR instrukcijos perrašomos į giminingą molekulę, vadinamą RNR. RNR molekulės-kurjeriai jas perduoda struktūroms, žinomoms kaip ribosomos, kurios instrukcijas perskaito ir atitinkamai gamina baltymus. Visame procese dalyvauja ir daugybė baltymų, vadinamųjų enzimų, kurie veikia kaip reakcijų katalizatoriai.
Daugelis biologų, tarp jų ir J. Szostakas, mano, kad gyvybė turėjo paprastesnę ankstyvąją stadiją, kai įvairias užduotis, kurias dabar atlieka DNR, RNR ir baltymai, vykdydavo vien tik RNR. Net ir šiandien RNR molekulės nėra tik kurjeriai; jos taip pat gali paimti ir pernešti amino rūgštis – baltymų statybines medžiagas. Jos, kaip ir baltymai, gali būti reakcijų katalizatoriai. Taigi iš esmės RNR galėtų veikti ir kaip ląstelės genetinė medžiaga, ir kaip savarankiško formavimosi mechanizmas.
Jei ši idėja teisinga, ląstelę turėtų būti įmanoma sukurti naudojant tik viską vietose laikančią membraną, šiek tiek RNR, komponentus papildomos RNR gamybai ir energijos šaltinį. Tai galima gauti iš daug energijos turinčios molekulės ATP, kuri šiuolaikinėse ląstelėse naudojama, kai energiją reikia perkelti iš jos sukūrimo vietos į jos naudojimo vietą. J. Szostakas jau sukūrė grupę „ribozimų“ (taip šioje srityje vadinamos katalizinės RNR dalys), ir kai kurioms iš jų energiją tiekia ATP. Tačiau sistemos, galinčios kopijuoti save, jis dar neturi. Bet tai jo tikslas.
Jei tai įvyks, J. Szostako ląstelė gana ryškiai skirsis nuo biologams pažįstamos baltymais ir DNR pagrįstos gyvybės. Tam tikra prasme tai būtų didesnis laimėjimas už C. Venterio, nes būtų sukurta iš tiesų nuo nulio. Bet praktinė svarba būtų mažesnė, nes tas kažkas būtų labai primityvus netgi lyginant su bakterija.
O štai J. Szostako kolega iš Harvardo George’as Churchas svajoja sukurti kai ką itin praktišką, ką pamiršo C. Venteris – ribosomą. C. Venteris pasirinko trumpesnį kelią – aktyvuoti bakterijos lavoną, vadinasi, naujutėlaičiam padarui tenka pasikliauti savo mirusio nešiotojo ribosomomis, kad šios gamintų jo genomo nurodytus baltymus. Tačiau jis turi genus, leidžiančius gaminti savas ribosomas, ir laikui bėgant jis taip ir padarys, tirpdydamas palikimą, nuo kurio pradėjo. C. Venterio skaičiavimais, po 30 JCVI-syn1.0 pasidalijimų visi pradinės ląstelės pėdsakai bus dingę. Bet tai vis tiek reiškia, kad naujosios ląstelės, idant galėtų pradėti gyvenimą, pasikliovė senosios ląstelės genų produkcija.
G. Churchas nuo nulio kuria ribosomas – sudėtingus mechanizmus su tuzinais baltymų ir RNR komponentų. Jam visus RNR komponentus pavyko susintetinti taip, kad sumaišyti su natūraliais ribosomų baltymais jie suformuoja veikiančias ribosomas. Baltymus nuo nulio sukurti sunkiau, nes jų funkciją lemia jų forma, taigi neaišku, ar jis apskritai to imsis.
Nors jis mėgsta ką nors pasiekti pirmasis, G. Churchas daugiausia dėmesio skiria įrankiams kurti. Jo manymu, būtų galima specialiai kurti dirbtines ribosomas, kad šios suteiktų naujų galimybių biotechnologijai, pavyzdžiui, baltymams suteiktų produktyvumą, kuris pranoksta natūralų. Ir po viso to sambrūzdžio, teisėtai kylančio paprastam specialistui tampant meistru, tai yra galutinis taškas: praktinė kontrolė to, ką gyvybę galima priversti daryti.
Kitą atvirai praktinį požiūrį pasirinko Stanfordo universiteto tyrėjas Drewas Endy. Dr. D. Endy nori, kad genetinę informaciją ląstelės apdorotų naudodamos procedūrą, kuri panašesnė į vykstančią įprastuose kompiuteriuose. Kaip kompiuteriai surenkami iš elektronikos komponentų, kuriuos (bent jau prieš pasirodant integrinėms grandinėms ir silicio lustams) iš katalogo galėjo užsisakyti ir inžinieriai, ir entuziastai, taip ir D. Endy mėgina sudaryti komponentų, kuriuos jis vadina bioplytomis, katalogą. Iš sujungtų bioplytų būtų sudaromos naudingos biologinės „grandinės“. Sinteze užsiimantys biologai galės užsisakyti DNR juostas su bioplytų kodais ir jas sujungti, kaip jiems reikia.
D. Endy požiūris intriguoja. Jo planas „kitaip realizuoti“ gyvybę rodo inžinieriaus troškimą nesuvaldomą, milijardus metų bet kaip durstytą biologijos paveldą pakeisti dalykais, kurie suprojektuoti taip, kad atitiktų praktinį fiziko siekį. Dar pamatysime, ar tai suveiks. Bet ne toks radikalus požiūris į modulinį dizainą yra ir kito C. Venterio planų etapo esmė.
Amžinas sodininkas
Biotechnologija kartais gali priminti tą gana seną sąveikos su gamta formą – sodininkavimą. Ji nemenkai priklauso nuo genėjimo ir skiepijimo. Imantis genų vieno po kito, biotechnologijoje nuolat susiduriama su problema, kad gyvieji organizmai mėgsta eiti sava vaga, kad ir ko pageidautų jų „šeimininkai“ žmonės. Genėjimas biotechnologijoje reiškia, kad reikia šalinti polinkius, kurie gal ir praverstų laukiniam organizmui, bet sekina jo energiją ir medžiagų apykaitą, tolindami nuo vykdomos užduoties. O skiepijimas – tai naujų, iš kitur paimtų savybių įterpimas į gerai paruoštą pagrindą.
C. Venteris nori grįžti prie savo pradinės idėjos sukurti minimalų genomą, atliekant išties išbaigtą ir racionalų genėjimą, kad būtų galima kur kas kruopščiau nei kada nors anksčiau įskiepyti naujų dalykų. Dėl šios ambicijos jo darbas yra ne tik kvapą gniaužianti naujovė, o ir svarbus įvykis pereinant nuo biotechnologijos amato, kai genais manipuliuojama po vieną, prie sintetinės biologijos pramonės, siekiančios urmu keisti gyvuosius organizmus.
Regis, šia prasme C. Venteris, kaip ir išmintingi sodininkai, nesipriešina gamtai. Pastarąjį dešimtmetį paaiškėjo, kad bakterijos savaime palankios keičiamų dalių idėjai. Kiekvienas bakterijų rūšies arba rūšių grupės narys turi genų (šimtų arba kelių tūkstančių) pogrupį, paimtą iš fondo, kuriame daugybė tūkstančių. Taigi, lyginant daugybę skirtingų, bet susijusių bakterijų, galima pastebėti „esminę kompetenciją“, iš idėjos panašią į minimalų genomą. Siekiant sukurti naudingas bakterijas (tarkime, galinčias dideliais kiekiais gaminti tam tikrus vaistus), nuodugniu C. Venterio šaknų-skiepo būdu gal tiesiog sureguliuojama strategija, naudota jau 4 mlrd. metų, galbūt netgi grįžtant prie jos pagrindų.
Tačiau jis neplanuoja apsiriboti bakterijomis. Be minimalaus genomo laukia kitas iššūkis – visa tai pakartoti su vienaląsčiais dumbliais.
Gali pasirodyti, kad nuo vienaląsčių bakterijų iki vienaląsčių dumblių tik nedidelis žingsnelis. Bet dumbliai yra visai kitoje didžiosios gyvybę dalijančios linijos pusėje; linijos, kuri padarus su paprastu, vieninteliu genomu – tiesiog didele DNR kilpa ląstelėje, atskiria nuo tų, kurių genomai iš esmės yra izoliuoti jiems skirtame branduolyje ir padalyti į daugybę chromosomų. Šiai antrajai grupei priklauso gyvūnai, augalai, grybai ir dumbliai. Kad ir kaip gerbtume bakterijas, kurios stulbinamai išradingos ir neįtikėtinai ilgaamžės, branduolių keliais pasukę padarai kur kas įdomesni – ne mažiau ir dėl to, kad jiems priklauso pats Homo sapiens.
Tačiau dumbliai įdomūs dėl kitų priežasčių. Daugelis žmonių, įskaitant C. Venterį, juos nori naudoti gaminant biokurą. Iš atmosferos (o dar geriau iš elektrinės išmetamų dujų) gaunamą anglies dvideginį per fotosintezę jie paverstų benzinu arba dyzelinu. Kol kas beveik visi biokurą gaminantys mikrobai tam naudoja fermentaciją. Fotosintezė vyksta augaluose, tarkime, cukranendrėse, o cukrų kuru paverčia vienos ar kitos rūšies sukurti mikrobai. Naudojant dumblius, tarpininko nebereiktų.
Kas laukia ateityje?
Tačiau visa ši veikla pasikliauja vienu dalyku: kad DNR sintetinimo kaina ir toliau kris. Panašiai kaip garsiajame Gordono Moore’o kompiuterių tobulėjimo dėsnyje, ir DNR sekų nustatymo, ir DNR sudarymo kaina per pastarąjį dešimtmetį staiga nukrito. Pirmuoju atveju reiškia, kad pasaulinėse duomenų bazėse kaupiasi genai iš kiekvienos gyvybės medžio šakos. Antruoju atveju reiškia, kad tuos genus vis lengviau sukarpyti ir suklijuoti.
Jei sintetinė biologija taps technologija, tai ne tik gerai, bet ir būtina. Kuriant naujus, naudingus organizmus bus daugybė bandymų ir klaidų. Tikėtina, kad dirbtinės selekcijos varoma evoliucija pasirodys beveik tokia pat netaupi, kaip ir varoma natūralios selekcijos. Bet yra nerimaujančių dėl genų sintezės paplitimo. Minėdami kompiuterinių įsilaužėlių polinkį kurti tai, kas, remiantis analogija, praminta kompiuteriniais virusais, jie nerimauja, kad ateities įsilaužėliai gali pereiti prie sintetinės biologijos ir kurti realius virusus.
Be abejo, tokia rizika yra. Bet beveik visas technologijas galima naudoti ir blogiems, ir geriems tikslams. Taip pat, kaip pagal užsakymą galima kurti patogenines medžiagas, galima kurti ir vakcinas – ir ne per daug optimistiška manyti, kad noras daryti gera, dažnai valdomas troškimo užsidirbti, pritrauks kur kas daugiau žmonių nei tamsioji pusė. Jie galėtų sukurti naujų javų, naujų kuro rūšių, naujų būdų tyrinėti ligas ir naujų vaistų joms gydyti. Jie galėtų užsiimti ir kitais, nuostabesniais dalykais.
Už M. Shelley darbą naujesniame mokslinės fantastikos kūrinyje – Michaelo Crichtono „Juros periodo parke“ – sumanyta atgaivinti dinozaurus. Neišliko joks DNR, kuris leistų tai padaryti tiesiogiai. Bet gebėjimas kurti genomus, kartu kur kas geriau suprantant, kaip iš jų kilo sudėtingų organizmų struktūros, vieną dieną galėtų leisti kažką panašaus į tokius padarus sukurti pasitelkus sintetinę biologiją.
Bet kuriuo atveju, nors iš dinozaurų naudojimui tinkamos DNR neliko, kiti, vėliau išnykę padarai, buvo dosnesni. Tarkime, įsivaizduokite sintetinės biologijos sąjungą su anksčiau šiais metais aprašytu neandertaliečio genomu. Mintis jį palyginti su šiuolaikinių žmonių DNR, viliantis nustatyti esminius abiejų skirtumus, tikrai jaudina. Bet juk dar įdomiau sukurti neandertalietį ir jo paklausti.
O jei atrodo, kad tai sukels moralinių problemų, gal sudomintume mamutu?
