Перспективы синтетических клеток

Ученые добились значительного прогресса в реализации давней мечты — создании целой клетки из неживых молекул и материалов.

Такие синтетические (или "инженерные") клетки будут вести себя аналогично клеткам нашего тела, но при этом будут иметь встроенные механизмы, обеспечивающие безопасность и этичность. Их изучение может изменить наше понимание законов жизни. Их также можно будет использовать для манипуляции живыми организмами и достижения поразительных прорывов в медицине и науке.

В 2010 году Институт Дж. Крейга Вентера объявил о создании первой "самовоспроизводящейся синтетической бактериальной клетки", содержащей геном, синтезированный вне клетки и затем трансплантированный в нее. Клетка смогла делиться и воспроизводиться согласно инструкциям новой ДНК.

С тех пор исследователи стали еще более амбициозными, стремясь синтезировать другие клеточные компоненты и построить целую клетку с нуля.

"Мы ближе, чем когда-либо прежде", — заявила физик Национального института стандартов и технологий (NIST) Элизабет А. Стричальски. Стремление создать синтетическую клетку с нуля — "это возможность, которая, если не на пороге, то, возможно, уже в почтовом ящике".

Большая часть недавнего прогресса основана на технологических достижениях, сделавших синтез длинных цепочек ДНК в лабораториях проще и дешевле.

Ученые во всем мире также разработали изобретательные методы получения базовых версий мембран, митохондрий и других клеточных компонентов. Используя новые методы манипуляции крошечными объемами жидкости, они начинают заставлять эти синтезированные части клеток взаимодействовать и общаться.

В NIST исследовательская группа Стричальски помогает установить измерения и стандарты, лежащие в основе дальнейшего прогресса в инженерной биологии (также называемой синтетической биологией).

NIST также сотрудничает с Институтом Дж. Крейга Вентера над проектом "минимальной клетки" — упрощенной синтетической клетки. Вместо множества синтетических частей и компонентов синтезируется только ее геном. По словам Стричальски, минимальная клетка поможет исследователям достичь "святого Грааля — понимания того, что делает каждый отдельный ген в человеческой клетке".

Как мы поймем, что создали синтетическую клетку с нуля?

Вероятно, она будет обладать некоторыми важными свойствами: способностью к репликации, метаболизмом и определенной внутренней организацией или компартментализацией. Некоторые свойства, такие как способность реагировать на стимулы окружающей среды и двигаться, возникают при сборке компонентов клетки.

Потребуем ли мы, чтобы наша синтетическая клетка имела все или только некоторые из этих свойств? Это открытый вопрос, который будет зависеть от ее применения. Но, безусловно, все эти атрибуты в конечном итоге хотелось бы включить.

Как такие клетки можно использовать для лечения болезней?

Многое из того, что делает людей больными, можно проследить до неправильной работы клеток.

Представьте, что клетки взяты в капсулу, и мы запрограммировали их чувствовать определенное болезненное состояние. Это может быть отравление вредными бактериями или неспособность организма производить определенный белок.

Синтетические клетки могли бы это исправить, например, уничтожив вредные бактерии или помогая организму производить все необходимые молекулы, чтобы избежать болезни.

Роль синтетических клеток в исследовании космоса

Одно из захватывающих преимуществ создания синтетических клеток — возможность задуматься о системах, которые были бы гораздо лучше приспособлены к космической среде, будь то космический корабль или поверхность другой планеты.

Также есть огромные возможности использовать клетки как фабрики для производства продуктов, лекарств, строительных материалов, пищи или всего необходимого в условиях ограниченных ресурсов. Прелесть синтетических клеток в том, что вам не нужно увозить с поверхности Земли много клеток, чтобы вырастить их в космосе, где они могут понадобиться в большом количестве.

Можем ли мы синтезировать клетки, исследующие биологическое разнообразие за пределами существующего в природе?

Мы изучаем клетки, которые эволюционировали на Земле. Мы не знаем, насколько то, что мы видим сейчас, было обязано случиться именно так и не могло произойти иначе.

Как мы можем вернуться в лабораторию, отмотать время назад и посмотреть на другие возможности?

Например, нуклеиновые кислоты в ДНК состоят из четырех оснований — аденина (A), тимина (T), гуанина (G) и цитозина (C). В лаборатории можно создать дополнительные основания, которых нет в природе, и они, кажется, работают так же хорошо.

Как обеспечить этику и безопасность?

Крайне важно, чтобы каждый имел право голоса в том, как мы развиваем эти технологии, как их используем и у кого есть к ним доступ.

Сейчас у нас есть возможность заложить безопасность изначально, а не оглядываться назад и пытаться добавить ее позже. Поэтому я большой сторонник подхода, начинающегося с мышления о безопасности.

Например, как обеспечить, чтобы синтетические клетки не могли расти за пределами отведенного для них места? Можем ли мы встроить в синтетические клетки "выключатели"? Когда они покидают ваше тело, они могут почувствовать разницу температур, что запустит стрессовый ответ и приведет к их гибели.

Еще одна необходимая вещь — надежные скрининговые меры, чтобы гарантировать, что люди, заказывающие синтетические фрагменты ДНК или синтетические клетки, не заказывают те, что могут быть вредоносными.

О роли NIST во всем этом

Мне нравится рассматривать создание синтетических клеток с точки зрения контроля. Исследователи пытаются контролировать функции этих систем и делать это безопасно.

Для такого контроля необходимо уверенно и количественно измерять, что делает система. Иначе как мы узнаем, что она выполнила задуманную функцию?

Мы также думаем о способах, с помощью которых эти синтетические клетки сами смогут проводить измерения. Речь идет о создании биомолекулярных цепей для проведения измерений и даже вычислений внутри живых систем.

Что мотивирует вас в исследованиях?

Мы находимся в разгаре биотехнологической революции. Перед обществом стоят реальные проблемы, и для их решения нам нужны биотехнологии.

Это также вопрос открытий. Как только мы поймем, как создавать синтетические клетки с нуля, мы сможем лучше понять, что значит быть человеком.