Крейг Вентер на пороге создания синтетической жизни

Как вы знаете, я раньше уже рассказывал о некоторых подобных проектах. О человеческом геноме и о том, что это может значить, и об открытии новых наборов генов. Мы начинаем новое направление: мы пытаемся оцифровать биологию, и сейчас мы пытаемся перейти от этого цифрового кода к новой фазе биологии, которая проектирует и синтезирует жизнь.

Мы всегда интересовались глобальными вопросами: "Что есть жизнь?" - я думаю, многие биологи пытались это понять на разных этапах. Мы пробовали различные предположения, постепенно сокращая их до минимума. Мы занимаемся оцифровыванием информации уже на протяжении 20 лет. Когда мы разбили на последовательности человеческий геном, он перешёл из аналогового мира биологии в цифровой мир компьютеров. Сейчас мы задаёмся вопросом: «Возможно-ли воспроизвести или создать новую жизнь в этой цифровой вселенной?»

Это карта маленького организма, который называется микоплазма гениталиум, он имеет наименьший геном для вида, который может самовоспроизводиться в лаборатории. Мы пытались понять, сможем-ли мы получить ещё меньший геном. Мы можем разбить его на куски порядка сотни генов из порядка пятиста, которые изображены здесь. Но если посмотреть на его метаболическую карту, она относительно проста по сравнению с нашей. Поверьте мне, она проста. Но когда мы смотрим на все гены, которые мы можем убрать по одному, то понимаем, что возможно это не приведёт к образованию живой клетки. Таким образом, мы решили, что единственный путь - это создать такую хромосому, в которой мы могли-бы варьировать компоненты, чтобы ответить на фундаментальные вопросы. И мы начали с самого начала "Можем-ли мы синтезировать хромосому?" Позволит-ли химия создать эти действительно большие молекулы там, где мы никогда не были? И если да, то сможем-ли мы "запустить" эти хромосомы? Хромосома, кстати, - это только часть инертного химического материала. Так, наш темп оцифровывания жизни возрастал по экспоненте.

Наша способность записывать генетический код возрастает довольно медленно, но всё-таки возрастает. Самая последняя точка развития будет поставлена на экспоненциальной кривой прямо сейчас. Мы начали более 15 лет назад. Работа проходила в нескольких стадий, начавшись с обсуждения био-этических аспектов до того, как мы сделали первый эксперимент. Оказалось, что синтезировать ДНК очень трудно. В мире есть десятки тысяч машин, которые делают маленькие части ДНК, длиной от 30 до 50 символов. Но это дегенеративный процесс, то есть чем длиннее часть, тем больше в ней ошибок. Таким образом, нам нужно было создать новый метод для склеивания этих маленьких кусочков и исправления всех ошибок.

И это была наша первая попытка, начавшаяся с оцифровывания информации генома Phi X 174. Это маленький вирус, который убивает бактерии. Мы разработали части, исправили ошибки и получили молекулу ДНК размером примерно в 5000 символов. Самое интересное началось, когда мы взяли кусок этого инертного химического вещества и поместили его в бактерию, и бактерия начала читать генетический код, создавать вирусные частицы. Затем эти частицы начали освобождаться из клеток, они вернулись и уничтожили бактерию E. coli. Я недавно разговаривал с нефтепереработчиками, и они поняли эту модель.

(смех)

Они смеялись больше, чем вы.

Итак, мы думаем, что это та ситуация, где программное обеспечение фактически строит своё оборудование в биологической системе. Но мы хотели пойти дальше. Мы хотели построить целую бактериальную хромосому. Это более 580 000 символов генетического кода. Мы решили строить их в "контейнерах" размером с вирус, так, чтобы мы могли менять эти "контейнеры", чтобы понять, что является фактическим компонентом живой клетки. Разработка является очень важной, и если вы начинаете с цифровой информации в компьютере, эта информация должна быть очень точной. Когда мы впервые упорядочили этот геном в 1995 году, точность составляла одну ошибку на 10 000 базовых пар. При повторном упорядочивании мы нашли 30 ошибок. Если бы мы использовали начальную последовательность, то мы бы не смогли "запустить" эту хромосому. Часть этой разработки - это проектирование кусков длиной 50 символов, которые должны пересекаться со всеми другими 50-символьными кусками для создания меньших подгрупп, которые мы должны построить, чтобы потом их соединить. Мы разработали уникальные элементы.

Вы наверное читали, что мы поместили в него водяной знак. Представьте: мы имеем 4-х символьный генетический код: A, C, G и T. Триплекс из этих букв – это символьный код для приблизительно 20 аминокислот, а одна буква – это обозначение для каждой аминокислоты. Итак, мы можем использовать генетический код для записи слов, предложений, мыслей. Вначале, всё что мы сделали - была "матрица". Некоторые были разочарованы отсутствием в этом поэзии. Мы разрабатывали эти кусочки, так чтобы они могли быть "пережёваны" ферментами. Есть ферменты, которые восстанавливают их и складывают вместе. И мы начали делать кусочки. Начали с кусочков размером от 5 000 до 7 000 символов. Собрали их вместе так, чтобы получились кусочки в 24 000 символов, затем соединили их в 72 – х тысячные.

Мы выращивали эти кусочки в больших количествах, так, чтобы мы могли соединять их в любом порядке потому что мы старались создать наиболее устойчивую систему. Вы увидите это через минуту. Мы пытаемся автоматизировать этот процесс. Выглядит это как баскетбольное соревнование. Когда куски становятся большими - больше 100 000 базовых пар - они больше не растут в бактерии E. coli. На сегодняшний день - это предел возможностей молекулярной биологии. Мы стали искать другие пути. Мы знали, что существует механизм, называемый гомологичная рекомбинация, который используется в биологии для починки ДНК, с его помощью можно сложить куски. Вот пример этого. Это организм, называемый Deinococcus radiodurans, который выдерживает облучение до 3 миллионов рентген.

Как вы видите на верхней панели, его хромосомы фактически разлетаются в разные стороны. Через 12-24 часа он в том же состоянии, в котором был прежде. Есть тысячи организмов, способных на такое. Эти организмы можно полностью обезводить, они могут жить в вакууме. Я абсолютно уверен, что они могут жить в космосе, передвигаться, находить новые места для жизни, содержащие воду. В частности, NASA показала, что такого много.

Вот реальная микрофотография молекулы, которую мы построили, используя эти процессы - в сущности, используя механизм одноклеточных грибов с правильно построенными кусочками, которые мы туда помещаем. Одноклеточный гриб автоматически соединяет эти кусочки. Это не электронная микрофотография; Это обычная микрофотография. Такую большую молекулу можно разглядеть в слабый микроскоп. А это фотографии с 6-секундным интервалом.

Мы это опубликовали совсем недавно. Здесь более 580 000 символов генетического кода. Это самая большая молекула заданной структуры, когда-либо построенная человеком. Её молекулярная масса более 300 миллионов а. е. м. Если-бы мы распечатали её генетический код, используя фонт в 10 пиксел без пробелов, это заняло-бы 142 страницы! Только распечатать этот код. Как же нам "запустить", активизировать хромосому? Очевидно, довольно просто с помощью вируса. Гораздо труднее работать с бактериями. Проще также в случае с эукарио́тами, как мы с вами: можно просто вытащить ядро и заменить его другим, это как раз то, что делают при клонировании, о чем вы все, наверняка, слышали. У бактерии Археи — одноклеточный прокариот - хромосома является частью клетки, но мы недавно показали, что возможно пересадить хромосому из одной клетки в другую и затем активизировать её. Мы выделили хромосому из одного вида микробов. Грубо говоря, эти двое так-же далеки, как люди и мыши. Мы добавили несколько генов, чтобы мы могли выбрать эту хромосому. Мы разрушили её ферментами, чтобы убить все протеины. И мы были удивлены, когда поместив её в клетку, - вы безусловно оцените нашу сложную графику - новая хромосома стала частью клетки. В сущности, это уже неплохой результат, но мы решили пойти ещё дальше.

Вот это главный механизм эволюции. Мы нашли разные организмы, в которые удалось добавить вторую хромосому, или третью хромосому, извне, создавая тысячи новых генетических комбинаций этих организмов каждую секунду. Поэтому, люди, которые думают, что эволюция означает изменение одного гена в определённый отрезок времени, недооценивают биологию.

Есть ферменты, которые называются эндонуклеазы рестрикции, или рестриктазы, которые в сущности "переваривают" ДНК. Хромосома, которая прежде была в клетке, не имела его. А хромосома, которую мы внедрили в клетку - имеет. Этот фермент выделяется, распознаёт другие хромосомы как инородный материал, уничтожает его, и мы в результате получаем клетку только с новыми хромосомами. Она стала синей из-за генов, которые мы в неё поместили. И за очень короткий промежуток времени все характеристики данного вида были утеряны, и этот вид преобразовался в новый, согласно программе, которую мы заложили в клетку. Все протеины изменились, поменялись также и мембраны -- и когда мы прочитали генетический код, он оказался соответствующим нашей трансформации.

Это может показаться генетической алхимией, но мы можем, путём программирования ДНК, сильно изменять порядок вещей. Я утверждаю, что это не генезис -- этому предшествовали три с половиной миллиарда лет эволюции, и я думаю, что мы, возможно, стоим на пороге создания нового Кембрийского взрыва, результатом которого будет создание огромного количества новых спроектированных видов.

Зачем это делать? Я думаю, ответ вполне очевиден, если принять во внимание возрастающие потребности. За следующие 40 лет население увеличится с 6.5 до 9 миллиардов человек. Возьмём меня: я родился в 1946 году. В настоящее время, на каждого, родившегося до 1946 года, приходятся 3 человека, родившихся позже. Через 40 лет, отношение будет 1:4 Уже сейчас трудно накормить, обеспечить питьевой водой, лекарствами и топливом 6.5 миллиардов людей. Что уж говорить о 9 миллиардах. Мы используем более 5 миллиардов тонн угля, более 30 миллиардов баррелей нефти. Это 100 миллионов баррелей в день. Трудно даже представить себе биологические процессы или какие-то другие процессы, которые восстановили-бы все эти ресурсы. Кроме того, не нужно забывать про углекислый газ, который выбрасывается в атмосферу.

На сегодняшний момент, мы имеем базу данных из 20 миллионов генов, и я их воспринимаю как строительный материал для будующих разработок. В электронной индустрии существует дюжина или что-то около того, подобных базовых компонентов однако посмотрите на разнообразие результатов. Мы пока ограничены биологической реальностью и нашим собственным воображением. Благодаря такому быстрому синтезу, теперь у нас в руках есть технологии позволяющие заниматься так называемой комбинаторной геномикой. Мы можем построить большого робота, который будет изготовлять миллионы хромосом в день. Представьте: обработать эти 20 миллионов генов, или оптимизировать процессы производства октана или фармацевтического производства, новых вакцин, наша маленькая команда может сделать больше в молекулярной биологии, чем вся наука за последние 20 лет. И это стандартные направления. Мы можем контролировать выживаемость организмов, производство химикатов или топлива, создание вакцин и.т.д.

Это скриншот программного приложения, над которым мы работаем, и которое позволит проектировать новые виды с помощью компьютера. Мы не знаем, как эти новые виды будут выглядеть. Но что мы точно знаем - это их генетический код. Мы работаем над созданием топлива четвёртого поколения. Как вы знаете, недавние эксперименты по переработке кукурузы в этиловый спирт не дали хороших результатов. У нас есть топливо второго и третьего поколений, которое будет доступно довольно скоро. Оно получается посредством переработки сахара в более ценное топливо, такое как октан или бутанол.

Однако мы думаем, что единственный путь, где с помощью биологии можно достичь максимального результата без дальнейшего увеличения себестоимости пищи и ограничения ресурсов -это переработка углекислого газа в топливо, над проектированием клеток для чего мы и работаем. Мы надеемся, таким образом, получить топливо четвёртого поколения примерно, через 18 месяцев. Солнечный свет и углекислый газ - это один из методов -- (Апплодисменты) -- но наши исследования по всему миру дают много других методов.

Есть такой организм, мы его описывали в 1996 году, он живёт глубоко в океане, на глубине порядка полутора миль, почти при температуре кипения воды. Этот организм преобразует углекислый газ в метан, используя молекулярный водород в качестве источника энергии. Мы пытаемся понять, возможно-ли преобразовать собранный углекислый газ, который легко можно передавать по трубам, обратно в топливо, с помощью этого процесса.

Таким образом, мы надеемся, что в скором будующем, мы сможем ответить на основной вопрос "Что такое жизнь?" На самом деле, у нас очень скромные цели -- просто заменить всю нефте-перерабатывающую индустрию.

(Смех) (Апплодисменты)

Где-же ещё можно это сделать, как не на TED'е?

(Смех)

Стать основным источником энергии. Мы также работаем над инструментами для немедленного производства вакцин. Вы, конечно, наблюдали ситуацию с гриппом в этом году нам, как всегда, не хватает времени и денег на нужные вакцины. я думаю, это можно исправить посредством построения комбинаторных вакцин в будующем. Так может выглядеть будующее если поменять эволюционное дерево сейчас, ускорить эволюцию с помощью синтетической бактерии Археи, а также, позже, и эукариотов. Мы ещё далеки от доработки людей. Наша цель - лишь сделать всё, что в наших силах, чтобы иметь шанс дожить до того времени, когда это будет возможно. Спасибо за внимание.

(Апплодисменты)