Крейг Вентер оглашает начало «синтетической жизни»

Мы здесь сегодня для того, чтобы объявить о первой синтетической клетке, создание которой началось с цифрового кода, на компьютере, далее – построения хромосомы из четырёх бутылочек химических веществ, конструирования хромосомы внутри дрожжей, трансплантации её в бактериальную клетку-реципиент и трансформации этой клетки в новый вид бактерии. Итак, это – первый на планете самовоспроизводящийся вид, родителем которого является компьютер. Это также первый вид с собственным сайтом, адрес которого закодирован внутри его генетического кода. Мы поговорим об этих «водяных знаках» через минуту.

Проект зародился 15 лет назад, когда наша группа – она называлась институт TIGR – занималась секвенированием первой в истории пары геномов. Первым был геном Haemophilius influenza а затем и самый маленький геном самовоспроизводящегося организма, геном Mycoplasma genitalium. И как только мы получили эти две последовательности, мы подумали: ведь если это – самый малый геном самовоспроизводящегося вида, может быть существует геном ещё меньшего размера? Можем ли мы понять основы клеточной жизни на генетическом уровне? Поиск ответа занял 15 лет и лишь сегодня привёл к начальной точке, дающей возможность отвечать на такие вопросы. Дело в том, что очень трудно удалить множественные гены из клетки. С ними можно работать лишь по одному. Ещё на ранней стадии решили, что пойдем по пути синтеза, пусть даже этим никто ранее не занимался, чтобы посмотреть, сможем ли мы синтезировать хромосомы бактерии, что позволит нам варьировать содержание гена с целью уяснить, какие же гены жизненно важны. Так начался поиск длиной в 15 лет, и вот мы здесь.

До того, как приступить к первым экспериментам, мы попросили группу Арт Каплана, в то время из Пенсильванского Университета, предпринять анализ возможных рисков, задач и этических проблем в связи с созданием нового вида в лабораторных условиях, поскольку это делается впервые. В течение двух лет они работали независимого друг о друга и опубликовали результаты в 1999 году в журнале Science. Я и Хэм [Hamilton Smith] два года посвятили параллельному проекту секвенирования генома человека, но как только это было закончено, мы вернулись к основной задаче.

В 2002-м году мы основали новый центр, Институт Биологических Альтернатив Энергии, нацеленный на две задачи. Первая: изучить влияние нашей технологии на окружающую среду и способы лучшего \понимания окружающей среды. Вторая: начать процесс создания так называемой синтетической жизни, с тем, чтобы понять основы жизни. В 2003-м году были опубликованы первые успешные результаты. Так, Хэмильтон Смит и Клайд Хачисон разработали методы производства безошибочных ДНК на малом уровне. Первой задачей был бактериофаг с кодом длины в 5000 букв, вирус, воздействующий только на кишечную палочку. Выбран был фаг ФХ174, в силу исторических соображений: это – первый ДНК фага, ДНК вируса, ДНК генома, который удалось секвенировать. Как только мы поняли, что можем создавать фрагменты вируса размером в 5000 пар оснований, мы подумали, что это – возможное средство для серийного производства таких фрагментов и, в конечном итоге, конструирования из них хромосом с огромным числом пар оснований. То есть, размера намного большего, чем мы изначально планировали.

Работа разбилась на несколько этапов. У проблемы было две стороны. Проблема химическая заключалась в создании больших молекул ДНК. Проблема биологическая состояла в том, чтобы понять, как, получив новую химическую единицу, можно «загрузить», активировать её внутри клетки-реципиента. Параллельно работали две группы. Одна занялась химической составляющей, другая пыталась трансплантировать цельные хромосомы с целью получения новых клеток. Вначале мы считали, что с синтезом будут самые большие проблемы, и потому мы выбрали самый маленький геном.

Кое-кто из вас, безусловно, отметил, что мы переключились с минимального генома на гораздо более крупный. Можно начать перечислять причины, но главная – в том, что с малой клеткой ждать результатов приходилось примерно полтора месяца, а с большой, быстро растущей клеткой, всего 2 дня. То есть, за год можно сделать не так много циклов, из расчёта по 6 недель на цикл. И ещё следует учесть, что в среднем 99% экспериментов, и даже больше, кончались неудачей. Да, с самого начала работа сводилась к отладке, к сценарию решения проблем, поскольку готового рецепта достижения цели не существовало.

Одной из наиболее важных наших публикаций была статья 2007 года. Кэрол Лартиг руководила работой по трансплантации бактериальной хромосомы с одной бактерии на другую. Я считаю эту работу, с философской точки зрения, одной из самых важных наших статей, так как в ней показано, насколько динамична жизнь. Мы знали, что, как только эта часть заработает, у нас появится шанс, при условии успешного создания синтетических хромосом, проделать с ними те же операции. Чего мы не знали, так это то, что этого нам придётся ждать ещё несколько лет.

В 2008-м году мы сообщили о полном синтезе генома Mycoplasma genitalium, содержащего чуть более 500 000 букв генетического кода, но нам до сих пор не удалось активировать эту хромосому. Мы думаем, что частично это связано с медленным ростом, а частично с тем, что у клеток имеется целый спектр уникальных механизмов защиты от подобных событий. Оказалось, что клетка, внутрь которой мы пытались трансплантировать, имела нуклеазу, фермент, который поглощает ДНК с поверхности, и тот был рад съесть синтетическую ДНК, которую мы поставляли, вот мы и не могли добиться трансплантации. На то время это была крупнейшая из когда-либо созданных молекул заранее определённой структуры.

Так что, обе группы продвигались, но, чтобы завершить работы в части синтеза нужно было, или можно было, использовать дрожжи: мы помещали в них фрагменты, которые дрожжи собирали для нас в одно целое. Само по себе, это потрясающий шаг вперёд, но тут возникала проблема оттого, что теперь хромосома бактерии выращивалась внутри дрожжей. И в дополнение к проблеме трансплантации, надо было придумать способ извлечения хромосомы бактерии из эукариотических дрожжей в форме, пригодной для дальнейшей трансплантации в клетку- реципиент.

Тогда наша группа разработала новую технологию выращивания, клонирования цельных бактериальных хромосом в дрожжах. Мы взяли тот же геном mycoides, который Кэрол ранее трансплантировала, и вырастили его в дрожжах, как искусственную хромосому. Мы считали, что создали прекрасный полигон для поиска возможности извлечения хромосом из дрожжей и их последующей трансплантации. Однако при проведении экспериментов, несмотря на то, что мы смогли извлечь хромосомы из дрожжей, трансплантировать их и активировать клетку никак не получалось. Решение этого маленького вопроса заняло два года.

Оказалось, что ДНК в клетке бактерии была фактически метилирована, а метиляция защищает её от эндонуклеазы рестрикции, от поглощения ДНК. Мы обнаружили, что если хромосому извлечь из дрожжей и метилировать, то её можно трансплантировать. Следующий успех - нашей группе удалось извлечь гены эндонуклеазы рестрикции из клетки-реципиента [грибка] capricolum. После этого уже мы могли извлекать чистую ДНК из дрожжей и трансплантировать её.

Прошлой осенью, когда мы опубликовали эти результаты в журнале Science, мы все были уверены, по-видимому, слишком уверены, что всего пара недель отделяет нас от возможности активировать хромосому из дрожжей. Из-за проблем с Mycoplasma genitalium и ее медленным ростомПринято полностью примерно полтора года назад мы решили синтезировать намного более крупную хромосому, хромосому mycoides, ввиду того, что мы уже решили биологические проблемы её трансплантации. Дэн руководил группой синтеза этой хромосомы, насчитывающей более миллиона пар оснований. Но ближе к концу оказалось, что это не так просто. Мы задержались на три месяца потому, что у нас оказалась одна ошибка на миллион пар оснований этой последовательности.

И тогда мы разработали новую программу отладки, с помощью которой можно тестировать каждый синтетический фрагмент на предмет того, не появляется ли фон из ДНК дикого типа. Мы установили, что из 11 сотен тысяч пар оснований, 10 сотен тысяч были абсолютно точными и совместимыми с жизнеобразующей последовательностью. Задача свелась к одному фрагменту. Мы его секвенировали и обнаружили, что была удалена 1 пара оснований в жизненно важном гене. Так что, точность жизненно важна. У генома есть отрезки, где он не терпит ни единой ошибки, и есть отрезки, куда можно вставлять огромные блоки ДНК. Что мы и сделали, поместив «водяные знаки» в тех зонах, где он игнорирует любые ошибки. Итак, потребовалось три месяца, чтобы найти и исправить ошибку. И одним ранним утром, в 6 часов, мы получаем SMS от Дэна [Daniel Gibson ] о том, что первая синяя колония уже живёт.

Мы долго шли к этому -- 15 лет, считая с самого начала. Мы считаем, что один из главных принципов этой области – совершенно точно удостовериться, что синтетическую ДНК можно отличить от естественной ДНК. С самого начала работ в новом научном направлении надо представлять себе коварные ситуации, когда ты думаешь, что получил какой-то результат, а на самом деле это не так, а ещё хуже ситуации, когда другие ошибочно так думают о тебе. Больше всего мы опасались ситуации, когда одной молекулы достаточно, чтобы создать дефективную модификацию родной хромосомы, из чего можно было бы заключить, что создана синтетическая клетка, в то время как создан был бы просто переносчик дефекта.

Поэтому уже на ранней стадии мы разработали системы маркировки ДНК с помощью «водяных знаков», которые абсолютно точно могут идентифицировать синтетическую ДНК. Для первой созданной нами хромосомы в 2008 году, той, что состоит из 500 000 пар оснований, мы просто подписались именами создателей этой хромосомы внутри генетического кода. Но там использовалась однобуквенная транслитерация аминокислот, а это делает часть алфавита недоступной. Наша группа создала новый код для кода внутри кода. Это – новый код для интерпретации и записи сообщений внутри ДНК. Так вот, математики уже давно запрятывали и записывали сообщения внутри генетического кода. Но было ясно, что делали математики, а не биологи, потому, что если писать этим кодом достаточно длинные сообщения, то с большой вероятностью это могло привести к синтезу новых белков с неизвестными функциями.

И вот Майк Монтегю и его группа разработали особый код, который вставляет с нужной частотой терминаторные кодоны. Получается другой алфавит, но он позволяет пользоваться английским алфавитом целиком, вместе со знаками препинания и цифрами. Итак, имеется 4 основных водяных знака суммарным размером свыше тысячи пар оснований. Первый содержит внутри себя этот самый код для интерпретации остального генетического кода. Оставшаяся информация водяного знака содержит имена 46 авторов и людей, сыгравших ключевую роль в доведении проекта до текущей стадии.. Туда также встроен адрес вебсайта, и если кто-либо расшифрует код для кода внутри кода, он сможет послать электронное сообщение на этот адрес. Ясно, что этим можно явно выделить такой вид среди всех других, с его 46 именами и собственным электронным адресом. Мы также добавили три цитаты. После создания первого генома нас критиковали за то, что мы не делали попыток сделать запись более глубокую, чем просто подписи авторов.

Остальную часть кода мы не раскроем, но я зачитаю три цитаты. Первая. [Перевод в стихах ©2010 NamikK] «Жить – значит: в поисках блуждать, упав, восстать, торжествовать, из жизни жизнь воссоздавать». «Жить – значит: в поисках блуждать, упав, восстать, торжествовать, из жизни жизнь воссоздавать». «Жить – значит: в поисках блуждать, упав, восстать, торжествовать, из жизни жизнь воссоздавать». Это взято из Джеймс Джойса. Вторая цитата: «Не то, что есть сегодня важно знать // А то, чем завтра это может стать» «Не то, что есть сегодня важно знать // А то, чем завтра это может стать» Эта цитата из книги «Американский Прометей» о жизни Роберта Оппенгеймера. Последняя цитата принадлежит Ричарду Фейнману: «Я не смогу до конца понять то, чего не могу создать». «Я не смогу до конца понять то, чего не могу создать». Поскольку это настолько же философское достижение насколько и техническое, мы пытались рассматривать и философские и технические аспекты.

Последнее, что хочу отметить перед тем, как перейти к вопросам – это та обширная работа, которую мы провели, запрашивая этические обзоры, раздвигая границы возможного в этом направлении, наряду с техническим, – все это широко обсуждалось в научном сообществе, в политических кругах, а также на высших уровнях правительства США. Сегодняшнее заявление, как и в 2003 году -- та работа финансировалась Министерством Энергетики -- изучалось на уровне Белого Дома на предмет того, засекретить ли результаты или опубликовать их. Вариант открытой публикации взял верх, и это – правильный подход. Мы информировали Белый Дом. Мы информировали членов Конгресса США. Мы старались продвигать вопросы политики параллельно с продвижениями в науке.

На этом я готов перейти к вопросам. Да, дальний ряд, пожалуйста.

Репортёр: Могли бы вы на понятном для неспециалистов языке объяснить, насколько значительным является это достижение?

Крейг Вентер: Могли бы мы объяснить, насколько это значительно? Наверное, нам не подобает заявлять о том, насколько это значительно. Для нас-то это весьма значительно. Вероятно, это есть колоссальное философское изменение в нашем взгляде на жизнь. Вообще-то, мы считаем, что сделан малюсенький шаг. Потребовалось 15 лет, чтобы только сейчас провести эксперимент, задуманный 15 лет тому назад, по изучению фундаментальных основ жизни. Мы верим, что создали очень мощную технологию. Уже идёт работа по многочисленным направлениям применения этой технологии.

В данный момент в Институте, при финансовой поддержке со стороны NIH [система НИИ при Минздраве США], работает, совместно с фирмой Novartis, программа по использованию технологии синтетической ДНК для потенциального производства вакцины от гриппа – вы сможете её получить, возможно, в следующем году. Те вещи, которые раньше требовали несколько недель и месяцев, Дэн и его группа теперь могут делать менее, чем за сутки. Вам известно, как долго пришлось ждать вакцины H1N1, и мы полагаем, что сможем этот процесс существенно ускорить. В области вакцин, компания Synthetic Genomics создаёт, вместе с Институтом, новую компанию, так как мы уверены, что эта технология поможет созданию вакцин против болезней, борьба с которыми на сегодняшний день была безуспешной – речь о тех ситуациях, когда эволюция вирусов идёт быстрыми темпами, как например, у риновируса [вызывает ОРЗ]. Насколько приятно было бы иметь средство предотвращения простуды! Или, что много важнее, ВИЧ, – тут эволюция вирусов настолько быстрая, что вакцина, созданная сегодня, не в состоянии угнаться за такими эволюционными изменениями.

В компании Synthetic Genomics мы также занимаемся глобальными проблемами экологии. Думаю, последнее нефтяное пятно в Мексиканском заливе послужит напоминанием. Углекислый газ нам не виден; нужно полагаться на научные измерения, и теперь мы видим первые результаты его переизбытка. Но нам сейчас видны элементы, предшествовавшие CO2, плавающие по поверхности и загрязняющие побережье Мексиканского залива. Нужны альтернативы нефти. Совместно с Exxon Mobil мы начали программу создания нового штамма водорослей, который смог бы с эффективностью извлекать углекислый газ из атмосферы или из источников его концентрации и создавать новые углеводороды, которые можно будет поставлять на нефтеочистительные установки и производить нормальный бензин и дизельное топливо из углекислого газа.

Вот лишь некоторые подходы и направления нашей деятельности

(Аплодисменты)