E. coli, у которой 4288 генов, которая делится каждые 20–30 минут и в которой происходит гораздо больше молекулярных взаимодействий, каждое из которых еще больше удлинило бы время, нужное для проведения имитации. Можно представить, насколько трудным окажется создание виртуальных версий еще более сложных, эукариотических клеток.
Предстоит еще многое узнать о живых организмах, чтобы понимать, как линейная программа разворачивается в трехмерный мир клетки. Важный шаг в этом направлении был сделан другим ученым из Стэнфорда, Люси Шапиро. Ее биография необычна: она пришла в науку из высокого искусства и занялась биологией развития, сосредоточившись на асимметрично устроенной пресноводной бактерии Caulobacter crescentus. В 2001 году моя команда сотрудничала с Люси при прочтении генома Caulobacter, 4 016 942 пары оснований которого кодируют 3767 генов{201}.
Работа Люси Шапиро продемонстрировала, что бактерии – это не просто бесструктурные мешочки с белками: у них есть четко выраженные внутриклеточные отсеки со специфичными белковыми роботами, занимающими особые места в организации сложных биохимических процессов, таких как клеточный цикл и деление. Шапиро впервые выявила, что репликация бактериальной ДНК пространственно организована и что деление клеток зависит от этой организации и от расхождения двух образовавшихся молекул ДНК к противоположным концам клетки. Ее команда также доказала существование ведущих генетических регуляторов клеточного цикла. Например, регуляторный ген, участвующий в построении жгутика (выроста в виде бича, позволяющего организму плавать), жизненно необходим и для клетки в целом. Они обнаружили, что события жизненного цикла бактерии, ранее изучавшиеся как изолированные, на самом деле связаны общими регуляторами. Всего один такой регулятор управляет активностью 95 других генов. Применив более совершенную версию той методики, которую мы отработали на микоплазме, Шапиро каталогизировала до последней буквы те части генома, что были необходимы для выживания Caulobacter crescentus, – около 12 % генетического материала бактерии. К необходимым элементам относятся не только гены, кодирующие белки, но также регуляторные участки и, самое интересное, 91 небольшой сегмент ДНК с неизвестными функциями. Прочие 88 % генома можно разрушать, не лишая бактерию способности к росту и размножению{202}.
Будущее биологических исследований будет основано в огромной степени на сочетании информатики и синтетической биологии. Прекрасное представление об этом будущем нам может дать серия конкурсов, которые завершаются замечательным событием, происходящим каждый год в Кембридже (штат Массачусетс), – собранием блестящих молодых умов, которое дарит мне большую надежду на будущее. Международный конкурс генно-инженерных машин (iGEM) приглашает старшеклассников, студентов и предпринимателей, чтобы перетасовать стандартный набор подпрограмм ДНК в нечто новое. Победитель получает символический приз – большой алюминиевый блок лего, символизирующий убеждение, что стыкуя и перестыковывая подпрограммы, можно построить жизнь.
Исходно соревнование было учреждено тремя инженерами – Томом Найтом, Рэнди Реттбергом и Дрю Энди, надеявшимися применить легоподобную логику построения систем из стыкующихся частей в биологии. Теперь оно проводится в МТИ. Событие выросло из практикума, предлагавшегося там в январе 2003 года, в котором командам ставилась задача разработки культуры E. coli, которая бы «мигала» – то есть генерировала свет через равные промежутки времени. Это переросло в летние соревнования, на которые заявилось пять команд в 2004 году и тринадцать в 2005-м – первом, в котором соревнования стали международными. С тех пор количество участников быстро росло, и в 2012 году команд было уже 245.
На iGEM-2011 участие в соревновании приняли около 160 команд и более двух тысяч участников из тридцати стран мира. Сначала были региональные отборочные туры, в конце – мировой чемпионат. Это стало не сухим учебным курсом с презентациями, лекциями и демонстрациями, но слетом генетиков, на котором участники – со своими талисманами и в командных футболках с логотипами спонсоров – сами режут ДНК дольками и рубят кубиками.
Одной из целей этой затеи было создание каталога стандартизованных деталей, а именно соединяемых кусков ДНК, называемых «биоблоками», которые программируют бактерию-хозяина на выполнение той или иной специальной задачи. Каждый биоблок обрамлен с двух концов последовательностями ДНК, которые способны соединяться с другими блоками и интегрироваться в плазмиды, чтобы их можно было вставить в бактериальную клетку. За годы проведения соревнований участники накопили централизованную открытую генетическую библиотеку из тысяч биоблоков, называемую «Реестром стандартных биологических деталей». Реестр, содержащий список функций, структур и так далее, сделан по образцу тысячестраничного каталога схемных элементов «Книга ТТЛ для инженеров-конструкторов».
Для каждого соревнования в начале лета команды получали определенный набор биологических деталей – комплект биоблоков. Им посылали и копии реальной ДНК в обезвоженном виде. Работая в своих школах или лабораториях все лето, они, используя и эти детали, и новые, которые они сами сконструировали, собирали биологические системы и оперировали ими в живых клетках. В поиске способов сборки новых биологических «схем» из набора стандартных частей некоторые студенческие команды пришли к тем же подходам, что и моя собственная группа.
Их базовые наборы инструментов включали промоторы, обозначающие, какие участки ДНК надо прочитать; операторы, способные регулировать работу промоторов; участки связывания рибосом, которые побуждают рибосому начать синтез белка; сама последовательность, кодирующая белки, где может быть записан какой-нибудь фермент, или репрессор для связывания и выключения промотора, или маркер вроде зеленого флюоресцентного белка (GFP), который может, как явствует из названия, показывать, что схема активна; и терминаторы, дающие сигнал прекратить чтение программы ДНК. Из этих деталей можно собрать устройства, которые, оказавшись в клетке, будут выполнять элементарные функции.
Главное, что могут делать такие устройства, – это производить белок. Но поскольку ДНК – это программа, они могут быть использованы для построения основных структурных единиц любого компьютера – логических элементов: «И» (ген включается, если к нему поступают оба запускающих его сигнала), «ИЛИ» (для включения гена достаточно любого из двух сигналов) и «НЕ» (белок синтезируется, если сигнала нет, и наоборот). Устройства могут также передавать сигналы от клетки к клетке, согласуя поведение клеточной популяции, – как это делают в природе бактерии с так называемым «чувством кворума», способные регулировать активность своих генов в зависимости от числа бактерий-соседей. Наконец, можно сделать светоуправляемые устройства на основе светочувствительных белков – таких как фоторецепторы растений и бактерий{203}. Схемы, собранные из таких генных логических элементов, однажды могут стать компонентами сконструированных клеток, способных отслеживать состояние своей среды и отвечать на изменения в ней.
В свою очередь устройства можно соединить в систему. Например, они могут образовывать системы с обратной связью, как с положительной (используя активатор), вроде той, что превращает тихий звук в микрофоне в вопль, так и с отрицательной (используя репрессор), такой, что выключает нагрев в термостате при достижении заданной температуры. Можно сделать переключатели{204}, которые будут отвечать на условия в клетке или вокруг нее, используя промотор и репрессор; или работающие по циклу осцилляторы (подумайте о ваших внутренних часах), которые можно собрать разными способами – например, сочетая отрицательную обратную связь с задержкой; или счетчики, где то или иное событие запускает производство белка, который в свою очередь активирует другой белковый генератор.
Таким образом, студенты, обучающиеся синтетической биологии, могут выстроить иерархию, начиная с деталей, переходя к устройствам, а от них – к системам. В результате их работы у нас теперь есть клеточные схемы, способные генерировать изображение, обрабатывать шум, обнаруживать край{205}, считать события и создавать синхронизированные колебания в растущей популяции клеток{206}. Одна команда из Корнелла изобрела бесклеточный способ получения сложных биомолекул, названный, естественно, «биофабрикой». Бактерию можно заставить флюоресцировать как заведенную, создав контур соответствующих генетических инструкций. E. coli можно превратить в устройство для хранения информации, «живой жесткий диск», как сделала команда из китайского университета Гонконга, назвавшая свою работу E. cryptor. Другие разработали программное обеспечение для манипулирования программами ДНК на экране с превращением их затем в реальную последовательность в лаборатории, с помощью роботов{207}.
Более забавные проекты включали бактерий, которые светились в темноте или, как в проекте МТИ «О д’Е. coli», пахли цветами гаультерии, пока росли, и бананами – когда прекращали рост. Были представлены живые ЖК-мониторы, сделанные из дрожжей или бактериальных клеток вместо обычных пикселей. Одна команда из Техасского университета в Остине и Калифорнийского университета в Сан-Франциско изобразила фразу «Hello World» посредством E. coli{208}, приспособленной ощущать свет: в ней домен[28]