Жизнь на скорости света — страница 37 из 43

{240}.

Как бы ни впечатляли эти продвижения, такая телепортация, как в «Звездном пути», остается делом далекого будущего. В интервью для Scientific American один из авторов первого эксперимента 1998 года, Джефф Кимбл из Калтеха, на вопрос о самом большом заблуждении насчет телепортации ответил: «Представление, что посылается сам объект. Мы не будем рассылать материальное барахло. Если я хочу прислать вам „Боинг-757“, я могу выслать вам все детали, а могу – чертеж всех деталей, и выслать чертеж намного проще. Телепортация – это протокол пересылки из одного места в другое квантового состояния – волновой функции»{241}. Чтобы успешно телепортировать человека, вам понадобится примерно 1032 бит информации об атомах.

Но, конечно, можно передавать цифровые инструкции или программу, как предлагает Кимбл. Человеческий геном содержит всего около 6×109 бит информации. Моя команда совершенствует способ посылать оцифрованную версию текста ДНК в виде электромагнитной волны – а потом использовать специфический приемник где-то вдали для воссоздания жизни. Это будет означать переход между двумя важнейшими категориями типов частиц. Вся жизнь, которую мы знаем на Земле, – это химические в своей основе системы, все структурные компоненты которых – ДНК, РНК, белки, липиды и другие молекулы – состоят из отдельных атомов разных химических элементов (углерода, водорода, кислорода, железа и так далее). Атомы и их составные части (например, электроны, окружающие ядро, и кварки, из которых ядро состоит) совокупно называются фермионами{242}. Другая обширная категория частиц – это бозоны, в том числе бозон Хиггса и все частицы, переносящие взаимодействия, а именно глюоны W и Z и фотон – материя электромагнитных волн. Ключевая разница между фермионами и бозонами – это квантовое свойство, называемое «спин». У бозонов по определению спин целый; у кварков, электронов и всех других фермионов спин равен 1/2. Это приводит к огромной разнице в их поведении и, в случае фермионов, делает возможной всю химию и, следовательно, биологию.

Когда мы читали генетический текст, секвенируя геном, мы превращали химический код ДНК в электронный компьютерный код, который можно преобразовать в электромагнитную волну, передаваемую со скоростью света. Мое внимание к тому, что эта процедура означает переход из одного великого царства частиц в другое, привлек Димитар Сасселов, директор гарвардской инициативы «Происхождение жизни»:

Итак, жизнь, как мы ее знаем и как она вроде бы исторически зародилась на нашей планете, есть фермионный феномен – все ее структуры сделаны из фермионов. Информация, записанная в молекуле ДНК, кодирована с помощью фермионов и читается с помощью фермионов. Наша нынешняя способность представлять эту информацию в цифровом виде и передавать ее на расстояние, используя электромагнитные волны (на скорости света!), отмечает переход жизни от чисто фермионной к бозонной{243}.

В Synthetic Genomics, Inc. (SGI) мы можем ввести перекодированный текст ДНК в программу, которая автоматически планирует, как воссоздать эту последовательность в лаборатории. Программа сама создает перекрывающиеся олигонуклеотиды длиной от 50 до 80 пар оснований, добавляет уникальные места рестрикции и «водяные знаки» и затем вводит их в интегрированный синтезатор олигонуклеотидов. Синтезатор быстро производит олигонуклеотиды, которые автоматически сшиваются вместе и собираются с помощью нашего робота для Гибсоновой сборки.

Хотя синтез олигонуклеотидов можно вести значительно точнее, чем сорок лет назад, этот процесс все еще чреват ошибками, в результате которых образуется фракция незапланированных последовательностей ДНК, и эта фракция растет с ростом размера фрагментов синтетической ДНК. Частота ошибок синтеза при сборке стандартных олигонуклеотидов обычно составляет одну ошибку на тысячу пар оснований. При такой частоте получается, что если ошибки в олигонуклеотидах не отсеять на ранней стадии процесса синтеза – например, путем клонирования и секвенирования или с помощью исправляющего ошибки фермента, – то большинство, если не все фрагменты ДНК длиной больше десяти тысяч оснований будут содержать ошибки. Чтобы решить эту фундаментальную проблему, мы предложили новый подход, который должен проложить путь к высокоточному синтезу ДНК.

Теперь мы можем после сборки олигомеров и ПЦР-амплификации удалять любую ДНК, содержащую ошибки, ферментом, который называется эндонуклеаза. Этот специальный биологический робот был открыт при помощи системы программного обеспечения Archetype, разработанной Тоби Ричардсоном и его командой в SGI для хранения, управления и анализа данных по биологическим последовательностям. Процесс «работы над ошибками» начинается с денатурации и ренатурации ДНК, амплифицированной ПЦР, так что она образует двухцепочечные молекулы. Некоторые из этих молекул имеют во всех позициях «правильные», соответствующие друг другу нуклеотиды, и эндонуклеаза их игнорирует. Однако ДНК, в которой случилась замена, выпадение или вставка, тоже объединится в двойную цепочку с правильной ДНК (просто потому, что правильных молекул в реакционной смеси во много раз больше). Тогда в том месте, где в одной из цепочек ошибка, в двойной цепочке окажутся несовпадающие пары оснований. Такая ДНК (она называется гетеродуплексной) распознается и расщепляется эндонуклеазой.

Тот факт, что интактные молекулы амплифицируются эффективнее, чем расщепляемая эндонуклеазой ДНК, означает, что мы можем использовать вторую реакцию ПЦР для повышения доли синтетических фрагментов без ошибок. При таком подходе частота ошибок обычно меньше, чем одна на 15 000 пар оснований, и этот результат может быть еще улучшен, если проводить дополнительные сеансы исправления ошибок. На этом этапе мы получали молекулы ДНК с достаточной точностью, чтобы они могли быть конечным продуктом в полном смысле слова, например ДНК-вакциной (ДНК, вставляемой в клетки тела, чтобы производить вакцинирующий белок). Но потенциал метода неограничен. С синтезированной ДНК в конце концов можно будет создавать любые формы жизни.

Используя бесклеточный синтез белка in vitro, вроде того, что впервые разработал Маршалл Ниренберг в 1960-х, конструкты из синтетической ДНК теперь можно применять для получения белков в автоматизированной системе. ДНК фага или вируса нуждается лишь в попадании в рецептивную бактериальную клетку, где она перехватит механизмы синтеза клеточных белков и ДНК и наделает множество своих копий.

Иногда бывает трудно увидеть за горизонтом сегодняшних возможностей, как технология, подобная «биологическому телепортеру», кристаллизуется из идеи в нечто реальное. Так случилось, конечно, с лазером, который первоначально подавался как решение, нуждающееся в проблеме{244}. Но я думаю, мы уже можем осознать, как повлияет на наше будущее возможность перевести программу жизни в свет. Способность отправить текст ДНК куда угодно по планете за доли секунды включает в себя любые возможности, касающиеся лечения болезней. Эта информация может быть текстом новой вакцины, белкового лекарства (вроде инсулина или гормона роста), фага для борьбы с инфекцией, вызванной устойчивым к антибиотикам бактериальным штаммом, или новой клетки для выработки лекарства, пищи, топлива или чистой воды. В сочетании с домашними синтезаторами эта технология позволит еще и подогнать лечение под всех и каждого, чтобы оно соответствовало генетическим особенностям пациента и в результате давало меньше побочных эффектов.

Самое очевидное и безотлагательное применение этих возможностей – распространение вакцины в случае начала пандемии гриппа. Последняя такая вспышка была объявлена 11 июня 2009 года, когда ВОЗ расценила вирус гриппа H1N1 («свиной грипп») как первый пандемический штамм более чем за сорок лет, запустив международную реакцию на эту крупную угрозу. Результатом стала самая быстрая разработка глобальной вакцины в истории. За шесть месяцев были произведены и распределены по всему миру сотни миллионов доз вакцины, продемонстрировав способность государственных и частных учреждений всего мира к быстрой мобилизации и сотрудничеству.

Реакция была беспрецедентно быстрой – но все же недостаточно быстрой. Значительная часть вакцины оказалась доступной только через два месяца после прохождения вирусной инфекцией пика, оставив большинство населения на милость патогена в разгар его циркуляции. И хотя уровень смертности был относительно низок, множество людей встретились с вирусом. От H1N1 умерло около 250 000 человек, и вследствие природы этого конкретного гриппа большинство жертв было молодыми. Будь этот вирус более патогенным, задержка с доступностью вакцины могла привести к тяжелому кризису в здравоохранении, способному вызвать в пораженных городах конфликты, беспорядки и социальные взрывы.

Век тому назад очень похожий патогенный штамм гриппа обошел планету с опустошительными последствиями. Потери от пандемии 1918–1920 годов – около 50 миллионов жизней по всему миру – были больше, чем от Первой мировой войны. Один врач сказал, что это «был самый жестокий тип пневмонии, какой когда-либо видели». Используя данные по смертности от этой пандемии, команда под руководством Кристофера Мюррея из Гарвардского университета предсказала в Lancet, что, если похожая пандемия случится сегодня, за год умереть могут 62 миллиона человек – 96 % из них в развивающихся странах. Последняя пандемия «свиного гриппа» была призывом к оружию и выявила необходимость быстро доставлять людям вакцины.

SGI и Институт Крейга Вентера анонсировали трехлетнее соглашение о сотрудничестве с компанией Novar-tis об использовании инструментов и технологий синтетической геномики для ускорения производства вакцинных штаммов гриппа. Вакцинный штамм – это стартовая культура вируса, живой эталонный вирус, основа для широкомасштабного выращивания вакцинного вируса. Соглашение, отмеченное наградой от Управления перспективных биомедицинских исследований и развития США (