|
Живые клетки можно перепрограммировать
|
|
|
|
Мэтью Пава, нейро- и биотехнолог, начал свою научную карьеру с изучения основ работы человеческого мозга и того, как он обрабатывает физиологические сигналы. Но после получения докторской степени и прохождения стажировки в Национальных институтах здравоохранения он перешел в компанию Lockheed Martin, где использовал свои знания в области биологии для создания команд «человек-машина». Работая там, он руководил проектом, финансируемым DARPA, ведущей научно-исследовательской организацией вооруженных сил.
|
|
|
|
«Я довольно рано понял, что это именно то место, куда я хочу пойти», — говорит Пава об этом агентстве, к которому он в итоге присоединился в качестве руководителя программы в 2021 году. DARPA стремится разрабатывать исследовательские инициативы, находящиеся на грани осуществимости, и Пава вскоре подумал, что у него есть хорошая, хотя и несколько сомнительная, идея. Он следил за развитием оптогенетики, в которой ученые используют свет для манипулирования поведением нейронов или других клеток, и синтетической биологии, в которой ученые, по сути, могут создавать организмы с помощью генной инженерии. И однажды ему пришла в голову мысль: «А что, если мы сможем объединить эти технологии?»
|
|
|
|
Его идея? Сделать так, чтобы биоинженеры могли легко идентифицировать генетическую последовательность, которая позволит им достичь желаемого результата — например, производить белки или пептиды с заданными свойствами, — чтобы они могли закодировать эту последовательность в виде светового рисунка, направить его на модифицированную клетку, и чтобы инструмент внутри клетки синтезировал новую нить РНК или ДНК в соответствии с закодированными инструкциями. И в результате инструкций, содержащихся в этом новом генетическом материале, клетка в конечном итоге будет выполнять указания инженера.
|
|
|
|
|
|
|
Видите ли, ДНК и РНК — это, по сути, клеточные сценарии, которые говорят клеткам, что делать и как себя вести. Обычно строки в этом сценарии пишутся эволюцией. Но с появлением синтетической биологии стало возможным создавать генетические последовательности и программировать клетки. Но использование обычного света, а не типичных лабораторных инструментов, может вывести это программирование на новый уровень. И именно это DARPA намерена сделать со своей программой «генеративной оптогенетики», или GO.
|
|
|
|
Если эта многолетняя инициатива увенчается успехом, ученые смогут направлять свет, закодированный инструкциями, на клетку, предназначенную для приема этой информации. Затем свет будет давать команду инструменту внутри клетки собрать определенные генетические последовательности. Отсюда открываются безграничные возможности. Согласно описанию программы DARPA, эта технология «может открыть беспрецедентные возможности в персонализированном улучшении здоровья и работоспособности военнослужащих, в сельском хозяйстве, биопроизводстве и освоении космоса».
|
|
|
|
Но всякий раз, когда вы работаете с ДНК и РНК, существует потенциал для негативных последствий. Согласно собственным документам DARPA, «риски включают как преднамеренное неправильное использование, такое как синтез опасных агентов, так и непредвиденные последствия, такие как производство вредных побочных продуктов или эволюционная адаптация инженерных систем для преодоления мер сдерживания».
|
|
|
|
Как бы заманчиво это ни звучало, возможно ли это вообще?
|
|
|
|
3D-принтер для генетического кода
|
|
|
|
Ученые десятилетиями экспериментируют с генетическим материалом и создают его, причем первая клетка, полностью управляемая ДНК, полученной из человеческого организма, появилась более 15 лет назад. Синтетическая ДНК и РНК далеко не уникальны для программы DARPA GO и уже существуют в лабораториях и компаниях по всему миру. По словам Павы, они «по сути, являются центральными элементами почти всей биотехнологии».
|
|
|
|
РНК, например, используется в некоторых вакцинах, а компании используют генно-модифицированные организмы для производства биотоплива. «Мы можем использовать РНК и ДНК, потому что они, по сути, являются генетическим языком в химической молекуле, чтобы инструктировать клетки делать для нас новые и полезные вещи», — говорит Пава.
|
|
|
|
Но сейчас эта польза ограничена. Ученым приходится разрабатывать генетическую последовательность на компьютере, а затем химически ее производить. По словам Павы, это «связано с довольно сложными химическими процессами, которые невозможно осуществить где попало». После этого учёным приходится физически доставлять ДНК или РНК в клетки. Идея GO заключается в том, чтобы обойти эти физические и химические этапы.
|
|
|
|
Как? Пава точно не знает, что придумают команды DARPA — в настоящее время из Flagship Labs 116; Калифорнийского университета в Санта-Барбаре; Conveyor Belt Industries; Вашингтонского университета; Принстонского университета; и Колумбийского университета.
|
|
|
|
Но некоторые основные принципы будут верны для всех. GO требует, чтобы клетки были предварительно спроектированы для реагирования на свет. Поэтому в них будет встроен так называемый «компилятор нуклеиновых кислот» (NAC), который DARPA называет «компилятором нуклеиновых кислот». По сути, это 3D-принтер для генетического материала, вставленный в клетку. Если в клетке есть такой принтер, можно отправлять на него «файлы» — в данном случае, световые паттерны, соответствующие различным генетическим основаниям. Затем принтер выводит эти основания в виде генетической последовательности.
|
|
|
|
Однако ключ к успеху заключается в создании самого принтера — NAC. Никто никогда не создавал NAC, и неясно, сможет ли кто-нибудь это сделать. «Если это и возможно, то я не знаю, возможно ли это сейчас», — говорит Пава.
|
|
|
|
Если бы клетки могли содержать собственные 3D-принтеры ДНК и, следовательно, перепрограммироваться дистанционно, такие области, как биопроизводство — использование генно-модифицированных клеток для производства определенных химических соединений — могли бы стать более эффективными. То же самое могло бы произойти и в сельском хозяйстве, упростив выращивание растений, которые, скажем, устойчивы к разрушительному воздействию изменения климата.
|
|
|
|
И, по-видимому, это могло бы помочь не только на Земле — в космосе. DARPA пока не уточнила это применение, но статья в журнале Nature’s npj Microgravity предполагает, что специально созданные микроорганизмы могли бы производить химические вещества, необходимые для лекарств и топлива, которые астронавтам не нужно будет брать с собой; быть частью системы жизнеобеспечения; и помогать космонавтам поддерживать нормальный микробиом.
|
|
|
|
Пава говорит, что GO также ускорит фундаментальные биологические исследования, позволяя ученым быстро программировать ДНК клеток по-разному и наблюдать за изменениями — и, таким образом, лучше понимать, что вообще делают генетические последовательности. «Это, вероятно, будет приложение номер один, — говорит он, — которое просто создает маховик для биологических открытий».
|
|
Что может пойти не так?
|
|
|
|
Наиболее удивительным, пожалуй, является собственное заявление DARPA о том, что результаты GO в будущем могут быть полезны для повышения эффективности боевых действий — предполагая, что свет когда-нибудь сможет помочь солдатам быть лучше, быстрее, сильнее, смертоноснее или менее сонливыми. Но Пава говорит, что лучшим примером является защита военнослужащих от неизвестных патогенов и токсинов, предоставление им своего рода противоядия, как только будет разработано и проверено средство противодействия — без необходимости масштабирования фармацевтического производства. Другие подразделения вооруженных сил, такие как Исследовательская лаборатория ВВС, уже изучают, как синтетическая биология может оптимизировать истребители.
|
|
|
|
Но попытка запрограммировать людей с помощью GO-света была бы сродни попытке распечатать файл на пианино. Пианино ничего бы не сделало. Нормальные клетки человека, без NAC, вообще не реагируют на свет. А клетки, содержащие NAC, если бы находились внутри человеческого тела, не изменяли бы чей-либо генетический код. Модифицированные клетки действовали бы как изолированные фабрики, используя свет для производства специфической ДНК или РНК для выполнения целевой задачи, например, производства фермента, заживляющего раны.
|
|
|
|
Чтобы хоть как-то повлиять на людей, ученым пришлось бы ввести в организм клетки, содержащие NAC, обеспечить их жизнеспособность и разместить их в месте, куда свет мог бы до них дотянуться и запрограммировать. «Это означает, что это должно быть очень целенаправленно, и это означает, что вряд ли можно масштабировать угрозу, основанную на использовании NAC для генетического программирования большого количества людей», — говорит Пава.
|
|
|
|
Пава подчеркивает, что это программа фундаментальных исследований, предназначенная для использования в лаборатории в ближайшей перспективе для основных биологических исследований. «Это, пожалуй, самое очевидное и непосредственное применение, поскольку оно полностью позволяет избежать многих, хотя и не всех, проблем, связанных с регулированием и безопасностью», — говорит он. По его словам, основной интерес DARPA в области национальной безопасности заключается в том, чтобы опережать биотехнологические отрасли других стран.
|
|
|
|
Но в будущем это не обязательно так, и потенциал злоупотреблений нельзя игнорировать, если технология попадет в чужие руки — или если «правильные» руки окажутся неэтичными.
|
|
|
|
DARPA это понимает. И именно поэтому она нанимает независимые рабочие группы для анализа нормативных вопросов и рисков безопасности, связанных с программой GO. Они также планируют семинары, чтобы собрать вместе команды, работающие над программой, независимых исследователей и рабочие группы — для обсуждения как прогресса, так и потенциальных проблем. И, вероятно, чтобы поприветствовать друг друга, обсуждая, каково это — быть частью завязки очень хорошего научно-фантастического триллера.
|
|
|
|
Источник
|
