В майбутньому ми не будемо редагувати геном. Ми будемо створювати новий

З тих пір, як шумери вперше захотіли випити пива, а це було тисячі років тому, Homo sapiens обзавелися тісними стосунками з Sacharomyces cerevisae, одноклітинними грибами, більш відомими як пивні дріжджі. Завдяки ферментації люди змогли використати цей мікроскопічний вигляд для своїх цілей. В наші дні дріжджові клітини виробляють етанол і інсулін, на них ставлять досліди в лабораторіях.

Це не означає, що S. cerevisiae не можна більше поліпшити – у всякому разі, на думку Джефа Бойку. Директор Інституту генетичних систем при Нью-Йоркському університеті Бойку керує міжнародною командою із сотень людей, завдання яких – синтезувати 12,5 мільйона генетичних літер, що складають геном клітин дріжджів.

На практиці це означає поступову заміну кожної хромосоми дріжджів – а таких 16 – хімічно синтезованої ДНК. Бойку і його колеги з майже десяти інститутів розбирають геном дріжджів і дозволяють вченим перемішувати його гени на свій розсуд. В кінцевому підсумку синтетичні дріжджі – Sc2.0 – будуть налаштовуватися цілком і повністю.

«протягом наступних 10 років синтетична біологія буде виробляти всі види сполук і матеріалів з мікроорганізмами», говорить Бойку. «Ми сподіваємося, що наші дріжджі зіграють в цьому велику роль».

Подумайте про цей проект як про щось на зразок першого автомобіля Генрі Форда – зібраний руками і єдиний у своєму роді. Одного разу, втім, ми будемо цілком заурядно проектувати геноми на екранах комп'ютерів. Замість того, щоб розробляти або навіть редагувати ДНК організму, було б простіше просто роздрукувати свіжу копію. Уявіть дизайнерські водорості, що виробляють паливо; безвідмовні органи; відроджені вимерлі види.

«Думаю, це може бути більшим, ніж космічна або комп'ютерна революція», говорить Джордж Черч, що вивчає геном у Гарвардській школі медицини.

Раніше вчені вже синтезували генетичні інструкції, які керують вірусами і бактеріями. Але дріжджові клітини эукариотны, тобто зберігають свої геноми в ядрі і пов'язують їх в хромосомах, як люди. Їх геноми також набагато більше.

І це проблема, тому що синтезувати ДНК не так дешево, як описати. Геном людини сьогодні можна секвенувати за 1000 доларів, і ціна постійно падає. Але щоб замінити кожну букву ДНК у дріжджів, Бойку потрібно 1,25 мільйона доларів. Додайте вартість праці і обчислень до загальної вартості проекту.

Разом з Черчем та іншими Бойку керує GP-write, організацією, яка виступає за міжнародні дослідження, які повинні знизити вартість проектування, розробки і тестування геномів в тисячу разів за наступні десять років. «Ми стикаємося з різноманітними проблемами як вид, і біологія може сильно допомогти нам на цій планеті», говорить він. «Але тільки якщо ми зменшимо витрати».

«Знизу вгору»

Вчений на ім'я Рональд Девіс з Стенфорда вперше припустив можливість синтезу геному дріжджів на конференції в 2004 році. Втім, на той момент Бойку не бачив у цьому сенсу. «Навіщо комусь знадобилося б це робити?», — так він думав тоді.

Але Бойку прийшов до думки, що виготовлення геному дріжджів може бути кращим способом зрозуміти організм. Замінюючи кожну частину, ви зможете дізнатися, які гени необхідні, а без яких організм зможе жити. Деякі члени команди називають цю ідею «побудувати, щоб зрозуміти».

«Це зовсім інший спосіб зрозуміти, як влаштовані живі істоти», говорить Леслі Мітчелл, заслужений працівник лабораторії NYU і один з головних розробників синтетичних дріжджів. «Ми дізнаємося, які прогалини в наших знаннях існують, застосовуючи підхід «знизу вгору» в генетиці».

Джоел Бейдер, інформатик з Університету Джона Хопкінса, розробляє програмне забезпечення, яке дозволяє вченим бачити хромосоми дріжджів на екрані і відстежувати версії по мірі їх зміни, ніби в біологічному Google Docs. В 2008 році, щоб зробити ДНК, Бойку запустив курс бакалаврату в університеті під назвою «Побудуй геном» (Build a Genome). Студенти повинні були вивчати базову молекулярну біологію, збираючи безперервну стрічку з 10 000 букв ДНК, які повинні були відправитися в проект зі створення синтетичних дріжджів. Трохи пізніше кілька інститутів з Китаю приєдналися до проекту, а за ними підтяглися англійці, австралійці і японці.

«Ми роздаємо хромосоми окремим командам, немов глави книг, а вони вільні вирішувати, що з ними робити, але так, щоб це на 100% відповідало нашим завданням», говорить Патрік Кай, синтетичний біолог з Університету Манчестера, міжнародний координатор проекту з дріжджами.

Наступні кроки

Бойку і його команді знадобилося вісім років, щоб вони нарешті змогли представити свою першу повністю штучну хромосому дріжджів. З тих пір проект прискорився. У березні минулого року ще п'ять синтетичних хромосом дріжджів були описані у збірнику статей в Science, Бойку заявив, що всі 16 хромосом в даний час готові на 80 відсотків. Ці зусилля дали змогу зібрати найбільшу кількість генетичного матеріалу, коли-небудь синтезованого, а потім об'єднаного.

Допомогло і те, що геном дріжджів виявився надзвичайно стійким до видінь і змін команди. «Ймовірно, найбільшим проривом є те, що можна мучити геном як завгодно, а дріжджі будуть просто сміятися», говорить Бойку.

Бойку і його колеги не просто замінили природне геном дріжджів синтетичним. «Просто зробити копію було б нерозумно», говорить Черч. ВДНК цього організму вони також помістили молекулярні прогалини, немов невидимі проломи в сталевих кільцях чарівника. Це дозволило їм перемішувати хромосоми дріжджів «немов колоду карт», як каже Кай. Ця система зараз відома як SCRaMbLE (synthetic chromosome recombination and modification by LoxP-mediated evolution).

Результатом є високошвидкісна еволюція, здійснювана силами людини: мільйони нових штамів дріжджів з різними властивостями можна випробувати в лабораторії і знайти їм застосування в медицині і промисловості. Мітчелл прогнозує, що Sc2.0 з часом витіснять всі інші дріжджі в наукових лабораторіях.

Остаточним спадщиною проекту Бойку може бути рішення, який геном синтезувати наступним. Група GP-write спочатку передбачала, що створення синтетичного геному людини може стати «важкими». Але деякі біоетики поставили під сумнів і ретельно розкритикували цей план. Бойку підкреслює, що група не буде робити проект, спрямований на створення людини з синтетичним геномом». Тобто ніяких дизайнерських людей.

Але якщо відкинути етичні міркування, синтез повного людського геному, який в 250 разів більше геному дріжджів, недоцільний з застосуванням сучасних методів. Також подібні зусилля не отримують фінансування. Робота Бойку з дріжджами фінансувалася Національним науковим фондом та академічними установами, але грандіозна ініціатива GP-write не привернула значної підтримки, крім первісного пожертви в розмірі 250 000 доларів від комп'ютерної компанії Autodesk. Порівняйте це з Human Genome Project, який отримав більше 3 мільярдів доларів США в якості фінансування.

«Це революція, яку ми не хочемо проспати», говорить Черч. «Якщо федеральний уряд та всі 50 штатів не захочуть цього робити, ми пожнемо те, що сіємо. Ми залишимося позаду».

Між тим, робота триває, підстава за підставою. Серед обкладинок журналів та групових фотографій Бойку зберігає цитату на дверях свого кабінету, яку приписують генетику Феодосію Добжанському: «Ніщо в біології не має сенсу, крім як у світлі еволюції». Яким би грандіозним не став проект Sc2.0 – навіть якщо би привів до синтезу геному миші або створення свиней для трансплантації органів людям – саме люди будуть направляти цю еволюцію в потрібне русло. Sc2.0 може стати другим найважливішим досягненням, до якого привели дріжджі. Після пива.