Далеко ли до гомункула?

Клетка живая искусственная

Когда биологи открывали клетку в XVII веке, они не задумывались о том, что это такое и как ее отличить от неживой материи. Тогда было важно постулировать, что клетка может образовываться только от клетки, в противовес разным спекуляциям о самопроизвольном возникновении жизни из грязи. И клеткой называли мельчайшую видимую составляющую любого организма. Сейчас же ситуация строго обратная: ни у кого не вызывает вопросов, из чего состоят живые существа. Вместо этого мы пытаемся применить прием, запрещенный еще три с лишним столетия назад, и собрать клетку из грязи, а точнее из подручных веществ.

Так что же такое клетка? Привычные нам критерии быстро оказываются бесполезными. Начнем с того, что не любая мельчайшая составляющая даже человеческого организма является клеткой. Например, то, из чего состоит поверхностный слой кожи, уже не клетки, а постклеточные структуры, в них нет ядра, и они не живые. Та же история с безъядерными эритроцитами и тромбоцитами, которые иногда продолжают по инерции называть клетками крови. Наличие ядра, впрочем, тоже не является критерием клетки — его опровергают бактерии. Можно тогда предположить, что клетка — это как минимум мембранный пузырек с каким-либо наследственным материалом внутри. Но в таком случае в категорию клеток попадут и экзосомы — мембранные пузырьки с белками и нуклеиновыми кислотами, с помощью которых клетки общаются друг с другом. Наконец, даже если мы как-то сможем определить клетку животного, с нами не согласятся ботаники, потому что у растений все совсем не так. Большая часть клеток растения соединена друг с другом цитоплазматическими мостиками, при этом в некоторых из них может не быть ядра — оно вынесено в соседние клетки. Грубо говоря, иногда все растение целиком представляет собой одну-единственную клетку в нашем классическом понимании.

Поэтому искусственные клетки мы скорее изобретаем: сегодня ученые пытаются создать систему, обладающую определенными свойствами.

Что все это значит? Давайте по пунктам.

Наличие границ (компартментализация). Во-первых, клетка должна быть изолирована от окружающей среды. Во-вторых, она должна быть разделена на внутренние зоны, компартменты. Какую бы самую простую клетку мы ни взяли, даже мельчайшую бактерию, у которой нет никаких органелл и внутренних перегородок, все равно ее цитоплазма будет неоднородной. Это необходимо для того, чтобы участники химических реакций скапливались в одном месте и не расплывались по клетке — в противном случае обмен веществ не будет эффективным.

Самодостаточный обмен веществ. Искусственная клетка должна уметь самостоятельно получать энергию и использовать ее для своих внутренних нужд. Питательные вещества могут поступать извне, но весь процесс их захвата, получения энергетического эквивалента и его расхода должен происходить автономно.

Система передачи информации. В клетке должна быть заложена самовоспроизводящаяся информация о ее строении (обычно мы подразумеваем под этим молекулу ДНК или РНК, но кто знает, какие еще возможны варианты). Наличие этого минимального набора свойств позволяет нам считать искусственную клетку живой. Но для ее дальнейшего существования необходимо добавить еще два.

Рост и размножение нужны, соответственно, чтобы численность популяции не сокращалась), а адаптивность — чтобы выжить в изменяющихся условиях окружающей среды.

Разбираем самосвал

Когда ребенок ломает игрушку, пытаясь понять, что у нее внутри, или отрывает лапки комару, он не просто хулиганит — он определяет минимальные необходимые свойства системы. Некоторые ученые, разбираясь с тем, что же это значит — «живая клетка», используют тот же самый подход, его еще называют top-down — от сложного к простому. Сейчас ученые, его придерживающиеся, работают в основном над упрощением генома — пытаются получить минимальный геном, кодирующий только жизненно необходимые клетке белки.

Так, в 2014 году удалось очистить одну из хромосом дрожжей от ненужных последовательностей. Сначала последовательность хромосомы секвенировали, а потом синтезировали ДНК с нуля. При этом за бортом остались транспозоны (мобильные элементы, остатки вирусов), субтеломерные (концевые) области хромосомы, интроны (некодирующие области генов), повторы ДНК и т.д. «Очищенная» хромосома получилась на 14% короче оригинала, но при этом полноценно работала в дрожжевых клетках.

Аналогичная судьба постигла бактерию Mycoplasma mycoides. Бактерии этого рода известны своими небольшими геномами — многие из них стали паразитами и потеряли часть ненужных генов. В 2010 году ученые полностью воспроизвели их геном и заменили хромосомы бактерий на искусственные. Газеты тогда писали о том, что «создана первая искусственная клетка», объясняя это тем, что впервые клетка управляется молекулой ДНК, полностью синтезированной вручную. Однако это только начало истории. К 2016 году геном микоплазмы удалось еще сильнее «усовершенствовать», сократив почти в два раза (с 1079 тысяч пар нуклеотидов до 531). В новой версии минимальной ДНК осталось всего 473 гена. Правда, функции 149 из них до сих пор неизвестны, и это следующая проблема на пути подхода top-down.

Собираем самосвал

Пока одни ученые разбирают одноклеточных организмов, другие пытаются собирать клетки с нуля. Это другая крайность — подход bottom-up. В некотором роде это попытка воспроизвести в лабораторных условиях ранние этапы возникновения жизни, когда она представляла собой лишь скопления самовоспроизводящихся молекул. При этом каждый такой эксперимент по выращиванию жизни с нуля ставит своей целью воспроизвести какое-нибудь одно свойство живой клетки (здесь можно послушать про то, как этим занимаются в университете ИТМО).

С пунктом 1 — созданием границ — проблем обычно не возникает. Мы давно умеем собирать мембранные пузырьки (липосомы), и в некоторых случаях удалось даже воссоздать мембрану клетки. Более сложная задача — создать систему пузырьков-компартментов, в каждом из которых происходили бы разные химические реакции. В 2014 году удалось собрать такую систему из пластика: один пузырек поглощал вещество извне и превращал в другое, затем сквозь полупроницаемую мембрану продукты переходили дальше, и так по цепочке, пока не получалось светящееся соединение, сигнализирующее об успехе операции. Даже когда в один компартмент подселили фермент, разрушающий ферменты других компартментов, система все равно работала. А это значит, что отсеки обменивались только продуктами реакций, но не ферментами, и конструкция получилась похожей на то, что происходит в реальной клетке.

Также мы умеем делать эти компартменты совместимыми с живыми системами. В марте этого года на свет появилась первая искусственная органелла — мембранный пузырек с порами, проницаемость которых регулируется концентрацией веществ в клетке. Внутри пузырька заперта пероксидаза хрена, которая окисляет поступающие внутрь вещества. Вся эта конструкция оказалась жизнеспособной и функциональной, будучи подсажена внутрь зародыша рыбы.

Следующий шаг — воспроизвести пункт 2, систему захвата и извлечения энергии из окружающей среды. Это оказывается сложнее, так как нужен не только фермент, производящий реакции, но и система восстановления этого фермента. Такую конструкцию ученые собрали только этим летом, однако систему восстановления все равно пришлось позаимствовать у кишечной палочки — самостоятельно мы пока их строить не умеем.

Третий пункт — информационную систему — удалось собрать буквально месяц назад. Правда, о целых хромосомах речь пока не идет. На данном этапе это просто молекула ДНК, кодирующая фермент, который копирует ДНК. Система пока работает только в пробирке, зато автономно.

Четвертый пункт — размножение и рост — пока удается воссоздать только в случае мембранных пузырьков. Новые липиды (составляющие мембран) встраиваются в готовый пузырек, а когда он вырастает слишком большим, поверхностное натяжение ослабевает и он распадается на два маленьких. Однако целенаправленное размножение с честным делением (как в любой клетке) пока никому воспроизвести не удалось.

Таким образом, в лабораториях искусственной жизни на данный момент существуют только конструкции, обладающие отдельными свойствами живых клеток. Следующий шаг — научиться соединять их в комбинации свойств (например, деление на компартменты плюс автономный обмен веществ). И только в последнюю очередь можно будет говорить об адаптивности полученной системы и ее способности эволюционировать: чтобы адаптироваться к условиям среды, система должна быть как минимум автономной. Можно надеяться, что к этому моменту мы как раз начнем больше понимать про минимальный геном, необходимый для работы клетки, и тогда подходы top-down и bottom-up наконец-то встретятся.

Запускаем самосвал

Пока одни исследователи пытаются подкопаться с противоположных сторон к тайне создания жизни, другие пытаются найти применение тем методам, которые нам уже доступны. Того немногого, что мы уже умеем, достаточно, чтобы создать простейшие полуживые конструкции и облегчить себе жизнь. В этом году вышло несколько работ, посвященных созданию надклеточных структур — конструкций, одним из рабочих модулей которых являются живые клетки. Например, можно приручить клетки кишечной палочки, заперев их внутри искусственной клетки, и заставить их светиться в ответ на появление определенных веществ в среде. Такая система теоретически безопасна для организма человека и могла бы упростить диагностику.

Второй вариант практического применения — недоклетки, аналоги человеческих клеток. Они могли бы заменить те клетки, которым не обязательно размножаться или автономно существовать. Например, в прошлом году получилось собрать модель бета-клетки поджелудочной железы. Эта псевдоклетка представляет собой вакуоль, заполненную микровакуолями с инсулином. При повышении уровня глюкозы в крови растет показатель кислотности рН, при этом изменяется конформация белков, сдерживающих микровакуоли, и псевдоклетка их выплевывает наружу. А другая группа ученых недавно создала аналог Т-лимфоцита. Это мембранный пузырек с биогелем и магнитными зернами, который плюется стимуляторами деления и противовирусного ответа в ответ на изменение магнитного поля.

***

18 лет назад ученые определили для себя траекторию движения к созданию искусственной жизни. Первым в списке дел стояло моделирование протоорганизма, а дальше шли более глобальные задачи — моделирование мышления в искусственной системе, количественная модель эволюции и разработка этических принципов в отношении искусственной жизни. Но, вероятно, нумеровать этот список нужно было в обратном порядке, так как первые этапы оказываются гораздо сложнее последних. За эти годы мы научились переписывать генетический код и моделировать эволюцию, но так и не сумели заставить простейший мембранный пузырек жить своей жизнью. Даже создание искусственного интеллекта движется быстрее, чем воссоздание клетки. Этот маленький и примитивный на первый взгляд «самосвал» пока что остается большой загадкой, до которой нам еще расти и расти.