Некоторые биологические процессы настолько тесно связаны с жизнью, которая нам известна, что можно было бы решить, что все ключевые события в области биохимии уже произошли. Такие процессы, как фотосинтез и гликолиз, существуют на протяжении тысячелетий и имеют важное значение для выживания многочисленных видов. Но Земля находится лишь на полпути своей пригодной для жизни фазы, от 1,75 до 3,25 миллиарда лет истории эволюции еще ждет нас впереди.
И значит, весьма вероятно, что в основе метаболической химии произойдут коренные изменения, появятся новые процессы, прежде чем Земля перестанет поддерживать жизнь. Так считает Джоди Брюстер из Университета Огайо в Новой Зеландии, опубликовавшая статью в журнале Royal Society Biology Letters, и ее коллеги.
На что будут похожи эти процессы, это еще предстоит выяснить, но Брюстер говорит, что зарождающаяся область синтетической биологии может указать нам в направлении эволюционного будущего. Позволяя ученым возиться с генетическим кодом в самом сердце живого, синтетическая биология могла бы ускорить и наш собственный прогресс в приобретении революционных новшеств.
Синтетическая биология — это, если кратко, применение инженерных принципов к фундаментальным молекулярным компонентам биологии. Ключ к этому процессу — способность создавать генетические схемы, которые перепрограммируют организмы, заставляя их делать такие вещи, как, например, производство биотоплива или прекурсоров для фармацевтических препаратов. Правда, выгодно ли это коммерчески, это совсем другой вопрос.
Джим Коллинз из MIT, один из основателей синтетической биологии, сравнивает ее с внедрением инженерии в генную инженерию. Практически возвести в квадрат.
«Генная инженерия переносит ген от вида А к виду Б, — говорит он. — Это эквивалентно замене красной лампочки зеленой. Синтетическая биология ориентирована на проектирование основной схемы, на которой размещены эти красные или зеленые лампочки».
Вместе с введением совершенно новых процессов в клетки, синтетические биологи работают над улучшением и тех, которые уже в них протекают. Несмотря на миллионы лет эволюции, некоторые аспекты фотосинтеза «остаются крайне неэффективными», пишет Брюстер. Улучшенный фотосинтез может оказать огромное влияние на продуктивность сельского хозяйства.
Некоторые ученые попытались применить более эффективные подходы к фотосинтезу на примере простых организмов.
Цианобактерии добились более высокой эффективности за счет концентрации CO2 в органеллах под названием карбоксисомы, которые заполнены ферментом РуБиСКо (рибулозобисфосфаткарбоксилаза), необходимым для фиксации углерода. Группа из Корнелльского университета создала растения табака, которые экспрессируют цианобактериальный РуБиСКо в кабоксисомо-подобных структурах внутри хлоропластов растений, повышая скорость фиксации в них углерода. Израильская команда пошла еще дальше, объединив существующие метаболические строительные блоки из различных организмов и разработав множество синтетических путей фиксации углерода, некоторые из которых превзошли природные.
Гликолиз — метаболический процесс, высвобождающий энергию из глюкозы — крайне неэффективен. Многие варианты этого процесса включают этап, в котором только четыре атома углерода из шести в сахаре находят хорошее применение, а два других теряются в виде CO2. Это побудило команду из Калифорнийского университета разработать синтетический процесс, неокислительный гликолиз, который находит всем шести атомам углерода хорошее применение.
Несмотря на огромное количество мозговых усилий, которые привели к решениям этих метаболических неэффективностей, Брюстер и ее коллеги считают, что время, отведенное на эволюцию, которое у нас еще осталось, означает, что природа почти наверняка доберется до этих решений. Тот факт, что горизонтальный перенос генов — когда генетический материал передается между видами — настолько распространен у бактерий, делает это еще более вероятным.
Если эти адаптации предлагают эволюционное преимущество, они почти наверняка разойдутся по природе. Следовательно, как говорят Брюстер и ее коллеги, синтетическую биологию можно рассматривать как «биологию, которой еще нет в базах данных». Решения, изобретаемые синтетическими биологами, могли существовать в прошлом, просто не нашли продолжения, либо же развиться в будущем.
Однако размышляя об эволюционных событиях будущего, синтетические биологии могут и ускорить эту эволюцию.
Природные инновации в регуляции генов имеют центральное значение для крупных прорывов в развитии жизни, например, как появление многоклеточности или сложных путей развития. Новые инновации в регуляции генов, разрабатываемые синтетическими биологами, почти наверняка приведут к кардинальным фенотипическим изменениям будущих организмов, говорит Брюстер.
Идея того, что природа неизбежно подхватит новшества синтетической биологии, может быть слишком упрощенной. Ученые пришли к выводу, что «только время покажет, увеличат ли те или иные эволюционные траектории приспособленность организмов», но синтетическая биология не ставит перед собой задачу дать выжить сильнейшему: она движима лишь потребностями людей.
Синтетическая биология может привести к появлению биологических систем, которые никогда не появились бы в природе. Едва ли природа нашла бы применение бактериям, которые могут производить биотопливо. Синтетическая биология может дать нам не только понимание того, куда нас ведет эволюция, но и того, на чем эволюция заканчивается. Возможно, людям стоит взять управление этим на себя.
