Scienty

Синтетическая биология открывает возможности для конструирования живых организмов, обладающих заранее определенными характеристиками. В то время как традиционная генная инженерия предполагает внесение изменений в существующие генетические структуры, синтетическая биология представляет собой стремление создать совершенно новые формы жизни, начиная с нуля. На данный момент эти технологии преимущественно используются в отношении бактерий и других, менее сложных организмов. Однако, какие перспективы и возможности они открывают в будущем? Какие живые существа ученые способны создавать с нуля в настоящее время? С какими сложностями сталкиваются исследователи, работающие в этой сфере, и какие у них цели? Об этом мы беседуем с биологом Евгением Максимовым.

Евгений Георгиевич Максимов — доктор биологических наук, возглавляет лабораторию физико-химии биомембран на биологическом факультете МГУ имени М.В. Ломоносова. Он также является координатором научно-образовательной школы МГУ «Молекулярные технологии живых систем и синтетическая биология» и входит в состав Координационного совета по делам молодежи в научной и образовательной сферах при Совете при Президенте РФ по науке и образованию. Евгений Георгиевич удостоен премии правительства Москвы для молодых ученых и является автором свыше 150 научных работ.

— Объясним, что представляет собой синтетическая биология и в чём её отличия от, скажем, генной инженерии?

— Синтетическая биология – направление в молекулярной биофизике, которое сочетает подходы генной инженерии, физики белков и структурной биологии для разработки инновационных инструментов. Благодаря этому становится возможным создание биологических объектов, не имеющих аналогов в природе, из синтезированных химическими и органическими методами строительных блоков, либо на основе природных компонентов. Такие объекты могут демонстрировать новые, полезные характеристики, что делает синтетическую биологию весьма привлекательной для исследователей. В отличие от генной инженерии, синтетическая биология применяет её методы. Эти дисциплины тесно связаны и взаимодополняемы.

— Мне вспоминаются яркие эксперименты последних десятилетий: создание зеленых светящихся поросят, генетическое изменение коз, которым привили способность производить белок, формирующий паутину, и другие подобные разработки. Однако сейчас мы говорим о модификации уже существующих животных, а какой самый сложный объект был получен с нуля при помощи методов синтетической биологии?

— Давайте вспомним Нобелевскую премию 2024 г. по химии, которая была присуждена за разработку методов, позволяющих предсказывать структуру белков, используя искусственный интеллект и нейросети. Эти открытия, с одной стороны, решают извечную проблему, каким образом могут выглядеть белки, если известна только последовательность аминокислот, а с другой стороны, позволяют предсказать и некоторые важные структурные и функциональные свойства этих белков. Пожалуй, именно это направление синтетической биологии можно назвать сегодня самым значимым и быстро развивающимся. Многое в этой области было сделано благодаря предыдущим открытиям структурной биологии, но именно экспериментальное определение структуры белка позволило понять, как устроены белки, из чего они состоят, с какими группами взаимодействуют. Понимание физики этих взаимодействий позволяет делать предсказания с очень большой точностью, на уровне 90%.

Технологии, удостоенные Нобелевской премии в 2024 году, базируются на базах данных, содержащих обширные наборы экспериментально определенных последовательностей и структур. Они позволяют статистически прогнозировать характеристики и структуру белков, которые не встречаются в природе, но созданы на основе похожих аминокислотных последовательностей. Однако существует определенная сложность: предсказания, сделанные моделью, всегда носят теоретический характер. Только эксперимент способен продемонстрировать, какие свойства будет иметь конкретный объект в действительности.

― Это означает, что они способны прогнозировать структуру белков, созданных из стандартного набора из 20 аминокислот, используемых при синтезе белков у всех живых существ, а не из других аминокислот?

― Да. Если химическая структура заместителей в аминокислотах отличается от природных аналогов и, как следствие, отсутствует в белках, структура которых уже известна и занесена в базы данных, это создает определенные трудности. Вместе с тем, синтез таких аминокислот относительно прост, и ученые располагают множеством способов конструирования белков с новыми, перспективными свойствами на их основе.

― Эти новые аминокислоты расширяют известный набор из 20, но при этом встречаются в природе? Или же мы говорим о возможности создания совершенно новых аминокислот, которые ранее нигде не были обнаружены?

― Речь идет о неканонических аминокислотах, которые встречаются в природе, но не входят в стандартный набор аминокислот, используемых для построения белков. Интересно, что мы имеем возможность комбинировать их различными способами. Заслуживает внимания тот факт, что многие из этих аминокислот имеют внеземное происхождение. Генетический код, сформировавшийся на Земле, не предусматривает использование этих аминокислот, вероятно, из-за их низкой распространенности или невысокой важности. Однако это не исключает возможности их востребованности на других планетах.

― А наши, наоборот, будут ненужными.

― Да, это своеобразная черта, обусловленная исходными параметрами развития жизни на планете.

― Какова цель создания белков с использованием нестандартных аминокислот?

― Это дает возможность вносить изменения в структуру белков с высокой точностью, например, заменять аминокислоты, что обычно называют мутациями. Однако в данном случае это скорее точечное вмешательство на атомном уровне. Подобные манипуляции помогают глубже понять механизмы функционирования белков, исследовать процессы, протекающие в них при взаимодействии с кофакторами или другими белками. Кроме того, они позволяют придавать белкам новые свойства: например, создать уникальную и избирательную метку для необходимого белка, чтобы наблюдать за его активностью в клетке или организме. Также возможно разработать новый белок, способный осуществлять определенную химическую реакцию, например, катализ.

― Ранее предпринимались попытки использования подобных наноструктур для интеграции в живые организмы?

― Да, такая возможность существует. Более того, можно изменять генетический код простейших микроорганизмов, высвобождая определенные кодоны для использования в качестве строительных блоков при встраивании неканонических аминокислот. Это трудная, но крайне значимая задача – контролировать то, как живые организмы используют генетический код и аминокислоты, являющиеся основой белков.

― Если же рассматривать не отдельные белки, а создание целых клеток и организмов с заранее определенными характеристиками «с нуля», то какие основные трудности возникают?

― Значительный прогресс был достигнут в этой сфере. Существуют организмы, созданные с нуля, например микоплазма, подвергшихся существенной модификации генетического кода. Одной из особенностей таких организмов является полная устойчивость к вирусным инфекциям. Вирус, стремясь использовать генетическую информацию, оказывается не в состоянии создать генетическую последовательность и белки, необходимые для размножения. Следовательно, он не может осуществлять самовоспроизведение.

Разработка организмов, устойчивых к вирусам, представляет собой задачу с двойным применением. В принципе, геном человека также может быть изменен для обеспечения невосприимчивости к вирусным инфекциям. Представьте себе ситуацию, когда одна из стран, с одной стороны, повысила устойчивость своего населения к вирусам, а с другой – разработала вирус, способный уничтожить людей. Поэтому в сфере синтетической биологии существует множество этических дилемм. Какие границы допустимы в редактировании живых организмов? Возможно ли изменение фундаментальных основ генетического кода и создание принципиально новых форм жизни? Как эти новосозданные организмы повлияют на естественные экосистемы? Эти вопросы требуют решения. Наша же деятельность сосредоточена не на философских размышлениях, а на прикладных научных исследованиях, целью которых является улучшение качества жизни людей.

― В прошлом году у меня вышло интервью с биологом Петром Каменским. Рассказывая о синтетической биологии, он говорил, что у ученых есть большой интерес к тому, чтобы превратить бактерии в некие биофабрики, которые можно будет использовать для наработки больших количеств полезных продуктов. Можно сказать, тотальное порабощение бактерий! Что вы думаете об этом?

― Да, подобные работы проводятся. Ученые располагают общепринятым и универсальным методом, основанным на создании ситуации, когда бактерия должна решить: либо она производит необходимый белок, либо погибает. В случае успешного синтеза белка, бактерия, благодаря определенному комплексу генов (которые она производит одновременно с целевым рекомбинантным белком), получает устойчивость к антибиотику.

― А не всегда ли в природе бактерии не производят необходимые нам соединения?

― В естественной среде обитания они подобного поведения не демонстрируют.

― То есть могут, но не хотят?

― Им это нецелесообразно с точки зрения энергозатрат. Если речь не идет о необходимости поддержания жизни, то зачем расходовать энергию? По этой причине, для получения необходимых белков в лабораторных условиях, бактерию подвергают ситуации, имитирующей жизненно важный выбор.

― Для того, чтобы эффект был заметным, желательно использовать достаточно крупную популяцию бактерий?

― Да, обычно для выделения миллиграммовых количеств белка необходимо использовать значительные объемы бактериальных культур, что подразумевает наличие миллиардов и триллионов бактериальных клеток!

― Я осведомлен о том, что синтетическая биология представляет для вас наибольший научный интерес. Какие проекты вы реализуете в настоящее время?

― В первую очередь над созданием новых флуоресцентных и фотоуправляемых белков. Методы синтетической биологии позволяют использовать неканонические аминокислоты, о которых мы говорили выше. Мы столкнулись с ограниченностью природного набора аминокислот, исследуя, как работает фотоактивный оранжевый каротиноидный белок ( Orange Carotenoid Protein, OCP). В естественной среде этот компонент выполняет функцию защиты цианобактерий от повреждений, вызванных светом. При интенсивном освещении он способен активироваться, однако это происходит не сразу, поскольку естественные механизмы ограничивают такую трансформацию благодаря взаимодействию белка и каротиноида. Мы предприняли попытку изменить эти взаимодействия, сохранив лишь одно, чтобы увеличить количество образующегося фотопродукта. Это позволит исследовать процесс фотопереключения и реакции, которые с ним связаны.

― Какие организмы, кроме цианобактерий, привлекают ваше внимание?

― Наши исследования охватывают зеленые водоросли, клетки человека и даже целые живые организмы (в ряде экспериментов используются лабораторные животные, такие как мыши, крысы и кролики). Это результат совместной работы, в которой поддержку оказывают специалисты из ФИЦ «Фундаментальные основы биотехнологий» РАН, ИБХ РАН, МФТИ, ИФР РАН и других научных учреждений, располагающих необходимым оборудованием и опытом. Мы изучаем функциональные характеристики белков, стремясь понять, как они взаимодействуют друг с другом, как проникают внутрь клеток и какую роль играют в клетке и т.д. Если в ходе работы выявляется потенциальная польза белка для медицины, мы приступаем к рассмотрению экспериментов с использованием животных.

― Ранее мы обсуждали бактерии. А какие трудности возникают при создании более сложной структуры, такой как эукариотическая клетка, которая, в отличие от бактерий, обладает ядром?

― По моему мнению, это очень сложная задача, обусловленная рядом факторов. Наиболее заметным из них являются масштабные размеры. Геном прокариот (одноклеточных организмов, не имеющих клеточного ядра и других внутриклеточных органелл. ― Примеч. корр.) размер генома у прокариот значительно меньше, чем у эукариот. Разработка полностью синтетической эукариотической клетки с нуля, не говоря уже о создании целого организма, представляет собой чрезвычайно сложную задачу. Однако ученые активно работают в этом направлении, и я уверен, что рано или поздно эта цель будет достигнута.

― Действительно ли создание клеточной мембраны является одним из основных сдерживающих факторов в данной сфере?

― Да, это действительно важно. Мембраны служат естественным барьером, отделяющим внутреннюю среду клетки от внешней. На их поверхности сосредоточено множество белков, которые играют ключевую роль в регулировании метаболических процессов. Наша лаборатория уделяет особое внимание исследованию взаимодействия клеток с окружающей средой, обмену сигналами между ними и реакциям на полученные сигналы.

― Возможно ли в перспективе, благодаря созданию синтетических организмов, восполнить утрату видов, исчезнувших из природных экосистем?

― Представляется возможным пофантазировать и предположить, что синтетические организмы, приспособленные к специфическим условиям окружающей среды, могут найти применение, например, в процессе терраформирования Марса и других планет. По моему мнению, здесь ключевую роль играет конкретная задача и точное понимание текущих условий. В качестве другого примера можно привести ситуацию разлива нефти, когда на помощь приходят организмы, способные к переработке нефти, даже если такие условия не являются для них типичными. Необходимо найти и выделить их в чистую культуру. Этим занимаются микробиологи, которые нередко оказывают содействие предприятиям в ликвидации последствий экологических катастроф.

― Но будут ли эти организмы потреблять нефть? Возможно, в районе аварии и в прилегающих зонах есть более привлекательная пища?

― Такая ситуация также может возникнуть. В общем, при наличии альтернативы жизнь склоняется к более простому решению. Если же эта нефть является уникальным и единственным ресурсом, то микроорганизмы, безусловно, начнут ее перерабатывать в первую очередь. Разливы нефти случаются в различных местах, включая северные регионы. Однако даже там исследователи выявляют бактерии, способные использовать нефть в качестве источника питания и, тем самым, очищать загрязненные территории.

― В группе вашей лаборатории в Telegram был пост о трех ваших научных мечтах: снять настоящее молекулярное кино, собрать белок, полностью состоящий из неканонических аминокислот, и измерить температуру в разных частях клетки. Вам удалось приблизиться к своим целям?

― Я стремлюсь к масштабным замыслам. В области молекулярного кино мы все с большим интересом ожидаем запуска синхротрона в России СКИФ. Эта мегасайенс-установка предоставит возможность проводить структурные эксперименты с высоким временным разрешением. Это подразумевает, что, применяя короткую вспышку света, в перспективе, после проведения фотохимической реакции, можно будет наблюдать за изменениями в структуре белка с течением времени и сопоставить полученные данные с исходным состоянием. Назвать это «молекулярным кино», вероятно, преувеличение, однако серия таких снимков способна значительно расширить понимание функционирования фотопереключаемого белка или фотоуправляемой системы.

В области синтеза белков с использованием нестандартных аминокислот у нас ведется исследовательская работа.

Обучение введению трех-четырех нестандартных аминокислот откроет еще больше возможностей, поскольку позволит решать задачи иного типа, включая создание уникальных каталитических центров.

При решении вопроса об измерении температуры клетки возникает давняя биофизическая трудность: тепло, выделяемое в ходе реакций, воздействует на температуру окружающей среды. Анализ показывает, что эти изменения могут быть весьма существенными. В частности, в клетках теплокровных животных наблюдаются значительные температурные градиенты в прилегающих областях митохондрий. Это обусловлено активными метаболическими процессами, протекающими в данной области. Вероятно, такая температура является показателем активности органелл и общего метаболизма.

― Появились ли какие-либо новые стремления, дополняющие эти три, в последнее время?

― Я стремлюсь к тому, чтобы мои студенты, аспиранты и сотрудники овладели навыками качественного написания статей и заявок на гранты, а также добивались успехов в получении премий. Подготовка молодых специалистов к самостоятельной работе — одна из ключевых задач, стоящих передо мной как заведующего лабораторией.