Жизнь в лаборатории – какая она?

Если бы мы создали жизнь в лаборатории, воспринимали бы мы ее по-другому?

Перевод эссе о трактовке жизни, синтетической биологии и о новых формах жизни

Что такое жизнь? В течение большей части 20-го века этот вопрос не особенно волновал биологов. Жизнь – это термин для поэтов, а не ученых, утверждал синтетический биолог Эндрю Эллингтон в 2008 году, который начал свою карьеру, изучая, как начиналась жизнь. Несмотря на оговорки Эллингтона, смежные области исследований происхождения жизни и астробиологии вновь сосредоточились на смысле жизни. Чтобы осознать другую форму, которую жизнь могла принять 4 миллиарда лет назад, или форму, которую она могла принять на других планетах, исследователи должны понять, что, по сути, делает что-то живым. 

Жизнь, однако, является движущейся целью, как давно заметили философы. Аристотель отличал «жизнь» как концепцию от «живых» – совокупности существ, составляющих наш мир, таких как собака соседа, мой двоюродный брат и бактерии, растущие в раковине.

Чтобы знать жизнь, мы должны изучать жизнь; но жизнь всегда меняется во времени и пространстве.

Пытаясь определить жизнь, мы должны учитывать жизнь, которую мы знаем, и ту жизнь, которую мы не знаем. По словам исследователя происхождения жизни Пьера Луиджи Луизи из Университета Рома Тре, существует такая жизнь, какой она есть сейчас, жизнь такой, какой она могла быть, и жизнь такой, какой она была когда-то. Эти категории указывают на дилемму, к которой обращались средневековые мистические философы. Жизнь, как они заметили, всегда больше, чем жить, что делает ее, как это ни парадоксально, недоступной для жизни. Из-за этого разрыва между реальной и потенциальной жизнью многие определения жизни сосредоточены на ее способности изменяться и развиваться, а не пытаться определить фиксированные характеристики.

В начале 1990-х годов, консультируя НАСА о возможностях жизни на других планетах, биолог Джеральд Джойс, который сейчас работает в Институте биологических исследований Солка в Калифорнии, помог разработать одно из наиболее широко используемых определений жизни. Оно известно как химическое дарвиновское определение:

«Жизнь – это самодостаточная химическая система, способная претерпевать дарвиновскую эволюцию».

В 2009 году, после десятилетий работы, группа Джойса опубликовала статью, в которой они описали молекулу РНК, которая катализировала собственную реакцию синтеза, чтобы сделать копии себя. Эта химическая система соответствовала определению жизни Джойса. Но никто не хотел признавать, что эта система живая. В статье New York Times говорится так: «Однажды геном может удивить своего создателя неожиданным словом – трюком или новым ходом в игре жизни. 

«Если бы это случилось, если бы оно сделало это для меня, я был бы счастлив», – сказал доктор Джойс, добавив: «Я не буду говорить это вслух, но это – живое»

Джойс стремится понять жизнь, пытаясь создать простые живые системы в лаборатории. Он и другие синтетические биологи пытаются создать новые формы жизни. Любая попытка синтезировать новые формы жизни указывает на факт, что есть бесконечные возможности того, какой жизнь может быть. Синтетические биологи могут изменить способ эволюции жизни или ее способность развиваться в принципе. Их работа поднимает новые вопросы об определении жизни на основе эволюции. Как классифицировать измененную жизнь – продукт разрыва в цепи эволюционного происхождения?

История происхождения синтетической биологии выглядит следующим образом: в 1997 году Дрю Энди, один из основателей синтетической биологии, а ныне профессор биоинженерии в Стэнфордском университете в Калифорнии, пытался создать компьютерную модель простейшей формы жизни, которую он мог найти: бактериофага T7, вируса, который заражает бактерии E. coli. Кристаллическая голова на тонких ногах похожа на приземляющуюся на Луну капсулу, когда она цепляется за своего бактериального хозяина. 

Бактериофаг настолько прост, что по некоторым определениям он даже не жив. (Как и все вирусы, он зависит от молекулярного механизма клетки-хозяина.) Бактериофаг T7 имеет только 56 генов, и Энди подумал, что возможно создать модель, которая учитывает каждую часть фага и как эти части работают вместе. Идеальное представление, которое предсказывало бы, как фаг изменится, если какой-либо из его генов будет перемещен или удален.

Энди построил серию мутантов бактериофага Т7, систематически выключая гены или раскидывая фрагменты генов по крошечному геному Т7. Мутантные фаги соответствовали этой модели лишь частично. Изменение, которое должно было вызвать их ослабление, вместо этого вело к тому, что их потомство разрывало клетки кишечной палочки вдвое быстрее, чем раньше.

В конце концов, Энди осознал: «Если мы хотим смоделировать мир природы, мы должны его переписать, чтобы он был моделируемым».

Вместо того, чтобы пытаться сделать лучшую карту, измените территорию.

Так родилась область синтетической биологии. Заимствуя методы разработки программного обеспечения, Энди начал «рефакторировать» геном бактериофага Т7. Он создал бактериофаг T7.1, форму жизни, разработанную для облегчения интерпретации человеческим разумом.

Фаг T7.1 является примером того, что один синтетический биолог назвал наддарвиновской жизнью: жизнью, которая обязана своим существованием человеческому замыслу, а не естественному отбору. Биоинженеры, такие как Энди, подходят к жизни с двойственной точки зрения: физической структуры, с одной стороны, и структуры информации, с другой.

Теоретически, идеальное представление о жизни обеспечило бы плавный переход между информацией и материей, намерением и реализацией: измените некоторые буквы ДНК на экране вашего компьютера, распечатайте организм, который выглядит и ведет себя так, как нужно создателю.

При таком подходе эволюция грозит испортить план инженера. Для сохранения своего биологического дизайна может потребоваться, чтобы ваши инженерные организмы не могли размножаться или развиваться.

Желание Джойса, чтобы его молекулы удивили его, говорит о том, что способность к открытой эволюции – «изобретательность, плюрипотентность, открытость» – является ключевым критерием жизни.

В соответствии с этой идеей, Джойс теперь определяет жизнь как «генетическую систему, которая содержит больше битов [информации], чем число, которое требовалось для начала ее работы».

Согласно этому определению, учитывая две идентичные системы с разной историей – спроектированной и эволюционированной – только последняя будет считаться живой. Рационально разработанная система, какой бы сложной она ни была, будет просто «технологическим артефактом».

Дизайн и эволюция не всегда противоположны.

Многие проекты в области синтетической биологии используют сочетание рационального дизайна и направленной эволюции: они создают множество мутантных клеток – вариаций на тему – и выбирают те, которые работают лучше всего. Хотя новое понимание жизни Джойс по-прежнему включает в себя эволюцию, оно вызывает внезапную временность появления, а не долгий естественный отбор по Дарвину.

Новая жизнь соответствует культуре разрушительных инноваций, чей конечный идеал приближается к чему-то вроде волшебства вытаскивания почки из 3D-принтера: очарование соединения знакомых вещей с новыми и удивительными результатами.

Дизайн и эволюция также совместимы, когда биоинженеры смотрят на генетическое разнообразие как на сокровищницу элементов дизайна для будущих форм жизни.

Для некоторых синтетических биологов путь к тому, что мистики называли жизнью за пределами жизни – жизнью, которая превосходит жизнь, какой мы ее знаем, – сейчас проходит через биологическую инженерию. Энди описывает свое призвание с точки зрения желания внести свой вклад в жизнь путем создания новых видов «невероятных моделей, которые продолжают процветать и существовать». Джойс представляет жизнь и технологии, объединяющие силы против фундаментальной термодинамической тенденции к беспорядку и разложению. Какие новые формы примет жизнь, покажет только время.

Оригинальный текст на английском языке