Американец Крэйг Вентер — фигура знаковая в мире биотехнологий. Он был одним из главных людей в гонке за расшифровку человеческого генома, он ищет минимальный набор генов, необходимых для жизни, и он же создает искусственную, синтетическую жизнь. Последние два направления тесно связаны между собой. Например, для одних экспериментов команда Вентера взяла бактерию Mycoplasma mycoides и последовательно удаляла из ее генома разные гены, чтобы проследить, какие из них критичны для поддержания жизни, а какие нет — так они получили набор из 473 генов.
Дальше ученые взяли этот минимальный геном, полностью синтезировали его «в пробирке» и внедрили в предварительно выскобленные, лишеные ДНК, живые бактерии Mycoplasma mycoides. В результате эти наполовину искусственные, наполовину природные микроорганизмы даже могли размножаться и получились вполне жизнеспособными. Такие конструкты Вентер и называет синтетической жизнью — может быть, немного громко, но, судя по тому, что его исследования отлично публикуются в лучших научных журналах, как минимум какой-то части научного сообщества такая смелость импонирует.
Впрочем, у Вентера есть и другие, еще более смелые проекты. В последнее время он любит рассказывать о «биологической телепортации» — следующем уровне истории с синтетической жизнью. По задумке Вентера, можно сделать принтер с чернилами из нуклеотидов и аминокислот, который будет получать данные о расшифрованных геномах и печатать по ним живые клетки и микроорганизмы. Этой идеей ученый заразил Илона Маска, и теперь они вместе мечтают о биологическом принтере на Марсе, чтобы распечатать бактерии для терраформирования климата красной планеты под привычные нам условия.
Недавно этот проект сделал первый шаг. В Nature Biotechnology вышла статья с принципиальной схемой биологического принтера и первыми результатами экспериментов: ученые распечатали молекулы ДНК, РНК и белков, вирусные частицы гриппа и венесуэльского энцефаломиелита лошадей, а также бактериофагов. Правда, никаких слов о биологической телепортации там нет, да и сам биологический принтер называется несколько скромней и технологичней — дигитально-биологическим конвертером.
В первом испытании конвертера ученые решили сделать зеленый флуоресцентный белок, структура которого кодировалась фрагментом ДНК на 1500 оснований. Сначала программа разбила эту генетическую последовательность на несколько фрагментов, по которым принтер синтезировал набор олигонуклеотидов. После эти олигонуклеотиды размножили полимеразной цепной реакцией и собрали уже в молекулы ДНК, по которым в отдельном реакторе с загруженным набором аминокислот и различных ферментов, необходимых для транскрипции и трансляции, был синтезирован требуемый белок.
Вирусные частицы получали по более сложным схемам. Например, для вируса гриппа H1N1 сначала точно таким же путем синтезировали два белка, формирующих оболочку вируса, — гемагглютинин и нейраминидазу. Потом к ним добавляли плазмиды вирусных ДНК и вводили эту смесь в культуру клеток, и на шестой день после заражения из инфицированных клеток появлялись вирусные частицы.
Для работы конвертера нужно очень много биологического сырья — аминокислот, нуклеотидов, различных ферментов, поэтому всерьез рассчитывать с такой технологией в ближайшее время заселить Марс земными формами жизни опрометчиво. Зато уже сейчас принтер может напечатать ДНК длиной до 6000 тысяч оснований с точностью около 70%. Поэтому авторы статьи рассчитывают, что их приборы можно будет продавать биологическим лабораториям, где постоянно синтезируют различные биомолекулы. Так что Марс может быть спокоен — пока человечество всерьез на него не претендует.
Все любят дроны: они дают взглянуть на привычные пейзажи сверху, помогают спасателям и полиции, инспектируют нефтяные вышки и поля фермеров и в конце концов могут просто доставить вам горячую пиццу. Но ни один дрон пока не может быть таким же маневренным, как насекомые, и поэтому инженеры с учеными все пытаются научиться управлять насекомыми.
В начале 2017 года в этой области появился новый амбициозный игрок: американская компания Draper заявила, что вскоре они превратят стрекоз в живые управляемые дроны. Теперь есть первые новости об этом проекте: разработчики опубликовали небольшое видео, на котором они показывают как нагруженная электроникой стрекоза-киборг летит по командам испытателей строго по прямой.
Никаких подробностей разработки пока не сообщается, и рассуждать об устройстве кибернетической стрекозы можно только по материалам зимнего пресс-релиза компании. Там сообщалось, что для приручения живых стрекоз их генетически модифицируют так, чтобы нейроны насекомых, управляющие движениями мышц, возбуждались под действием света. Кроме этого, разработчики хотели сделать миниатюрные волноводы, фокусирующие свет именно на отдельных нейронах, и планировали закрепить на спине у стрекозы миниатюрный «рюкзак» с технологичной начинкой: радиопередатчиком, принимающем управляющие сигналы, электроникой для преобразования этих сигналов в световые импульсы, бегущие по волноводам, и солнечной батареей, питающей все это хозяйство.
Судя по видео, инженерам вполне удалось воплотить свои задумки. Теперь посмотрим, что будет дальше. Все в том же анонсирующем релизе Draper планировала использовать бионических стрекоз для переноски грузов и разведки, а также обещала заняться и другими насекомыми — например, пчелами.
Есть два сериала. В одном герои постоянно зависают в кафе, обсуждая свои мечты и любови, — это сериал «Друзья». А в другом два брата готовят побег из тюрьмы — это сериал «Побег». Отличить их сможет даже инопланетянин, но корейские ученые вместе с американскими коллегами пошли дальше: они научили пробирки с фрагментами ДНК различать диалоги из сериалов.
Детали исследования приводятся в журнале BioSystems. Из каждого сериала исследователи выбрали по 10 характерных фраз: например, «я пошел в ванную» или «она единственная в своем роде» из «Друзей» и «я мертвец» или «есть только один способ» из «Побега». Дальше эту выборку разбили на две части: по пять фраз из каждого сериала использовали для обучения системы, а еще по пять — для проверки ее успехов.
Сначала предложения перевели на язык нуклеотидов. Все фразы разбивали на три смысловые части (чаще всего это были отдельные слова, иногда — словосочетания), каждую из которых кодировали уникальными последовательностями из восьми нуклеотидов. Дальше по этим шифрам синтезировали фрагменты ДНК. При этом между каждыми смысловыми островками, кодирующими слова из сериалов, вставляли фиксированные, одинаковые для всех ДНК последовательности нуклеотидов. То есть каждое зашифрованное предложение выглядело следующим образом: сначала идет фиксированная последовательность нуклеотидов, потому восемь нуклеотидов, кодирующих первую фразу из предложения, потом другая фиксированная последовательность, потом еще восемь смысловых нуклеотидов для второй части фразы и так далее.
На этапе обучения системы ученые синтезировали из пяти тестовых фраз линейные, одноцепочечные молекулы ДНК, а потом размножали их и «сплетали» в плотные клубки перепутанных макромолекул, которые в исследовании называются «гиперсетью». После этого начиналось тестирование: к гиперсети добавляли ДНК, кодировавшие шестые предложения, и новые одноцепочечные ДНК начинали соединяться со старыми макромолекулами.
За счет тех самых фиксированных, универсальных для всех ДНК последовательностей нуклеотидов, разбивающих смысловые островки, объединиться между собой могли любые две молекулы, а дальше начинались вариации. Если два предложения были абсолютно одинаковыми, то молекулы ДНК идеально подходили друг к другу и «застегивались» друг на друга, как молния на одежде. Если же смысловые островки в ДНК отличались, то в этих местах молния расходилась.
Для того чтобы узнать результаты тестирования, ученые применяли метод гель-электрофореза: смесь ДНК пропускали через пористый гель, к которому было приложено электрическое напряжение. Под действием напряжения молекулы ДНК постепенно мигрировали через гель. При этом чем меньше дефектов и расхождений было в молниях ДНК, тем быстрее они «проползали» гель насквозь.
Именно за счет этого эффекта «обученные» гиперсети ДНК и могли различать неизвестные им фразы из сериалов. Когда ученые добавляли в пробирки новые ДНК, они как бы задавали системе вопрос: «А это из какого сериала?» — а потом смотрели, как быстро экспериментальная смесь пройдет через гель, и переводили эти данные в однозначный ответ: фраза «свидание с мужчиной», определенно, из «Друзей». По результатам исследования четвертые и пятые тестируемые предложения распознавались сетями ДНК уже со стопроцентной точностью.
Свой подход ученые называют «молекулярным машинным обучением» и обещают, что со временем подобные алгоритмы станут гораздо мощней и гибче, чем современные нейронные сети, просчитываемые обычными кремниевыми полупроводниками. Звучит немного самонадеянно, но главного факта это все-таки не отменяет: даже молекулы ДНК, заведомо лишенные сознания, кое-что понимают в сериалах.
Представьте, что врач сказал вам три раза в день записывать свою температуру, потому что есть опасность схватить какое-то редкое заболевание. Надо завести блокнот или табличку в «Экселе», поставить себе напоминания на телефоне и быть предельно методичным — в общем, вряд ли вы продержитесь больше недели. Поэтому люди разрабатывают все новые устройства, которые могут постоянно и незаметно следить за вашим здоровьем наподобие фитнес-браслетов.
Ученые из Гарварда решили приспособить к медицинской диагностике кишечных бактерий — не зря же их суммарно на порядок больше, чем всех клеток в нашем организме. Американцы вывели генетически модифицированную линию кишечной палочки E. coli, которая реагирует на воспаление кишечника и «помнит» о нем еще полгода после болезни.
Детали исследования ученые приводят на страницах статьи в журнале Nature Biotechnology. Они взяли штамм кишечной палочки, обитающей в кишечнике, и ввели в ее геном несколько дополнительных генов от других бактерий и вирусов. В результате модифицированные E. coli cтали чувствительны к тетрахинату — веществу, образующемуся при воспалении кишечника. В его присутствии бактерии выделяли другое вещество — фермент бета-галактозидазу, а диагностировать это можно было, высадив культуру кишечной палочки на питательную подложку: в обычном состоянии (без тетрахината) бактерии были прозрачными, а в «возбужденном» (то есть с тетрахинатом, спровоцировавшим синтез бета-галактозидазы) они окрашивались в зеленый цвет.
Сначала ученые успешно испытали своих бактерий in vitro, а после перешли к более серьезным экспериментам и скормили культуру модифицированных E. coli здоровым лабораторным мышам. После того как пробиотик встроился в экосистему кишечника грызунов, мышей заразили сальмонеллой S. typhimurium, чтобы проверить работу бактерий-диагностов. Тестирование прошло успешно: в фекалиях зараженных грызунов появлялись характерные следы тетрахината, в то время как у здоровых мышей все оставалось без изменений.
Дополнительные эксперименты показали, что E. coli полностью сохраняет свои диагностические способности даже спустя полгода после введения пробиотика. Теперь ученые планируют аналогичным способом создать живые бактериологические сенсоры на другие вещества и заболевания.
Михаил Петров
