Синтетическая биология для космических программ
Биолог Кристофер Карр о пилотируемых полетах на Марс, производстве лекарств в условиях космической миссии и влиянии излучения на живые организмы.
Представьте себе, что в ходе полета на Марс вы вдруг оказались заражены бактериями, которые «прятались» на вашем космическом корабле. К несчастью, у вас нет полного набора всех земных лекарств. Будь вы на Земле, эту болезнь можно было бы с легкостью вылечить, но в экспедиции у вас просто нет нужного препарата. Нам стоит смириться и признать, что миссия окончена, или еще можно что-то сделать? При должном везении и достаточном уровне развития области нам на помощь может прийти синтетическая биология, и мы создадим необходимое лекарство прямо на Марсе. На данный момент это кажется невероятным, но, учитывая, что мы уже знаем, в будущем задача выглядит потенциально выполнимой.
Если вы не хотите читать относительно длинный текст, можете послушать (смотреть там не на что, кроме головы лектора)
11-минутный ролик с хорошим синхронным переводом – ВМ.
Итак, с помощью синтетической биологии можно создать организм, например бактерию B. Subtilis. Ее генетически измененный вариант уже сейчас используется в промышленности для производства множества ферментов и других продуктов – легко представить, что организм вроде модифицируется для производства, скажем, простого лекарства. Так как B. Subtilis – это нормальный комменсал человека, можно допустить, что, как только лекарство будет готово, вы сможете сразу же его выпить. Я не говорю, что именно так и будет, но это предположение не из области фантастики. Поскольку B. Subtilis способна переходить в состояние споры, можно представить себе некую карточку или иную коллекцию различных спор искусственно измененных организмов. Допустим, вам нужно будет сделать лекарство, или синтетическая биология может стать частью системы жизнеобеспечения, или, возможно, использоваться в комбинации с системами выращивания пищи или других растений, или выполнять какую-то другую функцию, необходимую для вашей марсианской миссии. Тогда вы могли бы просто взять эту карточку, выбрать подходящий организм, вырастить его, получить нужный медикамент и вылечиться от инфекции.
Конечно, многие лекарства слишком сложны для такого способа производства или имеют неподходящий состав. На нашем пути много преград, но пока нет ничего невозможного. Один из потенциальных способов использования синтетической биологии для исследования космоса – применение в непилотируемых миссиях. В случае роботизированной миссии модифицированные организмы можно использовать в роли детекторов, скажем, определенных питательных веществ или соединений при очень низкой концентрации – они будут светиться зеленым, производя GFP в ответ на определенное вещество, или могли бы показывать что-то еще, что можно измерить. Я перечислил лишь часть способов применения синтетической биологии в будущих космических миссиях.
В то же время сегодня большая проблема синтетической биологии состоит в том, что мы находимся на начальной стадии развития этой науки. Становится проще редактировать геном, но нам нужны и способы анализа живых систем; вы можете создать флуоресцентный или иной ген-репортер, но также хотите наблюдать и более фундаментальный уровень, знать, стабильна ли генетика таких систем. К примеру, мы создаем инструмент для поиска жизни на Марсе, основываясь на предположении, что, если жизнь там действительно существует, она будет похожа на земную. Так, мы создаем небольшой секвенатор РНК и ДНК, и если такой будет в арсенале у людей или машин, исследующих Марс, то его можно будет использовать для отслеживания состояния синтетической биологической системы.
Кроме того, на более базовом уровне, прежде чем испытывать такие системы в космосе, нужно показать, что они на уровне всего организма и его компонентов будут сохранять функциональность в тяжелых космических условиях. Сейчас это проверяется различными эмпирическими путями: B. Subtilis, например, побывала в космосе и прямо подвергалась воздействию вакуума на низкой околоземной орбите – на эту тему была волна публикаций в 2013 году. Но нам также необходимо знать на уровне компонентов, можно ли использовать биологические структуры в космическом оборудовании, можно ли использовать их как часть синтетических биологических систем в будущих космических программах. Это ключевой аспект проверки наших инструментов обнаружения жизни на Марсе – мы используем биологические компоненты, используем ДНК-полимеразу и другие ферменты ДНК в качестве положительного контроля, а также ДНК-олигомеры как праймеры для реакции секвенирования, для ПЦР.
Один из наших экспериментов состоял в следующем: мы взяли набор таких компонентов и подвергли их излучению, аналогичному космическому. Мы воздействовали на них нейтронами здесь, в ядерном реакторе MIT. Точнее, мы использовали не сам реактор, а источник калифорния, аналогичный по мощности тому излучению, которому эти компоненты подверглись бы во время миссии на Марс. Нейтроны не основной элемент этого излучения, но очень частая вторичная составляющая, и мы также использовали такие компоненты космического излучения, как протоны, которые являются частью солнечного и галактико-космического излучения. Мы воздействовали на реагенты протонами, это происходило при помощи протонной установки в Центральной больнице Массачусетса. Мы также подвергли их действию тяжелых ионов железа и кислорода в Брукхейвенской Национальной лаборатории. Это одно из немногих мест, если не единственное, где можно симулировать тяжелоионный компонент космического излучения.
На данный момент при стандартных относительных дозах мы обнаруживаем незначительные эффекты. Только при гораздо более высоких дозах излучения, которые могут быть, скажем, на Европе, были заметны некоторые изменения. Мы тестировали влияние только протонов, но результаты их воздействия были видимы, так что можно предполагать, что если вы, например, хотели бы проверить наличие жизни на Европе при помощи инструментов с биологическими компонентами, то вам следует позаботиться об экранировании. Такое тестирование функциональности биологических компонентов нам кажется первыми шагами к использованию синтетической биологии в космосе. Мы надеемся, что по мере развития области мы все-таки увидим ее серьезное применение для этих целей.
На пути использования достижений этой дисциплины еще есть препятствия, которые необходимо преодолеть. Первое и самое важное из того, что приходит на ум, – это радиация, а на втором месте – вопрос хранения. Обычно в лаборатории о биологических системах заботятся, своевременно их кормят, будь это C. Elegans или клеточная культура, мы поддерживаем их существование, защищаем их, и, соответственно, нам придется делать то же самое в условиях космоса. Это создает дополнительную нагрузку для космического корабля, на котором будет находиться такая биологическая система, увеличивает и груз пилотируемой миссии, и финансирование, делает полет сложнее. Эти проблемы нужно решить, прежде чем применять синтетическую биологию для космических программ.
Как это сделать? Один из способов – выгодно использовать развитую способность некоторых организмов к стазису, например тех, что могут существовать в состоянии споры или ином состоянии с минимальным потреблением энергии, в котором они способны выдерживать широкие диапазоны температур и высокие концентрации различных веществ. Одним из примеров могут быть тихоходки – эукариоты, которые выдерживают колоссальные перепады температур: от почти абсолютного нуля до очень высоких, и можно представить себе использование генетического материала этих животных для создания синтетических или генетически измененных систем, которые могут долгое время находиться в состоянии стазиса и быть разбужены по первому требованию.
Таким образом, синтетическая биология находится лишь в начале своего развития. В каком-то смысле она является естественным шагом научного прогресса или, может быть, дополняет существующие знания, поскольку продолжает путь генной инженерии, где уже немало было сделано. Можно вообразить множество применений новых знаний в рамках космических программ, но выяснение того, можно ли их действительно разумно использовать, потребует огромных усилий. Если мы будем способны хранить синтетические биологические системы и они смогут выдерживать перепады температур, не станут требовать питания на протяжении долгого времени и так далее, то есть не будут усложнять миссию, то мы сможем использовать громадный потенциал миниатюрных компьютеров, которые мы называем клетками. Реагируя на химические молекулы или другие сигналы в окружающей среде, они могут помочь нам их обнаружить. Таким образом, мы заменим очень сложные системы компактными и мощными биологическими инструментами.
Об авторе:
Christopher Carr – Research Scientist, Massachusetts Institute of Technology, Department of Earth, Atmospheric and Planetary Sciences.
Портал «Вечная молодость» http://vechnayamolodost.ru
29.01.2015