Ксенобиология - как люди становятся богами
Религия говорит нам о том, что происхождение жизни божественно, но люди не стоят на месте, и совсем скоро монополия на создания жизни будет нарушена. В продолжении своего поста про астробиологию решила выложить обзор о ксенобиологии, науке об искусственной жизни.
С одной стороны жизнь на нашей планете очень разнообразна, начиная с бактерий и заканчивая вымершими динозаврами (22 мая мы даже празднуем день биологического разнообразия), но с другой стороны на молекулярном уровне мы мало чем отличаемся не только от обезьяны, но и от грибов и растений. У нас у всех одинаковая структура ДНК, в которой одинаковым кодом зашифрована полная информация о нас, с них копируются матричные РНК, а на больших молекулах рибосомах эта зашифрованная информация превращается в белки, опять же с помощью похожих транспортных РНК, а все описанные события происходят в биологической клетке, окруженной липидной мембраной. Конечно, есть нюансы и иногда даже большие, но основа все-таки у нас одна.
Так вот ксенобиологи хотят выйти из этих природных, фиксированных миллиарды лет назад эволюцией рамок и изменить саму биохимическую основу нашей жизни. Исследования в области ксенобиологии можно условно подразделить на группы:
- создание искусственной клетки (или протоклетки);
- создание искусственных аминокислот и белков;
- изменение генетических носителей ДНК и РНК;
- альтернативная биохимия, которая основана не на углероде и воде.
А начну я, пожалуй, с протоклеток. Существующие на сегодняшний день живые организмы (я не беру расчет в вирусы, хотя лично я считаю их тоже живыми) имеют клеточную структуру. Каждая биологическая клетка окружена липидной мембраной (два слоя молекул липидов, которые состоят из гидрофильной головки и имеют длинный гидрофобный хвост, точнее 2 хвоста). В случае экзотических организмов, типа архей, структура мембраны бывает сложнее, но, в целом, принцип одинаковый.
Протоклетка или протобионт (в русской литературе чаще встречается второй вариант, но на мой взгляд название «протоклетка» ближе к действительности, поэтому, с вашего позволения, я буду использовать его) - это самоорганизующаяся структура, отделяющая внутреннее содержимое от внешнего мира, другими словами это структура подобная биологической клетке, с которой предположительно и начала формироваться современная жизнь на заре эволюции. Самый большой вопрос, который мучает ученых относительно этих простых структур - как они сформировались миллиарды лет назад и как эволюционировали в современные клетки.
В принципе, сейчас создать замкнутую сферическую структуру из липидной мембраны (что, в принципе уже можно считать простейшей протоклеткой) не сложно, а вот поместить в нее другие биологические молекулы, которые будут взаимодействовать, чтобы мы смогли наблюдать сложные биохимические реакции, уже намного сложнее. Ну, а заставить их еще и делиться вообще задача на сегодняшний день трудно решаемая, к сожалению, до сих пор нет опубликованного удачного эксперимента в лабораторных условиях.
Предположительно, в древние времена, когда протоклетки образовывались скорее случайно, а не благодаря сложным биологическим процессам, структурными единицами были не липиды, а жирные кислоты. Образуемая из них мембрана менее прочная и легче проницаема для органических молекул. Это сейчас в клеточной мембране есть куча приспособлений для транспорта нужных соединений внутрь и ненужных наружу, а тогда примитивные живые организмы не имели такой роскоши, поэтому приходилось выхватывать из потока, проходящего через протоклетку то, что можно использовать. Приведу пример, сейчас мы живем в изолированных домах, когда нам что-то нужно, мы покупаем это и приносим домой, а мусор выносим в мусорный контейнер. А теперь представьте, что мы живем в центре урагана и в нашем доме вместо окон большие дыры, тогда ветер будет проносить сквозь него все, что попадается на его пути: стулья, еду, комнатные цветы, одежду. Кругом нет ни магазинов, ни даже дорог, а мы не знаем как в этом хаусе передвигаться и самое главное куда. Тогда мы будем просто сидеть дома и ждать пока нужные нам вещи просто влетят нам в окно, мы их возьмем и будем использовать, а мусор просто оставим в комнате в ожидании момента, когда ветер унесет его прочь. Приблизительно так поступали протоклетки миллиарды лет назад, жизнь и потоки органики были хаотичны, поэтому клеточная мембрана была совсем другой.
Сейчас ученые конструируют протоклетки из различных липидов и жирных кислот, а затем изучают какие молекулы и при каких условиях могут проходить внутрь. Таким образом они стараются смоделировать первые живые организмы на нашей планете. Фактически, ученые ищут грань между еще не живыми органическими молекулами и живыми организмами. Для меня, как биолога, это амбициозная, но безумно красивая задача. На Ted.com есть интересная лекция Мартина Ханцика (Martin Hanczyc): Грань между живым и не живым. В ней он очень доступным языком описывает результаты экспериментов с протоклетками.
В исследованиях простейших форм жизни участвуют не только ксенобиологи, но и астробиологи, о которых я недавно писала, так как благодаря подобным экспериментам можно оценить условия на планете, при которых способна зародиться жизнь и, следовательно, понять, где и по каким критериям стоит искать обитаемые планеты.
Искусственную клетку можно понимать по-разному: с одной стороны это может быть протоклетка, созданная из неживых молекул, с другой стороны это может быть организм, контролируемый искусственным ДНК. Так в 2010 году было объявлено о создании первой искусственной клетки. Ученые взяли последовательность ДНК Mycoplasma capricolum, переписали нативный генетический код и собрали его искусственно, после чего внедрили его в клетку Mycoplasma mycoides, предварительно лишенную родного ДНК. Клетка не только приняла чужеродные гены, но и начала синтезировать белки, а также размножаться.
Следующая большая группа исследований посвящена изменению главных молекул, из которых состоят живые организмы - белков. Основная проблем подобных экспериментов - это сохранение трехмерной структуры белка и способности обеспечить правильный процесс сворачивания в эту 3D структуру. К счастью, сейчас имеется огромный опыт по предсказанию и моделированию поведения белка с помощью мощных компьютеров, что позволило сильно продвинуться в этом направлении.
Но просто изменять порядок аминокислот для ксенобиологов не достаточно интересно, поэтому они ищут способы внедрить в белок аминокислоты, которые в природе не встречаются (по крайней мере, не входят в состав нормальных белков).
Не смотря на то, что в школе нас учат, что аминокислот всего 20 (а особо продвинутые знают, что их 21 и одна из них иминокислота), в природе все намного интереснее. Многие бактерии научились использовать альтернативные аминокислоты, в том числе и хиральные (это зеркальное отражение существующих аминокислот) в структуре небольших белков или пептидов, часто они используют как антибактериальные агенты. А необычные аминокислоты нужны, чтобы получить специфические структуры и быть «невидимыми» для бактериальных ферментов протеаз, которые могут разрушить чужеродный белок еще до выполнения его злого умысла. Правда в создании этих пептидов есть небольшая хитрость, как правило, они собираются не с помощью рибосомы и матричной РНК, как практически все белки, а с помощью огромных ферментных комплексов, которые сшивают и модифицируют существующие аминокислоты в такие экзотические пептиды. Так что природе тоже не чужды эксперименты по ксенобиологии :-)
Новые аминокислоты - перспективное направление, но как их встроить в белок?
В мире существует огромное количество языков и алфавитов, но один алфавит, самый древний, объединяет не только все человечество, но и все живые организмы на планете: нуклеотидный алфавит ДНК. Всего 4 буквы ДНК (и соответствующие им 4 буквы РНК) складываются в короткие слова из 3 букв (триплеты), которые кодируют 20 природных аминокислот (как я уже упоминала, иногда их бывает и больше) составляющих наши белки.
А что если изменить этот канонический алфавит?
К сожалению, использование дополнительных аминокислот сильно ограничено генетическим кодом, который может кодировать только 64 кодона, при этом многие важные аминокислоты используют больше, чем один кодон, таким образом, свободных кодонов, за которыми можно закрепить новые аминокислоты осталось очень мало. Но, как оказалось, это решаемая проблема. Например, можно кодировать не только триплетами, а квадруплетами (используют 4 "буквы" ДНК), тем самым мы значительно увеличим количество слов до 256. Уже есть успешные эксперименты, в которых при считывании матричной РНК E.coli в белок была встроена искусственная аминокислота, закодированная квадруплетом.
Можно еще ввести дополнительные нуклеотиды, к сожалению, у данного подхода есть несколько проблем: классическая структура ДНК может сильно видоизмениться, а полимеразы (белки, которые считывают ДНК) просто не узнают XNA (искусственная нуклеиновая кислота в англоязычкной литературе называется xino-NA или сокращено XNA, при переводе на русский получается КНК, что на мой взгляд, выглядит не так запоминающимся, поэтому я использую английский вариант).
Буквально в мае этого года появились данные, что ученым удалось создать организм с двумя дополнительными нуклеотидами X и Y (очень символично, не правда ли...).
Чаще всего ученые, которые работают в направлении модификации ДНК (весьма пока далеком от полной реализации) задаются философским вопросом: почему природа выбрала именно ДНК или РНК? Произошло это случайно или это был единственный вариант? Исследования по созданию XNA, могут помочь получить ответы.
Когда речь заходит об альтернативном алфавите и XNA очень модно стало упоминать о биобезопасности форм жизни, созданных на базе XNA. Действительно, эти организмы биохимически несовместимы с нами и их генетический код и метаболизм не способны влиять на наш. Но, смотря на то, какие страшные гонения обрушились на «голову» ГМО, я невольно задаю себе вопрос: а не постигнет ли та же участь XNA-организмы? Ведь уже много лет во многих странах проводятся исследования ГМО (а в некоторых странах их едят много лет) и пока ни одного факта их вреда (да что уж про вред, даже простого влияния на нас и наше здоровье) не обнаружено, но лоббисты на столько сильны, а люди привыкли верить в то, что слышат по телевизору, что во многих странах продолжает действовать запрет на использование ГМО. Сейчас я все больше убеждаюсь: как только создадут на базе XNA то, что можно пустить в продажу, найдутся тысячи псевдо-ученых, которые с голубых экранов начнут кричать о вреде для нас и, самое страшное, для наших детей, а цены на БИО- и ОРГАНО-продукты уверено поползут вверх к радости огромных корпораций. Ведь только в этом и есть истинная цель подобной охоты на ведьм.
На мой взгляд, самое интересное в области изменения белков и нуклеиновых кислот - это создание хиральной жизни. Сложные органические молекулы, в которых у атома углерода 4 разных заместителя обладают хиральной активностью, то есть могут быть зеркальным отражением друг друга (как левая и правая рука), такие пары молекулы называют стереохимическими изомерами (или L- и D-изомерами) и как ты их не крути, один никогда не превратится в другой. Исторически сложилось, что природные аминокислоты L-изомеры, а углеводы D-изомеры. Обратные формы встречаются крайне редко и, как правило, не могут использоваться обычными организмами. Почему миллиарды лет назад были выбраны именно эти изомеры до сих пор остается загадкой. Но у ученых-ксенобиологов есть мечта - создать хиральную жизнь, ее еще называют "черной материей" биологии :-) К сожалению, такая жизнь может выживать только в лабораторных условиях, так как ей нужны крайне редкие L-изомеры углеводов и D-изомеры аминокислот. Один из способов ее создать - выращивать бактерии на «зеркальной» среде, некоторым даже удалось вывести таким способом бактерию, которая спокойно жила на такой среде, но, к сожалению, она не оказалась созданной из "черной материи", а она научилась вырабатывать специальные ферменты - рацемазы, которые способны превращать неправильные стерео-изомеры в нужные. Сейчас очень много научных изысканий на тему зеркальной биологической жизни, сможет ли она жить самостоятельно, как будет взаимодействовать с обычными живыми организмами, какое потенциальное применение. Но, не смотря на успехи в этой области, до создания подобной экосистемы еще очень далеко.
А что будет, если попробовать изменить самое незыблемое в нашей жизни - углерод и воду? На эти вопросы можно найти ответы в разделе ксенобиологии, изучающей альтернативную биохимию.
Почему углерод? Углерод - один из самых распространённых элементов Вселенной, к тому же, благодаря тому, что он может образовывать 4 связи, а также двойные и тройные связи, природа смогла создать огромное разнообразие органических молекул, что необходимо для поддержания нашей жизни. Наилучший кандидат на замену углерода - кремний. Он тоже может образовывать 4 связи, но из-за своего гораздо большего размера, намного сложнее образует двойные и тройные связи, что необходимо для создания полимеров, особенно аналогов липидов. Также это значительно сокращает потенциальное разнообразие кремне-органических молекул. Еще один недостаток: аналог углекислого газа, диоксид кремния, чаще всего является твердым веществом, которое крайне трудно удалить из организма. Т.е. в кремневом мире из живых организмов песок будет сыпаться в прямом смысле слова. Да и встречается он в бескрайнем космическом пространстве гораздо реже. Но есть небольшой парадокс: на нашей планете кремния все-таки больше чем углерода, однако, жизнь у нас все равно углеродная. Может это связано с тем, что наши предки были занесены на планету извне, а может это свидетельствует о том, что углерода больше подходит для развития жизни. Но ученые продолжают искать следы кремневой жизни во Вселенной.
Существует еще ряд теорий о жизни на основе фосфора, азота и бора, но они, как правило, носят совсем спекулятивный характер (подробнее об этом можно прочитать здесь). Самый экзотический элемент, который может участвовать в формировании жизни - мышьяк, и долгое время такие теории даже не рассматривались. Пока в 2010г учеными из NASA не была обнаружена бактерия, которая активно использует мышьяк вместо фосфора.
Воду как растворитель заменить легче, чем углерод, например, жизнь может зародиться в аммиачном океане (есть только один недостаток, такой океан при похолодании будет промерзать до дна). Еще один кандидат - метан и/или этан, купаться нам в такой маслянистой водичке вряд ли будет приятно, но для жизни, рожденной в ней, вполне подойдет. На это счет строиться много теорий, по весьма интересной причине. Титан, спутник Сатурна, является одним из первых кандидатов на поиск внеземной жизни, а ледяные берега этого далекого мира омывают именно метан-этановые моря и реки. Ну, очень ученым хочется найти теоретическое доказательство возможности существования там жизни. Как я их понимаю!
Пытаясь понять нашу жизнь и нашу историю, мы все больше углубляемся в альтернативную или искусственную жизнь. Куда нас заведут эти поиски биологического смысла жизни? Мне, как ученому, не так уж и важно, откуда мы берем начало: с другой планеты или из протоклетки на этой, но любопытство всегда берет верх. Чем больше мы узнаем, тем больше мы осознаем свое невежество.
Источник
Также рекомендую:
Астробиология: от фантастики к реальности
В космосе обнаружен витамин В3
Вселенная
Большой взрыв. Рождение и развитие Вселенной
Энергия Вселенной
10 странных вещей во Вселенной
Обнаружена самая далёкая от Солнца планета Солнечной системы
Великий космос!
Cassini нашел в Энцеладе океан
Землеподобная планета Kepler-186f