Биомиметика — наука на стыке генной инженерии и биологии. Берём готовые куски генетического кода и пытаемся копипастами собрать что-то другое — своё. Получается, конечно, тот ещё костыльный код, но если это работает, то это не глупо.
Если из одного растения переставить код фотосинтеза в другое, то можно на 20 % увеличить урожаи, например, табака и риса. Можно лечить болезни, заменяя пару байтов в коде и превращая целые его участки в комментарии. Ну или можно создавать планетарные угрозы — это тоже на горизонте.
Бактериофаг под микроскопом — полноценная молекулярно-генетическая машина, полученная наукой для лечения бактериальных инфекций
Собственно, мысль простая. Все живые организмы, от вируса до человека, сталкиваются с одними и теми же задачами: адаптацией к условиям окружающей среды, перемещением, получением энергии, размножением, защитой от других организмов и т. д. Вот только у живой природы были миллиарды лет эволюции для их решения. Так зачем изобретать колесо?
Биомиметика вчера и сегодня: от бумаги до молекулярных машин
Биомиметика — это воспроизведение и использование биологических структур, моделей или процессов для решения прикладных задач в различных областях человеческой деятельности от механики до социальных наук.
Аппарат «искусственная почка» имитирует процессы, происходящие в настоящем органе, хотя и не похож на него
Само понятие «биомиметика» появилось только в 1950-е благодаря биофизику и изобретателю Отто Шмитту. Примерно в то же время американский врач Джек Стил предложил термин «бионика», который долгое время использовался как синоним, но сейчас применяется преимущественно в протезировании и робототехнике.
Однако люди начали бессовестно тырить у природы её ноу-хау гораздо раньше — вот лишь несколько примеров:
- В Китае в 105 г. н. э. придворный сановник Цай Лунь, вдохновившись осиными гнёздами, разработал технологию приготовления бумаги — одного из важнейших изобретений в истории. Созданный им метод с некоторыми изменениями используется в бумажной промышленности до сих пор.
- Древнегреческий изобретатель и учёный Архит Тарентский в 305 году до н. э. запилил (буквально) «деревянного голубя», который, по слухам, даже летал. Спустя много веков Леонардо да Винчи изучал механику полёта птиц и зарисовал на основе своих наблюдений схемы планеров.
- Франко-британский изобретатель Марк Брюннель в начале XIX века создал первый тоннелепроходческий щит, подсмотрев идею у корабельных червей. Он заметил, что они прогрызают ходы в древесине, используя зазубренную раковину на своей голове, и одновременно выделяют известь, которая укрепляет стенки. Щит Брюннеля был успешно использован для прокладки туннеля под Темзой.
Планеры Отто Лилиенталя косплеят анатомию птичьих крыльев
В XX веке люди доросли до того, чтобы использовать природные ноу-хау на систематической основе. Мощные вычислительные устройства, более совершенные приборы измерения и наблюдения, накопленные научные знания позволили перейти от простого копирования к построению моделей и использованию биологических процессов.
- Появились первые шагающие роботы-«пауки» и андроиды (например, японский ASIMO). Разрабатываются протезы с приводом из искусственных мышечных волокон и обратной связью, управляемые нервной системой человека.
- Строятся дома с системами теплорегуляции, подсмотренными у муравейников и термитников. В архитектуре используются сверхпрочные строительные материалы, имитирующие структуру костной ткани или перламутра.
- В вычислительной технике появляются нейросети, имитирующие нервные системы живых существ. Вдохновившись ветвящимися деревьями и спиральными раковинами моллюсков, Бенуа Мандельброт создал фрактальную геометрию, которая сегодня используется в компьютерной графике.
Робопсы и андроиды Boston Dynamics стали настоящими звёздами Интернета, бегая и прыгая, как настоящие
Наконец, благодаря мощным оптическим и электронным микроскопам человек начал заимствовать у природы не только на макро-, но и на микроуровне:
- Появились материалы с микроструктурированной поверхностью, меняющие свой цвет, как крылья бабочек, гидрофобные (эффект лотоса) и высокоадгезивные покрытия, имитирующие кожу гекконовых лапок.
- Насмотревшись в микроскоп на жгутики бактерий, «шприцы» бактериофагов и работу моторных белков, таскающих грузы внутри клеток, люди стали разрабатывать молекулярные машины (наномашины). Первые примитивные, но функциональные модели таких микроустройств появились уже в 2007 году.
Имитируя форму живых организмов, можно адресно доставлять лекарства. Группа российских исследователей предложила использовать микрокапсулы из карбоната кальция, напоминающие кишечную палочку. Из-за специфических формы и размера они меньше повреждаются иммунной системой человека на пути к цели.
Устройство жгутиков бактерий сильно напоминает обычные человеческие двигатели. Только меньше и древнее.
Открытие нуклеиновых кислот (ДНК и РНК) и генов как единицы биологической информации запустило новый виток биотехнологий. В 1970-х на стыке молекулярной биологии и генетики появилась генная инженерия, позволившая манипулировать генами, чтобы придать биологическому организму нужные свойства. Параллельно начались работы над расшифровкой геномов организмов.
И вдруг с удивлением обнаружили, что все эти прорывные технологии уже давно используются природой.
Например, микроорганизмы постоянно (вольно или невольно) обмениваются генетическим материалом. Это называется горизонтальным переносом генов (вертикальный — это наследственная передача) и служит одним из основных источников генетического разнообразия у примитивных видов. Более того, патогенные микроорганизмы, заражая более развитые многоклеточные виды (растения, животных), также научились встраивать свои гены в их геном. Осы-паразитоиды синтезируют специальные модифицированные вирусные частицы для подавления иммунитета насекомого-хозяина, чтобы он не навредил отложенным в него осиным личинкам. Фишка в том, что генетический материал этих вирусных частиц когда-то был самостоятельным и попал осам от их жертв. Но затем осы изменили его до такой степени, что от генома вируса-предка в нём ничего не осталось.
Оса-наездник: «Генный инженер? Подержи-ка мой нектар!»
Естественно, грех не использовать такие крутые штуки для решения уже наших, сугубо человеческих проблем.
Как это работает? Научный и гиковский подходы к биомиметике
Для генной биомиметики интересны прежде всего две функциональные системы клетки:
- Генетический аппарат. Это, если хотите, биологическая информационная система. Её основной компонент — спираль нуклеиновой кислоты ДНК (у некоторых вирусов — РНК), состоящая из четырёх азотистых оснований, последовательности которых (гены) шифруют информацию о белковых структурах.
- Рибосомы. Это «производственный центр», главный отвечает за строительство последовательных пептидных связей, образующих нужный белок.
Работает всё это следующим образом (опять же очень упрощённо):
- На одной из цепей ДНК фермент РНК-полимераза образует молекулу матричной РНК (мРНК), копирующую определённый участок ДНК (то есть ген или набор генов).
- Затем эта молекула мРНК отсоединяется от ДНК и специальными транспортными белками транспортируется в рибосому.
- В рибосоме сначала информация, записанная в матричной РНК, считывается рибосомной РНК малой субъединицы, а потом РНК большой субъединицы по этой «инструкции» синтезирует нужный белок.
Логическая схема экспрессии генов. Физически всё, конечно, гораздо сложнее.
Этот процесс называется экспрессией генов. Чем-то он напоминает офсетную печать, в которой информация (текст, изображение) переносится с печатной формы на лист бумаги через промежуточный цилиндр.
Собственно, в генной биомиметике гены играют ключевую роль. Это инструкции, в которых записаны состав и структура белков, определяющие функции биологических структур.
Проще говоря, можно заставить саму клетку синтезировать нужную функциональную структуру, изменив соответствующий ген. Вместо копирования формы сразу переходим к функции.
Чтобы получать биологические структуры с нужными свойствами, нужно уметь «читать» ДНК:
- «Алфавит» для такого чтения — четыре азотистых основания: аденин, гуанин, цитозин и тимин, или АГЦТ. Именно они и составляют отдельные «фразы» (гены) и полный «текст» (геном) зашифрованной в ДНК наследственной информации.
- Теперь в «тексте» нужно различить отдельные «слова». В обычном языке для этого используются пробелы, но в ДНК их нет: это физически сплошная молекула. Для этого в последовательности азотистых оснований ищут их повторяющиеся паттерны, например, сопоставляя между собой отдельные фрагменты одной и той же ДНК или ДНК родственных особей.
- Когда гены выделены, нужно определить, за кодирование каких белков они отвечают, то есть наделить «слова» их значениями. Например, можно «отключить» (подавить экспрессию) определённый ген и посмотреть, какой белок перестал синтезироваться.
- По мере развития генетики выявленные гены вносились в генетические базы данных. Сегодня их распознавание и чтение — это автоматизированный процесс, который протекает намного быстрее и эффективнее.
А так работают «генные ножницы» CRISPR
Теперь, зная ДНК-алфавит, имея «словарь» из открытых генов, можно редактировать «тексты» геномов. Для этого в генной инженерии используют разные методы. Самый передовой из них, метод CRISPR/Cas9, — это эталонная генная миметика из палат мер и весов.
В его основе лежит механизм защиты бактерий от вирусов. У бактериальной ДНК есть специальные участки, состоящие из некодирующих последовательностей — CRISP-локусы. Когда вирус-бактериофаг внедряется в бактерию, небольшие фрагменты его ДНК остаются в этих локусах, образуя спейсеры. При повторном проникновении того же вируса синтезируется РНК, закодированная в CRISP-локусах. В ней образуются фрагменты двух типов:
- Одни соответствуют спейсерам и связываются с комплиментарными участками вирусной ДНК.
- Вторые участки комплиментарны ДНК самой бактерии и привлекают белки Cas, выполняя роль гидов.
Эти белки-эндонуклеазы взаимодействуют с вирусной ДНК и разрезают её, тем самым уничтожая вирус.
Для направленного редактирования генома используется упрощённая версия этой системы CRISPR/Cas9 и её варианты. Так как эукариотические (ядерные) клетки не имеют своей CRISPR-системы, её доставляют внутрь них с помощью искусственной молекулы ДНК (плазмиды) или вирусного вектора, где закодированы белок Cas9 и целевая РНК, например, с информацией о генетическом заболевании. Дальше ситуация развивается по описанному выше сценарию, в результате чего Cas9 вырезает из одной цепи клеточной ДНК дефектный участок. Затем та рекомбинируется за счёт оставшейся цепи, и, если новая пара не содержит дефектного гена, заболевание исчезает.
От других методов редактирования генома, основанных на использовании «генной пушки» или ферментов-нуклеаз, технология CRISPR/Cas9 отличается простотой и экономичностью, при этом сохраняя высокую точность. И это сделало CRISPR/Cas9 «святым Граалем» биохакинга.
Биохакеры — это «гики» в мире биотехнологий. Их идеология наследует идеи классических хакеров и заключается в том, чтобы сделать биотехнологии максимально открытыми и доступными для общества.
В отличие от официальной науки биохакеры расширяют применение генных технологий от создания оригинальных художественных инсталляций и веганского сыра до попыток улучшить ментальные и физические возможности человека.
Для этого они используют домашние или общественные лаборатории с оборудованием для редактирования генов, проводя генетические эксперименты на лабораторных животных и даже на себе. Зачастую такие энтузиасты не имеют биологического образования и постигают тонкости биотехнологий на практике. Правда, их возможностей чаще всего хватает только на самые простые эксперименты.
На данный момент нет работающих примеров «улучшающих» генных технологий. Зато есть пусть и не такие претенциозные, но вполне полезные и работающие.
мРНК-вакцины. Обычные вакцины — это ослабленный или убитый патоген, не способный заразить, но «тренирующий» иммунную систему распознавать настоящую болезнь. Микроорганизм в вакцине иногда может неожиданно «активироваться», или иммунитет вакцинируемого ослаблен настолько, что не способен подавить даже ослабленный патоген. И вместо «тренировки» происходит обычное заражение, чреватое последствиями.
Вакцины на основе мРНК никакого патогена — ни живого, ни мёртвого — не содержат. Их активный компонент — это матричная РНК, в которой зашифрован исключительно синтез специфичного белка-«шипа», которым микроб прикрепляется к клеткам. Когда такая РНК проникает в организм, она запускает синтез этого белка. Он вызывает иммунный ответ, но риск заражения сводится к нулю, потому что другого патогенного генетического материала в РНК просто нет. Вакцины на основе мРНК используются, в частности, для вакцинирования от COVID-19.
Устойчивые к засухе растения. Многие страны мира расположены в засушливых регионах, но местное население нужно как-то кормить. Основа современного рациона — это злаковые, но большинство из них эволюционировало или было выведено в регионах с достаточным количеством влаги. Решить эту проблему можно, «привив» обычным культурам гены засухоустойчивости, которые есть у растений из засушливых регионов. Аналогичным образом созданы сельскохозяйственные культуры, устойчивые к различным вредителям и болезням.
Паутинные бородавки паука под увеличением поразительно напоминают фильеры машин по производству синтетических волокон
Трансгенная паутина. Паучий шёлк очень прочный и одновременно эластичный. Его хотят все — от медиков до производителей высокопрочных волокон. Проблема в том, что один паук даёт сравнительно мало паутины, а держать «паучьи фермы» для массового производства не получится из-за их склонности к каннибализму. Искусственные аналоги тоже пока недотягивают по характеристикам: они либо прочные, либо эластичные, но не всё сразу. На помощь пришли генетики, предложив просто пересадить «паутинные» гены паука во что-то более производительное. Перепробовав разные варианты, от козы до бактерий с растениями, наиболее перспективными признали всё же гусениц-шелкопрядов. У обычных шелкопрядов тоже есть свой шёлк, но он не особо прочный. Зато у них есть прядильный аппарат, похожий на паучий, поэтому они сразу выдают готовый продукт. А ещё они друг друга не едят, и такое производство можно масштабировать.
И ещё несколько неожиданных применений генной биомиметики
Трансгенные бактерии на страже экологии. За десятилетия использования пластика в Мировом океане скопилось около 170 триллионов его частиц. Печально известное Тихоокеанское мусорное пятно по площади сравнимо с Монголией. Пластиковые частицы, в частности, попадают в тела морских организмов, приводя к их гибели. Но собирать их на такой площади механически просто нереально. Для решения проблемы американские генетики создали трансгенный микроорганизм, «пересадив» бактерии Vibrio natriegens, выживающей в солёной морской воде, гены бактерии Ideonella sakaiensis, ферменты которой хорошо разлагают ПЭТ. Пока технология — на стадии лабораторного тестирования, но результаты уже выглядят многообещающе.
Яд паука для генной терапии. До сих пор бактериальные инфекции лечат антибиотиками. Но вот беда: бактерии тоже не стоят на месте, и многие патогенные штаммы уже приобрели устойчивость к распространённым антибиотикам. Выход из положения предложили пауки. В их яде содержатся антимикробные пептиды (АМП), которые в отличие от антибиотических препаратов напрямую разрушают клеточную стенку бактерий, приводя к их гибели. Группа российских учёных предложила бороться с хламидиями, доставляя в бактерии РНК, кодирующие синтез таких белков рибосомами самих микроорганизмов.
Искусственные крылья для роботов. Воспроизвести полёт птиц, насекомых и летучих мышей человек пытается веками. Однако дальше экспериментов дело пока не идёт. Причина проста: существующие механические модели сильно уступают по строению и биомеханике биологическим прототипам. Но потенциально можно вырастить искусственные биологические крылья, манипулируя гомеозисными генами. Они впервые были открыты у мушек-дрозофил, но сейчас найдены у всех многоклеточных. Эти гены отвечают за рост и дифференциацию тканей.
Мясо из пробирки. Дефицит доступного животного белка — одна из основных продовольственных проблем, которая ещё усугубляется движением за права животных. Но животный белок необходим человеку для нормального развития. Решить проблему можно с помощью искусственного мяса. К этой проблеме есть несколько подходов. Первый заключается в использовании стволовых клеток настоящих животных, культивируемых в питательной среде в мясоподобный продукт. Второй — с помощью генной инженерии создать растительные культуры, содержащие животные белки. Сейчас в продажу уже поступили первые коммерческие образцы искусственного мяса, но пока они ещё слишком дорогие, чтобы конкурировать с настоящим.
Генные роботы. Идея микромашин размером с клетку, бактерию или вирус не нова. Потенциально они открывают почти безграничные возможности в медицине — от направленного лечения заболеваний (вообще всех) до регуляции физиологических функций. Проблема в том, что создать с нуля получается только жалкие подобия с очень ограниченными возможностями. Но можно использовать естественные клетки или даже их отдельные части. Например, создать робота из ДНК, способного свободно двигаться по клеточной мембране, и управлять её поведением. Или собрать из клеток лёгочной ткани движущегося бота с ресничками, способного (пока только в лабораторной чашке) «залечить» повреждения нервной ткани.
Вызовы и риски: наука vs этика
Практика показывает, что у любой науки или технологии есть тёмная сторона. И к генной биомиметике тоже возникают вопросы, среди которых:
- Этичность исследований. Исследования могут включать в себя эксперименты на живых организмах, включая потенциальные риски для человека и эмбрионов. Этическая оценка сложна в контексте новой области.
- Неравный доступ к технологии. Генная инженерия остаётся дорогой, что приводит к неравенству в доступе к её преимуществам.
- Безопасность. Хотя ГМ-продукты признаны безопасными, полных данных о работе генов недостаточно. Изменение одного гена может повлиять на другие функции, и это создаёт потенциальные риски.
- Нецелевое использование. Это мощные инструменты, и важно, в какие руки они попадут и в каких целях будут использоваться. Недавно Anthropic, одна из ведущих компаний в области ИИ, заявила, что нужен особый контроль за крупными проектами по обучению моделей. Они предлагают регистрировать такие проекты заранее и проверять модели на риски и безопасность до их запуска. Также важно проводить независимые проверки, чтобы выявить уязвимости и предотвратить злоупотребления.
Anthropic также считает, что нужно сделать работу ИИ более прозрачной и понятной, чтобы все лучше понимали, как он функционирует. Для безопасного развития ИИ нужно наладить сотрудничество между компаниями, госорганами и исследователями.
В общем, генная биомиметика сейчас находится на этапе, когда этика и законодательство не поспевают за наукой.
Впрочем, отдельные страны уже начинают менять законы для контролируемого развития генных технологий, например, Великобритания официально разрешила эксперименты над человеческими эмбрионами. Правда, проводить их можно только в течение первых семи дней жизни зародышей, после чего они утилизируются. Естественно, эти инициативы вызывают ожесточённые споры. Но с точки зрения науки такие исследования — единственный способ разработать эффективные способы лечения наследственных заболеваний, бесплодия и других патологий.
Что нас ждёт?
Генная биомиметика, несмотря на все её достижения, пока находится на начальном этапе развития. Потенциально она способна изменить вообще все сферы жизни человека.
Изменение генов, ответственных за механизм «клеточной смерти», а также корректировка накапливаемых в клетках мутаций — потенциальный путь если не к бессмертию, то к кратному увеличению жизни. Например, ведутся исследования по генетике голых землекопов, отличающихся как практически полной неподверженностью раковым заболеваниям, так и высокой продолжительностью жизни. Возможно, изучение их генетических и клеточных механизмов поможет разработать способы преодолеть старость и для человека.
Этот милаха-землекоп проживёт подольше тебя большинства других грызунов
Про искусственное мясо уже было сказано. Другое направление, уже реализуемое на практике, — повышение питательности сельскохозяйственных растений и мяса животных. В 1990-х изобрели трансгенный «золотой рис» с повышенным содержанием витамина А. В его геном добавили гены бактерии Erwinia uredovora, ответственные за выработку бета-каротиноидов. В будущем возможно создание суперпродуктов, содержащих весь спектр основных нутриентов.
Генная биомиметика потенциально решает проблему отторжения искусственных систем биологическими тканями. А это ключевой момент, затрудняющий использование бионических протезов, имплантируемых нейрокомпьютерных интерфейсов и т. д. Сделать это можно сразу несколькими путями — от создания биосовместимых проводящих материалов до избирательного подавления иммунных реакций и образования рубцовой ткани, ухудшающих проводимость.
Наконец, генная биомиметика может открыть нам дорогу для массовых космических полётов и освоения космоса. Здесь она тоже может применяться по-разному, например, снизить восприимчивость человека к космической радиации. В этом могут помочь генетические механизмы тихоходок, способных выдерживать жёсткое ионизирующее излучение. Другое направление — терраформирование планет с помощью модифицированных фотосинтезирующих бактерий и водорослей, способных выживать в жёсткой космической или инопланетной среде.
Терраформированный Марс в представлении современного художника. Несбыточная мечта или не всё так плохо?
Очевидно, что потенциал уже существующих в живой природе решений позволяет не просто справляться с текущими проблемами человечества вроде дефицита еды, загрязнения окружающей среды, болезней и т. д. С их помощью потенциально можно вывести само человечество на новый этап эволюционного развития, позволяющий колонизировать другие планеты, расширить физические и когнитивные способности, многократно продлить жизнь.
Автор: vasilisa_b
