Некоторые биологические процессы настолько важны для жизни, какой мы ее знаем, что возникает соблазн предположить, что все ключевые инновации в биохимии уже произошли.
Такие процессы, как фотосинтез и гликолиз, существуют на протяжении тысячелетий и необходимы для выживания бесчисленных видов. Но Земля находится лишь чуть более чем на середине своей обитаемой фазы, и впереди нас еще ждет от 1,75 до 3,25 миллиардов лет эволюционного времени.
Это означает, что весьма вероятно, что новые революционные процессы, лежащие в основе метаболической биохимии, разовьются до того, как Земля перестанет поддерживать жизнь, согласно недавнему мнению Джоди Брюстер, научного сотрудника Университета Великобритании, опубликованного в журнале Royal Society Biology Letters Отаго в Новой Зеландии и ее коллеги.
Как могут выглядеть эти процессы, вопрос открытый, но Брюстер говорит, что зарождающаяся область синтетической биологии может дать представление о нашем эволюционном будущем. Позволяя ученым возиться с генетическим кодом, лежащим в основе жизни, синтетическая биология также может ускорить наш прогресс на пути к этим революционным адаптациям.
Синтетическая биология, по сути, представляет собой применение инженерных принципов к фундаментальным молекулярным компонентам биологии. Ключом к этому процессу является способность создавать генетические схемы, которые перепрограммируют организмы для производства биотоплива или выделения прекурсоров для фармацевтических препаратов, хотя коммерчески жизнеспособно ли это — другой вопрос.
Джим Коллинз из Массачусетского технологического института, один из основателей синтетической биологии, недавно объяснил, что это внедрение инженерии в генную инженерию.
«Генная инженерия внедряет ген вида А в вид Б», — сказал он. «Это эквивалент замены красной лампочки на зеленую лампочку. Синтетическая биология сосредоточена на разработке базовой схемы, выражающей эту красную или зеленую лампочку».
Помимо внедрения в клетки совершенно новых процессов, синтетические биологи работают над усовершенствованием уже существующих. Несмотря на миллионы лет эволюции, некоторые аспекты фотосинтеза «остаются крайне неэффективными», пишет Брюстер, и улучшение фотосинтеза может оказать огромное влияние на продуктивность сельского хозяйства.
Некоторые исследователи пытались перенести более эффективные подходы к фотосинтезу, обнаруженные у более простых организмов, на сельскохозяйственные растения.
Цианобактерии достигают более высокой эффективности за счет концентрации CO2 в органеллах, называемых карбоксисомами, которые заполнены Рубиско, ключевым ферментом в процессе фиксации углерода. Группа из Корнелла разработала растения табака , способные экспрессировать цианобактерии Rubisco в карбоксисомоподобных структурах внутри хлоропластов растений, повышая скорость фиксации углерода. Израильская команда пошла дальше, объединив существующие метаболические строительные блоки различных организмов, чтобы разработать множество синтетических путей фиксации углерода , некоторые из которых превзошли естественные пути.
Гликолиз — метаболический путь, который высвобождает энергию из глюкозы — имеет сопоставимую неэффективность. Многие пути включают этап, на котором только четыре углерода из шестиуглеродного сахара используются с пользой, а два других теряются в виде CO2. Это побудило команду из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе разработать синтетический путь , получивший название неокислительный гликолиз (NOG), который эффективно использует все шесть атомов углерода.
Несмотря на огромное количество размышлений, направленных на решение проблемы метаболической неэффективности, по мнению Брюстера и его коллег, количество эволюционного времени впереди означает, что природа в любом случае почти наверняка наткнется на них в будущем. Тот факт, что горизонтальный перенос генов, при котором генетический материал передается между видами, настолько распространен среди бактерий, делает это еще более вероятным.
Если эти адаптации дают эволюционное преимущество, они, вероятно, будут распространяться в природе. Поэтому Брюстер и его коллеги говорят, что синтетическую биологию следует рассматривать как «биологию, еще не включенную в базы данных». Решения, которые разрабатывают синтетические биологи, могли существовать в прошлом, могли быть просто неоткрытыми или могли развиваться в будущем.
Но, предлагая проблески будущих эволюционных событий, синтетическая биология может ускорить эту эволюцию.
Естественные инновации в регуляции генов сыграли центральную роль в крупных прорывах в развитии жизни, таких как появление многоклеточности или сложных путей развития. Новые инновации в регуляции генов, разработанные синтетическими биологами, вероятно, приведут к драматическим фенотипическим изменениям в будущих организмах, говорят Брюстер и его коллеги.
Идея о том, что природа неизбежно произойдет благодаря инновациям синтетической биологии, может быть слишком упрощенной. Исследователи заключают, что «только время покажет, существуют ли жизнеспособные эволюционные траектории для их реализации таким образом, чтобы повысить приспособленность организма», но синтетическая биология руководствуется не выживанием наиболее приспособленных, а потребностями людей.
Синтетическая биология может привести к созданию биологических систем, которые никогда не выживут в природе. Трудно представить, как адаптация к синтезу биотоплива может дать эволюционное преимущество бактериям в дикой природе. Коллинз из Массачусетского технологического института уже освободил синтетическую биологию от клетки, заморозив синтетические генные схемы на бумаге , чтобы они действовали в качестве биосенсоров. Его коллеги из Массачусетского технологического института даже использовали синтетическую биологию, чтобы превратить клетки E. coli в живые компьютеры , способные запоминать и реагировать на последовательные входные данные.
Хотя синтетическая биология, возможно, дает нам новое понимание того, куда нас может вести эволюция, вполне возможно, что эволюция в том виде, в каком мы ее знаем, закончилась. Вместо того, чтобы природа была у руля, мы, возможно, вступаем в эпоху, когда люди являются направляющей рукой в ошеломляющей сложности жизни.
