I. На мелководье
Глядя на море, страдая от очередного приступа укачивания Чарльз Дарвин не видел ничего, кроме неплодородной «водной пустыни». Насколько он ошибался, станет ясно только спустя десятилетия с появлением современной океанографии. Через сорок лет после путешествия Дарвина на корабле «Бигль» другой британский военный корабль «Челленджер» был отправлен в отставку с колониальной военной службы и отправлен в научную экспедицию, чтобы выяснить, что, черт возьми, происходит под водой. Пушки и боеприпасы были убраны, чтобы освободить место для лабораторных инструментов, банок, ожидающих образцов, и сотен миль веревки. Итак, в 1872 году команда английских и шотландских естествоиспытателей отправилась в кругосветное путешествие, пробуя дно океана и вытаскивая на дневной свет целые сети инопланетных существ. Вдали от водной пустыни они нашли богатейшие экосистемы на Земле.
Среди всей этой необъятности некоторые из их самых замечательных открытий были бы очень маленькими. На самом деле микроскопические: как крошечные стеклянные скелеты, которые собирались на дне океана в течение тысячелетий, остатки планктона, известного как радиолярии. Чтобы просеять эти трофеи, команда «Челленджера» распределила их среди общеевропейского списка ученых. Вот как профессор зоологии и иллюстратор Эрнст Геккель получил в свои руки четыре тысячи новых видов радиолярий, на которых он потратил десятилетие на документирование, классификацию и зарисовки. Его рисунки, одни из самых поразительно красивых научных иллюстраций из когда-либо созданных, запечатлели эти сказочно узорчатые и искривленные дома из стекла. В девятнадцатом веке было трудно поверить, что отдельные клетки могут функционировать как целые организмы, не говоря уже о создании тонких и микроскопических шаров, дисков, наперстков, чертополохов и шипастых тел.
Геккель предложил категорию Protista, что означает «первый из всех» или «изначальный», для описания одноклеточных организмов, таких как Radiolaria, которые не были ни растениями, ни животными, несмотря на то, что иногда имели общие черты. Сегодня морские водоросли, слизевики и малярийный паразит Plasmodium считаются простейшими. Если вы не знакомы с этими протистами, то на, то есть причина. Сегодня больше людей изучают воробьев, чем морских простейших. Малоизученная и рискованная область исследований остаются «темной материей» на древе жизни. Какой потенциал дремлет в этом великом неизвестном?
Представьте, если бы мы достигли сегодняшнего видения синтетической биологии. Генетические цепи становятся основой современной медицины, каждый продукт ферментируется для существования, альтернативные белковые продукты изобилуют в каждом проходе. Даже в этом случае протисты останутся кладезем вдохновения. Они являются незначительном компонентом микробной жизни, которая нас окружает и насыщает. Мы едва успели соскоблить поверхность их геномов. Пока мы не сможем понять невидимую часть эукариотической жизни, мы играем на мелководье океана биологического потенциала.
II. Древо жизни
В 1969 году Роберт Уиттакер предложил пять царств для классификации всей жизни. Прокариоты сформировали корень этого дерева с тремя ветвями, отходящими от растений, животных, грибов и протистов на развилках. Последнее царство, Protista, было универсальной категорией для таких организмов как амебы: таксономические остатки, которые, казалось, больше принадлежали друг другу, чем какой-либо другой группе. Эта классификация вытекала из нашего опыта в мире природы: мы сталкиваемся с животными, растениями и грибами каждый день. Организмы, ускользающие от наших чувств, по умолчанию воспринимаются как нечто иное. К счастью, за последние 50 лет после Уиттакера мы многому научились, в том числе тому, как секвенировать ДНК организмов и определять их эволюционные взаимоотношения.
Пока мы не сможем понять невидимую часть эукариотической жизни, мы играем на мелководье океана биологического потенциала.
В последней редакции дерева эукариот приоритет отдается кладам, группам, которые содержат все организмы, происходящие от одного общего предка. Три ветви Уиттакера были разделены на двадцать восемь кладов. Ни один из них не является полностью растениями, животными или грибами, и все они имеют частичку несуществующего Королевства Протиста. Наземные растения и зеленые водоросли разделяют одну ветвь. Второй является домом для животных, грибов и нескольких родственных видов простейших. Остается двадцать шесть линий, представляющих в основном одноклеточные, водные, обитающие в почве или паразитические организмы, которые более отдаленно связаны друг с другом, чем люди связаны с дрожжами (разновидностью грибов). Сложная жизнь — это не дерево животных, а дерево простейших. Неужели их может быть так много? Замечательный канал на YouTube «Путешествие в микрокосмос» сумел заставить засиять эти тайные звезды. В красивых кадрах, снятых под микроскопом, они показывают невероятную сцену, которую большинство людей никогда не увидят. Есть величественный сине-зеленый Stentor coeruleus, меняющий форму между трубой и мешком с шариками, регенерирующий после травмы. Lacrimaria olor, буквально «слезы лебедя», вытягивает свою невероятно длинную и хлыстообразную шею, чтобы охотиться на добычу. Неопознанная инфузория медленно теряет свою форму и жизнь, поскольку ее клеточная мембрана — тонкая грань между порядком и хаосом — разрушается.
Это нечто большее, чем просто глазная конфета. Когда-то считавшиеся генетическим приловом на пути к многоклеточности, протисты на самом деле доминируют в мешанине сложной жизни.
III. Неуловимые складки
Чрезвычайная сложность категоризации протистов привела к тому, что наше понимание о них отстало. В ноябре прошлого года DeepMind — та же группа, которая ранее обучала программы искусственного интеллекта для победы над людьми в Go и StarCraft успешно применила свой опыт для предсказания того, как белки сворачиваются внутри клеток, — проблемы, которая десятилетиями ставила ученых в тупик. Однако даже их алгоритм с трудом сворачивает протистские белки.
Для этого есть очевидные причины. Первым шагом алгоритма AlphaFold является поиск в базах данных ДНК аналогичных версий белка в других организмах, потому что эти родственники могут содержать информацию о его структуре. Например, аминокислоты, которые, по-видимому, мутируют одновременно, могут находиться близко друг к другу внутри белка. Способность предсказать, как складывается белок, может зависеть от того, сколько связанных последовательностей может быть найдено.
Сотни тысяч бактериальных и архейных геномов находятся в открытом доступе, и уверенность AlphaFold отражает это богатство информации. Между тем, существует около тысячи проектов по секвенированию простейших, большинство из которых являются паразитами, а их белки остаются загадкой. Скоро мы узнаем больше: в прошлом году родился проект Protist 10,000 Genomes, который объединяет аналогичные кампании по секвенированию растений, грибов, членистоногих, собак, птиц и рыб, а также прокариот в микробиоме.
Фонд Гордона и Бетти Мур также инвестировал в рискованные проекты по разработке генетических инструментов у морских простейших. Чтобы ускорить исследования, фонд поощрял обмен протоколами и отказами. По завершении грантов в 2020 году исследовательские группы описали генетическую трансформацию 13 новых видов, достижения 8 и неудачные попытки 17.
Протистская синтетическая биология наконец-то покидает гавань в свой первый рейс.
IV. Помимо ферментации
Большая часть того, что сегодня успешно применяется в синтетической биологии, связано с уговорами E. coli и дрожжей превращать сахар в более ценные продукты. Обычно это достигается за счет ферментации, и мы попали сюда не случайно.
Горстка модельных организмов доминирует в нашем понимании биологии. Ученые впервые изучили кишечную палочку, потому что ее было легко и быстро выращивать. Мы одомашнили хлебопекарные и пивные дрожжи на протяжении тысячелетий. Плодовые мушки, горох, нематоды и мыши были выбраны не потому, что они были особенно интересны, а потому, что они были легко доступны в лабораторных условиях.
Представления о том, чем заниматься в синтетической биологии, в подавляющем большинстве формируются несколькими избранными организмами, пользующимися поддержкой, потому что попытка генетически сконструировать любой организм до того, как мы всесторонне поймем его биологию, является мучительной задачей.
Но биологический дизайн не будет вечно ограничиваться стальными резервуарами. Что мы хотим сделать после ферментации? Хотя наше понимание тщательно изученных модельных организмов еще далеко от завершения, знания, полученные с их помощью, позволят нам выбирать новые немодельные организмы с конкретными намерениями. То, что мы создадим в будущем, будет определяться способностями организмов, которые мы выбираем для исследования сегодня.
Хотя биологи-эволюционисты давно вышли за пределы системы пяти царств Уиттакера, эта идея продолжает существовать из-за своих недостатков: она проста, интуитивно понятна и отражает то, что, как нам кажется, мы знаем. Как мы видели, одноклеточные эукариоты не являются отправной точкой эволюции животных. Они оба высокоразвиты и составляют большую часть сложной жизни, подобно складкам темной материи среди ярких звезд. Понимание простейших — «анимакулов», как назвал их Антон ван Левенгук, — не только улучшит нашу способность создавать растения, животных и грибы, но и даст нам совершенно новый взгляд на саму жизнь.
V. Последний рубеж
Ферментация предпочтительнее производства, работающего на ископаемом топливе, но для достижения чистой продукции с отрицательным выбросом углерода будущее биосинтеза должно быть зеленым — буквально. Сегодня планктон производит около половины кислорода, которым мы дышим. Миллиарды лет назад фотосинтез был украден у бактерий в супе Прометея, когда эукариот поглотил цианобактерию. Поскольку хлоропласты когда-то были свободноживущими организмами, многие из них сохраняют функциональный геном, отличный от клеточного ядра.
Хлорелла — сферическая водоросль с самой высокой плотностью хлорофилла среди всех растений. Между тем, Chlamydomonas — еще одна многообещающая клеточная фабрика — настолько надежная, что для нее доступен набор для генной инженерии. Его единственный подковообразный хлоропласт намного проще и более чувствителен к генетическим манипуляциям, чем у растений, что делает хламидомонаду кандидатом на радикальную инженерию фотосинтеза. Можем ли мы повысить его эффективность, заменив ключевые ферменты или включив фиксацию азота?
Растения и водоросли также являются механизмами хранения энергии солнечного света в виде топлива. Биодизель сегодня производится путем выжимания масла из соевых бобов, но если вы посмотрите на сытую диатомовую водоросль под микроскопом, она также будет содержать видимые капельки липидов. Хотя синтетическая биология уже однажды прошла фазу биотоплива, они не устарели, а все еще находятся в зачаточном состоянии.
Имеются очевидный смысл эффективного фотосинтеза у водорослей, но простейшие могут предложить больше. В то время как прокариоты генетически разнообразны — сходство ДНК 70% является хорошим порогом для бактерий, принадлежащих к одному и тому же виду, такое же расстояние между людьми и рыбками данио — эукариоты структурно разнообразны. У них может быть схожий базовый метаболизм, но разные схемы строения тела, даже на уровне одноклеточных.
Диатомовые водоросли, радиолярии и фораминиферы — все это древние организмы, секретирующие высокоточные клеточные стенки. Радиолярии похожи на готических кузенов диатомовых водорослей, которые создают симметричные стеклянные ящики — одна сторона немного меньше и вписывается в другую. Представьте узорчатое стекло микронного уровня для нанобиотехнологий. Великие пирамиды Гизы были построены из известняка, почти полностью пропитанного крошечными окаменевшими раковинами фораминифер. Будучи живым, амебоподобный организм посылает множество щупалец сквозь свою жесткую оболочку, чтобы ощущать окружающую среду.
Другие кандидаты в немодельные модельные организмы хранят информацию, которая является фундаментальной или противоречит тому, что мы узнали до сих пор. Как Stentor правильно отслеживает и восстанавливает клеточную морфологию? Как Sterkiella перекомпилирует свой геном из соединения 200 000 крошечных фрагментов ДНК? Naegleria трансформирует весь свой цитоскелет для перехода от ползания к плаванию — и все это без актина, белка, который обычно является основным фактором клеточного движения.
Наконец, мы меньше всего знаем о вирусах, поражающих простейших. Имеются данные о том, что в океанах доминирует огромное количество РНК-содержащих вирусов, поражающих морских простейших, но охарактеризованы лишь немногие из них. Многие инструменты в нашем сегодняшнем наборе генетических инструментов, от ферментов рестрикции до CRISPR, появились в результате тысячелетней гонки вооружений между вирусами и бактериями. Что могло быть создано таинственными вирусами и их крошечными эукариотическими хозяевами во время их вечной битвы в океанах? Вспомните, где была микробиология 25 лет назад, после того как впервые секвенировали E. coli и дрожжи, зная, что теперь они являются хлебом с маслом синтетической биологии. Какие правила будут для создания более сложной эукариотической жизни и что мы могли упустить?
VI. Одновременно прошлое и будущее
Увидев меня выше, вы, вероятно, не удивитесь, узнав, что во время Covid-19 я решил обзавестись микроскопом. Я хотел выяснить, что находится внутри моего аквариума, найти очаровательную водоросль, похожую на бычка, под названием Volvox, культовый фаворит во вводных учебниках по биологии, и увидеть разнообразие диатомовых водорослей.
Опыт заслуживает того, чтобы запачкать руки. Посмотрите в окуляр микроскопа, и наступит момент, когда все щелкнет. Вы можете приостановить неверие в то, что эти молекулярные машины, не зная, что за ними наблюдают, действительно живы. Вы чувствуете себя Антоном ван Левенгуком, открывающим богатый, трехмерный, микробный мир, полный жизни.
Смотреть в микроскоп — все равно что заглядывать в прошлое и будущее одновременно.
Я видел хищных инфузорий, охотящихся на диатомеи, заключенные в переплетения какого-то водного мицелия, их пищевые вакуоли переливаются радужным светом и полны стекла. Из стоячей неоново-зеленой аквариумной воды я наблюдал, как бананообразные водоросли кружатся в крошечных потоках, создаваемых коловратками. Коловратки вздрагивают и втягиваются, когда веслоногие натыкаются на них, затем нерешительно вытягиваются, чтобы ударить своими колесообразными кругами ресничек, и водоросли снова вращаются.
Я хочу, чтобы этого было больше, и я хочу увидеть, что заставило Эрнста Геккеля рисовать. Его самая известная работа — портфолио «Kunstformen der Natur», или «Формы искусства в природе». Композиции, жуткие скелеты радиолярий и зловещие усики медуз, вдохновляли искусство начиная с стиля ар-нуво двадцатого века, определяющими чертами которого являются изогнутое стекло и органичный, плавный дизайн.
Смотреть в микроскоп — все равно что заглядывать в прошлое и будущее одновременно. Вы видите не только изначальные образцы жизни, но и то, какие прекрасные вещи мы могли бы вырастить в будущем.
