Что есть жизнь? На протяжении большей части 20 века этот вопрос не сильно волновал биологов. Жизнь — это термин для поэтов, а не ученых, считал синтетический биолог Эндрю Эллингтон в 2008 году, который начал свою карьеру с изучения, как началась жизнь. Несмотря на слова Эллингтона, связанные области исследований происхождения жизни и астробиологии обновили фокус на значении жизни. Чтобы распознать другую форму, которую жизнь могла принимать четыре миллиарда лет назад, или форму, которую она могла бы принять на других планетах, ученые должны понимать, что именно, по сути, делает нечто — живым.
Жизнь, однако, является движущейся мишенью, как давно заметили философы. Аристотель считал «жизнь» и «живое» разными концепциями — последнее, в его случае, было совокупностью существующих существ, которые населяют наш мир, вроде собак, соседей и бактерий на коже. Чтобы узнать жизнь, мы должны исследовать живое; но живое всегда меняется в пространстве и времени. В попытке определить жизнь, мы должны учитывать жизнь, которую мы знаем и которую не знаем. Как считает исследователь происхождения жизни Пьер Луиджи Луизи из Университета Рома Тре, существует жизнь-какая-она-сейчас, жизнь-какой-она-могла-бы-быть и жизнь-какой-она-когда-то-была. Эти категории указывают на дилемму, к которой обращались средневековые философы-мистики. Жизнь, как заметили они, это всегда намного больше, чем живое, и по этой причине, как это ни парадоксально, она никогда не будет доступна живому. Из-за этого разрыва между настоящей жизнью и возможной жизнью, многие определения жизни фокусируются на ее способности меняться и эволюционировать, а не сводятся к определению фиксированных свойств жизни.
Можно ли создать жизнь в лаборатории?
В начале 1990-х, консультируя NASA о возможностях жизни на других планетах, биолог Джеральд Джойс, в настоящее время работающий в Институте биологических исследований Солк в Калифорнии, помог разработать одно из наиболее широко используемых определений жизни. Оно известно как химическое дарвиновское определение: «Жизнь — это самоподдерживающаяся химическая система, способная к дарвиновской эволюции». В 2009 году после десятков лет работы группа Джойса опубликовала работу, в которой описана РНК-молекулу, способную катализировать собственную реакцию синтеза для создания большего числа собственных копий. Эта химическая система удовлетворила определению жизни по Джойсу. Но никто не осмелился назвать ее живой. Проблема в том, что она не делала ничего нового или необычного.
«Однажды этот геном сможет удивить своего создателя словом — уловкой или новым шагом в игре почти жизни — которое он не ожидает услышать», так писал New York Times о создании. «Если бы это произошло, если бы это произошло со мной, я был бы счастлив», говорит доктор Джойс. И добавляет: «Не берусь утверждать, но оно живое».
Джойс пытается понять жизнь, генерируя простые живущие системы в лаборатории. В процессе этого он и другие синтетические биологи воплощают в живой форме новые виды жизни. Каждая попытка синтезировать новые формы жизни указывает на тот факт, что есть намного больше, возможно даже бесконечно больше, возможных форм жизни. Синтетические биологи могут изменить сам процесс развития жизни или способностей, которые она развивает. Их работа поднимает новые вопросы об определнии жизни на основе эволюции. Как категоризовать жизнь, которая была изменена, которая стала продуктом переломного момента эволюции, продуктом разрыва эволюционной цепочки?
История происхождения синтетической биологии уходит корням в 1977 год, когда Дрю Энди, один из основателей синтетической биологии, а ныне профессор биоинженерии в Стэнфордском университете в Калифории, пытался создать вычислительную модель простейшей формы жизни, которую смог найти: бактериофага Т7, вируса, который инфицирует бактерию кишечной палочки. Хрустальная головка на изогнутых ножках этого вируса похожа на посадочный модуль, который садится на Луну и хватает бактериального носителя. Этот бактериофаг настолько простой, что по некоторым определениям его даже живым не назовешь. (Как и все вирусы, он полагается на молекулярную инженерию своей клетки-хозяина для воспроизводства). Бактериофаг Т7 имеет всего 56 генов, и Энди подумал, что можно создать модель, которая учитывает каждую часть фага и как эти части работают вместе: идеальное представление, которое прогнозирует, как изменится фаг, если один из этих генов убрать или удалить.
Энди построил серию мутантов бактериофага Т7 систематически выбивая гены или меняя их местоположение в крошечном геноме Т7. Но мутантные фаги соответствовали модели очень недолгое время. Изменение, которое должно было привести к их ослаблению, приводило к тому, что их потомство разрывало клетки кишечной палочки в два раза быстрее, чем прежде. Не работало. В конце концов, Энди осознал: «Если мы хотим смоделировать природный мир, мы должны переписать естественный мир, так чтобы он стал моделируемым». Вместо поиска лучшей карты изменить территорию. Так родилась область синтетической биологии. Заимствуя методы из программирования, Энди начал «рефакторить» геном бактериофага Т7. Он создал бактериофага Т7.1, форму жизни, спроектированную для упрощения интерпретации человеческим разумом.
Фаг Т7.1 — пример так называемой сверхдарвиновской жизни: жизни, которая обязана своим существованием человеческому замыслу, а не естественному отбору. Биоинженеры, такие как Энди, рассматривают жизнь двояко: как физическую структуру, с одной стороны, и как информационную структуру с другой. В теории, идеальное представление жизни должно активизировать невидимый переход между информацией и материей, замыслом и реализацией: изменение нескольких букв ДНК на экране вашего компьютера, распечатка организма по вашему замыслу. С таким подходом эволюция угрожает испортить проект инженера. Сохранение биологического дизайна может потребовать, чтобы ваш задуманный организм не мог воспроизводиться или эволюционировать.
Напротив, желание Джойса, чтобы его молекулы его удивляли, говорит о том, что способность к открытой эволюции — «изобретательной, всемогущей, безграничной» — является важнейшим критерием жизни. В соответствии с этой идеей Джойс теперь определяет жизнь как генетическую систему, которая содержит больше бит информации, чем число, необходимое для начала ее работы. Но в соответствии с этим определением, если взять две идентичные системы с разными историями — одна спроектированная и другая развившаяся — только последняя будет считаться живой; рационально спроектированная система, вне зависимости от ее сложности, будет просто «технологическим артефактом».
Дизайн и эволюция не всегда противопоставлены. Многие проекты синтетической биологии используюсь смесь рационального дизайна и направленной эволюции: они конструируют носителя мутантных клеток — в разных вариантах — и выбирают лучший. Хотя новое представление Джойса о жизни включает эволюцию, оно также требует внезапного появления, нежели долгого дарвиновского развития. Эмерджентная жизнь вписывается в культуру внезапных инновацией, идеи которых включают волшебное появление рабочей почки из 3D-принтера. Дизайн и эволюция также совместимы, если биоинженеры будут смотреть на генетическое разнообразие как на сокровищницу дизайнерских элементов для будущих форм жизни.
Для некоторых синтетических биологов путь к тому, что мистики называют жизнью за пределами жизни — которая превосходит жизнь, какой мы ее знаем — проходит через биологическую инженерию. Энди описывает свое призвание с точки зрения желания внести свой вклад в жизнь, породить новые виды «невероятных моделей, которые будут процветать и существовать». Джойс противопоставляет жизнь и технологии фундаментальной термодинамической тенденции к беспорядку и распаду. Какие новые формы получит жизнь? Время покажет.
