Возьмем в качестве примера ваши руки. Они, по сути, идентичны во всех отношениях, кроме одного: они являются зеркальными отражениями друг друга.
Многие молекулы жизни, такие как белки и ДНК, обладают тем же свойством. Они могут существовать в право- и левозакрученных формах, которые в остальном химически идентичны. Однако из-за особенности, которую мы не до конца понимаем, жизнь эволюционировала, чтобы использовать почти исключительно один набор молекул: все, от простейших бактерий и грибов до самых сложных растений и животных, использует левозакрученные белки и правозакрученную ДНК.
На протяжении более 30 лет меня увлекала идея о том, что «зеркальные» биологические молекулы — такие как правозакрученные белки (или их миниатюрные версии, пептиды) — могут использоваться в качестве «невидимых» лекарств для лечения заболеваний, не имеющих эффективных или практических методов терапии. В ходе прорыва, опубликованного в мой первый год обучения в аспирантуре, Стивен Кент и соавторы продемонстрировали, что протеазы (пищеварительные ферменты в организме) не могут расщеплять зеркальные пептиды — те, которые имеют противоположную направленность (хиральность) по сравнению с пептидами, естественным образом производимыми организмом. Опираясь на этот принцип, моя лаборатория создает зеркальные пептиды, которые могут помочь предотвратить или лечить инфекционные заболевания. Эти пептиды гораздо дольше остаются в организме, поскольку они не расщепляются и не распознаются (или не устраняются) иммунной системой.
Прошлой весной я участвовал во встрече инициативы Pandemic Antiviral Discovery (Инициатива по поиску противовирусных средств для пандемий), целью которой является ускорение разработки лекарств для подготовки к следующей вирусной пандемии. Моя лаборатория изучала потенциальные методы лечения на основе зеркальных пептидов для вирусов Нипах и Хендра — двух близкородственных, высоколетальных вирусов, которые могут вызвать смертельные пандемии. На ужине обсуждалась идея создания с нуля целой зеркальной бактерии. Такой организм мог бы быть спроектирован для производства более крупных версий молекул, создаваемых моей лабораторией, с меньшими затратами. Но это также создало бы серьезные проблемы биобезопасности. Если зеркальные белки вызывают такой интерес как противовирусные средства, потому что они в значительной степени невидимы для пищеварительных ферментов и иммунной системы, то не может ли этот принцип, будучи масштабирован, сделать полноценную зеркальную бактерию уникально опасным патогеном?
На протяжении более 30 лет меня увлекала идея о том, что «зеркальные» биологические молекулы — такие как правозакрученные белки (или их миниатюрные версии, пептиды) — могут использоваться в качестве «невидимых» лекарств для лечения заболеваний, не имеющих эффективных или практических методов терапии.
В декабре мы с 37 коллегами опубликовали в журнале Science статью, в которой утверждали, что зеркальные бактерии — самовоспроизводящиеся синтетические клетки, каждый компонент которых существует в форме зеркального отображения, — действительно могут представлять невероятно серьезную опасность в случае успешного создания. Во-первых, они, вероятно, будут уклоняться от большинства реакций иммунной системы человека, животных и растений, поскольку эти системы эволюционировали для борьбы с природными бактериальными угрозами, а не с зеркальными. Такая внутренняя устойчивость может привести к широкомасштабным летальным инфекциям у многих видов (независимо от других факторов, делающих патогены опасными, например, токсинов, которые они могут производить). Во-вторых, наш мир не переполнен природными бактериями отчасти потому, что они сдерживаются другими организмами, такими как вирусы и амебы, которые охотятся на них. Насколько нам известно в настоящее время, обращенные молекулярные структуры, вероятно, дадут зеркальным бактериям значительную устойчивость к этим хищникам, потенциально позволяя им бесконтрольно расти в широком диапазоне экосистем.
Тем не менее, нам не стоит беспокоиться прямо сейчас. В настоящее время никто не приблизился к созданию полноценной зеркальной бактерии. Никто даже не достиг гораздо более простого подвига — создания природной бактерии из ее отдельных компонентов; сделать это в зеркальной форме было бы чрезвычайно сложной задачей, которая могла бы занять десятилетия. Наше намерение при публикации статьи состояло в том, чтобы начать обсуждение потенциальных рисков задолго до того, как они материализуются.
Но идея зеркальных бактерий поднимает важный вопрос. Мы уже знаем, что зеркальные молекулы являются полезными терапевтическими агентами с большим потенциалом для лечения трудноизлечимых заболеваний. Мы также теперь знаем, что зеркальные бактерии могут быть невероятно опасны, намного перевешивая любые практические преимущества, которые они могли бы предоставить. Где именно мы должны провести черту?
Зеркальные бактерии и зеркальные молекулы — это совершенно разные вещи. Зеркальные бактерии смогут самовоспроизводиться: если они попадут в дикую природу, они, вероятно, смогут поддерживать и наращивать свои популяции, питаясь простыми пищевыми источниками, которые не имеют зеркально-изображенных форм (то есть пищей, которая может одинаково использоваться как природной, так и зеркальной жизнью). Более того, как и любая форма жизни, по мере распространения они могут эволюционировать, чтобы более эффективно расти на сложных природных источниках пищи. Как мы видели на примере долгосрочного эволюционного эксперимента моего соавтора Ричарда Ленски, популяции бактерий могут очень быстро эволюционировать.
Зеркальные молекулы — химически синтезированные лекарства — не могут самовоспроизводиться, а значит, и не могут эволюционировать. Они не представляют опасностей, присущих зеркальным бактериям. И хотя зеркальные бактерии могут использоваться для создания зеркальных молекул, они не единственный вариант. Здесь кроется центральная ирония: чем большего прогресса мы достигнем в технологиях химического синтеза, которые могут способствовать созданию зеркальной клетки, тем легче будет синтезировать зеркальные белки напрямую, без помощи бактерий, — что еще больше снизит относительные преимущества создания зеркальных бактерий.
Но вопрос становится более сложным, если мы рассматриваем системы более сложные, чем пептид. Рибосома — это «фабрика» клеток вашего организма, производящая белки и ферменты. Создание зеркальной рибосомы — гораздо более достижимая цель, которая может быть реализована в ближайшее десятилетие. Зеркальная рибосома могла бы эффективно производить терапевтические зеркальные белки без рисков, связанных с полноценными, живыми, самовоспроизводящимися зеркальными бактериями. Но важно будет оценить, может ли зеркальная рибосома также стать вспомогательной технологией на пути к самовоспроизводящимся зеркальным клеткам.
Мы опубликовали нашу статью и прилагаемый к ней технический отчет, чтобы инициировать глобальную дискуссию, посвященную этим и многим другим вопросам. В этом году некоторые из моих соавторов проведут мероприятия в Университете Манчестера, Институте Пастера и Национальном университете Сингапура, чтобы организовать необходимые обсуждения. Мы надеемся, что к нам присоединятся мировое научное сообщество, политики и другие ключевые заинтересованные стороны, пока мы прокладываем наилучший путь вперед.
Мы находимся в счастливом положении, поскольку у нас есть много лет до возникновения угрозы зеркальных бактерий. Как глобальное научное сообщество, я надеюсь, что мы используем это окно возможностей, чтобы подробно обсудить эти вопросы в ближайшие месяцы и годы.
Майкл Кей — профессор биохимии в Медицинской школе Спенсера Фокса Экклза при Университете Юты. Том Фримен из Milltown Partners прокомментировал черновик этой статьи.