Научно-фантастическое будущее все ближе. Искусственные органы заменяют настоящие, а искусственный интеллект обыгрывает чемпионов.

Когда биологи открывали клетку в XVII веке, они не задумывались о том, что это такое и как ее отличить от неживой материи. Тогда было важно постулировать, что клетка может образовываться только от клетки, в противовес разным спекуляциям о самопроизвольном возникновении жизни из грязи. И клеткой называли мельчайшую видимую составляющую любого организма. Сейчас же ситуация строго обратная: ни у кого не вызывает вопросов, из чего состоят живые существа. Вместо этого мы пытаемся применить прием, запрещенный еще три с лишним столетия назад, и собрать клетку из грязи, а точнее из подручных веществ.

Так что же такое клетка? Привычные нам критерии быстро оказываются бесполезными. Начнем с того, что не любая мельчайшая составляющая даже человеческого организма является клеткой. Например, то, из чего состоит поверхностный слой кожи, уже не клетки, а постклеточные структуры, в них нет ядра, и они не живые. Та же история с безъядерными эритроцитами и тромбоцитами, которые иногда продолжают по инерции называть клетками крови. Наличие ядра, впрочем, тоже не является критерием клетки – его опровергают бактерии.

Можно тогда предположить, что клетка – это как минимум мембранный пузырек с каким-либо наследственным материалом внутри. Но в таком случае в категорию клеток попадут и экзосомы – мембранные пузырьки с белками и нуклеиновыми кислотами, с помощью которых клетки общаются друг с другом.

Наконец, даже если мы как-то сможем определить клетку животного, с нами не согласятся ботаники, потому что у растений все совсем не так. Большая часть клеток растения соединена друг с другом цитоплазматическими мостиками, при этом в некоторых из них может не быть ядра – оно вынесено в соседние клетки. Грубо говоря, иногда все растение целиком представляет собой одну-единственную клетку в нашем классическом понимании.

Поэтому искусственные клетки мы скорее изобретаем: сегодня ученые пытаются создать систему, обладающую определенными свойствами. Что все это значит? Давайте по пунктам.

Наличие границ (компартментализация). Во-первых, клетка должна быть изолирована от окружающей среды. Во-вторых, она должна быть разделена на внутренние зоны, компартменты. Какую бы самую простую клетку мы ни взяли, даже мельчайшую бактерию, у которой нет никаких органелл и внутренних перегородок, все равно ее цитоплазма будет неоднородной. Это необходимо для того, чтобы участники химических реакций скапливались в одном месте и не расплывались по клетке – в противном случае обмен веществ не будет эффективным.

Искусственная клетка должна уметь самостоятельно получать энергию и использовать ее для своих внутренних нужд. Питательные вещества могут поступать извне, но весь процесс их захвата, получения энергетического эквивалента и его расхода должен происходить автономно.

В клетке должна быть заложена самовоспроизводящаяся информация о ее строении (обычно мы подразумеваем под этим молекулу ДНК или РНК, но кто знает, какие еще возможны варианты). Наличие этого минимального набора свойств позволяет нам считать искусственную клетку живой. Но для ее дальнейшего существования необходимо добавить еще два.

Рост и размножение нужны, соответственно, чтобы численность популяции не сокращалась), адаптивность – чтобы выжить в изменяющихся условиях окружающей среды.

Когда ребенок ломает игрушку, пытаясь понять, что у нее внутри, или отрывает лапки комару, он не просто хулиганит – он определяет минимальные необходимые свойства системы. Некоторые ученые, разбираясь с тем, что же это значит – «живая клетка», используют тот же самый подход, его еще называют top-down – от сложного к простому. Сейчас ученые, его придерживающиеся, работают в основном над упрощением генома – пытаются получить минимальный геном, кодирующий только жизненно необходимые клетке белки.

Так, в 2014 году удалось очистить одну из хромосом дрожжей от ненужных последовательностей. Сначала последовательность хромосомы секвенировали, а потом синтезировали ДНК с нуля. При этом за бортом остались транспозоны (мобильные элементы, остатки вирусов), субтеломерные (концевые) области хромосомы, интроны (некодирующие области генов), повторы ДНК и т.д. «Очищенная» хромосома получилась на 14% короче оригинала, но при этом полноценно работала в дрожжевых клетках.

Аналогичная судьба постигла бактерию Mycoplasma mycoides. Бактерии этого рода известны своими небольшими геномами – многие из них стали паразитами и потеряли часть ненужных генов. В 2010 году ученые полностью воспроизвели их геном и заменили хромосомы бактерий на искусственные. Газеты тогда писали о том, что «создана первая искусственная клетка», объясняя это тем, что впервые клетка управляется молекулой ДНК, полностью синтезированной вручную.

Однако это только начало истории. К 2016 году геном микоплазмы удалось еще сильнее «усовершенствовать», сократив почти в два раза (с 1079 тысяч пар нуклеотидов до 531). В новой версии минимальной ДНК осталось всего 473 гена. Правда, функции 149 из них до сих пор неизвестны, и это следующая проблема на пути подхода top-down.

Пока одни ученые разбирают одноклеточных организмов, другие пытаются собирать клетки с нуля. Это другая крайность – подход bottom-up. В некотором роде это попытка воспроизвести в лабораторных условиях ранние этапы возникновения жизни, когда она представляла собой лишь скопления самовоспроизводящихся молекул. При этом каждый такой эксперимент по выращиванию жизни с нуля ставит своей целью воспроизвести какое-нибудь одно свойство живой клетки .

С пунктом 1 – созданием границ – проблем обычно не возникает. Мы давно умеем собирать мембранные пузырьки (липосомы), и в некоторых случаях удалось даже воссоздать мембрану клетки. Более сложная задача – создать систему пузырьков-компартментов, в каждом из которых происходили бы разные химические реакции.

В 2014 году удалось собрать такую систему из пластика: один пузырек поглощал вещество извне и превращал в другое, затем сквозь полупроницаемую мембрану продукты переходили дальше, и так по цепочке, пока не получалось светящееся соединение, сигнализирующее об успехе операции. Даже когда в один компартмент подселили фермент, разрушающий ферменты других компартментов, система все равно работала. А это значит, что отсеки обменивались только продуктами реакций, но не ферментами, и конструкция получилась похожей на то, что происходит в реальной клетке.

Также мы умеем делать эти компартменты совместимыми с живыми системами. Недавно на свет появилась первая искусственная органелла – мембранный пузырек с порами, проницаемость которых регулируется концентрацией веществ в клетке. Внутри пузырька заперта пероксидаза хрена, которая окисляет поступающие внутрь вещества. Вся эта конструкция оказалась жизнеспособной и функциональной, будучи подсажена внутрь зародыша рыбы.

Следующий шаг – воспроизвести пункт 2, систему захвата и извлечения энергии из окружающей среды. Это оказывается сложнее, так как нужен не только фермент, производящий реакции, но и система восстановления этого фермента. Такую конструкцию ученые собрали только недавно, однако систему восстановления все равно пришлось позаимствовать у кишечной палочки – самостоятельно мы пока их строить не умеем.

Третий пункт – информационную систему – удалось собрать только сейчас. Правда, о целых хромосомах речь пока не идет. На данном этапе это просто молекула ДНК, кодирующая фермент, который копирует ДНК. Система пока работает только в пробирке, зато автономно.

Четвертый пункт – размножение и рост – пока удается воссоздать только в случае мембранных пузырьков. Новые липиды (составляющие мембран) встраиваются в готовый пузырек, а когда он вырастает слишком большим, поверхностное натяжение ослабевает и он распадается на два маленьких. Однако целенаправленное размножение с честным делением (как в любой клетке) пока никому воспроизвести не удалось.

Таким образом, в лабораториях искусственной жизни на данный момент существуют только конструкции, обладающие отдельными свойствами живых клеток. Следующий шаг – научиться соединять их в комбинации свойств (например, деление на компартменты плюс автономный обмен веществ). И только в последнюю очередь можно будет говорить об адаптивности полученной системы и ее способности эволюционировать: чтобы адаптироваться к условиям среды, система должна быть как минимум автономной. Можно надеяться, что к этому моменту мы как раз начнем больше понимать про минимальный геном, необходимый для работы клетки, и тогда подходы top-down и bottom-up наконец-то встретятся.

Пока одни исследователи пытаются подкопаться с противоположных сторон к тайне создания жизни, другие пытаются найти применение тем методам, которые нам уже доступны. Того немногого, что мы уже умеем, достаточно, чтобы создать простейшие полуживые конструкции и облегчить себе жизнь.

Не так давно вышло несколько работ, посвященных созданию надклеточных структур – конструкций, одним из рабочих модулей которых являются живые клетки. Например, можно приручить клетки кишечной палочки, заперев их внутри искусственной клетки, и заставить их светиться в ответ на появление определенных веществ в среде. Такая система теоретически безопасна для организма человека и могла бы упростить диагностику.

Второй вариант практического применения – недоклетки, аналоги человеческих клеток. Они могли бы заменить те клетки, которым не обязательно размножаться или автономно существовать. Например, недавно получилось собрать модель бета-клетки поджелудочной железы. Эта псевдоклетка представляет собой вакуоль, заполненную микровакуолями с инсулином. При повышении уровня глюкозы в крови растет показатель кислотности рН, при этом изменяется конформация белков, сдерживающих микровакуоли, и псевдоклетка их выплевывает наружу.

А другая группа ученых недавно создала аналог Т-лимфоцита. Это мембранный пузырек с биогелем и магнитными зернами, который плюется стимуляторами деления и противовирусного ответа в ответ на изменение магнитного поля.

Пару десятилетий назад ученые определили для себя траекторию движения к созданию искусственной жизни. Первым в списке дел стояло моделирование протоорганизма, а дальше шли более глобальные задачи – моделирование мышления в искусственной системе, количественная модель эволюции и разработка этических принципов в отношении искусственной жизни. Но, вероятно, нумеровать этот список нужно было в обратном порядке, так как первые этапы оказываются гораздо сложнее последних.

В некотором смысле искусственная жизнь возможна уже сейчас. Команде ученых известного биолога и предпринимателя Крейга Вентера в 2010 году удалось синтезировать немного измененную копию генома бактерии Mycoplasma mycoides, а затем вставить его в клетку Mycoplasma capricolum, из которой предварительно удалили собственный генетический материал.

Получившаяся синтетическая клетка успешно делилась и существовала под управлением внедренной ДНК. Таким образом была продемонстрирована возможность «загрузить» в живую клетку произвольную «программу». К сожалению, пока для синтеза генома, значительно отличающегося от уже существующих в природе, знаний не достаточно.

Эксперименты с синтетическими клетками относятся к «мокрой» искусственной жизни – попыткам научиться управлять биологической эволюцией.

Другое направление – «софтовое» – связано с исследованием возможности создания и эволюции «жизни» в компьютере. Ранние эксперименты Томаса Рея с проектом Tierra показали возможность эволюции достаточно сложных программ, конкурирующих за пространство в ограниченной памяти компьютера.

Затем в середине 90-х Карл Симс при помощи генетического программирования и нейронных сетей смог практически с нуля проэволюционировать в компьютере изумительных существ, иногда поразительно похожих по своей анатомии и локомоции на реальных животных.

Несмотря на столь впечатляющий старт, эволюция в компьютере за последние несколько десятилетий не ушла так далеко, как ожидалось. И проблемы здесь связаны не столько с недостаточной мощностью компьютеров, а сколько с концептуальной стороной исследований: у нас нет хороших теорий того, как живое отличается от неживого. Поэтому, даже если искусственная жизнь уже существует, мы можем об этом и не знать, у нас просто нет критериев, позволяющих различить «жить» и «не жить».

Термин «искусственная жизнь» связан с публикациями Джона Конвея конца 60-х гг. XX века. Искусственная жизнь выделилась в отдельное научное направление в 1987 году, когда К. Лэнгтон организовал первый междисциплинарный рабочий семинар по синтезу и имитационному моделированию живых систем.

Искусственная жизнь – это направление в науке и технике, которое занимается исследованием и компьютерным моделированием общих закономерностей жизни, созданием искусственных существ, способных имитировать поведение живых и действовать также эффективно.

Выделяют несколько форм искусственной жизни. Компьютерное моделирование эволюционных, жизненных и биологических процессов – это soft alife – «мягкая» искусственная жизнь. Примерами данных компьютерных программ являются: «Лес «эволюционирующих» растений» Карла Симса, «Птицоиды» Крейга Рейнольдса, GenePool3, Framsticks, OpenWorm.

Широко принятое определение жизни не позволяет считать живыми компьютерные модели. Но существуют и другие определения данного понятия: концепция сильной искусственной жизни определяет жизнь «как процесс, который можно абстрагировать от какого-либо определённого носителя»; концепция слабой искусственной жизни, в свою очередь, отрицает возможность создания жизни отдельно от её химического носителя.

К. Лэнгтон сформулировал основную установку методологии искусственной жизни: моделирование жизни, какой она могла бы быть, а не такой, какой мы ее знаем. Но что может нам сказать о материальности живого нематериальность знаковых моделей? Можем ли мы на моделях получить искусственную эволюцию и искусственные экосистемы, сравнимые по сложности с богатством эволюции и экосистем в природе? Будут ли они обладать такой же порождающей мощью, творческой силой и продуктивностью?

Следующая форма искусственной жизни – «влажная» (damp alife). При помощи компьютерных и биотехнологий синтезируются новые искусственные биологические формы. Дж. Крейг Вентер и его коллеги химическим путем синтезировали геном бактерии Mycoplasma mycoides и вставили его в клетку другого микроорганизма — Mycoplasma capricolum, из которой перед этим удалили все гены. Полученный «организм» повел себя как обычная бактерия Mycoplasma mycoides. Таким образом, новый живой микроорганизм появился не в ходе эволюции, а был получен искусственным технологическим путем. Но как существующие организмы, экосистемы, эволюционные процессы отреагируют на вторжение искусственной жизни?

«Твердая» искусственная жизнь (hard alife) подразумевает создание организмов из деталей обычных человеческих технологий. Но технические и живые системы не могут быть полностью подобны друг другу. Если структура дает наблюдаемый поведенческий эффект, то структурной полнотой живого мы можем пренебречь. Так, уже создана искусственная, свободно плавающая «медуза» на основе силикона и живых клеток миокарда.

Сможет ли машина иметь свойство самовоспроизведения? Следует упомянуть, что уже существует 3D-принтер, способный напечатать все свои пластиковые детали.

Искусственная жизнь предполагает возможность эволюции любого структурного элемента искусственного организма в зависимости от условий среды и задач выживания вплоть до формирования абсолютно новых элементов.

Гордон Паск в 1950-х гг. разработал устройства, способные производить свои собственные сенсоры, «воспринимающие» входящие сигналы из среды и за счет них активно к ней адаптирующиеся («Ухо Паска»). Ник Бостром и его команда разрабатывают идею цифрового клонирования сознания. Искусственная жизнь здесь рассматривается, как создание виртуальных живых существ на основе репликации когнитивной активности их реальных прототипов. Этот проект наполнен цифровым идеализмом, обещающим бессмертие в виде цифровой души.

Искусственная жизнь является альтернативой искусственному интеллекту. Их отличие заключается в том, что в системах искусственного интеллекта основной акцент делается на уровень высших когнитивных функций человека и наблюдается жесткое следование системе правил и алгоритмов. Тогда как системы искусственной жизни базируются на моделях биологических структур и процессов, порождающих поведение, свойственное всему живому. Они демонстрируют спонтанную поведенческую самоорганизацию, случайные эффекты, которые изначально не заложены в модель.

При очевидных различиях существуют проблемы, которые сближают две методологии. Искусственный интеллект можно трактовать как одно из проявлений высокоразвитой жизни. Можем ли мы на моделях искусственной жизни получить эффект рождения искусственного интеллекта?

При рассмотрении онтологической проблематики искусственной жизни, выделяются несколько вопросов: Возможно ли создание живого на субстрате неживого? В какой философской системе координат следует интерпретировать искусственную жизнь? Может ли искусственная жизнь стать оригинальной философской методикой?

В 2010 г. американские ученые впервые синтезировали живую клетку с искусственной ДНК: собрали геном одной бактерии и внедрили его в клетку бактерии другого вида. Сегодня благодаря успехам молекулярной биологии и развитию компьютерных технологий стало возможным создавать живые организмы с искусственным генетическим кодом и таким образом обеспечивать их необходимыми человеку свойствами и функциями. Хотя это звучит как научная фантастика, по крайней мере, некоторые ученые убеждены, что скоро искусственная жизнь станет реальностью.

Каждое живое существо на Земле – звено в непрерывной цепи предков и потомков. Но скоро это может измениться, и среди нас будут обитать формы жизни, генетическая основа которых не будет передана им по наследству.

Идея вмешательства в геном живых организмов не нова. На протяжении многих лет люди изменяли отдельные гены растений и животных с помощью сначала методов селекции, затем более продвинутых биотехнологических методов и, наконец, современных методов редактирования генома.

Синтез полных геномов микроорганизмов с нуля еще несколько лет назад был невероятно трудоемким и дорогостоящим. Но сегодня достижения в области молекулярной и системной биологии, наличие баз данных многих тысяч последовательностей геномов широкого спектра организмов позволяет путем комбинирования и модификации известных генетических функций создавать микроорганизмы с новыми характеристиками.

Использование компьютерных алгоритмов позволяет упрощать геномы, так, чтобы их было легче создавать, и уже существуют прототипы таких искусственных бактерий. Методы синтеза ДНК также стали намного более эффективными, и специалисты по биоинженерии теперь могут «печатать» молекулы ДНК прямо на кремниевом чипе.

Все это делает реальной возможность проектировать геномы с нужными свойствами и внедрять их в бактериальные клетки для применения в медицине, промышленности или сельском хозяйстве.

Например, искусственные бактерии можно использовать для производства вакцин. Можно создать безвредные для человека бактерии, которые будут нести на своей поверхности фрагменты патогенов и смогут научить иммунную систему эффективно распознавать эти патогены и защищаться от них. Разработка таких вакцин может быть дешевле и быстрее, чем производство вакцин обычным способом, что особенно важно в случаях необходимости сделать это быстро, например, при создании вакцин для профилактики сезонного гриппа, а также при вспышках вновь возникающих заболеваний, таких как коронавирус Covid-2019.

Еще одна область применения искусственных бактерий – клеточная диагностика и терапия. Например, можно создать бактериальные клетки, которые будут обнаруживать раковые клетки в организме человека и атаковать их, производя активные вещества. Искусственные бактерии могут также вырабатывать определенные метаболиты в пищеварительном тракте пациентов, необходимые для лечения нарушений обмена веществ.

Помимо медицины бактерии с искусственным геномом можно приспособить для нужд биотехнологического производства сложных химических соединений, заменив ими технологические процессы, основанные в основном на ископаемом топливе. А одним из подходов к преодолению проблем сельского хозяйства является разработка искусственных почвенных микробов, способных защищать рассаду или производить удобрения для сельскохозяйственных культур непосредственно из азота, содержащегося в воздухе.