Юный техник, 2011 № 11 - Журнал «Юный техник»

Расмуссен, впрочем, не первый, кто интересуется этой проблемой. Более 100 лабораторий в мире ведут подобные исследования. Так, например, Стивен Крейг, ставший знаменитым после того, как десять лет тому назад первым расшифровал геном человека, в 2009 году публично объявил, что заканчивает синтез бактерии, подобных которой никогда не было в природе.

Однако Крейг и его коллеги собирали новые бактерии из уже готовых частей, комбинируя их примерно так же, как школьники экспериментируют с элементами конструктора. Но инициаторы нового проекта китайца Ляохая Чэна собрались создавать жизнь «на пустом месте» — в мензурке, где в растворе есть лишь неорганические соединения и молекулы. В результате должна получиться протоклетка. Она, возможно, будет примитивнее даже бактерии, но все же должна будет обладать главными особенностями живого организма: сможет производить собственную энергию, развиваться и давать потомство.

Когда в 2005 году ученый задумал проект, то отбросил учебники биологии и спросил себя: «Какова самая простая живая система, которую я могу вообразить?» Он составил список минимально необходимых частей для искусственного организма: некая система обмена веществ, чтобы производить энергию, подобная ДНКмолекула, чтобы хранить «инструкции», и мембрана, чтобы служить оболочкой и скреплять все части. В результате он и придумал протоклетку, которая не напоминает ни одну из известных форм жизни.

Казалось бы, просто. Но скоро Расмуссен понял, что он должен еще упростить конструкцию. Даже примитивные одноклеточные организмы с их мембранами, в которых проложены каналы, чтобы транспортировать питательные вещества, оказались слишком сложны, чтобы пытаться воссоздать их аналог.

И тогда ученые использовали известный в изобретательском деле метод инверсии. То есть, говоря проще, они как бы вывернули всю конструкцию наизнанку, поместив несколько молекулярных машин на внешней стороне синтетической клетки и таким образом покончив с необходимостью создания мембраны. В итоге протоклетка представляет собой по существу лишь комочек жирных кислот. «Это нечто похожее на использованную жевательную резинку», — наглядно пояснил Расмуссен. Так появилась некая «капля» — мицелла; конструкция, проще которой пока не придумали.

Объясняя схему ее действия, ученый привел аналогию с мыльной пленкой на поверхности воды, где молекулы создают силы, вызывающие их некую организацию. Ну, а поскольку мыла как такового в природе не существует, Расмуссен и его команда стали искать заменитель. Далее, большинство природных организмов работает с генетическим материалом — нуклеиновыми кислотами ДНК или РНК. Расмуссен планирует использовать искусственную нуклеиновую кислоту по имени ПНК (PNA), или пептидную нуклеиновую кислоту. Ее синтезировал Питер Нильсен из университета Копенгагена еще в начале 90-х годов прошлого века. Сейчас Нильсен работает вместе с Расмуссеном.

Кстати, существует гипотеза, что самыми ранними формами жизни на Земле были существа, основанные на ПНК. Главное преимущество ПНК состоит в том, что она является электропроводной, что поможет запустить обмен веществ, то есть весь комплекс необходимых процессов в протоклетке.

Схема протоклетки Расмуссена: пять стадий ее создания и развития.

По идее, на один конец цепи ПНК можно посадить фоточувствительную молекулу. Когда на нее попадает свет, она выпускает электрон, который бежит на другой конец ПНК. Там он может вызвать химическую реакцию с неким веществом, которое ученые намерены поместить в мензурку в качестве пищи.

«Пища» эта состоит из молекул-предшественников, которые протоклетка преобразует в новые жирные кислоты и молекулы ПНК. Эти вновь созданные жирные кислоты будут включены в мицеллы, заставляя их расти, пока они не разделятся на две протоклетки. Причем каждая взрослая протоклетка будет иметь размер всего 5 — 10 нанометров.

На бумаге и в компьютере все действительно выглядит весьма несложно. Но химия, которая должна превратить теорию в практику, куда сложнее. Мицеллы должны впитать молекулы пищи, создавая «склады», преобразовывать их в одиночные спирали ПНК, которые должны цепляться за внешний край мицеллы и находить там дополнительные цепочки ПНК, также созданные организмом. И кто знает, как все эти молекулы поведут себя фактически?

Опасения такого рода привели к тому, что по мере продвижения исследований их все больше засекречивают. Ученые отдают себе отчет, что, кроме научного интереса — получения ответа на один из главных вопросов: «Действительно ли возникновение жизни было случайностью или это все же неизбежность, присущая Вселенной?» — у их исследований есть немало и побочных последствий. Так, Расмуссен размышляет о практическом применении принципиально новых форм жизни как поставщиков лекарств к клеткам человека или как биологических очистителей, перерабатывающих токсины, смертельные для той жизни, которую мы знаем, или даже как биологический компонент механических систем, способных на самозаживление при повреждении.

Но не будем забывать, что теми же протоклетками можно воспользоваться и для создания биологического оружия, против которого нет противоядия. Ведь эволюция на нашей планете в свое время пошла совсем иным путем… Между прочим, и создание новых форм жизни идет там же, где некогда было создано самое страшное оружие в истории планеты.

Г. МАЛЬЦЕВ

МИЛЛЕР БЫЛ ПРАВ?

В 1952 году студент-дипломник Чикагского университета Стенли Миллер под руководством лауреата Нобелевской премии по химии Гарольда Юри провел серию экспериментов, целью которых было найти природные условия, при которых из имеющихся элементов могли образоваться первые аминокислоты. Группа химиков из Калифорнийского университета под руководством Джефри Бада решила ныне повторить эксперименты более чем полувековой давности. И вот что из этого вышло…

Эксперимент Миллера заключался в том, что он наполнил стеклянную колбу смесью газов, из которых, по предположениям ученых, некогда состояла атмосфера Земли. В колбе была смесь водорода, метана, водяного пара, двуокиси углерода и аммиака. Через электроды, впаянные в стекло, сквозь колбу пропускали электрические искры, моделируя таким образом грозы на древней Земле. Через неделю на стенках колбы и на ее дне обнаружился осадок, в котором нашли некоторые аминокислоты, то есть элементы белка. «Возможно, так началась жизнь на нашей планете», — сделали вывод студент и его учитель. Всего Миллеру в 1952–1953 годах удалось получить 12 аминокислот.

В 1958 году ученый вернулся к экспериментам и добавил к смеси газов сероводород. Он предположил, что источником сероводорода на молодой планете были многочисленные вулканы, которые тогда были намного активнее, чем сейчас. Именно благодаря вулканическим выбросам сформировались оазисы, в которых зародилась примитивная жизнь.

В 2007 году ученый скончался. Но эксперимент его был продолжен. Совершенствование аналитических методов позволило его последователям существенно улучшить результаты опытов многолетней давности.

В 2008 году повторный анализ образцов Миллера с использованием современных методик выявил 10 аминокислот, которые не были обнаружены ранее.

В новых экспериментах химикам удалось выявить в реакционной смеси 23 аминокислоты. Ученые пришли к выводу, что условия, в которых возникли первые аминокислоты, могут быть широко распространены во Вселенной. Соотношение аминокислот, полученных в результате эксперимента, оказалось близко к аминокислотам, обнаруженным в составе метеоритов. По мнению исследователей это указывает на то, что жизнь могла как зародиться на Земле, так и быть привнесенной из космоса.

ВЕСТИ ИЗ ЛАБОРАТОРИЙ

«Сосуды» для электричества

Первым таким сосудом была, как известно, лейденская банка. Но заряд в ней держался недолго. А потому на смену ей ученые изобрели аккумуляторы. Причем усовершенствование их не закончено и поныне. И вот почему…

В фантастическом романе «Пикник на обочине» братья Стругацкие описали идеальный источник энергии — вечный аккумулятор «этак», мечту современных автомобилистов. Садясь в машину, водитель достает из кармана небольшой предмет, не больше портсигара, вставляет его в гнездо вместо ключа зажигания и трогается с места.

Ну а что мы имеем сегодня? По расчетам доктора химических наук Александра Скундина из Института физической химии и электрохимии имени А.Н. Фрумкина РАН, чтобы соперничать с автомобилями, силовой агрегат электромобиля должен иметь мощность хотя бы 10 кВт. Запас хода пусть будет на 10 часов езды. Значит, электромобилю потребуется батарея емкостью 100 киловатт-часов. Ныне удельная емкость свинцового аккумулятора составляет порядка 30 Вт/ч на килограмм веса. То есть для электромобиля он будет весить… 3(!) тонны.