Введение

Зеркальная жизнь описывает гипотетические живые системы, построенные из молекул с обратной хиральностью. Речь идет о клетках, в которых белки, ДНК, сахара и липиды синтезированы в зеркальной по отношению к природным формам конфигурации. В научном сообществе эта тема стала предметом серьезной дискуссии. Ученые обсуждают возможную угрозу такой жизни для экосистем и организмов, а также вопрос о том, кто и как должен регулировать исследования в этой области.

Хиральность: определение и история открытия

Хиральность означает свойство молекулы быть несовместимой со своим зеркальным отражением, подобно левой и правой руке. Термин происходит от греческого слова cheir, «рука».

В 1848 году французский химик Луи Пастер изучал кристаллы солей винной кислоты под микроскопом. Он установил, что эти кристаллы существуют в двух формах, которые являются зеркальным отражением друг друга. Обе формы имеют одинаковый химический состав, массу и формулу, но по-разному поворачивают плоскость поляризованного света. Молекулы глюкозы, растворенные в воде, также вращают свет, поскольку все они ориентированы одинаково.

В середине XIX века существовало представление, что асимметрия связана с живым и божественным. Пастер, наблюдавший асимметрию молекул, сформулировал вывод: жизнь, явленная нам, является функцией асимметрии вселенной. Дарвин опубликовал теорию эволюции примерно через десять лет после этих наблюдений.

Роль хиральности в живых организмах

Ключевые молекулы живых организмов являются хиральными. Аминокислоты, из которых построены белки, преимущественно поворачивают свет в одну сторону. Сахара в составе ДНК поворачивают его в другую. Такая организация характерна для всех известных форм жизни, включая млекопитающих, растения и грибы.

Хиральность определяет взаимодействие молекул с биологическими структурами. Ферменты и рецепторы работают как замки, которые открываются только подходящими ключами. Одна форма молекулы может взаимодействовать с рецептором, а зеркальная форма не взаимодействует с ним вовсе.

Пример хиральности в быту дает молекула лимонена. Ее две зеркальные формы имеют разный запах: одна пахнет апельсином, другая хвойным ароматом. Некоторые рецепторы носа также обладают хиральностью и различают эти формы.

Талидомид: цена несовместимости

Талидомид поступил на рынок в конце 1950-х годов как препарат против тошноты, который назначали беременным женщинам. Одна зеркальная форма молекулы снимала тошноту, а другая вызывала тяжелые нарушения эмбрионального развития. До того, как связь установили, родились около 10 000 детей с тяжелыми пороками развития, включая отсутствие конечностей.

Последующие исследования показали, что в организме одна форма талидомида может превращаться в другую прямо в крови. Поэтому простое использование только одной формы не решает проблему.

Конференция 2019 года и рождение идеи зеркальной бактерии

В феврале 2019 года в конференц-центре Северной Вирджинии собрались 30 специалистов по синтетической биологии и биоэтике. Участники провели четыре дня обсуждений и отбирали наиболее перспективные проекты для финансирования Национальным научным фондом США. Главной темой стала зеркальная бактерия, полностью функциональная клетка со всеми ключевыми молекулами в зеркальной конфигурации.

Участники называли несколько потенциальных направлений применения:

• лекарства, которые не разрушаются в крови, поскольку ферменты организма не распознают их;
• зеркальная ДНК, которая теоретически может активировать механизмы уничтожения раковых клеток;
• зеркальная глюкоза, которая вызывает сладкий вкус, но почти не усваивается пищеварительными ферментами и содержит мало калорий.

Идея получила финансирование. Гранты выделили США, затем Китай, Германию и Япония. Одним из получателей гранта объемом 4 млн долларов на исследование зеркальных бактерий стала Кейт Адамала, исследовательница Миннесотского университета. Она планировала посвятить работе несколько лет.

Первые предупреждения

Ранее, в 2014 году, Кевин Эсвельт из группы Sculpting Evolution Массачусетского технологического института разработал с командой метод использования CRISPR для создания генных драйверов. Такие конструкции распространяют генетическое изменение по популяции за несколько поколений. Одним из примеров стала модификация комаров, при которой они перестают переносить возбудитель малярии. Эсвельт сам первым предложил приостановить такие эксперименты и задал вопрос, имеем ли мы право проводить эксперимент, если его провал затронет весь мир.

Шесть лет спустя благотворительный фонд Open Philanthropy начал финансировать исследования Эсвельта по биобезопасности, включая вопросы зеркальной жизни. Эсвельт изучал скорость роста бактерий, взаимодействие хищников и жертв и работу иммунной системы. По его оценке, угроза зеркальной жизни не изучалась в достаточной мере.

В 2022 году Эсвельт обсудил свои выводы с Дэвидом Релманом, профессором Стэнфордского университета и специалистом по инфекционным болезням. Встреча состоялась в феврале 2022 года в ресторане недалеко от Вашингтона. Релман сам изучил проблему и обратился к коллегам. По его словам, никто не смог опровергнуть выводы.

К концу 2022 года десятки ведущих биологов пытались смоделировать наихудший сценарий, при котором зеркальная клетка выйдет из лаборатории. Точного ответа не существовало, поскольку ни один специалист не охватывал задачу целиком. Иммунологи, экологи и биохимики изучали отдельные части проблемы. На тот момент в мире не было ни одного специалиста по зеркальной жизни.

Цепочка разговоров дошла до Джона Гласа, пионера синтетической биологии и участника конференции 2019 года. Глас сказал: «Работа, которую я делал последние 20 лет, может обернуться невероятной катастрофой для всего мира».

В 2023 году Кейт Адамала приостановила свою работу. К концу того же года число ученых, обеспокоенных проблемой зеркальной жизни, достигло почти 40, среди них два нобелевских лауреата.

Публикация в Science

Результатом обсуждений стала статья в журнале Science, открытое письмо с предостережением и приложение объемом 299 страниц с описанием потенциальных рисков. Документ подписали 38 ученых. В нем сформулирована гипотеза: зеркальную бактерию можно создать, и она представляет экзистенциальную угрозу. Внешние эксперты, которым передали документ, не смогли ее опровергнуть.

Три линии биологической защиты

Авторы приложения рассматривают три уровня защиты, которые обычная биология использует против бактерий. Зеркальная бактерия может преодолеть каждый из них.

Иммунолог Тимоти Хенд из Питтсбургского университета участвовал в конференции 2019 года. Он считал, что иммунная система млекопитающих способна вырабатывать антитела против любой формы молекулы, и не видел в зеркальной бактерии особой проблемы. Позже Хенд пересмотрел свою позицию. Он заявил: «Неспособность врожденного иммунитета обнаружить патоген — чрезвычайно опасное состояние для организма хозяина». В 2024 году Хенд присоединился к группе из 38 ученых.

Питание зеркальной бактерии

Зеркальная бактерия должна получать питательные вещества. Аминокислоты в белках преимущественно хиральны, но одна из двадцати аминокислот, глицин, симметрична и не имеет зеркальной формы. Симметричные молекулы распространены в природе, и бактерии способны ими питаться, в том числе зеркальные.

Главным ограничением для зеркальной бактерии остается конкуренция. Экосистемы развивались миллионы лет, и все пищевые ниши в них заняты. Если бактерия выйдет из лаборатории, она, вероятно, погибнет, если только ее специально не адаптируют к условиям среды. Эволюция создает адаптацию через поколения. Для бактерий одно поколение занимает примерно 20 минут. Остается неизвестным, сколько времени потребуется среде для адаптации к зеркальной жизни.

Зеркальная химия: ступени развития

Зеркальная химия включает несколько ступеней различной сложности и риска:

1. Зеркальные молекулы. Простые и маленькие молекулы не способны к размножению. На их основе уже созданы лекарства.
2. Зеркальные белки. Белки не делятся, не потребляют пищу и не эволюционируют.
3. Зеркальная рибосома. Молекулярная фабрика, которая синтезирует зеркальные белки. Сама по себе она является инструментом, однако приближает к созданию зеркальной клетки.
4. Зеркальные клетки. Живые и способные к делению системы. Именно их выход из лаборатории вызывает опасения.

Зеркальные бактерии представляют интерес и для промышленности. Бактериофаги на них не действуют, а загрязнение посторонними микроорганизмами им не угрожает. Такие бактерии могут стать основой для производства лекарств. Чтобы производство было рентабельным, бактерии требуется научить быстрее расти, переносить производственные стрессы и стабильно делиться. Каждое из этих улучшений решает прикладную задачу, но при этом снимает одно из ограничений, которые удерживают бактерию в лаборатории.

Сроки и стоимость

Синтез зеркального белка длиной около 470 аминокислот занял четыре года. Это самый длинный зеркальный полипептид из созданных на сегодня. Для сравнения, в одной бактериальной клетке одновременно работают тысячи белков. Группа профессора Тин Джу из университета Уэстлейк в Китае занимается упрощенной версией зеркальной рибосомы с 2016 года. Работа продолжается почти десять лет, однако результат пока не получен. Ни одной обычной, незеркальной самовоспроизводящейся клетки с нуля также не создавали.

Оценки сроков появления зеркальной жизни различаются. В статье в Science указан период от 10 до 30 лет. Всемирная организация здравоохранения оценивает сроки как минимум в десятилетия. Бюллетень ученых-атомщиков, отвечающий за часы судного дня, в последнем отчете выделил зеркальные бактерии в отдельный раздел.

Стоимость создания зеркальной клетки оценивается примерно в 500 млн долларов. Для государства и частного капитала эта сумма реальна. По прогнозам, через 10 лет стоимость может снизиться до 100 млн долларов, а через 20 лет составит около 10 млн долларов.

Зеркальная биология не требует крупной инфраструктуры, как ядерная программа. Исследования распределены по десяткам лабораторий, их результаты публикуются в открытом доступе. Каждый участник вносит небольшой вклад, однако совокупность таких шагов теоретически может привести к катастрофе.

Регулирование

После публикации в Science начались обсуждения на уровне государств и международных организаций. Проходили брифинги в Белом доме, переговоры в ООН и консультации с правительствами Великобритании, Сингапура, Бразилии и, через посредников, Китая. Ряд крупных фондов отказался финансировать проекты, ведущие к созданию зеркальной клетки. ЮНЕСКО рекомендовало ввести мораторий на такие исследования.

В феврале 2025 года прошел саммит Асиломар. В нем приняли участие 96 экспертов, которые подписали обращение. В нем говорится, что создание синтетической зеркальной жизни недопустимо, если будущие исследования убедительно не докажут отсутствие серьезных рисков.

Документ не имеет обязательной силы. ЮНЕСКО может рекомендовать мораторий, но не может его ввести. Отказ одного фонда не останавливает финансирование в другом месте. Мораторий в его нынешнем виде не является законом и не предусматривает санкций.

Место для подписания выбрали не случайно. В 1975 году на том же месте ученые добровольно ограничили исследования рекомбинантной ДНК. В том году около 140 человек четыре дня провели на побережье Калифорнии без телефонов и внешней связи. Договориться удалось только после того, как к обсуждению подключились юристы и речь зашла о юридической ответственности за утечки из лабораторий. В результате были выработаны конкретные правила, которые действуют до сих пор. Асиломар 2025 года пока не предусматривает таких правил. Он стал заявлением о намерениях.

Проблема заключается в механизме «гонки ко дну». Стоимость нарушения правил для одного участника ниже выгоды от их нарушения. Достаточно одного участника, чтобы договоренность перестала работать. Такими участниками могут стать частный инвестор, стремящийся к монополии на рынке лекарств, государство, видящее стратегическое преимущество, университет в стране, не подписавшей мораторий, или исследователь, не согласный с позицией большинства.

Выводы

Опасения ученых связаны с несколькими факторами:

• зеркальная жизнь создается из уже существующих технологий и не требует крупной инфраструктуры;
• полезные промежуточные результаты снижают ограничения, которые удерживают бактерию в лаборатории;
• защитные механизмы организма и экосистем, вероятно, работают не в полной мере против зеркальных структур;
• регулирование основано на добровольных обязательствах и не имеет обеспечения.

Кейт Адамала описала свою позицию так: «Я бы хотела, чтобы однажды солнечным днем за чашкой кофе мы вдруг поняли, что мир скоро закончится. Но случилось не это». Адамала отметила, что ожидала одного заметного события, однако на практике изменения происходят постепенно.

По мнению большинства участников обсуждения, безопасность в этой области зависит от продолжения диалога между учеными разных специальностей, включая специалистов по безопасности, этиков, юристов и практиков. Пока эти группы работают вместе, система сохраняет контроль. Если они расходятся, ограничения становятся формальными. На момент публикации в дискуссии участвуют около сотни ученых. Их число может вырасти.