Жизнь на грани. Ваша первая книга о квантовой биологии - Джонджо МакФадден

Эти динамичные, химически активные протоклетки представляют собой удивительные, впечатляющие конструкты. Но являются ли они простейшей формой жизни? Прежде чем ответить на этот вопрос, нам необходимо сформулировать рабочее определение жизни. На первый взгляд, в определении должен присутствовать один из очевидных признаков живой клетки — способность к саморепликации, однако в некоторых случаях он не является обязательным. Большинство клеток взрослого организма, например красные кровяные тельца или нервные клетки, не реплицируются, однако они, несомненно, являются живыми клетками. Более того, некоторые люди, состоящие из миллиарда клеток, например буддийские монахи или католические священники, не заботятся (в большинстве случаев) о самовоспроизведении и все же являются очень даже живыми организмами. Итак, саморепликация, безусловно, является необходимой способностью для длительного существования любого вида живых организмов, однако она не представляет собой обязательное свойство жизни.

О другом свойстве жизни, еще более фундаментальном, чем самовоспроизведение, мы уже говорили, когда упоминали биомиметический подход в современной архитектуре: самодостаточность. Жизнь способна сама поддерживать себя в «живом состоянии». Таким образом, нашим минимальным требованием к протоклетке, созданной в лабораторных условиях в рамках синтетического подхода «снизу вверх», будет способность поддерживать жизнь в бурной термодинамической среде — тогда протоклетку можно будет классифицировать как живую.

К сожалению, согласно такому упрощенному определению ни одно из существующих поколений искусственно полученных протоклеток нельзя отнести к формам жизни. Даже протоклетки, способные на некоторые чудеса вроде простейшей формы репликации (деление на две части), производят дочерние клетки, которые на самом деле не похожи на клетки старшего поколения: в них содержится гораздо меньше компонентов (рибозимов или ферментов), поэтому на дальнейших стадиях репликации эти компоненты в конце концов растрачиваются полностью. Подобным образом, несмотря на то что протоклетки, полученные группой под руководством Лекоммандо, способны поддерживать метаболизм, свойственный простейшим живым организмам, их нужно постоянно заполнять активными биомолекулами, без которых протоклетки теряют самодостаточность. Существующие поколения протоклеток, полученных в лабораторных условиях, напоминают механические часы с заводным механизмом: они способны сохранять химическую активность при поддержке готовых ферментов и субстратов, пока запасы этих поддерживающих веществ не иссякнут. Затем под воздействием хаотичных ударов окружающих молекул структура протоклеток постепенно разрушается, их поведение становится все более случайным и беспорядочным, и в конце концов они растворяются в окружающей их среде. Таким образом, искусственные протоклетки, в отличие от живых, не способны «заводить» собственный механизм жизни.

Возможно, в протоклетках отсутствует какой-то важный компонент? Синтетическая биология — очень молодая дисциплина. Вполне вероятно, что в ближайшие десятилетия специалисты в этой области совершат немало новых открытий. В последней части нашей книги мы бы хотели поговорить о том, что квантовая механика может предоставить ту самую недостающую искру жизни, необходимую для того, чтобы искусственные формы жизни стали по-настоящему живыми. Создание синтетической жизни на основе квантовой механики могло бы предоставить человечеству не только революционно новые технологии и возможности, но и наконец дать подсказку, которая приведет нас к ответу на вопрос, который мы задавали на протяжении всей книги: что есть жизнь?

Мы, как и многие другие исследователи, считаем, что описание механизма жизни в рамках термодинамики является неполным, поскольку оно не учитывает способности живой материи управлять явлениями квантового мира. Мы уверены, что жизнь зависит от законов квантовой механики. Но правы ли мы? Как мы уже говорили, данное предположение едва ли возможно проверить с помощью современных технологий, поскольку мы не имеем возможности проникнуть в живую клетку так глубоко, чтобы отключать и снова включать действующий в ней квантовый механизм. Тем не менее мы выдвигаем гипотезу о том, что жизнь, естественная или искусственная, невозможна без тех таинственных свойств квантового мира, о которых мы говорили в этой книге. Единственный способ проверить нашу гипотезу заключается в том, чтобы создать синтетические формы жизни с квантовыми свойствами и, если это возможно, без них и проверить, какие из них являются более жизнеспособными.

Давайте представим, что нам необходимо создать простую живую клетку из неживой материи; возможно, это будет клетка, способная выполнять простые задачи, например найти себе пищу в своего рода «первичном море», также созданном в лабораторных условиях. Наша задача заключается в том, чтобы создать две такие модели. Одна клетка должна использовать таинственные свойства квантовой механики (назовем ее квантовой протоклеткой), а другая не будет их использовать (мы будем называть ее классической протоклеткой).

Хорошим отправным пунктом для обеих моделей могли бы стать протоклетки Себастиана Лекоммандо, состоящие из многочисленных ячеек, связанных мембранами. Мы можем использовать различные ячейки протоклетки для разграничения различных функций жизни. Затем мы должны обеспечить нашу протоклетку источником энергии — для этого мы будем использовать неограниченную энергию протонов — частиц солнечного света. Заполним одну из ячеек протоклетки молекулами пигмента и каркасного белка — таким образом мы получим одну из форм солнечной батареи, способной улавливать протоны и превращать их энергию в экситоны. Иными словами, мы получим искусственный хлоропласт. Однако беспорядочно перемешанные молекулы пигмента вряд ли смогут обеспечить высокоэффективную передачу энергии, которая характеризует процесс фотосинтеза. В подобной молекулярной неразберихе невозможно поддерживать квантовую когерентность, необходимую для эффективного переноса энергии. Чтобы получить квантовые биения, мы должны заставить молекулы пигмента двигаться так, чтобы когерентная волна прошла через всю систему клетки.

В 2013 году группе ученых из Чикагского университета под руководством Грега Энджела, пионера в области квантового фотосинтеза, удалось решить эту проблему, объединив молекулы в фиксированную группу с помощью химических связей. Как и в случае с комплексом FMO, в котором Энджел впервые обнаружил квантовые биения (см. главу 4), искусственно созданная система молекул пигмента также произвела когерентные квантовые биения, которые продолжались несколько десятков фемтосекунд, причем при комнатной температуре[195]. Итак, чтобы обеспечить солнечную батарею нашей квантовой протоклетки экситонами, чья эффективность будет зависеть от когерентности, мы заполним ее молекулами пигмента, связанными способом, предложенным Энджелом. Классическая протоклетка будет содержать те же пигменты, однако они будут располагаться в ней в случайном порядке, так что экситону придется с большим трудом прокладывать путь через всю систему. Таким образом мы смогли бы проверить, зависит эффективность продвижения экситона от фотосинтеза или нет.