Naukowcy są blisko stworzenia przerażająco podobnej do nas formy życia. W porę dostrzegli jednak zagrożenie
Wyobraźmy sobie, że jest rok 2036 i naukowcy pracują nad nową klasą leków. Te preparaty są lustrzanymi odpowiednikami cząsteczek, których organizm używa do zwalczania chorób. Ich wielką zaletą jest to, że takie odwrócone związki utrzymują się w organizmie dłużej, ponieważ enzymy odpowiedzialne za ich rozkład nie rozpoznają ich i nie potrafią unieszkodliwić. Jednocześnie związki te pozostają skuteczne przeciwko atakującym drobnoustrojom. Badania kliniczne są obiecujące, a zespół chce zwiększyć skalę produkcji.
Naukowcy zwracają się w tym celu ku zmodyfikowanym „lustrzanym” bakteriom – pojedynczym komórkom zbudowanym z odwróconych cząsteczek. Fabryki bakteryjne nie są pomysłem z kosmosu. Już dziś na przykład firmy farmaceutyczne wykorzystują bakterie do produkcji syntetycznej insuliny dla diabetyków. Zaintrygowani możliwością wykorzystania komórek lustrzanych w podobny sposób, badacze eksperymentują na odwróconej wersji powszechnej bakterii Escherichia coli.
Niestety, jedna z badaczek, mająca drobne skaleczenie na kciuku spowodowane suchą skórą, zapomina założyć rękawiczki i dotyka powierzchni skażonej zaledwie kilkoma takimi komórkami. Bakterie dostają się do jej krwi. Komórki odpornościowe, które zwykle eliminują intruzów, nie rozpoznają lustrzanych białek nowatorskich bakterii i nie reagują. Lustrzane drobnoustroje namnażają się i rozprzestrzeniają w organizmie. Przeciwciała obronne się nie pojawiają. Badaczka zostaje w domu, po kilku dniach jej stan gwałtownie się pogarsza. Chora trafia do szpitala, gdzie dostaje duże dawki antybiotyków, które jednak nie są w stanie zrekompensować poważnej niewydolności układu odpornościowego. Trzy dni później umiera.
Jednak zanim trafiła do szpitala, zdążyła rozprzestrzenić bakterie w swoim domu. Jej kot przenosi część z nich do ogrodu, gdzie rozwijają się w glebie. Robaki i owady ulegają zakażeniu i rozprzestrzeniają lustrzane drobnoustroje w całej okolicy. Jej dzieci zanoszą bakterie do szkoły. Coraz więcej osób zaczyna chorować i umierać. Pojawiają się nowe ogniska, bo ludzie i zwierzęta się przemieszczają. Rozpoczyna się proces wykładniczego i nieodwracalnego wzrostu liczby bakterii – które szybko mogą opanować cały świat.
Brzmi to jak scenariusz filmu science fiction. Ale nie jest nierealne. Naukowcy poczynili szybkie postępy w zakresie metod, które w nadchodzących dekadach mogą umożliwić tworzenie organizmów lustrzanych. Już teraz biochemicy potrafią wytwarzać coraz bardziej złożone cząsteczki lustrzane, w tym enzymy budujące lustrzane RNA. W niedalekiej przyszłości podobne enzymy mogą tworzyć odwrócone DNA. Jednocześnie biolodzy syntetyczni coraz bardziej zbliżają się do zbudowania od podstaw zwykłych komórek bakteryjnych. Jeśli postęp w tych dwóch dziedzinach się zbiegnie, możliwe stanie się skonstruowanie bakterii lustrzanych.
Jakiś czas temu wraz z 37 naukowcami opublikowałem na łamach czasopisma „Science” ostrzeżenie przed tą potencjalną katastrofą, domagając się wstrzymania tych badań. Ale jak zatrzymać lub kontrolować prace, które mogą być prowadzone w dziesiątkach laboratoriów w wielu krajach na całym świecie? To jest historia tego wyzwania – oraz naszego planu, by zapobiec przerażającej perspektywie.
Pierwsza oznaka nadchodzącej katastrofy pojawiła się w 1848 roku, kiedy młody Louis Pasteur stanął na mównicy Francuskiej Akademii Nauk w Paryżu i ogłosił niezwykłe odkrycie. Pasteur przyglądał się uważnie kryształom kwasu występującego w winie. Związki te mogły przyjmować jedną z dwóch form, które – mimo że były chemicznie identyczne, zbudowane z tych samych elementów i wiązań – miały przeciwne konfiguracje. Unieś dłonie, wewnętrzną stroną do góry. Ich elementy są równoważne (cztery palce, kciuk, śródręcze itd.), ale różnie skierowane.
Okazuje się, że niemal wszystkie podstawowe cząsteczki życia mogą wykazywać tę intrygującą dwoistość – tzn. mogą istnieć w obu wersjach, jakby jedna była lustrzanym odbiciem drugiej [te lustrzane odbicia to tzw enancjomery – przyp. red.]. Właściwość ta nazywa się chiralnością. [Pozostałe cząsteczki określa się jako achiralne.] Większość dużych cząsteczek biologicznych jest chiralna, podobnie jak nasze dłonie. Niezależnie od tego, jak obracasz i skręcasz cząsteczki będące swoimi chiralnymi odpowiednikami, nie da się ich całkowicie na siebie nałożyć. Ale gdyby duża grupa ludzi ułożyła swoje identycznie lewe dłonie jedna na drugiej, w tej samej orientacji, pokryłyby się. Grupy cząsteczek chiralnych określa się zazwyczaj jako „lewoskrętne” lub „prawoskrętne”, w zależności od wspólnej orientacji. Całe życie na Ziemi – wszystko, co wywodzi się od naszego ostatniego wspólnego przodka sprzed 4 mld lat – buduje swoje klasy cząsteczek tylko z jednej z tych dwóch możliwych form. Na przykład 19 z 20 aminokwasów tworzących białka jest lewoskrętnych, podczas gdy DNA i RNA skręcają się w prawo.
Nie ma jednak powodu, dla którego lustrzane wersje tych cegiełek nie mogłyby istnieć – i rzeczywiście wiele z nich występuje w naturze. Chociaż niemal wszystkie aminokwasy są lewoskrętne, prawoskrętne aminokwasy D-alanina, D-metionina i D-leucyna (prefiks D pochodzi od łacińskiego dextro, oznaczającego prawy) pojawiają się w ścianach komórkowych bakterii. Niektóre inne są tworzone w laboratoriach: prawoskrętne wersje krótkich łańcuchów aminokwasów są syntetyzowane jako potencjalne nowe leki. Jak już wspomniano, ich nietypowa orientacja sprawia, że są odporne na enzymy, które w przeciwnym razie przyłączyłyby się do nich i je zniszczyły. Astrobiolodzy od dawna uważają, że życie mogło równie dobrze rozwinąć się w przeciwnej konfiguracji – i co ciekawe, zarówno lewo-, jak i prawoskrętne aminokwasy znaleziono na planetoidzie Bennu w mniej więcej równych ilościach. Naukowcy stworzyli już kilka elementów lustrzanych.
W 1993 roku badacze z Johns Hopkins University ogłosili, że udało im się wytworzyć prawoskrętną wersję zazwyczaj lewoskrętnego białka rubredoksyny. W kolejnych dekadach kontynuowano tego typu prace. W 2022 roku inni badacze ogłosili, że zbudowali fragmenty enzymu o lustrzanej strukturze, który wytwarzał odwróconą cząsteczkę RNA. RNA jest podstawową matrycą dla większości białek i odgrywa kluczową rolę w wielu innych procesach niezbędnych dla życia. To osiągnięcie inżynieryjne przybliżyło nas znacznie do tworzenia lustrzanych komponentów i składania ich w funkcjonalną komórkę bakteryjną o odwróconej strukturze.
Byłaby to jednak śmiercionośna forma życia. Takie drobnoustroje mogłyby stanowić największe biologiczne zagrożenie, jakie kiedykolwiek poznaliśmy. Mogłyby przetrwać i rozwijać się, wykorzystując różnorodne naturalnie występujące w środowisku substancje odżywcze. Jednocześnie prawdopodobnie byłyby odporne na wiele drapieżników – wirusy i pierwotniaki – które w naturalnym świecie utrzymują populacje bakterii w ryzach. Tacy drapieżnicy, wyselekcjonowani przez miliony lat ewolucji do rozpoznawania określonego kształtu białek, nie wykrywaliby przeciwnej konfiguracji. Z tego samego powodu komórki lustrzane mogłyby omijać wiele mechanizmów układu odpornościowego, wywołując infekcje, które z dużym prawdopodobieństwem byłyby śmiertelne dla ludzi, zwierząt i roślin. Mogłyby szybko rozprzestrzeniać się i ewoluować w środowisku, nabywając mutacji pozwalających im wykorzystywać nowe źródła pożywienia – co czyniłoby je jeszcze bardziej niebezpiecznymi. A ich eliminacja mogłaby być niemożliwa, przez co stałyby się stałym źródłem infekcji, z którym nie poradziłby sobie żaden człowiek, roślina ani zwierzę.
Kiedy po raz pierwszy usłyszałem o tym pomyśle, około dwóch lat temu, uznałem go za science fiction. Zakładałem, że początkowo stworzone organizmy lustrzane byłyby zbyt wrażliwe, by przetrwać i się rozmnażać. Najbliższe temu, co dziś nazywamy syntetycznym życiem, są struktury bardzo delikatne: istniejące w probówkach, nieprzystosowane do naturalnych ekosystemów i presji środowiskowej. Wydawało się oczywiste, że lustrzane wersje takich form życia byłyby jeszcze wrażliwsze. Na przykład: czym miałyby się odżywiać? Większość cząsteczek stanowiących pożywienie dla organizmów na Ziemi jest również chiralna – czy więc bakterie lustrzane nie potrzebowałyby podobnie zorientowanych składników odżywczych, a w ich braku nie umierałyby z głodu po wydostaniu się na wolność?
Kiedy wraz z kilkoma współpracownikami zaczęliśmy się temu przyglądać, okazało się, że byliśmy w dużym błędzie. Istnieje bowiem wiele substancji odżywczych, które bakterie lustrzane mogłyby trawić – w tym wiele w pełni symetrycznych, achiralnych związków. Eksperymenty wykazały, że populacje niektórych naturalnych bakterii, takich jak E. coli, mogą się rozwijać, wykorzystując wyłącznie achiralne składniki odżywcze – a bakterie lustrzane mogłyby robić to samo.
Nie musiałyby też być tak kruche jak silnie zmodyfikowane, niemal syntetyczne komórki, którymi dysponujemy obecnie – takie jak te stworzone przez zespół mojego współpracownika Johna Glassa z J. Craig Venter Institute, zawierające minimalną liczbę genów, czy organizmy „przekodowane” przez grupę George Church na Harvard University, z niewielkimi zmianami w DNA. Są one wynikiem tysięcy działań inżynieryjnych, które czynią je znacznie delikatniejszymi od bakterii naturalnie występujących w środowisku. W przeciwieństwie do nich bakterie lustrzane mogłyby być pod każdym względem – poza jednym – identyczne z odpornymi bakteriami naturalnymi, co podważa nasze intuicje dotyczące przystosowania się sztucznego życia poza laboratorium.
Co by się stało, gdyby bakterie lustrzane zdobyły choćby niewielki przyczółek w środowisku naturalnym? Rezultat mógłby przypominać wyniki badań mojego mentora, biologa ewolucyjnego Richarda Lenskiego z Michigan State University. Prowadził on eksperymenty, w których kilkanaście hodowli naturalnie chiralnych bakterii E. coli otrzymywało każdego ranka świeżą porcję glukozy. Odkrył, że nawet genetycznie identyczne drobnoustroje szybko ewoluują i różnicują się, tworząc odrębne społeczności.
Moje własne badania nad bakteriami chorobotwórczymi pokazują, że trwała i znacząca dywersyfikacja może wymagać zaledwie setek ich pokoleń. Bakterie lustrzane mogłyby ewoluować w ten sam sposób. Nie byłoby to jednorazowe zdarzenie: powstałoby drugie drzewo życia, podążające własnymi ścieżkami ewolucji w różnorodnych ekosystemach i zajmujące dostępne nisze. Przypadkowe uwolnienie takich organizmów mogłoby przekroczyć próg nieodwracalności.
Ludzie znaleźliby się po niewłaściwej stronie tej granicy. Zwykle biliony bakterii żyjących w naszych jelitach stanowią pierwszą linię obrony przed patogenami o „normalnej” chiralności: niektóre z nich produkują substancje antybakteryjne, które bezpośrednio hamują lub zabijają patogeny, a inne pomagają uruchamiać reakcje odpornościowe, takie jak wytwarzanie peptydów przeciwdrobnoustrojowych czy przeciwciał. Jednak gdybyś połknął bakterie lustrzane, wiele z tych mechanizmów obronnych prawdopodobnie by zawiodło.
Mikrobiom jelitowy najpewniej nie byłby w stanie rozpoznać odwróconych cząsteczek bakterii lustrzanych, więc nie uruchomiłby produkcji związków antybakteryjnych – a nawet gdyby to zrobił, substancje te niemal na pewno nie mogłyby się z nimi związać, tak jak lewa rękawiczka nie pasuje na prawą dłoń. Co gorsza, porażka tych wczesnych mechanizmów obronnych oznacza, że organizm prawdopodobnie nie uruchomiłby dalszych reakcji odpornościowych potrzebnych do skutecznego zwalczania infekcji.
Nasze układy odpornościowe wykształciły złożone, wielowarstwowe reakcje przeciwko bakteriom, rozpoznając charakterystyczne sygnatury molekularne (tzw. wzorce molekularne związane z patogenami) i inicjując odpowiedzi mające ograniczyć ich inwazję. Organizm najprawdopodobniej nie rozpoznałby intruzów o odwróconej strukturze cząsteczkowej. A nawet gdyby je wykrył, nie byłby w stanie użyć pełnego arsenału obronnego, ponieważ wiele jego elementów również opiera się na oddziaływaniach chiralnych.
Na przykład kluczową rolę we wczesnej odpowiedzi immunologicznej odgrywają komórki takie, jak neutrofile i makrofagi, które „pożerają” bakterie i trawią je, atakując ich chiralne cząsteczki za pomocą chiralnych enzymów. Ich enzymy trawienne nie byłyby w stanie rozbić wiązań chemicznych komórek lustrzanych, ponieważ ewoluowały do rozpoznawania i niszczenia ich przeciwieństw. Prawdopodobne jest więc, że makrofagi i inne komórki odpornościowe byłyby mniej skuteczne w eliminowaniu bakterii lustrzanych.
To tylko jeden z problemów. Układ odpornościowy ma również adaptacyjny system wyspecjalizowanych komórek i przeciwciał, które rozpoznają i niszczą patogeny, a także „zapamiętują” ich cechy, by szybciej reagować przy ponownym zakażeniu.
Ten system pamięci immunologicznej również opiera się na cząsteczkach chiralnych. Nie możemy bezpośrednio zbadać, jak wyglądałaby infekcja bakteriami lustrzanymi, ale wskazówek dostarczają choroby osób z genetycznymi defektami układu odpornościowego. Jedną z takich grup stanowią pacjenci z dysfunkcyjną formą receptora MHC-II. Normalnie receptor ten wychwytuje fragmenty patogenów i prezentuje je limfocytom T, ale u tych pacjentów działa nieprawidłowo. Podobnie białka lustrzane nie mogłyby zostać rozłożone na takie fragmenty, więc MHC-II nie byłby w stanie ich zaprezentować. Infekcja lustrzana mogłaby więc przypominać zakażenie u osoby z niedoborem MHC-II.
To porównanie nie napawa optymizmem. Takie osoby często umierają w dzieciństwie, pokonane przez infekcje wywołane przez powszechnie występujące bakterie i wirusy. A jest to przykład zaburzenia tylko jednego elementu układu odpornościowego. Bakterie lustrzane prawdopodobnie omijałyby jednocześnie kilka jego mechanizmów.
Obawa wynika z tego, że uwolnione od presji układu odpornościowego i konkurencji naturalnego mikrobiomu na naszej skórze i w jelitach, bakterie lustrzane mogłyby namnażać się szybciej, niż byłyby usuwane, a następnie, przemieszczając się wraz z krwią, rozprzestrzeniać się po całym organizmie. Wnętrze ludzkiego ciała zawiera wystarczającą ilość achiralnych składników odżywczych, by umożliwić ich wzrost. Bakteria lustrzana zaprojektowana tak, by wykorzystywać pokarm o naturalnej chiralności, radziłaby sobie jeszcze lepiej. Wówczas organizm stałby się czymś w rodzaju szalki Petriego – jak ciało po śmierci – pozbawiony ochrony żywych komórek odpornościowych. Jak dokładnie wyglądałaby taka nietypowa infekcja, nie jest jasne, ale spodziewanym rezultatem byłby stan zapalny przypominający sepsę i śmierć.
Co zdumiewające, sytuacja może być jeszcze gorsza. Świat przyrody jest pełen bakterii – milion komórek w gramie wody morskiej, miliard w gramie gleby. Nie dominują one jednak planety, ponieważ mają swoich drapieżników, którzy w dużej mierze polegają na procesach chiralnych. Wirusy zwane bakteriofagami wnikają do bakterii, przyłączając się do ich białek powierzchniowych w sposób przypominający dopasowanie klucza do zamka. Fagi zabijają bakterie, ograniczając ich liczebność. Jeśli jednak nie ma zgodności między fagiem a białkiem powierzchniowym, wirus nie może wniknąć do komórki. Nawet gdyby jakimś cudem dostał się do bakterii lustrzanej, jego mechanizmy replikacji i materiał genetyczny nie działałyby w takim środowisku. Bakteriofag pozostałby uwięziony, odizolowany i niezdolny do rozmnażania się.
Ameby i inne mikroorganizmy drapieżne z kolei tropią bakterie, pochłaniają je i trawią w całości. Napotkałyby jednak te same problemy co makrofagi w ludzkim układzie odpornościowym: trudniej byłoby im wykrywać odwrócone cząsteczki, a nawet jeśli udałoby się je pochłonąć, miałyby poważne trudności z ich strawieniem i wykorzystaniem jako źródła składników odżywczych. Nawet na większą skalę – u roślin i zwierząt – odporność opiera się konsekwentnie na interakcjach chiralnych. W rezultacie wiele gatunków mogłoby nie być w stanie obronić się przed bakteriami lustrzanymi.
Mogłyby też wystąpić ogromne konsekwencje środowiskowe. Sinice to proste organizmy, które czerpią energię bezpośrednio ze światła słonecznego i dwutlenku węgla i często nie wymagają chiralnych składników odżywczych. To samo dotyczyłoby ich lustrzanych odpowiedników, gdyby powstały. Ponieważ jednak byłyby prawdopodobnie odporne na wirusy, presja ograniczająca ich liczebność byłaby znacznie mniejsza. W miarę wzrostu populacji konkurowałyby z innymi bakteriami o ograniczone zasoby oceaniczne, takie jak żelazo czy fosfor, co mogłoby znacząco zmniejszyć liczebność bakterii o naturalnej chiralności. To z kolei pozbawiłoby organizmy takie, jak kryl morski, podstawowego źródła pożywienia. A załamanie populacji kryla mogłoby doprowadzić do wyginięcia wielu większych gatunków, takich jak wieloryby.
Jak temu zapobiec? W ciągu ostatnich kilku lat, gdy stawało się coraz bardziej widoczne, że zmierzamy do powstania zagrożenia, zespół ponad 150 naukowców z różnych dziedzin z całego świata zebrał się, by wspólnie zastanowić się, co zrobić. Spotkaliśmy się w Paryżu w czerwcu ubiegłego roku, aby opracować plan działania.
Wśród badaczy obecnych w Paryżu panowała zgoda: organizmy lustrzane nigdy nie powinny zostać stworzone. Potrzebne będą przepisy prawne, które to zagwarantują, a także wyraźne „czerwone linie” wyznaczające najbardziej niebezpieczne techniki mogące umożliwić ich syntezę. Do czasu wprowadzenia takich ograniczeń instytucje finansujące badania mogłyby deklarować, że nie będą wspierać prac zmierzających do stworzenia komórek lustrzanych – podobnie jak już zobowiązały się nie finansować badań nad klonowaniem ludzi.
Początkowo byłem zdezorientowany i sceptyczny wobec tego zagrożenia, później stałem się poważnie zaniepokojony. Dziś jednak czuję się raczej zmobilizowany i pełen energii, bo widzę szansę zapobieżenia katastrofie – ponieważ zawczasu dostrzegliśmy zagrożenie.
Tak, naukowcy stworzyli już niewielkie cząsteczki chiralne. Jednak zbudowanie kompletnej, funkcjonalnej komórki lustrzanej wymagałoby ogromnego wysiłku: syntezy coraz dłuższych biomolekuł, stworzenia od podstaw „szkieletu” komórki bakteryjnej oraz wszystkich elementów życia komórkowego, takich jak rybosomy. Następnie wszystko to musiałoby zostać złożone w działającą, żywą komórkę. Pomimo dziesięcioleci pracy od początku lat 90. nikomu nie udało się stworzyć od zera nawet w pełni standardowej komórki. Szacujemy, że stworzenie zupełnie nowej formy życia, takiej jak drobnoustrój lustrzany, wymagałoby wysiłku i zasobów porównywalnych z wielkimi projektami naukowymi, takimi jak Human Genome Project, który kosztował miliardy dolarów. Budowa bakterii lustrzanych przypomina w pewnym sensie wznoszenie drapacza chmur dwa razy wyższego niż najwyższe obecnie istniejące konstrukcje: technicznie wiemy, co należałoby zrobić, ale byłoby to przedsięwzięcie niezwykle złożone. Ten fakt daje nam wyjątkową okazję, by zająć się ryzykiem na długo przed jego urzeczywistnieniem.
Działanie już teraz jest naszym największym atutem. Nie ma wielu przykładów sytuacji, w których naukowcy zidentyfikowali zagrożenia związane z rozwojem techniki, zanim zdążyły się one ujawnić. Chlorofluorowęglowce wycofano z użycia dopiero po tym, jak przyczyniły się do powstania dziury ozonowej. Talidomid przestano przepisywać kobietom w ciąży dopiero wtedy, gdy tysiące dzieci urodziły się z wadami wrodzonymi. Tym razem jednak problem został dostrzeżony.
Oprócz moratorium na badania nad komórkami lustrzanymi możemy opracować silne mechanizmy nadzoru z udziałem instytucji międzynarodowych, które będą identyfikować i kontrolować składniki chemiczne wykorzystywane do tworzenia cząsteczek i komórek lustrzanych. Takie instytucje mogłyby wykrywać, czy dane laboratorium lub państwo gromadzi nietypowo duże ilości tych związków – podobnie jak dziś alarmuje się, gdy jakiś kraj magazynuje komponenty broni chemicznej lub jądrowej.
Nie chcemy jednak całkowicie hamować badań w tej dziedzinie. Część prac z zakresu biologii syntetycznej może pomóc w projektowaniu i produkcji nowych leków przynoszących korzyści całemu światu. Na przykład rozsądnym rozwiązaniem mogłoby być dopuszczenie badań nad niektórymi małymi cząsteczkami lustrzanymi, przy jednoczesnym zakazie gromadzenia większych cząsteczek tego typu. Te większe łatwiej wykorzystać do budowy kompletnej komórki lustrzanej.
Nie ustalimy od razu, gdzie dokładnie przebiega granica ani jak rozwiązać wszystkie te problemy. Nie da się podjąć ostatecznych decyzji w tak ważnej sprawie podczas jednej konferencji. Potrzeba znacznie więcej wysiłku, aby opracować najlepsze metody zarządzania, które pozwolą uniknąć zagrożeń. Jestem jednak bardzo podbudowany tym, jak szybko duża grupa naukowców i ekspertów ds. bezpieczeństwa biologicznego – ponad 300 osób uczestniczyło w spotkaniu w Paryżu osobiście lub zdalnie – dostrzegła skalę problemu i zgodziła się co do pilnej potrzeby znalezienia rozwiązania.
Ryzyko związane z tą technologią jest ogromne, ale łatwo wskazać ludzi, którzy ciężko pracują, by je wyeliminować. Wystarczy spojrzeć w lustro.