Экологические риски синтетической биологии

Экологический вопрос об инженерном организме состоит не в том, выживет ли он вне сдерживания, а в том, сохранится ли и распространится ли его конструкция. Это разные вопросы с разными ответами, и их смешение порождает и ложную тревогу, и ложное успокоение.

Почему конструкции чаще всего теряются

Инженерная конструкция — метаболическое бремя. Транскрипция и трансляция чужеродных генов расходуют рибосомы, предшественники и энергию, которые уже не достаются росту. В лаборатории эта цена скрыта, потому что антибиотик или определённая среда отбирают носителей конструкции; в дикой популяции такого отбора нет, и клетка, потерявшая вставку — из-за сегрегации плазмиды, рекомбинации или сдвига рамки в кассете, — обгоняет ту, что её сохранила. Итог — разбавление: доля конструкции падает со скоростью, заданной ценой приспособленности, и нагруженные инженерные штаммы обычно проигрывают конкуренцию диким родственникам.

Это довод о скорости, а не гарантия, и отказывает он двумя путями. Компенсаторная эволюция за несколько сотен поколений снижает цену ношения плазмиды, не приводя к её утрате. А конструкция, дающая в какой-то среде преимущество — детерминанта устойчивости, новый катаболический путь, — попадает там под положительный отбор, и разбавление обращается вспять.

Горизонтальный перенос движет ген, а не организм

Бактерии обмениваются ДНК путём конъюгации, естественной трансформации и трансдукции, через границы видов и со скоростями, сильно зависящими от носителя. Мобилизуемая плазмида с точкой начала переноса — переносчик высокого риска; кассета, встроенная в хромосому без окружающих подвижных элементов, куда безопаснее. Поэтому при проектировании сдерживания важно, на чём именно сидит ген: убийство хозяина не отзывает ген, который уже ушёл.

Два вида сдерживания и что их различает

Ауксотрофное сдерживание удаляет существенный ген биосинтеза, так что штамм гибнет без добавки — тимидина или диаминопимелиновой кислоты, нужной для сшивки пептидогликана. Слабость в том, что утраченная функция доступна во внешней среде. Штамм может подкармливаться соседними организмами или лизированной биомассой, а делецию способна дополнить горизонтально приобретённая ДНК, потому что требуемую молекулу обычная биология и так производит.

Синтетическое сдерживание меняет требование на то, чего биология не производит. В геномно перекодированной кишечной палочке кодон UAG освобождён от роли стоп-сигнала и переназначен нестандартной аминокислоте, которую затем вписывают в существенные белки; без синтетической аминокислоты эти белки обрываются. Ровнер с соавторами и Манделл с соавторами описали такие штаммы в журнале Nature в 2015 году с частотами ускользания ниже предела обнаружения их методик, порядка 10⁻¹² на клетку. Бифенилаланина среда не поставляет, и горизонтальный перенос его не даёт.

Как честно читать частоту ускользания

Величина вроде 10⁻¹¹ — результат анализа: известное число клеток высеяно без добавки, выдержано определённое время, ускользнувшие подсчитаны. Она ограничивает один способ отказа при одном наборе условий. Выпуск в среду означает число клеток на многие порядки больше, срок в сезонах, а не в сутках, присутствие доноров ДНК, которых в опыте не было, и давление отбора, лабораторией не приложенное. Число — настоящее измерение и нижняя граница безопасности, но не вероятность экологического отказа.

Та же оговорка касается генных драйвов, где главный известный отказ внутренний: репарация путём негомологичного соединения концов порождает устойчивые к драйву аллели в мишени, поэтому его эффективность зависит от выбора настолько консервативной последовательности, что устойчивые варианты сами оказываются нежизнеспособны.