Зеркальные бактерии: созданный в лаборатории патоген, против которой у природы нет защиты

Представьте бактерию, которую не распознаёт иммунная система человека, которую не берут антибиотики, которую не могут уничтожить вирусы и против которой бессильны простейшие. Такой организм не существует. Но 38 учёных из ведущих научных центров мира — Массачусетского технологического института, Стэнфорда, Джонса Хопкинса, Йеля, Кембриджа — в декабре 2024 года опубликовали технический доклад на 200 страницах. Их вывод: зеркальная бактерия появится, скорее всего, в ближайшие десятилетия. И когда это случится, у человечества не будет способа её остановить.

Речь идёт не о фантастическом допущении. Лабораторные работы уже финансируются. Национальный научный фонд США выделил на создание синтетических зеркальных клеток 4 миллиона долларов в 2019 году. Китайский фонд естественных наук финансирует работы по созданию зеркального центрального догмата биологии — основного механизма генетического воспроизводства. Европейская комиссия через консорциум MirrorBio также поддерживает эти исследования. Зеркальные ферменты уже производят в лаборатории зеркальные рибонуклеиновые кислоты и дезоксирибонуклеиновые кислоты длиной в тысячи оснований. Исследователи активно работают над созданием функционального зеркального рибосома — белково-собирающей машины, которая станет последним компонентом, необходимым для создания полноценной зеркальной клетки.

Что такое зеркальная бактерия? Вся известная жизнь на Земле построена из молекул, существующих в одной из двух возможных зеркальных конфигураций. Белки собраны из левых аминокислот. Сахарный каркас ДНК — правый. Каждый фермент, каждый рецептор, каждый механизм иммунного распознавания настроен на эту односторонность, как замок — на конкретный ключ. Зеркальная бактерия будет построена целиком из противоположной конфигурации. Каждая молекула в ней — точное зеркальное отражение природного аналога. Естественные ферменты не смогут на неё воздействовать. Иммунная система не сможет её обнаружить. За 3,5 миллиарда лет эволюции жизнь на Земле не сталкивалась с таким объектом.

Иммунная система атакует патогены в два этапа. Врождённый иммунитет — быстрый ответ организма — сканирует поверхность бактерий на наличие специфических молекулярных сигнатур. Обнаружив их, запускает воспаление и фагоцитоз — процесс, при котором иммунные клетки поглощают и уничтожают захватчиков. И обнаружение, и уничтожение зависят от стереоспецифического связывания: иммунный рецептор должен физически соответствовать бактериальной молекуле, как ключ замку. Зеркальные бактерии несут поверхностные структуры в обратной конфигурации. Врождённый иммунитет, скорее всего, не сработает вообще. Адаптивный иммунитет — вторая линия обороны — тоже будет скомпрометирован. Когда врождённая система обнаруживает патоген, она расщепляет его на фрагменты и представляет эти фрагменты Т-клеткам и В-клеткам, которые учатся вырабатывать целевые антитела. Процесс расщепления, осуществляемый ферментами протеазами, зависит от хиральности. Зеркальные белки устойчивы к расщеплению протеазами, поскольку протеазы созданы для расщепления левых аминокислотных цепей. Фрагменты не образуются. Т-клетки не активируются. Антитела не вырабатываются.

Оказавшись в кровотоке, зеркальные бактерии найдут среду, которую могут метаболизировать. Зеркальная кишечная палочка может расти на различных ахиральных питательных веществах — соединениях без хиральности, включая глицерин, ацетат, цитрат и ряд продуктов брожения, распространённых в крови и тканях. Инженерная модификация для потребления глюкозы, основного сахара организма, описывается как осуществимая. Зеркальная кишечная палочка, сконструированная для метаболизма глюкозы, будет расти внутри человека на том же питательном субстрате, от которого зависят его собственные клетки, не встречая эффективного иммунного давления. При отсутствии эффективного иммунного ответа летальный исход оценивается как очень вероятный.

Лечение в этой точке будет почти невозможным. Антибиотики работают, связываясь с определёнными бактериальными структурами — ферментами и компонентами клеточной стенки. Это связывание стереоспецифично. Большинство существующих антибиотиков не будут работать против зеркальных бактерий. Ни одна существующая вакцина не подойдёт. Разработка новых противозеркальных соединений и вакцин возможна в принципе, но практические сроки таковы, что в случае вспышки значительная часть заражений произойдёт до того, как будут созданы средства противодействия.

Экологический риск потенциально вечен. Зеркальные бактерии, попавшие в открытую среду, не встретят действующих биологических механизмов контроля. Все вирусы на Земле, включая бактериофагов, которые ежедневно уничтожают триллионы естественных бактерий и представляют собой основной механизм сдерживания микробных популяций, нацелены на бактерии через связывание поверхностных белков. Это связывание зависит от хиральности. Зеркальные бактерии будут полностью устойчивы ко всем природным бактериофагам. Простейшие, поедающие бактерии в почве и океане, переваривают добычу через стереоспецифические ферменты. Зеркальные бактерии пройдут сквозь них неповреждёнными. Конкурирующие микробные виды выделяют противомикробные соединения для подавления соперников. Эти соединения действуют через хиральные механизмы, которым зеркальные бактерии будут в значительной степени сопротивляться.

Самый тревожный сценарий в докладе — океанический. Фотосинтезирующие бактерии, фиксирующие углерод из солнечного света и составляющие основу морских пищевых цепей, занимают природную нишу, которую зеркальные фотосинтезирующие бактерии могли бы занять. Зеркальная фототрофная бактерия, способная выживать в поверхностных водах океана, не встретит вирусного хищничества, эффективного выедания простейшими или конкуренции со стороны противомикробных соединений. Очень большие популяции зеркальных бактерий, особенно автотрофных штаммов, фиксирующих собственный углерод, способны нарушить круговорот питательных веществ во множестве экосистем и повлиять на глобальный углеродный цикл. Это не прогноз о дискомфорте. Это прогноз о фундаментальной планетарной химии.

Создание первой зеркальной бактерии не будет конечной точкой. Как только первая зеркальная клетка появится, инженерное преобразование её в более устойчивые штаммы будет использовать те же методы, что и стандартная генная инженерия, и будет сравнительно простым. Любая компетентная молекулярно-биологическая лаборатория с доступом к зеркальной ДНК сможет её модифицировать. Биосдерживание — использование инженерных kill-switch зависимостей для предотвращения выживания вне лаборатории — оценивается как вероятно достижимое в краткосрочной перспективе. Но оно также оценивается как необеспечиваемое надёжно против умеренно квалифицированного оператора с доступом к зеркальной ДНК. Создание надёжно биозащищённых зеркальных бактерий неосуществимо.

Доклад был рецензирован перед публикацией Джорджем Черчем из Гарварда, Дрю Энди из Стэнфорда, Крейгом Вентером, Саймоном Левиным из Принстона и шестнадцатью другими ведущими учёными. Тот факт, что они сочли возможным взаимодействовать с документом на его техническом уровне, ставит эту оценку риска в категорию, отличную от спекулятивных предупреждений. Двадцать пять соавторов выбрали публичное раскрытие именно потому, что альтернатива — позволить благонамеренным исследовательским программам продолжаться без осознания рисков — была оценена как более опасная, чем привлечение внимания к проблеме. Наука о зеркальных бактериях в настоящее время активна по крайней мере в трёх странах. Никакая международная нормативная база её не регулирует. Никакая система мониторинга синтеза зеркальных нуклеиновых кислот в настоящее время не существует в масштабе, способном обнаружить злоупотребления.

Вопрос, который остаётся за рамками этого доклада: если ведущие учёные мира признают, что создание зеркальной бактерии неизбежно в течение десятилетий, и что после её высвобождения не будет способа её остановить, то почему исследования продолжаются? И кто возьмёт на себя ответственность за тот день, когда зеркальная бактерия попадёт в океан — случайно, намеренно или в результате просчёта?