Один из основателей современной биохимии Жак Лёб писал в 1912 году:

«…ничто не указывает, однако, в настоящее время на то, что искусственное производство живой материи находится вне возможностей науки... мы должны преуспеть в искусственном производстве живой материи, или мы должны найти причины, почему оно невозможно»^{1 2}

Это было написано до кристаллизации отдельного белка, открытия цикла лимонной кислоты и большей части метаболизма, до понимания структуры ДНК и концепций молекулярной биологии. По всем этим причинам д-ра Лёба можно извинить за его преждевременный оптимизм в отношении синтеза живой материи.

Действительно, более века спустя концепция лабораторного абиогенеза только начинает выходить на поверхность благодаря зарождающейся области синтетической биологии.

Конечной целью синтетической биологии является получение живой материи в лаборатории, абиогенез in-vitro.^{3 4 5} Хотя в научном сообществе нет единого мнения о том, что представляет собой «живая материя»,^{6 7 8 9 10} очень полезная подборка из девяти неизменных характеристик всех живых структур была опубликована.¹¹ В дополнение к этой подборке очень полезная характеристика живого организма дана в одном проницательном обзоре этой области:

«...под "живым" мы понимаем способность к автономному самоподдержанию во внеравновесном гомеостатическом состоянии, с дополнительной возможностью роста и деления, что дает начало своего рода минимальному жизненному циклу и эволюции».¹²

Поскольку принято считать, что в основе всего живого, «сущности жизни», лежит необходимая совокупность нуклеиновых кислот и белков, все современные усилия в области синтетической биологии направлены на создание модельных клеток, содержащих эти компоненты. Цитируя одного выдающегося ученого по этому вопросу:

«...саму жизнь можно рассматривать как эмерджентное свойство: молекулы, составляющие живую клетку (ДНК, белки, полисахариды, липиды и т.д.), не являются живыми. Качество "жизнь" возникает в результате сборки этих неживых элементов, должным образом расположенных в пространстве и времени».¹³

В основе всех усилий в области синтетической биологии лежит принципиально важное предположение о возможности поэтапной сборки живой материи из набора биомолекул. Следствием этого предположения является то, что, по крайней мере теоретично, живую материю можно обратимо разобрать и собрать заново. Хотя это почти всеобщее мнение научного сообщества, до сих пор эти предположения не были подтверждены экспериментально.

Убеждение, что живая материя может быть создана из инертных органических молекул, можно отнести к постулатам И. Опарина¹⁴ и Д. Холдейна¹⁵ о происхождении жизни. С открытиями С. Миллера и Х. Ури¹⁶ это понятие расцвело в область химической эволюции, в рамках которой за последние три четверти века появилось огромное количество работ¹⁷, но мало что прояснилось в отношении того, как живая материя могла появиться в условиях примитивной Земли.

Синтетическая биология освобождается от трудного бремени заниматься биохимией в первобытных условиях. Теперь лаборатории могут свободно использовать любые доступные им средства для создания живой материи!

Действительно, существует значительный оптимизм в отношении того, что синтетическая биология, наконец, достигнет «святого Грааля» биологии – создания искусственной живой клетки. Соответственно, заключительное замечание относительно недавней обзорной статьи на эту тему гласит:

«Синтез живой искусственной клетки из компонентов откроет дверь для многих других авантюрных направлений исследований...»¹⁸

Однако более осторожный рецензент по этому вопросу заявляет:

«...важно отметить, что минимальная жизнь еще не была получена в лаборатории. Означает ли это, что это в принципе невозможно? Я так не считаю, хотя как ученому всегда полезно иметь немного сомнений (возможно, мы упустили что-то важное в нашем теоретическом анализе)».¹⁹

Это сообщение указывает как раз на такое упущение – недооценку существенной природы «неравновесного» состояния живой материи.

Все жизненные процессы, метаболизм, рост, ответ на стимуляцию и репликация, приводятся в движение продолжающимися химическими реакциями. Каждая химическая реакция существует в одном из двух состояний – неравновесном и равновесном. Текущие химические процессы всегда находятся в неравновесном состоянии.

Когда химическая реакция aA + bB ⇌ cC + dD завершается, наступает равновесие, где коэффициент массового действия Γ=[C]cx[D]d/[A]ax[B]b становится константой равновесия, K_eq. При равновесии переменная свободной энергии ∆F=0, и в этом состоянии реакция не может генерировать или поглощать энергию.

В ходе химических реакций происходит чистый поток вещества от реактантов к продуктам или наоборот. Однако при равновесии поток прекращается.

Более того, состояние равновесия сопротивляется изменениям. Согласно принципу Ле Шателье,²⁰ если химическая система, находящаяся в состоянии равновесия, испытывает изменение концентрации, температуры, объема или парциального давления, то равновесие смещается, противодействуя навязанному изменению, и устанавливается новое равновесие. Таким образом, согласно этому принципу, любое изменение от состояния неравновесия к равновесию является необратимым.

Несмотря на то, что в живых клетках ферменты направляют каждую реакцию в сторону равновесия (чтобы предотвратить возможность медленных, случайных небиологических химических событий), если какой-либо из сотен или тысяч химических процессов действительно достигнет равновесия, произойдет необратимый метаболический блок.

Многократное достижение такого равновесия привело бы к гибели клетки. Однако в живых клетках нет изолированных реакций, и проблема равновесия исключена. Скорее, химические события связаны в пути, так что продукты реакций не накапливаются, а сразу вступают в реакцию с другим веществом.

Конечные продукты метаболических путей либо используются немедленно, либо выделяются из клетки. Более того, системы регуляции, такие как «торможение с обратной связью», помогают поддерживать гомеостаз.

То, что неравновесные устойчивые состояния всех химических реакций/путей в живых клетках составляют сущность жизни, можно доказать на примере простого эксперимента по кратковременной обработке аликвоты растущей культуры Escherichia coli каплями толуола.²¹ Эта процедура создает дыры во внешней мембране бактерии, вызывая растворение протонного градиента между цитоплазмой и периплазмой.^{22 23} В свою очередь, синтез АТФ останавливается, в течение нескольких секунд реакции в клетке достигают своего равновесия и организм погибает.

В этот момент мертвая клетка содержит большую часть своих нуклеиновых кислот, белков, липидов, полисахаридов и метаболитов. Поэтому, хотя генетический материал, РНК, ферменты, полисахариды и липиды являются необходимыми компонентами живой клетки, одного их присутствия недостаточно для жизни. В живых клетках на все необходимые биополимеры накладывается устойчивая неравновесная динамика всех химических событий.

Даже если бы удалось предотвратить внутреннюю деградацию ее биополимеров, мертвая бактерия никогда не вернулась бы к жизни просто путем продолжения инкубации.

Нынешние специалисты по синтетической биологии, признавая обязательное «неравновесное гомеостатическое состояние» живой материи, похоже, не ценят необратимость [неспонтанность?] состояния равновесия. Построение искусственных клеток по модульному принципу неизбежно приведет к наступлению химического равновесия внутри каждого модуля. Как только равновесие достигнуто, искусственная клетка, образно говоря, «наталкивается на кирпичную стену». Она больше не способна расти или осуществлять какие-либо чистые химические процессы.

Технология модульной сборки искусственных клеток с сохранением неравновесного состояния каждого компонента реакции неизвестна. Хотя эти соображения не относятся к полимеризации, такой как синтез РНК или ДНК, поскольку каждое постепенное удлинение полимера сопровождается гидролизом высокоэнергетической связи, делая эти этапы по существу необратимыми, любое другое метаболическое событие в значительной степени подвержено прекращению из-за достижения равновесия.

Пока создание клеточноподобных структур, в которых метаболизм находится в гомеостатическом неравновесном состоянии, не станет реальностью, самые сложные усилия синтетической биологии будут сведены к нулю.

Поэтому, более века спустя, наш ответ на призыв Жака Лёба к синтезу живой материи заключается в том, что мы еще не можем этого сделать. Нам нужно найти способы создания устойчивых неравновесных условий внутри искусственных клеток. Эти технологии ждут изобретений в будущем.