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.
Первичная квантовая протоклетка
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.
Однако, как мы уже говорили, захват частиц света является только первой стадией фотосинтеза. Затем нам необходимо преобразовать нестабильную энергию экситона в стабильную химическую форму. Ученые уже добились результатов в этом направлении. После того как в 2013 году группа ученых под руководством Скалли опубликовала статью о том, что фотосинтетический реакционный центр является не чем иным, как квантовой паровой машиной, исследователи пришли к мысли о том, что биологические квантовые паровые машины могут стать образцом для создания более эффективных фоточувствительных клеток[196]. Позже в том же году ученые из Кембриджского университета, ухватившись за эту идею, создали подробную модель искусственной фоточувствительной клетки, которая должна функционировать как квантовая паровая машина[197]. Группа исследователей смоделировала искусственный реакционный центр из молекулы пигмента, связанной с другими молекулами способом Энджела, и показала, что при данном расположении молекул перенос экситона к молекуле-акцептору осуществляется с эффективностью, превышающей предел Карно, как и в эксперименте Скалли с естественным процессом фотосинтеза.
Итак, давайте представим, что наша квантовая солнечная батарея оснащена искусственным реакционным центром, устроенным по модели команды ученых из Кембриджа, который способен улавливать электроны высокой энергии в виде стабильной химической энергии. Мы снова создадим систему, которую будем противопоставлять классической фоточувствительной клетке, осуществляющей подобный перенос энергии без преодоления предела Карно. Захваченная клеткой энергия солнечного света может использоваться для создания сложных биомолекул, например молекул пигмента.
Однако, как и электроны, биосинтетические реакции нуждаются в дополнительном количестве энергии, которое в наших клетках (см. главу 3) обеспечивается клеточным дыханием. «Вдохновившись» дыханием, мы переместим несколько высокоэнергетических электронов в ячейку клетки, которая выполняет функцию электростанции. Здесь электроны туннелируют от одного фермента к другому, как и в естественной дыхательной цепи, и образуют АТФ — носитель молекулярной энергии клетки. Перед нами стоит новая задача: сконструировать в клетке дыхательный центр и оценить роль квантовой механики в этом важнейшем биологическом процессе.
Оснащенная источником электронов и дополнительной энергии, наша квантовая фоточувствительная клетка способна производить собственные биомолекулы. Однако для этого она нуждается в источнике сырья для биомолекул, а попросту — в пище. Итак, мы обеспечиваем нашу клетку таким источником — простым сахаром, а точнее, глюкозой, растворенной в нашем лабораторном «первичном океане» (среде, в которой пребывает наша клетка). Нам потребуется встроить в клетку работающие на энергии АТФ станции переработки сахара, закачивающие глюкозу в клетку и при помощи других ферментов, способных управлять отдельными атомами молекул глюкозы (здесь мы имеем дело уже с квантовой инженерией), образующие более сложные биомолекулы. Многие из этих ферментов обычно используют туннелирование электронов и протонов (об этом мы говорили в главе 3), однако наша задача снова будет заключаться в том, чтобы смоделировать два варианта клеток (один — с возможностью использовать свойства квантового мира, другой — без), чтобы проверить, действительно ли квантовая механика обеспечивает эти движущие силы жизни необходимой энергией.
Проектируя нашу квантовую протоклетку, мы должны будем предусмотреть еще одно ее свойство — способность укрощать разрушительные силы молекулярного шума, чтобы поддерживать квантовую когерентность. В настоящее время нам слишком мало известно о том, каким образом это удается живой клетке, поэтому мы едва ли способны искусственно создать клетку с таким свойством. Здесь могут быть задействованы многие факторы: например, известно, что избыточное количество молекул в среде живой клетки влияет на ход многих биохимических реакций[198], а также способствует сдерживанию разрушительного влияния молекулярного шума. Поэтому нам придется заполнить протоклетку биомолекулами практически «под завязку», чтобы создать подобие заполненной молекулами среды живой клетки в надежде, что это поможет направить силу термодинамических шквалов и порывов на поддержание квантовой когерентности.
