Благодаря редактированию ДНК, исследователи надеются получить возможность изменять судьбу человека, определенную генами, и бороться со смертельно-опасными заболеваниями, пишет издание NewYorker.
Рано утром Кевин Есвельт (Kevin Esvelt), доцент кафедры биологической инженерии MIT, поднялся на паром, следовавший с острова Нантакет. Уже много лет жители острова страдают от болезни Лайма, которую разносят клещи, контактирующие с белоногими мышами. 34-летний Есвельт руководит группой «скульптурной эволюции» в MIT, где он и его коллеги пытаются разработать молекулярные инструменты, способные кардинально изменить естественный мир. Есвельт намерен использовать эти инструменты, чтобы переписать ДНК белоногих мышей и сделать их устойчивыми к бактериям, которые вызывают болезнь Лайма и другие, которые передаются через клещей. Он и его команда размножают мышей в лаборатории, а затем, в качестве эксперимента, выпускают их на необитаемом острове. Если количество зараженных клещей у таких мышей начнет резко уменьшаться, он будет добиваться разрешения повторить эксперимент на острове Нантакет.
Еще в 2014 году Кевин Есвельт и его коллеги описали революционный инструмент (молекулярный скальпель) для редактирования генов под названием CRISPR, который может сочетаться с природным явлением, известным как генный импульс, что позволяет изменить генетическую судьбу целого биологического вида. Ген играет руководящую роль, превосходя традиционные правила наследования по закону Менделя. Как правило, потомство любого сексуально-репродуктивного организма получает по 50% своего генома от каждого из родителей. Но в 1940-х годах биологи заметили, что некоторые генетические элементы являются «эгоистичными»: эволюция придает им более 50% наследственных черт. Эта особенность позволяет определенным характеристикам распространяться с необыкновенной скоростью.
До появления системы CRISPR биологам не хватало инструментов для принудительных специфических изменений генов в целой популяции. Но система, которая по сути является молекулярным скальпелем, дает возможность изменить или удалить цепочку в геноме, состоящий из миллиардов нуклеотидов. Таким образом, ученые могут быть уверены, что новый ген скопирует себя в каждое следующее поколение. Например, мутация, которая блокирует паразитов, которые распространяют малярию, может быть спроектирована в насекомое и каждое следующее поколение будет иметь больше потомства с таким признаком, пока в какой-то момент это не охватит весь биологический вид.
CRISPR – это мощный биологический инструмент, имеющий огромный потенциал как в направлении улучшения мира, так и уничтожение его. Ученые признают, что CRISPR действительно является угрозой.
Есвельт считает, что с помощью такого инструмента можно провести масштабный эксперимент, который позволит полностью уничтожить определенный биологический вид на планете.
Интеллектуальный дизайн
Эволюция биологических организмов происходит в течение миллионов лет, поэтому иногда только через тысячу поколений малейшие генетические изменения становятся постоянными. Для ученых, которые хотят изменить естественные вещи, нужно совсем немного времени, иногда они могут наблюдать десятки раундов молекулярной эволюции за один день. Впрочем, пройдут годы, прежде чем животные или растения с модифицированными с помощью CRISPR генами будут выпущены в природную среду. На этом пути еще есть много регуляторных, политических и социальных препятствий. Есвельт прогнозирует, что этот процесс займет до 10 лет, но уже можно предвидеть тот день, когда новая технология будет применена, чтобы победить болезни, которые убили миллионы людей. Для внедрения фундаментальных научных изменений нужен тектонический сдвиг в отношении общественности к природному миру.
Есвельт считает, что ученые должны опираться на интеллектуальный дизайн как инструмент генетики. Вообще, термин «интеллектуальный дизайн» обычно относится к антидарвинистской теории о том, что Вселенная, со всеми его структурами и вариациями, слишком сложная, чтобы возникнуть случайно. Другими словами, должна быть какая-то внешняя движущая сила. Истина более прозаична, но весьма интересная: в течение четырех миллиардов лет эволюции, управляемой естественным отбором и случайными мутациями, гарантировала, что наиболее эффективные гены выживают, а слабые исчезают. Благодаря CRISPR и другим инструментам синтетической биологии интеллектуальный дизайн приобрел совсем новый смысл, который грозит выйти за пределы теории Дарвина, ведь в ближайшие годы эволюция может быть управляемая самими учеными.
Генетика вместо пестицидов
Впрочем, это произойдет не завтра. «Вообще, естественный отбор является бессмысленно аморальным, а природа — жестокая и безжалостная», — считает Есвельт. И людям больше не нужно будет бороться с природой разрушительными методами. Например, когда нас что-то не удовлетворяет, мы применяем химические и физические методы воздействия: используем токсичные пестициды против вредителей, но убиваем и других насекомых; используем бульдозеры для осушения болот, чтобы избавиться от комаров, но также уничтожаем лесные угодья и много видов животных, живущих на них.
Но когда у вас появится генный «скальпель», вы можете просто перепрограммировать вредителя, чтобы ему больше не нравился вкус вашего урожая. Насекомое останется в экосистеме, но уже не будет вредить хозяйству. Это гораздо более элегантный способ воздействия на природу. Если вырезать отдельные фрагменты ДНК и вставили дополнительные копии так называемых эгоистичных генов, они могут быть использованы для устранения нежелательных генетических особенностей, таких как способность некоторых комаров переносить болезни.
Последствия вмешательства в природные процессы
Ученый, способный перепрограммировать комаров, чтобы предотвратить распространение малярии или любой другой инфекционной болезни, почти наверняка сможет превратить это насекомое в оружие. В начале текущего года Джеймс Клэппер (James Clapper), на то время директор Национальной разведки США, описал редактирования генов как потенциальное оружие массового уничтожения. Некоторые ученые считают это преувеличением, но потенциальная угроза есть: условные террористы смогут добавить к слюне комара ген, который образует токсины, которые будут передаваться вместе с малярией.
До недавнего времени инструменты молекулярной биологии были дорогими и мало кто имел доступ к ним, не говоря уже о способности возродить мертвые вирусы или построить новые. CRISPR начал менять ситуацию и это, несомненно, ускорит прогресс во многих отраслях. Но доступность новых технологий ведет к росту риска несчастных случаев и диверсий. Уже сегодня цепочку ДНК можно заказать в интернете за копейки. Менее чем за тысячу долларов любой любитель, независимо от его мастерства или знаний, способен приобрести вирус и все, что нужно для его редактирования фактически на «кухонном столе».
Хотя никто не сомневается в оправданности ликвидации такой болезни, как малярия, невозможно оценить долгосрочный экологический эффект от ликвидации целого биологического вида насекомых. Впрочем ученые считают, что контроль над опасными насекомыми или вредителями не всегда требует их полностью уничтожать: можно просто генетически изменить их так, чтобы они были менее вредными.
От одного индивидуума – к целой популяции
Исследование столкнулось с двумя неразрешимыми проблемами. Законы генетики, изложены Грегором Менделем, утверждают, что гены предсказуемо наследуются из поколения в поколение. Также, в соответствии с законом Дарвина, естественный отбор благоприятствует генам, которые помогают их хозяевам выжить, тогда как большинство инженерных (искусственных) характеристик этого не делают. Изменения, сделанные учеными, могут держаться в течение нескольких поколений, но в конечном итоге природа выдавит любые гены, которые не улучшают приспособленность организма. CRISPR ставит дизайн над эволюцией. Используя это средство в лаборатории в Лондоне, ученые построили системы генов для распространения женского бесплодия среди самок комаров. Но нужно провести много испытаний в контрольной лаборатории, перед тем как выпустить таких насекомых в природную среду.
Технология борьбы с комарами, разносящими малярию, не обязательно будет работать против других болезней. Возьмем, например, болезнь Лайма, которую разносят клещи, что живут в траве. Можно легко изменить ДНК таких клещей, но практически невозможно обработать столь большое количество насекомых, чтобы это имело существенное влияние на распространение болезни среди людей. Эта проблема остановила Есвельта, однако затем он сделал очевидный вывод: клещи получили инфекционные болезни типа Лайма от белоногих мышей, а потому достаточно изменить ДНК мышей, чтобы они стали устойчивыми к бактериям Лайма. Мыши будут размножаться и довольно скоро все следующие поколения будут рождаться устойчивыми к инфекции.
Backup для живых организмов
Благодаря технологиям CRISPR и генном импульса достаточно изменить генную структуру только одного живого организма, чтобы в конечном итоге изменить базовую генетику целого биологического вида. Признавая вероятность фатальной ошибки, что уничтожит весь вид, Кевин Есвельт уже во время первых экспериментов изобрел технологии, способные восстановить оригинальный состояние любой измененной ДНК. Если же редактирование ДНК невозможно отменить — он вообще не проводит эксперименты. Ученые также предлагают сохранить часть популяции любого вида, ДНК которого было отредактировано, в своей оригинальной форме – создать молекулярный Ноев ковчег.
Хотя исследование в целом является чрезвычайно перспективным, оно предполагает, что специалисты должны достичь такого уровня мастерства, который преобладает над природными процессами, а это очень непросто. Генетические изменения происходят медленно, однако когда речь заходит про комаров или мышей, которых ученые надеются обуздать, то трансформация может быть быстрой. Иногда ген переходит от одного вида к другому через горизонтальный перенос генов: когда ген-импульс, созданный для подавления одного типа москитов, переходит на другой, угрожая ему. Кроме того, гены сами по себе постоянно меняются. Если определенная последовательность синтеза генов подвергается мутации, это может в конечном счете влиять на различные виды, с последствиями, которые трудно предсказать.
Ученые сравнивают механизмы генного импульса, который изменяет генетику видов, с онкологической иммунотерапией, когда иммунные клетки человека используются для атаки опухолей. Можно удалить один ген со злокачественной клетки и посмотреть, что произойдет, а затем удалить еще один ген и снова следить за тем, что происходит. Но если удалить сразу оба, то предсказать результат невозможно. Этот подход является рискованным, однако в эксперименте с лечением рака врачи предлагают его как вариант спасения пациента. Хотя и предупреждают, что метод может оказаться для пациента смертельным.
Человечество изменяет окружающий мир с самого начала своего существования. Поэтому реальный вопрос не в том, будем ли мы продолжать изменять природу под наши задачи, а в том, как мы это сделаем. Используя смесь методов селекции, мы создали агрокультуры, бесчисленные породы животных и превратили миллионы акров лесных на сельскохозяйственные угодья. Но генетический подход отличается: одно насекомое может повлиять на будущее всего биологического вида. И это — уже совсем другое будущее.