Человек редактированный, или Биомедицина будущего

Киселев Сергей Владимирович

Собирательство было не самым надежным источником пищи, оно требовало постоянных перемещений для освоения новых территорий. Несомненным преимуществом в природе обладают те виды животных, у которых детеныши могут сразу самостоятельно перемещаться вслед за матерью, что обеспечивает и безопасность, и питание. Однако большинству животных необходимы месяцы, пока их детеныши смогут следовать за группой. Это время они проводят в укромном уголке, чтобы матери имели возможность покидать потомство. Наиболее близкие человеку виды приматов минимизировали свой контакт с землей, которая представляет для них опасность, и переселились на ветки деревьев, что обеспечило их пищей и дало возможность относительно спокойно передвигаться с детенышами, вцепившимися в матерей. Увы, относительно слабые предки человека были не способны жить на деревьях и не могли выкапывать безопасные

норы с длинными ходами. Такое низкое положение в иерархической лестнице природы заставило их проявлять чудеса наблюдательности, анализа и творчества.

В частности, наши далекие предки обратили внимание на то, что остатки плодов и семена, случайно оставшиеся возле их стоянок, давали всходы. Человек начал их специально высаживать, отбирать самые плодовитые и вкусные. И вскоре люди заметили, что целенаправленное выращивание съедобных растений дает гораздо больший эффект, чем собирательство. Появилась возможность вести оседлый образ жизни, поскольку растительная пища эффективно обновлялась, а животные фактически приходили к этим местам сами. Многовековое наблюдение за растениями позволило человеку из дикорастущих видов выбрать оптимальные по вкусовым качествам, калорийности, урожайности, удобству уборки урожая и возможности хранения виды. Появились сорта растений, которые со временем стали называться культурными.

Такие растения отличались от дикорастущих прежде всего своей плодовитостью, позволяющей с единицы площади получить больше съедобной продукции. Сегодня мы понимаем, что наблюдательные люди по чисто внешним признакам отбирали те растения, в которых произошли какие-то случайные мутации. Они не знали, что мутации бывают разными, что их может происходить несколько, и отбирали не мутацию, а тот колосок, в котором образовалось больше зерен. Вид Homo sapiens sapiens освоил земледелие примерно десять тысяч лет назад; плотность населения была низкая, и окультуренные виды растений могли прокормить человечество. Климатические изменения зачастую приводили к появлению случайных мутаций, которые изменяли свойства растений, а человек продолжал отбирать лучшие. Это было время искусственного отбора и простейшей селекции с помощью скрещивания.

Однако численность населения росла со все возрастающей скоростью: порядка четырехсот миллионов — в X веке, к началу XIX века — уже миллиард, на начало XX века — около двух миллиардов, и на рубеже XIX и XX веков реально возникла проблема недостатка пищи. Земледелие должно было стать более интенсивным, чтобы обеспечить потребности растущего населения Земли. Но уже не было столетий на проведение селекции новых, еще более урожайных сортов — эту роскошь человек не мог себе позволить.

В этот трудный исторический момент сыграла свою роль техническая революция. Научные открытия и последовавшие за ними технологические решения в области физики и химии (в том числе открытие новых химических соединений, химический синтез, открытие радиоактивности, возможность заглянуть внутрь любых молекул) помогли людям научиться влиять на некоторые естественные процессы — по крайней мере, в биологических объектах. Первым вкладом науки в новую технологию земледелия стал в начале XX века радиационный и химический мутагенез. Люди научились искусственно вызывать у растений те же изменения, которые в природе происходили в результате случайных событий биологического характера, а также внешних факторов. Среди них, например, извержение вулкана несколько тысяч лет назад, вызвавшее изменение состава почв, образование и исчезновение озоновых дыр, влияющие на поток ультрафиолета, космическая радиация и т. п.

Благодаря радиационному и химическому мутагенезу можно было не ждать тысячелетиями случайных природных событий, а «вызвать» их при облучении или обработке семян химикатами (комбинаторное воздействие). Это позволяло достаточно быстро получить колоссальный набор вариантов данного растения и выбрать среди них нужный, чтобы сделать его селекционным сортом. Но что происходит при этом на генетическом уровне, никто по-прежнему не знал, а ведь нужны были именно генетические изменения — только они наследуются и сохраняются в ряде поколений. Отбор подходящих мутантных сортов производился по признакам, которые представлялись селекционерам наиболее важными: по внешнему виду, химическому составу, продуктивности, устойчивости — безотносительно к тому, что в действительности происходило внутри растения.

Подобный подход не одно десятилетие служил людям, но их становилось все

больше. К середине XX века численность населения планеты составляла уже три миллиарда. И опять перестало хватать еды!

Во второй половине XX века человечество уже знало, что радиация и химическая обработка влияют на гены, от мутаций которых изменяются свойства растений. Многое стало известно о том, какие гены работают в живых организмах и какие функции они выполняют. В 1970 году была вручена Нобелевская премия за доказательство возможности переноса генов между видами, и всего через несколько лет появился рекомбинантный инсулин человека: его производят бактерии кишечной палочки E.coli, в которые введен ген инсулина человека.

А почему бы не сделать то же самое с растением и не перенести на него полезные свойства других организмов? Например, это может быть свойство устойчивости к инфекциям. Из биологии мы знаем, что существуют гены резистентности. Почему одни растения устойчивы к какой-то инфекции, а другие нет? Потому что в них нет генов резистентности. Но можно ввести ген резистентности другого растения в культурное растение, чтобы защитить его.

Технологии генетической модификации растений работают исключительно направленно и тщательно просчитаны. Уже не надо ждать десятилетия, как ждали наши предки, или произвольно и бездумно менять геном, как делали еще полвека назад. С 1980-х годов воздействие на гены растений производится только целевым образом, чтобы получить необходимые признаки. Создавая генетически модифицированные растения, генные инженеры заранее знают, какой нужен результат, поэтому воздействие осуществляется на конкретные, вполне определенные гены. Это принципиально отличает современные технологии от слепого поиска, свойственного прошлым тысячелетиям. По своей технологии генетическая модификация растений не отличается от создания рекомбинантных микроорганизмов или генной терапии человека. Здесь тоже имеется клетка и есть генетическая конструкция, которая должна проникнуть в эту клетку и встроиться в ее геном. Для этого используют, как и в случае с генной терапией человека, вирусы растений или другие способы доставки. А после того как генетическая конструкция попала внутрь клетки, происходит то, с чего мы начали нашу историю, — генетическая рекомбинация. И в дальнейшем из этой растительной клетки выращивается целое живое растение, семена которого используются для посевов.

И все-таки можно ли считать, что генетическая модификация растений, которая началась в 1980-х годах и в значительной степени используется до сих пор, решает все проблемы? К сожалению, нет. Во-первых, как здесь уже говорилось, воздействие на организм, при котором берется один ген и переносится в геном другого вида, — это технология манипулирования страницами или целыми параграфами генетического текста. Во-вторых, при традиционной генетической модификации множественные генетические изменения требуют последовательных действий: нужно ввести в клетки один ген, вырастить растение, потом из него получить новые клетки, ввести другой ген, и так далее, собирая урожай на каждой стадии.

Но ведь теперь о растениях известно гораздо больше! Мы знаем, какой ген за что отвечает, какие у них есть регуляторные последовательности и многое другое, поэтому сегодняшняя технология побуквенного редактирования генетического текста CRISPR/Cas9 очень важна для земледелия. Она позволяет за короткое время (всего за одну генерацию растения) проделать, в общем, то же самое, что и при генетической модификации, но одновременно с добрым десятком генов, причем изменяя в желаемом направлении каждую букву генетического текста. Теперь это можно делать сразу, не тратя лишние годы.

В качестве примера можно привести одну из работ, выполненных в Китае, публикация о которой появилась в 2018 году. Менее чем за год китайские ученые создали новый сорт риса с продуктивностью, повышенной на тридцать процентов. При этом генетические манипуляции с одиночными буквами генетического текста (а их количество даже больше, чем у человека) не требовали внесения генов других организмов, всего лишь изменение своего. Это кажется чудом, но на самом деле реализована еще недавно казавшаяся фантастической возможность — получить за короткий срок, всего за год, растение с новыми заданными свойствами. Китайцы ориентировались на продуктивность, но можно менять в нужную сторону и другие свойства растения (того же риса: количество крахмала, содержание тех или иных белков и пр.), причем вносить изменения одновременно во многих генах. Только система CRISPR/Cas9 предоставляет сегодня такую возможность.