Простое начало. Как четыре закона физики формируют живой мир

Партасарати Рагувир

Не все планы реализуются успешно, но есть надежда, что мы будем учиться на ошибках прошлого, разрабатывать более удачные тесты и эксперименты и искать разнообразные инструменты. В предыдущей главе мы рассматривали применение CRISPR/Cas9 для модификации клеток и отдельных организмов. Здесь в качестве последней биотехнологической иллюстрации поговорим о том, как CRISPR/Cas9 может изменять и даже уничтожать целые виды с помощью технологии генного драйва¹⁰. Применять ли ее – вопрос сложный, в чем мы скоро убедимся.

Представьте признак, задаваемый единственным геном: пусть, например, его самый распространенный вариант придает насекомым серый цвет, а особая мутация – черный. (Или, предвосхищая сценарий применения, описанный ниже, пусть мутация приводит к стерильности комаров, если затрагивает обе копии гена в их геноме.) Допустим, мутация есть лишь у одного представителя вида. Когда он спарится с обычной, немутантной по этому гену, особью, случайная рекомбинация генов приведет к тому, что мутация в составе сперматозоида или яйцеклетки передастся

следующему поколению с вероятностью 50 %. Поэтому, если черный цвет не дает никаких преимуществ, эта мутация вряд ли распространится в популяции. (Я проиллюстрировал эту ситуацию для пар, которые всегда дают двух потомков, на схеме, не учитывающей случайность наследования.)

Теперь представьте, что в геном черной особи рядом с мутантным участком встроили и детерминанты системы CRISPR/Cas9, мишенью которой служит «нормальная» (серая) форма гена. Если модифицированная ДНК встречается с немодифицированным геномом – при спаривании с неотредактированным партнером, – Cas9 разрезает ген серого пигмента. Как мы знаем, клетки ремонтируют разрывы ДНК и часто используют в качестве шаблона эквивалентные участки парной хромосомы. Так участок с черной мутацией и кассетой CRISPR/Cas9 оказывается в обеих хромосомах. Все потомство в итоге будет черным и будет содержать механизм CRISPR/Cas9, который обеспечит изменение геномов у всех будущих потомков от спариваний с немодифицированными особями [73] . В итоге черные насекомые распространятся и постепенно вытеснят серых из популяции.

73

Тонкая механика мутагенной цепной реакции, лежащей в основе таких модификаций, наглядно показана, например, в статье: https://biomolecula.ru/articles/mutagennaia-tsepnaia-reaktsiia-redaktirovanie-genomov-na-grani-fantastiki. С историей и принципами генного драйва в целом знакомит работа: https://nauchkor.ru/media/chto-takoe-gennyy-drayv-i-kak-on-rabotaet-59c647305f1be722ab1ef5bf.

Но зачем так изощряться? Пожалуй, самая весомая цель – избавление от малярии. Каждый год от этой болезни умирают более 400 тысяч человек и более 200 миллионов хоть и выживают, но длительно страдают от жара, дрожи, слабости и головных болей¹¹. Малярию вызывает эукариотический паразит, который переносится самками комаров из рода Anopheles (так называемых «малярийных комаров») и передается человеку, когда они пьют его кровь. Сами насекомые получают возбудителя из крови инфицированных людей. Комары переносят и другие тяжелые заболевания – в частности, лихорадки денге, Зика и Западного Нила. Целый ряд государственных ведомств, некоммерческих организаций и органов здравоохранения активно обсуждает возможность применить генный драйв к малярийным комарам. Таким способом их можно сделать устойчивыми к паразитам либо вообще истребить. Для реализации второго сценария можно, например, распространить мутацию, определяющую маскулинность, из-за чего популяция переполнится самцами и не сможет воспроизводиться; а можно повредить гены, связанные с откладкой яиц, и таким образом распространить стерильность.

Хотя лабораторные исследования генных драйвов у комаров дают ожидаемый результат, модифицированных насекомых пока не выпускают в дикую природу. На волю, однако, выпускают других комаров, геном которых корректируют инструментами, не распространяющимися по популяции. Начиная с 2009 года в Бразилии, Малайзии и на Каймановых островах выпустили больше миллиарда комаров мужского пола с генетической вариацией, смертельной для их потомства¹². Биотехнологическая компания Oxitec, создавшая этих комаров, заявила об успехе эксперимента: в пределах опытного участка на Большом Каймане популяция комаров сократилась на 80 %, а в бразильском городе Жакобина – на 90 %¹³. В 2021 году насекомых выпустили на архипелаге Флорида-Кис, где резко выросла заболеваемость лихорадками денге и Зика¹⁴. Разработанный для этого района план в августе 2020-го после ожесточенных споров о новой методике одобрили четырьмя голосами против одного на голосовании в местном Совете по контролю популяции комаров. Традиционно численность этих насекомых здесь контролировали распылением пестицидов, убивающих 30–50 % популяции.

Любопытно, что модифицированные комары Oxitec наглядно демонстрируют работу биофизического механизма, с которым мы уже встречались: летальная мутация находится у них в гене, кодирующем

не белок с какой-то узкой биохимической активностью, а фактор транскрипции (см. главу 4), что изменяет регуляторные схемы организма¹⁵. Очевидно, мутантные комары производят активатор, который подстегивает собственное перепроизводство; из-за этой положительной обратной связи непрерывно нарастает производство бесполезного белка, который блокирует клеточные механизмы насекомого. В лаборатории самкам, самцам и их потомкам не дает умереть специальный препарат, подавляющий активность этой регуляторной схемы, но в дикой природе доступа к нему нет. Быстро растущие молодые комары гибнут из-за чрезвычайно высокой чувствительности к регуляторному дисбалансу. Между этим методом и генным драйвом есть как сходства, так и различия. Например, оба метода предполагают изменение генома: первый требует постоянного пополнения популяции модифицированными особями, а второй автоматически обеспечивает передачу изменений в поколениях. Понимать разницу очень важно для принятия информированных решений о том, как работать с насущными проблемами общественного здоровья – например, бороться с инфекциями, распространяемыми насекомыми.

Но вернемся к генным драйвам. Их потенциальное внедрение в дикую природу вызывает беспокойство. Истребление вида, помимо сокращения животного разнообразия планеты, может повредить хищникам или гораздо масштабнее нарушить пищевые цепочки, куда этот вид входит. В случае с малярийными комарами аргументы в пользу генного драйва сильнее, чем во многих других ситуациях, поскольку эти насекомые не составляют основу чьего-то рациона, и даже если бы мы устранили несколько видов комаров, то на планете их осталось бы еще свыше 3 тысяч. К тому же нельзя забывать, что на другой чаше этических весов у нас масса человеческих страданий. И все же вопросов еще много. Например, кто должен решать, применять ли генный драйв? Когда речь идет о комарах и малярии, большинство сходится во мнении, что решения о мерах в Африке, на которую приходится больше 90 % заболеваемости, должны принимать африканцы. Но какие именно? Комары не признают государственных границ, а генный драйв работает везде, где есть его мишени.

Эти решения тесно переплетены с вопросами сохранения окружающей среды. Многим хрупким экосистемам угрожают инвазивные виды. Например, крысы на Галапагосских островах изводят местную фауну, пожирая птичьи и черепашьи яйца. Может, генный драйв в случае крыс стал бы более удачным способом защиты аборигенных видов, чем крысиные яды, которые используют сейчас? Подобные вопросы можно перенести и на другие регионы и виды, включая вредителей сельхозкультур.

Размышления о применении генных драйвов и сходных технологий заставляют нас с тревогой вспоминать все прежние неудачи в инженерии экосистем. И это оправданно. Не увидим ли мы в итоге просто новые версии жабьей эпопеи? Впрочем, мы можем учиться на своих ошибках и утешаться тем, что новые технологии точнее старых. Уже разрабатывают дополнительные меры безопасности вроде закодированных в ДНК механизмов, позволяющих блокировать и даже обращать генные драйвы в популяции¹⁶. В прошлом хирургические операции не отличались изяществом и часто приводили к смерти пациента от инфекции, но сегодня хирургия точна и, как правило, успешна благодаря углублению наших знаний и внедрению новых методов. Я считаю вполне резонным стремление разработать столь же эффективные инструменты для более масштабных вмешательств. Да, это может звучать чересчур оптимистично, но, как я отметил выше, альтернативы современным методам могут быть еще менее приемлемыми.

О взаимоотношениях биотехнологий и общества можно писать еще очень-очень долго. Новые методы и сценарии их применения – воодушевляющие, но рискованные – будут появляться не только в силу углубления наших знаний о природе, но и благодаря дешевизне и удобству создаваемых инструментов. Сегодня я вижу рекламу, в которой мне предлагают полностью прочитать мой геном всего за 300 долларов, тогда как 10 лет назад это стоило 10 тысяч, а 30 лет назад и вовсе 3 миллиарда. Приборы для проведения ПЦР, очистки белков и выращивания клеток сейчас доступны как никогда. Энтузиасты в любительских сообществах делятся биохимическими рецептами и чертежами оборудования, которое печатается на 3D-принтере и помогает осваивать биотехнологическое ремесло прямо в гараже¹⁷. Так, участники проекта «Открытый инсулин» задались целью разработать «доступные каждому организмы для производства инсулина», которые должны подарить диабетикам независимость от коммерческих поставщиков инсулина¹⁸.

Одних подобная доступность биотехнологического инвентаря ужасает, а других, напротив, радует как проявление демократизации науки. Но вне зависимости от нашего отношения факт остается фактом: эти инструменты сегодня повсюду. Технологии, лежащие в основе футуристических сценариев, уже существуют и применяются во множестве не вызывающих беспокойства сфер – например, в диагностике заболеваний или мониторинге микробных загрязнений. Сложно даже представить, чтобы мы отказались от них или перестали искать новые точки их приложения. Я часто использовал здесь местоимение «мы», не уточняя, кого под ним подразумеваю. В контексте биотехнологий «нами», хорошо это или плохо, может быть кто угодно. Любая относительно развитая страна или даже организация способна использовать инструменты, с которыми мы познакомились на этих страницах. Время покажет, как их будут применять. И снова подчеркну, как важно просвещение для того, чтобы мы принимали наилучшие решения, основанные на понимании сути доступных нам технологий, их возможностей и ограничений. Разумеется, ценность просвещенности не сводится к практическим выгодам. В завершение мы вернемся к более глубоким и вдохновляющим урокам, которые преподносит нам изучение механизмов жизни.