Дженнифер Даудна, Сэмюел Стернберг
Трещина в мироздании
Редактирование генома: невероятная технология, способная управлять эволюцией
Нашим родителям, Дороти и Мартину Даудна (Дж. Д.)
и Сюзанне Ниммрихтер и Роберту Стернбергу (С. С.)
Наука не представляет себе глубины собственного воображения.
Ральф Уолдо Эмерсон
Пролог
Волна
Мне снится, что я стою на берегу моря.
По обе стороны от меня длинная полоса светлого песка с вкраплениями темных песчинок простирается вдоль воды, очерчивая большую бухту. Я осознаю, что это берег гавайского острова, на котором я выросла, — край бухты Хило, где я когда-то проводила выходные с друзьями, наблюдая за соревнованиями по гребле на каноэ или разыскивая ракушки и стеклянные шары, упавшие за борт с японских рыболовецких судов и иногда выносившиеся на берег волнами [Имеются в виду кухтыли — поплавки для сетей. В наши дни они обычно пластиковые, но раньше выдувались из стекла в виде больших полых шаров (примеч. науч. ред.).].
Но сегодня тут не видно ни друзей, ни каноэ, ни рыболовецких суденышек. Берег пуст, песок и вода неестественно спокойны. За волнорезом лучи света нежно играют на поверхности океана, будто хотят унять мой страх, зародившийся еще в детстве, — страх, преследующий каждого жителя города Хило независимо от его возраста. Пока я была ребенком, на остров ни разу не приходили волны цунами, но все мы видели фотографии. Мы знаем, что город находится в зоне затопления.
Как по заказу, вдалеке появляется она. Волна.
Сначала она совсем небольшая, но с каждой секундой растет, возвышается передо мной стеной, ее пенистые гребни заслоняют небо. За ней — другие волны, и все они катятся по направлению к берегу.
Я скована страхом — но, когда цунами подходит ближе, ужас уступает место решимости. Позади себя я замечаю небольшую деревянную хибарку. Она принадлежит моей подруге Пуа, и перед ней валяется множество досок для серфинга. Я хватаю одну из них и плюхаюсь в воду, выгребаю в бухту, огибаю волнорез и направляюсь прямо в набегающие волны. Я успеваю поднырнуть под первую из них до того, как она настигнет меня, и, оказавшись по другую сторону от нее, скатываюсь по второй волне. В эти мгновения я наслаждаюсь открывшимся видом. Он прекрасен: гора Мауна-Кеа, а за ней — Мауна-Лоа, устремляются ввысь, в небо, защитными стенами возвышаясь над бухтой.
Я зажмуриваюсь — и открываю глаза в своей спальне в Беркли, штат Калифорния, за тысячи миль от дома, в котором выросла.
Сейчас июль 2015-го, и это самый захватывающий, самый ошеломительный год моей жизни. Я уже давно вижу подобные сны, но теперь мне легко распознать их глубинный смысл: берег — это мираж, но волны и клубок эмоций, которые они вызывают — страх, надежда, трепет, — чрезвычайно реалистичны.
Меня зовут Дженнифер Даудна. Я биохимик, и большую часть своей карьеры я провела в лаборатории, исследуя вещи, о которых большинство неспециалистов ничего не слышали. Однако в последние лет пять я оказалась вовлечена в работу, которую можно считать подлинным прорывом в науках о жизни, и теперь их развитие невозможно удержать в стенах какого бы то ни было исследовательского центра. Меня и моих коллег захватила непреодолимая сила, мало чем отличающаяся от цунами моих снов — с той лишь разницей, что в реальности эти волны помогла вызвать я сама.
К лету 2015-го года биотехнологический метод, который я помогла разработать всего за несколько лет до этого, набрал в своем развитии такую скорость, какую я и представить себе не могла. И возможные последствия его применения обретают подлинно сейсмический масштаб — не только для медико-биологических наук, но и для жизни на Земле в целом.
Эта книга — история развития этого метода и моя собственная история. И ваша тоже. Пройдет не так много времени, прежде чем плоды, которые принесет новая технология, окажутся и у вас на пороге.
Люди тысячелетиями изменяли окружающий мир ради своих целей, но результаты их деятельности никогда не были настолько масштабными, как сейчас. Промышленная революция вызвала изменения климата, угрожающие экосистемам по всему земному шару, и она же вместе с другими формами человеческой деятельности стала предпосылкой резкого ускорения вымирания видов, в ходе которого исчезает множество популяций самых различных существ — наших соседей по планете. Эти перемены побудили геологов предложить новое название для эпохи, в которую мы живем, — антропоцен, эра человека.
В биологическом мире тоже происходят кардинальные перемены, вызванные человеческой деятельностью. В течение миллиардов лет жизненные формы усложнялись согласно закономерностям, которые выявил Дарвин: организмы совершенствовались благодаря череде случайных генетических изменений, часть которых обеспечивала преимущества для выживания, конкуренции и размножения. До сих пор и наш собственный вид формировался под действием аналогичного процесса; несомненно, вплоть до недавнего времени мы во многом зависели от его милости. Десять тысяч лет назад, когда возникло сельское хозяйство, люди начали сами влиять на эволюцию путем селекции растений и животных, однако исходный материал — случайные мутации в ДНК, лежащие в основе доступных генетических вариаций, — все еще появлялся самопроизвольно и бессистемно. Поэтому попытки нашего вида преобразовать природу были трудными и имели ограниченный успех.
Теперь все кардинально переменилось. Ученые сумели полностью взять этот древний процесс под контроль человека. Используя мощные биотехнологические инструменты для экспериментов с ДНК внутри живых клеток, они теперь могут манипулировать составом этой молекулы и рационально изменять гены, определяющие облик любого биологического вида на планете, включая и наш с вами. А с появлением новейшего и, вероятно, самого эффективного инструмента генной инженерии, CRISPR-Cas9 (коротко — CRISPR), геном — всю ДНК организма, включающую каждый его ген, — стало почти так же просто редактировать, как обычный текст.
Зная, чем именно кодируется в геноме тот или иной конкретный признак, ученые могут использовать CRISPR, чтобы вставить, отредактировать или удалить связанный с ним ген у фактически любого растения или животного. Этот способ гораздо проще и эффективнее, чем любая другая существующая технология манипуляции генами. Буквально в одночасье мы оказались на пороге новой эпохи генной инженерии и нового уровня владения биологией — революционной эры, в которой возможности ограничены только коллективным воображением человечества.
Царство животных было первой экспериментальной площадкой для испытаний этого нового средства редактирования генов — и до сих пор остается самой большой из таких площадок. К примеру, ученые использовали CRISPR для создания генетически “усиленной” версии биглей, в результате чего получились собаки с мускулатурой, которой позавидует сам Шварцнеггер, — и для этого понадобилось всего лишь поменять одну “букву” ДНК в гене, контролирующем развитие мышц. В другом случае, “выключив” у свиней ген, отвечающий на сигналы гормона роста, исследователи создали микропигов — свиней размером не больше упитанной кошки, ставших популярными домашними животными. Ученые из китайской провинции Шэньси проделали нечто подобное и с мясо-шерстными кашемировыми козами, отредактировав геном этих животных таким образом, чтобы у них вырастали и более крупные мышцы (и за счет этого они давали больше мяса), и более длинная шерсть (что означает получение большего количества кашемировых волокон). Генетики даже используют CRISPR для превращения ДНК азиатского слона в максимальное подобие ДНК шерстистого мамонта, надеясь когда-нибудь воскресить этого вымершего доисторического зверя [Стоит отметить, что это вряд ли возможно. Дело не только в том, что для этого нет достаточно сохранных клеток мамонтов, но и в том, что современные слоны не скрещиваются даже с самыми близкородственными видами. Причины такой избирательности пока неизвестны, но есть вероятность, что виной тому некие генетические барьеры. См. Eleftheria Palkopoulou et al. Genomic history of extinct and living elephantids, Proceedings of the National Academy of Sciences, Mar 2018, 115 (11), E2566 — E2574; DOI:10.1073/pnas.1720554115. — Здесь и далее постраничные сноски, обозначенные астериском (*), если не указано иное, принадлежат переводчику. Сноски, обозначенные цифрами, ведут в конец книги и принадлежат автору.].
Параллельно с этим в экспериментах с растениями CRISPR широко используется для редактирования геномов сельскохозяйственных культур; это открывает перспективы для кардинального улучшения питания людей во всем мире и повышает уровень мировой продовольственной безопасности. Эксперименты по редактированию генома дали устойчивый к различным болезням рис, томаты, которые теперь портятся гораздо медленнее, соевые бобы с более полезным для здоровья содержанием полиненасыщенных жиров и картофель с меньшим количеством сильного нейротоксина. Причем специалисты в области пищевой промышленности достигают подобных улучшений не с помощью трансгенных технологий — то есть вставки участка ДНК одного вида в геном представителя другого вида, — но благодаря точно подобранным улучшениям генов, затрагивающим всего несколько “букв” собственной ДНК организма.
Но хотя потенциальные возможности применения CRISPR в растительном и животном мире весьма впечатляют, все же наибольшие перспективы сулит редактирование генов нашего собственного вида — и оно же, по мнению многих, представляет наибольшую угрозу для будущего всего человечества.
При этом, как ни парадоксально, ряд преимуществ в области здравоохранения, скорее всего, будет получен в результате CRISPR-экспериментов с позвоночными или даже насекомыми. В проведенных недавно экспериментах технологию CRISPR использовали, чтобы “гуманизировать” ДНК свиней, что дает надежду на то, что эти животные однажды послужат донорами органов для людей. CRISPR также удалось запрятать в геномы новых линий комаров: ученые надеются, что внедрение новых признаков в дикие популяции комаров поможет в конечном счете уничтожить заболевания, передаваемые ими — такие как малярия и лихорадка Зика, — или даже полностью истребить самих комаров — переносчиков болезней.
