Машина творения: Новые организмы, редактирование генома и лабораторные гамбургеры: читать начало книги онлайн

В третьей главе этого романа Виктор восклицает: «Если столько уже сделано… я сделаю больше, много больше; идя по проложенному пути, я вступлю затем на новый, открою неизведанные еще силы и приобщу человечество к глубочайшим тайнам природы… Я держал в руках то, к чему стремились величайшие мудрецы от начала времен»[6]. «Франкенштейн» не теряет актуальности, потому что заставляет нас задуматься о собственном происхождении и о том, как давно мы пытаемся постичь процесс сотворения жизни и управления ею. Подобные вопросы волновали нас всегда. Что такое жизнь? Как она зародилась? Действительно ли она заканчивается? Можем ли мы распоряжаться ею по своему усмотрению?

Почти каждая культура отвечает на вопросы о возникновении жизни с помощью набора персонажей и истории. В греческой мифологии описан Хаос – пустота. Из этой пустоты возникла Гея (земля), которая родила Урана (небо). От них произошли титаны, одноглазые циклопы и сторукие гекатонхейры, боги (Гестия, Деметра, Зевс) и в конце концов люди. Древние шумеры верили в Намму, богиню-мать, давшую жизнь небесам и земле, а затем и всем растениям, животным и людям. В индейском племени лакота традиционно считается, что до этого мира был другой мир. Люди в нем вели себя плохо, поэтому Великий Дух затопил землю, а выжил лишь ворон Канги. Еще три животных были посланы за глиной, и Великий Дух создал из нее сушу, распределил животных по всей земле, а затем из красной, белой, черной и желтой глины вылепил мужчин и женщин. В христианских историях Бог создал необитаемое бесформенное пространство, затем свет, небо, землю, животный мир и, наконец, Адама и Еву, получивших власть над всеми живыми существами и ставших прародителями рода человеческого.

Все это написано задолго до того, как мы стали разбираться в биологии, естественном отборе и в том, как развивается жизнь. Книга Бытия полна драматических историй о находящемся в опасности мире, о семье, борющейся за рождение детей, и о стремлении обустроить землю для будущего. Ее авторы не знали ни дарвиновской теории естественного отбора, ни основных законов наследственности, изложенных столетиями спустя Грегором Менделем. (Генетические наследственности некоторых известных библейских семейств – таких, например, к которым относились Сара, Ребекка и Рахиль, – возможно, объяснили бы, почему женщины в них с трудом беременели и вынашивали детей.)

Шотландский философ Дэвид Юм отмечал: наши мифы о сотворении мира существуют потому, что мы нуждаемся в историях, вскрывающих причинно-следственные связи, дабы понять окружающее нас, а также потому, что общество функционирует лучше, когда у правил есть контекст{136}. Что же происходит сейчас, когда синтетическая биология ломает стереотипы, заставляет нас пересмотреть правила и бросает вызов нашим историям о происхождении? Сегодня ученые формируют представления о будущем жизни, проектируют это будущее и строят его сценарии в сотнях лабораторий, в том числе и когда какой-либо почитаемый исследователь просит нас увязать наши научные убеждения с религиозными.

Невозможно не отметить, что Джордж Чёрч – выдающаяся персона в биологии. Рост под два метра порой заставляет его пригибаться в дверях корпусов MIT и Гарварда, где он руководит лабораториями и преподает. Широкая ангельская улыбка, румяные щеки, густые седые волосы и пышная борода делают из этого генетика брата-близнеца Санта-Клауса. А некоторые, учитывая исследования Чёрча, проводят параллель между ним и Чарльзом Дарвином или даже более грандиозными фигурами. Во время большого разговора о проектировании будущего жизни с помощью синтетической биологии Стивен Кольбер[7] перебил Чёрча вопросом: «Нужно ли нас сотворять заново? – И продолжил: – Ведь мы уже однажды были сотворены. Богом, Отцом Всемогущим, создателем неба и земли. Вы играете Бога, сэр? Борода у вас в точности как у него»{137}. Неизвестно, осознал это Кольбер или нет, но в его шуточном сравнении была доля правды, ибо Чёрч усердно занимался созданием новых форм жизни и воскрешением мертвых.

Джордж Чёрч родился в 1954 г. на авиабазе Макдилл во Флориде и вырос на побережье залива Тампа в обычном для семей среднего класса пригороде. Его отец, лейтенант ВВС, занимался гонками на болидах и носился по волнам на водных лыжах. Увлечения, позволяющие испытать острые ощущения, интересовали его гораздо больше, чем размеренная домашняя жизнь. Мать Джорджа, блестящая интеллектуалка, адвокат, психолог, писательница, уставала от подобных пристрастий супруга. После развода она еще дважды выходила замуж, в последний раз – за врача по имени Гейлорд Чёрч. Он усыновил мальчика, которому на тот момент исполнилось девять лет. Медицинские принадлежности в сумке отчима завораживали Джорджа. Гейлорд научил любознательного сынишку стерилизовать иглы и позволял иногда Джорджу вводить ему настоящие лекарства{138}.

При этом Чёрч доставлял много проблем учителям в католической школе. Вел он себя хорошо, однако задавал больше вопросов, чем у монахинь было ответов, и порой заводил учителей в непролазные теологические дебри. Академия Филлипса, престижная школа-пансион в Массачусетсе, где учился и Марвин Мински, оказалась более пригодной для получения среднего образования. Там Джордж с головой погрузился в вычислительную технику, биологию и математику. Однако все чаще он замечал, что не в состоянии, даже на любимых уроках математики, контролировать сон и бодрствование. За это его беспрестанно дразнили другие ученики. Более того, учитель алгебры однажды велел ему больше не приходить на занятия: если он собирается каждый день спать на уроках, то пусть изучает материал самостоятельно. Джордж чувствовал себя виноватым за то, что разочаровал учителя, и очень хотел быть таким, как все.

Проблема не исчезла и после поступления в Дьюкский университет. На лекциях и семинарах он непроизвольно погружался в сон на несколько минут, а когда называли его имя, резко просыпался и отвечал так, будто все это время был в сознании и внимательно слушал. Однажды заведующий кафедрой, разгневанный тем, что студент посмел задремать, бросил в него кусок мела. И все же Чёрч всего за два года получил диплом бакалавра в области химии и зоологии и продолжил учебу в аспирантуре Дьюка – стал изучать биохимию. Но вскоре увлекся кристаллографией – новым методом изучения трехмерной структуры транспортной РНК, которая декодирует ДНК и передает генетические инструкции в другие части клеток{139}.

Проблемы с бесконтрольным засыпанием и пробуждением между тем продолжались. Большинство окружающих считали, что он скучает или витает в облаках. Чёрч непроизвольно и стремительно погружался в быстрый сон – ту фазу, когда человек видит сны, – и переносил туда мысли, появлявшиеся у него во время бодрствования. В эти периоды осознанных сновидений он видел альтернативное будущее, в котором исследовал разные варианты научных решений и невероятные, безумные сферы применения технологий, подумать о которых никому бы и в голову не пришло.

В студенческие годы любознательность Чёрча и его готовность позволить разуму отойти от реальности (не говоря уже о странностях со сном) часто доставляли ему неприятности. Он тратил массу времени – по сто и больше часов в неделю – на инновационные исследования в области кристаллографии и не появлялся на занятиях по основной специальности, из-за чего вполне закономерно получал неудовлетворительные отметки. С курса биохимии Чёрча отчислили, тогда он попытался перевестись на другие отделения, чтобы продолжить исследования. Однако разнообразие занятий, которые он посещал, плюс репутация человека с причудами и странное направление исследовательской деятельности не устраивали преподавателей. В 20 лет в арсенале Чёрча уже были ряд заслуживающих внимание научных публикаций и престижная стипендия Национального научного фонда. Тем не менее бюрократическая система академической среды сорвала его планы{140}.

Он перевелся в Гарвард и твердо решил закончить учебу. В один из осенних дней первого семестра Чёрч на несколько минут опоздал на лекцию, потихоньку пробрался в аудиторию и сел в последнем ряду. Устроившись на месте, он достал тетрадь и взглянул на слайдовую презентацию, которая уже началась. Увиденное поразило его: лекция была посвящена одному из его собственных научных трудов. Преподаватель, ведущий молекулярный биолог Уолтер Гилберт, не знал, что Чёрч присутствует на занятии. (Тремя годами позже Гилберт получит Нобелевскую премию за разработку одного из первых методов секвенирования ДНК.)

Чёрч продолжал видеть сны о биохимии и выдвинул множество смелых идей. Одна из них касалась создания машины для быстрого и доступного считывания ДНК, другая – переписывания геномов с помощью готовых молекул с целью усовершенствовать творения природы. Ему снились ферменты, способные редактировать части геномов. Были видения, характерные для нейроотличных людей, в частности тех, кто страдает обсессивно-компульсивным расстройством и аутизмом, – умеющих усиливать или ослаблять свои особенности, а не гасить их препаратами. Увиденное во сне он применял в лаборатории, где сосредоточил усилия на геномном секвенировании и так называемом молекулярном мультиплексировании – одновременном секвенировании нескольких нитей ДНК, помещенных в одну пробирку, в отличие от общепринятого в то время подхода, когда одновременно расшифровывали только одну нить. Такую методику считали абсурдной, но Чёрч доказал, что она верна, и в результате ее распространения стоимость секвенирования ДНК резко снизилась{141}.

В тот период он познакомился с Чао-тин У, защитившей в Гарварде диссертацию по молекулярной биологии и работавшей там. Она восхищалась его безмерным трудолюбием и творческой изобретательностью и поддерживала его «безумные» идеи. Они полюбили друг друга и в 1990 г. поженились. Спустя несколько лет у них родилась дочь, у которой тоже проявились особенности с фазами сна. Чао-тин У предложила обоим пройти обследование; в результате у Чёрча и у их дочери диагностировали нарколепсию. Чёрч понял, что стандартное лечение может лишить его осознанных сновидений, и принял решение жить с симптомами расстройства. Он перестал водить машину и научился приемам, которые помогали сохранять бдительность, например стоя переносить вес с одной ноги на другую{142}.

Вдохновленный поддержкой семьи, способствовавшей его успехам, невзирая на особенности его организма, Чёрч стал бороться за воплощение в жизнь замыслов других людей. К началу 2000-х гг. вместе с огромным сообществом своих единомышленников они опубликовали сотни трудов, многие из которых составили основу современной синтетической биологии. В статье 2004 г., появившейся в журнале Nature, был поставлен вопрос об удешевлении синтеза ДНК и описан процесс печати нитей на микросхемах{143}. В 2009 г. Чёрч и его коллеги представили на страницах Nature эпохальное исследование – обоснование новой технологии, позволяющей одновременно анализировать миллионы геномных последовательностей{144}. В предыдущей главе мы говорили о синтезе артемизинина – важном научном достижении, на которое ушло около 25 млн долларов и почти 150 человеко-лет труда. Тогда речь шла о корректировке лишь нескольких десятков генов, а это далеко от задач синтеза целого организма. У Чёрча возникла идея ускорить процесс, заставив эволюцию работать в лабораторных условиях. Вместо написания идеальной ДНК с чистого листа он задумал устройство, которое, начав с наброска, автоматически разрабатывало бы множество вариантов, а затем выбирало бы из них лучшие.

Для этого он совместно с небольшой группой ученых создал в своей лаборатории специальную машину – устройство из роботов-манипуляторов, колб и пробирок, проводов и датчиков с управляющим всем этим компьютером. Первый опыт заключался в корректировке штамма кишечной палочки с целью получения большего количества ликопина – вещества, обеспечивающего красную окраску томатов. Результатом стали 15 млрд новых штаммов с генетическими изменениями; некоторые из них содержали ликопина в пять раз больше, чем исходные. Чёрч назвал этот подход мультиплексной автоматизированной геномной инженерией (MAGE). Это была эволюция, только в ускоренном режиме. Размышляя о практическом применении изобретения, он представлял, в частности, создание разного рода вариаций клеточных линий человека для исследований, с помощью которых ученые смогут, например, узнать, как мутации вызывают болезнь. Это позволило бы радикально изменить подход к медицине. Стволовые клетки с запрограммированной сопротивляемостью вирусам могли бы использоваться в клеточной терапии. Мы могли бы проектировать и выращивать новые органы из стволовых клеток с измененными геномами, делая их устойчивыми к заболеваниям. Теоретически у нас появилась бы возможность путем корректировки геномов и использования ЭКО для имплантации эмбрионов обеспечивать будущим младенцам устойчивость к воздействию вирусов.

Но, пожалуй, самое примечательное, что в 2012 г. Чёрч помог заложить основу для CRISPR[8] – краеугольной технологии генетического редактирования, позволяющей легко изменять последовательности ДНК и модифицировать функции генов. Спектр примеров применения CRISPR весьма широк – от исправления генетических дефектов до выведения растений с повышенной морозоустойчивостью и уничтожения патогенов. Чёрч и его бывший аспирант Фэн Чжан из Гарварда опубликовали в Science статьи, демонстрирующие использование технологии CRISPR для управления бактериальным ферментом Cas9 при необходимости точного разрезания ДНК в клетках человека. В основе этих трудов лежали сделанные ранее открытия микробиолога Эмманюэль Шарпантье и биохимика Дженнифер Дудны; Шарпантье в то время работала в Центре микробиологических исследований в Умео (Швеция), Дудна – в Калифорнийском университете в Беркли. Исследовательницы продемонстрировали использование ферментов, известных как CRISPR-ассоциированные белки, для эффективного разрезания и вставки ДНК{145}. В 2010-х гг. разработанная ими система вызвала золотую лихорадку, а в 2020 г. им присудили Нобелевскую премию по химии{146}. Это был первый случай вручения Нобелевской премии в области естественных наук команде, состоящей только из женщин. Чёрч, чьи заслуги не получили столь высокой оценки, не сетовал на то, что оказался в тени. В интервью он отметил: «Думаю, это прекрасный выбор… Они сделали ключевое открытие», – и похвалил Шарпантье и Дудну за работу{147}.

На протяжении последних двух десятилетий Чёрч также становился соучредителем в среднем одной компании в год, в основном для того, чтобы вывести из лаборатории в реальный мир своих самых перспективных научных сотрудников. Он зарегистрировал 60 патентов и обучил новое поколение специалистов в области генной инженерии, чья работа определяет завтрашний день планеты{148}. В середине 2000-х гг. ученый стал задумываться над тем, чтобы заново изобрести пластиковый стаканчик – без использования продуктов нефтехимии. По сути, Чёрч и его группа путем генетического перепрограммирования заставили микробов питаться сахаром и выделять полигидроксибутират – прочный биоразрушаемый материал, способный удерживать жидкость в течение короткого времени. Будучи идеальным вариантом посуды для торговых киосков, эти стаканчики, украшенные этикеткой с гордой надписью «Пластик на 100 % изготовлен из растительных материалов», в 2009 г. дебютировали во время антракта на представлении в Кеннеди-центре{149}.

Чёрч также один из основателей различных программ, например инициативы BRAIN, представляющей собой масштабные совместные усилия между организациями государственного и частного секторов – Национальным научным фондом, DARPA и другими структурами – в области изучения деятельности головного мозга. В 2005 г. он начал реализовывать проект «Персональный геном» – ныне это координационный и аналитический центр общедоступной информации о геноме, здоровье и признаках{150}. С его помощью видные представители научного сообщества{151} (среди них Эстер Дайсон, инвестор и филантроп, прошедшая предполетную подготовку в отряде космонавтов, Джон Халамка, декан технологического факультета Гарвардской медицинской школы, Розалинн Гилл, основатель компании Sciona, предоставляющей индивидуальные услуги здравоохранения, знаменитый психолог и писатель Стивен Пинкер и, конечно же, сам Чёрч{152}) сделали открытыми данные о своих геномах с целью содействия исследованиям формирующих нас генов и признаков, а также активизации диалога по проблеме транспарентности и конфиденциальности информации, когда дело касается генетических кодов конкретных людей{153}. Представьте, чем могло грозить размещение такими известными людьми своих генетических данных в открытом доступе! 10 геномов – не так уж много, но, несмотря на обезличенность данных, о том, кому они принадлежат, было объявлено публично. Не существовало никакого реального способа гарантировать абсолютную конфиденциальность. Знаменитости участвовали в проекте добровольно, потому что их попросил об этом лично Чёрч.

Вы, вероятно, уже поняли, что Чёрч блестящий, экстраординарный мыслитель и вдохновляющий наставник, возможно склонный браться одновременно за слишком большое для одного человека количество проектов. Иными словами, именно ему было бы по плечу создать технологию воскрешения вымерших животных, в частности шерстистого мамонта, исчезнувшего в эпоху плейстоцена – около 4000 лет назад.

А до того шерстистые мамонты тысячелетиями бродили по самым северным районам планеты. Представьте себе близкого родственника слона, только покрытого жесткой шерстью и слоями жира, защищающими этих животных от холода в последний ледниковый период, с длинными бивнями, которые помогали им добывать пищу. (По их подобию конструировались вымышленные существа банты из фильма «Звездные войны».) Точные причины исчезновения мамонтов неизвестны, однако исследователи видят их в сочетании таких факторов, как охота и первые температурные изменения, вызвавшие сокращение численности стад и уменьшение кормовых ресурсов.

Шерстистые мамонты были не только удивительными существами, но и ключевым биологическим видом, от которого зависело существование других видов и сохранение текущего порядка в экосистеме. Они вытаптывали землю, валили деревья и утрамбовывали снег в поисках сухой травы. Это непрерывное топтание в сочетании с низкими температурами помогало поддерживать стабильность многолетнемерзлых пород. Как только крупные травоядные, такие как мамонты, прекратили уплотнять снег и поедать высохшую траву, экосистема начала меняться: снег таял быстрее, что позволяло солнечным лучам добраться до вечномерзлого грунта. Раньше крупные животные заваливали и ломали деревья, закрывая ими снег. Без поваленных деревьев солнечные лучи падают прямо на слой вечной мерзлоты, который теперь тает с угрожающей скоростью, выпуская в атмосферу парниковые газы. Это создает порочный круг: повышение температуры усиливает таяние, при котором выбрасывается еще больше газов. Воскрешение шерстистого мамонта из мертвых и возрождение дикой природы в Канаде и России могло бы восстановить экосистему и, скажем прямо, обеспечить новую, суперсовременную защиту от экзистенциальных угроз, связанных с изменением климата.

Чёрч был не первым, кто замахнулся на решение проблемы вымирания. В 1996 г. появилась на свет овечка Долли, первое в мире клонированное млекопитающее{154}. Она дала надежду на возрождение вымерших животных с помощью техники, получившей название «перенос ядра»: ядро интактной клетки аккуратно извлекают и внедряют в яйцеклетку представителя того же или близкородственного биологического вида. Дальнейшая процедура аналогична ЭКО: гибридную яйцеклетку имплантируют в матку для вынашивания плода, который, если все идет хорошо, рождается живым и здоровым. В 2000 г. умер последний пиренейский козерог, представлявший один из подвидов дикого горного козла. Однако клетки этой последней особи заморозили в жидком азоте, а в 2003 г. посредством переноса ядра ученые успешно клонировали детеныша, хотя прожил он недолго – всего несколько минут{155}. С помощью этого метода можно временно вернуть к жизни вымерший вид, но лишь при наличии абсолютно интактных функциональных геномов, например если туша исключительно хорошо сохранилась в замороженном виде. Как оказалось, в Заполярье есть множество отличных образцов. Но и в этом случае клон может не выжить. У животных, исчезнувших с лица земли тысячелетия назад, скорее всего не будет генома, адаптированного к современным условиям окружающей среды.

Именно это подтолкнуло Чёрча к разработке иного подхода: начинать с совершенно интактной, здоровой клетки близкого биологического вида и работать в обратном направлении, используя генетические фрагменты из сохранившихся образцов{156}. Один из примеров тому странствующий голубь – вид, которого с 1914 г. больше нет на планете, хотя когда-то этих птиц было в Америке столько, что их стаи, пролетая по небу, закрывали солнце{157}. Странствующего голубя можно вернуть с помощью стволовых клеток его ныне живущего близкого родственника – сизого голубя. Это означает, что ген странствующего голубя можно внедрить в стволовые клетки, трансформировать в спермии, а затем ввести в яйцеклетки для развития эмбрионов. Результат: обычный голубь с рядом признаков странствующего голубя.

К этим идеям проявили живой интерес легенда мира технологий, создатель сборника статей «Каталог всей Земли» (Whole Earth Catalog) и первого онлайн-сервиса WELL Стюарт Бранд и специалист в области биотехнологий Райан Фелан (по совместительству жена Бранда). Бранд, Райан и Чёрч запустили проект по возрождению ключевых видов вымерших животных, в том числе странствующего голубя и шерстистого мамонта. Или, точнее, почти шерстистого мамонта, поскольку для его возрождения необходимо встроить гены животного вымершего вида в стволовые клетки современного индийского слона, его ближайшего родственника.

Идея возрождения вымерших видов получила распространение в 2013 г. во время специальной конференции TEDxDeExtinction, собравшей специалистов в области молекулярной биологии и охраны природы, а также журналистов для обсуждения перспектив возвращения к жизни шерстистых мамонтов, тасманийских волков и других животных. Бранд выступил с провокационной лекцией об утрате биоразнообразия и перспективах реанимирования вымерших животных по технологии Чёрча. Бранд использовал конференцию на платформе TED для старта проекта «Возрождение и восстановление» (Revive and Restore), который изучает причины вымирания и нацелен на сохранение биологического и генетического разнообразия и восстановления наших экосистем с помощью биотехнологий{158}.

Та лекция Бранда на платформе TED пользовалась бешеной популярностью{159}. И вызвала возмущение среди ученых, борцов за охрану природы и других людей, которых напугала перспектива возвращения к жизни давно исчезнувших существ. Речь шла не о клонировании, а о копировании чего-то, что когда-то было живым. Это в некоторой степени размывало четкую дихотомию между ныне живущими видами и вымершими. Кроме того, Чёрч дал понять, что его интересуют не только мамонты и голуби. Он также планировал поэкспериментировать с ДНК неандертальцев – не для того, чтобы реанимировать другой вид, а для того, чтобы усовершенствовать наш собственный{160}.

Возможно, вы, как и ученые в прежние времена, считаете неандертальцев примитивными недолюдьми, более грубыми и звероподобными версиями нас самих. Однако недавние исследования показали, что неандертальцы были высокоинтеллектуальными существами. Они создали хорошо организованную цивилизацию и как биологический вид достигли весьма значительных успехов, просуществовав 250 000 лет. (Считается, что возраст древнейших Homo sapiens составляет 300 000 лет.) Тела неандертальцев эффективно сохраняли тепло, что позволяло им выживать в неблагоприятных условиях. Они обладали не только невероятной физической силой (в этом расхожее мнение верно), но и прекрасно развитой мелкой моторикой. Создание нового неандертальца путем скрещивания Homo sapiens и Homo neanderthalensis могло бы привести к появлению людей более выносливого вида, способных лучше противостоять современным вызовам, связанным с изменением климата, погодными катаклизмами и миграцией в места, где условия окружающей среды резко отличаются от привычных.

Несколько геномов неандертальцев были секвенированы с использованием ДНК ископаемых останков, обнаруженных в Европе и Азии. Анализ и синтез генома по мелким фрагментам позволил бы ученым собрать правильную последовательность в стволовой клетке человека, что в теории может привести к созданию клона неандертальца. Вот как это объясняет сам Чёрч:

Разумеется, будут и трудности. Так, в привычном рационе жителей западных стран много молочного и мучного, а также продуктов питания, подвергнутых глубокой переработке. Блюдо «Начо чиз доритос тaкo» из ресторана Taco Bell (если кто-то не в курсе, что это, представьте свернутую кукурузную лепешку, нафаршированную смесью дешевого мяса с острыми приправами и залитую сыром чеддер для склеивания) тяжело переварить даже самому закаленному желудку. Несмотря на всю выносливость неандертальцев, пара таких порций сразила бы наповал их самих и враз доконала бы их доисторические желудочно-кишечные тракты.

Но, возможно, нам стоило бы позаимствовать несколько неандертальских генов, чтобы слегка подправить собственную биологию. У неандертальцев не было целиакии – аллергии на глютен, которой подвержены некоторые из наших современников. Их иммунная система реагировала иначе, чем наша. Это могло бы помочь ученым понять, как бороться с аутоиммунными заболеваниями, такими как ревматоидный артрит, рассеянный склероз и болезнь Крона. Кости у неандертальцев были чрезвычайно крепкими, и мы могли бы позаимствовать у них гены, отвечающие за плотность костей, чтобы избавиться от остеопороза, которым страдают сотни миллионов женщин.