Рис. 1. Схема переноса ядер между человеческими зиготами.
К примеру, правительство Франции запретило выращивать на территории страны генетически модифицированную кукурузу, единственную разновидность генетически модифицированных зерновых, культивация которой была разрешена на территории Франции до сих пор.Используя достижения вычислительной техники, генетики превратили дешифровку ДНК в рутинную автоматическую процедуру под названием «секвенирование», разработали технологии мультиплексного автоматизированного инжиниринга генома (MAGE) и конъюгативной сборки генома (CAGE) и «рванули» вперёд. Вот только некоторые примеры достижений последних лет:
1. Сделан первый шаг к переписыванию генетического кодаРазработана технология, которая позволяет «потоковым методом» редактировать ДНК. Используя новый метод, специалисты смогли заменить в геноме кишечной палочки все последовательности определенного типа на альтернативный вариант и присвоить новое значение «выброшенной» последовательности (работа опубликована в журнале Science).
В генетической «азбуке» живых организмов насчитывается всего 64 буквы-кодона, из которых 61 кодируют определённую аминокислоту (в составе какого-нибудь белка), а три являются управляющими, так называемыми стоп-кодонами, дающими команду на прекращение синтеза. Замена кодонов может служить инструментом управления геномом. Именно так авторы технологии проверили её работоспособность.Большинство организмов задействуют три типа стоп-кодонов – ТАГ, ТАА и ТАГ. Исследователи заменяли все последовательности ТАГ (всего в геноме кишечной палочки Escherichia coli их 314) на ТАА. На первой стадии работы искусственно синтезировано 314 коротких фрагментов ДНК E. coli, в норме содержащие последовательность ТАГ – однако в новосинтезированных фрагментах ТАГ были заменены на ТАА. Чтобы вставить искусственные последовательности в геном бактерий, специалисты загоняли их внутрь клеток при помощи разрядов тока (это стандартная молекулярно-биологическая техника). В итоге они получили 31 линию E. coli, каждая из которых несла 10 модифицированных последовательностей, и одну линию с четырьмя изменёнными стоп-кодонами.
На следующей стадии эксперимента исследователи добивались, чтобы все изменённые стоп-кодоны оказались в геноме одной клетки. Для этого последовательно «скрещивали» между собой бактерий из полученных на первой стадии линий – при этом бактерии обменивались генетическим материалом, и в некоторых случаях в этом обмене участвовали регионы ДНК, содержащие изменённые стоп-кодоны. В итоге авторам удалось получить линию E. coli, у которой все стоп-кодоны ТАГ были заменены на ТАА.Далее исследователи вырезали из ДНК этих бактерий ген, кодирующий фермент, который распознает последовательность ТАГ как стоп-кодон. Таким образом исследователи получили организм, пригодный для того, чтобы последовательность ТАГ в его генетическом коде соответствовала некой новой аминокислоте – в предыдущих работах другие коллективы авторов уже создавали такие аминокислоты и необходимые для их считывания ферменты.
Технология, созданная авторами новой работы, в перспективе поможет создавать организмы с несколько иным, чем у других живых существ, генетическим кодом. Теоретически, такие организмы будут устойчивы к вирусам, так как последние эксплуатируют белоксинтезирующий аппарат клетки-хозяина, «заточенный» под «правильный» генетический код. Так можно будет произвольно выводить бактерии с необычными свойствами. Причём все правки генома идут на живых бактериях, и в ходе всех циклов замены учёные проверяют, что бактерии остаются в порядке и даже сохраняют способность к размножению.Аналогичные правки генома могли бы предотвратить распространение генетически изменённых бактерий в естественной среде и передачу перепроектированного наследственного кода бактериям вне стен лабораторий.
2. Новый искусственный вирус доставляет гены и лекарства в раковые клеткиВ Корее создан искусственный вирус, предназначенный для доставки генов и лекарств в клетки злокачественных новообразований. Эксперименты на культуре раковых клеток показали его высокую эффективность. Традиционно для генной терапии используются натуральные вирусы, лишенные болезнетворных свойств. Они эффективно доставляют необходимые гены в ДНК клеток-мишеней, однако в некоторых случаях запускают иммунные реакции и могут вызвать рак. Искусственные вирусы не имеют этих побочных эффектов, но из-за непостоянства размеров и формы являются плохими переносчиками генов.
Команде исследователей под руководством Мьона Су Ли (Myongsoo Lee) удалось разработать технологию, позволяющую создавать вирусы с постоянной формой и размером. За основу была взята лентовидная белковая структура бета-лист, которая самоорганизуется в двухслойный блок определенной формы. К нему крепятся «белковые руки», которые несут на себе небольшие спирали РНК и встраивают их в геном клеток-мишеней. Такая молекула РНК, известная как малая интерферирующая РНК (миРНК, siRNA), комплементарно связываясь с геном опухолевой клетки, блокирует его, что нарушает жизнедеятельность клетки.В экспериментах на культуре человеческих раковых клеток созданные вирусы эффективно доставляли в них миРНК и блокировали заданные гены. Исследователям также удалось присоединить к искусственному вирусу жирорастворимые молекулы и доставить их в ядра раковых клеток. Это может усовершенствовать лекарственную терапию новообразований, поскольку ядро раковой клетки является местом действия многих противоопухолевых препаратов.
3. Синтезирован искусственный митохондриальный геномУдалось искусственно синтезировать митохондриальный геном мыши «в пробирке» за один приём (митохондрии – клеточные органеллы, вырабатывающие энергию и обладающие своей собственной ДНК). Статья исследователей опубликована в журнале Nature Methods, а коротко работа описана на портале Nature News.
Исследователи научились «собирать» геном длиной около 16,3 тысячи нуклеотидов из отдельных одноцепочечных фрагментов по 60 «букв», которые также были синтезированы искусственно. ДНК существует в форме двухцепочечной спирали, причём соединение одноцепочечных фрагментов в пары происходит однозначно – соединяются только отрезки, последовательности которых комплементарны (как ключ и замок).Авторы методики подобрали условия синтеза таким образом, что в реакционной смеси происходило эффективное объединение одноцепочных фрагментов. Сформировавшиеся двухцепочечные отрезки помещали в клетки кишечной палочки Escherichia coli, где они объединялись в более длинные фрагменты. В разработанной исследователями системе они могли отбирать только те бактериальные клетки, в которых сборка фрагментов прошла правильно. На последней стадии процесса эти фрагменты объединялись так, чтобы получить митохондриальный геном мыши.
4. Синтез клеткиГруппе исследователей удалось создать организм с синтетическим геномом. Исследователи получили обыкновенную на вид бактерию, которая ничем не отличалась от других бактерий за исключением одного: её ДНК – молекула, определяющая все свойства клетки, – была от первой и до последней «буквы» синтезирована искусственно.
Работа называется «Создание бактериальной клетки, которая контролируется химически синтезированным геномом». Этой работой руководил Крейг Вентер (Craig Venter). Это имя хорошо известно тем, кто связан с биологией или когда-то интересовался проектом «Геном человека». Причиной медленного процесса реализации этого проекта являлось несовершенство технологий секвенирования (определения последовательности) ДНК. Вентер разработал новый подход к секвенированию, названный методом «дробовика» (shotgun sequencing), который оказался намного эффективнее традиционных методов. В 2000 году благодаря «дробовику» черновая расшифровка генома человека была завершена.На роль первого искусственного существа, как многие СМИ уже окрестили продукт экспериментов Вентера, была выбрана паразитическая бактерия Mycoplasma mycoides. Микроорганизмы из рода Mycoplasma являются излюбленными модельными организмами Вентера из-за своего генома – он у них очень маленький. ДНК M. mycoides состоит всего лишь из миллиона нуклеотидов – элементарных «кирпичиков», а, например, ДНК человека включает три миллиарда нуклеотидов.
Первой частью работы стало определение последовательности генома M. mycoides. Хотя еще десять лет назад молекулярные биологи выбивались из сил, пытаясь «прочитать» человеческие хромосомы, сейчас секвенирование стало совершенно рутинной операцией, не требующей особых усилий. Правда, для создания организма с синтетическим геномом исследователи расшифровывали ДНК намного более тщательно, чем обычно. То есть они определили полную геномную последовательность M. mycoides не один или два раза, а как минимум десять. Повторные эксперименты позволяют обнаружить и исправить ошибки, неизбежно присутствующие при однократном «прочтении».На следующей стадии эксперимента Вентер и его коллеги, используя полученную и выверенную последовательность ДНК M. mycoides как образец, начали химически синтезировать геном этой бактерии из отдельных нуклеотидов, созданных промышленным способом – в буквальном смысле на фабрике. Но несмотря на колоссальную скорость развития молекулярно-биологических технологий синтезировать за раз очень длинные последовательности пока не удаётся: когда цепь ДНК дорастает до нескольких сотен тысяч нуклеотидов, она начинает путаться и рваться. По этой причине исследователи синтезировали целый геном M. mycoides по кусочкам – авторы назвали их кассетами – длиной около тысячи нуклеотидов, а потом собирали геномный паззл воедино. В качестве устройств для сборки кассет были использованы живые клетки – их ферментативные системы «склеивают» фрагменты ДНК с такой точностью, которой невозможно добиться при химическом соединении.
«Склейку» проводили в три этапа: сначала совмещали кассеты по тысяче нуклеотидов и получали фрагменты длиной в 10 тысяч «букв». Потом эти «заготовки» соединяли друг с другом, чтобы получить фрагменты в 100 тысяч нуклеотидов, которые, наконец, объединяли в целый геном. Все эти операции проводили сначала в клетках кишечной палочки, потом, когда генетический полуфабрикат дорос до сотен тысяч нуклеотидов, в клетках дрожжей. На последней стадии эксперимента созданный геном M. mycoides поместили в лишённые ДНК клетки «родственных» бактерий M. capricolum. Так как все свойства живых существ, в том числе и видовая принадлежность, определяются их ДНК, после вставки в клетку M. capricolum генома M. mycoides «на выходе» должны были получиться M. mycoides. «Гибриды» и выглядели как настоящие M. mycoides, с той же скоростью поглощали питательные вещества, росли теми же темпами и даже состав их белков практически не отличался от белков M. mycoides, появившихся на свет обычным способом.Вряд ли стоило бы напоминать тривиальную истину, что все изделия рук человеческих (кроме ленты Мёбиуса и бутылки Клейна) не односторонни, если бы достижения генных инженеров не коснулись основ жизни, в том числе и человека. В то же время автор этой статьи не знает ни одного изобретения или открытия, которое не было бы применено не только на пользу, но и во вред окружающему. Причём зачастую вредоносные применения опережают полезные. Поэтому имеет смысл рассмотреть «монету» генетики с обеих сторон.
«Аверс» генетики1. Генная геронтология
Сначала биологи создали генетически изменённых мышей, у которых отсутствовал фермент теломераза, способный достраивать концы хромосом, называемые теломерами. За несколько поколений теломеры в клетках мышей сильно укоротились, а сами зверьки продемонстрировали целый букет эффектов ускоренного старения: остеопороз, диабет и нейродегенеративные заболевания, плохую плодовитость, более раннюю, чем обычно, смерть…Но исследователи запрограммировали мышей так, что деактивированный фермент мог быть в любой момент снова включён путём добавления химиката 4-OHT, влияющего на нужный ген. Исследователи позволили мышам достигнуть взрослого состояния, а затем на время вернули выработку теломеразы. Результат проверили ещё через месяц. Биологи ожидали, что восстановление активности фермента замедлит или остановит старение, но эффект оказался даже более сильным – многие процессы пошли вспять. У самцов сморщенные яички восстановили форму, и зверьки вновь принялись генерировать здоровую сперму, давать потомство. Мыши также вернули себе «молодые» селезёнку, печень и кишечник, восстановили ослабшее обоняние, позволившее им лучше проходить лабиринт. Вернулась к нормальной и продолжительность жизни грызунов.
Даже в мозге мышей старение было «отменено»: активировались клетки-прогениторы, производящие новые нейроны, стали возвращаться к нормальной толщине миелиновые оболочки вокруг нейронов, увеличились размер и масса мозга. Неясным остаётся вопрос: может ли принудительная активация теломеразы устранять эффекты самого обычного старения, а не преждевременного, например, вызванного генетическими заболеваниями. Этот момент ещё ждёт изучения, потому говорить о появлении лекарства от старости – преждевременно.Однако результат нового опыта обнадёживает: вероятно, спасение от старения следует искать именно в данном направлении, но настораживает факт активности теломеразы в процессе малигнизации и далее при развитии злокачественных новообразований. Хотя подопытные животные не продемонстрировали признаков рака, тем не менее среди биологов остаются опасения, что стимуляция теломеразы может вызывать рак. В этом смысле раковые клетки действительно бессмертны, – гибнут они прежде всего от недостаточного снабжения питательными веществами и кислородом, поскольку в нормальной структуре организма в месте расположения опухоли такого количества клеток быть не должно, соответственно, не предусмотрено и избыточное «снабжение».
С другой стороны, теломераза активна в растущем организме, а затем блокируется. Природный механизм её «включения» и «выключения» пока не ясен, в этом шанс продления жизни. Возможно, риск малигнизации можно сократить, включая теломеразу на короткое время – дни или недели. Авторы работы полагают, что «теломерная» терапия в сочетании с другими методами поможет в лечении ряда возрастных нарушений. Напомним, в 2009 году Нобелевскую премию по медицине присудили как раз за объяснение механизма защиты хромосом теломерами, и в том же году генетики на нескольких десятках людей показали связь между повышенной активностью теломеразы и долголетием.2. Генная терапия частично восстановила зрение слепым пациентам
В испытаниях, проведенных офтальмологами больницы Мурфилдс и из Университета Пенсильвании, были задействованы пациенты с дефектом гена RPE65. Этот ген кодирует белок, необходимый для нормальной работы сетчатки. В ходе операций пациентам вводились работающие копии повреждённого гена в заднюю часть одного глаза. «Доставка» гена в ДНК пигментных клеток осуществлялась с помощью безвредного аденовируса. Спустя четыре-шесть месяцев после операции американские ученые сообщили, что генная терапия оказалась успешной у всех троих участников исследования: двух женщин в возрасте 19 и 26 лет и 26-летнего мужчины.Ранее пациенты могли различать лишь движения рук, а в настоящее время способны видеть линии на таблице проверки зрения, сообщил руководитель исследования Альберт Магир (Albert M. Maguire). Британская команда под руководством Робина Али смогла добиться успеха у одного пациента из трёх. У 17-летнего юноши заметно улучшилось ночное зрение: благодаря генной терапии он смог уверенно пройти по полутёмному лабиринту.
Пока генная терапия не привела к развитию серьезных побочных эффектов. В частности, ни у кого из пациентов не возникло воспаления сетчатки. На ближайшем будущем намечено испытать новую методику на детях, страдающих более ранней стадией заболевания и имеющих лучшие шансы на восстановление зрения.3. Испытаны бактерии – стимуляторы интеллекта
Как сообщалось в статье, опубликованной в Neuroscience, «тест на принудительное плавание» показал: активность мышей под воздействием M. vaccae заметно превосходила таковую в контрольной группе. В нынешней серии опытов приняли участие 20 грызунов, разделённых на две равные группы. Представителей первой кормили хлебом с M. vaccae, второй – обычным кормом. Учёные оценивали способность к усвоению информации по тому, насколько быстро мыши проходили лабиринт. На последнем собрании Американского общества микробиологии в Сан-Диего исследователи сообщили, что «бактериальная» группа мышей справлялась с заданием почти вдвое быстрей, чем контрольная. Для того чтобы результаты сравнялись, грызунам понадобился почти трёхнедельный «отпуск».4. Замена митохондрий
Каждой клетке человеческого тела для нормального функционирования необходима энергия. Её поставляют митохондрии, иногда именуемые клеточными батареями. В любой клетке присутствует ядро, которое содержит информацию, полученную от обоих родителей, это порядка 20 тысяч генов. Код митохондрий прописан в отдельной митохондриальной ДНК (в общей сложности 37 генов, 13 из которых кодируют белки), эти данные передаются только по материнской линии.Соответственно, если в генетическом коде матери произошла мутация, то она в конце концов наследуется и ребёнком. При этом сколько именно мутировавшей ДНК передастся, предсказать невозможно. Отклонения присутствуют у каждого двухсотого младенца. В большинстве случаев мутации вызывают лишь слабое проявление симптомов болезни. Но когда их количество очень велико, больше 50%, у детей (примерно 1 случай из 6500) появляются серьёзные нарушения в работе мышц, сердца, печени, а также диабет и глухота/слепота. Такие дети часто умирают ещё в младенчестве. Лечить подобные нарушения медики ещё не научились, поэтому в большинстве случаев перед семьёй встаёт мучительный вопрос – рожать детей на свой страх и риск или вовсе отказаться от потомства.
Профессор Дуглас Тёрнбулл (Douglass Turnbull) и доктор Мэри Херберт (Mary Herbert), а также их коллеги из университета Ньюкасла пару лет назад придумали своё решение проблемы: переправить ядерную ДНК «поломанной» оплодотворённой яйцеклетки в нормальную донорскую (из неё генетический материал будет удалён). «Мы как будто меняем батарейку ноутбука. Энергия теперь поступает нормально, а жёсткие диски сохранили всю нужную информацию, – поясняет Тёрнбулл в пресс-релизе университета. – Ребёнок, рождённый таким методом, будет иметь ДНК папы и мамы и правильно функционирующие митохондрии от донора».В качестве донорских были взяты клетки, непригодные для экстракорпорального оплодотворения (ЭКО), отвергнутые клиниками и фактически пожертвованные лечащимися там парами. Внутри оплодотворённых яйцеклеток ещё не произошло слияние генетического материала от матери и отца, поэтому в них присутствуют два пронуклеуса (недоядра). Именно их и переместили в донорскую клетку. Так как цитоплазма клетки при этом практически не переносится, большая часть находящейся в ней плохой митохондриальной ДНК остаётся за бортом новой клетки.
Кстати, надежда на то, что из поправленных эмбрионов родятся нормальные дети, вовсе не так уж призрачна. В прошлом году Шукрату Миталипову (Shoukhrat Mitalipov) из Орегонского университета здоровья и науки удалось проделать похожий эксперимент с обезьянами (статья также вышла в Nature). Четыре детёныша родились в срок и пока выглядят вполне нормальными и здоровыми.«Сегодняшние новости наверняка порадуют семьи, дети в которых умирали от наследственных заболеваний этого типа», – считает Дэвид Торнбёрн (David Thorburn), генетик детского исследовательского института Мёрдока (Murdoch Children's Research Institute).
«Реверс» генетики1. Открыт ген устойчивости к антибиотикам
Ген, окрещённый New Delhi metallo-beta-lactamase (NDM-1) был выявлен у бактерий группы кишечных палочек, в свою очередь взятых у британцев, вернувшихся на родину после оказания им медицинских услуг (в основном, пластической хирургии) в Индии или Пакистане. Кроме того, на текущий момент ген уже найден у жителей Австралии, Канады, США, Нидерландов и Швеции.Как сообщается в пресс-релизе университета, специалисты собрали образцы бактерий у больных в клиниках индийских городов Ченнае и Хариане и у пациентов, которые обращались в британскую национальную справочную лабораторию (в промежутке с 2007 по 2009 год). Результаты анализа показали 44 NDM-1-позитивных пациента в Ченнае, 26 – в Хариане, 37 – в Великобритании и 73 – в разных городах Бангладеш, Индии и Пакистана.
Ген NDM-1 (New Delhi metallo-beta-lactamase 1) кодирует фермент металло-бета-лактамазу. Она разрушает любые бета-лактамные антибиотики (пенициллины, цефалоспорины, карбапенемы и монобактамы) и ряд других – в эксперименте микробы оказались чувствительны только к тигециклину и полимиксину Е. Впервые, как видно из названия, этот ген был найден в Нью-Дели, затем – в ряде других городов Индии, а также Пакистана и Бангладеш.NDM-1 был обнаружен у нескольких разновидностей кишечной палочки, энтеробактерий, протеев и поражающих легкие клебсиелл. Таким образом, антибиотикоустойчивая инфекция поражает дыхательные пути, желудочно-кишечный тракт, мочеполовую систему и мягкие ткани, а также вызывает сепсис.
Ген находится в плазмидах – небольших фрагментах ДНК, находящихся вне основного генома бактерии. Микроорганизмы могут обмениваться плазмидами, приобретая новые качества, а значит, существует высокий риск быстрого распространения антибиотикоустойчивых инфекций. Этому способствует растущая в западном мире популярность поездок на пластические операции и другие вмешательства в Южную Азию.По словам микробиолога из Ноттингемского университета Тима Босуэлла (Tim Boswell), специалисты делают всё возможное, чтобы проследить и сдержать распространение устойчивых микробов, однако большое число путешествий в различные страны сильно усложняют эту задачу.
Хотя сейчас никакой опасности NDM-1 не представляет, учёные опасаются, что он может передаться бактериям (за счет горизонтального переноса генов), и без того устойчивым ко многим антибиотикам. А это приведёт к появлению и эпидемическому распространению инфекций, практически не поддающихся лечению. Авторы, чья статья опубликована в Lancet Infectious Disease, призывают научное сообщество уже сейчас провести тщательное международное исследование как супербактерий, несущих NDM-1, так и самого гена.2. С конца мая 2011 года в Германии распространяется смертельно опасная кишечная инфекция
А главный санитарный врач России Геннадий Онищенко считает, что вспышка может быть искусственной, то есть спровоцированной людьми. Он пояснил, что все штаммы инфекции устойчивы к антибиотикам. «Неприродность есть в этом явлении. Она проявляется в том, что все выделенные штаммы антибиотикоустойчивы», – сказал он. Онищенко также добавил, что «практическое здравоохранение не может сейчас применять имеющиеся антибиотики для лечения этой инфекции, нужно другое поколение лекарств». Источник инфекции искали сперва в испанских огурцах, затем в немецких бобовых проростках и тому подобное, но найти его пока так и не удалось. Между тем, «неприродность явления» может указывать и на «неприродность его происхождения», в том числе, и утечку экспериментального материала из какой-то генетической лаборатории.3. Яд в генах: Синтетическая наследственность
По мере увеличения числа таких бактерий исследователи увеличивали и концентрацию 5-хлорурацила. Параллельно снижалась концентрация в питательной среде тимина, а использованные в эксперименте штаммы были неспособны самостоятельно его синтезировать и требовали постоянной подпитки этим жизненно важным соединением. Спустя примерно 1 тыс. поколений был получен уникальный штамм, который оказался способен не просто жить в отсутствие тимина и в присутствии 5-хлорурацила, но и использовал последний в качестве замены тимина в составе собственной ДНК. Детальный анализ генома новой бактерии выявил большое число мутаций, которые потребовались для столь необычной и сложной адаптации, и теперь предстоит оценить вклад каждой из них в биохимию нового штамма. Работа служит замечательным примером тому, как делает первые шаги совершенно удивительная область науки – ксенобиология, которая исследует не существующие на Земле формы жизни и порой пытается создать их самостоятельно.3. Нарколепсия
Предположительно болезнь имеет наследственный характер. Распространённость нарколепсии в развитых странах составляет 20-40 на 100000 человек. Иначе говоря, это опасное, но сравнительно редкое заболевание. Однако, недавний ажиотаж, поднятый СМИ по поводу так называемого «свиного гриппа», и вызванная этим ажиотажем поспешность в применении в ряде западноевропейских стран недостаточно проверенной вакцины привела к тому, что большая часть вакцинированных приобрела нарколепсию в «нагрузку» к искомому иммунитету.
За последние 40 лет, как отмечается в докладе, неизвестные раньше человеческие болезни стали появляться гораздо чаще – сейчас таких заболеваний регистрируется по одному в год, а то и более. Не принимая во внимание апокалиптические теории, можно обратить внимание на несколько причин. Условиями развития любой эпидемии являются наличие источника инфекции, восприимчивого к ней организма и способов передачи микроба от больного человека к здоровому.Первое, и, наверное, основное из изменений последних лет – это возросшая плотность населения земли и беспрецедентные объёмы пассажирских перевозок. Всё это облегчило микробам способы передачи от одного человека к другому. Если в начале ХХ столетия за время путешествия от одного континента до другого человек успевал заболеть гриппом и вылечиться от него, то в наши дни человек, подцепивший экзотическую инфекцию в Гонконге, может через несколько часов оказаться в московском метро. Впрочем, роль международной коммуникации в распространении эпидемий известна очень давно. Например, причиной пандемии чумы, поразившей Азию в конце ХIX века считаются корабельные крысы, обеспечившие распространение болезни более чем в 100 портовых городах.
Что касается восприимчивости людей к инфекциям, то она за последние годы также повысилась. Среди причин снижения сопротивляемости заразным болезням традиционно называют ухудшение экологической обстановки, в первую очередь химическое и радиационное загрязнение окружающей среды. Да и сами микробы становятся всё изощреннее в борьбе за своё существование. Антибиотики, казавшиеся не столь уж давно залогом полной и скорой победы над бактериальными инфекциями, оказались на деле не столь совершенным оружием. Микробы неуклонно приобретают устойчивость к ранее эффективным антибактериальным препаратам – «гонка вооружений» между бактериями и фармацевтической промышленностью набирает новые обороты.Источником большинства новых инфекций становятся дикие животные. В обычных условиях, попадая в организм человека, неприспособленные к нему возбудители погибают, однако в некоторых случаях они не только приобретают способность поражать человеческий организм, но и передаваться напрямую от человека к человеку. Так случилось, например, с возбудителем SARS (или атипичной пневмонии), природным резервуаром которого считаются виверры. Эти небольшие хищники используются в некоторых азиатских странах, в том числе в Китае, для приготовления деликатесных продуктов.
Благодаря дикой природе человечество, судя по всему, познакомилось и с вирусом иммунодефицита, вызывающим СПИД – его первоначальным «хозяином» были обезьяны (если, конечно, он не был синтезирован каким-либо генетиком-пуританином, разумеется, с самыми благими целями!). От грызунов человечество получило лихорадку Эбола, от птиц – опасную разновидность гриппа. Приобретению человечеством несвойственных в прошлом болезней способствует бедность – извечный союзник инфекций. Не слишком состоятельный крестьянин мало расположен информировать санитарные службы о проблемах со здоровьем у принадлежащих ему кур. Тем более он не станет уничтожать своих птиц из-за некоей призрачной эпидемической угрозы.К счастью, пока опасность птичьего гриппа – это скорее потенциальная угроза. Однако если вирусу H5N1 и его предшественникам так и не удастся стать чумой 21-го века, на их месте может оказаться другая инфекция, которой – кто знает – «повезёт» больше, особенно, если она придёт из какой-либо генлаборатории, где какой-то Зефирен Ксирдаль по рассеянности выбросит очередной экспериментальный штамм в канализацию.
Между тем, менее экзотические, чем литературный герой, но зато более опасные в силу своей реальности фанатики существуют. Так, в одной из своих статей Крейг Вентер пишет, что полученные им и его сотрудниками результаты, во-первых, важны как наглядное доказательство того, что ДНК содержит исчерпывающую информацию об организме, а во-вторых, умение создавать организмы, генетическая программа которых от начала и до конца прописана человеком, сулит, по мнению Вентера, очень заманчивые перспективы практического применения. Например, он планирует создать водоросли, которые могли бы синтезировать не только питательные вещества, необходимые им самим, но также множество полезных для человека соединений. Кроме того, Вентер видит у своей технологии большое фармацевтическое будущее: бактерии с синтетическим геномом могут в промышленных масштабах производить новые лекарства.Его энтузиазм разделяют далеко не все коллеги. Например, биолог Евгений Нудлер, профессор биохимии Нью-Йоркского университета считает, что прямого практического приложения в обозримом будущем эта работа не имеет. «Чудесные организмы, о которых говорит Вентер, можно получить и более простыми способами, которые доступны в любой лаборатории. Сегодня мы умеем изменять гены, всячески тасовать их, вставлять и убирать из генома огромные куски. Для того чтобы сделать, например, бактерию-производителя лекарств, совершенно не обязательно заново создавать целый геном». Он также отметил, что технология Вентера неоправданно сложна: «Чем больше фрагмент ДНК, который вы вставляете в геном, тем сложнее его «запихнуть» в клетку. Поэтому намного проще добавить в бактерию только несколько важных вам генов, чем пытаться вставить в нее целый новый геном».
Таким образом, создавать принципиально новые организмы уже можно и более простыми, чем предлагает Вентер, «способами, которые доступны в любой лаборатории». А вот какими свойствами они сразу же после создания или через несколько мутаций станут обладать, достаточно трудно, но хотя бы принципиально возможно предвидеть. Во всяком случае здесь среди исследователей хотя бы превалируют биологи.Но есть и ещё один источник опасности. Он гнездится на стыке генной инженерии и компьютерных технологий. Здесь, к примеру, можно сослаться на конкурс по генной инженерии iGEM 2010. Его с 2004 года проводит Массачусетский технологический институт (MIT). Участники соревнуются в умении придавать бактериям новые нужные черты, изменяя их ДНК. Кто-то из конкурсантов научил микроорганизмы заращивать трещины в бетонных конструкциях, другие – искать нитраты в почве, третьи при помощи синтетической биологии побороли инфекции, вызываемые как грамположительными, так и грамотрицательными бактериями.
А студенты из Китайского университета в Гонконге (CUHK) посчитали полезной функцией бактерий Escherichia coli возможность хранения в их геноме данных, нужных человеку. Вначале компьютерная программа преобразовала исходный текст в цифровую последовательность, используя таблицу ASCII. Далее этот код преобразовали в четверичный. Как нетрудно догадаться, переход к этой системе счисления позволяет оперировать четырьмя символами, каждый из которых соответствует одному из четырёх оснований цепи ДНК (0 = A, 1 = T, 2 = C, 3 = G).Для того, чтобы «укладывать» в колонии E. coli большие тексты, аудио- и видеофайлы применён алгоритм сжатия без потерь DEFLATE, который помогает значительно уменьшить последовательности кодов до начала синтеза нужного куска ДНК. Алгоритм позволяет не только уместить в том же объёме большее количество информации, но и уменьшить количество гомополимеров (полимеров с одинаковыми мономерными звеньями) и повторяющихся фрагментов кода.
Понятно, что теоретически можно взять нужную последовательность оснований любой длины и внедрить её внутрь ДНК бактерии. Однако такой подход пока трудно реализуем. В таком случае логично разделить полученную последовательность на фрагменты и эти куски внедрить в геномы нескольких клеток. Для этого нужен следующий шаг – создание обширной памяти параллельного действия (parallel storage), в которой все элементы (отдельные фрагменты) могут быть доступны одновременно. В ней можно расположить информацию любого размера (так как клеток может быть сколько угодно).Чтобы лишить непосвящённых возможности прочесть внедрённый код, китайцы разработали процесс биошифрования. Студенты использовали природный механизм сайт-специфической рекомбинации (site-specific recombination), осуществляющей перестройку последовательностей в ДНК E. coli. Для простоты описания отметим лишь, что сообщение внутри каждого цуга также поделено на части повторами (repeated sequences или repeats). Эти метки позволяют ферменту рекомбиназе менять куски сообщения местами в любом порядке. И никто не знает, в какой последовательности куски в конце концов встанут. Процесс рекомбинации генетики включили, запустив экспрессию соответствующего гена. В результате рекомбиназа перепутала части сообщений, и в ДНК клеток обосновался настоящий шифр.
В ходе нескольких месяцев лабораторных испытаний китайцы установили, что их прототип биошифровальной системы вполне работоспособен и потерь кода в геномах не происходило. Описанным методом молодые учёные получили ту самую, заявленную ими в самом начале, плотность упаковки информации: один грамм E. coli соответствует 450 двухтерабайтным дискам.Ещё одно отмечаемое авторами работы весомое достоинство – долговечность хранения любой информации. Бактерии способны размножаться на протяжении тысячелетий! Конечно, для этого им надо создать хорошие условия существования. Во-первых, больше клеток выживет, во-вторых, снизится число мутаций, а значит, будет меньше головной боли при расшифровке. Компьютерное моделирование в другой работе показало, что 99% информации сохранится даже при изменении 15% ДНК микроорганизмов, что произойдёт лишь спустя тысячелетия.
Кстати, использовать такую технологию записей китайцы предлагают не только в сфере компьютерной памяти, но и для создания штрихкодов внутри ДНК различных организмов. Конечно, вряд ли в ближайшие годы люди начнут хранить большие объёмы информации в коробочке с бактериями на полке холодильника. Ведь придумать последовательность действий и проверить действенность принципа на практике – лишь полдела. Впереди – создание системы, которая сможет работать вне стен лаборатории на обычном столе...Остановимся здесь. Всем нам хорошо известна теория вероятностей (по крайней мере, её начала). Мы знаем, что в принципе рассыпанный на дороге типографский шрифт может сложиться в роман Л.Н. Толстого, но событие это крайне маловероятное. А вот с записью информации на ДНК бактерии дело обстоит почти наоборот: есть огромнейший массив всевозможных сочетаний, полученный в результате всех описанных манипуляций, который для бактериальных функциональных систем равноправен с её наследственным кодом (а это необходимое условие передачи записей из поколения в поколение). Массив этих сочетаний (речь идёт не о том кусочке, который встроили в конкретную клетку, а о всём наборе в целом) на несколько порядков превосходит размер самого генома.
Вот здесь-то и появляется заметно отличная от нуля вероятность того, что какой-то из кусочков массива окажется «осмысленным» и по нему будет синтезирован либо яд, либо вирус, либо какая-то мутация, немыслимая в нормальной клетке и ведущая в полную неизвестность. Ведь любое сочетание «букв» для клеточных механизмов будет осмысленным! В сущности, при каждой записи продуцируется множество штаммов, бактериологические свойства которых вообще никого не интересуют. Задача ведь записать и прочесть некие данные, а как эти данные прочтёт живая клетка – дело не существенное.Понятно, что никакими законодательными актами здесь не справиться: даже костры инквизиции не смогли удержать прогресс. Здесь единственная надежда на ответственность каждого исследователя перед самим собой и человечеством и научного сообщества в целом. И это пора осознать сейчас, иначе может быть поздно. Мы уже создали достаточно много гранат, чтобы позволять обезьяньи выходки.