Геномика

Может, кто-то не знает, но за последние несколько лет геномика добилась больших научных результатов. Например, стало возможным прочитать человеческий геном и исправить все известные ошибки. Возможно, это звучит несколько пугающе, но мечтания фантастов стали явью, в том числе благодаря геномике. Как в прошлом году не без апломба заявил Остин Хайнц, исполнительный директор Cambrian Genomics: «Мы хотим подредактировать все живое».

И только в 2010 году коллектив ученых под руководством Крейга Вентера (Craig Venter) из Мэриленда распахнул для нас двери в синтетическую геномику, впервые в мире синтезировав живой организм под названием Синтия, отцом которого, по сути, был компьютер. Синтия — это примитивная бактерия, геном которой насчитывает полмиллиона букв-нуклеотидов. И это только начало. Уже вовсю кипит работа над созданием синтетических дрожжевых организмов и червей.

Через два года после рождения Синтии секвенирование набрало столь большие обороты, что с его помощью стало возможным извлечь геном из фрагмента кости мизинца так называемого денисовского человека, которого недавно нашли в сибирской мерзлоте. Заметим, что возраст находки насчитывает около восьмидесяти тысяч лет. В 2015 году Великобритания стала первой страной, в которой было легализовано создание так называемых «младенцев от трех родителей». Кто это такие? Это дети, у которых, помимо биологических матери и отца, есть еще и женщина—донор, от которой младенцу передается здоровый митохондриальный геном (митохондрия присутствует в каждой клетке, она является своего рода биологическим аккумулятором энергии).

Новые технологии не только кардинально преобразовывают биологию, но и создают морально-нравственные проблемы. Тревогу уже начинают бить не только рядовые граждане, но и ученые. Когда в апреле нынешнего года Китай объявил о том, что в стране ведутся работы по модификации человеческого эмбриона, в Твиттере тут же появилась таинственная аббревиатура CRISPR-CAS. Кстати, CRISPR-CAS — это белковая комбинация, которая защищает бактерию от вирусов-убийц. С ее помощью ученые могут с высокой точностью модифицировать в живых клетках цепочки ДНК. Например, в свое время было показано, что фрагмент, отвечающий за ВИЧ, можно «вырезать» из человеческого генома. Кроме того, оказалось возможным превратить женские особи малярийного комара в мужские и тем самым остановить распространение малярии (ведь, как известно, заражают этой страшной болезнью только самки этого комара).

Однако один из разработчиков CRISPR Дженнифер Дудна (Doudna) из Калифорнийского университета в Беркли очень не советовала даже пытаться каким-либо образом менять человеческий геном, пока не будут решены связанные с этой трансформацией этические вопросы. Но, благодаря Китаю, начало было все-таки положено. И теперь, судя по всему, эта новая технология начинает попадать из рук профессионалов в руки любителей. Так, совсем недавно журнал Nature сообщил о том, что приверженцы так называемой «биохакерской» субкультуры стали сильнее интересоваться CRISPR, правда у одного из энтузиастов, у которого брали интервью, имелось, судя по всему, размытое представление о том, что он в дальнейшем намеревается предпринимать.

Поскольку предопределенные генами способности человека, судя по всему, достигли критического порога, трудно сказать, что нас ждет в последующие годы. Например, можно ли будет с помощью ДНК решить некоторые насущные энергетические проблемы человечества? Так, в одном из проектов предусматривается создание деревьев, которые светятся в темноте. И уже, говорят, можно предварительно заказать саженцы, правда, эти образцы еще не доведены до ума и понадобится еще очень много времени, чтобы получились прототипы. И возможно, не за горами тот день, когда улицы будут освещаться биолюминисцентной листвой, а обычные лампы накаливания вовсе исчезнут, как ушло в небытие множество устаревших и энергозатратных технологий.

Но это, скорее всего, не единственный революционный проект, который призван играть большую роль в ближайшие пять-десять лет. Например, Крейг Вентер работает над созданием свиных легких, которые можно было бы применять в человеческих трансплантатах. Мы даже не представляем себе, какой глобальный эффект это изобретение может оказать, ведь каждая десятая смерть в Европе вызвана легочными заболеваниями. Кроме того, Вентер участвует в поисках жизни на Марсе, используя секвенаторы ДНК. Ученый разрабатывает методы «биологической телепортации», суть которых заключается в том, чтобы на Марсе секвенировать ДНК микробов и в дальнейшем реконструировать их геномы на Земле с использованием 3D-принтера.

Можно поступить и наоборот: Вентер и Илон Маск обсуждают вопрос использования технологии секвенирования, чтобы населить Марс микробами, созданными на Земле с помощью 3D-принтера. Все эти планы поражают воображение, но Вентер и Маск просто созданы для решения столь сложных задач. Однако, ближе к делу.

К 2020 году во многих больницах появятся отделения геномной медицины, в которых будут разрабатываться методы лечения, учитывающие особенности генетического кода пациента. Секвенаторы — устройства, способные по образцам крови составляь генетический портрет человека, — съежатся до размеров USB-устройств. В супермаркетах, где-то между отделом косметических средств и аптекой, появятся отделы для проведения ДНК-тестов, где приветливые консультанты помогут посетителям ответить на самые разные вопросы, например, такие: сможет ли ребенок стать хорошим спортсменом? Какой породы кошка, которую вы держите в своем доме? Содержится ли достаточное количество безвредных бактерий, скажем, на кухне? И так далее. Теперь можно будет получить исчерпывающую информацию о любом человеке по его геному. Тут же появится модная тема для разговоров — ДНК. Все только и будут о ней говорить, о ее строении и обсуждать микрофлору, населяющую брюшную полость.

По прогнозу, к 2025 году человечество научится секвенировать геномы миллиардов людей, что в значительной степени подтолкнет исследования в области онкогеномики. Один из основателей Apple Стив Джобс, умерший от рака, стал одним из тех, кто первым обратил внимание на геномную медицину после того, как у него диагностировали онкологическое заболевание. Примеру Джобса последовали и другие энтузиасты. Теперь человек все больше и больше учитывает свои генетические особенности.

Стоило только Анджелине Джоли сделать операцию по двусторонней профилактической мастэктомии, чтобы снизить вероятность возникновения рака груди, как общественное мнение сразу же стало спокойно относиться к тому, что генный набор отдельного индивидуума стал основой для клинической практики. Появилось даже исследование, посвященное так называемому «эффекту Анджелины Джоли». После публичного заявления актрисы многие женщины принялись проходить ДНК-тестирование, чтобы оценить риск развития рака молочной железы, ведь в случае наследственной предрасположенности вероятность онкологических заболеваний возрастает в два раза.

В общем, для жителей нашей планеты состав ДНК все чаще и чаще становится индивидуальным средством идентификации. Определенные подтверждения тому мы уже находим в области охраны информации, касающейся таких генов, как ApoE, больше всего известном как определитель болезни Альцгеймера. И вот, в 2007 году один из открывателей структуры ДНК Джеймс Уотсон стал вторым в мире человеком, у которого полностью был секвенирован геном. Однако великий ученый не пожелал узнать, имеется ли у него ген ApoE, поскольку великий ученый боялся, что его ждет такая же участь, которая выпала на долю его матери, умершей от слабоумия.

На другом полюсе находится сторонник, так сказать, «геномной открытости» Джон Уилбэнкс (Wilbanks), который честно признался, что его геномный набор позволяет говорить о риске возникновения у него болезни Альцгеймера. Наше общество со временем, конечно же, решит и эти вопросы, но кто окажется, при этом, победителями — сторонники Уотсона или Уилбэнкса — пока не известно.

Возможно в долгосрочной перспективе, ДНК станет одним из тех факторов, который обеспечит появление, по выражению американского футуролога и бизнесмена Питера Дайамандиса, «идеального знания». Тут Дайамандис намекал, наверное, на вездесущее видеонаблюдение, проникающее во все области нашей жизни. Вот что он писал: «Миллиарды датчиков собирают информацию везде, где только можно (с автомобиля, спутниковых систем, беспилотных самолетов, носимых гаджетов и так далее), у любого человека появится возможность узнавать обо всем, что хочешь, в любое время, в любом месте, и запрашивать эту информацию с целью дальнейшего анализа».

Некоторые из упомянутых автором вещей, уже можно наблюдать сейчас. Например, в географии: благодаря спутниковым снимкам на карте мира больше нет белых пятен. Хочется надеться, что такая же ситуация возникнет и в генетике, где ДНК-тестирование станет настолько повсеместным явлением, что радикально перестроит правовые и социальные основы общества. Если секвенирование генома станет явлением повсеместным, то что-либо скрыть, утаить будет невозможно, ведь игнорировать индивидуальную структуру ДНК человека невозможно.

И вот, на горизонте уже прорисовываются контуры будущего. Например, для доказательства вины подозреваемого уже повсеместно используется ДНК-тестирование. Достаточно всего лишь одного волоска, отпечатка пальцев или стакана, из которого кто-то отпил, чтобы получить необходимое количество ДНК и установить личность человека. Кроме того, в базу данных ФБР CODIS занесена индивидуальная информация о миллионах ДНК. В Соединенных Штатах некоторые элитные коттеджные поселки требуют предоставить информацию о результатах анализа ДНК домашних животных. Для этого достаточно всего лишь сопоставить данные, полученные из экскрементов, с теми, что находятся в обязательном реестре животных. Хозяин, который позволяет своим питомцам справлять нужду в неположенных местах, штрафуется.

В Гонконге подобные меры уже принимаются в отношении тех, кто сорит в общественных местах. Стоит только выбросить жвачку или какую-то бумажку там, где это делать запрещено, — и личность нарушителя уже будет доподлинно установлена по анализу остатков слюны и потовых выделений, а его фотография вывешена на автобусной остановке. Тем более, что благодаря последним достижениям в распознавании личности по ДНК можно построить изображение человека в формате 3D.

Что нас ждет в будущем? Наверное, не за горами создание сводного геномного реестра. Он уже существует в усеченном варианте и пока - на принципах добровольности. В настоящее время существует несколько проектов, в которых исследуются геномы миллионов людей. У калифорнийской биотехнологической компании 23andMe уже имеется более одного миллиона клиентов. Во многих странах мира — во главе с такими, например, как Исландия, которой к настоящему моменту уже удалось на добровольной основе секвенировать геномы трети своих граждан, — принимаются национальные программы по геномике. Еще пример: Кувейт недавно предпринял в качестве меры по борьбе с терроризмом обязательное тестирование ДНК для всего населения страны.

Даже и не могу себе представить, к каким еще социально-политическим последствиям приведет наличие геномной базы данных. Некоторая тревога все же имеется, поскольку, есть вероятность, что как раз этой технологией будут злоупотреблять государственные и частные организации. Но не буду об этом, поскольку мои интересы - в основном научные. Реестр генома каждого жителя нашей планеты станет одним из самых ценных в истории приобретений науки, однако, это всего лишь первые шаги геномики.

Теперь давайте задумаемся обо всей совокупности ДНК живых существ, живущих на Земле. Все известные формы жизни, включая человека, в конечном счете, существуют в единой системе на нашей планете Земля — этой бледно-синей точке, блистающей в космическом океане. Давайте дадим этим известным формам жизни имя и назовем всю совокупность ДНК на Земле «биокодом».

Общие размеры биокода ученые определили совсем недавно. Зная информацию о размерах генома и о биомассе различных организмов, можно предположить, что размер биокода превышает ± 3,6 × 1031 миллионов пар оснований. Умножив размеры генома всех земных организмов, начиная от бактерий, пчел и птиц, на количество организмов во всех группах живых существ на Земле, получаем в очень грубом приближении, что общий вес ДНК равен 50 млрд тонн. Для транспортировки такого большого количества ДНК понадобится один миллиард контейнеров для морских перевозок.

Что нам известно о ДНК? До обидного мало. Многообразие проявлений жизни просто потрясает, особенно если мы говорим о формах жизни, составляющих невидимое обычному глазу большинство: это микробы. Здесь мы имеем в виду не только триллионы микробов, наполняющих человеческий желудок, но говорим вообще обо всех этих невидимых обитателях, населяющих нашу планету. Одноклеточная, микробная жизнь составляет 50 процентов биомассы и 99 процентов всего генетического разнообразия Земли. Эти древние создания по большому счету плохо изучены, хотя они и регулируют биогеохимические циклы на нашей планете, помогая поддерживать на ней жизнь.

Но ситуация вскоре должна измениться. Одним из величайших достижений грядущего столетия станет детальное описание биокода, причем, не только геномов живых существ, но и способов взаимодействия между сообществами живых существ. Наша первая догадка о его размере — всего лишь первый шаг. Ученым станет понятно то, как изменялся его состав в прошлом, и как он будет меняться в будущем. Мы только начинаем понимать, как он функционирует.

К 2050 году можно будет приступать к выявлению не только генетического разнообразия человека, но и всего биоразнообразия нашей планеты. Мы надеемся, что работа над книгой о ДНК, напоминающей «Систему природы», впервые опубликованную отцом системы биологической классификации Карлом Линнеем в 1735 году, будет все-таки завершена. И здесь ключевым станет вопрос о сохранности генетического наследия Земли. Такие проекты, как Глобальная геномная инициатива, предпринятая Смитсоновским институтом, предусматривают заморозку образцов всех ныне существующих организмов с целью секвенирования ДНК в будущем. Цель этого проекта — дождаться снижения затрат на секвенирование и сохранить геномы, которые могут исчезнуть еще до того, как их успеют прочитать.

Такой обновленный аналог линнеевской книги «Системы природы» должен выявить не только истинные эволюционные связи между организмами, но и способы, при помощи которых взаимодействуют родственные геномы. На данный момент, мы по большому счету находимся на стадии составления описи, инвентаризации ДНК всех живых существ, начиная от неандертальцев и мамонтов и кончая микробами нью-йоркской подземки. На этом пути есть и успехи, например, ученые получили значительную часть «биокода панды», который соответствует двум процентам геномов всех существующих панд, а также образцы микробиома этого медведя, представляющие собой совокупность микрофлоры, способной переваривать целлюлозу, и тем самым позволяющие этому плотоядному животному вести вегетарианскую жизнь, питаясь побегами бамбука, которые бы в противном случае нельзя было переварить.

Но ученым еще предстоит пройти длинный путь. Общее количество биологических видов на Земле может насчитывать более двадцати миллионов. Только в один каталог под названием The Earth Microbiome Project внесено девять миллионов видов микробов, и это только один из множества проектов по секвенированию различных ветвей древа жизни. Вот что значит Большая наука! Действительно, The Earth Microbiome Project — один из самых широкомасштабных научных проектов в истории, фактически его можно назвать проектом Всепланетного генома.

Ученые, которые приблизительно оценили размер биокода, сравнили ДНК с компьютерным ПО, порождающим все многообразие мысли. Если в основе всех проявлений жизни на нашей планете лежит ДНК, и все живые существа так или иначе друг с другом взаимосвязаны, то весь живой мир во всем его многообразии можно уподобить гигантскому компьютеру. Именно благодаря наличию живых существ (т. е. воображаемому программному обеспечению) на Земле существует кислородная атмосфера. Кислород поступает из ПО, в основе которого лежит ДНК, находящееся в растениях и микробах, которые используют солнечный свет и углекислый газ для обеспечения химического процесса — фотосинтеза. Подобный системный взгляд на жизнедеятельность нашей планеты позволяет делать дальнейший серьезный анализ.

Допустим, что под вычислительной мощностью этого компьютера понимается скорость, с которой обрабатывается различная информация, начиная от ДНК и кончая белками. Из этого следует, что наша планета по своей вычислительной мощности в 1022 раз превосходит мощность китайского суперкомпьютера Тяньхэ-2, который в настоящее время является самым быстрым в мире. Современное общество не может без компьютеров, но теперь нужно учесть, что человечество само в некотором смысле живет внутри такового. Если взять эту аналогию за основу, то придется признать, что мы мало знаем о том, как работает этот мощный компьютер.

Конечно, пытаясь расшифровывать код этого величайшего в мире компьютера, мы используем лишь его отдельные части, оставаясь по большому счету в неведении о последствиях. Перед нами маячит очередное, шестое вымирание, что приведет в течение очень короткого геологического отрезка времени к исчезновению более чем 75 процентов всех земных видов. С тех пор человечество эволюционировало, и вот оно берется перепрограммировать биокод, причем данный процесс идет по нарастающей.

Помимо этого, имеются и другие, вселяющие тревогу события: человек вырубает деревья, высаживает монокультуры, охотится, вылавливает редкие и исчезающие виды рыб, наносит удар по еще кое-где сохранившемуся биоразнообразию, изгоняя различные формы жизни с обширных земель, желая их присвоить себе. И теперь темпы вымирания, скорее всего, в сто раз выше обычных. Если использовать нашу аналогию с компьютером, то, по большому счету, вымирание подобно очистке жесткого диска, после которой информацию восстановить невозможно.

Большинство из тех, кого беспокоит власть геномики, боятся появления так называемых «селекционных детей», зачатых с применением методов генной инженерии, био-терроризма, дискриминации по признаку ДНК, отслеживания информации о генетическом коде граждан. Человек меняет жизнь на Земле с огромной скоростью, по большому счету даже не осознавая этого. Вот об этом-то и надо побеспокоиться.

Быть может, к 2100 году биокод станет в значительной степени искусственным? И такое предположение не выглядит слишком уж надуманным — можно предположить, что мы еще на своем веку увидим не только рост, так сказать, промышленного производства живых существ на заказ, но и столкнемся с проблемой исчезновения некоторых живых организмов, тех самых, что родились естественным путем, без вмешательства компьютера. Каково будущее геномики — скрыто ли оно от наших глаз или же, наоборот, ясно как день, мы не знаем. Но мы уже сейчас видим, сколь мощное влияние она оказывает.

С момента зарождения жизни на Земле почти 3,5 миллиарда лет назад биокод постоянно меняется. Так или иначе, человечество шагнет в будущее, невзирая на все препятствия. И этот шаг может даже привести к появлению новой породы человека, созданной грядущими поколениями по случайности или намеренно, а может, каким-то другим способом.