Сначала учёные трудились над расшифровкой генома человека, а затем начали искать пути изменения генетического кода, чтобы предупреждать возникновение новых болезней, избавляться от наследственных патологий. Но у природы, похоже, есть своё мнение о научном прогрессе, и она решила сорвать их планы, которые — в свою очередь, — срывают естественный ход эволюции.
Редактирование генов
Филипп Мессер (Philipp Messer), специалист в области популяционной генетики в Корнуэлльском университете США изучает новое направление в генной инженерии — очень перспективное, но и противоречивое. Речь идёт о переносе генов — методе, который обеспечивает быстрое распространение целевого гена в популяции. Учёные могут форсировать распространение определённой характеристики, минуя законы наследственности. Если в естественных условиях шансы унаследовать ту или иную черту равняются приблизительно 50/50, то метод, изобретённый учёными, позволяет увеличить шансы на наследование практически до 100%. Доминирование выбранного гена продолжится во всех последующих поколениях.
Лабораторные эксперименты на фруктовых дрозофилах подтвердили: если стимулировать наследственность гена, отвечающего за светлый цвет глаз насекомых (в естественных условиях — рецессивный), то у всех потомков глаза будут только голубыми. Метод генного драйва актуален для всех видов, которые размножаются половым путём, и теоретически может кардинальным образом изменить ведение сельского хозяйства, создания запасов продовольствия, предупредить эпидемии и т.д. Человек впервые приблизился к тому, чтобы редактировать развитие популяций в дикой природе. Однако такая возможность возлагает большую ответственность. Опасения по поводу этической стороны вопроса наравне с практическими нюансами высказывают не только скептики, но и сами учёные.
Мессер, презентуя новый метод, попутно озвучивает и главные препятствия, с которыми встречаются инженеры, пытаясь самостоятельно модерировать естественную среду. Природа всегда находит способ обойти навязчивые попытки человека изменить её: болезнетворные микроорганизмы вырабатывают устойчивость к антибиотикам, а вредные насекомые — отвергают пестициды. Москиты и другие переносчики вирусов, геном которых уже изменили чтобы исключить возможность заражения, проявляют способность к адаптации и со временем восстанавливаются. Кэвин Эсвелт (Kevin Esvelt), инженер из MIT, полагает, что в итоге всегда побеждает эволюция:
«— На чаше весов всемирной эволюции все усилия генной инженерии ничего не значат. Чтобы мы ни сделали, природа это переживёт и вернётся в исходное состояние. Кроме, разве что, нашего полного вымирания. Вот с этим эволюция уже ничего не сможет поделать.»
Метод генного драйва пока что применялся только в лабораторных условиях. Три вида, включая уже упомянутых фруктовых мошек, москитов и дрожжи, подтвердили возможность влиять на доминирующую наследственность определённого гена. Вместе с тем, эксперименты показали, что организмы начинают развиваться по-новому, с тем чтобы нивелировать внешнее влияние на геном. Сложно предсказать, как будут вести себя более сложные организмы в естественной среде. Однако можно предположить, что они также будут сопротивляться переносу генов — раз уж это оказалось под силу даже лабораторным мошкам. Исследования в естественной среде пока что невозможны, ввиду целого ряда запретов (как моральных, так и вполне материальных) на эксперименты с генами. Однажды запущенный механизм изменения наследственности уже нельзя будет остановить или отменить. Даже если допустить, что можно остановить первую волну генных изменений, специально запустив вторую волну (как полагают отдельные специалисты), очевидно, что все организмы, появившиеся с изменённой генной информацией, уже никак не исправить. Несколько поколений вида так и останутся с геномом, созданным человеком, и нет никаких шансов предугадать глобальные последствия такого вмешательства.
На самом деле, шансы есть — утверждают энтузиасты генетической инженерии. Мессер с коллегами как раз занимаются проектом, который позволит предугадать реакцию дикой природы на манипуляции инженеров с генами. Учёные создают компьютерную модель, чтобы отслеживать реакцию целых популяций от поколения к поколению. По словам Мессера, проблема других учёных, которые годами пытались предугадать появление обратной реакции на генные изменения заключалась в том, что они фокусировались на отдельных организмах. Он считает, что эволюция проявляет себя в масштабах всей популяции, когда от поколения к поколению постепенно сформируется устойчивость к изменениям, созданным человеком. И противостояние изменениям в генетической информации почти наверняка проявится в естественной экосистеме.
Сначала организмы учатся жить с новым набором генов, а затем — начинают выживать эти изменения
Учёные рассматривают несколько сценариев реакции на генные изменения. Возможно, сопротивление природы сведёт на нет все усилия генетиков, и метод генного драйва не приведёт к запланированному результату. С другой стороны, сопротивление, вызванное действиями учёных, может быть необходимой защитной реакцией. Эволюция непредсказуема по своей сути, но небольшая группа биологов всё же упорно строит математические модели и проводит эксперименты чтобы предсказать, как будет развиваться преобразованный ген в естественной среде.
Не первый год поисков
Редактирование генов не является самостоятельным изобретением человечества — в самой природе время от времени встречаются подобные модификации. Учёные ещё несколько десятилетий назад предлагали использовать именно естественные превращения генов, усиливая их примитивными средствами, вроде радиации или химических веществ. По словам исследователя молекулярной биологии из Калифорнийского университета Анны Бакмен (Anna Buchman), такие генетические отклонения можно было использовать, чтобы распространить определённую черту в популяции, или, наоборот, спровоцировать вымирание всего вида.
В 2003 году генетик из Имперского колледжа Лондона Остин Бёрт (Austin Burt) предложил метод более аккуратного влияния на геном. Его идея заключалась в том, чтобы выделять определённую секцию ДНК и изменять только её. Он также предполагал, что природа будет сопротивляться вмешательству, но проводить лабораторные исследования было невозможно, ввиду ограниченных возможностей тогдашней медицинской техники.
Идеям Бёрта нашлось применение в 2012 году, благодаря стабильному развитию генной инженерии. Учёные изобрели технологию CRISPR, которая позволяет быстро и направленно редактировать геном живых организмов, включая человека. Используя CRISPR, учёные выбирают фрагмент ДНК, разрывают обе комплементарные цепи, соединяющие его, и могут свободно заменять фрагмент, добавлять или удалять гены. Технология значительно упростила развитие метода переноса генов и очень быстро распространилась. Уже через 3 года после премьеры CRISPR в университете Калифорнии приступили к масштабным экспериментам с фруктовыми дрозофилами, выстраивая как раз такую систему, о которой писал в своих исследованиях Бёрт.
Сегодня учёные могут заказать необходимые биологические инструменты через интернет и выстроить работающий метод генного драйва в течение нескольких недель. Мессер отмечает важную роль доступности технологии:
«— Любой человек с базовыми знаниями генетики и парой сотен долларов может заняться редактированием генов. Такая открытость технологии означает намного больше для её развития, чем в условиях экспериментов в закрытых лабораториях.»
Два сценария для будущего
Хотя редактирование генов вызывает сотни разнообразных модификаций, все результаты можно поделить на две главные группы — изменение и уничтожение. Когда учёные редактируют ген москита таким образом, что насекомое больше не может переносить вирус малярии — это пример изменения. Новый набор ДНК быстро распространяется в популяции, что способствует борьбе с эпидемией среди людей. Второй метод заключается в таком замещении генов, что все потомки рождаются только мужского рода, и вид постепенно вымирает, утратив возможность размножаться.
Но в естественной среде распространение изменённого гена предсказать сложно. Те же москиты проявили способность восстанавливать изначальный генетический код, нивелируя действия генных инженеров. Специалисты считают, что тем или иным образом все виды будут проявлять сопротивление и через несколько поколений восстановят заложенный природой набор генов.
В Корнелльском университете используют математическую модель для изучения распространения CRISPR-генов. Здесь, также, есть два возможных сценария развития событий. Первый — при котором отредактированная ДНК восстанавливается самостоятельно, и оба разорванных конца цепи соединяются в случайном порядке. Каждый отдельный организм изменяется по-своему, контролировать эти изменения учёные не могут. Представьте, что при редактировании текста из предложения удаляют словосочетание, оставшиеся слова переставляют, а напоследок — добавляют в текст наугад взятую из словаря фразу. В итоге получается предложение, но начисто лишённое первоначального смысла.
ЧИТАЙТЕ ТАКЖЕ:
Второй вариант использования CRISPR — когда учёные вставляют в ДНК генетический шаблон и провоцируют предсказуемые соединения разорванной цепи. В этом случае, в условное предложение вставляют заранее отобранную фразу, взамен удалённого словосочетания. И полученное в итоге предложение соответствует задумке.
Первый сценарий является спасением для эволюции — сумбурно смешанная ДНК с неопознанными связями цепи из-за CRISPR не воспринимается другими генами и не передаётся в наследство следующему поколению. Если же учёные внедряют схожий фрагмент в генетический код, он приживается и распространяется в популяции. Впрочем, генетик Роберт Анклес (Robert Unckless), принимавший участие в экспериментах, утверждает, что в случае развития первого сценария генный драйв иногда может успеть, к примеру, сократить количество москитов, передающих вирус малярии.
«— Всё зависит от размера популяции вида и от массовости распространения редактированного гена. Естественной силе сопротивления понадобится некоторое время, чтобы выявить и побороть изменения ДНК, а до этого времени цель внедрения CRISPR может быть уже достигнута, какой бы она ни была.»
Другая группа исследователей, в которой объединились специалисты Гарварда и MIT, в своих экспериментах расширила применение метода случайных соединений в ДНК. Они использовали генный драйв, который изменял сразу несколько разных генов. Как пояснил Чарльстон Ноубл (Charleston Noble), таким образом повышаются шансы на выживание модификации. Кроме того, изменения могут задеть весьма важный ген, составляющий сущность живого организма. Эволюция не позволит себе избавиться от генетического наследия, если это повлечёт гибель всего организма.
Ещё один сценарий сопротивления генной инженерии описан в исследованиях Техасского университета в Остине. Учёные высказали предположение, что на распространение генного драйва в популяции может влиять поведение индивидуумов. К примеру, они могут просто перестать размножаться с теми организмами, геном которых был отредактирован. Биолог-эволюционист Джеймс Булл (James Bull), который является автором этого исследования, предполагает наличие дополнительных факторов, влияющих на процесс внедрения изменённых ДНК в естественную среду:
«— Математическая модель показала, что генный драйв распространяется намного хуже среди населения с высоким процентом близкородственных связей. И это связано не только с эволюцией. Есть и другие факторы, из-за которых в популяции не распространяются изменённые гены. Я подозреваю, что мы видим лишь верхушку айсберга.»
Результаты экспериментов
Все учёные приходят к выводу, что естественное сопротивление может возникнуть на любом этапе развития генома организма, и сдерживает его только «полёт фантазии» эволюции. Редактирование ДНК влияет на построение всей экосистемы. Чарльстон Ноубл поясняет, что если учёные смогут всё-таки вывести устойчивый к малярии вид москитов, это может привести к мутации насекомых. В конце концов, они могут начать переносить другие вирусы.
Если предположить, что целью применения метода генного драйва является распространение определённой характеристики видов, тогда естественное сопротивление выступает негативным явлением. Однако Мессер предлагает рассматривать его, как защитный механизм природы. Эволюция контролирует вмешательство человека, чтобы не позволить ему зайти слишком далеко и благими намерениями (та же борьба с малярией) не обеспечить человечеству путь к новым сложностям (распространение москитами новых болезней). С Мессером не согласен генетик Итан Байер (Ethan Bier). Он считает, что учёные ошибочно рассматривают восприятие генного драйва естественной средой за какую-то защитную систему.
Использование компьютерных алгоритмов и математических моделей помогает предугадать некоторые реакции, но экосистемы слишком сложные и слишком разнообразные, чтобы можно было говорить о надёжности результатов лабораторных манипуляций. Использование таких моделей показывает лишь часть того, что может произойти в природе, если инженеры отредактируют некоторые гены. Но правда заключается в том, что гораздо большая часть остаётся для учёных неизведанной. Все специалисты сходятся на том, что приступать к экспериментам за пределами лабораторий при такой частичной информированности — опасно и неэтично.
Мессер всё же не теряет оптимизма. Сейчас он проводит самые масштабные исследования за всю историю изучения генного драйва: в нескольких группах с разными методами внедрения изменённых генов участвуют по 5 тыс. фруктовых дрозофил. Редактированная ДНК снабжает мошек флюоресцентным белком и они светятся при определённом освещении, а учёные внимательно наблюдают, как именно наследуется эта черта.
В Гарвардской медицинской школе, тем временем, проводят эксперименты с москитами, целью которых является вывести насекомых, которые не смогут сопротивляться генному драйву. На основе всех полученных данных учёные разработают новые компьютерные модели для отслеживания наследования гена в популяции. Вряд ли специалистам удастся полностью преодолеть сопротивление эволюции, однако, найти приемлемый для человечества и природы компромисс — вполне реальная цель.
Источник: The Atlantic