Вчені-генетики перехоплюють керування еволюцією

Завдяки редагуванню ДНК, дослідники сподіваються отримати можливість змінювати долю людини, визначену генами, і боротися зі смертельно-небезпечними захворюваннями.

vst_kodoflife

CRISPR – молекулярний скальпель

Рано вранці Кевін Есвельт (Kevin Esvelt), доцент кафедри біологічної інженерії MIT, піднявся на пором, що прямував до острова Нантакет. Вже багато років жителі острова страждають від хвороби Лайма, яку розносять кліщі, що контактують з білоногими мишами. 34-річний Есвельт керує групою «скульптурної еволюції» в MIT, де він і його колеги намагаються розробити молекулярні інструменти, що здатні кардинально змінити природний світ. Есвельт має намір використати ці інструменти, щоб переписати ДНК білоногих мишей та зробити їх стійкими до бактерій, які викликають хворобу Лайма та інші, що передаються через кліщів. Він і його команда розмножують мишей у лабораторії, а потім, в якості експерименту, випускають їх на безлюдному острові. Якщо кількість заражених кліщів у таких мишей почне різко зменшуватися, він буде добиватися дозволу повторити експеримент на острові Нантакет.

Ще у 2014 році Кевін Есвельт та його колеги описали, як революційний інструмент для редагування генів під назвою CRISPR може поєднуватися з природним явищем, відомим як генний імпульс, що дозволяє змінити генетичну долю цілого біологічного виду. Ген грає керівну роль, переважаючи традиційні правила спадкування за законом Менделя. Як правило, потомство будь-якого сексуально-репродуктивного організму отримує по 50% свого геному від кожного з батьків. Але в 1940-х роках біологи помітили, що деякі генетичні елементи є «егоїстичними»: еволюція надає їм понад 50% спадкових рис. Ця особливість дозволяє певним характеристикам поширюватися з незвичайною швидкістю.

До появи системи CRISPR біологам не вистачало інструментів для примусових специфічних змін генів у цілій популяції. Але система, яка по суті є молекулярним скальпелем, дає змогу змінити або видалити будь-який ланцюжок в геномі, що складається з мільярдів нуклеотидів. Таким чином, вчені можуть бути впевнені, що новий ген копіює себе в кожне наступне покоління. Наприклад, мутація, яка блокує паразитів, що поширюють малярію, може бути спроектована в комаху і кожне наступне покоління буде мати більше потомства з такою ознакою, доки в якийсь момент це не охопить весь біологічний вид.

CRISPR – потужний біологічний інструмент, що має величезний потенціал як у напрямку покращення світу, так і знищення його. Вчені визнають, що CRISPR справді є загрозою. Есвельт вважає, що за допомогою такого інструменту можна провести масштабний експеримент, який дозволить повністю знищити певний біологічний вид на планеті.

Інтелектуальний дизайн

Еволюція біологічних організмів відбувається протягом мільйонів років, тому іноді тільки через тисячу поколінь найменші генетичні зміни стають постійними. Для вчених, які хочуть змінити природні речі, потрібно зовсім небагато часу, іноді вони можуть спостерігати десятки раундів молекулярної еволюції за один день. Втім, минуть роки, перш ніж тварини або рослини з модифікованими за допомогою CRISPR генами будуть випущені в природне середовище. На цьому шляху ще є багато регуляторних, політичних та соціальних перешкод. Есвельт прогнозує, що цей процес займе до 10 років, але вже можна передбачити той день, коли нову технологію буде застосовано, щоб перемогти хвороби, які вбили мільйони людей. Для впровадження фундаментальних наукових змін потрібне тектонічне зрушення у ставленні громадськості до природного світу.

Есвельт вважає, що вчені мають спиратися на інтелектуальний дизайн як інструмент генетики. Взагалі, термін «інтелектуальний дизайн» зазвичай відноситься до антидарвіністської теорії про те, що Всесвіт, з усіма його структурами і варіаціями, занадто складний, щоб виникнути випадково. Іншими словами, має бути якась зовнішня рушійна сила. Істина більш прозаїчна, але вельми цікава: протягом чотирьох мільярдів років еволюція, керована природним відбором і випадковими мутаціями, гарантувала, що найбільш ефективні гени виживають, а найслабші – зникають. Завдяки CRISPR та іншим інструментам синтетичної біології інтелектуальний дизайн набув зовсім нового значення, який загрожує вийти за межі теорії Дарвіна, адже в найближчі роки еволюція може бути керована самими вченими.

Генетика замість пестицидів

Втім, це станеться не завтра. «Взагалі, природний відбір є безглуздо аморальним, а природа — жорстока та безжальна», — вважає Есвельт. Та людям більше не потрібно буде боротися з природою руйнівними методами. Наприклад, коли нас щось не задовольняє, ми застосовуємо хімічні та фізичні методи впливу: використовуємо токсичні пестициди проти шкідників, але вбиваємо й інших комах; використовуємо бульдозери для осушення боліт, щоб позбутися комарів, але також знищуємо лісові угіддя та багато видів тварин, що живуть на них.

Але коли у вас з’явиться генний «скальпель», ви можете просто перепрограмувати шкідника, щоб йому більше не подобався смак вашого врожаю. Комаха залишиться в екосистемі, але вже не буде шкодити господарству. Це набагато елегантніший спосіб впливу на природу. Якщо вирізати окремі фрагменти ДНК та вставили додаткові копії так званих егоїстичних генів, вони можуть бути використані для усунення небажаних генетичних рис, таких як здатність деяких комарів переносити хвороби.

Наслідки втручання в природні процеси

Вчений, здатний перепрограмувати комарів, щоб запобігти поширенню малярії або будь-якої іншої інфекційної хвороби, майже напевно зможе перетворити цю комаху в зброю. На початку поточного року Джеймс Клеппер (James Clapper), на той час директор Національної розвідки США, описав редагування генів як потенційну зброю масового знищення. Деякі вчені вважають це перебільшенням, але потенційна загроза є: умовні терористи зможуть додати до слини комара ген, який утворює токсини, що будуть передаватися разом з малярією.

До недавнього часу інструменти молекулярної біології були дорогими і мало хто мав доступ до них, не кажучи вже про здатність відродити мертві віруси або побудувати нові. CRISPR почав змінювати ситуацію і це, безсумнівно, прискорить прогрес у багатьох галузях. Але доступність нових технологій веде до зростання ризику нещасних випадків та диверсій. Вже сьогодні ланцюжок ДНК можна замовити в інтернеті за копійки. Менш ніж за тисячу доларів будь-який любитель, незалежно від його майстерності або знань, здатний придбати вірус і все, що потрібно для його редагування фактично на «кухонному столі».

Хоча ніхто не сумнівається у виправданості ліквідації такої хвороби, як малярія, неможливо оцінити довгостроковий екологічний ефект від ліквідації цілого біологічного виду комах. Втім вчені вважають, що контроль над небезпечними комахами або шкідниками не завжди вимагає їх повністю знищувати: можна просто генетично змінити їх так, щоб вони було менш шкідливими.

Від одного індивідуума – до цілої популяції

Дослідження зіштовхнулося з двома невирішуваними проблемами. Закони генетики, викладені Грегором Менделем, стверджують, що гени передбачувано успадковуються з покоління в покоління. Також, у відповідності до закону Дарвіна, природний відбір сприяє генам, які допомагають їх господарям вижити, тоді як більшість інженерних (штучних) характеристик цього не роблять. Зміни, зроблені вченими, можуть триматися протягом кількох поколінь, але в кінцевому підсумку природа видавить будь-які гени, що не покращують пристосованість організму. CRISPR ставить дизайн над еволюцією. Використовуючи цей засіб в лабораторії у Лондоні, вчені побудували системи генів для розповсюдження жіночого безпліддя серед самок комарів. Але потрібно провести багато випробувань у контрольній лабораторії, перед тим як випустити таких комах у природне середовище.

Технологія боротьби з комарами, що розносять малярію, не обов’язково буде працювати проти інших хвороб. Візьмемо, наприклад, хворобу Лайма, яку розносять кліщі, що живуть в траві. Можна легко змінити ДНК таких кліщів, але практично неможливо опрацювати настільки велику кількість комах, щоб це мало суттєвий вплив на поширення хвороби серед людей. Ця проблема зупинила Есвельта, однак потім він зробив очевидний висновок: кліщі отримали інфекційні хвороби типу Лайму від білоногих мишей, а тому достатньо змінити ДНК мишей, щоб вони стали стійкими до бактерій Лайма. Миші будуть розмножуватися і доволі скоро всі наступні покоління народжуватимуться стійкими до інфекції.

Backup для живих організмів

Завдяки технологіям CRISPR та генному імпульсу достатньо відредагувати генну структуру лише одного живого організму, щоб в кінцевому підсумку змінити базову генетику цілого біологічного виду. Визнаючи вірогідність фатальної помилки, що знищить увесь вид, Кевін Есвельт вже під час перших експериментів винайшов технології, здатні відновити оригінальний стан будь-якої зміненої ДНК. Якщо ж редагування ДНК неможливо відмінити — він взагалі не проводить експерименти. Вчені також пропонують зберегти частину популяції будь-якого виду, ДНК якого було відредаговане, у своїй оригінальній формі – створити молекулярний Ноїв ковчег.

Хоча дослідження в цілому є надзвичайно перспективним, воно передбачає, що спеціалісти мають досягти такого рівня майстерності, який переважає над природними процесами, а це дуже непросто. Генетичні зміни відбуваються повільно, однак коли мова заходить про комарів чи мишей, яких вчені сподіваються приборкати, то трансформація може бути швидкою. Іноді ген переходить від одного різновиду до іншого через горизонтальне перенесення генів: коли ген-імпульс, створений для придушення одного типу москітів, переходить на інший, загрожуючи йому. Крім того, гени самі по собі постійно змінюються. Якщо певна послідовність синтезу генів піддається мутації, це може в кінцевому рахунку впливати на різні види, з наслідками, що важко передбачити.

Вчені порівнюють механізми генного імпульсу, які змінює генетику видів, з онкологічною імунотерапією, коли імунні клітини людини використовуються для атаки пухлин. Можна видалити один ген зі злоякісної клітини і подивитися, що станеться, а потім видалити ще один ген і знову слідкувати за тим, що відбувається. Але якщо видалити одразу обидва, то передбачити результат неможливо. Цей підхід є ризикованим, однак в експерименті з лікуванням раку лікарі пропонують його як варіант порятунку пацієнта. Хоча і попереджають, що метод може виявитися для пацієнта смертельним.

Людство змінює навколишній світ з самого початку свого існування. Тому реальне питання не в тому, чи будемо ми продовжувати змінювати природу під наші задачі, а в тому, як ми це зробимо. Використовуючи суміш методів селекції, ми створили агрокультури, незліченні породи тварин і перетворили мільйони лісових акрів на сільськогосподарські угіддя. Але генетичний підхід відрізняється: одна комаха може вплинути на майбутнє усього біологічного виду. І це — вже зовсім інше майбутнє.

БІЛЬШЕ ЦІКАВОГО:

Джерело: NewYorker