Простое начало. Как четыре закона физики формируют живой мир

Чтобы решить эту проблему, ученые под руководством Инго Потрикуса из Швейцарской высшей технической школы и Петера Бейера из Фрайбургского университета в Германии создали «золотой рис»: добавив в геном обычного риса два гена – из нарцисса и бактерии – с работающим только в зернах промотором, они обеспечили синтез бета-каротина в съедобной части растения10. Над этим проектом работали несколько лет и об успехе объявили в 2000 году. Дальнейшие улучшения [63], проведенные уже совместно с биотехнологическим гигантом Syngenta, вылились в 23-кратное повышение количества бета-каротина в золотом рисе. Впоследствии Syngenta передала связанные с этим продуктом патенты, технологии и трансгенные семена населению нуждающихся в нем стран.
Клинические исследования показали, что желто-оранжевый рис безопасно и эффективно поставляет в организм человека бета-каротин, который преобразуется в витамин A11. Американское общество питания отметило, что «очень небольшое количество – возможно, чашка – золотого риса способно обеспечивать 50 % рекомендуемой суточной нормы потребления витамина A». Несмотря на это, внедрение золотого риса в аграрную практику идет исключительно медленно из-за противодействия всевозможных объединений противников генетически модифицированных организмов (ГМО)12. В последние годы, в частности, критика направлена не столько на само растение, полезность которого сложно отрицать, сколько на то, что выращивание такого риса даст зеленый свет внедрению других ГМ-продуктов; и вообще, лучше бы бедные получали витамин А из более богатого питательными веществами рациона. Но все же наметились некоторые подвижки. В 2019 году Бангладеш, где от дефицита витамина A страдает 21 % детей, первой из стран одобрила посев семян золотого риса13. На Филиппинах доля таких детей в возрастной категории от шести месяцев до пяти лет за период с 2008 по 2013 год выросла с 15 до 20 % – а это тысячи обреченных на слепоту и смерть. В 2019 году Филиппины, признав безопасность употребления золотого риса, подготовили фундамент для его возделывания [64]. Золотой рис появился 20 лет назад, но споры о нем, как и о других ГМ-культурах, не угасают по сей день, подпитываясь в некоторых случаях научными знаниями, в некоторых – сложными торгово-экономическими соображениями, а во многих – расплывчатыми представлениями и частными мнениями. И конечно, более свежие технологии открывают еще больший простор для дискуссий.
CRISPR и революция в генетическом редактировании
Итак, мы уже не один десяток лет умеем изменять геномы всевозможных организмов. Но описанные выше методы лишены притягательной простоты. Организм включает в себя новый ген лишь после серии проб и ошибок, и место, где он окажется, либо не контролируется вовсе – а это непредвиденно влияет на экспрессию, – либо контролируется умеренно, но ценой еще более трудоемкой инженерии. Когда мы задались целью внедрить ген инсулина или флуоресцентного репортера в бактерию или мышь, пытаться сделать это идеально, пожалуй, можно не раз и не два, но такая стратегия пригодна не везде, особенно если мы мечтаем о лечении генетических болезней человека. Нам хотелось бы придумать простой и точный способ редактировать геномы: находя специфические последовательности ДНК, либо заменять их нужными фрагментами собственного изготовления, либо просто аккуратно вырезать из генома. И теперь у нас такой способ есть. Я рассмотрю систему CRISPR/Cas9, однако, как это часто бывает с технологиями, почти одновременно появились несколько революционных методов геномного редактирования. Альтернативные варианты – нуклеазы на основе белков с доменом «цинковые пальцы» (ZFN) и нуклеазы на основе эффекторов, подобных активаторам транскрипции (TALEN), – не могут сравниться с CRISPR/Cas9 по скорости, дешевизне и простоте применения14. Я упоминаю их исключительно ради полноты картины и чтобы дать читателю представление об атмосфере начала XXI века, насыщенной семенами идей о редактировании генома, которые готовы были вот-вот прорасти.
 
CRISPR/Cas9 – очень древняя или, напротив, совсем новая техника. Ее, возможно, открыли, а возможно, изобрели. Любой из этих вариантов может оказаться верным в зависимости от ракурса. Сначала посмотрим, как этим геномным инструментом оперируют его исконные обладатели, а затем обратимся к его современным версиям на службе у человека.
Природа, если воспользоваться образом Теннисона, была красна от клыков и когтей задолго до появления этих самых клыков и когтей. Даже микроорганизмы борются друг с другом. Бактерии пронзают и травят своих сородичей, амебы пожирают бактерий, вирусы заражают клетки и бесчинствуют в их геномах. Помимо вооружения у каждого из этих созданий вырабатывается защита. До недавних пор считалось, что защитные механизмы бактерий работают только в настоящем, выявляя угрозы по мере их возникновения и не запоминая прошлые обиды. Но теперь мы знаем, что бактерии обладают памятью. Как и клетки нашей иммунной системы, они ведут учет уже знакомых противников, чтобы незамедлительно среагировать при новой встрече с ними. Само открытие адаптивного бактериального иммунитета может служить символом нашего биотехнологического века, ведь оно не состоялось бы без внедрения секвенирования ДНК и современных компьютеров.
В 1987 году японские биологи, изучавшие один из генов модельной бактерии E. coli, мимоходом заметили у нее «необычную структуру» – последовательность из 29 нуклеотидов, которая повторялась в геноме пять раз через равные 32-нуклеотидные интервалы (спейсеры)15. Каково ее назначение и встречается ли она в других геномах, так и осталось загадкой. На это наблюдение особо не обратили внимания: жизнь полна странностей, по большей части не имеющих никакого значения.
В 1990-х Франсиско Мохика и его коллеги из испанского Университета Аликанте обнаружили похожие повторы ДНК в геномах нескольких архей16. Археи – это тоже одноклеточные микроорганизмы, лишенные ядер и мембранных органелл (см. главу 5). Внешне они малоотличимы от бактерий, но формируют отдельную ветвь древа жизни: как и нас, их отделяют от бактерий миллиарды лет эволюции. Мохика наткнулся на статью японцев и понял, что закрепление похожих генетических структур у столь неродственных организмов должно свидетельствовать о важности их роли в жизни микробов. В конце 1990-х, когда количество прочитанных бактериальных геномов возросло, а вычислительные инструменты позволили возиться с их сиквенсами на обычном компьютере, Мохика с коллегами нашел похожие расположенные кластерами повторы в геномах многих других бактерий и архей. Впрочем, их многочисленность и загадочность не принесли лаборатории Мохики славы и денег: она годами не могла добиться финансирования этих исследований, причем отказы обычно обосновывали ничтожной значимостью ДНК-повторов. А содержащих их геномов между тем становилось все больше. В 2002 году Мохика и Рууд Янсен из Утрехтского университета предложили назвать эти геномные структуры CRISPR: clustered regularly interspaced short palindromic repeats, «короткие палиндромные повторы, регулярно расположенные группами». Ученые заметили и то, что вплотную к этим структурам примыкает серия генов, которые назвали Cas (CRISPR-associated, «ассоциированные с CRISPR»). Итак, CRISPR получили имя, однако их функции по-прежнему оставались тайной.
И снова на помощь пришли геномы и компьютеры. Сразу три статьи 2005 года – одна от группы Мохики и две другие из Франции, от команд Кристин Пурсел и Александра Болотина17 – сообщали, что нуклеотидные последовательности спейсеров в CRISPR совпадают чаще всего с участками геномов вирусов [65]. С незапамятных времен вирусы заражали клетки, и такое совпадение позволяло заподозрить в CRISPR элементы неизвестного прежде защитного механизма. Хотя внимание к этой теме постепенно нарастало, ни одну из трех работ сначала не оценили по достоинству. Статью Мохики, написанную первой, один за другим отвергли все престижные журналы, и ей пришлось найти более скромный приют. Тем не менее сущность CRISPR начинала вырисовываться. Зачем бережно хранить каталог ДНК-фрагментов заражавших тебя вирусов? Не иначе как для узнавания по этим «фотороботам» и обезвреживания вторженцев, если они решат атаковать тебя вновь [66].