Простое начало. Как четыре закона физики формируют живой мир

Ни в одном из приведенных примеров редактирования не использовали систему CRISPR/Cas9: ученые работали упомянутыми в начале главы инструментами, которые появились немного раньше: ZFN (в случае с ВИЧ) и TALEN (в случае с лейкозом). Сегодня разрабатывается множество методов терапии на базе CRISRP/Cas9. Вместе с тем саму модификацию стараются переносить внутрь человеческого организма, чтобы воздействовать на ткани и органы, которые невозможно извлечь из тела.
В начале 2020 года носитель редкой мутации, вызывающей слепоту, стал первым человеком, в организм которого напрямую – инъекцией вирусов в глаз – ввели систему CRISPR/Cas930. Мутация, на устранение которой она нацелена, происходит в гене белка, необходимого для построения «башенок», содержащих светочувствительные молекулы, в особых клетках сетчатки [70]. Чтобы гарантировать редактирование гена только в нужных клетках, в молекулу ДНК, кодирующую Cas9, встроили промотор, разрешить считывание с которого могут лишь факторы транскрипции, производимые именно в тех клетках сетчатки. Если проходящее сейчас клиническое исследование окажется успешным, это станет поворотным моментом в истории лечения слепоты, ведь результат теперь будет достигаться не сложной операцией или внедрением электрического имплантата, а подстройкой собственной инструкции человека по самосборке.
CRISPR и анти-CRISRP
Понимание роли биофизических принципов самосборки и регулирования помогает нам постичь механику редактирования генома. Объясняя, как Cas9 находит нужные участки ДНК, я вскользь упомянул и другую тему – случайность. Но случайность даже важнее, и контролировать или хотя бы учитывать ее в практике редактирования геномов – непростая задача. Я сказал, что Cas9 посредством удерживаемого им РНК-гида связывается с последовательностью ДНК, комплементарной гидовой РНК. В целом это так, но только сложнее. Как и в любом молекулярном взаимодействии, сродство максимально при идеальном совпадении, но при неидеальном не падает до нуля. Всегда есть вероятность, что Cas9 атакует неправильную ДНК. Насколько эта вероятность значима, зависит от ее величины и от фактора времени. Допустим, вероятность нецелевого связывания Cas9 составляет 1 к 1000. Какой бы ни была наша задача, вероятность одного промаха на тысячу попаданий приемлема. (Это даст нам, например, лишь несколько аутсайдеров в сетчатке, полной восстановленных клеток.) Но представим дальше, что Cas9 продолжает работать в клетках, синтезируясь с гена доставленной ДНК. Может, за неделю и возникнет одна ошибка, но через 1000 недель (20 лет) белок почти наверняка хоть раз промажет мимо цели во всех клетках. Реальные показатели зависят от особенностей связывания и математики вероятностей. В одних случаях выгода перевешивает риски, в других – нет. Мы могли бы существенно повысить шансы в свою пользу, если бы научились отключать Cas9 сразу после выполнения задачи, а не позволять ему блуждать активным вечно.
Кажется, что в нескончаемой конкурентной борьбе между организмами на каждую уловку у них находится ответная, против каждого оружия есть защита, а на каждую защиту есть оружие, которое эволюционирует, чтобы обойти ее. Пожалуй, неудивительно, что раз существует CRISPR, то существует и анти-CRISPR. Вирусы выработали инструменты, выводящие из строя механизмы бактериального иммунитета. Анти-CRISPR обнаружили в районе 2012 года: магистрант Джо Бонди-Деноми из лаборатории Алана Дэвидсона в Университете Торонто заметил тогда, что некоторым вирусам удается-таки закрепиться в бактериях, обладающих CRISPR-спейсерами против них31. Оказалось, что в ходе какого-то из прежних вторжений вирусы успели встроить в бактериальную ДНК гены своих белков, мешающих работе Cas. Систем анти-CRISPR великое множество – нам известно уже больше 50, – и нацелены они на всевозможные компоненты и этапы CRISPR-защиты32. Одни не позволяют белкам Cas объединяться с гидовыми РНК, другие – связываться с ДНК или расщеплять ее, третьи режут РНК-гиды, а механизмы многих пока непонятны. Но в каждом случае ключевыми оказываются биофизические взаимодействия. Например, блокируя связывание с ДНК, некоторые белки анти-CRISPR воспроизводят профиль электрического заряда ДНК: они копируют силовую и пространственную картину ее отрицательно заряженной поверхности, чтобы улечься в связывающую бороздку Cas, то есть занять место, предназначенное для ДНК. Кажется, вирусы используют электрические свойства ДНК в своих целях подобно тому, как мы применяем их для перемещения нуклеиновых кислот в гелях (см. главу 13).
 
Почти сразу после открытия анти-CRISPR ученые поняли, что новые системы могут сослужить добрую службу в редактировании генома. В 2017 году Дженнифер Даудна и другие ученые, включая Бонди-Деноми (который к тому времени возглавил собственную лабораторию в Калифорнийском университете в Сан-Франциско), показали в человеческих клетках, что введение анти-CRISPR после редактирующей системы на основе Cas9 эффективно подавляет дальнейшую модификацию ДНК, а значит, уменьшает число нежелательных генетических изменений33.
В последних главах мы рассматривали ДНК с более широкого физического ракурса, чем в первой части книги. Знания о природе этой молекулы и ее взаимодействиях с другими веществами, будь то белки вроде полимераз и Cas9 или неорганические структуры типа полупроводников из главы 13, наделили нас способностью читать и писать на языке генов. В следующей, заключительной, главе я больше расскажу о возможностях, которые предоставляет нам эта способность. Особое внимание я уделю редактированию человеческих геномов и видоизменению экосистем – темам, при обсуждении которых на передний план выходят этические вопросы. А еще я немного поразмышляю над тем, как биофизический ракурс формирует наши представления о мире и какое значение это имеет для решения практических и фундаментальных задач.
  
Глава 16. Конструирование будущего
 
Испокон веков человечество пытается открыть законы, которые объясняли бы жизнь во всей ее сложности. Например, в средневековой Европе и исламском мире бытовало мнение, что у каждого вида на суше есть аналог в море, поскольку Творец создал «коня и морского конька, собаку и морскую собачку, змею и угря», как отметил Т. Х. Уайт в предисловии к бестиарию, составленному в XII веке1. Это представление не выдержало проверки временем – не было у него ни описательной точности, ни предсказательной силы, – но нам вполне понятна заключенная в нем надежда на то, что живым миром правит простая симметрия. Биология часто кажется какофонией – красивой, но непостижимой в своем головокружительном многообразии. Эволюция, конечно, дает нам объединяющую основу, но скорее проливает свет на процессы формообразования, сильно превышающие по длительности нашу индивидуальную жизнь, чем объясняет связи между формой и функцией.
За последние десятилетия, однако, мы сильно продвинулись в понимании глубинных принципов биологической организации, включая самосборку, случайность, регуляторные сети и масштабирование. Это физические основы жизнедеятельности всех живых существ. Их концептуальные схемы объединяют микроскопический и макроскопический миры, связывая структуру и динамику молекул с работой клеток, тканей и организмов в целом. Мы можем и дальше увеличивать масштаб: сообщества видов и целые экосистемы тоже подчиняются подобным законам2. Так, математика роста популяций и превратности поиска пищи, как правило, демонстрируют хаотическую динамику с беспорядочными на вид показателями, отражающими случайность в микроскопическом мире. Конкуренция и кооперация приводят к появлению самоорганизующихся сетей взаимодействий, которые определяют размер популяций. Площадь и достаток, как мы вскользь отметили в главе 12, могут подчиняться общим закономерностям масштабирования. Мы прежде фокусировались в основном на масштабах от молекулярного до организменного – что, впрочем, вполне оправдано несметным количеством загадок, которые они в себе таят.