Машина творения: Новые организмы, редактирование генома и лабораторные гамбургеры

Машина творения: Новые организмы, редактирование генома и лабораторные гамбургеры
Эми Уэбб

Синтетическая биология преобразит наше понимание семейных связей, время нашего старения, то, чем мы лечимся, где живем и что едим. В этой бурно развивающейся области, задействующей компьютеры для исправления и изменения генетического кода, уже разработаны революционные решения – от мРНК-вакцин и диагностики врожденных заболеваний у эмбрионов до выращенного в лаборатории мяса, которое на вкус почти неотличимо от настоящего. Она дает нам шанс справиться с глобальными угрозами – изменением климата, нехваткой еды и энергетическим кризисом.

Но она же и несет в себе серьезные риски. Допустимо ли выпускать в дикую природу генетически модифицированные организмы? Должны ли существовать ограничения на усовершенствование человеческого тела? Какие кибербиологические опасности нам грозят? Может ли грядущая война с использованием специально сконструированных бактерий и вирусов привести к массовому вымиранию?

Способность редактировать и создавать жизнь влечет за собой глубокие социальные изменения, поскольку мы уравновешиваем доверие общества и скорость биотехнологического прогресса.

Эми Уэбб и Эндрю Гессель захватывающе описывают настоящее и будущее синтетической биологии, помогая нам задуматься о моральных дилеммах, связанных с целенаправленным конструированием жизни, и о грандиозных перспективах, которые оно перед нами открывает.

Идет великая трансформация жизни. Скоро машина творения будет влиять на то, как происходит зачатие детей, что мы подразумеваем под словом «семья», как мы лечим болезни, где и как строим дома и чем питаемся.

Эми Уэбб, Эндрю Гессель

Машина творения: Новые организмы, редактирование генома и лабораторные гамбургеры

Переводчик: Ольга Корчевская

Научный редактор: Сергей Киселев, д-р биол. наук

Редактор: Виктория Сагалова

Издатель: Павел Подкосов

Руководитель проекта: Александра Казакова

Ассистент редакции: Мария Короченская

Художественное оформление и макет: Юрий Буга

Корректоры: Елена Воеводина, Елена Рудницкая

Верстка: Андрей Ларионов

Иллюстрация на обложке: Getty Images

Данное издание опубликовано по соглашению с PublicAffairs, издательством Perseus Books, LLC, дочерней компанией Hachette Book Group Inc, Нью-Йорк, Нью-Йорк, США. Все права защищены

Все права защищены. Данная электронная книга предназначена исключительно для частного использования в личных (некоммерческих) целях. Электронная книга, ее части, фрагменты и элементы, включая текст, изображения и иное, не подлежат копированию и любому другому использованию без разрешения правообладателя. В частности, запрещено такое использование, в результате которого электронная книга, ее часть, фрагмент или элемент станут доступными ограниченному или неопределенному кругу лиц, в том числе посредством сети интернет, независимо от того, будет предоставляться доступ за плату или безвозмездно.

Копирование, воспроизведение и иное использование электронной книги, ее частей, фрагментов и элементов, выходящее за пределы частного использования в личных (некоммерческих) целях, без согласия правообладателя является незаконным и влечет уголовную, административную и гражданскую ответственность.

© Amy Webb and Andrew Hessel, 2022

© ООО «Альпина нон-фикшн», 2024

* * *

Кайе, мудрой и светлой. И Стиву, который меня перезагрузил.

    Э. У.

Хани, Ро и Даксу – за уроки жизни.

    Э. Г.

Введение

Должна ли жизнь быть делом случая?

Эми. В первый раз я почувствовала эту резкую боль в животе на важной встрече с клиентами. За столом сидели топ-менеджеры международной IT-компании. Новый приступ боли случился, когда мы разрабатывали для них долгосрочную корпоративную стратегию. Поручив коллеге вести за меня совещание, я бросилась в туалет. Дыхание перехватило. Я физически не могла сделать вдох. Опустившись на унитаз, я наконец позволила себе разрыдаться – беззвучно, чтобы никто не услышал.

Пошел третий месяц беременности, и на следующую неделю было назначено ультразвуковое исследование. Я уже придумывала малышу имя: Зев, если родится мальчик, и Саша – если девочка. Вытирая кровь с ног и с пола, я искала ответы, но получалось лишь злиться и корить себя. Все это по моей вине. Наверное, я сделала что-то не так.

Во время третьего приступа я уже знала, что последует дальше: кровопотеря, унизительный поход в аптеку за самыми толстыми прокладками, а затем глубокая депрессия, бессонница и масса вопросов, на которые нет ответа. Мы с мужем консультировались у лучших репродуктологов Манхэттена и Вашингтона, прошли все предложенные исследования: анализы крови на гормоны, оценки резерва моих яйцеклеток, обследование, нет ли у меня доброкачественных образований или кист, которыми могли бы быть вызваны проблемы. Все это давало основанные на высоких технологиях предположения, но не ответы.

Мы не оставляли попыток, и в следующую беременность мне удалось преодолеть четырехмесячный рубеж, так что мы наконец разрешили себе обрадоваться. На 18-й неделе, когда уже стал заметен живот, мы явились к гинекологу на плановый осмотр. Я легла на кушетку, медсестра выдавила прохладный гель и распределила его по животу. Затем, постучав по клавиатуре, приблизила зернистое, в основном черное, изображение. После чего, извинившись, пробормотала что-то о возрасте оборудования, вышла из смотрового кабинета и вернулась с другим аппаратом уже в сопровождении врача. Вновь выдавила и размазала гель, щелчком укрупнила изображение, посмотрела на доктора и перевела растерянный взгляд на меня.

Точно не помню, что они говорили, помню только, как доктор взял мою руку и как плакал мой муж. Мне сделали операцию по извлечению эмбриональной ткани. В итоге сообщили, что с медицинской точки зрения у нас с мужем все в порядке. Нам обоим едва перевалило за тридцать, оба были здоровы и не бесплодны. По-видимому, проблема заключалась в моей неспособности сохранить беременность.

У одной из шести женщин в течение жизни случается выкидыш – без единой на то причины. Чаще всего дело в хромосомной аномалии: в процессе деления клеток эмбриона что-то идет не по плану – и это никак не связано ни с состоянием здоровья, ни с возрастом родителей. Мне сказали, что я не виновата. Просто мой организм отказывался пойти навстречу[1 - Amy Webb, "All the Pregnancies I Couldn't Talk About"; впервые опубликовано в The Atlantic, October 21, 2019.].

* * *

Эндрю. В десять лет я твердо решил, что детей у меня не будет. Мы жили на ферме в пригороде Монреаля. Родители с трудом выносили друг друга и, как следствие, нас – меня, брата и сестру. Мы были погодками: брат на год младше меня, сестра – на год старше. Когда родители сообщили о разводе, я не расстроился, только подумал, что маме было бы лучше уйти в монастырь. Но она стала матерью-одиночкой, ночами работала медсестрой, а днем, пока мы были в школе, отсыпалась.

Ей повезло: мы росли самостоятельными и толковыми. Я частенько убегал в библиотеку, ставшую мне вторым домом, и подолгу пропадал между стеллажами. Домой приходил с охапками книг, в 10 вечера провожал ее на работу, а сам присматривал за братом и сестрой, читал им, иногда до самого рассвета и маминого возвращения. Разные истории из жизни обычных семей меня не трогали. Сочувствия к их героям я не испытывал. Гораздо ближе мне были надежная логика технарей, чудеса биологии и образы из научно-фантастических романов. Когда брат с сестрой засыпали, я продолжал читать и размышлять о жизни: откуда появились гигантские и микроскопические существа, как они эволюционировали, что с ними станет в будущем?

К восемнадцати годам мне захотелось изучать основы жизни – генетику, клеточную биологию, микробиологию, однако заводить собственных детей я не собирался. В то время я писал программы и проектировал базы данных, мыслил в понятиях генетических и машинных кодов и для исследований у меня впереди была целая жизнь. Секс – это прекрасно, но никаких детей. У мужчин в распоряжении были лишь механические – не медицинские – способы контрацепции, которые вряд ли относились к числу надежных. Гарантированным решением проблемы была вазэктомия, с просьбой о которой я и обратился к врачу. Сначала он возражал, ведь в 18-летнем возрасте, едва переступив порог совершеннолетия, я определенно был не в том положении, чтобы идти на столь радикальную меру. Но я возразил, что вазэктомия обратима и что, будь у меня сомнения, я бы воспользовался услугами банка спермы. Моя решимость помогла получить от него согласие и направление к урологу, однако в итоге на то, чтобы «перекрыть краны», у меня ушло шесть лет. Большинство специалистов упрекали меня в безрассудстве и незрелости. А я настаивал на том, что просто стараюсь проявить ответственность. При этом гарантий, что когда-нибудь я смогу иметь детей, не было.

Тридцать лет спустя на конференции я познакомился с одной прекрасной женщиной, которая с неподдельным интересом и удовольствием слушала мои рассказы о клетках и долгие разглагольствования о ДНК как программном обеспечении. Как-то утром, лежа рядом с ней в ее манхэттенской квартире, я с ужасом ощутил нестерпимое новое чувство: я хочу детей! Я хочу создать с этой женщиной семью! Мне давно уже было за сорок, так что свои перспективы с медицинской и биологической точек зрения я прекрасно понимал.

Когда мы решили зачать ребенка, то знали, что нам предстоит. В день обратной вазэктомии меня доставили на каталке в операционную, и я лежал, уставившись в потолок. Ритмично мерцали светильники, с каждой вспышкой я мысленно возвращался к словам врача насчет того, как внезапно могут поменяться жизненные планы. Семявыносящие протоки, соединяющие тестикулы и уретру и обеспечивающие вывод спермы наружу, не были пережаты или перевязаны – это упрощало операцию. Хирург их полностью перерезал и прижег, чтобы не допустить утечки внутри организма. Для восстановления проходимости требовалась филигранная микрохирургия под общим наркозом.

18 месяцев мы тщетно надеялись, что жена забеременеет. Я прекрасно понимал, в чем дело… и сознавал, что теперь практически не способен изменить ситуацию. Операция прошла успешно, но система слишком долго не работала. Анатомически у меня все было в порядке. Просто мой организм отказывался пойти навстречу.

* * *

Сегодня ученые переписывают правила нашей реальности. Страдания, через которые нам обоим довелось пройти на пути к родительству, в ближайшие десятилетия могут стать аномалией. Новое научное направление обещает пролить свет на то, как зарождается жизнь и как ее можно воссоздавать при самых разнообразных устремлениях: чтобы мы имели возможность лечить людей без лекарственных препаратов, получать мясо, не забивая животных, и создавать семьи, когда подводит природа. У этого направления, получившего название «синтетическая биология», единственная цель: обеспечить доступ к клеткам ради написания нового – и, возможно, лучшего – биологического кода.

В XX столетии в центре внимания биологов был демонтаж, например, тканей, клеток, белков, ради того чтобы понять, как они функционируют. В нынешнем веке новое поколение ученых, напротив, занимается сборкой новых материалов из предоставленных жизнью строительных блоков. При этом в зарождающейся области знаний – синтетической биологии – многим уже удалось достичь успехов. Инженеры проектируют для биологии новые компьютерные системы, а недавно созданные компании продают принтеры, способные превращать компьютерный код в живые организмы. Архитекторы Всемирной паутины используют ДНК в качестве жестких дисков. Ученые создают системы «орган на чипе»: представьте себе полупрозрачную костяшку домино с вмонтированными в нее наноразмерными человеческими органами, которые живут и растут вне тела человека. Совместными усилиями биологи, инженеры, программисты и многие другие специалисты изобрели машину творения – комплексную систему, включающую людей, научные лаборатории, вычислительные устройства, государственные структуры и предприятия, которые создают новые интерпретации жизни и новые ее формы.

Машина творения служит двигателем великой трансформации человечества, которая уже началась. Пройдет совсем немного времени, и жизнь больше не будет делом случая, а станет результатом замысла, отбора и выбора. Машина творения будет решать, как нам осуществлять зачатие детей и какое определение дать семье, как распознавать болезни и бороться со старением, где строить дома и как питаться. Она сыграет важнейшую роль в ликвидации последствий изменения климата и в конечном счете в нашем выживании как вида в долгосрочной перспективе.

* * *

Машина творения включает в себя множество различных биотехнологий, все они созданы для редактирования и перепроектирования жизни. Целый ряд новых биологических технологий и методов, относящихся так или иначе к синтетической биологии, позволит нам не просто читать и редактировать код ДНК, но и писать его. А значит, вскоре мы научимся программировать живые биологические структуры, как если бы они были крошечными компьютерами.

При помощи одной из таких технологий, CRISPR-Cas9[2 - Heidi Ledford, "Five Big Mysteries About CRISPR's Origins," Nature News 541, no. 7637 (January 19, 2017): 280, https://doi.org/10.1038/541280a (https://doi.org/10.1038/541280a).], с начала 2010-х гг. стало возможным редактирование кода ДНК. Этот метод, который ученые называют молекулярными ножницами и в котором используются биологические процессы, чтобы вырезать и вставлять генетическую информацию, регулярно попадает в заголовки новостей о революционных медицинских вмешательствах, например о редактировании генов слепых людей с целью помочь им обрести зрение. Ученые используют физические молекулярные ножницы CRISPR и сращивают молекулу ДНК, выступающую как своего рода биологическое письмо, в котором буквы переставлены на новые места. Проблема заключается в том, что у исследователей нет возможности непосредственно наблюдать за тем, какие изменения вносятся в молекулу, с которой они взаимодействуют. Каждый шаг требует лабораторных манипуляций, их также необходимо подтвердить опытным путем, и в итоге вся эта работа становится весьма опосредованной, трудоемкой и отнимающей много времени. Синтетическая биология переводит процесс манипуляций в цифровую среду. Последовательности ДНК загружаются в программный инструмент (представьте себе текстовый редактор для кода ДНК), что позволяет вносить правки так же легко, как при работе в текстовом процессоре. После того как ДНК написана или отредактирована и результат удовлетворил исследователя, на устройстве, напоминающем 3D-принтер, распечатывается с нуля новая молекула ДНК. Технология синтеза ДНК (преобразование цифрового генетического кода в молекулярную ДНК) непрерывно совершенствуется. С помощью современных технологий без проблем осуществляется печать цепочек ДНК длиной в несколько тысяч пар оснований, которые можно скомпоновать, чтобы создать новые метаболические пути для клетки или даже полный геном клетки. Теперь мы можем программировать биологические системы подобно тому, как программируют компьютеры.