Генная инженерия. Спасение или гибель человечества?

Генная инженерия. Спасение или гибель человечества?
Николай Дягтерев

Генная инженерия – одна из наиболее загадочных, а потому интересных наук современности.

Знаете ли вы, что уже сейчас существуют такие разработки, которые способны поставить с ног на голову сами понятия флоры и фауны? Верите ли в то, что пресловутый биоробот – это не научно-фантастический персонаж, а такая же реалия, как и персональный компьютер?

Население день ото дня растет, а кормить надо всех. На смену старым, хорошо изученным и потому легко излечимым болезням приходят новые, пока еще страшные, такие, например, как СПИД. Онкология тоже расслабиться не дает: больных раком день ото дня становится все больше и больше, обеспечить же им реальную помощь медицина часто не в состоянии… Задумывались ли вы, сколько семей распадается из-за того, что люди не могут самостоятельно завести ребенка?!

Николай Дягтерев в своей новой книге простым и понятным языком рассказывает читателям о генной инженерии и раскрывает некоторые тайны этой интереснейшей области науки.

Николай Дягтерев

Генная инженерия. Спасение или гибель человечества?

Введение

ПРИРОДА И ГЕНЕТИКА

В конце восьмидесятых – начале девяностых годов XX столетия появилось достаточно много статей и книг о репрессированных в сталинское время генетиках. Правда в публикациях перекликалась с художественным вымыслом авторов, реальные факты мешались с откровенными подтасовками. Но что же такое генетика и чем конкретно занимались генетики – так и осталось недосказанным. Да, трудились на благо родины, что-то преображали, улучшали породы и сорта… Помните анекдот того времени? «Как умер Мичурин? Полез на березу за вишней, тут его упавшим с сосны арбузом и прибило».

Шутки шутками, а генетика в советское время достигла небывалых высот. Кто знает, может, и велись тогда в секретных лабораториях разработки, способные поставить в случае их успеха с ног на голову сами понятия флоры и фауны…

Не сидят сложа руки и современные генетики. Сколько еще проблем существует в нашем мире? Население день ото дня растет, а ведь всех надо кормить. На смену старым, хорошо изученным и потому легко излечимым болезням приходят новые, пока еще страшные, такие, как СПИД, например. Да и онкология расслабиться не дает: больных раком день ото дня становится все больше и больше, а обеспечить им реальную помощь медицина часто не в состоянии…

Наконец, сколько семей распадается из-за того, что люди не могут самостоятельно завести ребенка.

И это только ничтожная часть проблем, в решении которых участвует современная генетика. Я не собираюсь углубляться в дебри науки, чтобы показать вам новый виток земной эволюции, связанный с развитием геноинженерии, но некоторые факты достойны внимания.

Вот, например, один факт.

Джессика Коллинз, появившаяся на свет в штате Вирджиния, стала знаменитой еще до своего рождения. Первый ребенок в мире, чей пол был заранее «запрограммирован» по желанию родителей, положил начало «дизайнерскому» направлению в индустрии деторождения. Ученые и пресса стали всерьез обсуждать возможность выбирать для своего ребенка цвет глаз и волос, рост и форму носа, «заказывать» здоровые гены и гены, отвечающие за определенные черты характера.

Науку, изучающую наследование характера, темперамента, особенностей поведения, называют поведенческой генетикой. Еще недавно ведущую роль в ней играли психиатры и психологи. Объектом их исследования были идентичные, или однояйцевые, близнецы, которые, как известно, наследуют одинаковые гены. Канадские психологи, изучая генетику лидерства и стремления к лидерству, доказывали наследственное происхождение этих качеств. Как характерная иллюстрация к этому положению приводилась судьба династии Кеннеди, члены которой из поколения в поколение передают своим потомкам так называемый «ген лидерства».

Но оговорки, ссылки на зависимость от условий, бесконечные «если» делали все исследования психологов-генетиков весьма уязвимыми. В отличие от гена, отвечающего, например, за цвет глаз, выделить в ДНК человека «ген лидерства», «ген авантюризма» или «ген воли» оказалось задачей куда более сложной и спорной.

Доктор Дон Хэмер, молекулярный биолог и пионер в области молекулярной психологии, автор опубликованной в США и моментально ставшей бестселлером книги «Жизнь с нашими генами», попытался с помощью биохимии ответить на вопрос: «Что делает нас такими, какие мы есть?». Несколько лет назад Хэмер стал внимательно исследовать отдельные участки ДНК, которые показались ему влияющими на все, что составляет личность, – от настроения до сексуальной ориентации. Первый прорыв Хэмера и его коллег в поведенческую генетику произошел около шести лет назад. Именно тогда была доказана прямая зависимость мужской гомосексуальности от отрезка ДНК на самом кончике хромосомы X, которую мужчины наследуют от своих матерей. Как минимум один ген, отвечающий за гомосексуальные наклонности, считает Хэмер, находится на хромосоме X. Три года спустя лаборатория Хэмера обнаружила связь между геном на хромосоме 11 и чертой характера, которую психологи определяют как «вечный поиск новизны». Следом удалось идентифицировать еще один ген – на этот раз на хромосоме 17, – который, как оказалось, отвечает за состояние беспокойства и озабоченности.

В отличие от генов, ответственных за физические параметры, наличие генов характера не означает стопроцентную вероятность того, что человек будет обладать определенными качествами. Не один ген, а совокупность их отвечает за наши душевные характеристики. Охота за генами, формирующими личность, – занятие на редкость трудоемкое. Хотя ДНК человека состоит всего из четырех химических веществ, чтобы «сформулировать» только один простой человеческий ген, необходимо перебрать миллион комбинаций. У разных людей эти гены могут отличаться всего одной химической буквой из тысячи, а вот это мини-различие и есть тот момент истины, который стараются открыть доктор Хэмер и его коллеги.

Что же касается так называемой «естественной» (или природной) генетики, то по ее поводу существует множество кривотолков. В прессе то и дело появляются публикации о гномах, эльфах и прочих сказочных существах, которые якобы реальны. Как знать. Вот пример: статья, опубликованная пару лет назад в «Континенте».

«В одной из монастырских хроник упоминается, что в начале XV века в Шотландии в горах был найден умирающий от ран человек, говорящий на неизвестном языке. Был он худощав, даже хрупок. Поправившись, незнакомец удивил всех ловкостью в фехтовании и стрельбой из лука – он не промахивался никогда. Со временем, выучив язык, он рассказал, что принадлежит к народу елве. Народ этот, по его словам, живет очень-очень далеко. Одна интересная особенность – он был остроухим.

Можно обнаружить такие упоминания и в других странах. Например, в одной из семейных хроник Норвегии упоминается, что в XIV веке одна из девушек вышла замуж за высокого и прекрасного обликом чужеземца, непревзойденного стрелка из лука. Прожил он в браке восемь лет и оставил двух дочерей, также отличавшихся красотой. Но дочери, помимо красоты унаследовали, и «фамильный признак» отца – заостренные уши, что, понятно, сильно осложнило им дальнейшее существование. Сам себя этот чужеземец называл хельве.

Если порыться в хрониках, можно найти и другие свидетельства. Что интересно – разные народы, разные сказочники, зачастую не имеющие никаких контактов, на протяжении веков описывают таинственных хельве или елве практически одинаково. И это, особенно с учетом достоверных (относительно, конечно) хроник, не может не наводить на мысль, что портрет среднестатистического эльфа списан фактически с натуры. Сопоставив факты, можно сделать вывод, что таинственные хельве – люди или существа, на них чрезвычайно похожие, по некоторым сведениям, могущие иметь детей от обычных женщин и обладающие способностями, которые сегодня принято считать паранормальными. И встречи с ними в XII—XVI веках были нередки – вспомните многочисленные «колдовские» процессы, где в качестве основной улики, выдающей связь с потусторонними силами, назывались заостренные уши.

Другой вопрос – что это, собственно говоря, за народ, откуда эти самые эльфы взялись и куда делись сейчас. Исследователи выдвигают две гипотезы. Первая: эльфы – те же Homo Sapiens, но обладающие неким «лишним геном», позволяющим передавать по наследству паранормальные способности. Может, это потомки атлантов, может, некая «ветвь развития», которая к X—XI векам практически полностью ассимилировалась с людьми и только в каких-либо труднодоступных неисследованных районах (а в то время в Европе и Скандинавии таковых было достаточно) сохранила свои общины. Другая версия достаточно фантастична и базируется на гипотетической теории дискретности вселенных: в одном месте в единицу времени находится бесконечное количество непересекающихся вселенных. Точки соприкосновения (пересечения), разумеется, существуют, и эльфы – пришельцы из параллельного мира. Кстати, эта теория тоже кое-что объясняет, например вечную молодость эльфов. Возможно, в разных параллельных вселенных время течет по-разному, и неудивительно, что человек, попав в мир эльфов и проведя там несколько часов, выясняет, вернувшись, что на земле прошли годы.

Есть ли сегодня среди нас представители этого народа? Возможно. Но даже если эта загадочная раса полностью исчезла, растворилась в «обыкновенных» людях, остался «генофонд», и время от времени рождаются дети с заостренными ушами, у некоторых людей проявляются абсолютно «эльфийские» способности. Например, американец Кеннет О'Хара (газеты неоднократно писали о нем), впервые взяв лук в руки в сорок три года, понял, что просто «не умеет» промахиваться. Изучив свою родословную, Кеннет О'Хара узнал, что в XV веке один из его предков, ирландец, женился на пленнице из народа хелве – женщина была захвачена во время набега на один из островов у побережья Скандинавии».

Но это все, как говорится, лирические отступления. Пора начинать уже собственно повествование и познакомить вас с удивительными фактами и событиями, которые долгое время оставались в тени. Зачастую они лежат на поверхности, оттого, видимо, взгляд и скользит но ним, не цепляясь за острые углы. А зря.

Часть 1

О, БОЖЕСТВЕННАЯ ДНК!

Знакомьтесь: молекула ДНК

Уже полвека прошло с момента открытия Фрэнсисом Криком и Джеймсом Уотсоном структуры ДНК и около ста тридцати лет – со времени открытия нуклеина швейцарским врачом Фридрихом Мишером. Всего пятьдесят лет потребовалось, чтобы записать и расшифровать тысячи генов в молекуле ДНК. И почти сто лет (до 1953 года), чтобы безвестные нуклеиновые кислоты заняли достойное место в науке. Это обычное явление: современники порой не могут по достоинству оценить величайшие научные достижения. Но вдруг совершается еще одно, другое, третье открытия… вроде бы не связанные с начальным… и оказывается, что незамеченное на самом деле оказалось незаурядным. Когда Мишер сообщил о выделенном им нуклеине и о его кислотных свойствах, даже он не знал цены своему открытию (хотя предполагал, что за изучением этих «ядерных» небелковых веществ будущее биохимии). Был еще безвестный монах Мендель, на досуге выращивающий горох. Мендель опубликовал работу об опытах по передаче наследственных признаков (на примере своего гороха) в 1865 году. В конце XIX века общество не интересовалось какими-то нуклеиновыми кислотами и глупым горохом. О Менделе вспомнили только в начале нового века. Датский биолог Вильгельм Иогансен назвал в 1909 году единицы наследственности генами (от гр. genos – род, происхождение). И лишь в конце двадцатых – начале тридцатых годов XX века американец Томас Морган выдвинул хромосомную теорию наследственности (впервые прозвучало, что передачу информации в клетке осуществляют хромосомы, содержащие гены). А то, что вся наследственная информация записана на определенные носители, установил в 1944 году другой ученый – Эвери, специалист по мушкам-дрозофилам, – и оказалось, что эти носители уже известны едва ли не столетие – это наши знакомые дезоксирибонуклеиновая и рибонуклеиновая кислоты: ДНК и РНК. Крик и Уотсон лишь смоделировали структуру ДНК. Но это был прорыв в будущее. С тех пор работы по изучению двойной спирали ДНК не прекращались. Теперь они привели к расшифровке генома человека.

Вся информация о наследственности собрана в двадцати трех парах хромосом, плотно упакована на высококачественном материале ДНК, на каждой ее спирали. При сборке новой конструкции-клетки она копируется на дискету-РНК и переносится транспортной РНК в нужное место нового изделия. Так что любая новая клетка собирается по изначальному плану – по той ДНК, которая когда-то образовала новый живой организм, используя генетический код матери и отца. Расшифровать этот код – значит понять, как устроена жизнь. Я думаю, что небезызвестное клонирование – только первая ступень к чему-то большему, значимому, весомому. Это один из этапов обучения тому, как из ничего – из набора для биохимических опытов – сотворить жизнь. Такая маленькая задачка для ученого-творца.

Но как это сделать? Пока ученых удивляет, что лишь около полутора процентов всей ДНК занимает белковая часть генов. Белковая, то есть такая, где сосредоточена масса нужной для строительства информации. Почему остальная часть генома похожа на пустыню? Или мы просто не понимаем, какого типа информация хранится на этих «немых» участках?

Я уже говорил, что понятная для нас часть ДНК копируется молекулами РНК. Но… это ведь полтора процента всей молекулы! Если остальные девяносто восемь с половиной процентов не содержат информации, как объяснить, что эти области не «усохли»? Зачем глупые РНК-строители каждый раз повторяют пустоту?

Мы пока не знаем значения этих «пустот». Возможно, эти незакодированные части молекулы служат защитой для кодированных областей ДНК от нападения вирусов. Есть мнение, что пустые концевые участки хромосом необходимы для сохранения видовой информации, именно они позволяют распознавать данные на носителе. Именно они исключают возможность видовой совместимости (это объясняет, почему от генетически далеких животных не может появиться потомство). Тогда «пустые» области – преграда для вторжения чужеродной ДНК.

Именно в «пустотах» обнаружены «кочующие участки», или транспозоны, которые могут менять свое расположение в геноме. Обнаружены и странные по плотности генные области, которые несут почти в двести раз больше информации. Эти участки – зоны повышенной опасности. В них генетическая активность способна пробудить «спящие» ретровирусы и спровоцировать развитие таких болезней, как рак или СПИД. На этом факте основывается теория, сущность которой заключается в том, что вирус иммунодефицита необходим для полноценного зачатия: если он подавлен, то происходит отторжение развивающегося эмбриона (РНК-строители читают информацию от «отцовской» половины ДНК как чужеродную и разрушают зародыш). Если же ретровирус в «хорошей форме» – эмбрион приживляется. И выходит, что опасный ретровирус просто необходим на ранней стадии формирования новой жизни!

Если посмотреть на хромосомы как на карту клеточного мира, то окажется, что одни хромосомы заселены генами гуще, другие – беднее. Например, девятнадцатая хромосома несет настолько важную информацию и такими огромными блоками, что любое повреждение малейшего участка этой хромосомы заканчивается внутриутробной смертью зародыша. А мужская Y-хромосома бедна генами, зато переполнена обрывочной информацией, характера которой мы пока не знаем.

Очень значимое отличие хромосом человека состоит в том, что они не имеют стабильной плотности информации. Области с высочайшей плотностью информации чередуются с «пустыней», где нет генов. У бактерий или мушек-дрозофил, например, плотность записи информации стабильна. Но человек организован гораздо сложнее мушки! Значит, «пустоты» – признак уровня развития? Не в «пустотах» ли происходят все генные подвижки, не там ли формируются новые наследственные признаки?

Чего еще мы не знаем? Многого. Например, расположения «выключателей». Хорошо известно, как создаются новые гены (неважно, плохие или хорошие).

Они не рождаются, потому что ДНК так захотелось. Новые изменения обычно появляются на основе «старого материала», иногда даже «древнего». Мы знаем, что катализаторами процессов создания новых генов служат фрагменты генов ретровирусов (иначе – мобильные гены). Эти «чужеродные» обломки выступают в качестве генетических ножниц и иголок. Мобильные гены «разрезают» молекулу ДНК на фрагменты, а затем «сшивают» ее в другом порядке, перетасовывая участки ДНК между собой. В случае наиболее простой перетасовки «право» и «лево» или «верх» и «низ» меняются местами. Но нередко «разрезка» и «сшивка» вообще не поддаются анализу, точно создание нового происходило случайно. Случайны ли случайные чередования генов в ДНК?

И во всех ли случаях получается читаемый текст или сборочный чертеж? Не во всех. Часто искажается или полностью повреждается смысл, парализуются функции генов. Считается, что из миллиона бессмысленных сочетаний несколько (или одно) оказываются достойными запоминания. Они тут же заносятся в память ДНК. Считается также, что эволюция заносит в память лишь победы, но кто сказал, что в непрочитанном нами геноме нет записей о поражениях? Ведь удается же при репликации генов избежать несовместимых с жизнью ошибок. Если бы ДНК не помнила своих неудач, человечество имело гораздо больше генетических заболеваний (то есть болезней, связанных именно с неправильной установкой генетических блоков). Однако количество болезней не так велико, и тут ясно, что при неудачных попытках образования генетических связей срабатывает механизм стирания неправильной информации. Вполне возможно, что часть «пустых» пространств – результат этого уничтожения ключевых слов.

В отличие от существ, стоящих на более низких ступенях эволюции, человек имеет, может быть, не столь разнообразный набор букв генетического алфавита, но гораздо более изощренные связи между буквами, гораздо более разнообразные белковые варианты.

Тут придется упомянуть сингулярный нуклеотидный полиморфизм (снип, или СНП). Это мельчайшие различия в строении тех или иных белковых образований даже у ближайших родственников. У более отдаленных по родству людей и различия больше. Иногда снип отличает один ген одного человека от подобного гена у другого всего одной буквой. Но наличие или отсутствие одной буквы может дать, например, высокий иммунитет или склонность к иммунонедостаточности… Именно от снипов зависит, поможет ли нам какое-то лекарство, которое помогло кому-то из друзей. От снипов зависят все отклонения от прообраза правильного гена.

На несколько десятков тысяч генов у нас приходятся несколько миллионов белковых вариантов, а с учетом снипов – еще больше. Вот почему прочтение генома возможно в целом на уровне «руководства для сборки» особи вида Homo Sapiens, но не на уровне целенаправленной сборки Василия Кузнецова из шестого подъезда (если его не клонировать, а создать заново такую же ДНК, не заглядывая в образец!). Это показывает, насколько мы далеки от понимания процесса создания новой ДНК. Например, договоримся, что мы знаем, как выглядит ген зеленого цвета кожи и ген золотых волос. Мы (в случае удачи) даже соберем зеленокожего человека с золотыми волосами, но у нас нет ни малейшего представления о том, какие признаки одновременно с зеленой кожей и золотыми волосами мы введем в новое существо. Вот почему я скажу честно: в основном, мы моделируем новые гены вслепую. В отличие от матушки-природы, у нас нет нескольких миллиардов лет на «прогонку» генетических конструкций. У нас нет времени на испытания.

ДЦЖ породила жизнь?

У природы времени всегда было вдосталь. Карты перетасовывались, материал безжалостно отбраковывался. Одна из теорий происхождения жизни как раз и рассматривает этот процесс как генетический. Можно даже сложить такую сказку.

В жарких и темных глубинах Земли когда-то в незапамятные времена родилась одинокая молекула. Это была очень простая молекула аминокислоты (одной из четырех). Она стремилась слиться с другой молекулой и нашла ее. Потом ей захотелось вырасти побольше… И так она набирала по дороге все новые и новые звенья. В конце концов получилась устойчивая единица – юная ДНК. Другие одинокие молекулы аминокислот тут же получили информацию, что из неживых они могут превратиться пусть в простое, но живое создание. Они не возражали, чтобы наша ДНК начала строить себя и повторять многократно из одиночных молекул. «Самая ранняя форма естественного отбора состояла просто в отборе стабильных форм и отбрасывании нестабильных. В этом нет ничего таинственного. Это должно было произойти по определению», – пишет Р. Докинз. Первая в мире ДНК тоже была очень устойчивой и несложной конструкцией. Именно поэтому она и смогла «самособраться» из разрозненных элементов. И ничто уже не могло повернуть этот процесс вспять. Но самое важное было не в том, что какая-то молекула родилась на необозримых пространствах первобытной планеты, а то, что эта молекула была способна воспроизводить себя во множестве копий. Р. Докинз называет это эпохальное явление рождением репликатора. «На самом деле, – пишет он, – вообразить молекулу, которая создает собственные копии, вовсе не так трудно, как это кажется сначала, да и возникнуть она должна всего один раз. Представьте себе репликатор как форму для отливки или матрицу; как большую молекулу, состоящую из сложной цепи разного рода более мелких молекул, играющих роль строительных блоков. Эти блоки в изобилии содержались в бульоне, окружавшем репликатор. Допустим теперь, что каждый строительный блок обладал сродством к другим блокам одного с ним рода. В таком случае всякий раз, когда какой-нибудь строительный блок, находившийся в бульоне, оказывался подле той части репликатора, к которому у него было сродство, он там и оставался. Прикрепляющиеся таким образом строительные блоки автоматически располагались в той же последовательности, что и блоки репликатора. Поэтому легко представить себе, что они соединялись друг с другом, образуя стабильную цепь, подобно тому, как это происходило при образовании самого репликатора. Этот процесс может продолжаться в форме постепенного наложения одного слоя на другой. Именно так образуются кристаллы. Но две цепи могут и разойтись, в этом случае получатся два репликатора, каждый из которых будет продолжать создавать дальнейшие копии». А потом их станет четыре, восемь… и так далее в геометрической прогрессии.

Итак, в первобытном Океане появилась первая ДНК… Стоп. Так считалось раньше. По всем теориям выходило, что для зарождения жизни необходима не слишком высокая температура, а также наличие воздуха и воды. Теперь, похоже, новые данные заставляют пересмотреть рецепт создания живого из неживого. Выяснилось, что ДНК способна выдержать сверхвысокие и сверхнизкие температуры. Были обнаружены живые одноклеточные организмы, превосходно чувствующие себя в кипящей воде или даже гипертермальных подземных образованиях. Точно так же пришлось признать, что ДНК не страшен космический холод, ей совсем не обязателен кислород и даже водная среда не является необходимым условием для ее выживания.

Если двадцать лет назад основной теорией происхождения жизни было «самозарождение ДНК в неглубоком теплом водоеме», сегодня принята точка зрения, что ДНК сформировала себя в подводных горячих ключах. Но все больше ученых склоняются к мнению, что жизнь во Вселенной рассыпана в буквальном смысле слова: она несется на крошках-метеоритах, содержится в звездной пыли в виде простейших аминокислот.

Совсем недавно физики обратили внимание, что аминокислоты как бы закручены в левую сторону, и предположили, что родина аминокислот – в далеком космосе. Может быть, это кометы, наполненные водой. Проходя сквозь межзвездные пылевые облака, кометы попадали в зону резко поляризованного света звезд, являющегося к тому же левосторонним. Этот свет и создал левозакрученные аминокислоты. А потом метеориты – куски комет – принесли аминокислоты на молодую и горячую Землю. Между прочим, климат, в котором образовались первые аминокислоты, никак не назовешь мягким или даже умеренным. Аминокислоты, родившиеся в космосе, были проверены специальными химическими тестами, и выяснилось, что они образовались при исключительно низких температурах – намного ниже температуры замерзания воды.