О чём вообще речь?
Синтетическая биология, занимающаяся исследованием и реорганизацией основных строительных блоков жизни, зародилась в начале 1970-х годов, когда команда учёных во главе с биохимиком Стэнфорда Полом Бергом (Paul Berg) открыла, каким образом вырезать и вставлять короткие последовательности ДНК из одного организма (от бактерий до людей) в другой (обычно бактерию). Польза от открытия этого механизма получена была практически сразу — учёные смогли использовать клеточный аппарат микробов для создания белков, словно на фабриках, которые в некоторых случаях стали популярными лекарственными препаратами, которые сегодня используют, например, для увеличения производства красных кровяных клеток у тех, кто страдает анемией, или для диализа.
Как отдельная область исследований синтетическая биология начала развиваться в начале 2000-х годов. В 2010 году команда в Институте Крейга Вентера создала первую синтетическую самовоспроизводящуюся бактериальную клетку.
Долгое время самым амбициозным проектом был «Геном человека»: проект, стоимостью 2,7 млрд. долларов, предполагающий расшифровку всей последовательности ДНК человека, продолжительностью три миллиарда нуклеотидов.
Но не так давно из этого проекта вышла группа учёных, объединившихся в проект под названием GP-Write или HGP-Write
«Мы рассматриваем HGP-Write как завершающую стадию» проекта «Геном человека»», — говорит генетик Эндрю Хессель (Andrew Hessel), один из основателей GP-Write и HGP-Write, а также бывший исследователь биологического отдела программного гиганта Autodesk.
Джордж Чёрч (George Church) является одним из руководителей этого проекта, в котором принимают участие сотни учёных по всему миру, работающие над синтезом ДНК различных организмов. Группа всё ещё обсуждает, насколько далеко стоит идти в области синтеза человеческой ДНК, но Черч говорит, что его лаборатория уже приняла решение по этому вопросу:
«В ближайшие несколько лет мы хотим синтезировать модифицированные версии всех генов в геноме человека».
Как это будет реализовано?
План Чёрча состоит в том, чтобы проектировать и выстраивать длинные цепи человеческой ДНК не только путём их разрезания и вставки небольших исправленных отрезков (как, например, благодаря новейшим технологиям, таким как Crispr), но и переписывая решающие участки хромосом, которые затем могут сшиваться с природным геномом. Если они добьются успешных результатов, это будет невероятный прыжок от геномов бактерий и дрожжей к синтезу, по-настоящему грандиозному по своей сложности и амбициозности.
«То, что мы планируем сделать, выходит за рамки Crispr, — говорит Чёрч. — Это можно сравнить с разницей, которая существует между редактированием книги и её написанием».
Занимаясь таким писательством, Чёрч, перетасовывая отдельные нуклеотиды и изменяя, скажем, T на A или C на G в процессе, называемом перекодирование, рассчитывает развить устойчивость клеток к вирусам таким, например, как ВИЧ и гепатит B.
Так, команда Чёрча уже перекодировала бактерию, сделав её устойчивой к простуде. Не ВИЧ, конечно, но очень даже неплохо.
Между тем критики озадачены техническими проблемами, высокими затратами и практическими вопросами. Фрэнсис Коллинз (Francis Collins), директор Национального института здоровья, признаёт, что синтез полного генома человека возможен, но он не совсем понимает его смысл, ведь редактировать проще, по его мнению, чем писать заново.
«Думаю, что такая возможность существует при наличии достаточного количества времени и денег, — говорит он, — только зачем? В настоящий момент такие технологии, как Crispr, гораздо более доступны».
Этическая сторона вопроса.
Теоретически в один прекрасный день учёные смогут изготавливать геномы человека или других живых существ почти так же легко, как писать компьютерные коды, превращая цифровую ДНК на чьем-нибудь ноутбуке в живые клетки, скажем, Homo sapiens. Чёрч со своей командой прекрасно осознают этот факт и настаивают на том, что чеканка людей не является их целью.
«Люди расстраиваются, когда осознают, что в их пище присутствуют гены других видов флоры и фауны, — говорит биоэтик из Стэнфорда и учёный-правовед Хенри Грили (Henry Greely). — А теперь мы говорим о полном переписывании жизни? Волосы встают дыбом. Это вызовет волну негодования».
Так или иначе, но Чёрч с коллегами продвигаются вперёд. «Мы хотим начать с человеческой Y-хромосомы», — говорит он, имея в виду мужскую половую хромосому, которая, как он объясняет, имеет наименьшее количество генов (всего у человека 23 хромосомы), а следовательно, её легче построить. Но он не собирается синтезировать какую-то случайную Y-хромосому. Он и его команда хотят использовать последовательность Y-хромосомы из генома реального человека.
Кого перепишут?
Получить доступ к геному человека не так уж сложно, поскольку он хранится в цифровом виде на компьютерах лаборатории Чёрча в рамках Personal Genome Project, который он запустил в 2005 году. В рамках упомянутого проекта тысячи людей внесли свой полный геном в базу данных, открытую для исследователей и всех желающих.
Пару раз кликнув по клавиатуре, Чёрч может легко выудить цифровую раскладку чьей-либо Y-хромосомы. Потом учёные из его лаборатории могут построить её синтетическую копию, с одной лишь разницей: они перекодируют эту последовательность так, чтобы она была устойчивой к вирусам. Если им это удастся, а затем они перекодируют все остальные хромосомы выбранного генома и внедрят их в человеческую клетку (обе эти возможности под большим вопросом), теоретически, они могут имплантировать эти «исправленные» клетки в тело владельца реального генома, который они использовали, где эти клетки, возможно, начнут размножаться, изменяя работу тела и снижая риск заражения вирусом. Да, слишком много «теоретически», «возможно» и «если», но надо же с чего-то начинать.
Эндрю Хессель, ныне худощавый 54-летний мужчина, начинал свою карьеру в конце 1990-х годов в компании Amgen, анализируя данные проведенной Вентером в частном порядке работы по расшифровке генома человека. Он наблюдал за тем, как появились Crispr и другие методы редактирования генов, но они его не удовлетворяли.
В 2015 году Хессель более серьёзно взялся за проект «написания генома» и попросил Чёрча помочь в руководстве этой работой, которая положила начало GP-Write (и HGP-Write). Чёрч настоял на том, чтобы они привлекли к работе ещё одного выдающегося специалиста по синтетической биологиии из Нью-Йоркского университета Джефа Боке (Jef Boeke) в качестве соруководителя. Перед этой группой стоят самые разные задачи: начиная с разработки более быстрых и дешевых технологий и заканчивая подготовкой этической основы для синтеза жизни. У них также есть готовый ответ на поставленный Фрэнсисом Коллинзом и другими вопрос о синтезе геномов человека: зачем это нужно? Хессель, Чёрч и их коллеги говорят о возможности производить более значимые изменения генома, которые могут использоваться для создания устойчивых к вирусам клеток, синтетических органов и новых лекарств.
Между тем, учёные ставят чёткие границы для своего исследования: они не собираются активировать синтетический геном в клетках зародышевой линии, которые могут изменять гены, которые мы переда нашим детям.
«Мы не создаём младенцев, мы просто пишем геномы, — настаивает Хессель. — Настоящая работа по созданию синтетического ребенка будет проводиться уже другим поколением».
В состав команды Черча входят четыре исследователя и 32-летняя аспирантка из Албании Эриона Хисолли (Eriona Hysolli). Хисолли в одном из интервью подробно рассказала о том, как они будут выстраивать Y-хромосому.
Как это работает?
Синтез генов, говорит Хиссолли, начинается с того, что исследователи находят цифровую генетическую последовательность субъекта на компьютере. Для понимания читателя, последовательность ДНК выглядит так: CGG CGA AGC TCT TCC TTC CTT TGC ACT GAA AGC TGT AAC TCT AAG TAT CAG TGT GAA ACG GGA GAA AAC AGT AAA GGC AAC GTC CAG GAT CGA GTG AAG CGA CCC ATG AAC GCA TTC ATC GTG TGG TCT CGC GAT CAG CGG CGC AAG ATG GCT CTA GAG AAT CCC CGA… и так далее. Хисолли объясняет, что, вместо того чтобы синтезировать каждый нуклеотид в отобранной Y-хромосоме, команда Чёрча сосредоточится на дискретных генетических единицах, называемых кодонами, которые определяют, какие аминокислоты (и в конечном счёте белки) продуцирует клетка. Каждый кодон состоит из трёх нуклеотидов (к примеру, ATG или TCC), и путём замены определённых нуклеотидов в кодонах, Хисолли и её команда надеются произвести изменения в геноме, которые сделают клетку устойчивой к вирусам. После того, как целевые кодоны будут перекодированы, Хисолли отправит этот генетический код компании Integrated DNA Technologies, которая на заказ создаст небольшие фрагменты реальной ДНК, называемые олигонуклеотидами. Затем компания путём сублимационной сушки заморозит олигонуклеотиды и отправит их обратно Хиссолли. Она вместе со своими коллегами разморозит их и объединит в более длинные последовательности, где каждый новый сегмент будет приближать их к законченной версии хромосомы.
Рассмотрим, к примеру, тот фрагмент ДНК в шестой хромосоме определённого индивида, который содержит мутацию, которая связана с незначительным риском сердечного приступа. Чтобы создать новую и улучшенную версию этого фрагмента гена, Хиссоли исправляет рискованную мутацию на своём компьютере. Вдобавок она перекодирует этот кусочек ДНК так, чтобы он приобрел устойчивость к вирусам. Затем Хисолли заказывает перекодированный фрагмент ДНК у IDT, и он приходит через несколько дней.
Как только исследователи получают фрагмент, они клонируют его и окунают в цитоплазму E. coli, хорошо известной кишечной палочки. Генетики часто прибегают к этому способу, поскольку E. coli отличается быстрыми темпами размножения. Спустя несколько дней кишечная палочка сфабрикует достаточное количество изменённых хромосом.
Последним шагом в создании этого синтетического мини-человека является загрузка восстановленного гена в клетки на хранение. Не в любые клетки — учёные используют белые кровяные клетки того человека, чью ДНК они синтезируют, чтобы сделать так называемые индуцированные плюрипотентные стволовые клетки, это означает, что они могут врасти в любую клетку организма. Когда-нибудь эти клетки смогут ввести в тело хозяина изначальной ДНК, чтобы изменить способ работы его организма, но в данный момент «внедрение отредактированных клеток в организм — в высшей степени трудная задача», говорит Хиссолли.
«В случае многих тканей их можно вводить напрямую, чтобы увидеть, насколько хорошо этот небольшой процент приживается в организме. Либо вы можете вводить стволовые клетки крови внутривенно и посмотреть, попадают ли они домой в костный мозг или вилочковую железу».
Пока эта технология не будет усовершенствована, модифицированные клетки будут храниться в замороженном состоянии.
Это лишь самое начало.
Чёрч предупреждает, что технологии, стоящие за синтетической биологией генома, по-прежнему находятся на стадии своего зарождения, являются сложными и дорогостоящими. GP-Write ещё предстоит привлечь значительные средства, хотя отдельные лаборатории, подобные лабораториям Чёрча и Беке, получили деньги от правительственных учреждений, таких как Национальный научный фонд и DARPA, подразделение R & D Пентагона.
О том, что произойдет в ближайшие годы и десятилетия, можно только гадать. Но инструменты для этого разрабатываются прямо сейчас, а значит, есть возможность того, что мы не ограничимся рядом улучшений, говорит биоинженер Пэм Силвер (Pam Silver) из Гарварда: «Главный двигатель — это ваше воображение». Пэм участвует в проекте GP-Write, который собирается перестроить ДНК так, чтобы заставить её производить аминокислоты, которые люди в противном случае потребляют с пищей. На её идею откликнулся генетик Чарльз Кантор (Charles Cantor), почётный профессор Бостонского университета, который считает, что учёные и этики на самом деле ведут себя слишком робко.
«Когда я размышляю о написании геномов, — говорит он, — мне нравится думать о разных жанрах, которые могли бы написать люди. Лично мне нравятся всякого рода вымыслы: придумывание совершенно новых геномов, например, создание людей, которые спроектированы для получения энергии путём фотосинтеза, или растений, которые умеют ходить».
Тот факт, что в академических кругах серьезно размышляют о клетках, способных противостоять вирусам, и о ходячих растениях, свидетельствует о том, насколько важна открытость исследований таких учёных, как Чёрч, Хессель и Бок, и молодых исследователей вроде Хиссолли, а также прозрачность и соответствие стандартам таких инициативных групп, как GP-Write.
Как выразился Хессель: «Возможно, мы не способны остановить плохих парней в их намерении злоупотребить этой технологией, но учитывая, что эта технология так или иначе появится, всегда лучше предоставлять окружающим как можно больше информации о ней».
Что там с вечной жизнью?
Видимо, процесс старения является необратимым и когда мы увеличим продолжительность жизни, однажды мы упрёмся в некий предел. Что делать в этом случае? Фантасты предлагают пересаживать память в новые тела. До недавнего времени это казалось невозможным, но, как сообщает редакция журнала eNeuro, группа учёных из США недавно смогла сделать именно это.
Ещё совсем недавно считалось, что память является собой результат генерации электрических импульсов, которые возникают между клетками гиппокампа, но в 2012 году были обнаружены энграм-нейроны. Они оказались, по предположению экспертов, физическими «боксами» для памяти и воспоминаний. Таким образом, можно сделать вывод, что память имеет не только электрическую, но и химическую природу.
Эксперимент проводили на калифорнийских морских зайцах (Aplysia californica). Сперва опытную группу моллюсков подвергали действию слабого электрического тока, что вызывало у них сокращение мышц, длящееся 50 секунд. В результате «обучения» у подопытных выработался рефлекс: при любом прикосновении их мышцы сокращались на 50 секунд.
Затем учёные извлекли экстракт РНК из нервной системы моллюсков опытной группы и пересадили тем, которые не получали ударов током. После этого моллюски с пересаженной РНК начинали реагировать на прикосновение так же, как тренированные, из опытной группы, — сокращение мышц у них длилось 40—50 секунд.
«В ходе эксперимента мы впервые показали, что воспоминания могут храниться в ядрах нейронов, где синтезируется РНК, а не только в синапсах, как считалось ранее. Если бы воспоминания хранились исключительно в синапсах, то наш эксперимент просто бы не сработал», — сообщил автор исследования Дэвид Гланцман.
На самом деле учёным удалось «пересадить» не сами воспоминания, а данные по выработанным у моллюсков рефлексам. Тем не менее нейробиологи сделали важный шаг, узнав, что определённая информация, полученная благодаря внешним раздражителям, может храниться в РНК.
Доктор биологических наук, профессор кафедры физиологии человека и животных биологического факультета МГУ Вячеслав Дубынин отметил, что чаще всего в ходе экспериментов с воспоминаниями учёные работают с нейронами гиппокампа (отдела головного мозга, отвечающего за память). Отключая или, наоборот, активируя определённые нейроны можно, например, стереть нежелательные воспоминания. Сама по себе РНК не может хранить воспоминания, однако доподлинно известно, что нейрон запоминает информацию после определённого влияния РНК на ДНК. Однако механизмы таких процессов до конца неясны.
«Исходя из результатов исследования, остаётся непонятным, как именно такие РНК управляют памятью. Пока ясно, что они помогают морским ежам запомнить воздействия внешних раздражителей. Но не исключено, что эти РНК позволяют запоминать любую информацию. Тогда эта работа очень перспективна», — подчеркнул Дубынин.
Оглавление канала
Подписывайтесь на канал в Telegram, чтобы следить за обновлениями онлайн, и не пропускать интересные новости о науке и технике.
