6 мин
23 июля 2019 г.

Тихая революция: когда мы будем «готовить» ДНК на кухне?

Генетика приходит в каждый дом! Почему это перевернет экономику?
Автор: Владимир Губайловский

На конференции Body Hacking Con в начале 2018 года Аарон Трейвик, CEO биотехнологической компании Ascendance Biomedical, организовал яркую презентацию своего нового продукта. Выступая перед аудиторией, он спустил брюки и вколол себе в ногу экспериментальный препарат, который позиционировался как прорывное «генно-модифицированное» лекарство от герпеса.

Видео с конференции облетело соцсети и привлекло множество восторженных комментариев. Их авторы были уверены: именно так и должен развиваться новый, революционный рынок технологий биохакинга.

Новые, дешевые инструменты по секвенированию (то есть расшифровке) и редактированию человеческого генома должны сразу же становиться достоянием общественности, не дожидаясь клинических тестов и одобрения властей, уверены биохакеры. 

Популярности видео добавило и то, что после демонстрации Трейвик пообещал: если лекарство от герпеса окажется эффективным, Ascendance Biomedical тут же приступит к разработке нового препарата – на этот раз от рака легких.

Впрочем, коллеги Трейвика по рынку биохакинга не были в таком же восторге. Джо Зэйнер, основатель биотехнологической компании ODIN, в том же феврале заявил порталу Gizmodo: «Идея, что какой-то ученый – биохакер или нет – создает препарат от болезни без предварительных исследований и без сбора данных, это смехотворно. Это еще смешнее, чем верить, что авиационным топливом можно расплавить стальные балки».

Спустя три месяца компанию Ascendance Biomedical ждал гораздо более сильный удар, чем скептические заявления коллег по цеху. В конце апреля 2018 года Аарон Трейвик был найден мертвым в Вашингтоне.

Смерть не была насильственной, но конкретную причину кончины Трейвика полиция назвать не смогла. Его компания к этому времени уже начала разрабатывать экспериментальный препарат против рака легких. 

Еще до трагедии власти США распространили официальное предупреждение: испытывать на себе лекарства, созданные на основе CRISPR и других технологий редактирования ДНК, смертельно опасно. Однако эти предупреждения не могут остановить развитие рынка биохакинга. Odin Джо Зейнера до сих пор торгует «домашними наборами» по редактированию генов. И спрос только растет.  

Программист моего тела

Генетику Крейгу Вентеру принадлежат слова: «Жизнь основана на программе ДНК. Вы меняете софт ДНК – и меняете виды. Это удивительно простая концепция, удивительно сложная в своем исполнении». Но сложность эта уже преодолима: генетические технологии готовы стать массовыми.

Люди учились программировать сто лет. Сначала логики «построили» универсальную машину Тьюринга, потом инженеры догадались, что электрические схемы реализуют любую логическую функцию, затем физики создали полупроводниковую электронику. К делу приступили программисты. И все вместе вырастили наш сегодняшний информационный мир – мир мобильного интернета, облачных технологий, социальных сетей и прочих цифровых радостей и печалей.

Кажется, сегодня биотехнологии находятся на пороге того же бума, который пережили компьютеры в 1980-х годах.

Биолог Рой Слито (Roy D. Sleato) уже сравнивает недавно вышедшую на рынок портативную лабораторию для выделения ДНК из биологического материала Bento Lab с персональным компьютером Apple I, с которого началось восхождение гения маркетинга Стива Джобса. 

Эта машина появилась в продаже в 1976 году. Apple I стал предтечей первых в полной мере домашних компьютеров. Он стоил довольно дорого – $666 ($3 тысячи в пересчете на сегодняшние деньги). Было продано 200 штук. Но уже в следующем году вторая модель компьютера – Apple II начала стремительно покорять рынок США и всего мира. Дешевые и простые ПК создали массовый рынок, без которого мы не можем представить себе нашу нынешнюю жизнь. 

Если верить Слито и Вентеру, синтетическая биология сегодня находится примерно на уровне цифровых технологий середины 70-х. Причем, судя по прогнозам генетиков, второй раз по этому пути мы можем пройти во много раз быстрее. В первую очередь потому, что «биологическое программирование» как нельзя лучше совмещается с программированием цифровым. У нас есть компьютеры, которые достаточно хорошо справляются с объемами хранимых данных, необходимых для секвенирования ДНК, обработки этих данных, которые необходимы при редактировании генов живых организмов.

Цифровое программирование – это создание и преобразование последовательностей нулей и единиц. Программы и данные (софт) сохраняются на постоянном носителе и запускаются в специальной аппаратной среде (хард). Любая программа – это набор данных, который реализуется определенным образом в существующей среде.

Биологическое программирование – это создание и преобразование последовательностей, состоящих из 4 нуклеотидов: аденин, тимин, гуанин, цитозин. Весь процесс очень напоминает функционирование цифрового компьютера.

Программы и данные (софт)  сохраняются в постоянном  носителе (ДНК) и запускаются специальной аппаратной средой – работающей биохимией клетки (хард). Здесь тоже любая программа (например, РНК) – это набор данных, который «выполняется» средой, если передать программе управление. 

Существенная разница между биологической программой и цифровой есть. Клетка – это аналоговый компьютер (его гораздо труднее использовать, чем цифровой: чтобы запустить новую программу, необходимо изменить сам компьютер). Но сходства уже толкают человечество к экспериментам.

Антивирус в венах

Когда в 2000-х годах ученые проанализировали механизм бактериального иммунитета, оказалось, что его работа представляет собой очень близкий аналог работы цифровой антивирусной системы.

У цифрового антивируса есть база сигнатур известных вирусов, по которой антивирус распознает вирусный код, чтобы его деактивировать. База сигнатур постоянно пополняется – появляются новые вирусы, они распознаются, и сигнатура сохраняется в базе. 

Бактериальный иммунитет работает аналогично: есть CRISPR-кассета, в которой хранятся короткие отрезки ДНК вирусов, и есть программы уничтожения – белки Cas.

Вирус, попавший в клетку, анализируется последовательным сравнением его ДНК с сохраненными в CRISPR-кассете сигнатурами. Если найдено совпадение, срабатывает программа уничтожения. Причем CRISPR-кассета постоянно пополняется новыми сигнатурами. 

Еще более интересная аналогия тоже связана с технологией CRISPR – это мутагенная цепная реакция (генный драйв). С помощью технологии редактирования генома мы можем сохранить саму программу редактирования в ДНК. То есть при активации определенного гена будет автоматически включаться искусственная «программа», созданная с определенной целью.

На основе этого принципа ученые уже успешно внедрили «вирусный эксплойт» в ДНК мушки-дрозофилы. В ген, отвечающий за расцветку мушки, был встроен CRISPR-механизм по редактированию самого этого гена.

CRISPR-механизм находил гомологичную хромосому и менял соответствующий аллель. В результате ученые получали клетку, которая программирует мушек производить потомство с определенным признаком. Поскольку внутри клетки есть ген, содержащий CRISPR-механизм, то эта программа передается по наследству всем поколениям мушек. Другими словами, генетический «вирус» видоизменяет не одну мушку, а целую популяцию. В результате эксперимента рождаются мушки только одного цвета – бледно-желтого (за редким исключением). И цвет этот выбрали ученые.

Это в точности повторяет схему работы цифрового вируса. Сначала он проникает в систему в виде набора данных (для этого используется тот или иной вариант бреши в защите программы). После происходит сохранение тела вируса в работающей программе, перехват управления при запуске программы, проникновение вируса в незараженные программы, распространение и наследование. 

Для биологии и генетики это открывает пугающие возможности. С помощью мутагенной цепной реакции ученые могут не только модифицировать целую популяцию организмов. Они могут эту популяцию уничтожить, написав правильный вариант генетического вируса.

Есть предложение по уничтожению с помощью такого «биологического эксплойта» комаров, переносчиков вируса Зика в Калифорнии. Другой вариант – уничтожение комаров – переносчиков малярийного плазмодия в Африке. 

Идея в том, чтобы CRISPR-механизм сделал комаров-самцов переносчиками гена бесплодия. Он «стерилизует» самок малярийных комаров, при этом самцы остаются готовыми с спариванию и продолжают распространять этот «вирус бесплодия». Достаточно сравнительно небольшой колонии генетически отредактированных самцов, чтобы популяция вымерла.

Эта идея была высказана в 2015 году, в работе группы исследователей во главе с Тони Ноланом из Имперского колледжа в Лондоне. Впрочем, ученые не торопятся реализовать план «комариного геноцида». И тому есть веские причины.

«Есть опасность, что CRISPR-механизм, несущий ген бесплодия, передастся от комаров, распространяющих малярию, к обычным, безвредным комарам, которые являются неотъемлемой частью экосистемы, – пишет генетик Максим Франк-Каменецкий. – Ими и их личинками питаются рыбы и лягушки; наверное, они играют еще какую-то роль. Хотим ли мы их уничтожения?»

С развитием рынка биохакинга вопрос генетического уничтожения живых существ можно задавать не только профессиональным ученым, но и энтузиастам без образования.

Доступные технологии в ближайшей перспективе позволят создать отредактированного комара в любом гараже. Проконтролировать этот процесс некому.

Машины творения

Размеры новой портативной генетической лаборатории Bento Lab – не больше ноутбука. Вес – 5 килограммов. В ней есть все необходимое для анализа ДНК: ПЦР термоциклер, центрифуга для разбивания клеточных стенок и мембран, гель-электрофорез для выделения ДНК, простой анализатор последовательности нуклеотидов. Это позволяет понять по ДНК, например, что в вашем бургере: конина или говядина.

«Область применения очень широка. Например, вы можете использовать лабораторию, чтобы посмотреть на свой собственный геном. Вы можете выяснить свою группу крови. Ее можно использовать, чтобы узнать, есть ли у вас генетические заболевания, – объясняют создатели портативной лаборатории Bento Lab. – Но вы сможете пойти дальше. Начать строить из полученных генов. Получать новые генетические последовательности. Если бактерия светится, когда вы встряхиваете ее, можно попробовать перенести этот ген свечения в растение, чтобы растение тоже немного светилось. Или можно отредактировать эмбриональные клетки собаки, лошади или кошки, чтобы попытаться устранить генетическое заболевание». Про генетические эксперименты над людьми компания не говорит. Но этот вопрос остается висеть в воздухе.

Однако Bento Lab – это устройство чтения, а не редактирования ДНК. Чтобы менять геном, нужны дополнительные технологии. О редактировании генома собаки или кошки на эмбриональном уровне только с помощью Bento Lab речь идти не может. Но направление именно такое. 

Стоимость Bento Lab  – около 1 тысячи евро, включая расходные материалы. Это прорыв в ценообразовании. До сих пор схожие по функционалу лабораторные наборы стоили около 8 тысяч евро. 

При желании мощности Bento Lab можно нарастить. Потенциально этот набор можно подключить к ДНК-секвенатору minION DNA компании Oxford Nanopore. А это сочетание даст практически профессиональный инструмент для генетических исследований. Затраты тоже небольшие: цена minION DNA вполне сравнима с Bento Lab.

Недавно с помощью технологий Oxford Nanopore удалось полностью секвенировать (то есть расшифровать и собрать) геном арабидопсиса (Резуховидка Таля – это такая «мушка дрозофила» среди растений – любимый объект генетиков). Речь идет о секвенировании 150 миллионов пар оснований. 

Эксперимент проходил в домашних условиях и занял 4 дня. Затраты – в районе $1000.

Oxford Nanopore использует новую нанопоровую технологию. И она становится с каждым годом точнее, проще и дешевле. Точность секвенирования уже превышает 97%. Более того, компания заявила о выпуске в 2019 году гаджета SmidgION – первого секвенатора, подключаемого к смартфону.

До последней клетки

Главное отличие программирования живой клетки от программирования цифрового в том, что клетка – аналоговая машина. Чтобы записать новую программу на компьютер, сам компьютер менять не надо. А вот клетку – надо. И потому огромное значение в биопрограммировании играют биоматериалы: реагенты, плазмиды, библиотеки ДНК и РНК. Где их брать?

Если запас нулей и единичек в природе бесконечен, то запас живых клеток, нуклеотидов и ДНК – конечен, хотя и очень велик.

Чтобы правильно подготовить биоматериалы к использованию, нужны значительные усилия. Но, как правило, их можно купить. Иногда это очень даже накладно и выходит за границы «гаражных» технологий. Но чаще цены приемлемые. 

Компания ODIN предлагает наборы для CRISPR-редактирования бактерии кишечной палочки (совершенно безвредной), некоторых растений и даже лягушек (лягушки в комплекте). Цены колеблются от десятков до сотен долларов. ODIN предлагает и саму портативную лабораторию для экспериментов DIY CRISPR Kits примерно за $2 тысячи. 

Для биохакеров есть и другие хорошие новости. Биоматериалы могут стать еще доступнее: в связи с разработкой соглашения Open Material Transfer Agreement (OpenMTA), которое продвигают компания BioBricks Foundation и the OpenPlant Synthetic Biology Research Centre. Это совместная инициатива Кембриджского университета, Центра Джона Иннеса (John Innes Centre) и Института Эрлама (Earlham Institute).

Задача, которую ставят перед собой разработчики соглашения, – максимально облегчить доступ, обмен и использование биоматериалов между любыми производителями и исследователями. Причем открытость доступа специально подчеркивается: речь не только об университетах, но и о коммерческих организациях и комьюнити любителей. 

Вот пять принципов, которые положены в основу соглашения:

ДОСТУП (ACCESS). Материалы, доступные в рамках OpenMTA, свободны от любых сборов, кроме номинальной оплаты за подготовку материалов и доставку.

АТРИБУЦИЯ (ATTRIBUTION). Поставщики могут запросить данные о пользователях материалов, распространяемых в рамках OpenMTA, а также потребовать отчетность.

ВТОРИЧНОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ (REUSE). Материалы, доступные в рамках OpenMTA, могут быть изменены или использованы для создания новых веществ.

РАСПРОСТРАНЕНИЕ (REDISTRIBUTION). OpenMTA не запрещает ни одной стороне продавать или отдавать материалы, как полученные по соглашению, так и как часть новой коллекции или модифицированных в результате проведенной работы.

ЗАПРЕТ НА ДИСКРИМИНАЦИЮ (NONDISCRIMINATION). OpenMTA поддерживает передачу материалов между исследователями всех типах учреждений, в том числе в академических, отраслевых, государственных и общественных лабораторий.

Главные цели соглашения определены так: «Соглашения о передаче материала (MTA) обеспечивают правовые рамки, в которых исследовательские организации определяют условия обмена материалами – от молекул ДНК до семян растений и образцов пациентов. Использование OpenMTA позволяет распространять и использовать материалы в коммерческих целях, уважая права авторов и продвигая безопасные методы. Новая стандартизированная структура также облегчает административное бремя для бюро по передаче технологий, устраняя необходимость согласовывать уникальные условия для отдельных передач широко используемых материалов».

Соглашение OpenMTA имеет в цифровом программировании близкий аналог – это GNU General Public License – лицензия на свободное программное обеспечение.

GNU GPL сыграла огромную роль в развитии программирования. Достаточно назвать самую популярную платформу для мобильных устройств – Android, установленную на более чем 80% смартфонов (а это миллиарды устройств). Она разрабатывалась именно под лицензией GNU GPL.

Но чтобы свободное программное обеспечение стало тем, чем оно стало, многие и многие программисты высочайшего класса работали, что называется по вдохновению, часто не получая вообще никакой платы за свой труд. Чтобы это стало вообще возможным, эти энтузиасты должны были получить относительно дешевую технику. И только когда компьютеры стали общедоступны, произошел настоящий бум открытого софта. 

Рынок биотехнологий идет к этому буму быстрыми темпами и не без поддержки гигантов компьютерной индустрии. Профессиональные нанопоровые секвенаторы, работающие как гаджеты, или микроскопы стоимостью $1 от компании Foldscope – проект поддерживаемый, среди прочего, грантом в $100 тысяч от Фонда Билла и Мелинды Гейтс.

Технологии и «идиоты»

На пороге массового распространения биотехнологий нерешенной остается только одна проблема. Катастрофа. Что будет делать человечество, если энтузиасты из добрых побуждений выпустят отредактированных комаров в Африке и обрушат экосистему? Сможем ли мы это восстановить? Ведь речь не о вирусе в ПК, чью операционку мы можем «откатить» к установкам по умолчанию и начать с чистого листа. Живые организмы ломаются без шанса на восстановление. 

Есть шанс, что все заинтересованные стороны смогут собрать новую Асиломарскую конференцию, принять строгие правила использования мутагенных цепных реакций и других рискованных экспериментов по редактированию генома. И наверное, ученые, как люди ответственные, подчинятся строгим требованиям биоэтики. 

Но кто сказал, что этому требованию подчинятся все вообще, кто в своем гараже научился редактировать геном? 

Генетик Рудольф Яниш (Rudolf Jaenisch, Massachusetts Institute of Technology) в 2016 году сказал: «Сегодня вы ни в ком не нуждаетесь, чтобы это сделать. Это может любой идиот». Тогда это казалось слишком смелым заявлением. Сегодня так уже не кажется.

Похожие материалы

Гены интеллекта: где их найти и чем усилить?

Текст
5 мин

Мутации китайских ГМО-близняшек: о чем молчали ученые?

Текст
7 мин

Он отредактировал младенцев: генетик Хэ и его преступления

Текст
9 мин