От безобидной картошки до биологического оружия

Павел ВОЛЧКОВ, руководитель лаборатории геномной инженерии МФТИ: Чем же занимается наша лаборатория? Она занимается целым рядом проектов, в основе которых – редактирование генома, его модификация. А также, как вы могли услышать, есть проект по созданию инструментов для редактирования и модификации сложных геномов, эукариот – ну и, конечно, прежде всего, человека. Что такое CRISPR-Cas? Про это уже многое сказано и написано. Не меньше снято видеороликов и на Youtube, и на различных других ресурсах, поэтому при желании вы можете вбить эти волшебные слова в браузер и посмотреть. Но в самом общем смысле это такие молекулярные ножницы, которые мы используем для того, чтобы разрезать то место в геноме, куда мы хотим что-то вставить. Строго говоря, откуда взялся CRISPR-Cas, как инструмент? У бактерий. Бактерии его используют для защиты от бактериофагов. Это у них вирусы такие (вирусы бактерий). И там он достаточно эффективен, хотя бактериофаги с ним тоже сражаются. Т.е. на каждое действие находится противодействие. Мы, биоинженеры и биотехнологи, успешно адаптировали этот инструмент для геномной инженерии уже сложных эукариот. Почему именно он? Потому что он очень простой. Т.е. чтобы вы понимали: раньше, когда мы пользовались другими молекулярными ножницами, например, ножницами на основе «цинковых пальцев» – это такая группа белков. Они называются «белки с доменом из цинковых пальцев». Или нуклеаза на основе таллинов. Они гораздо сложнее в их дизайне. Они, может быть, настолько же эффективны, как и CRISPR-Cas. Однако, чтобы их сделать, вы должны были (и сейчас, если вы их дизайните, т.е. делаете эти ферменты – а это всё ферменты) потратить не менее полугода – а в случае белков на основе «цинковых пальцев», может быть, и несколько лет для того, чтобы сделать такую многодоменную сложную нуклеазу. Вам бы понадобились молекулярные ножницы, которые позволили бы вам разрезать что-то в конкретном месте. А с приходом технологии CRISPR-Cas сейчас вам сделать направленную нуклеазу не представляет никакой сложности. Вам нужно всего лишь синтезировать гид. «Гидом» мы называем синтетическую нуклеиновую кислоту – там такая достаточно маленькая шпилька, где есть кусочек, который именно направляет фермент в нужное место за счёт комплиментарности этого участка с тем участком, коему он комплиментарен. В общем, если просто сказать, то буквально за неделю, ну, максимум за две вы можете соорудить такой инструмент. Это просто, удобно. И фактически каждая лаборатория сейчас, которая занимается в той или иной степени молекулярной биологией, генетикой, иммунологией, чем угодно – где есть хотя бы в примитивной форме какое бы то ни было молекулярное клонирование или аналогичные методы – она должна иметь этот инструмент, как CRISPR-Cas. По сути дела, это эндонуклеаза рестрикции. Т.е. это фермент, который просто режет двуцепочечную нуклеиновую кислоту в том месте, в котором вы хотите. Т.е. это очень удобно. Вы берёте, синтезируете этот гид, эту шпильку и можете резать там, где захотите. О прикладном значении? Понятно, что теперь вы можете брать сложные геномы эукариот, которые состоят из миллиардов нуклеотидов, и за счёт достаточно протяжённой структуры комплиментарности того самого гида вы можете специфично таргетировать именно определённое место в геноме. Например, человека, который состоит из 3 млрд. нуклеотидов – ну, в диплоидном состоянии из 6 млрд. нуклеотидов. И этих 21-22 нуклеотидов комплиментарности из гида достаточно для того, чтобы довольно специфично таргетировать то самое место, которое вы хотите. Более того, у CRISPR-Cas технологии есть свои спин-оффы. Т.е. эффектер можно сделать таким, чтобы он у вас ничего не резал. Т.е. можно мутировать его каталитически активные домены, и тем самым фермент будет просто связываться с тем участком, который вы хотите. Вы можете туда к белку пришить другой белок, который, например, может активировать данный участок и будет работать, как своего рода транскрипционный фактор (т.е. активирующий данную область). Либо вы можете пришить репрессор – тогда, наоборот, данная область будет репрессироваться. Что ещё круче было сделано? К таким эффекторам можно пришить ДНК нуклеотид-модифицирующие ферменты, которые будут в данном конкретном месте не делать разрывы, а будут модифицировать один нуклеотид на другой. Т.е. фактически это то самое редактирование – в том именно смысле! Вы не разрезаете, не вносите мутации, а просто меняете один нуклеотид на другой. Тем самым это делает возможным внесение точечных изменений без каких бы то ни было двуцепочечных разрывов. Для чего это нужно? Например, вы хотите исправить какую-то мутацию. Из известного можно назвать серповидно-клеточную анемию или, не знаю, муковисцидоз. Вам всего лишь (но это тоже большая работа) нужно вставить такой редактирующий комплекс в те клетки, которые синтезируют или не синтезируют тот самый мутантный белок, где он повреждён. Допустим, есть повреждённые гены, и вы там хотите что-то исправить. Понятно, что для биотеха это тоже мега-крутой инструмент, потому что вы можете тем самым модифицировать организмы, фактически не внося туда вообще ничего. Т.е. вот у вас есть один вид – ну, пускай будет пшеница? Наш любимый объект! Вот другой вид пшеницы. Вот они чем-то отличаются: например, один резистентен к вирусу, а другой – нет. И вам нравится тот, что нерезистентен, потому что он обладает большей урожайностью, большими показателями, всем-всем – водостойкостью, чем угодно. Однако он не резистентен к вирусу. Вы определяете, чем же отличается один от другого. Обычно это буквально одна нуклеотидная замена, тот самый single nucleotide polymorphism. И вы можете теперь вместо долгого скрещивания одного на другое, потом выкрещивания – переводя на язык времени и денег, вы экономите 5-6-10 лет скрещивания и испытаний сорта. Вы можете буквально в один шаг изменить этот нуклеотид. Раз – и вы заменили его! Раз – и этот вид приобретает устойчивость к вирусу. Понятно, что то же самое распространяется и на животных, к коим мы и относимся.[-block-] – Идея заняться этим проектом родилась у нас сразу после того, как был объявлен грант Российского научного фонда. И мы его условно назвали «Курица-картошка». Почему? Ну, потому, что когда я только открыл лабораторию, мне нужны были деньги. Надо было развиваться. МФТИ мне выдал мой стартап и сказал: «Ты молодец, но всё-таки грант принеси. Тебе нужно зарабатывать гранты!». И я это принял, как дословную инструкцию к действию. Грантов, кроме как «Курицы-картошки», всё не объявляли и не объявляли. Я подумал: ну что же делать? Надо подаваться! Но я же не могу просто в лоб заниматься либо курицей, либо картошкой? Поэтому я подумал: что я умею хорошо? А я в прошлом вирусолог (да, в общем-то, и в настоящем; закончил кафедру вирусологии). Я молекулярный биолог. Я же иммунолог. А в последнее время я занимался созданием генетических моделей заболеваний. Я попытался всё это объединить в одном проекте, но так, чтобы это ещё проходило по гранту «Курица-картошка». И мы решили, собственно говоря, заняться одной проблемой. При всём том, что звучит это смешно, но на самом деле эта проблема очень интересная и глобальная. Вы знаете, что все мы болеем гриппом сезонно. Кто-то один сезон пропускает, кто-то чуть ли не каждый сезон болеет – и, тем не менее, вирус гриппа представляет собой довольно-таки большую проблему для человечества. Есть непосредственная статистика смертности от вируса гриппа, однако, мне кажется, от косвенных эффектов (т.е. от последствий заболевания гриппом) умирает значительно большее количество людей. Почему я так думаю? Очень просто: когда вирус заражает, вы болеете 7 дней и вроде бы вылечиваетесь. Но на самом деле он проходит не без последствий. Обычно он приводит к множественным поражениям эпителия сосудов. А если у вас ещё лишний вес, высокий холестерин, высокая вероятность отложения холестериновых бляшек, то локальные поражения эпителия сосудов приводит к тому, что именно в таких местах начинают откладываться указанные бляшки. Переводя на простой язык: вирус гриппа, например, индуцирует как раз формирование бляшек. Мы с ним решили бороться радикально. Поскольку мы знаем, что вирус гриппа к нам приходит периодически (не всегда – у нас циркулируют человеческие формы вируса гриппа, однако огромное количество вариантов также присутствует у водоплавающих птиц; они являются его естественным резервуаром – местом, где вирус гриппа живёт). Птицы с гриппом замечательно сожительствуют уже достаточно долго. А к нам он попадает так: теоретически вирус может попасть напрямую, а может попасть и через других сельхозживотных. Например, через свиней. А также, как вы понимаете, в сельском хозяйстве сейчас огромное количество птицы производится. Если вы задумаетесь, сколько один человек в год употребляет птицы (если он не веган и вегетарианец) – сколько курицы он съедает… а нас 7 миллиардов! Так вот, если вы перемножите эту цифру, то получите гораздо более крупное число, нежели популяция людей на Земле. И весь этот огромный птичий инкубатор также служит инкубатором для вируса гриппа. Вспышки у сельскохозяйственной птицы происходят регулярно – и в России, и в Китае. Вы можете представить, что внесённая вирусная частица из дикой популяции, попадая в такой огромный птичник, обладает способностью мутировать с бешеной скоростью. Вы представляете, какие там популяции? И там генерируются самые невероятные мутанты, которые действительно могут перепрыгнуть на другие виды живых существ; в том числе, и на человека. Это представляет довольно большую опасность. Собственно говоря, мы поставили себе задачу – терминировать возможность перехода вируса с птицы на человека, с птицы на других сельскохозяйственных животных. Как именно? Да очень просто! Создать птиц, которые были бы полностью резистентны к вирусу гриппа. У нас есть целый ряд стратегий. Но одна из них самая популярная и простая, на наш взгляд. Это метод использования той же самой стратегии, которую использует и вирус гриппа. Т.е. когда вирус попадает в эпителий, в клетки, он начинает там размножаться. И чтобы ему потом обратно отпочковаться, т.е. чтобы вирусные частицы вышли из клеток и не инфицировали ту же самую клетку (т.н. «материнскую клетку»), вирус экспрессирует на поверхности специальный фермент, который называется «нейраминидаза». Вот этот фермент срезает сиаловые остатки (это сахарные остатки) на поверхности белков мембраны клеток. Собственно говоря, сиаловые остатки и являются эпитопами для проникновения вируса гриппа в клетки. И чтобы обратно вирусной частице не инфицировать ту же самую «материнскую клетку» – вы понимаете, если сиаловые остатки там остаются, то материнская клетка превращается в тюрьму для вирусных частиц. Просто она выходит и обратно инфицирует. Выходит и инфицирует – и всё, game over! Для этого экспрессируется нейраминидаза, которая срезает будто бы бензопилой все эти сиаловые остатки с поверхности. Таким образом, вирусные частицы спокойно отпочковываются. У них нет эпитопов, чтобы была возможность вернуться обратно. И вирусная клетка идёт обратно к следующей клетке. Таким образом происходит инфекция. Мы решили: «Окей, давайте попробуем сделать то же самое, только мы будем экспрессировать нейраминидазу на здоровых клетках». Тем более, что, оказывается, у человека и у птиц есть свои эндогенные нейраминидазы, которые экспрессируются немножко в других местах. Мы решили поместить эти нейраминидазы на поверхности эпителия – дыхательного и кишечного. Потому что у птиц, в отличие от человека, инфекция происходит не только через дыхательные пути, но и через желудочно-кишечный тракт. Мы, собственно говоря, сейчас находимся в процессе тестирования этой гипотезы. Мы уже далеко продвинулись. Сейчас в стадии переноса наших данных, полученных с клеточных линий. Мы сейчас создаём птиц, которые экспрессируют нейраминидазу на своей поверхности – я имею в виду, на поверхности эпителия. Вот такой интересный проект! Соответственно, мы берём не птиц, а яйца. Но не те яйца, что вы покупаете в магазине, потому что они не оплодотворённые. Мы же покупаем оплодотворённые. Нам эти яйца нужны для того, чтобы выделить из эмбриончиков на ранних стадиях примордиальные зародышевые клетки. Мы их выделяем из крови. Т.е. сначала преморбиальные зародышевые клетки (а это те клетки, из которых формируются гонады; потом у мальчиков из этого формируются сперматозоиды, а у девочек – яйцеклетки) – именно их выделяем, модифицируем, обратно возвращаем, аккуратно открывая яйцо и подкалывая туда модифицированные примордиальные зародышевые клетки. С тем, чтобы потом цыплёнок развился. Он, на самом деле, будет представлять собой такую химеру. Т.е. у него будет всё, кроме гонад. Наоборот, вернее – только гонады у него и будут химерные. И соответственно, в следующем поколении, когда он будет размножаться, он может дать чистую стопроцентную трансгенную птицу. Т.е. с какой-то вероятностью, в зависимости от химеризма – какая доля трансгенных клеток сформировала его гонаду. Т.е. если это 1 %, то с вероятностью 1:100 у нас будет трансгенный цыплёнок. Если там был больший уровень химеризма, – а мы хотим, чтобы это был чуть ли не стопроцентный уровень химеризма, то как раз мы и боремся за цифры. Где же мы берём эти яйца? Изначально мы сотрудничаем с Всероссийским институтом животноводства. У них есть это направление по созданию трансгенных птиц. Мы с ними активно сотрудничали и продолжаем сотрудничество. На данный момент мы активировали сотрудничество с сельскохозяйственной академией имени Тимирязева, которая не так далеко от нас находится. Кстати, у нас там первые трансгенные химеры на прошлой неделе родились; вернее, цыплята вылупились. Мы тут все отмечали это небольшое событие.[-block-] – Вообще ГМО – это генетически модифицированные организмы. Как вы понимаете, сюда можно затолкать всё, что угодно – от безобидной картошки до биологического оружия. Вы берёте вирус, делаете его ещё и ещё страшнее – вот, пожалуйста, вы получили что-то, что убьёт вас гораздо эффективнее, нежели ядерное оружие. Понятно, что всё это – дело рук человеческих. То, что вы делаете, вы можете сделать либо очень хорошим и полезным, либо очень страшным и вредным. Поэтому ГМО – очень неоднозначная штука. Я не пытаюсь развеять стереотипы наших слушателей и зрителей, а хочу попытаться всё-таки быть не однозначным в суждениях и разобраться в том, что же такое ГМО. Конечно, все большие компании, концерны и холдинги, которые занимаются производством генетически модифицированных организмов, делают это во благо (по крайней мере, большинство из них). Они совершенно не хотят вам навредить. Они просто хотят извлечь суперприбыль. Деньги движут миром. Безусловно, они тестируют на безопасность все свои продукты. Они проверяют какую-нибудь модифицированную сою на всяческие разные тесты, биобезопасность, мутагенность и т.д. Поверьте мне, никто не старается создать что-то вредное. Чтобы создать нечто вредное, надо прямо задаться этой целью и потратить на это достаточно внушительное количество денег. Поэтому, ребята, расслабьтесь: никто вас не травит! ГМО – это хорошо, по большей части. Я имею в виду – в продуктах обычно всё нормально. Что такое ГМО? Это когда самый примитивный в хронологическом виде вариант, то, что было изначально, брали какой-нибудь кусок гена, куда-то его рандомно интегрировали – полезный ген, допустим, который делал что-то более совершенным. Я не знаю, исходно это была защита против гербицидов – чтобы, поливая вашу кукурузу, умирало всё, кроме неё самой. Соответственно, вы меньше удобрений тратите. Ваша кукуруза эффективнее растёт. Ну, и так далее. А сейчас, конечно, гораздо более прогрессивны технологии – с изобретением различных способов модификаций. Возвращаясь к тому примеру с пшеницей, мы делаем вот такие крутые штуки. На самом деле, все эти штуки, чтобы вы понимали, можно делать и путём обычного скрещивания, т.е. той самой селекции. Но это просто долго. Чтобы сэкономить деньги, мы можем попросту модифицировать тот самый нуклеотид за раз. Т.е. мы берём и модифицируем. Кроме того, конечно, сохраняется опция – перенести целые куски чего-нибудь куда-нибудь. Из тех видов, которые в принципе не скрещиваются. Почему мы хотим это делать? Потому что иногда это очень полезно – допустим, взять какой-нибудь ген, который обеспечивает холодоустойчивость какому-нибудь одному странному арктическому виду, который живёт за полярным кругом и выживает там долгие миллионы лет. Мы можем сделать из этого какую-нибудь холодоустойчивую пшеницу, которая не растёт выше, чем в какой-нибудь Калужской области. С учётом того, что на планете Земля уже живёт 7 млрд. человек, а будет и ещё больше жить, в общем-то, мы, в частности, как страна (Российская Федерация), несём некую значительную ответственность за прокормление всего остального мира, увеличивающегося ежегодно на сколько-то там сотен миллионов. В общем, надо как-то придумывать – в том числе, с помощью генетически модифицированных организмов, как мы дальше будем друг друга кормить. Нас сейчас 7 млрд., через 5 лет будет 10 млрд., а потом и все 15, 20, 30 млрд. И Земли будет не хватать; той самой Земли, где растут текущие сельхозрастения. Надо как-то эти сельхозрастения либо адаптировать, либо выводить новые – более эффективные, холодо- или засухоустойчивые. Собственно говоря, вот этим и занимаются большие агрохолдинги. Они немножко на будущее ориентированы – смотрят, что будет через 15 лет, как мы будем кормить от 15 до 30 млрд. людей. В общем, ГМО – это хорошо![-block-] – Больной человек, конечно, хочет вылечиться от той конкретной болезни, которой он страдает. Потому что она его мучит, приносит ему дискомфорт. И большинство болезней – действительно, с ними очень трудно жить. Именно поэтому люди рано или поздно сдаются и перестают с ними бороться. А здоровый человек, собственно говоря, умеренно счастлив, если не находится в стрессе. Поэтому я бы назвал, конечно, стресс одной из наиболее активных составляющих. Как сделать человека счастливее? Человек, в принципе, догадывается, как сделать себя счастливее, но он почему-то хочет всё больше заработать, сделать. А обычно это действия, ровно противоположные тому, чтобы быть счастливым. Он считает: «Я сейчас поработаю побольше, заработаю себе на машину, на квартиру, на отдых, на дом на каком-нибудь симпатичном острове», но этого всё не происходит и не происходит из года в год. Человек никак не может достигнуть желаемой цели, а работать приходится всё больше и больше. Он начинает пить всякие антидепрессанты. Не знаю, сколько таких людей в России, но вот в Америке их колоссальное количество. Можно ли сделать человека чуть-чуть более счастливым с помощью модификаций? Безусловно, можно. Собственно говоря, почему я так однозначно отвечаю? Если взять большую выборку людей и посмотреть на неё, у всех них будет достаточно разный порог стрессоустойчивости. Она, эта стрессоустойчивость, зачастую генетически обусловлена. И определённые факторы за неё и отвечают. Мы действительно можем попробовать увеличить одни, уменьшить другие и т.д., и т.п. Другое дело: будет ли это лучше, чем текущий антидепрессант? Это большая наука. Можно туда вмешиваться, а можно не вмешиваться. Я, конечно, на данный момент стою за то, чтобы туда пока ещё не вмешиваться. Объясню, почему: у нас есть более важные вызовы – такие, как рак, кардиоваскулярные заболевания, метаболитические заболевания. Я очень часто все эти названия говорю, однако же, нам очень хочется побороть именно их. Я понимаю, что стресс, на самом деле, является базой ко всем этим заболеваниям. Так или иначе, особенно метаболитические заболевания (ожирение и всё прочее) случаются очень часто из-за стресса.[-block-] – Есть специальные чипы, которые интегрируются под сетчатку и будут детектировать свет – и, собственно говоря, передавать его дальше на нейроны таким образом, чтобы они активировались и вызывали визуальные образы. Т.е. это такая имплантированная штуковина, которая позволит человеку видеть. Подобные образцы уже есть, они прошли клинические испытания. Люди пытаются носить это. Пока что это очень плохо работает. Я объясню, почему: один из компонентов заключается в том, что этот чип должен передавать сигнал на биполярные клетки в сетчатке, которые дальше передают сигнал на ганглионарные клетки. На самом деле, когда у вас уже сформирована сетчатка, эта штука плохо работает. Потому что сетчатка в процессе развития, когда у вас глаз формируется, учится. Она учится распознавать окружающую среду. Там есть простая математика. Предобработка зрения, визуальных образов уже происходит в сетчатке. Потом информация, уже предобработанная, отправляется в визуальные центры мозга. Именно эта предобработка – т.е. если вы просто имплантируете какую-то штуковину под сетчатку, это будет несоответствие (mismatch). Она должна коэволюционировать – кообразоваться. Если будет возможно, на самом деле, это, так или иначе, уже становится очевидным, если мы сможем имплантировать чипы, дать возможность этим клеткам быть более подвижными. А что в данном случае значит «быть более подвижными»? Мы должны эти клетки туда подсадить на более ранних стадиях. Т.е. на стадии предшественников, чтобы они дифференцировались и сформировали нужные контакты – и обучились непосредственно на месте. Т.е. чтобы ваша сетчатка научилась работать, слагать, вычитать и видеть эти образы. Вот это уже конкретный пример того, что напрашивается и будет происходить. И это не фантастика.