Александр Панчин - Сумма биотехнологии. Руководство по борьбе с мифами о генетической модификации растений, животных и людей
Ученые взяли и приделали одиночный белок FokI к модифицированному белку Casy, который из-за внесенной в него мутации вовсе лишен способности разрезать ДНК, но по-прежнему может ее узнавать при помощи направляющей РНК. С помощью одной направляющей РНК гибридный белок Casy-FokI узнает один участок ДНК, но не может его разрезать (ни одну цепочку). С помощью другой направляющей РНК он может узнать второй участок ДНК, но тоже не может его разрезать. Но если два гибридных белка Casy-FokI окажутся рядом, узнав два соседних участка ДНК (расположенных на строго определенном расстоянии), белки FokI образуют “супербелок” и могут разрезать ДНК. Преимуществ у подхода два: мы больше не вносим лишние одноцепочечные разрезы в ДНК и одновременно фиксируем расстояние, на котором должны находиться два участка ДНК, узнаваемые Casy и направляющими РНК. С другой стороны, это несколько ограничивает применимость метода – не любой участок ДНК содержит сайт, который может разрезать FokI.
Создание новых способов редактирования генома – одна из самых бурно развивающихся областей современных биотехнологий. Вполне возможно, что к моменту издания этой книги многие из описанных методов уже устареют, а им на замену придут новые, еще более точные и надежные подходы. Например, пока я писал эту главу, ученые из Гарварда опубликовали статью про новую мутантную форму белка Casy, в 25 раз более специфичную, чем та, что была обнаружена в природе у бактерий324. Кроме того, было найдено вещество, увеличивающее эффективность редактирования генома с помощью Casy в 17 раз325. Аналогично были обнаружены гены, временно выключая которые с помощью РНК-интерференции, удается повышать эффективность редактирования генома в 8 раз326. Последние два подхода направлены на то, чтобы заставить клетки исправлять сделанные с помощью Casy разрезы в ДНК именно через рекомбинацию (с похожей молекулой ДНК), а не через простое сшивание молекул в месте разреза. Еще две группы ученых получили мутантный белок Casy, который редактирует ДНК только после активации светом327, 328.
Еще одна группа исследователей показала, что с помощью CRISPR-системы можно получать генетически модифицированные сперматозоиды крыс, а значит, менять геномы животных, не затрагивая эмбрионы329. Вполне вероятно, что первые генетически модифицированные люди получатся благодаря использованию этого подхода. Надеюсь, что общество не будет выступать против опытов с ГМ спермой, как выступает сейчас против генной инженерии эмбрионов. Если и сперматозоиды приравнять к взрослым людям, то придется обвинить каждого половозрелого мужчину в регулярном геноциде. А некоторых их сообщниц – в каннибализме.
С точки зрения маркетинга метод CRISPR/Casy имеет любопытное преимущество по сравнению с другими методами генной инженерии. Помните, мы обсуждали разницу между мочевиной и карбамидом в восприятии обывателя? А теперь сравните: “продукт содержит ГМО” и “продукт улучшен с использованием белков природного бактериального иммунитета молочнокислых бактерий из йогурта”. Второй вариант не только звучит привлекательнее, он и куда информативнее!
Итак, мы научились менять гены живых организмов, но понимаем ли мы устройство геномов живых существ настолько хорошо, чтобы создавать их с нуля? Здесь мы возвращаемся к возможности синтезировать любую молекулу ДНК заданной нуклеотидной последовательности в пробирке. В 2010 году ученый Крейг Вентер, которого мы уже упоминали в связи с его успешным проектом по чтению генома человека и оригинальной идеей прочитать “геном” Саргассового моря, объявил на страницах журнала Science, что его команда создала клетку с синтетической ДНК330. Новость моментально разлетелась по всему миру, а журнал Newsweek разместил на своей обложке фотографию Вентера с заголовком Playing God (“Играя в Бога”).
Синтетическая ДНК ничем не отличается от обычной, кроме своего происхождения. Ее не скопировала с уже готовой цепочки ДНК-полимераза. Вместо этого использовался химический синтез – последовательное соединение нуклеотидов в пробирке. Выстраивая цепочку ДНК мономер за мономером, можно синтезировать фрагменты длиной до тысячи нуклеотидов. Такие фрагменты можно сшить друг с другом, например с помощью ДНК-лигаз.
Но сначала Вентер и его команда спроектировали будущий геном на компьютере. Речь шла о создании бактерии под названием Mycoplasma laboratorium (микоплазма лабораторная), и в основу ее генома лег геном Mycoplasma geni-talium, паразитической бактерии, обитающей в половых и дыхательных системах приматов. Напомню, что это бактерия с одним из самых маленьких геномов (582970 нуклеотидов).
В геном бактерии были вставлены особые “водяные знаки” в виде зашифрованных нуклеотидами посланий. Среди посланий были цитата знаменитого физика Ричарда Фейнмана (“Я не понимаю того, чего не могу создать”), слова ирландского поэта Джеймса Джойса (“Жить, заблуждаться, падать, торжествовать, воссоздавать жизнь из жизни”) и высказывание, приписываемое американскому физику-теоретику Роберту Оппенгеймеру (“Видеть мир не каким он является, а каким он мог бы быть”). Полученную молекулу ДНК затем перенесли в бактериальную клетку, из которой предварительно вынули ее собственную хромосому.
С первого раза “запустить” жизнь с синтетической хромосомой команде Вентера не удалось. Внесенная ДНК не была защищена метильными группами от действия рестриктаз, находящихся внутри донорской бактериальной клетки. Тогда ученые обработали свою синтетическую ДНК ферментами – метилазами, которые устранили этот недостаток. После этого ДНК успешно перенесли, а полученные бактериальные клетки с новой хромосомой питались, росли и делились330.
Создание организма с синтетической хромосомой обошлось в общей сложности примерно в 40 миллионов долларов. Главный результат проекта – демонстрация принципа, что мы можем синтезировать функциональные молекулы ДНК достаточно большой длины с произвольной нуклеотидной последовательностью. Для практических целей, конечно, можно использовать куда более простые подходы к созданию новых форм жизни и сильно сэкономить. С другой стороны, это не совсем создание синтетической жизни. Нам еще предстоит многое изучить, прежде чем мы сможем проектировать совсем новые организмы, ведь полученная микоплазма – это все-таки обычная микоплазма, просто с весьма необычной историей происхождения.
Создание синтетической ДНК – довольно странный опыт в том смысле, что всем молекулярным биологам и без него было очевидно, что эксперимент удастся. Но этот опыт очень важен для популяризации в широких массах идеи, что ученые действительно неплохо понимают, как работает генетический аппарат клеток.
Как можно зашифровать текстовое послание с помощью молекулы ДНК, легче всего показать на примере арт-проекта “Зарождение" (Genesis) американского художника Эдуарду Каца, деятельность которого находится на стыке между искусством и популяризацией современной науки. Самый известный проект Каца – создание декоративного светящегося кролика (с геном GFP медузы) и светящихся аквариумных рыбок (сегодня их может приобрести любой желающий). Проект Genesis, как и многие другие проекты художника, был посвящен генной инженерии. Кац сделал бактерию, в геноме которой была записана следующая цитата из Книги Бытия на английском языке: Let man have dominion over the fish of the sea and over the fowl of the air and over every living thing that moves upon the earth (“И да владычествует человек над рыбами морскими, и над птицами небесными, и над скотом, и над всею землею, и над всеми гадами, пресмыкающимися по земле”). Сообщение было переведено в азбуку Морзе:
После этого нуклеотидом Т было закодировано “тире”, нуклеотидом C – “точка”, нуклеотидом G – “разделение букв”, нуклеотидом A – “разделение слов”. В итоге получилась следующая последовательность нуклеотидов:
Кац позволил бактериям с такой вставкой немного пожить и накопить мутаций, а затем прочитал этот фрагмент ДНК и перевел мутировавший фрагмент обратно на английский. Вот что у него получилось: Let aan have dominion over the fish of the sea and over the fowl of the air and over every living thing that 10ves ua eon the earth (“И да владычествует хеловек над рыбами морскими, и над птицами небесными, и над скотом, и над всею землею, и над всеми гадами, преснокающимися про земле”). Мы видим, что в этой фразе появились ошибки – еще одна иллюстрация метафоры, что молекула ДНК – это, в сущности, текст, но текст, который может меняться.
Одно из возможных практических применений организмов с “минимальными” синтетическими хромосомами – создание эффективных производителей питательных веществ или биотоплива. Нехватка последнего остро ощущается с давних времен. “Во время Второй мировой войны Германия использовала спирт в качестве топлива для ракет Фау-2”, – рассказывал в своих мемуарах генерал Вальтер Дорнбергер, руководивший ракетно-исследовательским центром в Пенемюнде. Фау-2 создавались под его административным руководством и техническим руководством знаменитого немецко-американского ученого и конструктора ракет Вернера фон Брауна. Алкоголя хватало для медицинских и пищевых целей, но никому даже в голову не приходило, что в промышленных масштабах имеющееся количество спирта ничтожно. Когда Гитлер настаивал на увеличении производства Фау-2, Дорнбергер отвечал: “У нас нет столько спирта”. Возможно, что именно для борьбы с вражескими мощностями по производству спирта, получаемого в значительном количестве из картофеля, Германия разрабатывала во время Второй мировой войны энтомологическое оружие – сбрасываемых с самолетов колорадских жуков (история слишком необычная, чтобы о ней умолчать, но есть вероятность, что это всего лишь легенда).
