Рост исследований в области синтетической биологии стал возможен благодаря использованию достижений молекулярной биологии и генной инженерии с опытом других отраслей биологии, а также химических и физических наук. Вычислительные мощности, более совершенное программное обеспечение для машинного обучения и анализа изображений и данных, и даже 3D-печать - все это вносит ключевой вклад в развитие синтетической биотехнологии.

CRISPR-Cas9

Несколько лет назад я участвовал в совещании по новым технологиям в Центре новой американской безопасности в центре Вашингтона, округ Колумбия. Центр - это общественно-политический институт, известный как "мозговой центр", специализирующийся на вопросах национальной безопасности. Среди присутствующих был Роберт Ворк, который недавно покинул пост заместителя министра обороны. Мы с Бобом знакомы уже несколько десятилетий, и я был рад оказаться напротив него за столом переговоров.

Во время вступительной дискуссии обсуждались уже знакомые технологии, такие как направленная энергия, гиперзвуковые двигатели и робототехника. Затем разговор перешел к тому, что называется "CRISPR".

Я понятия не имел, что такое CRISPR.

Глядя через стол, я видел, как Боб понимающе кивал, когда коллега говорил о своих опасениях, что CRISPR может стать "переломным моментом" в решении проблем безопасности, стоящих перед Соединенными Штатами. Боб согласился, отметив, что этот вопрос привлек внимание на самом высоком уровне администрации Обамы.

Мой подход в таких ситуациях, когда я совершенно не понимаю, что происходит, заключается в том, чтобы внимательно слушать разговор в надежде, что в конце концов он расскажет о том, что обсуждается в понятных мне терминах.

Не повезло.

После того, что показалось вечностью - вероятно, пять минут или около того - я наклонился к Бобу и спросил, sotto voce, "Боб, что такое CRISPR?".

"Редактирование генов!" - прошептал он в ответ. "Это техника редактирования генов, которая революционизирует биологические науки".

Было ясно, что мне предстоит серьезная домашняя работа.

Боб, как это почти всегда бывает, оказался прав. Перспективы разрушительных достижений в области синтетической биологии получили серьезный толчок после открытия нового метода редактирования генов, основанного на молекуле CRISPR-Cas9 или просто CRISPR. CRISPR расшифровывается как Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats. Это уникальные последовательности ДНК, встречающиеся у некоторых бактерий и других микроорганизмов. Эти последовательности, а также расположенные рядом с ними гены, называемые "CRISPR-ассоциированными" (или "Cas") генами, образуют иммунную систему, которая защищает от вирусов и других форм инфекционной ДНК.

Система CRISPR идентифицирует, разрезает и удаляет ДНК. Наиболее изученная система CRISPR связана с белком Cas9, отсюда "CRISPR-Cas9". В 2012 и 2013 годах исследователи начали модифицировать CRISPR-Cas9 и использовать его для редактирования геномов растений, животных и микроорганизмов. (Геном - это весь набор ДНК организма, включающий все его гены). CRISPR представляет собой значительное улучшение по сравнению с другими подобными технологиями по простоте использования, скорости, эффективности и стоимости. Он работает путем объединения фермента (Cas9, нуклеаза), который разрезает ДНК, с направляющей частью генетического материала - направляющей РНК (рибонуклеиновая кислота) - для определения места в геноме. Направляющая РНК нацеливается и связывается с определенной последовательностью ДНК, а присоединенный фермент Cas9 разрывает ДНК в этом месте. После этого разрез может быть использован для вставки, удаления или иного редактирования последовательности ДНК. Затем разрез закрывается, и изменения остаются на месте. Можно изготовить направляющую РНК, соответствующую практически любой последовательности в геноме организма, включая геном микроорганизма, животного или растения.

Эти характеристики заставили журнал Science назвать CRISPR-Cas9 "Прорывом года" в 2015 году. Если использовать аналогию с обработкой текста, то переход к CRISPR напоминает переход от использования электрической пишущей машинки, где неправильно написанное слово исправлялось с помощью жидкости (Wite-Out) или ленты для зачеркивания неправильных букв, к современным персональным компьютерам, где этот процесс выполняется быстро и точно с помощью команд "вырезать" и "вставить". Благодаря этим преимуществам многие эксперты в области бионаук пришли к выводу, что CRISPR-Cas9 может обеспечить значительные успехи в профилактике, лечении и излечении широкого спектра заболеваний и других вредных медицинских состояний, а также существенную экономию средств.

CRISPR-Cas9 способствовал прорыву в исследованиях по генному приводу, позволяя вставлять модифицированный ген и компоненты генного привода гораздо точнее, чем это было возможно при использовании предыдущих методов. Генный привод - это способ изменения наследственности с целью повышения вероятности передачи измененного гена последующим поколениям. Потомство наследует от родителей по одной копии каждого гена, что ограничивает количество мутаций. Компоненты генного привода позволяют генетически модифицированной ДНК копировать себя в ДНК немодифицированного родителя, что приводит к увеличению предпочитаемого специфического признака от одного поколения к другому. Со временем это изменение может распространиться по всей популяции.

Таким образом, в сочетании с другими методами геномной инженерии, CRISPR открывает беспрецедентные возможности для повышения продуктивности сельского хозяйства и улучшения здоровья человека за счет более эффективной борьбы с вредителями, улучшения питательных свойств и вариаций культур, которые можно успешно выращивать в районах с маргинальным качеством почвы. Теоретически, редактирование генов с помощью CRISPR может привести к искоренению или ограничению передачи заболеваний, например, при использовании против видов комаров, которые распространяют малярию.

Контроль над конкретными генетическими изменениями, вносимыми в растения, открывает принципиально новый метод создания новых сортов растений. Китайские исследователи утверждают, что такие методы позволяют им вывести штамм пшеницы, устойчивый к мучнистой росе, грибковому заболеванию, поражающему широкий спектр растений. CRISPR также помог исследователям изменить гены других культур, таких как апельсины, картофель, рис, сорго, соя и томаты.

Культуры, полученные таким образом, могут включать в себя культуры, модифицированные путем трансгенеза - введения чужеродной ДНК в геном растения, что характеризует большинство коммерческих биотехнологий растений, начиная с 1990-х годов. Большая часть мировых площадей, засеянных генно-инженерными культурами, сегодня приходится на кукурузу, хлопок, сою и канолу. Устойчивость к вредителям и устойчивость к гербицидам являются доминирующими признаками, заложенными в эти культуры. Новые генетические вариации могут быть созданы путем определения точных модификаций последовательности ДНК, которые необходимы в культивируемом сорте, а затем их введения с помощью CRISPR.

Исследователи также используют CRISPR для изменения генов домашнего скота. Одна из попыток направлена на снижение потерь скота от вируса, вызывающего смертельную форму свиного гриппа. В другом случае китайские ученые используют CRISPR в попытке создать свиней, у которых на четверть меньше жира в организме, чем у обычных свиней, чтобы производить более дешевый в выращивании скот.

Последствия

Существуют риски безопасности, связанные с этими новыми биотехнологиями. Они хорошо выражены Франсуазой Бейлис, канадским биоэтиком, и заслуживают подробного цитирования:

Я могу назвать два основных ограничения системы CRISPR-Cas9: первое ограничение - это "пользователь", а второе - "ошибка пользователя". Что касается первого ограничения, есть основания ожидать, что в науке возникнет жесткая конкуренция между исследовательскими группами, коммерческими компаниями и национальными государствами. Эта конкуренция может быть похожа на ту, которая характеризовала космическую гонку и гонку ядерных вооружений 20-го века. . . . Что касается второго ограничения, мы должны опасаться потенциальных последствий внецелевого [непреднамеренного] воздействия, недостаточной специфичности таргетинга, неполного таргетинга и так далее, которые могут иметь разрушительные последствия для пациентов. Здесь стоит вспомнить, что мы понятия не имеем, что делает большая часть человеческого генома. . . . Мы являемся частью очень сложной сетевой системы, границы которой трудно определить. Как бы мы ни старались, экосистема, в которой мы живем, не поддается нашему пониманию или контролю.

Проще говоря, специалисты по биоэтике опасаются, что, спеша первыми воспользоваться преимуществами CRISPR, страны, организации или даже отдельные люди, намеревающиеся использовать эти новые методы для изменения генетического состава населения, могут вызвать вредные последствия - возможно, намеренно.

С точки зрения национальной безопасности, есть опасения, что соперники будут использовать эти методы для усиления своего военного потенциала, например, путем селекции людей со специфическими "улучшениями", например, для создания расы "супервоинов" для удовлетворения требований авторитарного режима, как в сталинской России или гитлеровской Германии, или тех, которые существуют сегодня в таких странах, как Китай и Северная Корея. Руководство Коммунистической партии Китая проявило мало угрызений совести в использовании социальной инженерии для продвижения своей повестки дня, которая вращается вокруг сохранения КПК у власти. Например, китайская компания BGI проводит крупномасштабные исследования генов людей с очень высоким IQ, как сообщается, в рамках усилий по повышению IQ китайского населения. (Это поднимает интересный вопрос относительно военного потенциала объединения "сверхумных" людей с продвинутыми системами искусственного интеллекта).