Человек редактированный, или Биомедицина будущего

Союз науки и бизнеса

Не секрет, что в современном мире открытия редко совершаются учеными-одиночками. Обычно над любой серьезной проблемой работают коллективы исследователей, порой одновременно в разных странах, и всякий раз Нобелевский комитет сталкивается с весьма сложной задачей — как выбрать наиболее достойных. Здесь действует принцип, четко обозначенный в завещании самого Альфреда Нобеля. Суть его в том, что Нобелевская премия дается не за научное открытие как таковое, а присуждается тем ученым, кто «в течение предыдущего года сделал научные открытия, которые принесут наибольшую пользу человечеству».

Лауреаты Нобелевской премии 2020 года по химии Дженнифер Дудна и Эмманюэль Шарпантье как раз и оказались теми учеными, которые за минувший год внесли наибольший вклад не только в открытие иммунной системы бактерий, но и в применение этого открытия, на основе которого была разработана технология для улучшения жизни и здоровья человека. К тому же новая технология, получившая название «система CRISPR/Cas9», позволяет сделать точное побуквенное геномное редактирование за считаные дни и недели, а не за месяцы и годы, как это было в ранее созданных системах геномного редактирования, что существенно экономит время и деньги для новых исследований.

Однако никакие открытия ученых сами по себе не могут принести заметную пользу человечеству — на их основе надо создать технологии, которые будут востребованы. Если научные исследования обычно финансируются государством, то технологиями чаще всего владеет бизнес, который может быть заинтересован в их внедрении. И он же получает от этого внедрения основной доход. Каждое небольшое научное достижение, даже каждый, грубо говоря, «научный чих» можно каким-то образом попытаться превратить в товар. А система CRISPR/Cas9 бактерий — это действительно выдающееся научное открытие, на основе которого можно теперь создать технологию и получить конечные продукты. Но для того чтобы не было конкурентов, необходимо получить исключительные права на использование системы CRISPR/Cas9 для разработок, прежде всего путем патентования тех возможных областей, где ее можно использовать. Какие это области — уже понятно, поскольку новый инструмент генной инженерии позволяет работать с генами не в пробирке, как это было с середины 1970-х годов, а непосредственно в живой клетке.

Сразу скажу, что почти всеми патентами на применение системы CRISPR/Cas9 владеют нобелевские лауреаты Дженнифер Дудна и Эмманюэль Шарпантье, кто-то из их ближайших коллег и те компании, в которые они входят. А владение всеми патентами на использование системы означает, что за любое коммерческое применение геномного редактирования с помощью CRISPR/Cas9 необходимо платить владельцам патентов или их компаниям. К счастью для мировой науки, патент закрывает только возможность коммерческого использования научного достижения, но никак не ограничивает его дальнейшее применение в научных изысканиях.

Научные исследования могут проводиться без всяких ограничений.

Важнейшие области коммерческого применения системы CRISPR/Cas9 владельцы патентов видят в сельском хозяйстве (растениеводстве и животноводстве) и в индустриальной биологии, направленной на получение более высокоэффективных источников биотоплива и создание новых типов микроорганизмов, способных уничтожать те или иные отходы. Это исключительно важное направление, потому что запасы органических веществ, используемых нами сегодня (и прежде всего нефти и газа), имеют очень длительный цикл восстановления, измеряемый миллионами лет. Человечеству нужно органическое топливо, которое бы очень быстро восстанавливалось. При этом население Земли производит сегодня немыслимое количество различных отходов, которые могут даже без каких-либо аварий, просто в результате скученности, в которой живут миллиарды людей, привести к экологической катастрофе. Поэтому получение каких-то микроорганизмов, которые могут исключительно быстро, а главное, безопасно уничтожать те или иные продукты жизнедеятельности человека, тоже представляет для нас огромную важность.

Однако существует гораздо более обширная сфера применения системы CRISPR/Cas9, которая сегодня составляет семьдесят—восемьдесят процентов рынка как по своей направленности, так и по финансовым вложениям. Это медицина.

Возможное биомедицинское применение быстрой и эффективной технологии геномного редактирования изменило отношение к части редких, но смертельных заболеваний. Люди и не предполагали, что от некоторых недугов в принципе можно избавиться.

Есть неизлечимые болезни, с летальным исходом, вызванные врожденной заменой всего лишь одной буквы генетического текста в определенном гене. К ним относятся бета-гемо-талассемия — очень тяжелое заболевание крови, мелкоклеточная анемия, муковисцидоз, мышечная дистрофия Дюшенна и т. д.

Теперь появилась возможность обратить внимание на редкие генетические заболевания и попытаться лечить те из них, которые до появления революционной системы CRISPR/Cas9 были неизлечимы. Это реальный переворот в медицине, однако права на использование системы принадлежат всего лишь нескольким компаниям. Основные финансовые рынки потребления биомедицинских продуктов находятся в США и объединенной Европе, поэтому, скорее всего, коммерческое использование CRISPR/Cas9 в странах третьего мира не будет преследоваться правообладателями из-за невысоких прибылей. Но для быстро развивающихся стран с практически неограниченным рынком потребления, таких как Китай, эти ограничения могут представлять реальную угрозу, что заставляет страны действовать на опережение.

Однако, как я уже сказал, помимо коммерческого применения CRISPR/Cas9, возможно и другое использование системы геномного редактирования — в научных целях. За него не надо платить правообладателям, но оно тоже открывает совершенно фантастические перспективы.

Заглянем в «кухню»

Чтобы понять, как работает система CRISPR/Cas9 и каким образом ее можно использовать в научных целях, давайте вспомним, что мы уже знаем о ней. Это система распознавания, в которой одноцепочечная направляющая РНК, попадая внутрь клеточного ядра, очень точно распознает короткий фрагмент ДНК (примерно полтора десятка букв генетического текста) по принципу комплементарности. Эта направляющая РНК ассоциирована с белковым комплексом, который называется Cas9 и обладает нуклеазной активностью (нуклеаза — это белок, который может вносить разрывы в цепи ДНК). Направляющая РНК подводит этот белок к совершенно определенной, уникальной последовательности длиной около полутора десятков нуклеотидов, и белок Cas9 вносит в этом месте двухцепочечный разрыв, разделяя таким образом ДНК на два фрагмента.

А если мы попытаемся изменить свойства комплекса? Ученые предложили еще один вариант: хорошо, пусть распознавание происходит с помощью распознающей РНК и комплекса Cas9, но мы внесем в этот белок-нуклеазу определенные мутации, которые полностью устранят нуклеазную активность. Значит, распознавание будет, а разрезания не будет! Зато получится очень точная система позиционирования — не хуже, чем современный смартфон, который, находясь в любой точке мира, определяет свое положение с точностью до двух-трех метров.

Зачем все это нужно? Давайте опять вспомним «наши» биотехнологические достижения и генно-инженерные конструкции. Мы уже синтезировали эту направляющую РНК и умеем делать так, чтобы к ней был прикреплен вот этот мутантный белок Cas9, лишенный нуклеазной активности. А теперь, лиха беда начало, прикрепим к белку Cas9 генно-инженерными методами (один лишний день работы!) известный белок, который либо подавляет работу генов, либо активирует.

Я уже писал, что в геноме есть гены, которые кодируют определенные белки — «кирпичики» для построения клеток, и регуляторная часть — участок, который контролирует работу гена. Но имеются также особые белковые молекулы, например транскрипционные факторы, которые могут активировать работу гена, связываясь с определенными последовательностями генетического текста. Есть и другой тип ДНК-взаимодействующих белков, которые могут совершать обратное действие — снижать уровень экспрессии (проявления работы) гена, репрессировать его. Такие молекулы получили общее название активаторные, или репрессорные, белки. И если мы к нашей сложной конструкции, состоящей из направляющей РНК и мутантного фермента Cas9 без нуклеазной активности, «пришьем» с помощью генной инженерии некий активатор транскрипции гена, то вся конструкция, проникнув в клетку, исключительно точно распознает определенный район именно того гена, который необходимо активировать. А если вместо активаторного белка мы вставим репрессорный, то конструкция подавит работу данного гена. Это исключительно точное направленное воздействие, дающее эффект, с которым сегодня не сравнятся никакие химические молекулы, обладающие сходным действием. К тому же любая синтезированная химическая молекула из-за значительных побочных эффектов будет дополнительно изменять работу многих генов. Правда, надо признать, что у малых химических молекул есть преимущество: они легче проникают в клетку, чем CRISPR/Cas9.

Для чего можно использовать активационную или репрессорную конструкции? Вот реальный пример. В опухолевых клетках активирован целый ряд генов, которые в норме работать в них не должны. Но мы можем постараться подавить их работу за счет того, что доставим в опухолевые клетки конструкцию, которая будет состоять из системы распознавания — направляющей РНК — и инактивированного мутантного фермента Cas9, а также репрессора (подавителя) транскрипции данного конкретного гена. Это один из вариантов инактивации (выключения) ненужных генов, который дает шансы вылечить заболевание, вызванное слишком высоким уровнем экспрессии генов (как это обычно бывает в опухолевых клетках).

Часто случаются и противоположные ситуации, когда в организме отсутствует или недостаточна экспрессия какого-то гена, и это приводит к патологии. В таком случае для регуляции конкретного гена можно подобрать направляющую РНК, которая распознает последовательность именно этого гена, добавить белок Cas9 без нуклеазной активности, генно-инженерным путем присоединить активаторный белок, и тогда мы сможем очень точно и целенаправленно активировать нужный ген.

Серьезно говорить об использовании этих подходов для лечения людей пока еще преждевременно, но вне организма, in vitro, на модельных системах такая возможность сейчас активно изучается.

Наверняка каждый читающий эту книгу слышал о стволовых клетках, но не все знают, что они бывают разными. Они есть и во взрослом организме, и нужны для естественных процессов восстановления тканей, поэтому их называют тканеспецифичными, из них получаются (или, по-научному, дифференцируются) только специализированные клетки определенной ткани, например костной. А поскольку каждый человек развивается из одной-единственной клетки, то стволовые клетки, которые появились в зародыше в самом начале его развития, порождают все многообразие клеток взрослого организма, в том числе и тканеспецифичные стволовые клетки.

Эти ранние зародышевые стволовые клетки называют эмбриональными — по месту их нахождения или плюрипотентными — по их функциональным возможностям. Плюрипотентность (от лат. pluri — много) означает способность дифференцироваться в большое количество разнообразных клеточных типов. Эти клетки уникальны своим потенциалом: из них можно получить клетки и крови, и мозга, и кишечника, и печени, и... еще пару сотен других. Но откуда их взять для взрослого человека, организм которого уже прошел этап эмбрионального развития?

А что, если попробовать использовать для этого обычную соматическую клетку? Ведь в конце концов, геном и у одноклеточного эмбриона, и у стоклеточного зародыша, и у взрослого организма одинаков. Просто для развития и жизнедеятельности организма не нужна работа всех генов во всех клетках одновременно. На ранних стадиях развития сначала работают одни комбинации генов, через пару дней некоторые гены выключаются и включаются другие, еще через неделю возникает новая комбинация и т. д. Если же мы возьмем взрослый организм, то в каждой определенной его клетке на протяжении всей жизни должна работать стабильная комбинация некоторых генов, причем в разных специализированных клетках потребуется активность разных генов, а остальные будут выключены (репрессированы).

Тонким балансом между активностью одних и репрессией других генов как раз и достигается клеточное совершенство — гомеостаз, то есть саморегуляция, направленная на поддержание стабильного состояния. Но что произойдет, если в специализированной клетке взрослого организма активировать те гены, которые нужны на стадии стоклеточного эмбриона, то есть репрограммировать ее — заставить выполнять программу эмбриональной клетки? Для этого можно провести генную терапию. Мы используем вирус, в котором находится нужный ген, по каким-то причинам не работающий в клетке, затем вводим нашу конструкцию в ДНК клетки, и вот — извольте! — в ней начинает работать ген, привнесенный вирусом.

Именно так поступили японские исследователи под руководством Синъя Яманака с клетками мыши, а чуть позже и человека. В 2006 году были опубликованы результаты этого исследования. Ученые применили к клеткам, полученным из взрослого организма, генную терапию четырьмя транскрипционными факторами, которые активно работают на стадии эмбрионального развития. И — о чудо! — эти клетки репрограммировались в эмбриональное состояние плюрипотентности, а эту четверку транскрипционных факторов назвали «магическая четверка» (magic four).

Это значит, что любую клетку нашего организма в лабораторных условиях можно перевести в плюрипотентную стволовую! Представьте, ведь потом из них можно получить любую клетку организма — и это действительно может оказаться прорывом в регенеративной медицине. Я не буду вдаваться в подробности технологии и ее научные основы, скажу лишь, что всего через шесть лет после появления первой статьи Синъя Яманака получил за эту технологию Нобелевскую премию. Такой короткий срок повторяет рекорд Вильгельма Рентгена — первого в мире лауреата Нобелевской премии по физике, который в 1895 году впервые применил свои лучи и получил изображение металлического кольца на ладони, а в 1901 году ему была вручена Нобелевская премия. Только эти два открытия, две технологии, два человека — Вильгельм Рентген и Синъя Яманака — не попали под действие известного правила номинантов: чтобы получить премию, надо жить долго.

Итак, применяя генную терапию для клетки, мы можем изменять ее судьбу, но, к сожалению, не всегда бесследно. Введенные вирусы, гены, дополнительные последовательности ДНК представляют потенциальную, хотя и не очевидную опасность. Однако если точечно активировать «магическую четверку» генов с помощью направленного действия активаторной CRISPR/Cas9-системы, клетка репрограммируется до состояния плюрипотентной стволовой без всякого генетического следа от проведенного воздействия.

При использовании CRISPR/Cas9 исследователи вводят свою генно-инженерную конструкцию прицельно, направляя ее на каждый конкретный ген. Конечно, выбрать его весьма непросто — необходимы большая работа и хорошее понимание процесса. Но зато если мы поймем, какой ген в каждом патологическом процессе является ключевым, и сможем с помощью этой системы на него воздействовать, то подобный подход позволит решить многие медицинские и биологические проблемы. В частности, CRISPR/Cas9 позволяет углубить наши знания об устройстве живой клетки и о тех сложнейших процессах реализации (проявления) генетической информации, которые в ней происходят.

Многие помнят изображение хромосом в школьных учебниках в виде буквы X. Оно очень распространено, хотя надо понимать, что такой вид хромосомы имеют только в момент, когда клетка начинает переходить к процессу деления — митоза. Именно своим перекрестьем они прикрепляются к определенным структурам во время метафазы (стадия митоза) и расходятся по разным клеткам. Они так и называются — метафазные хромосомы. В этот момент они сильно конденсированы, то есть генетический материал в них очень плотно упакован, ведь хромосомы содержат нить ДНК длиной несколько десятков сантиметров, генетическую информацию которой надо поделить между двумя дочерними клетками без потерь.

Сам процесс деления клетки продолжается недолго. Большую часть времени клетка пребывает в интерфазе — состоянии между делениями, когда занимается своей «профессиональной» деятельностью. Длительность интерфазы у клеток разной специализации сильно различается. Например, нейроны находятся в стадии интерфазы практически на протяжении всей жизни организма; можно считать, что они не делятся. А вот активированные лимфоциты будут делиться примерно один раз за промежуток времени от двух до двадцати четырех часов, в зависимости от степени их активации. Им же надо бороться с инфекцией! Именно после встречи с инфекцией они становятся активированными и начинают делиться. В любом случае клетка уделяет значительное время выполнению своих специальных функций, то есть определенная часть генетической информации должна быть постоянно доступна для считывания.

Как вы понимаете, с ДНК, плотно упакованной в крошечных «червячках» метафазных хромосом, сложно считывать информацию. Поэтому хромосомы деконденсируются — молекула ДНК раскручивается и заполняет собой все ядро. Если окрасить каждую хромосому в свой цвет, ядро в этот момент по раскраске будет напоминать трехмерный пазл или очень сложную головоломку — 3D-шар. Различные фрагменты одной хромосомы соседствуют с фрагментами другой, переплетаясь, а некоторые очень отдалены. И это не хаос а стабильно сохраняющееся состояние генетического материала в интерфазе — фазе «профессиональной» деятельности клетки.

На этом этапе клеточного цикла хромосомы занимают хромосомные территории в пространстве ядра. Расположение соседних территорий и определяет закрытость или открытость генетических файлов, то есть комбинаций тех генов, которые должны работать в специализированной клетке, ведь они раскиданы по разным хромосомам (и это правильно: «не клади все яйца в одну корзину»), но работать должны скоординированно. Для этого считывающие транскрипционные комплексы (помните наши ленточные магнитофоны XX века и современные стримеры?) собираются в определенных местах ядра, и необходимые гены располагаются там же, даже если они на разных хромосомах и работают под воздействием одного транскрипционного комплекса, так как находятся в одном определенном месте. Для понимания работы всего генетического аппарата обнаружение активных генов с разных хромосом, находящихся физически в одном месте, имеет огромное значение. Это уже не изучение одного-единственного гена в пробирке, а исследование синхронизированной работы генов в клетке.

Технологии секвенирования нового поколения и современные информационные технологии позволили предсказать такие возможные генетические комплексы. Но, увы, только теоретически. С определенной вероятностью, довольно высокой — девяносто пять, девяносто, восемьдесят пять, восемьдесят процентов, — можно сказать, что эти два, три, четыре, пять... генов действительно находятся рядом и используют одну и ту же транскрипционную машину. Но как это подтвердить на сто процентов? Вот если бы можно было увидеть своими глазами! Оказалось, что можно, и в решении этой проблемы ученым помогли... медузы.

Именно флуоресцентные белки стали использоваться для создания так называемой репортерной системы на основе мутантной системы CRISPR/Cas9. Репортерная система — это, конечно, научный жаргон экспериментальных исследователей. Сегодня у нас слово «репортер» ассоциируется только со средствами массовой информации. В привычном понимании это кто-то, передающий информацию с места событий. Такое же значение это слово приобрело и в современной экспериментальной биологии. Биологическая репортерная система связана со светящимися белками, благодаря которым появляется возможность своими глазами видеть микроскопические события, происходящие внутри клетки. За использование свойств зеленого флуоресцентного белка — GFP (green fluorescent protein), выделенного из медуз, в 2008 году была вручена

Нобелевская премия. Надо отметить, что в справке Нобелевского комитета ни разу не прозвучало сочетание «репортерная система», зато неоднократно использовались такие слова, как «освещает» (illuminate) и «маяк», «бакен», «сигнальный огонь» (beacon). Действительно, если с помощью генной инженерии сделать синтетическую конструкцию, в которой какой-то клеточный белок, например инсулин, составляет единое целое с GFP, то введя ее в клетки или даже в целый организм, мы сможем визуально проследить, как инсулин секретируется клетками и путешествует по организму.

При создании репортерной системы на основе CRISPR/Cas9 используется следующий подход. Берется направляющая РНК, с помощью генной инженерии соединенная с мутантным белком Cas9, который лишен нуклеазной активности (способности разрезать ДНК), к нему «пришивается», как говорят генные инженеры, репортерный флуоресцентный белок. Посветив ультрафиолетом на клетку, в которую введена такая репортерная конструкция, мы увидим ее свет именно там, где направляющая РНК нашла определенный фрагмент ДНК, с которым она связалась. Теперь надо ввести в клетку генетические конструкции с направляющими РНК к тем генам, которые предположительно находятся все вместе в одном районе ядра (колокализуются), причем каждая из генетических конструкций содержит мутантный Cas9 своего цвета. И тогда мы получим возможность своими глазами увидеть в живой клетке, не разрушая ее, в каком именно месте находятся наши гены, использующие один и тот же транскрипционный комплекс. И это не просто игрушка ученых, а важный технологический шаг, потому что очень многие болезни характеризуются как раз нарушением работы генов, но далеко не всегда ясно, какие механизмы при этом задействованы и, соответственно, какие требуются методы для лечения.

Репортерные конструкции предоставляют ученым еще одну необыкновенную возможность: увидеть живую клетку в процессе ее жизнедеятельности. Сегодня получило удивительное развитие такое направление, как прижизненное клеточное кино. Существующая микроскопическая техника позволяет наблюдать живую клетку на протяжении дней и даже недель, но если при этом в нее ввести наши репортерные конструкции, то с их помощью ученые смогут четко определять, каким образом те или иные фрагменты ДНК становятся активными, связываясь с транскрипционными факторами. Система на основе CRISPR и модифицированного Cas позволяет делать это очень эффективно, расширяя наши познания о том, как живет клетка.

В принципе, легко себе представить, что все описанные выше возможности — подавление гена, активация гена, репортерная система, позволяющая определить, как этот ген заработал, и другие — могут быть применены совместно в одной клетке, в одной пробирке, и можно будет наблюдать в режиме реального времени, что при этом происходит, добиваясь нужных результатов. А это значит, что система распознавания на основе направляющей РНК CRISPR и мутантного фермента Cas9 дает огромные дополнительные возможности в науке, причем без значительных временных затрат.

Генетическое модифицирование в сельском хозяйстве

Многие сотни тысяч лет наши древние предки в поисках пищи и более благоприятных климатических условий кочевали по всем континентам Земли, промышляя главным образом собирательством того, что находится на уровне глаз и под ногами. Это части и плоды растений, насекомые и их личинки, прибрежная морская или речная живность, остатки пищи от крупных хищников. Некоторые ученые считают, что древние люди в силу своих ограниченных возможностей были дневными падальщиками, поскольку более сильные хищники охотились ночью, а днем спали. Только палка и камень, взятые в руки, немного уравняли возможности вида Homo erectus и других близких видов с возможностями крупных хищников.

Собирательство было не самым надежным источником пищи, оно требовало постоянных перемещений для освоения новых территорий. Несомненным преимуществом в природе обладают те виды животных, у которых детеныши могут сразу самостоятельно перемещаться вслед за матерью, что обеспечивает и безопасность, и питание. Однако большинству животных необходимы месяцы, пока их детеныши смогут следовать за группой. Это время они проводят в укромном уголке, чтобы матери имели возможность покидать потомство. Наиболее близкие человеку виды приматов минимизировали свой контакт с землей, которая представляет для них опасность, и переселились на ветки деревьев, что обеспечило их пищей и дало возможность относительно спокойно передвигаться с детенышами, вцепившимися в матерей. Увы, относительно слабые предки человека были не способны жить на деревьях и не могли выкапывать безопасные норы с длинными ходами. Такое низкое положение в иерархической лестнице природы заставило их проявлять чудеса наблюдательности, анализа и творчества.

В частности, наши далекие предки обратили внимание на то, что остатки плодов и семена, случайно оставшиеся возле их стоянок, давали всходы. Человек начал их специально высаживать, отбирать самые плодовитые и вкусные. И вскоре люди заметили, что целенаправленное выращивание съедобных растений дает гораздо больший эффект, чем собирательство. Появилась возможность вести оседлый образ жизни, поскольку растительная пища эффективно обновлялась, а животные фактически приходили к этим местам сами. Многовековое наблюдение за растениями позволило человеку из дикорастущих видов выбрать оптимальные по вкусовым качествам, калорийности, урожайности, удобству уборки урожая и возможности хранения виды. Появились сорта растений, которые со временем стали называться культурными.

Такие растения отличались от дикорастущих прежде всего своей плодовитостью, позволяющей с единицы площади получить больше съедобной продукции. Сегодня мы понимаем, что наблюдательные люди по чисто внешним признакам отбирали те растения, в которых произошли какие-то случайные мутации. Они не знали, что мутации бывают разными, что их может происходить несколько, и отбирали не мутацию, а тот колосок, в котором образовалось больше зерен. Вид Homo sapiens sapiens освоил земледелие примерно десять тысяч лет назад; плотность населения была низкая, и окультуренные виды растений могли прокормить человечество. Климатические изменения зачастую приводили к появлению случайных мутаций, которые изменяли свойства растений, а человек продолжал отбирать лучшие. Это было время искусственного отбора и простейшей селекции с помощью скрещивания.

Однако численность населения росла со все возрастающей скоростью: порядка четырехсот миллионов — в X веке, к началу XIX века — уже миллиард, на начало XX века — около двух миллиардов, и на рубеже XIX и XX веков реально возникла проблема недостатка пищи. Земледелие должно было стать более интенсивным, чтобы обеспечить потребности растущего населения Земли. Но уже не было столетий на проведение селекции новых, еще более урожайных сортов — эту роскошь человек не мог себе позволить.

В этот трудный исторический момент сыграла свою роль техническая революция. Научные открытия и последовавшие за ними технологические решения в области физики и химии (в том числе открытие новых химических соединений, химический синтез, открытие радиоактивности, возможность заглянуть внутрь любых молекул) помогли людям научиться влиять на некоторые естественные процессы — по крайней мере, в биологических объектах. Первым вкладом науки в новую технологию земледелия стал в начале XX века радиационный и химический мутагенез. Люди научились искусственно вызывать у растений те же изменения, которые в природе происходили в результате случайных событий биологического характера, а также внешних факторов. Среди них, например, извержение вулкана несколько тысяч лет назад, вызвавшее изменение состава почв, образование и исчезновение озоновых дыр, влияющие на поток ультрафиолета, космическая радиация и т. п.

Благодаря радиационному и химическому мутагенезу можно было не ждать тысячелетиями случайных природных событий, а «вызвать» их при облучении или обработке семян химикатами (комбинаторное воздействие). Это позволяло достаточно быстро получить колоссальный набор вариантов данного растения и выбрать среди них нужный, чтобы сделать его селекционным сортом. Но что происходит при этом на генетическом уровне, никто по-прежнему не знал, а ведь нужны были именно генетические изменения — только они наследуются и сохраняются в ряде поколений. Отбор подходящих мутантных сортов производился по признакам, которые представлялись селекционерам наиболее важными: по внешнему виду, химическому составу, продуктивности, устойчивости — безотносительно к тому, что в действительности происходило внутри растения.

Подобный подход не одно десятилетие служил людям, но их становилось все больше. К середине XX века численность населения планеты составляла уже три миллиарда. И опять перестало хватать еды!

Во второй половине XX века человечество уже знало, что радиация и химическая обработка влияют на гены, от мутаций которых изменяются свойства растений. Многое стало известно о том, какие гены работают в живых организмах и какие функции они выполняют. В 1970 году была вручена Нобелевская премия за доказательство возможности переноса генов между видами, и всего через несколько лет появился рекомбинантный инсулин человека: его производят бактерии кишечной палочки E.coli, в которые введен ген инсулина человека.

А почему бы не сделать то же самое с растением и не перенести на него полезные свойства других организмов? Например, это может быть свойство устойчивости к инфекциям. Из биологии мы знаем, что существуют гены резистентности. Почему одни растения устойчивы к какой-то инфекции, а другие нет? Потому что в них нет генов резистентности. Но можно ввести ген резистентности другого растения в культурное растение, чтобы защитить его.

Технологии генетической модификации растений работают исключительно направленно и тщательно просчитаны. Уже не надо ждать десятилетия, как ждали наши предки, или произвольно и бездумно менять геном, как делали еще полвека назад. С 1980-х годов воздействие на гены растений производится только целевым образом, чтобы получить необходимые признаки. Создавая генетически модифицированные растения, генные инженеры заранее знают, какой нужен результат, поэтому воздействие осуществляется на конкретные, вполне определенные гены. Это принципиально отличает современные технологии от слепого поиска, свойственного прошлым тысячелетиям. По своей технологии генетическая модификация растений не отличается от создания рекомбинантных микроорганизмов или генной терапии человека. Здесь тоже имеется клетка и есть генетическая конструкция, которая должна проникнуть в эту клетку и встроиться в ее геном. Для этого используют, как и в случае с генной терапией человека, вирусы растений или другие способы доставки. А после того как генетическая конструкция попала внутрь клетки, происходит то, с чего мы начали нашу историю, — генетическая рекомбинация. И в дальнейшем из этой растительной клетки выращивается целое живое растение, семена которого используются для посевов.

И все-таки можно ли считать, что генетическая модификация растений, которая началась в 1980-х годах и в значительной степени используется до сих пор, решает все проблемы? К сожалению, нет. Во-первых, как здесь уже говорилось, воздействие на организм, при котором берется один ген и переносится в геном другого вида, — это технология манипулирования страницами или целыми параграфами генетического текста. Во-вторых, при традиционной генетической модификации множественные генетические изменения требуют последовательных действий: нужно ввести в клетки один ген, вырастить растение, потом из него получить новые клетки, ввести другой ген, и так далее, собирая урожай на каждой стадии.

Но ведь теперь о растениях известно гораздо больше! Мы знаем, какой ген за что отвечает, какие у них есть регуляторные последовательности и многое другое, поэтому сегодняшняя технология побуквенного редактирования генетического текста CRISPR/Cas9 очень важна для земледелия. Она позволяет за короткое время (всего за одну генерацию растения) проделать, в общем, то же самое, что и при генетической модификации, но одновременно с добрым десятком генов, причем изменяя в желаемом направлении каждую букву генетического текста. Теперь это можно делать сразу, не тратя лишние годы.

В качестве примера можно привести одну из работ, выполненных в Китае, публикация о которой появилась в 2018 году. Менее чем за год китайские ученые создали новый сорт риса с продуктивностью, повышенной на тридцать процентов. При этом генетические манипуляции с одиночными буквами генетического текста (а их количество даже больше, чем у человека) не требовали внесения генов других организмов, всего лишь изменение своего. Это кажется чудом, но на самом деле реализована еще недавно казавшаяся фантастической возможность — получить за короткий срок, всего за год, растение с новыми заданными свойствами. Китайцы ориентировались на продуктивность, но можно менять в нужную сторону и другие свойства растения (того же риса: количество крахмала, содержание тех или иных белков и пр.), причем вносить изменения одновременно во многих генах. Только система CRISPR/Cas9 предоставляет сегодня такую возможность.

Животноводство в плане использования современных методов старается не отставать от земледелия. Если раньше сельскохозяйственные животные подвергались отбору и селекции, то почему бы теперь не повысить эффективность получения новых видов с помощью генетических технологий? Конечно, было ясно, что выведение генетически модифицированных животных окажется более трудоемким, чем растений, потому что жизненный цикл коров, коз и т. д. составляет годы. Да и количество оплодотворенных яйцеклеток исчисляется штуками, тогда как семян риса можно взять мешок. В животноводстве нужен индивидуальный подход.

Тем не менее успехи в создании генетически модифицированных сельскохозяйственных животных и птицы несомненны:

• с использованием технологии геномного редактирования выведены гипоаллергенные куры-несушки с удаленными генами овальбумина (альбумина куриного яйца) — белка, который вызывает у многих людей аллергию на яйца, снижая коммерческий спрос на них;

• несколькими группами исследователей получены козы, в том числе кашмирской породы, с улучшенными качествами шерсти;

• благодаря использованию технологии геномного редактирования выведена порода безрогих коров.

Наверное, история с выведением безрогих (комолых) коров наиболее интересна. Казалось бы, зачем они нужны? Но на самом деле это весьма актуально. Во-первых, несколько десятков тысяч человек в год страдают от повреждений и травм, которые наносят им коровы своими рогами. Для этого животное даже не надо дразнить, просто случайно тряхнет головой, заденет рогом — и травма. Во-вторых, коров транспортируют с ферм до места их забоя автомобильным или железнодорожным транспортом. Чтобы животные случайно не нанесли себе повреждения во время транспортировки, их не загружают очень плотно. И последнее: рога не позволяют эффективно использовать пространство при кормежке животных. Совокупно наличие рогов выливается в кругленькую сумму, и поэтому некоторые фермеры удаляют их у своих коров в раннем возрасте или проводят генетическое тестирование стада на появление безрогих животных. А такое возможно, так как в природе иногда рождаются комолые особи из-за мутации — потери примерно двухсот нуклеотидов в гене безрогости (Polled).

Много лет селекционеры, работающие в области животноводства, пытались совместить признак безрогости с обилием мяса или молока, но из этого скрещивания ничего хорошего не получалось: или признак был нестабильным, или уменьшал полезные качества животного.

Но зато, используя такой метод, как редактирование генома с помощью технологии TALEN (см. главу 4: «Конструкции TALEN»), это удалось сделать очень быстро в 2016 году. В течение короткого времени генные инженеры сумели получить двух безрогих быков-производителей, удалив у них те самые двести букв генетического текста в гене Polled. От одного быка было получено потомство из шести быков-производителей, два из которых стали основой для получения стада безрогих коров.

Казалось бы, все идет хорошо, но производство и потребление качественных продуктов питания контролируется государством. Например, за безопасность пищевых продуктов и лекарств, продаваемых на территории США, отвечает FDA (Food and Drug Administration) — Администрация по продуктам питания и лекарственным средствам. Так вот, эта самая Администрация заявила, что безрогую корову (то есть, конечно, не саму корову, а ее мясо или молоко) на пищевой рынок не пропустит, потому что над ней были совершены определенные действия, были внесены определенные генетические модификации, и ее мясо или молоко должны пройти всяческие тестирования, чтобы убедиться в их безвредности.

Парадокс заключается в том, что если продуктами животноводства занимается FDA, то продуктами растительного происхождения ведает USDA (United States Department of Agriculture) — Департамент сельского хозяйства США, который заявил, что не регулирует и не собирается в ближайшем будущем регулировать использование растительных продуктов, полученных с помощью методов редактирования генома. По их мнению, это даже не генетически модифицированные организмы. С 2019 года в США используется растительное масло Calyno из соевых бобов, полученных с помощью геномного редактирования. Оно обладает большими преимуществами: содержит восемьдесят процентов мононенасыщенных жирных кислот и на двадцать процентов меньше насыщенных жирных кислот и вообще не содержит трансжиров. Специалисты компании-производителя считают, что оно в три раза более устойчиво при жарке и хранении, чем любые существующие виды растительных масел сегодня. «На подходе» генно-модифицированный листовой салат, полученный методом редактирования генома, который не гниет.

Сегодня в мире отношение к генетически модифицированным продуктам остается достаточно противоречивым. Можно ли считать исправление одной буквы в геноме чем-то необычным, требующим строгого подхода и разнообразных испытаний или же ничего особенного не произошло?

В Японии в 2018 году регуляторные ведомства решили, что генетически модифицированные продукты, сделанные по традиционной технологии генетической модификации, и такие же продукты, но полученные с помощью побуквенного редактирования генома, — это одно и то же. Они не регулируются никак, но на продукте должна быть отметка, что он произведен с использованием технологии генетической модификации. При этом неважно, растительный это продукт или животный.

Именно в Японии была выведена порода кур, которые несут гипоаллергенные яйца. Сейчас там яйца этих кур продаются без всяких ограничений наряду с обычными яйцами, только на упаковке сделана отметка, что продукт содержит ГМО. Таким образом, Япония избрала легализацию генетически модифицированных продуктов как растительного, так и животного происхождения, то есть пошла по разрешительному пути.

Европейские страны пошли по пути жесткого ограничения генетически модифицированной сельскохозяйственной продукции. В 2019 году Европейская комиссия подтвердила, что продукция с отредактированным геномом — это то же самое, что ГМО, и точно так же регулируется, то есть в основном находится под запретом. Выращивание генетически модифицированных организмов в странах Евросоюза не разрешается, а к применению допущены всего несколько видов (четыре сорта ГМО-кукурузы и по одному — сои, хлопка и рапса), да и то только после проверки на соответствие нормативам Евросоюза.

Но эти запреты введены не потому, что ГМО — это вредная пища, а потому, что Европа ставит защитные барьеры для своих собственных производителей. Европейские страны (и в первую очередь Нидерланды, где наиболее плотно сосредоточены основные европейские сельскохозяйственные мощности) традиционно являются экспортерами высококачественной сельскохозяйственной продукции, в том числе мяса и молока, а главное в сфере сельского хозяйства работает значительная доля населения этих стран. Внедрение ГМО, имеющих значительные преимущества по многим параметрам перед обычными сельскохозяйственными культурами, приведет к сокращению занятости и безработице, и Евросоюз активно этому сопротивляется, выставляя различные запреты генетически модифицированным видам культурных растений и домашних животных.

В России нет законов, которые бы определяли, является ли геномное редактирование одним из видов генетической модификации и относить ли растения и животных с отредактированным геномом к ГМО. Определенным позитивным сдвигом в этой области я считаю указ Президента и постановление Правительства РФ о развитии в России генетических технологий, в том числе геномного редактирования[9]. Первые шаги в этом направлении уже сделаны.

Как мы видим, отношение к вопросам регулирования технологий и применения результатов генетических методов в сельском хозяйстве в разных странах сильно отличается. Не пришли к единому мнению даже специалисты в этой области, и тем более население. Одни люди выступают против геномного редактирования утверждая, что это те же самые генетически модифицированные организмы, ГМО, влияние которых на человека еще нужно долго изучать. Другие считают, что поскольку при геномном редактировании все делается побуквенно, с точностью до одного нуклеотида, то никакая это не генетическая модификация. Лично я считаю, что геномное редактирование — это, конечно же, вмешательство в геном. Да, это не вклейка новых страниц текста или переписывание целых страниц генома, это проведенные с ювелирной точностью замены нескольких нуклеотидов без затрагивания других фрагментов текста. Но если мы все-таки искусственным путем, с помощью наших умов и рук меняем геном, пусть даже на одну букву, то создаем генетически модифицированный организм, хотя он и может полностью повторять то, что встречается в природе, как, например, безрогая корова.

Но давайте все-таки посмотрим, почему на протяжении многих лет люди не могли достичь того же самого результата посредством селекции, скрещивания. Видимо, в природе подобный процесс заблокирован. Мы еще не знаем, не понимаем, почему возник этот блок и насколько он важен для коровы и для нас. Ясно лишь, что природа усложнила выведение таких коров человеком с помощью естественного процесса. Возможно, он как-то противоречит природе, или эволюции, или существованию этих коров в принципе. Но если объективно подходить к тому, что было сделано с коровами, то мы должны признать: да, это генетически модифицированные организмы, ГМО. А дальше нужно, как совершенно правильно сделали японцы, просто отметить на табличке, что данная продукция содержит генетически модифицированный организм. И всё.

Завершая разговор о применении геномного редактирования в сельском хозяйстве, надо отметить, что благодаря генным технологиям производство продуктов питания очень сильно возросло. Наряду с вакцинами и устранением страшных эпидемических заболеваний начала XX века изобилие продуктов позволило увеличить продолжительность жизни человека лет на тридцать. Раньше из-за голода умирало не меньше людей, чем от инфекционных заболеваний. Голод в пределах стран и континентов наступал по разным причинам: из-за засух, природных и социальных катаклизмов и т. д. До сих пор на Африканском континенте, куда техническая революция еще не пришла, очень часто бывает голод в связи с засухой. Эта беда веками преследовала и Россию, и Европу. Но сегодня, благодаря интенсивному сельскому хозяйству и ГМО, уже половина населения Земли (которое в целом насчитывает порядка семи с половиной миллиардов человек) имеет пищевое изобилие.