Читаем Человек редактированный, или Биомедицина будущего онлайн бесплатно
Человек редактированный, или Биомедицина будущего
В 2018 году произошло событие, вызвавшее широкий резонанс в научном сообществе. Китайский ученый Хэ Цзянькуй генетически модифицировал эмбрионы двух девочек-близняшек. В результате такого вмешательства на свет появились дети, невосприимчивые к ВИЧ. Самое главное, что эта генетическая модификация может передаться по наследству, а значит, мы вступили в совершенно новую эпоху - эпоху наследуемого редактирования генома человека. До недавнего времени вмешательство в ДНК человека считалось чем-то из разряда фантастики, но это уже свершившийся факт, и нам остается его принять и понять возможные последствия. В связи с этим сейчас, как никогда раньше, стоит начать разбираться в процессах генетической модификации, и книга профессора Киселёва поможет в этом каждому. Автор подробно расскажет, что такое гены и редактирование генома, как эта технология используется в промышленности и биомедицине, каковы ее перспективы, а также ответит на вопросы: Возможно ли с помощью редактирования генома вылечить самые опасные заболевания? Что такое система CRISPR/Cas9? Насколько этично вмешательство в геном человека? Какой будет биомедицина будущего?
Наука, Образование / Альтернативная медицина / Медицина / Биология / Образование и наукаБолее или менее документированная история человечества не так уж велика и ограничивается парой сотен лет. Но за этот период мир претерпел несколько эпохальных преобразований. Девятнадцатый век называют веком инженерии: появились железные дороги, автомобили с двигателями внутреннего сгорания и фотография, была построена Эйфелева башня. Вхождение в XX век сопровождалось, возможно, самым значительным открытием человечества после колеса — открытием рентгеновского излучения, которое позволило разглядеть не только каждую косточку человеческой пятерни, но и заглянуть внутрь любого вещества, узнать его структуру и атомарное строение, что привело к перевороту в химии и физике, позволило создать новые материалы и полупроводники. Рентгеновское излучение позволило человечеству открыть информационное пространство жизни, разгадать код ДНК, создать технологии генной инженерии. Текущий XXI век предлагает нам принципиально новые возможности использования информации о живой материи для создания новых технологий по принципу живого.
Когда я, еще школьником, размышлял о том, чем бы хотел заняться, я и представить себе не мог, что науки о жизни, и в частности биология, будут играть столь важную роль. Конечно, биология меня привлекала, но было совершенно неинтересно считать тычинки растений или лапки насекомых, но интересно узнать, как это устроено изнутри и почему «работает». Поэтому я выбрал физико-математическое образование, а после окончания института сразу окунулся в мир генной инженерии и молекулярной биологии. Многие истории, описанные в книге, происходили на моих глазах или даже с моим участием, хотя разговор пойдет, возможно, о самой сложной и противоречивой на сегодня технологии геномного редактирования.
Я приглашаю читателей к совместному исследованию и надеюсь, что прочитав эту книгу и пройдя путь от первых открытий ДНК до возможного редактирования генома, вы сможете сделать свой самостоятельный вывод о перспективах развития биомедицины будущего и ее инструментах, а также о возможных открытиях XXI века — века наук о жизни.
Нас окружают явления и системы, кажущиеся нам очевидными, воспринимаемые нами как нечто само собой разумеющееся. Например, наша собственная жизнь. Конечно, мы реагируем на события, которые нас каким-то образом затрагивают, мы совершаем тысячи движений, работаем, учимся, любим, производим на свет детей и растим их, испытываем радость и страх, наслаждение и боль, строим планы на будущее и печалимся о прошедшем. Но под покровом повседневных действий, чувств и ощущений тихо и незаметно внутри нас протекает та самая биологическая жизнь — жизнь клеток и генов, тканей и органов, которая объединяет человека со всей живой природой. Таинственная жизнь, знания о которой ученым приходится добывать по крупицам...
Ну, идет и идет... Зачем о ней думать? Ведь наш организм сам знает, что ему делать, а если что-то пошло не так, всегда можно обратиться к врачу. Большинство из нас, окончив школу, благополучно забывают даже основы жизни, элементарный курс школьной биологии, и потому многих пугает, например, аббревиатура «ГМО», за которой прячется пара десятков Нобелевских премий, лекарственное и пищевое изобилие современного развитого мира. Примерно такую же реакцию вызывает слово «клонирование», которое обрело свою уже третью жизнь после рождения первого в мире клонированного млекопитающего — овечки Долли.
И только когда биология внезапно врывается в нашу жизнь, нарушая ее спокойное течение какой-нибудь смертельной опасностью или уникальным достижением, человечество вдруг понимает, что хотя его сегодняшние знания о таинственных основах жизни еще весьма скромны, именно сейчас открываются огромные перспективы дальнейшего развития биологических наук. Именно сейчас.
Эта книга пишется в тот самый год[1], когда человечество (или, как минимум, треть его) включила в свой повседневный лексикон такие слова и их сочетания, как «вирус», «пандемия», «карантин», «пневмония», «цитокиновый шторм», «искусственная вентиляция легких» (или ИВЛ), «полимеразная цепная реакция» (или ПЦР), «антитела»... Еще недавно подавляющее большинство из нас не слышали об этом даже при посещении врача, а теперь в любом переходе метро стоят санитайзеры для рук, возле касс магазинов нам предлагают маски, в транспорте призывают соблюдать социальную дистанцию, мы регулярно сдаем тесты на ПЦР или на антитела. До недавнего времени основная часть общества была далека от любых биологических и медицинских терминов, но теперь лицом к лицу столкнулась с новым вирусом человека, а по большому счету — с новым проявлением живой природы.
Конечно, вирусы, какими бы они ни были, приходят не в первый и не в последний раз. За минувшую сотню лет мы неплохо изучили ранее появившиеся вирусы, научились с ними работать, манипулировать ими, переставлять различные их части (в этой книге мы будем много говорить о вирусах). Однако к приходу и массовому вторжению в организмы людей такого объекта, как новый коронавирус (названный Всемирной организацией здравоохранения SARS-CoV-2 — от англ. Severe Acute Respiratory Syndrome-related Coronavirus 2, то есть связанный с тяжелым острым респираторным синдромом коронавирус 2), вызывающий болезнь под названием COVID-19, которая по своим тяжелым последствиям хотя и значительно уступает печально знаменитой «испанке», человечество оказалось совершенно не готовым. Состояние, в которое погрузился мир под ударом пандемии COVID-19, иначе как потрясением не назовешь.
Но как мы уже сказали, уникальные достижения в биологии порой влияют на человечество не меньше, чем катастрофические пандемии. Несколько лет назад произошло событие, вызвавшее в научном мире настоящую панику. О его важности можно судить хотя бы по тому, что оно освещалось едва ли не всеми мировыми средствами массовой информации, теме этого события были посвящены многочисленные заседания Организации Объединенных Наций и Всемирной организации здравоохранения, а научные сообщества всех развитых стран еще долго после этого пребывали в состоянии шока. Но самое поразительное в том, что неописуемое волнение, в которое пришел весь мир, было вызвано всего лишь докладом одного человека на небольшом научном симпозиуме!
Я думаю, дело здесь не только в уникальности открытия, о котором мы сейчас расскажем. Общество просто не ожидало, что «фантастическое будущее», над которым работало большое количество специалистов в лабораториях, внезапно оказалось «настоящим», поставив перед людьми массу сложнейших проблем, в том числе этических. А генетика, давно уже поражавшая человечество своими достижениями, теперь стала признанным лидером биологической науки и главной надеждой медицины будущего.
Возмутителем спокойствия оказался китайский ученый Хэ Цзянькуй. Двадцать пятого ноября 2018 года, накануне 2-го Международного саммита по редактированию генома человека, проходившего в Гонконгском университете, ученый заявил, что он генетически модифицировал с помощью технологий редактирования генома двух недавно рожденных девочек-близняшек, Лулу и Нана (их настоящие имена тщательно скрываются). Предполагалось, что в результате этого вмешательства девочки должны стать невосприимчивыми к вирусу иммунодефицита человека (ВИЧ), который был у их родителей. Но главное, что эту генетическую модификацию они смогут передать по наследству своим детям, те — своим, и так будет продолжаться до тех пор, пока в каком-то поколении наследственная передача модифицированного гена не прекратится.
Конечно, эксперименты с генетической модификацией человека проводились и раньше, но мировое сообщество было потрясено тем, что впервые генетическому редактированию подверглись так называемые клетки зародышевого (полового) пути человека — поколение клеток, которое предшествует гаметам, или половым клеткам (яйцеклетки и сперматозоиды). При слиянии половых клеток образуется эмбрион, а из него уже развивается новый организм. Ранее никаких сознательных вмешательств в эти клетки не осуществлялось, потому что генетические модификации этих клеток передаются по наследству. Это значит, что любая ошибка экспериментатора скажется не только на том человеке, который разовьется из «отредактированного» эмбриона, но и на его потомках! А если мы не знаем, какие цели преследует экспериментатор? В общем, реакцию мирового научного сообщества можно было предугадать и заранее, тем более что автором уникального эксперимента оказался не американский, а китайский биолог.
Надо сказать, что Китай тоже официально не поддержал своего ученого, и с этим связана почти детективная история. По договоренности между организаторами — академиями наук США, Китая и Королевским научным обществом Великобритании — 2-й Международный саммит по редактированию генома человека должен был проходить в Китае, и активная подготовка к мероприятию была уже в самом разгаре. Однако в последний момент Китай по неясным причинам (официально из-за отсутствия финансирования) отказался от проведения этой встречи на своей территории. Но поскольку регион был определен заранее и многие участники даже приобрели билеты, организаторам показалось разумным перенести саммит в Гонконг. Будучи формально частью Китая, Гонконг еще обладал значительной автономией — был как бы «не совсем Китаем». Наверное, власти Китая предполагали, что Хэ Цзянькуй может рассказать о своем эксперименте, и реакция мировой общественности будет предсказуемо негативной, поэтому сделали все возможное, чтобы и об открытии сообщить, и возможные обвинения в соучастии с себя снять.
Сегодня мы знаем, что после выступления на саммите судьба китайского ученого сложилась достаточно печально (хотя, возможно, ему еще повезло, ведь в прессе появлялись сообщения о том, что ученому грозит смертная казнь). Пострадал и проект: Хэ Цзянькуй не получил признания и результаты его работы не были опубликованы в научных изданиях. Многие детали эксперимента китайского ученого остаются не очень ясными. Однако не вызывает сомнений, что девочки-двойняшки с отредактированным геномом, который будет передаваться по наследству, действительно были рождены, — ученый представил этому достаточные доказательства.
Как бы мы ни относились к экспериментам по редактированию генома человека, в том числе и на уровне клеток зародышевого пути, остановить развитие технологий не удастся. Своим достижением Хэ Цзянькуй задал высокую планку, и теперь исследователям все равно придется решать возникшие научные и технические проблемы, а обществу — этические, связанные с откровенным вмешательством в человеческую природу. До какой степени это оправданно?
В этой книге мы попытаемся разобраться и понять, что такое редактирование генома, каким образом оно осуществляется, чем отличается от существующих генно-инженерных манипуляций, как может использоваться и уже используется сегодня на практике, в том числе для целей биомедицины.
Однако прежде чем говорить о геномном редактировании, мы рассмотрим основополагающие понятия генетики и научные факты, которые лежат в основе современных представлений об устройстве и работе генома, обсудим наиболее впечатляющие этапы развития методов вмешательства в геном, вплоть до создания геномных редакторов.
Мы постараемся убедиться в том, что все живое существует в едином генетическом пространстве (измерении), иначе не было бы того, что мы обозначаем скупыми буквами ЖИЗНЬ. Потому что с точки зрения биологии именно генетическое измерение дает живым существам возможность передать информацию по наследству!
И конечно же, мы подробно обсудим историю китайского ученого Хэ Цзянькуя и его уникальный эксперимент. Мы порассуждаем о перспективах биомедицины, о том, какие преимущества дает она в поисках новых средств борьбы с тяжелыми и опасными заболеваниями, и с какими проблемами (не только технологическими, хотя их немало) сталкивается человечество, желая генетическими методами усовершенствовать самое себя.
Все мы когда-то «проходили» биологию в школе, однако с тех пор многое изменилось: во-первых, кое-что забылось за давностью лет, а во-вторых, биологическая наука в целом и генетика в частности (раздел биологии, который изучает наследственность организмов и устройство материальных носителей наследственности, так называемых генов) переживают стремительный взлет. Сегодня уже невозможно говорить о современной биологии, не понимая, что значит наследование, зародышевый путь, генетическая мутация, генетические изменения, геномное редактирование. Как мы увидим далее, здесь не просто каждое слово, а каждая буква имеет свой смысл, — и начать нам придется «с азов», то есть вернуться назад, к школьной программе, чтобы освежить свои знания. Только проделаем мы это немножко на другом уровне — соответствующем тому, что уже открыла и освоила современная наука в плане передачи наследственной информации, возможности ее контроля и изменения.
Мы помним, что тело (или, по-научному, сома — от др.-греч.
Если мы извлечем ДНК (это полимерная молекула) из всех хромосом, содержащихся в одной человеческой клетке, — их там сорок шесть штук, или двадцать три пары, — и приставим все эти «кусочки» один к другому, чтобы они вытянулись в одну нить, то суммарная длина всех молекул ДНК в одной клетке человека составит примерно два метра при толщине всего в два нанометра! Но как же они помещаются в ядре, размеры которого обычно измеряются микронами? Природа решила сложную задачу по компактизации молекулы ДНК.
Рис. 1. В ходе компактизации ДНК ее объем уменьшается в семь тысяч раз
