Простое начало. Как четыре закона физики формируют живой мир

Мы видоизменяем организмы в рутинном режиме. Мы восстанавливаем сломанные кости, подвязываем молодые деревца к опорам и даем домашнему скоту антибиотики, чтобы животным удавалось вырастать покрупнее. Эти меры влияют на белки, клетки и ткани, а также на включение и выключение генов, но все же не меняют последовательность A, Ц, Г и T в геноме. Недавно у нас появились инструменты, которые позволяют вносить такие правки и переписывать ДНК, меняя сами инструкции по построению компонентов жизни.

Еще с главы 1 мы наблюдаем, что у ДНК и остальных материалов живого организма биологическая функция неотделима от физической формы. Описывая восхитительные инструменты для чтения ДНК, я отметил, что их не удалось бы изобрести, если бы к ДНК не подошли как к физическому объекту, ведь они обязаны разрезать, наращивать, перемещать и отслеживать ДНК, учитывая ее вещественные характеристики и общие принципы самосборки и случайности. Это же относится и к редактированию генов – мы ведь вносим изменения в саму нить ДНК. Здесь, однако, мы работаем с этой молекулой внутри живых клеток, а не в спецаппарате, и потому используем другие подходы. В этой главе мы узнаем, как редактировать ДНК с помощью революционной технологии XXI века, называемой CRISPR/Cas9. Чтобы прочувствовать поразительные уникальность и мощь этого инструмента, имеет смысл рассмотреть вначале методы, предшествовавшие ему и примечательные сами по себе.

Заимствуем у бактерий

Герои этой саги о геномном редактировании – бактерии, способности которых уже не раз поражали нас в предыдущих главах. Многие виды бактерий, как и непритязательную рабочую лошадку E. coli, легко выращивать в огромных количествах в условиях лаборатории. В ведре с теплым питательным бульоном могут плавать триллионы E. coli, которые растут, делятся и производят уйму белков. Эти белки, закодированные в бактериальном геноме, расщепляют сахара, помогают клеткам перемещаться в жидкости, формируют мембраны и так далее. Что, если подарить E. coli человеческий ген, на основе которого она могла бы производить человеческий белок, например инсулин? Бактерия превратилась бы в миниатюрный фармацевтический завод – живой и способный к практически бесконечному самовоспроизводству.

Я не случайно привел в пример инсулин. У людей, страдающих сахарным диабетом I типа, не вырабатывается гормон инсулин, а значит, не регулируется уровень сахара в крови, что приводит к тяжелым нарушениям, порой даже фатальным. С 1920-х годов диабет компенсировали инсулином свиней и коров, который нужно было сложно и дорого очищать¹. Технологии совершенствовались, но даже в 1970-е для получения каких-то 450 граммов гормона требовалось переработать поджелудочные железы более чем 20 тысяч животных. Кроме того, из-за животного происхождения препарата у больных часто случались аллергические реакции. Подобно белкам Sonic hedgehog, с которыми мы встречались в главе 7, последовательности аминокислот в инсулинах человека и других животных очень похожи – похожи достаточно, чтобы выполнять свою функцию, – но все же они не идентичны, и эти незначительные различия вкупе со следовыми количествами примесей в животных экстрактах могут провоцировать мощный иммунный ответ. По всем этим причинам идея о массовом производстве человеческого инсулина казалась очень заманчивой. Однако на всем протяжении истории нашего вида до 1970-х люди оставались единственным крупным источником человеческих белков. Ситуация изменилась, когда мы научились перемещать гены от вида к виду, начав с трансформации бактерий.

Я немного задержусь на самом процессе превращения бактерий в машины, служащие нашим нуждам, поскольку лежащая в его основе философия сильно отличается от нашего подхода к небиологической инженерии. В комиксе «Кальвин и Хоббс»[61] шестилетний Кальвин спрашивает у отца: «Папа, как узнают, какую нагрузку выдержит мост?» Отец отвечает: «По нему пускают все более и более тяжелые грузовики, пока он не развалится. Затем последний грузовик взвешивают и восстанавливают мост». Кальвин поражен, а нам смешно, потому что это нелепо. Точно так же никому и в голову бы не пришло собирать автомобиль, случайным образом соединяя друг с другом детали – двигатель, оси, колеса и прочее – в поисках одной из миллиона комбинаций, способной стать рабочим транспортным средством. Зато в сфере биоинженерии такой подход вполне логичен благодаря способности биологических материалов к самосборке и их устройству из повторяющихся модулей.