Написать геном и не создать человека

Ученые объединяются для создания в течение 10 лет искусственной ДНК человека

3 июня 2016 года войдет в историю биологии, науки, а может быть, и всего человечества. В журнале Science опубликована статья, подписанная группой авторитетных генетиков, в том числе такими звездами синтетической биологии, как Джордж Черч и Джеф Боке. Статья не резюмирует какой-то яркий эксперимент, не описывает совершенное исследователями революционное открытие. Наоборот – это призыв к ученым всего мира объединиться, чтобы совершить революционное открытие в будущем.

Четверть века назад сильнейшие генетики мира уже объединялись для работы над амбициозной задачей – полной расшифровкой генома человека. Проект Human Genome Project стоил около 3 миллиардов долларов и с полным успехом завершился раньше заявленного срока – за 13 лет вместо 15. Черч, Боке и их единомышленники уверены, что человечество готово поставить перед собой новую масштабную цель: решить обратную задачу и за 10 лет научиться искусственно синтезировать человеческий геном, причем делать это недорого. Анонсированный в статье проект будет называться The Genome Project-write или Human Genome Project-write (HGP-write).

Радио Свобода разбиралось, какие предпосылки есть для запуска HDP-write, почему половина опубликованного в Science материала касается этических вопросов и последует ли за успешным завершением проекта создание искусственной жизни.

Доллар за букву

Проект "Человеческий геном" (Human Genome Project, или просто HGP) стал крупнейшей научной инициативой в биологии. Во второй половине 1990-х годов авторитетные биологи стали все чаще говорить о важности секвенирования человеческого генома, то есть прочтения и расшифровки информации, записанной в человеческих генах. Мысль о необходимости решения этой крайне, по тем временам, амбициозной задачи высказывалась на научных семинарах и в том же журнале Science, где как раз 30 лет назад, в 1986 году, опубликовал посвященное секвенированию генома эссе американский вирусолог, нобелевский лауреат Ренато Дульбекко.

Фактически проект был запущен в 1990 году под эгидой Национальной организации здравоохранения США (NIH) и при поддержке министерства энергетики США под общим руководством Джеймса Уотсона, американского биолога, открывшего (вместе с несколькими коллегами) за 40 лет до этого структуру молекулы ДНК.

В HGP участвовали генетики нескольких стран – в первую очередь, из научных центров США и Великобритании. Основную часть финансирования взяло на себя правительство США. Изначально на расшифровку генома отводили 15 лет, но первый “грубый черновик” появился через 10 – в 2000 году. Хотя к тому моменту было расшифровано всего около 20 процентов генетической информации, стало ясно, что остальное – лишь вопрос времени. К 2003 году удалось расшифровать более 95 процентов значимых участков ДНК, тем самым формально заявленная в HGP цель была достигнута. Прочтение каждой пары оснований генома обошлось в доллар.

Читаем, но не понимаем

“[HGP] стал первым проектом геномного уровня и в свое время казался несколько противоречивым, – пишут авторы эссе, опубликованного 3 июня 2016 года в Science. – Сейчас его считают одним из величайших исследовательских подвигов, который повлек революцию в биологии и медицине”. Действительно, прочтение генома не только открыло новые возможности для науки, но и вдохновило бурный рост биотехнологической индустрии. Как работа над основным, “государственным” проектом HGP, так и коммерческие разработки конкурентов, в частности компании Celera Genomics Крейга Вентера, дали толчок для быстрого развития биотехнологических методов. Если стоимость расшифровки первого генома можно считать равной бюджету проекта HGP, то есть 3 миллиарда долларов, то в середине нулевых, и особенно после открытия нового метода секвенирования, она стала стремительно снижаться, опережая даже кривую закона Мура. Сегодня достаточно полное секвенирование вашего собственного генома можно сделать, заплатив от тысячи долларов, и подобные услуги предлагают десятки компаний, в том числе несколько российских.

Многие такие компании даже предложат определить по расшифровке вашей ДНК такие вещи, как склонность к наследственным заболеваниям, ожирению и спортивные способности. Однако на самом деле “расшифровка” – не совсем удачный синоним “секвенирования”, потому что вводит в заблуждение. Действительно, можно записать геном в виде последовательности букв, соответствующих азотистым основаниям ДНК, но читается этот язык пока еще очень плохо, лишь в редких случаях ученые знают, какая последовательность оснований в гене отвечает за ту или иную физиологическую характеристику организма. То есть глядя в расшифровку вашей ДНК, ученые почти ничего не могут сказать про вас наверняка.

Параллельно с развитием методов секвенирования биологи достигли огромного прогресса в методах редактирования генома, особенно благодаря разработанному в 2012 году методу CRISPR-Cas9. Человечество теперь умеет залезть в ДНК и заменить в ней одну последовательность букв на другую, например, исправить мутацию в каких-то генах. Вот только что из этого получится?

“C одной стороны, есть гены, мутации в которых приводят к той или другой генетической болезни, здесь нам много что известно, – говорит Константин Северинов, профессор Сколковского института науки и технологии и университета Ратгерса (США), заведующий лабораторией Политехнического университета Петра Великого. – С другой стороны, массовое секвенирование показывает, что встречаются не с такой уж маленькой частотой люди, у которых эти гены, казалось бы, испорчены, у них должна быть болезнь, а ее нет. Почему? Потому что есть еще миллионы изменений в других местах генома, которые каким-то образом компенсируют это повреждение. Как это происходит на уровне взаимодействия продуктов более чем 20 тысяч генов, которые у нас есть, мы не знаем”.

Мы в большинстве случаев просто не можем предсказать, что произойдет, если вы измените что-то в конкретном гене, а такие изменения почти неизбежны за счет ошибок при редактировании

Вооружившись таким инструментом, как CRISPR-Cas9, ученые могли бы залезть в ДНК клетки и исправить мутацию в каком-то гене. Но в общей ситуации (это не касается, например, хорошо отработанных технологий генной модификации сельскохозяйственных культур) результат остается в тумане: “На самом деле, мы в большинстве случаев просто не можем предсказать, что произойдет, если вы измените что-то в конкретном гене, а такие изменения почти неизбежны за счет ошибок при редактировании”, – говорит Северинов.

Недорогая технология синтеза ДНК сложного организма – конечная цель проекта The Genome Project-Write – нужна биологам, в первую очередь, именно для того, чтобы лучше разобраться в “словаре” генов. “Представьте, что у вас появилась печатная машинка и вы можете печатать разные геномы, – объясняет Северинов. – Вы можете получать клетки с этими измененными геномами и смотреть, что происходит с этими клетками, как они меняются в результате внесенных вами изменений”. Методом проб и ошибок ученые смогут приблизиться к пониманию устройства генома, научиться полноценно определять смысловую нагрузку различных генов и их участков, в идеале – каждого гена, а значит, использовать научные инструменты для осмысленного редактирования, направленного изменения свойств. В конце концов, это даст беспрецедентные возможности составлять произвольную “программу” для клетки.

Об этом же заявляют Джеф Боке, Джордж Чёрч и другие авторы в первом абзаце своей статьи: “Мы можем прийти к более глубокому пониманию генетического “чертежа” с помощью конструирования больших – в миллиарды базовых оснований геномов растений и животных, в том числе человека. [...] Именно для этого мы предлагаем проект HGP-write”.

Дрожжи и ниточка

Само по себе создание синтетического генома, “печатание” искусственной ДНК по заданному образцу – уже давно не фантастика. Для этого разработано несколько методов, и прогресс не стоит на месте – стоимость печати одного основания снизилась с середины 90-х годов примерно в десять раз, с доллара до 10 центов. Таких оснований в человеческом геноме несколько миллиардов, но главная проблема не в большой стоимости печати таких больших слов, а в том, что длинные последовательности пока вообще не получаются.

Как правило, чем сложнее организм, тем длиннее его геном, от десятков тысяч пар оснований у вирусов до 3,5 миллиардов у человека, впрочем, ДНК некоторых растений может быть еще на порядки длиннее, в основном за счет так называемого “генетического мусора”. “Современные химические синтезаторы синтезируют молекулы ДНК длиной несколько сот нуклеотидов. С помощью специальных ухищрений можно “собрать” полусинтетические молекулы ДНК длиной несколько тысяч нуклеотидов”, – говорит Северинов. Все, что существенно длиннее, – большая проблема. Необходимо научиться не только “сшивать” из кусков молекулы ДНК, длина которых сравнима с реальными геномами, но поддерживать в нужном состоянии, размножать, прежде чем они смогут самореплицироваться в клетках. “Если мы говорим о человеческом геноме, – замечает Северинов, – счет идет на миллиарды нуклеотидов. Представьте себе молекулу ДНК длиной в метр, очень тонкую ниточку, которую, не запутав и не порвав, нужно каким-то образом ввести в клетку”.

HGP-write – крайне амбициозный проект, в ходе которого придется решить ряд фундаментальных задач, к некоторым из которых пока что нет даже очевидных подходов. Получится ли?

Сейчас мы завершили геном дрожжей наполовину, это дает мне основание верить, что проект HGP-write – нечто большее, чем научная фантастика

В ответе на электронное письмо корреспондента Радио Свобода один из ключевых инициаторов HGP-write, американский генетик Джеф Боке объяснил, что уверенность в успехе начинания ему придает прогресс, достигнутый в другом проекте, запущенном Боке, Sc2.0. Исследователи с 2012 года работают над синтезом генома пекарских дрожжей – это около 12 миллионов пар оснований, расположенных на 16 хромосомах. Созданные до этого искусственные геномы (один под руководством Крейга Вентера, другой при участии Джорджа Черча) были на порядок короче, от 1 до 1,6 миллиона оснований. “Сейчас мы завершили геном дрожжей наполовину, – утверждает Боке, – это дает мне основание верить, что проект HGP-write – нечто большее, чем научная фантастика”.

“Дорожная карта” проекта, намеченная в заметке в Science, включает ряд проектов, одновременно подготовительных и имеющих самостоятельную ценность, – от синтеза отдельного гена вместе с некодирующими (служебными) участками ДНК до создания на основе индуцированных плюрипотентных стволовых клеток “ультразащищенных” человеческих клеток, устойчивых к вирусам, развитию рака и генетическим мутациям.

Авторы надеются, что к главной цели – технологии синтеза и тестирования длинных (от 100 миллионов до 100 миллиардов пар оснований) геномов с одновременным тысячекратным снижением стоимости создания подобных молекул – удастся подойти через 10 лет, вложив в проект столько же, сколько стоило прочтение человеческого генома, то есть 3 миллиарда долларов.

“Посмотрите, как быстро падают цены на производство электронных компонент, на секвенирование ДНК, на синтез отдельных оснований. Думаю, здесь будет то же самое”, – уверен Джеф Боке.

“В середине 80-х годов никто еще не понимал, как именно секвенировать большие геномы. Сделали это в итоге совершенно не тем методом, которым ожидали, менее “научно”, но более красиво, – рассуждает Северинов. – На сегодняшний момент в задаче синтеза человеческого генома мы в похожей ситуации – достигли некой границы и пока не видим, что за ней, так что и цену можно назвать какую угодно. Но люди, которые затеяли этот проект, в частности Джордж Черч, доказали на деле, что они имеют адекватное видение будущего и даже в некотором смысле могут его создавать. Предложение сфокусироваться в этом направлении – смелое, рискованное, но правильное”.

Опасно. И не "для всех"

Отдельный параграф статьи, анонсирующей HGP-write, касается этических вопросов. “Проект потребует публичного обсуждения этических, юридических и социальных аспектов еще до его старта”, – пишут авторы. Работа в области синтетической биологии, создание все более длинных искусственных геномов и так ведется во многих частных и государственных лабораториях мира. Объявить глобальный проект синтеза человеческого генома – значит с самого начала задать общие правила игры, в том числе этические.

Мы должны начать обсуждение: будет ли человечество когда-нибудь к этому готово?

“Этическая дискуссия крайне важна по двум причинам, – написал Джеф Боке Радио Свобода. – Во-первых, хотя мы сами и планируем работать только с клеточными культурами в чашечках Петри, другие могут захотеть выйти за эти пределы. Мы должны начать обсуждение: будет ли человечество когда-нибудь к этому готово? Во-вторых, [...] мы должны хорошо оценить, как обозначенные цели проекта отразятся на различных сегментах общества и как будет распределено их значение”.

Технологии, полученные в ходе работы над проектом, могут представлять опасность для человека, для природы, для биоразнообразия. С другой стороны, они могут открыть новые возможности для медицины, дать новые лекарства, пищу, материалы и много чего еще. Авторы уверены, что еще до начала активной работы нужно договориться, как защититься от вероятной угрозы и как добиться справедливого распределения вероятных благ.

Подобные вопросы обсуждаются уже не один десяток лет – и в связи с ранними опытами генной инженерии, и на фоне проекта HGP, и вокруг первых попыток клонирования. За это время биоэтика успела оформиться как самостоятельное научное направление, внутри которого формируются этические, юридические и социальные принципы, без которых манипуляция с живыми организмами на самом фундаментальном уровне была бы непозволительной. Инициаторы HGP-write отмечают, что разработка таких принципов в работе над синтезом генетического генома может отталкиваться от регламента, принятого учеными при работе со стволовыми клетками. “Приоритет для нас – осторожно и вдумчиво задать этические рамки будущего проекта и только потом двигаться дальше”, – заметил Боке.

Словарь, а не Франкенштейн

Допустим, через десять лет ученые научатся синтезировать человеческий геном. Значит ли это, что можно будет вырастить человека с заданными свойствами? Значит ли это, что человечество будет готово создать искусственную жизнь?

Мы создаем синтетическую ДНК и используем ее, чтобы “перепрограммировать” готовую живую клетку

Скорее нет, чем да. “Я хочу особо подчеркнуть, мы не создаем “синтетическую жизнь”, – написал Джеф Боке. – И никто в мире никогда этого не делал. Мы создаем синтетическую ДНК и используем ее, чтобы “перепрограммировать” готовую живую клетку”. Боке предлагает аналогию: геном – программа, а клетка – компьютер, редактировать или даже писать программу мы умеем, а вот построить компьютер с чистого листа – нет. “Есть ученые, которые пытаются построить клетку из химических элементов, но это пока ни у кого не получалось, и наша команда вообще не работает в этом направлении”, – добавил Боке.

Но можем ли мы хотя бы запрограммировать нужные нам качества, скажем, в половых клетках отца и матери и получить ребенка с заданным цветом глаз, волос, с гарантией, что у него не будет генетических нарушений? Пока тоже нет. О причине уже шла речь выше – ученые слишком плохо понимают, как генетический набор соотносится со свойствами организма. “Жизнь на нашей планете – продукт длительной эволюции, в каждом организме множество генов, их взаимоотношения друг с другом были отобраны на протяжении очень долгого времени, – объясняет Константин Северинов. – У нас нет почти никакого понимания того, как на уровне всей системы продукты генов взаимодействуют во времени, в пространстве и так далее”.

Пожалуй, единственное, о чем можно фантазировать в этом плане, – теоретически человечество получит новый способ создания клонов. ДНК организма, живого или уже умершего, можно секвенировать, а на основе полученного кода напечатать новый геном и ввести его в живую клетку. Таким образом, можно создавать копии самих клеток, а значит, например, ткани и органы для трансплантации.

Если кто-то отклонирует Владимира Владимировича Путина, то родится маленький мальчик, будет расти в тех или других условиях, безусловно, отличных от тех, в которых формировался президент, вырастет, а потом еще и поссорится с оригиналом

“Не исключено, что можно будет, например, вывести мамонта, – говорит Северинов. – А вот условного умершего Ивана Ивановича воскресить не получится, потому что гены, конечно же, далеко не все определяют, наши личностные свойства генами определяются лишь в малой степени. Это уже обсуждалось в связи с клонированием. Если кто-то отклонирует Владимира Владимировича Путина, то родится маленький мальчик, будет расти в тех или других условиях, безусловно, отличных от тех, в которых формировался президент, вырастет, а потом еще и поссорится с оригиналом, и пошлет его куда подальше. Никакого бессмертия личности таким образом не обеспечить, а ведь именно в этом цель людей, которые боятся смерти”.

Тогда зачем это все? Инициаторы проекта называют ряд побочных технологий, которые наверняка появятся в ходе работы: новые методы выращивания органов для трансплантации, создание “ультразащищенных” от вируса и рака клеточных культур, производство вакцин и лекарственных средств. Совместная работа над проектом приведет, по мнению авторов, к упрощению и удешевлению многих биотехнологий, используемых сегодня в медицине и промышленности. Но все же главное, что даст метод недорогого синтеза длинных геномов, – новые возможности разобраться с генетическим “словарем”, тем, как именно информация, записанная в генетическом коде организма, соотносится с его устройством и развитием. И, по-видимому, другого способа добиться этого концептуального прорыва нет.

Константин Северинов уверен, что найти средства на проект будет несложно. “Когда HGP делали, его делали почти полностью на государственные деньги. Тогда никакой биотехнологической промышленности особенно и не было. Сейчас ситуация абсолютно другая, капитализация фармкомпаний выше, чем у нефтяной промышленности. Они четко будут видеть там свой интерес. Поэтому, по-моему, сейчас прекрасный момент! Это вам не НБИКС с Ковальчуком, это настоящий прорыв”, – заключил Северинов.

Джеф Боке, кажется, тоже не особенно обеспокоен: “Проект Sc2.0 и другие проекты синтетической биологии уже собрали довольно большое финансирование, но под инициативу HGP-write мы пока инвестиций получить не успели. Знаете, на это не хватает времени, мы слишком заняты, отвечая на вопросы журналистов!!!”