В рамках курса лекций премии Дмитрия Зимина «Просветитель» в библиотеке имени Некрасова автор книги «Сумма биотехнологии» Александр Панчин рассказал о ГМО, экспериментах с ДНК и генетическом оружии. «Афиша Daily» публикует избранные места из его выступления.

Ученые, создавая ГМО, играют в Бога?

Примерно так представляют себе frankenfood самые ярые противники ГМО

«Игра в Бога» — по-видимому, эта фраза появилась, когда вышел фильм про Франкенштейна, ученого, который сделал монстра, вышедшего из-под контроля. Этот сюжет повторяется и в «Парке юрского периода»: ученые сделали монстров, те вышли из-под контроля и все закончилось плохо. И в сериале «Черное зеркало»: роботизированные пчелы, созданные учеными, тоже вышли из-под контроля. Тема Франкенштейна активно обыгрывается противниками ГМО. Frankenfood, еда, которая вас съест, — это очень впечатляющий образ. Но генные инженеры ничего такого не делают. Они вносят генетические изменения, мутации — все то же, что происходит в природе. Организмы передают гены друг другу, бактерии переносят гены растениям, растения переносят гены другим растениям, вирусы переносят гены людям — если бы не они, мы не были бы млекопитающими».

Зачем улучшать организмы?

Фото из блога WTF, Evolution?!, где собираются изображения причудливых животных и в шутливой форме обсуждается, почему эволюция сотворила такое

«На самом деле мы далеки от совершенства. Эволюция делает самые разные классные и забавные штуки, но есть и что-то, что эволюция делает плохо, — это очевидно и хорошо изучено. Например, возьмем жирафа. У него есть возвратный гортанный нерв, который идет из мозга и возвращается вверх к гортани. Этот путь может занимать 4 метра. Просто когда-то у далеких предков жирафа не было длинной шеи, потому что они были рыбами. Тогда было удобно провести этот нерв вот так. Ну а дальше организмы вышли на сушу, начали отращивать себе шею, но не смогли перестроить свою генетическую программу, чтобы этот нерв пошел по другому пути. И получился очень длинный и неэффективный путь иннервации».

Почему у генных инженеров и биотехнологов получается лучше, чем у эволюции?

Симбиоз мотоцикла и автомобиля выглядит как-то не очень впечатляюще

«Представьте себе, что вы сделали хороший мотоцикл. Но вам нужно перевозить больше людей, а мотоцикл на это не способен, и вы решили сделать автомобиль. Но эволюции придется переходить от мотоцикла к автомобилю постепенно, и переходная форма с высокой вероятностью будет не очень хорошим транспортным средством. Если вы находитесь на пике качества транспортного средства, то любое отклонение в сторону — это плохо. Поэтому такие мотоциклы не оставили бы, условно говоря, потомства и не смогли бы размножиться. Эволюция движется в сторону большей приспособленности. Чтобы получить автомобиль, нужно одновременно правильно поставить аккумулятор, сделать четыре колеса, установить коробку передач. Сразу все это сделать не удается, для этого как раз нужен разумный дизайнер».

Что собой представляет мусор в геноме?

«Мне как эволюционному биологу особенно прискорбно (или, наоборот, радостно) сообщить, что внутри мы особенно отвратительны. Внутри нас молекулы ДНК, и в молекуле ДНК очень много барахла — того, что не нужно, что занимает лишнее место. Некоторым людям кажется, что в ДНК не может быть мусора — мы же такие совершенные и классные. Разумный творец не мог такого допустить! Но как объяснить, что у лука геном в пять раз больше, чем у человека? Зачем он ему нужен? Если вы готовы признать, что у лука может быть мусор в ДНК, то почему вы думаете, что человек такой исключительный?

Исследователи из проекта ENCODE, который стоил миллиарды долларов, громко объявили, что геном человека на 80% функционален. То есть мусора по большому счету и нет. Но потом появилась и критика этого утверждения. В чем его проблема? Авторы проекта говорили, что на 20% ДНК приходится связующая функция. На это можно привести такую аналогию: вот жвачка прилипла к вашему ботинку — следовательно, функция ботинка в том, чтобы к нему прилипала жвачка. То, что где-то с молекулой ДНК происходит какая-то химическая реакция, вовсе не доказывает, что у нее есть какая-то функция. Более того, есть биологическая функция, которой подвергается вся ДНК — ДНК удваивается, это химический процесс, который происходит с любым участком. Поэтому можно прийти к выводу, что 100% ДНК функциональны, но это не так».

Как определить, функционален ли участок ДНК или нет?

Схема самолета Абрахама Вальда, где отмечены отверстия от выстрелов. Обратите внимание, что в центральной и задней части фюзеляжа красных точек практически нет, однако именно их Вальд велел укрепить

«Был такой математик, Абрахам Вальд. Он работал на военно-воздушные силы во время Второй мировой, перед ним стояла задача — определить у самолетов те места, на которые нужно накладывать броню. Самолеты вылетали, сбрасывали бомбы, возвращались на базу — в них искали дырки от пуль и считали их количество. Многие говорили, что нужно накладывать броню туда, где больше дырок. Вальд же считал это полнейшей глупостью: мы видим только те самолеты, с которыми все в порядке — они долетели до базы, их не сбили. Значит, эти дырки вообще несущественны. Но мы не видим те самолеты, которые были подбиты, и у них, скорее всего, дырки в других местах. По отсутствию дырок он выяснил, какие части самолета наиболее чувствительны к повреждениям и какие наиболее важны.

Эта аналогия имеет большое значение в разных сферах нашей жизни. Представим, что молекула ДНК — это такой же самолет, а мутации, которые постоянно происходят в ДНК, — это дырки от пуль. Теоретически может быть поврежден любой участок. Но, если сравнивать ДНК разных людей, шимпанзе и других животных, мы выясним, что есть участки, которые накапливают повреждения чаще — это те самые места, богатые «дырками от пуль». Но есть и те места, где мутаций мы вообще не наблюдаем. Именно потому, что те организмы, у которых такая мутация возникла, погибли, не оставили потомства. Это смертельно опасные или вредные заболевания, которые вымываются из популяции через естественный отбор.

Так, сравнивая ДНК разных организмов, мы можем вычислить функциональные участки. И такой анализ говорит о том, что только 8,2% — а не 80% — это эволюционно-консервативная часть ДНК. То есть это те участки, которые неизменны и, значит, несут какую-то важную функцию. Все остальное вы можете менять и удалять.

Экспериментальная наука подтверждает теоретические предсказания насчет этого «мусора». Описан случай, когда генные инженеры удалили у мыши 1,5 миллиона нуклеотидов в одном месте и еще 0,8 миллиона в другом (для сравнения: чтобы избавить человека от гемофилии, нужно внести исправную копию гена длиной около тысячи нуклеотидов). Но даже без такого огромного куска ДНК поведение мышки не изменилось — она могла бегать и размножаться».

Зачем нужно удалять гены?

«Во-первых, такие эксперименты позволяют лучше понять, как работают гены. Чем проще модельный объект, тем легче следить, к чему приведет то или иное изменение. Во-вторых, из таких организмов можно создавать эффективных производителей биотоплива или лекарства. Чем больше у бактерии геном, тем больше энергии она тратит, чтобы этот геном производить, — получается перерасход материалов. Если же сделать бактерию очень простой, то всю энергию она будет тратить на производство только того, что вам нужно.

На самом деле удаление каких-то участков ДНК происходит и в природе — например, у паразитических организмов. Их образ жизни способствует тому, чтобы они избавлялись от многих генов, которые нужны при свободной жизни. Паразит многие вещества получает от своего хозяина, и ему не нужно их синтезировать, не нужно особенно думать, достаточно подцепить хозяина и радоваться жизни. Поэтому организмы так упрощаются в процессе эволюции, и здесь нет ничего особенного».

Мы можем сделать что-то, чего в природе не бывает?

«ДНК — это основа основ; можем ли мы ее изменить? Оказалось, что можем. Была получена ДНК с дополнительными нуклеотидами: вместо четырех (A, T, G и C — аденин, тимин, гуанин, цитозин), которые есть в каждой цепочке, их стало шесть. Два дополнительных нуклеотида называются d5SICSTP и dNaMTP. Была получена не просто ДНК в пробирке, а целая бактерия — кишечная палочка, у которой участок содержал эти «неправильные» нуклеотиды. Когда бактерия делилась и размножалась, то не теряла это свойство. Представьте, что у вас была 8-битная приставка Dendy и вы с 8-битной Dendy перешли на 32-битную Super Nintendo. Суть в том, что вы сможете закодировать намного больше информации, если у нас есть не четыре состояния в одном месте, а шесть. Пока у этого нет ровно никакого практического применения. Есть только теоретические предположения, как это может пригодиться. Но так часто бывает в фундаментальной науке.

С ДНК можно делать принципиально другие вещи. Нить ДНК — это линейная молекула для хранения информации. А давайте сделаем из нее оригами? Почему бы нет! Написаны специальные алгоритмы, которые определяют, какие фрагменты ДНК нужно синтезировать, чтобы нить ДНК склеилась в нужную вам фигурку: в человечка, смайлик, зайчика. От зайчика проку немного, но вы можете получить, например, ящичек, который будет закрываться и открываться в определенных условиях. В него вы сможете засунуть лекарство и использовать его как способ доставки лекарств к определенному типу клеток. Вводите эти ящички с лекарством человеку, они подплывают к раковой клетке, открываются, и из них вываливается лекарство, которое раковую клетку убивает».

Как работает генетическое оружие и кто его использует?

«Есть уже готовая к реализации программа по уничтожению определенного вида комаров во Флориде, основанная на немножко другой технологии. Есть вирус Зика, если им болеет беременная женщина, у ее потомка могут быть проблемы с развитием. Вирус передается комарами при укусе. Чтобы от него избавиться, ученые создают генно-модифицированных самцов, потомство которых неспособно выживать. Но как сделать, чтобы эти самцы размножились вообще, если их потомства не остается? Эти комары-мутанты разводятся в лаборатории в воде с добавлением антибиотика, благодаря которому они выживают. После этого армии самцов из лаборатории вывозятся в окружающую среду, где антибиотика, разумеется, нет. Миллионы комаров летят искать самок — их так много, что они замещают обычных самцов. И если так делать достаточно регулярно, то можно уничтожить всю популяцию этих комаров. Недавно регуляторные организации одобрили этот план.

Конечно, есть люди, которые боятся: если вас укусит генно-модифицированный комар, вы станете бесплодными. Но этого не произойдет, во-первых, потому, что вы не комар и это так не передается, во-вторых, самцы комаров не кусаются.

Опасения есть другие: существуют зверушки, которые питаются комарами. Так вы вмешиваетесь в то, как устроена окружающая среда. Поэтому важно взвесить два варианта: либо мы живем с комарами, которые вызывают определенные дефекты у рождающихся детей, либо мы избавляемся от комаров — может быть, это вызовет какие-то последствия, хотя они могут быть и не очень существенными».

Как выглядят клоны людей?

«Классический образ клонирования: какие-то танкеры, в них в жидкости выращивают взрослых людей — так это показывают в фильмах. Я вам покажу, как выглядят реальные клоны, которые ходят среди нас. Это просто близняшки — генетически идентичные, поэтому технически они являются клонами. То есть если взять кого-то из вас и сделать маленькую копию, маленького генетически идентичного ребеночка, то он все равно будет отличаться от вас, потому что будет расти в других условиях: у него будут другие внутриутробные условия развития, поэтому даже некоторые врожденные признаки могут отличаться».

Зачем животным пересаживают человеческие гены?

«Гуманизированные животные — это те, у которых есть либо гены, либо клетки человека. С ними проводят разные эксперименты. Например, у человека есть ген, который важен для развития речи, и у мышек есть свой аналог этого гена. Ученые заменили его на человеческий вариант, и оказалось, что эти мышки стали лучше справляться с некоторыми интеллектуальными задачами.
Ученые также создают животные модели для изучения человеческих заболеваний. Так, вирус иммунодефицита человека (ВИЧ) изучать очень сложно. Для этого придумали следующее: ученые взяли гуманизированных мышей, у которых сначала выключили их собственную иммунную систему, потом пересадили предшественников клеток иммунной системы человека — и получили мышей с человеческой иммунной системой. Потом этих мышей заразили ВИЧ и изучали, что с ними происходит. Этот инструмент для исследований позволяет делать важные открытия».