Несмотря на то, что мы не замечаем эволюцию, она продолжает тайно работать, в том числе в человеческой популяции. Живая природа меняется на наших глазах, но мы не можем этого видеть, как не можем следить за движением часовой стрелки.
Переходная форма
Изменения происходят постепенно и постоянно. Фактически четких переходных форм нет, потому что каждое животное — своего рода переходная форма. У человека часто бывает плоскостопие и проблемы с позвоночником, на его ногах нет копыт, зато есть пальцы. У нас сохранилась малоберцовая кость, хотя многие бегающие по земле животные давно от нее избавились за ненадобностью. Эти и другие признаки говорят о том, что люди — «переходная форма» между приматами, которые лазают по деревьям и бегают по земле.
Появление нового биологического вида — процесс не сиюминутный, он длится миллионы лет. В одной из своих книг знаменитый эволюционный биолог Ричард Докинз предлагает провести мысленный эксперимент. Некий человек складывает стопку из фото и картинок. На первом фото изображен он сам. Далее — родители, бабушки и дедушки, прабабушки — и так до первых рыб, решивших выйти на сушу. Стопка получится внушительная, высотой примерно с сорок небоскребов. Каждая картинка похожа на те, что лежат рядом, — изображенные на них животные или люди явно относятся к одному биологическому виду. Но «перепрыгнув» через тысячу картинок, можно заметить разительные различия.
Кукуруза уже не та
С древних времен человек занимается селекцией: он выбирает самые крупные и вкусные овощи и фрукты, самых мясистых коров и куриц. Из-за такого искусственного отбора (который по своей сути мало чем отличается от естественного) многие растения и животные изменились, причем не только внешне. Селекция способствовала изменению генов. Многие культурные растения и их дикие предки — пока еще не разные виды, их можно скрещивать и получать потомство, но их ДНК уже различается, и довольно сильно. Яркий пример — кукуруза. Ученые искали ее предка несколько десятилетий. Прародителем оказалось растение теосинте. Его семена очень мелкие и имеют настолько плотную оболочку, что не перевариваются в пищеварительном тракте животных. На привычную нам кукурузу теосинте совсем не похоже, а все из-за того, что у потомка мутировали пять генов. Аналогичные процессы происходят и в природе, просто целенаправленный отбор их ускорил.
Поколения кишечной палочки
Эволюцию человека можно изучать, сравнивая его с разными животными, анализируя окаменелости и гены. Но наблюдать за процессом в реальном времени невозможно, жизни одного ученого и даже нескольких поколений на это явно не хватит. Тем не менее увидеть эволюцию «вживую» вполне реально — для этого нужно выбрать организмы, которые очень быстро размножаются. В этом отношении идеальны бактерии.
В 1988 году начался эксперимент, за время которого ученым удалось проанализировать 60 000 поколений кишечной палочки. Ежедневно в ДНК микроорганизмов из-за мутаций менялась 1000 пар нуклеотидов — молекул, которые играют роль «букв» в генетическом коде. Многие мутации оказывались вредными, и такие бактерии погибали. Если возникала полезная мутация, ее носители начинали быстрее размножаться и вытесняли более слабых собратьев.
Некоторые мутации оказались для ученых полной неожиданностью. В одной из пробирок появились бактерии, которые научились питаться цитратом натрия — «дикие» кишечные палочки на такое не способны. В некоторых пробирках микроорганизмы разделились на группы с разными особенностями, и они продолжили жить бок о бок, не мешая друг другу.
Музыка без композитора
В 2012 году ученые решили проверить, можно ли создать красивую музыку без композитора, путем «естественного отбора». Была разработана система музыкальной эволюции DarwinTunes. Почти семи тысячам участников исследования было предложено прослушивать разные шумы и выбирать из них наиболее приятные и мелодичные. Каждый шум состоял из определенного набора звуков — своего рода «генетического материала».
Звуки, которые нравились участникам исследования, были признаны «жизнеспособными», их «скрещивали» с другими звуками и получали «потомков». Каждый «потомок» получал определенный набор «генов» от родителей, при этом в него включали некоторые новые звуки — аналог мутаций в генах живых организмов.
Система «эволюционировала» на протяжении 2 513 «поколений». В результате получились довольно приятные мелодии. Их никто не создавал — можно сказать, что они возникли случайным образом, просто потому, что их «предки» понравились большинству людей. После того как удалось получить приятную музыку, система практически перестала эволюционировать — она оказалась достаточно «приспособленной» ко вкусам испытуемых.
Клетка, которая обманула всех
С точки зрения отдельных клеток, тело человека — тоталитарное государство. Объединившись в многоклеточный организм, живые клетки получили немало преимуществ, но лишились индивидуальности. Каждой из них разрешено находиться лишь в определенном месте и выполнять строго определенные функции. Организм диктует клетке, когда ей нужно работать, отдыхать и даже умирать.
В организме регулярно появляются клетки с мутантными генами, но их быстро уничтожают специализированные защитные системы — отчасти эта функция возложена на иммунитет. Однако иногда мутации наделяют клетку сверхспособностями: она бесконтрольно размножается, становится бессмертной, маскируется и избегает атаки защитных систем. Такая клетка перестает работать на коллектив: фактически она превращается в отдельный одноклеточный организм, забирает себе все доступные ресурсы, теснит законопослушных собратьев и плодит себе подобных. Развивается онкологическое заболевание, а по сути получается, что раковая клетка эволюционировала и научилась выживать в условиях жесткой диктатуры.
C 1951 года в разных лабораториях мира живут бессмертные клетки HeLa, которые были получены от Генриетты Лакс. Эта женщина умерла от рака шейки матки. Клетки HeLa — уже не клетки человека. В них изменился набор хромосом, они функционируют по-другому. Некоторые молекулярные биологи признали, что клетки HeLa — это новый биологический вид. Как это ни парадоксально звучит, человек эволюционировал в одноклеточный микроорганизм. Однако большинство ученых с этой позицией не согласилось.
Эволюционный допинг
Современные технологии позволяют устроить самую настоящую эволюцию буквально за несколько минут, в том числе и у человека. Речь о генной инженерии.
Ричард Докинз назвал эволюцию слепым часовщиком: в генах случайным образом происходит мутация, а дальше — как повезет. В большинстве случаев мутация оказывается вредной, и организм погибает либо не может оставить потомства. Но иногда изменения в генах — совершенно случайно — дают новую полезную способность. Благодаря такой работе «вслепую» жизнь на земле смогла пройти путь от первых бактерий до человека, но в целом это происходило долго и не очень эффективно.
В современном мире на смену «слепому часовщику» пришли зрячие и думающие ученые. Они научились редактировать гены целенаправленно, современные технологии существенно облегчили и ускорили решение этой задачи. В некотором смысле генная инженерия — это выход эволюционного процесса на качественно новый уровень.
Генная инженерия, как новый этап биологической эволюции
Генная инженерия возникает в70-е гг. как новая отрасль молекулярной биологии, главная задача которой - активная и целенаправленная перестройка ген в живых существ, их конструирование, то есть управление наследственностью. Генотип является не просто механическая сумма генов, а сложная, сложившаяся в процессе эволюции организмов система. Генная инженерия позволяет путем операций в пробирке переносить генетическую информацию из одного организма в другой. Перенос генов дает возможность преодолевать межвидовые барьеры и передавать отдельные наследственные признаки одних организмов другим.
Носителями материальных основ генов служат хромосомы, в состав которых входят ДНК и белки. Но гены образования не химические, а функциональные. С функциональной точки зрения ДНК состоит из множества блоков, хранящих определенный объем информации -- генов. В основе действия гена лежат его способность через посредство РНК определять синтез белков. В молекуле ДНК как бы записана информация, определяющая химическую структуру белковых молекул. Ген -- участок молекулы ДНК, в котором находится информация о первичной структуре какого-либо одного белка (один ген -- один белок). Поскольку в организмах присутствуют десятки тысяч белков, существуют и десятки тысяч генов. Совокупность всех генов клетки составляет ее геном. Все клетки организма содержат одинаковый набор генов, но в каждой из них реализуется различная часть хранимой информации. Перестройка генотипов, при выполнении задач генной инженерии, представляет собой качественные изменения генов не связанные с видимыми в микроскопе изменениями строения хромосом. Изменения генов прежде всего связано с преобразованием химической структуры ДНК. Информация о структуре белка, записанная в виде последовательности нуклеотидов, реализуется в виде последовательности аминокислот в синтезируемой молекуле белка. Изменение последовательности нуклеотидов в хромосомной ДНК, выпадение одних и включение других нуклеотидов меняют состав образующихся на ДНК молекулы РНК, а это, в свою очередь, обуславливает новую последовательность аминокислот при синтезе. В результате в клетке начинает синтезироваться новый белок, что приводит к появлению у организма новых свойств. Сущность методов генной инженерии заключается в том, что в генотип организма встраиваются или исключаются из него отдельные гены или группы генов. В результате встраивания в генотип ранее отсутствующего гена можно заставить клетку синтезировать белки, которые ранее она не синтезировала.
Наиболее распространенным методом генной инженерии является метод получения рекомбинантных, т.е. содержащих чужеродный ген, плазмид. Плазмиды представляют собой кольцевые двухцепочные молекулы ДНК, состоящие из нескольких тысяч пар нуклеотидов. Этот процесс состоит из нескольких этапов.
Рестрикция -- разрезание ДНК, например, человека на фрагменты.
Лигирование -- фрагмент с нужным геном включают в плазмиды и сшивают их.
Трансформация -- введение рекомбинантных плазмид в бактериальные клетки. Трансформированные бактерии при этом приобретают определенные свойства. Каждая из трансформированных бактерий размножается и образует колонию из многих тысяч потомков -- клон.
Скрининг -- отбор среди клонов трансформированных бактерий тех, которые плазмиды, несущие нужный ген человека.
Весь этот процесс называется клонированием. С помощью клонирования можно получить более миллиона копий любого фрагмента ДНК человека или другого организма.
Еще с 80-х годов появились программы по изучению генома человека. В процессе выполнения этих программ уже прочитано около 5 тысяч генов (полный геном человека содержит 50-100 тысяч). Обнаружен ряд новых генов человека. Генная инженерия приобретает все большее значение в генотерапии. Потому, что многие болезни заложены на генетическом уровне. Именно в геноме заложена предрасположенность ко многим болезням или стойкость к ним.
Возможности генной инженерии
Значительный прогресс достигнут в практической области создания новых продуктов для медицинской промышленности и лечения болезней человека. В настоящее время фармацевтическая промышленность завоевала лидирующие позиции в мире, что нашло отражение не только в объёмах промышленного производства, но и в финансовых средствах, вкладываемых в эту промышленность (по оценкам экономистов, она вошла в лидирующую группу по объёму купли-продажи акций на рынках ценных бумаг). Важной новинкой стало и то, что фармацевтические компании включили в свою сферу выведение новых сортов сельскохозяйственных растений и животных, и тратят на это десятки миллионов долларов в год, они же мобилизировали выпуск химических веществ для быта. Добавок к продукции строительной индустрии и так далее. Уже не десятки тысяч, а возможно, несколько сот тысяч высококвалифицированных специалистов заняты в исследовательских и промышленных секторах фарминдустрии, и именно в этих областях интерес к геномным и генно-инженерным исследованиям исключительно высок. Очевидно поэтому любой прогресс биотехнологий растений будет зависеть от разработки генетических систем и инструментов, которые позволят более эффективно управлять трансгенами.
Будущее, очевидно, будет за управляемым переносом генов от сорта к сорту, основанного на применении предварительно подготовленного растительного материала, который уже содержит в нужных хромосомах участки гомологии, необходимого для гомологичного встраивания трангена. Помимо интегративных систем экспрессии, будут опробованы автономно реплицирующиеся векторы, особый интерес представляют искусственные хромосомы растений, которые теоретически не накладывают никаких ограничений на объём вносимой теоретической информации.
Кроме этого учёные занимаются поиском генов, кодирующих новые полезные признаки. Ситуация в этой области меняется радикальным образом, прежде всего, существованию публичных баз данных, которые содержат информацию о большинстве генов, бактерий, дрожжей, человека и растений, а также в следствии разработки методов, позволяющих одновременно анализировать экспрессию большого количества генов с очень высокой пропускной способностью. Применяемые на практике методы можно разделить на две категории.
Методы, позволяющие вести экспрессионное профилирование: субстракционная гибридизация, электронное сравнение EST-библиотек, «генные чипы» и так далее. Они позволяют устанавливать корреляцию между тем или иным фенотипическим признаком и активностью конкретных генов. Известно несколько методов объединения фрагментов ДНК из разных источников, позволяющих включить клонируемую донорную ДНК в состав вектора.
Одним из перспективных методов клеточной инженерии в культуре клеток человека, животного и растения является гибридизация соматических клеток (Б. Эфрусси и Г. Барски).
В культивируемые клетки млекопитающих или развивающиеся эмбрионы ДНК вводят методом микроинъекции ДНК в ядро с помощью микроманипулятора.
Развитие методов микрохирургии клеток позволило заменять ядра оплодотворенных яйцеклеток на ядра из соматических клеток и в результате получать организм, идентичный тому, чье ядро было перенесено в яйцеклетку. Создание гибридов высших растений возможно путем слияния протопластов и соматической гибридизации растительных клеток. Все эти методы могут использоваться для конструирования новых форм микроорганизмов, животных и растений, несущих гены, детерминирующие желаемые признаки.
Не менее важна генная инженерия как аппарат фундаментальных исследований.
Потенциальные возможности генной инженерии в действительности очень велики, и они будут реализовываться.
Преимущества генной инженерии
По заверениям ученых демографов, в ближайшие двадцать лет население земного шара удвоится, прокормить такое количество людей будет просто невозможно. Следовательно, уже сейчас пора подумать о том, как с наименьшими потерями поднять урожайность сельхозугодий вдвое. Поскольку для обычной селекции срок в два десятилетия крайне мал, то остается механическая модификация генетического кода растений. Можно, например, добавить ген устойчивости к насекомым-вредителям или сделать растение более плодовитым. Это основной довод трансгенетиков.
С помощью генной инженерии можно увеличить в генетически измененной продукции содержание полезных веществ и витаминов по сравнению с «чистыми» сортами. Например, можно «вставить» витамин А в рис, с тем чтобы выращивать его в регионах, где люди испытывают его нехватку.
Можно существенно расширить ареалы посева сельхозпродуктов, приспособив их к экстремальным условиям, таким, как засуха и холод.
Путем генетической модификации растений можно существенно уменьшить интенсивность обработки полей пестицидами и гербицидами. Ярким примером здесь является уже состоявшееся внедрение в геном кукурузы гена земляной бактерии Bacillus thuringiensis, уже снабжающего растение собственной защитой, так называемым Bt-токсином, и делающего по замыслу генетиков дополнительную обработку бессмысленной.
Генетически измененным продуктам могут быть приданы лечебные свойства. Ученым уже удалось создать банан с содержанием анальгина и салат, вырабатывающий вакцину против гепатита B.
Еда из генетически измененных растений может быть дешевле и вкуснее.
Модифицированные виды помогут решить и некоторые экологические проблемы. Конструируются растения, эффективно поглощающие цинк, кобальт, кадмий, никель и прочие металлы из загрязненных промышленными отходами почв.
Генная инженерия позволит улучшить качество жизни, очень вероятно - существенно продлить её; есть надежда найти гены, ответственные застарение организма и реконструировать их.
Недостатки генной инженерии
В настоящее время генная инженерия технически несовершенна, так как она не в состоянии управлять процессом встраивания нового гена. Поэтому невозможно предвидеть место встраивания и эффекты добавленного гена. Даже в том случае, если местоположение гена окажется возможным установить после его встраивания в геном, имеющиеся сведения о ДНК очень неполны для того, чтобы предсказать результаты.
Выведение генетически модифицированных видов растений и животных представляет определенную опасность, обусловленную непредсказуемостью их развития и поведения в естественной среде. Риски, связанные с применением генной инженерии к продуктам питания, можно разделить на три категории: экологические, медицинские и социально-экономические.
Экологические риски:
1) Появление супервредителей.
2) Нарушение природного баланса
3) Выход трансгенов из-под контроля.
Медицинские риски:
1) Повышенная аллергеноопасность.
2) Возможная токсичность и опасность для здоровья.
3) Устойчивость к действиям антибиотиков.
4) могут возникнуть новые и опасные вирусы.
Несколько социально-экономических причин, по которым генетически измененные растения считаются опасными:
- они представляют угрозу для выживания миллионов мелких фермеров.
- Они сосредоточат контроль над мировыми пищевыми ресурсами в руках небольшой группы людей. Всего десять компаний могут контролировать 85% глобального агрохимического рынка.
- Они лишат западных потребителей свободы выбора в приобретении продуктов.
Генная инженерия. Практические результаты
Эмбриогенез -- это феноменальный процесс, при котором информация, заложенная в линейной структуре ДНК, реализуется в трехмерный организм. ДНК представляет запись последовательности аминокислот для построения молекул различных белков. В эмбриональном развитии в разное время появляются разные белки. Существуют гены-регуляторы, которые определяют время и скорость синтеза. Установлены состав и структура гена, но неизвестно как кодируется форма организма и, соответственно, как линейные спирали цепочной структуры белков соединяются в объемные структуры.
Клонирование есть воспроизведение живого существа из его неполовых клеток. Это попытка прорыва сквозь запреты Природы. Клонирование органов и тканей -- это задача номер один в области трансплантологии, травматологии и др. областях медицины и биологии. При пересадке клонированных органов не возникает реакции отторжения и возможных последствий (например, рака, развивающегося на фоне иммунодефицита). В результате интенсивного развития методов генетической инженерии получены клоны множества генов рибосомальной, транспортной и 5S РНК, гистонов, глобина мыши, кролика, человека, коллагена, овальбумина, инсулина человека и др. пептидных гормонов, интерферона человека и прочее. Это позволило создавать штаммы бактерий, производящих многие биологически активные вещества, используемые в медицине, сельском хозяйстве и микробиологической промышленности.
На основе генетической инженерии возникла отрасль фармацевтической промышленности, названная «индустрией ДНК». Это одна из современных ветвей биотехнологии.
Для лечебного применения допущен инсулин человека (хумулин), полученный посредством рекДНК. Кроме того, на основе многочисленных мутантов по отдельным генам, получаемых при их изучении, созданы высокоэффективные тест-системы для выявления генетической активности факторов среды, в том числе для выявления канцерогенных соединений.
Перспективы генной инженерии
Некоторые особенности новых технологий 21 века могут привести к большим опасностям, чем существующие средства массового уничтожения. Прежде всего, - это способность к саморепликации. Разрушающий и лавинно самовоспроизводящийся объект, специально созданный или случайно оказавшийся вне контроля, может стать средством массового поражения всех или избранных. Для этого не потребуются комплексы заводов, сложная организация и большие ассигнования. Угрозу будет представлять само знание: устройства, изобретённые и изготовленные в единичных экземплярах, могут содержать в себе всё, необходимое для дальнейшего размножения, действия и даже дальнейшей эволюции - изменению своих свойств в заданном направлении.
Конечно, выше описаны вероятные, но не гарантированные варианты развития генной инженерии. Успех в этой отрасли науки сможет радикально поднять производительность труда и способствовать решению многих существующих проблем, прежде всего, подъему уровня жизни каждого человека, но, в то же время, и создать новые разрушительные средства.
Актуальность генной инженерии человека обнаруживается при необходимости лечения больных с наследственными болезнями, обусловленными геномом (генетический план развития человека). Особенно важна забота о будущих поколениях, которые не должны расплачиваться собственным здоровьем за недостатки и ущербность своего генома и генофонда сегодняшнего поколения. Генная инженерия открыла большие перспективы в лечении наследственных болезней, она ставит своей задачей исправить недостатки природы.
В 70-е годы XX века создана техника выделения гена из ДНК, а также методика размножения нужного гена. В результате этого возникла генная инженерия. Внедрение в живой организм чужеродной генетической информации и приемы, заставляющие организм эту информацию реализовывать, составляют одно из самых перспективных направлений в развитии биотехнологии. С помощью современных биотехнологий удалось получить ряд лекарств (интерферон, инсулин сыворотка против гипотита и др.) Объектом биотехнологии выступает сегодня не только отдельный ген, но и клетка в целом.
Генная инженерия позволила создать точную копию конкретного организма - клона. Клонированные органы -- это спасение для людей, попавших в автомобильные аварии или иные катастрофы, а также нуждающихся в радикальной помощи из-за каких-либо заболеваний. Клонирование может дать возможность бездетным людям иметь своих собственных детей, поможет людям, страдающим тяжелыми генетическими заболеваниями. Более скромная, но не менее важная задача клонирования -- регуляция пола сельскохозяйственных животных, а также клонирование в них человеческих генов "терапевтических белков", которые используются для лечения людей, например гемофиликов, у которых мутировал ген, кодирующий белок, участвующий в процессе свертывания крови.
За короткий срок генная инженерия оказала огромное влияние на развитие молекулярно-генетических методов и позволила существенно продвинуться по пути познания строения и функционирования генетического аппарата, а также генная инженерия обратили внимание человечества на необходимость общественного контроля за всем, что происходит в науке.
Эволюция или генная инженерия — кто победит?
Сначала учёные трудились над расшифровкой генома человека, а затем начали искать пути изменения генетического кода, чтобы предупреждать возникновение новых болезней, избавляться от наследственных патологий. Но у природы, похоже, есть своё мнение о научном прогрессе, и она решила сорвать их планы, которые — в свою очередь, — срывают естественный ход эволюции.
Редактирование генов
Филипп Мессер (Philipp Messer), специалист в области популяционной генетики в Корнуэлльском университете США изучает новое направление в генной инженерии — очень перспективное, но и противоречивое. Речь идёт о переносе генов — методе, который обеспечивает быстрое распространение целевого гена в популяции. Учёные могут форсировать распространение определённой характеристики, минуя законы наследственности. Если в естественных условиях шансы унаследовать ту или иную черту равняются приблизительно 50/50, то метод, изобретённый учёными, позволяет увеличить шансы на наследование практически до 100%. Доминирование выбранного гена продолжится во всех последующих поколениях.
Лабораторные эксперименты на фруктовых дрозофилах подтвердили: если стимулировать наследственность гена, отвечающего за светлый цвет глаз насекомых (в естественных условиях — рецессивный), то у всех потомков глаза будут только голубыми. Метод генного драйва актуален для всех видов, которые размножаются половым путём, и теоретически может кардинальным образом изменить ведение сельского хозяйства, создания запасов продовольствия, предупредить эпидемии и т.д. Человек впервые приблизился к тому, чтобы редактировать развитие популяций в дикой природе. Однако такая возможность возлагает большую ответственность. Опасения по поводу этической стороны вопроса наравне с практическими нюансами высказывают не только скептики, но и сами учёные.
Мессер, презентуя новый метод, попутно озвучивает и главные препятствия, с которыми встречаются инженеры, пытаясь самостоятельно модерировать естественную среду. Природа всегда находит способ обойти навязчивые попытки человека изменить её: болезнетворные микроорганизмы вырабатывают устойчивость к антибиотикам, а вредные насекомые — отвергают пестициды. Москиты и другие переносчики вирусов, геном которых уже изменили чтобы исключить возможность заражения, проявляют способность к адаптации и со временем восстанавливаются. Кэвин Эсвелт (Kevin Esvelt), инженер из MIT, полагает, что в итоге всегда побеждает эволюция:
«— На чаше весов всемирной эволюции все усилия генной инженерии ничего не значат. Чтобы мы ни сделали, природа это переживёт и вернётся в исходное состояние. Кроме, разве что, нашего полного вымирания. Вот с этим эволюция уже ничего не сможет поделать.»
Метод генного драйва пока что применялся только в лабораторных условиях. Три вида, включая уже упомянутых фруктовых мошек, москитов и дрожжи, подтвердили возможность влиять на доминирующую наследственность определённого гена. Вместе с тем, эксперименты показали, что организмы начинают развиваться по-новому, с тем чтобы нивелировать внешнее влияние на геном. Сложно предсказать, как будут вести себя более сложные организмы в естественной среде. Однако можно предположить, что они также будут сопротивляться переносу генов — раз уж это оказалось под силу даже лабораторным мошкам. Исследования в естественной среде пока что невозможны, ввиду целого ряда запретов (как моральных, так и вполне материальных) на эксперименты с генами. Однажды запущенный механизм изменения наследственности уже нельзя будет остановить или отменить. Даже если допустить, что можно остановить первую волну генных изменений, специально запустив вторую волну (как полагают отдельные специалисты), очевидно, что все организмы, появившиеся с изменённой генной информацией, уже никак не исправить. Несколько поколений вида так и останутся с геномом, созданным человеком, и нет никаких шансов предугадать глобальные последствия такого вмешательства.
На самом деле, шансы есть — утверждают энтузиасты генетической инженерии. Мессер с коллегами как раз занимаются проектом, который позволит предугадать реакцию дикой природы на манипуляции инженеров с генами. Учёные создают компьютерную модель, чтобы отслеживать реакцию целых популяций от поколения к поколению. По словам Мессера, проблема других учёных, которые годами пытались предугадать появление обратной реакции на генные изменения заключалась в том, что они фокусировались на отдельных организмах. Он считает, что эволюция проявляет себя в масштабах всей популяции, когда от поколения к поколению постепенно сформируется устойчивость к изменениям, созданным человеком. И противостояние изменениям в генетической информации почти наверняка проявится в естественной экосистеме.
Сначала организмы учатся жить с новым набором генов, а затем — начинают выживать эти изменения
Учёные рассматривают несколько сценариев реакции на генные изменения. Возможно, сопротивление природы сведёт на нет все усилия генетиков, и метод генного драйва не приведёт к запланированному результату. С другой стороны, сопротивление, вызванное действиями учёных, может быть необходимой защитной реакцией. Эволюция непредсказуема по своей сути, но небольшая группа биологов всё же упорно строит математические модели и проводит эксперименты чтобы предсказать, как будет развиваться преобразованный ген в естественной среде.
Не первый год поисков
Редактирование генов не является самостоятельным изобретением человечества — в самой природе время от времени встречаются подобные модификации. Учёные ещё несколько десятилетий назад предлагали использовать именно естественные превращения генов, усиливая их примитивными средствами, вроде радиации или химических веществ. По словам исследователя молекулярной биологии из Калифорнийского университета Анны Бакмен (Anna Buchman), такие генетические отклонения можно было использовать, чтобы распространить определённую черту в популяции, или, наоборот, спровоцировать вымирание всего вида.
В 2003 году генетик из Имперского колледжа Лондона Остин Бёрт (Austin Burt) предложил метод более аккуратного влияния на геном. Его идея заключалась в том, чтобы выделять определённую секцию ДНК и изменять только её. Он также предполагал, что природа будет сопротивляться вмешательству, но проводить лабораторные исследования было невозможно, ввиду ограниченных возможностей тогдашней медицинской техники.
Идеям Бёрта нашлось применение в 2012 году, благодаря стабильному развитию генной инженерии. Учёные изобрели технологию CRISPR, которая позволяет быстро и направленно редактировать геном живых организмов, включая человека. Используя CRISPR, учёные выбирают фрагмент ДНК, разрывают обе комплементарные цепи, соединяющие его, и могут свободно заменять фрагмент, добавлять или удалять гены. Технология значительно упростила развитие метода переноса генов и очень быстро распространилась. Уже через 3 года после премьеры CRISPR в университете Калифорнии приступили к масштабным экспериментам с фруктовыми дрозофилами, выстраивая как раз такую систему, о которой писал в своих исследованиях Бёрт.
Сегодня учёные могут заказать необходимые биологические инструменты через интернет и выстроить работающий метод генного драйва в течение нескольких недель. Мессер отмечает важную роль доступности технологии:
«— Любой человек с базовыми знаниями генетики и парой сотен долларов может заняться редактированием генов. Такая открытость технологии означает намного больше для её развития, чем в условиях экспериментов в закрытых лабораториях.»
Два сценария для будущего
Хотя редактирование генов вызывает сотни разнообразных модификаций, все результаты можно поделить на две главные группы — изменение и уничтожение. Когда учёные редактируют ген москита таким образом, что насекомое больше не может переносить вирус малярии — это пример изменения. Новый набор ДНК быстро распространяется в популяции, что способствует борьбе с эпидемией среди людей. Второй метод заключается в таком замещении генов, что все потомки рождаются только мужского рода, и вид постепенно вымирает, утратив возможность размножаться.
Но в естественной среде распространение изменённого гена предсказать сложно. Те же москиты проявили способность восстанавливать изначальный генетический код, нивелируя действия генных инженеров. Специалисты считают, что тем или иным образом все виды будут проявлять сопротивление и через несколько поколений восстановят заложенный природой набор генов.
В Корнелльском университете используют математическую модель для изучения распространения CRISPR-генов. Здесь, также, есть два возможных сценария развития событий. Первый — при котором отредактированная ДНК восстанавливается самостоятельно, и оба разорванных конца цепи соединяются в случайном порядке. Каждый отдельный организм изменяется по-своему, контролировать эти изменения учёные не могут. Представьте, что при редактировании текста из предложения удаляют словосочетание, оставшиеся слова переставляют, а напоследок — добавляют в текст наугад взятую из словаря фразу. В итоге получается предложение, но начисто лишённое первоначального смысла.
Второй вариант использования CRISPR — когда учёные вставляют в ДНК генетический шаблон и провоцируют предсказуемые соединения разорванной цепи. В этом случае, в условное предложение вставляют заранее отобранную фразу, взамен удалённого словосочетания. И полученное в итоге предложение соответствует задумке.
Первый сценарий является спасением для эволюции — сумбурно смешанная ДНК с неопознанными связями цепи из-за CRISPR не воспринимается другими генами и не передаётся в наследство следующему поколению. Если же учёные внедряют схожий фрагмент в генетический код, он приживается и распространяется в популяции. Впрочем, генетик Роберт Анклес (Robert Unckless), принимавший участие в экспериментах, утверждает, что в случае развития первого сценария генный драйв иногда может успеть, к примеру, сократить количество москитов, передающих вирус малярии.
«— Всё зависит от размера популяции вида и от массовости распространения редактированного гена. Естественной силе сопротивления понадобится некоторое время, чтобы выявить и побороть изменения ДНК, а до этого времени цель внедрения CRISPR может быть уже достигнута, какой бы она ни была.»
Другая группа исследователей, в которой объединились специалисты Гарварда и MIT, в своих экспериментах расширила применение метода случайных соединений в ДНК. Они использовали генный драйв, который изменял сразу несколько разных генов. Как пояснил Чарльстон Ноубл (Charleston Noble), таким образом повышаются шансы на выживание модификации. Кроме того, изменения могут задеть весьма важный ген, составляющий сущность живого организма. Эволюция не позволит себе избавиться от генетического наследия, если это повлечёт гибель всего организма.
Ещё один сценарий сопротивления генной инженерии описан в исследованиях Техасского университета в Остине. Учёные высказали предположение, что на распространение генного драйва в популяции может влиять поведение индивидуумов. К примеру, они могут просто перестать размножаться с теми организмами, геном которых был отредактирован. Биолог-эволюционист Джеймс Булл (James Bull), который является автором этого исследования, предполагает наличие дополнительных факторов, влияющих на процесс внедрения изменённых ДНК в естественную среду:
«— Математическая модель показала, что генный драйв распространяется намного хуже среди населения с высоким процентом близкородственных связей. И это связано не только с эволюцией. Есть и другие факторы, из-за которых в популяции не распространяются изменённые гены. Я подозреваю, что мы видим лишь верхушку айсберга.»
Результаты экспериментов
Все учёные приходят к выводу, что естественное сопротивление может возникнуть на любом этапе развития генома организма, и сдерживает его только «полёт фантазии» эволюции. Редактирование ДНК влияет на построение всей экосистемы. Чарльстон Ноубл поясняет, что если учёные смогут всё-таки вывести устойчивый к малярии вид москитов, это может привести к мутации насекомых. В конце концов, они могут начать переносить другие вирусы.
Если предположить, что целью применения метода генного драйва является распространение определённой характеристики видов, тогда естественное сопротивление выступает негативным явлением. Однако Мессер предлагает рассматривать его, как защитный механизм природы. Эволюция контролирует вмешательство человека, чтобы не позволить ему зайти слишком далеко и благими намерениями (та же борьба с малярией) не обеспечить человечеству путь к новым сложностям (распространение москитами новых болезней). С Мессером не согласен генетик Итан Байер (Ethan Bier). Он считает, что учёные ошибочно рассматривают восприятие генного драйва естественной средой за какую-то защитную систему.
Использование компьютерных алгоритмов и математических моделей помогает предугадать некоторые реакции, но экосистемы слишком сложные и слишком разнообразные, чтобы можно было говорить о надёжности результатов лабораторных манипуляций. Использование таких моделей показывает лишь часть того, что может произойти в природе, если инженеры отредактируют некоторые гены. Но правда заключается в том, что гораздо большая часть остаётся для учёных неизведанной. Все специалисты сходятся на том, что приступать к экспериментам за пределами лабораторий при такой частичной информированности — опасно и неэтично.
Мессер всё же не теряет оптимизма. Сейчас он проводит самые масштабные исследования за всю историю изучения генного драйва: в нескольких группах с разными методами внедрения изменённых генов участвуют по 5 тыс. фруктовых дрозофил. Редактированная ДНК снабжает мошек флюоресцентным белком и они светятся при определённом освещении, а учёные внимательно наблюдают, как именно наследуется эта черта.
В Гарвардской медицинской школе, тем временем, проводят эксперименты с москитами, целью которых является вывести насекомых, которые не смогут сопротивляться генному драйву. На основе всех полученных данных учёные разработают новые компьютерные модели для отслеживания наследования гена в популяции. Вряд ли специалистам удастся полностью преодолеть сопротивление эволюции, однако, найти приемлемый для человечества и природы компромисс — вполне реальная цель.
