Ученые-генетики оказались на пороге прорыва: инструмент редактирования генома CRISPR уже помогает им выращивать органы человека внутри животных, скрещивать ДНК животных и деревьев, найти способы победить рак. «Хайтек» собрал новейшие инструменты генетиков и посмотрел, какие проблемы они решат.
Если совсем просто, то генетическая инженерия состоит в изменении характеристик в макромолекулах ДНК и РНК растений, животных или других объектов. Ученые выделяют ген одного растения или животного и могут добавить его другому: например, участок ДНК из печени кролика встроить тополю, чтобы корни дерева лучше боролись с загрязнением почвы.
Сейчас у ученых три основных инструмента для работы, они были обнаружены при исследовании бактерий и вирусов. Новейший из них — CRISPR — основан на способности бактерий защищаться от вирусов, которые добавляют собственный генетический код жертвам. Выжившие бактерии сохраняют часть ДНК вируса в архиве. Протеин CAS9 занимается сверкой ДНК с этим архивом, чтобы при обнаружении совпадения отрезать часть ДНК вируса и сделать его неактивным. Этот инструмент удешевил процесс работы ученых и открыл новые возможности для лечения заболеваний и создания новых сельскохозяйственных культур. В начале 2018 года исследователи обнаружили еще один пригодный для использования в генной инженерии протеин — NmeCas9, — который позволяет редактировать не только ДНК, но и РНК.
Инструмент TALEN, или Transcriptor Activator-Like Effector Nucleases, также достался от бактерий, но он основан на их способности атаковать. Бактерия рода Xanthomas вредит сельскому хозяйству, повреждая томаты, перец и рис. Она добавляет в цитоплазму растительных клеток эффекторные белки (TALE), которые связываются с ДНК и устраняют способность растения защищаться от нее. Ученые также научились программировать этот процесс, добавляя в клетку нужный код ДНК.
Еще один важный инструмент основан на действии вируса-бактериофага Лямбда. Фаг атакует бактерию, встраивается в ее ДНК и остается в ней незамеченным, размножаясь с каждым делением клетки. В ДНК вируса находится сегмент, который не влияет на его развитие. Ученые могут встроить в этот сегмент необходимый код и таким образом «заразить» им клетку, чтобы та при делении продолжила сохранение этого кода в новых клетках.
Все эти инструменты дают возможности для решения самых разных проблем, существующих сегодня в мире.
Нехватка донорских органов
Проблема
Каждый год только в США более 8000 человек умирают в ожидании операции по пересадке органов, при том что ежегодно в стране проводят более 3 тыс. пересадок сердца и более 33 тыс. всех видов трансплантаций. В России показатели по операциям составляют 200 и 1703 соответственно.
Часто смерть одного человека спасает жизнь другому, например если донор гибнет в автокатастрофе. В нашей стране существует презумпция согласия на посмертное донорство, но это не отменяет создание списков ожидания. Например, в 2014 году в списке на пересадку почки были более 4,6 тыс. человек, всего провели 1 026 операций, а 56 человек умерли, не дождавшись органа для трансплантации.
Решение
В теории проблему нехватки донорских органов могла бы решить ксенотрансплантация, то есть межвидовая пересадка органов. Более сотни лет назад человек впервые использовал вытяжку половых желез животных для влияния на гормональную систему, а в 1984 году трансплантолог Леонард Бейли сделал попытку спасти грудного младенца, девочку по имени Бэби Фэй, с помощью пересадки ей сердца бабуина. Девочка умерла спустя 21 день: возникли послеоперационные осложнения в пищеварительном тракте и почках. Случай вызвал бурные обсуждения в обществе на тему этичности кросс-видовых пересадок.
Источником органов могут стать свиньи. Но пересаженный от животного человеку орган вместе с собой принесет вирусы, да и наша иммунная система не будет рада подобным «гостям». Американский генетик, молекулярный инженер и химик Джордж Черч и его компания eGenesis все ближе к тому, чтобы использовать свиные органы для пересадки людям. В 2015 году он поставил своеобразный рекорд: сделал 62 изменения в клетках свиней с целью сделать их органы пригодными для пересадки человеку. А еще два года спустя клонировал поросят с выключенными в их генах специфическими вирусами, тем самым еще на шаг приблизив человечество к избавлению от долгого ожидания органов. Ученые использовали инструмент редактирования генома CRISPR.
Овцы также могут стать донорами для человека. В 2018 году команда биологов рассказала об успехах в области создания химер. Эмбрионы овцы несли в себе около 10 тыс. человеческих клеток и развивались в течение 28 дней, но эксперимент был прерван по этическим причинам.
Рак
Проблема
Острый лимфобластный лейкоз — одно из онкологических заболеваний, которое препятствует формированию лейкоцитов и тромбоцитов. Организм человека не может сопротивляться инфекциям, а малейшая рана приводит к кровотечению, так как кровь не свертывается. Это наиболее распространенный вид лейкоза у детей. Сегодня это уже не приговор, выживаемость в течение 5 лет после постановки диагноза составляет в США 85%, по данным на 2016 год. Но цифры кажутся многообещающими только тем, кто не сталкивался с этим ужасом. Основной инструмент сегодня — химиотерапия, которая влияет на весь организм в целом. Позже может понадобиться трансплантация костного мозга.
Как избежать этого? Может, стоит модифицировать человека, избавив его от перспективы подобной болезни?
Решение
Больной острым лимфобластным лейкозом Лейле Ричардс был год, когда для ее лечения применили новый метод, который ранее опробовали только на мышах. «Лейле было плохо, она испытывала сильные боли, мы должны были что-то сделать. Врачи не гарантировали успех лечения, но мы молились за ее спасение», — рассказывали родители девочки.
Одной инъекцией девочке ввели в кровь модифицированные Т-лимфоциты донора, распознающие и уничтожающие чужеродные клетки. Но одна из главных сложностей борьбы с раком состоит в том, что организм не воспринимает клетки опухолей как чужие. Модификация была нужна, чтобы целью сделать раковые клетки. Генномодифицированные Т-лимфоциты получили название UCART 19. Спустя год после операции девочка чувствовала себя хорошо. Ей спас жизнь всего один укол.
В области модификации иммунных клеток организма для борьбы с раком продолжает работать китайская компания GenScript. К 2020 году должен появиться новый препарат, а в ближайшее время компания ожидает разрешения на клинические испытания.
Несколько лет назад ученые обнаружили причину болезни — мутантный ген ETV6. Сам по себе он не приводит к возникновению раковых опухолей, но в случае других мутаций или сбоя в работе иммунитета человека появляется острый лимфобластный лейкоз. В будущем с развитием технологий генной инженерии мы можем получить инструменты, способные исправлять подобные мутации, или же новые способы лечения подобных заболеваний. Тем более, что мы уже способны выявить группу риска на основе данного гена.
Голод
Проблема
По данным Всемирной организации здравоохранения за 2017 год во всем мире от голода страдают 815 миллионов человек — около 10% населения планеты. Миллионы детей недоедают, не достигают нормального роста и массы тела.
Одно из последствий недоедания — нехватка витамина A. От нее страдают около 250 млн детей. Каждый год до 500 тыс. детей необратимо слепнут и половина из них умирает в течение года после потери зрения. Самому высокому риску подвержены дети и беременные женщины, и в развивающихся странах для борьбы с дефицитом витамина A вводят различные программы.
Решение
Более половины населения Земли питается рисом. Человек научился его возделывать около 9 тыс. лет назад, с тех пор он стал одним из самых распространенных компонентов рациона и вошел в кухню разных стран или же стал ее основой — например в Индии и Китае.
У риса есть недостатки. Во-первых, он весьма требователен к условиям, посевы часто гибнут, если долго находятся под водой, каждый год до 40% посевов пропадают из-за вредителей и болезней. Во-вторых, в нем не так много витаминов. Но с помощью генной инженерии можно повысить устойчивость этой культуры и содержание в ней витаминов.
В 1990-е ученые нашли генетическую основу устойчивости некоторых видов риса к бактериальной инфекции и смогли ее изолировать. Этот же ген удалось добавить в код обычной разновидности риса, придав ей иммунитет. В результате по всему миру повысилась эффективность работы фермеров, часть из которых живут только за счет риса.
Но у 70 млн фермеров в мире есть еще одна проблема: когда посевы затоплены, урожаи гибнут. Рис, конечно, влагу любит, растет в стоячей воде, но большинство видов гибнет, если находится под водой более трех дней. Изменение климата и снег, выпадающий в самых неожиданных местах, эту проблему только усугубляют. Десять лет исследований потребовалось ученым, чтобы изолировать ген SUB1 одной из древних разновидностей риса и создать новую, толерантную к длительному пребыванию под водой.
Теперь рис мог противостоять различным болезням и долго находиться под водой. Настало время следующего этапа — скрещивания риса с одуванчиком. Именно так ученые сейчас пытаются решить проблему дефицита витамина A, добавляя в рис прекурсор этого витамина — бета-каротин. Согласно данным ряда исследований, новый продукт не вызывает аллергии, а каротин в нем эффективно перерабатывается человеком в витамин A.
Ученые могли бы решить некоторые из глобальных проблем, связанных с демографией, продовольствием и экологией. Комплекс мощных инструментов способен помочь человеку в таких областях, как повышение продолжительности и качества жизни, лечение редких заболеваний, создание новых агрокультур с повышенной толерантностью к внешним факторам и улучшенными пищевыми характеристикам. Но на их пути стоят иные препятствия: незнание и законодательные барьеры.