Текст книги "Трещина в мироздании"

Стоит отметить, что хотя взрослые Homo sapiens – это вид животных, к которым CRISPR будет применен в самую последнюю очередь, клетки человека подвергались экспериментам по редактированию генома чаще, чем клетки какого-либо другого организма. Ученые вводили CRISPR в клетки легкого, чтобы исправить генную мутацию, вызывающую кистозный фиброз, в клетки крови, чтобы устранить мутации, приводящие к серповидноклеточной анемии и бета-талассемии, и в мышечные волокна, чтобы избавиться от мутаций, служащих причиной миодистрофии Дюшенна. Исследователи использовали CRISPR для редактирования и исправления мутаций в стволовых клетках, которые впоследствии можно трансформировать практически в любые типы клеток, составляющие самые разнообразные ткани тела. А еще ученые отредактировали с помощью CRISPR тысячи генов в раковых клетках человека в попытке найти новые мишени для противораковых лекарств и новые методы лечения онкологических заболеваний.

Но если и было что-то более вдохновляющее, чем наблюдение за тем, как CRISPR используют едва ли во всех вообразимых организмах, так это свидетельства того, как расширяются сами границы редактирования генома. В 1980-х ученые довольствовались редактированием отдельных генов с эффективностью всего в несколько долей процента. К началу 2000-х доля успешных попыток выросла до нескольких (обычно не больше трех) процентов, плюс теперь стало возможно изменять гены еще парой новых способов. Но с появлением CRISPR редактирование генома стало давать столько разнообразных возможностей, что его начали называть геномной инженерией – этот термин отражает беспрецедентные возможности манипуляций с генетическим материалом, находящимся внутри живых клеток.

Применяя CRISPR к самым различным организмам, ученые разработали и доработали множество подходов к редактированию ДНК. В дополнение к простому разрезанию ДНК и вставке новых последовательностей в геном-мишень исследователи теперь могут выводить из строя гены, переставлять последовательности в генетическом коде и даже исправлять ошибки всего в одной “букве”, как и продемонстрировал Киран Мусунуру, когда я была у него в лаборатории. Эти достижения, в свою очередь, дали исследователям возможность проводить новые типы экспериментов на представителях царств растений и животных, включая наш собственный вид. Так что перед тем как продолжить рассказ о спектре применений редактирования генома, важно понять множество потенциальных применений этого невероятно многофункционального инструмента.

Весной 2014-го учитель шестого класса, в котором учился мой сын Эндрю, пригласил меня к ним на урок объяснить ученикам, что такое CRISPR. Я почла за честь это приглашение, но при этом волновалась: как же мне понятно рассказать о редактировании генома детям, у которых есть только самые базовые знания о ДНК?

Я решила принести с собой напечатанную на 3D-принтере модель белка Cas9 и его направляющей РНК, связанной с ДНК. Эта модель стала главным украшением моего кабинета: ее ярко-оранжевая РНК и бриллиантово-голубая ДНК сплелись с белоснежным белком в структуру размером с футбольный мяч; вместе их удерживали магниты. Я рассудила, что детали молекулярных механизмов в основе CRISPR будут сложны и неинтересны для школьников, и решила просто отдать им “футбольный мяч”, чтобы они, передавая его друг другу, смогли рассмотреть структуру вблизи.

Я недооценила любознательность школьников. Практически сразу же после того, как я отдала им модель, они нашли способ разорвать ДНК в месте, где ее разрезает Cas9, и поняли, как помещать ДНК внутрь системы CRISPR и извлекать ее оттуда. А я так волновалась, что не смогу объяснить им все эти сложные принципы!

Как я сказала ребятам, CRISPR можно представить себе как сделанные на заказ молекулярные ножницы, поскольку их основная функция – “садиться” на заданные двадцатибуквенные последовательности ДНК и разрезать обе цепи двойной спирали. Однако варианты результатов редактирования генома, которых могут добиться ученые, поразительно разнообразны. По этой причине CRISPR лучше сравнить не с ножницами, а со швейцарским ножом, множество функций которого обеспечивает одна и та же молекулярная машина.

Простейший вариант применения CRISPR одновременно и наиболее популярный: систему используют, чтобы вырезать определенный ген и затем дать клетке возможность устранить повреждение повторным соединением цепей ДНК. Этот неточный и чреватый ошибками процесс оставляет явные следы – короткие вставки или делеции ДНК (инделы), стоящие по бокам от последовательности, вырезанной CRISPR. Даже несмотря на то, что ученые не в состоянии контролировать, как именно пройдет процесс репарации ДНК в каждом конкретном случае использования CRISPR, они понимают, насколько полезным может быть такой вариант редактирования генома.

В конце концов, гены – всего лишь носители информации, что-то вроде чертежей здания; цель редактирования генома состоит не в том, чтобы просто изменить чертеж, а в том, чтобы поменять форму здания, которое вы собираетесь построить. Во многих случаях это означает изменение структуры белков, которые кодируются генами и производятся клетками при экспрессии этих генов.

Экспрессия генов – это процесс, в ходе которого не имеющие значения по отдельности “буквы” ДНК дают начало функциональным белкам в соответствии с центральной догмой молекулярной биологии. Сначала в ядре клетки создается временная копия информации с ДНК, именуемая матричной РНК (или мРНК). Как и цепочка ДНК, мРНК представляет собой последовательность нуклеотидов, и она совпадает с таковой для ДНК, которую она воспроизводит (с единственным значимым отличием – тимины (Т) заменены на урацилы (У)). Матричная РНК выводится из клеточного ядра и доставляется к фабрике по производству белков под названием рибосома, а рибосома переводит информацию с основанного на четырех буквах (А, Г, Ц и У) языка РНК на язык белков, алфавит которого состоит из двадцати букв (различных аминокислот). Перевод производится согласно генетическому коду – шифру, в котором каждая тройка “букв” РНК, называемая кодоном, указывает рибосоме, какую одну аминокислоту ей добавить к уже имеющейся цепочке. (Поскольку различных кодонов 64, а аминокислот, которые надо закодировать, только 20[85]85
  Это лишь основные, существует еще несколько аминокислот, кодируемых мРНК у различных организмов.


[Закрыть], многие аминокислоты обозначаются несколькими кодонами, а три кодона служат сигналами остановки, обрывающими синтез белка.) Рибосома собирается на одном конце мРНК и, начиная с него, без пропусков читает один за другим кодоны в составе этой молекулы, добавляя необходимые согласно “правилам перевода” аминокислоты к растущему белку до тех пор, пока не достигнет противоположного конца мРНК; процесс во многом похож на сборку автомобиля на конвейере. Для корректной работы этой системы критически важно, чтобы рибосома работала только с правильной трехбуквенной рамкой считывания; даже минимальный сдвиг этой рамки способен привести к катастрофическим последствиям для процесса трансляции.

Чтобы лучше это понять, представьте себе, что из предложения “Собака тяпнула почтальона за ногу” убрали первую букву и заново разбили предложение на “слова” прежней длины. У вас получится бессмысленное “Обакат япнулап очтальоназ ан огу”. Если рибосома сделает нечто подобное при чтении генетического кода, она соберет на основе искаженного бессмысленного сообщения совершенно неправильную последовательность аминокислот. Ну а если, предположим, получившаяся каша из символов РНК содержит один из трех вариантов стоп-кодонов, процесс трансляции прервется раньше времени. Экспрессия генов нарушится.

Отсюда следует главное свойство CRISPR как средства редактирования генома: он может нарушить способность гена служить источником информации для создания функционирующего белка. Если в отредактированном CRISPR гене появится небольшая вставка или удаление (делеция), структура мРНК, которая была произведена на основе информации от этого гена, также будет нарушена. В большинстве случаев эти лишние или недостающие “буквы” нарушат четкую структуру элементов генетического кода, сгруппированного в тройки, так что белок окажется либо совершенно не таким, каким должен быть, либо, что гораздо вероятнее, вообще не синтезируется. В любом случае белок не сможет корректно выполнять свои функции. Генетики называют это явление “нокаут гена” (KO), по аналогии с боксом: ген тут успешно “вырубили”, и он больше ничего не способен сделать.

Нокаут генов с помощью CRISPR

Когда специалисты по генетике животных начинали использовать CRISPR, они собирались создать четко проявляющие себя генные нокауты. Одной из их излюбленных мишеней был ген под названием TYR. Он возник более полумиллиарда лет назад и широко распространен среди животных, растений и грибов; этот ген кодирует белок тирозиназу, участвующий в процессе синтеза меланина – важного пигмента. Мутации TYR у людей приводят к недостаточности тирозиназы и вызывают кожно-глазной альбинизм I типа – генетическое нарушение, для которого характерны дефекты зрения, бледная, слабо пигментированная кожа и красные глаза. Если CRISPR запрограммировать на редактирование мышиной версии гена TYR, то вызовет ли его действие альбинизм у мышей? В 2014 году коллектив ученых из Техасского университета спроектировал версию CRISPR, атакующую двадцатибуквенную последовательность ДНК в гене TYR, и ввел ее в оплодотворенные мышиные яйцеклетки[86]86
  S.-T. Yen et al., “Somatic Mosaicism and Allele Complexity Induced by CRISPR/Cas9 RNA Injections in Mouse Zygotes”, Developmental Biology 393 (2014): 3–9.


[Закрыть]. Развившиеся из них грызуны поразили ученых: хотя все их родители имели шерстку нормального темного цвета, многие мышата родились с красными глазами и абсолютно белой шкуркой. Такой результат можно было объяснить только мутациями в ДНК, нарушившими дешифровку гена TYR. Изменение цвета кожи, шерсти и глаз мышей было именно таким четким признаком нокаутирования гена, как того и хотели исследователи.

Хотя по результатам секвенирования ДНК всегда можно подтвердить факт редактирования генома, прелесть использования гена TYR в качестве мишени заключалась в том, что ученые могли увидеть результаты своих экспериментов воочию. Простой подсчет числа черных (тех, у которых редактирования генома не произошло) и белых (тех, чей геном оказался отредактирован) мышат дал удивительно точную оценку эффективности CRISPR. Кроме того, аналогичным способом можно было следить за изменением этой эффективности во времени, по мере того как в различных лабораториях оптимизировали строение и создание CRISPR-систем. В работе техасцев только 11 % потомства родителей, чьи зиготы были отредактированы, были полными альбиносами, и немалое количество мышат на фотографиях этих пометов были черно-белыми – и порой черного у них в шерсти было заметно больше, чем белого. Не прошло и года, как исследовательский коллектив из Японии повторил эти эксперименты с минимальными изменениями методики и добился эффективности в 97 %[87]87
  G. A. Sunagawa et al., “Mammalian Reverse Genetics Without Crossing Reveals Nr³a as a Short-Sleeper Gene”, Cell Reports 14 (2016): 662–677.


[Закрыть]: шерсть тридцати девяти из сорока мышат сияла белизной, а пигментов в радужке не было. Всего за несколько недель ученые точно заданным образом навсегда изменили генофонд целого поколения мышей (и всех их будущих потомков) – таким образом, каким это никогда не задумывала природа.

Генные нокауты – лишь один из множества подходов к редактированию генома, которые ученые довели до совершенства с помощью CRISPR. Нередко генным инженерам требуется нечто более точное, чем неспецифическое внедрение мутаций в ген за счет случайных вставок или делеций нуклеотидов ДНК. В конце концов, главная цель редактирования генома, по крайней мере применительно к медицине, – это избавление от генетических заболеваний, абсолютное большинство которых вызывается мутациями, “выключающими” важные гены. В таких случаях генные нокауты не принесут пользы, так как у них уже есть неработающие гены – и именно они служат причиной проблем со здоровьем. Что необходимо ученым, так это способ выявлять отдельные ошибочно расположенные “буквы” ДНК, редактировать их и таким образом приводить состав генов в норму.

К счастью, клетки имеют молекулярные машины для осуществления второго типа репарации клеток, гораздо более точного и лучше поддающегося контролю, чем простое склеивание фрагментов разорванной ДНК. Вместо соединения отрезков ДНК, последовательности нуклеотидов в которых никак не связаны друг с другом, этот второй вариант репарации – цепь биохимических реакций, которую пионеры редактирования генома использовали в своих целях, – соединяет только отрезки ДНК, последовательности нуклеотидов которых частично совпадают. По причине такой избирательности процесс называют двумя синонимичными терминами: гомологичная рекомбинация и репарация, направляемая гомологией.

Гомологичная рекомбинация сходна с процессом сборки панорамного снимка из трех частично перекрывающихся фотографий. Чтобы в итоговом изображении они составляли единое целое, фотографу нужно правильно наложить бока центральной фотографии на правую сторону фото слева и левую сторону фото справа. Если середина панорамы вырезана или повреждена, фотографу достаточно взять дубликат центрального снимка и по описанному принципу восстановить панораму. А если изображаемый пейзаж в реальности изменился – например, там построили новый дом или срубили большое дерево, – фотограф в состоянии справиться и с этой ситуацией. Для этого ему нужно вставить новое центральное изображение взамен старого, используя тот же самый подход.

Получается, что ферменты внутри клетки выполняют аналогичные операции вырезания и вставки, но вместо панорамы у них ДНК. Способ репарации, о котором мы уже говорили, – соединение концов, иногда приводящее к ошибкам в последовательности нуклеотидов, – применяется, когда клетка сталкивается с такой серьезной и неотложной проблемой, как разорванная хромосома, и “на авось” заново соединяет разрезанные концы – подобно тому как фотограф склеивает панораму, в которой не хватает кусочка пейзажа. Однако когда у клетки есть и разорванная хромосома, и второй фрагмент ДНК, совпадающий с двумя разъединенными концами, – шаблон для починки, по функциям напоминающий дубликат центрального снимка из примера выше, – она выбирает лучший вариант: вставить фрагмент ДНК в разорванную хромосому, но таким образом, чтобы он без шва наложился на соответствующие концы. При реализации такой стратегии вредоносную генетическую мутацию в точке, куда нацелен CRISPR (или в непосредственной близости от нее), можно навсегда устранить, заменив новой, “здоровой” последовательностью ДНК. Пока исследователи снабжают клетку CRISPR шаблоном для репарации, последовательность которого совпадает с таковой для поврежденного гена, клетка будет добросовестно использовать выданные ей запчасти для устранения повреждений.

Гомологичная рекомбинация с CRISPR

Помимо тонкой настройки генов путем “небрежной” (негомологичной) или точной (гомологичной) репарации, ученые приспособили CRISPR для вырезания или переворачивания больших фрагментов ДНК, что позволяет изменять гораздо более крупные участки генома. В рамках этого метода используется готовность клеток “пойти на все”, лишь бы восстановить целостность хромосомы. Вооружив Cas9 двумя разными направляющими РНК, исследователи могут запрограммировать CRISPR на разрезание хромосомы в двух соседних генах; клетка справляется с этим повреждением, собирая хромосому заново по одному из трех сценариев.

Создание инверсий или делеций в генах с помощью CRISPR

В этой ситуации клетке нужно соединить в два раза больше концов разорванных молекул, чем в случаях, которые мы рассматривали раньше. Первый способ это сделать – на максимальной скорости, одновременно, “склеить” молекулу сразу в двух местах. Впрочем, часто отрезок времени, в течение которого репарацию можно провести таким путем, очень незначителен, поскольку молекулы в клетке непрерывно хаотично перемещаются. Если участок ДНК между двумя точками, в которых молекула была разрезана, “уплывет” куда-нибудь в сторону, клетка будет действовать согласно плану Б – и соединит концы порванной ДНК без разделяющего их фрагмента, который перестал быть доступным. Этот способ репарации можно сравнить с методом, с помощью которого режиссеры монтажа раньше удаляли ненужные сцены из фильма. Они просто разрезали пленку в двух местах – перед началом и по завершении ненужной сцены, – затем запись этой сцены выкидывали, а оставшиеся два конца пленки склеивали один с другим.

Третий способ репарации предполагает инверсию вырезанного фрагмента ДНК. В данном случае вырезанная часть ДНК перемещается таким образом, что остается примерно на том же месте, но переворачивается на 180 градусов, так что ее передний конец теперь находится там, где располагался задний, и наоборот. Те же ферменты, что способствуют соединению концов, “вклеят” недостающий кусочек в ДНК невзирая на его ориентацию.

Существует и другая область применений CRISPR, не имеющая ничего общего с редактированием генов. Вместо того чтобы пользоваться возможностью CRISPR разрезать ДНК, ученые буквально ломают механизм – нарочно. Специально “выключая” молекулярные ножницы, они могут управлять геномом дистанционно – не внося перманентные правки в ДНК, а изменяя то, как эта ДНК считывается, транслируется и экспрессируется. Прямо как невидимые ниточки дают “кукловоду” практически полный контроль над движениями и действиями “марионеток”, эта нережущая версия CRISPR позволяет ученым управлять поведением клетки, тем, что она производит.

Основы этого “марионеточного управления” фактически были заложены в ходе ранних экспериментов с CRISPR-Cas9, проводившихся у меня в лаборатории. Белки обычно состоят из сотен или тысяч “кирпичиков” – аминокислот, большинство которых служит для придания молекуле определенной формы, а способность фермента катализировать определенные химические реакции определяется функциональными группами всего нескольких из множества входящих в его состав аминокислот. Когда Мартин Йинек впервые определял биохимические функции Cas9, он показал, какие конкретно аминокислоты расщепляют химические связи между звеньями каждой из цепей двойной спирали ДНК. Провоцируя такие мутации в гене сas9, чтобы эти аминокислоты заменились на другие, он создал версию соответствующего белка, абсолютно утратившую способность разрезать ДНК, но, что примечательно, по-прежнему способную взаимодействовать с направляющей РНК и прочно соединяться с комплементарными последовательностями ДНК. Мы разрушили структуру каталитического центра фермента, но инактивированный Cas9 все же сохранил некоторые из своих функций: он мог находить и фиксировать конкретные последовательности ДНК в геноме, только не был способен их разрезать. Похожую работу опубликовал Виргиниюс Шикшнис с коллегами[88]88
  Gasiunas et al., “Cas9-crRNA Ribonucleoprotein Complex Mediates Specific DNA Cleavage.”


[Закрыть].

Неподалеку от нас, в Калифорнийском университете в Сан-Франциско, организовывал собственную лабораторию Стэнли Ки, получивший степень доктора философии в Беркли. В ходе совместной работы с Джонатаном Вайссманом и Уэнделлом Лимом (оба они были профессорами Калифорнийского университета в Сан-Франциско) Стэнли продемонстрировал, что дезактивированная версия CRISPR тоже может найти применение в управлении геномом[89]89
  L. S. Qi et al., “Repurposing CRISPR as an RNA-Guided Platform for Sequence-Specific Control of Gene Expression”, Cell 152 (2013): 1173–1183; L. A. Gilbert et al., “CRISPR-Mediated Modular RNA-Guided Regulation of Transcription in Eukaryotes”, Cell 154 (2013): 442–451.


[Закрыть]. В отличие от обычной версии, редактирующей ДНК, версия Стэнли Ки позволяла ученым вносить временные изменения в геном: эти изменения не затрагивали последовательность нуклеотидов, но при этом влияли на то, каким образом экспрессируется генетическая информация. В частности, Ки преобразовал CRISPR в аппарат контроля экспрессии генов, способный “включать” и “выключать” их, выкручивать их чтение на максимум или опускать до минимального уровня – примерно как реостат регулирует яркость свечения лампочки.

Дезактивированная система CRISPR работает подобно молекулярной вьючной лошадке. Ученые создали систему из Cas9 и направляющей РНК с присоединенным к ней грузом из молекул определенных белков, которая доставляет эти белки к выбранным генам-мишеням вместо того, чтобы разрезать данные гены. Эта “белковая посылка” включает в себя молекулы, влияющие на экспрессию генов, – эти молекулы либо повышают интенсивность этой экспрессии, либо “гасят” ее (напоминаю пример с реостатом).

Контроль экспрессии генов – сложный процесс, состоящий из множества частично пересекающихся сигнальных путей и определяющий, когда и с какой скоростью генетическая информация в форме ДНК преобразуется в белки. Вероятно, этот процесс не менее важен с биологической точки зрения, чем та наследственная информация, с которой этот контроль работает. Почти все клетки из тех пятидесяти триллионов, что слагают наше тело, несут один и тот же геном, и тем не менее их формы, размеры и функции невероятно разнообразны – равно как ткани и органы, которые эти клетки формируют. Некоторые клетки атакуют патогены (возбудителей заболеваний) в крови, другие сокращаются и расслабляются, чтобы перекачивать кровь по телу, а какие-то хранят воспоминания в нервной системе; единственное, что различает клетки иммунной системы, волокна сердечной мышцы и клетки головного мозга, – это паттерны экспрессии генов, сформировавшиеся при образовании этих клеток из их предшественников. Более того, генетические мутации, вызывающие рак и прочие заболевания, так губительно действуют на организм не потому, что они полностью дезактивируют определенные гены, а потому, что из-за этих мутаций гены неправильно экспрессируются.

Возможность активировать экспрессию генов или тормозить открывает почти столько же перспектив, как и само их редактирование. Представьте себе, что клетка – это сложнейшая в мире симфония, написанная для более чем двадцати тысяч инструментов[90]90
  В настоящее время выделяют около 20 000 человеческих генов.


[Закрыть]. В здоровой, нормально функционирующей клетке голоса этих инструментов точно сбалансированы; в клетках, которые инфицированы или переродились в раковые, этот баланс нарушен: некоторые инструменты звучат слишком громко, а некоторые – слишком тихо. Некоторые способы редактирования генома слишком грубы и недостаточно точны для возвращения симфонии к нормальному звучанию: вместо того чтобы настроить тот или иной инструмент, они его выкинут или заменят на другие. Дезактивированная система CRISPR дает возможность настроить любой инструмент оркестра – то есть генома – с большей чувствительностью.

Вооруженные полным набором инструментов CRISPR, ученые теперь могут практически полностью контролировать и состав генома, и работу отдельных его генов. Независимо от того, каким способом это делать – грубым ли соединением концов или точной гомологичной рекомбинацией, делать один надрез, несколько или вообще обойтись без них, – спектр возможностей невероятен. Причем скорость, с которой совершенствуется этот инструмент, не падает. Специалисты в области генной инженерии создали флуоресцентные версии CRISPR, позволяющие увидеть трехмерную организацию генома в клетках; варианты, мишенью которых служат мРНК вместо ДНК, что открывает доступ к особому способу контроля генов; версии, вводящие в геном опознавательные метки – “штрихкоды”, дающие исследователям возможность записывать историю событий в клетке прямо в ДНК на ее языке; и так далее и тому подобное. Нередко кажется, что спектр применения CRISPR в качестве инструмента генной инженерии ограничен только коллективным воображением человечества. В свете невероятной гибкости CRISPR не побоюсь предположить, что эта система станет основным инструментом работы для всех биологов независимо от их специализации.

Сказать, что мне было приятно видеть все эти невероятные технические возможности, плод работы сначала нескольких десятков, потом нескольких сотен, а затем и тысяч ученых, – значит ничего не сказать. Любой изобретатель и инноватор знает, что ощущение удовлетворения от того, что твою разработку стали использовать другие, ни с чем не сравнится. Кроме того, повсеместное использование технологии – это наилучший и самый быстрый способ отточить и переосмыслить ее.

Неожиданный взрывной рост числа исследований с применением CRISPR частично был следствием широчайших возможностей механизма, а частично – фантастическим количеством доступных его вариантов. После того как инструментарий CRISPR был расширен, ни одна “буква” ДНК в геноме, ни один ген или группа генов не остались недоступными для этой системы. Как я покажу в следующих главах, использование инструментов CRISPR в приложении к человеческому организму обещает революцию в лечении рака и генетических заболеваний, а его применение к растениям и животным дает возможности усовершенствовать производство пищи, уничтожить возбудителей различных заболеваний и даже возродить вымершие виды. Неудивительно, что всего через несколько месяцев после публикации первых сообщений о редактировании генома с помощью CRISPR журнал Forbes прогнозировал, что эта технология изменит индустрию биотехнологий навсегда[91]91
  M. Herper, “This Protein Could Change Biotech Forever”, Forbes, March 19, 2013, www.forbes.com/sites/matthewherper/2013/03/19/the-protein-that-could-change-biotech-forever/#7001200f473b.


[Закрыть].

Но настоящая причина, по которой CRISPR ворвался на биотехнологическую сцену с такой огромной скоростью, снося все на своем пути, – это низкая стоимость и простота технологии. CRISPR наконец сделал редактирование генома доступным для всех ученых. Более ранние инструменты в этой области – главным образом ZFN и TALEN – было трудно проектировать, да и большинству исследователей они были не по карману. По этой причине многие лаборатории, включая мою собственную, не слишком стремились подключаться к исследованиям на тему редактирования генома и разбираться со всеми сопутствующими трудностями. А в случае CRISPR, напротив, лаборатория может легко спроектировать такую его версию, чтобы мишенями для нее служили конкретные гены, подготовить требуемый белок Cas9 и направляющую РНК и провести эксперименты самостоятельно по стандартным методикам, и все это в течение считанных дней и безо всякой посторонней помощи. Единственное, что понадобится на старте, – копия изначальной искусственной хромосомы (плазмиды), содержащей CRISPR. Но эту потребность с лихвой удовлетворила некоммерческая организация Addgene – весьма успешное и непрерывно расширяющееся хранилище плазмид и одновременно площадка для их покупки и продажи.

Addgene – это как Netflix, только для плазмид. Как только Мартин и я разослали нашу статью о CRISPR по научным журналам, мы отправили его плазмиды на хранение в Addgene – подобным образом киностудии выдают Netflix лицензию на прокат своей продукции. Многие научные лаборатории, производящие плазмиды с CRISPR, поступают так же. Addgene ведет тщательный учет плазмид, которые хранит, размещает информацию о них и их характеристиках у себя на сайте и синтезирует тысячи копий, чтобы все нуждающиеся могли их купить. Стоимость для исследовательских лабораторий в 2016 году – всего шестьдесят пять долларов за плазмиду. Снизив нагрузку на производителей плазмид и удовлетворив запросы всех нуждающихся, Addgene помог обеспечить ситуацию, в которой все лаборатории в мире, и исследовательские, и некоммерческие, могут получить нужные для их конкретных исследований материалы, включая необходимые для работы с системой CRISPR. Только за 2015 год Addgene отправил примерно шестьдесят тысяч посылок с ассоциированными с CRISPR плазмидами ученым более чем из восьмидесяти стран[92]92
  H. Ledford, “CRISPR: Gene Editing Is Just the Beginning”, Nature News, March 7, 2016.


[Закрыть].

Компьютеры тоже способствовали тому, что редактирование генома стало легким как никогда. Разнообразные пакеты программ используют продвинутые алгоритмы, включающие все подходящие принципы проектирования, в том числе эмпирические данные из научной литературы о том, какие направляющие последовательности работают в данном случае лучше остальных. У исследователя появился доступ к автоматизированному одностадийному методу сборки именно той версии CRISPR, которая наиболее всего подходит для редактирования того или иного конкретного гена. Эти алгоритмы не сделали ученых более ленивыми; напротив, они обеспечили возможность проведения технически наиболее сложных экспериментов по редактированию генома – проведения полногеномных скринингов, в которых CRISPR используют для редактирования каждого гена в составе генома.

Сегодня благодаря этим свойствам CRISPR начинающий ученый с самыми базовыми навыками может полностью провести исследование, которое всего несколько лет назад было невозможно даже представить. Это уже стало общим местом нашей молодой области науки: то, что еще не так давно требовало долгих лет работы в лаборатории с современным оборудованием, теперь может за несколько дней выполнить ученик старших классов. Некоторые эксперты посчитали, что с доступными в настоящее время инструментами любой может организовать собственную CRISPR-лабораторию всего за две тысячи долларов[93]93
  K. Loria, “The Process Used to Edit the Genes of Human Embryos Is So Easy You Could Do It in a Community Bio-Hacker Space”, Business Insider, May 1, 2015.


[Закрыть]. Другие специалисты прогнозируют расцвет биохакерства – пришествие любителей, исповедующих философию “сделай сам”, увлеченных энтузиастов биотехнологий, которые будут экспериментировать с CRISPR-редактированием генома у себя дома. CRISPR даже стал звездой краудфандинговой кампании, в ходе которой стартап, намеревавшийся производить и распространять наборы для самостоятельного редактирования генома, собрал существенно больше 50 000 долларов. Теперь инвесторы проекта за 130 долларов получают “все, что нужно для проведения точного редактирования генома бактерий в домашних условиях”[94]94
  J. Zayner, “DIY CRISPR Kits, Learn Modern Science by Doing”, www.indiegogo.com/projects/diy-CRISPR-kits-learn-modern-science-by-doing#/.


[Закрыть].

CRISPR сделал редактирование генома доступным массам: он в состоянии перевести это полумагическое занятие в разряд хобби или занимательного ремесла, нечто вроде домашней пивоварни (кстати, редактирование генома дрожжей для получения пива с новыми вкусами[95]95
  E. Callaway, “Tapping Genetics for Better Beer”, Nature 535 (2016): 484–486.


[Закрыть] – одно из крайне интересных и неожиданных применений CRISPR, о котором мне стало известно). Во многих смыслах это здорово – но вместе с тем стремительное распространение настолько мощного инструмента отчего-то тревожит.

Повышение доступности CRISPR ускорит процесс исследований и разработок, который я описала в этой главе, но эта же доступность приведет к таким применениям этой технологии, к которым люди пока не готовы, – и эти применения не ограничатся стенами лабораторий. Ученые по всему миру уже используют CRISPR в клетках самых разных организмов таким образом, какого никто себе и представить не мог; не за горами аналогичные манипуляции с геномом человека.

Как нам вообще сопоставить минусы и плюсы от взлома нашего собственного генетического кода? Сможем ли мы договориться между собой, в каких случаях уместно использовать CRISPR, и сумеем ли мы предотвратить злоупотребления этим инструментом?

Доступный нам сегодня уровень технологий изменения генома предполагает уровень ответственности, к которому мы, к сожалению, абсолютно не готовы. В следующей части книги я опишу несколько дилемм, возникших вследствие CRISPR-революции, а также невероятных возможностей, источником которых она послужила. Точная оценка опасностей, которые неизбежно возникнут в процессе применения такой технологии, как CRISPR, а также степени ответственности, которая потребуется, чтобы использовать ее возможности во благо человечества и планеты, – это будет сложнейший экзамен. Но мы обязаны его сдать: иного варианта у нас просто нет.