Текст книги "Редактируя человечество: Революция CRISPR и новая эра изменения генома"

Дэйн Кэрролл, первопроходец в области ZFN, согласился с ним. В отличие от CRISPR, известные редакторы генома были получены из активных ДНК-связывающих белков эукариотических клеток. «Нет никакой гарантии, что Cas9 будет эффективно воздействовать на хроматин, – писал Кэрролл. – Ответить на эти вопросы помогут лишь попытки применить систему на эукариотах»[164]164
  D. Carroll, «A CRISPR Approach to Gene Targeting,» Molecular Therapy 20, (2012): 1656–1660, https://www.cell.com/molecular-therapy-family/molecular-therapy/fulltext/S1525–0016(16)32156–6.


[Закрыть]. Другими словами, не узнаем, пока не попробуем. В заключение Кэрролл отметил: «Неизвестно, предоставит ли система CRISPR реагенты нового поколения для таргетного расщепления, но попробовать стоит. Ждите новостей».

«Ждите новостей» – это реплика в обиходе ученых, которую они сотни раз писали в обзорах журналов и в комментариях. Так работает наука: больше задает вопросы, а не отвечает. Выдающийся биохимик из штата Юта не мог себе представить, что его слова будут разбирать и анализировать не только его коллеги-ученые, но и масса патентных адвокатов, которые заведут многолетний спор о том, так кто же изобрел редактирование генов с помощью CRISPR.

В науке огромное значение имеет возможность первым опубликовать результаты, которые означают прорыв, революцию в отрасли. Это дает признание, финансирование, продвижение по службе, постоянную штатную должность, награды. Каждый день исследователи возлагают надежды на редакторов ведущих биомедицинских журналов. В трех таких журналах – Nature, Science и Cell (иногда называемые журналами CNS) – редакторы – это специалисты, работающие полный рабочий день, а не преподаватели, работающие по совместительству. Как могут засвидетельствовать Мохика, Верно и многие другие исследователи, критически настроенные, нерешительные и плохо информированные редакторы и рецензенты могут допускать ошибки и заставлять авторов томительно долго ждать решения о публикации, часто месяцами пытаясь найти издания, чтобы предоставить им полученные результаты. В 2012 г. ученые вновь испытали на себе гнев издательских богов.

Литовский биохимик Шикшнис сотрудничал с Хорватом и Баррангу в течение пяти лет. После успешного переноса системы CRISPR с S. thermophilus на E. coli, удобную для работы в лаборатории, он с удивлением обнаружил, что она тоже могла защищаться от вторжения ДНК, несмотря на то что с эволюционной точки зрения эти два вида бактерий были очень дальними родственниками[165]165
  R. Sapranauskas et al., «The Streptococcus thermophilus CRISPR/Cas system provides immunity in Escherichia coli,» Nucleic Acids Research 39, (2011): 9275–9282, doi.org/10.1093/nar/gkr606.


[Закрыть]. В дальнейшем исследователи решили шаг за шагом удалять каждый из четырех генов Cas, смежных с блоком последовательностей CRISPR, и наблюдать, что произойдет. Удаление трех из четырех генов не повлияло на защиту от фага, но дезактивация Cas9 нанесла вред системе защиты, как будто отключив систему сигнализации. Это был верный признак того, что Cas9 служил ключевым элементом противодействия, которое оказывал CRISPR. Одному из учеников Шикшниса, Гедрюсу Гасюнасу, удалось выделить активный Cas9 в пробирке. «Я до сих пор помню волнение, когда он провел свой первый эксперимент», – вспоминает Шикшнис, одновременно разрезая ДНК с использованием выделенного Cas9. Он опубликовал десятки статей в хороших журналах, но это была новость особой важности, достойная очень серьезного журнала.

В 1974 г. бывший редактор Nature Бенджамин Левин основал журнал Cell, посвященный «молекулярной биологии клеток и их вирусов». В то время как Nature и Science печатались на тонкой, как паутина, бумаге, по плотности напоминающей туалетную, выпуски Cell выглядели и ощущались как научный журнал мод – с толстой обложкой, приятной на ощупь глянцевой бумагой и логотипом и текстом, набранным необычным шрифтом Helvetica. В то время как редакторы Nature заставляли авторов сжимать свои статьи до объема не более 1000 слов, Левин давал ученым полную свободу действий в изложении и обсуждении их результатов без произвольных ограничений. Также Левин, автор ряда успешных учебников по генетике, знал науку и дружил с учеными. Он открыл офис редакции журнала на Гарвард-сквер, куда ведущие ученые из Гарвардского университета и Массачусетского технологического института часто собственноручно приносили свои последние рукописи. И хотя Cell выходил раз в две недели, в сверхконкурентном мире молекулярной биологии Левин обычно опережал своих соперников. В 1990 г. кто-то придумал пародию на Cell[166]166
  «Cool,» vol. 1, number 1, July 30, 1990, http://cell.com/pb/assets/raw/journals/research/cell/cell-timeline-40/spoof.pdf.


[Закрыть] и разослал ее по факсу. Она называлась Cool[167]167
  В требованиях к статьям журнала Cool было указано: «Cool публикует только статьи, которые он считает невероятно крутыми. Любая тупая хрень, присланная на рассмотрение, будет немедленно отправлена обратно авторам; нам прислали слишком много крутого (в основном от крутых парней), чтобы тратить на нее наши драгоценные глянцевые модные страницы».


[Закрыть]. Левин продал свою компанию Cell Press голландскому издательскому гиганту Elsevier в 1999 г. более чем за $100 млн.

Шикшнис гордился результатами по Cas9, которые, по его мнению, «открыли путь для разработки уникальных молекулярных инструментов для РНК-управляемой ДНК-хирургии». Он направил статью, написанную в соавторстве с Баррангу и Хорватом, в журнал Cell в марте 2012 г., но вскоре пожалел о своем решении. Через неделю редактор отклонил статью, не посоветовавшись ни с одним из сторонних экспертов, обосновывая это тем, что «результаты достаточно невыразительные». Шикшнис был расстроен. «Мы думали, это станет большим событием, поскольку в своей статье показали, что в принципе можно перепрограммировать Cas9 на разрезание любой последовательности». Он вновь подал рукопись на рассмотрение в дочерний журнал Cell Reports, стоящий на ступеньку ниже в рейтинге престижа, но те затянули ту же песню. Время шло[168]168
  K. Davies and V. Siksnys, «From Restriction Enzymes to CRISPR: An Interview with Virginijus Siksnys,» The CRISPR Journal 1, (2018): 137–140, https://www.liebertpub.com/doi/10.1089/crispr.2018.29008.vis.


[Закрыть].

Наступил май: Шикшнис вновь подал статью, на этот раз в Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) – популярный журнал, но не публикующий ничего из разряда исключительного, как это свойственно журналам CNS. Он адресовал сопроводительное письмо члену редакционной коллегии, который, по его мнению, мог лучше всех оценить его рукопись. Этим человеком была Дженнифер Дудна. Однако в сентябре 2012 г.[169]169
  G. Gasiunas et al., «Cas9-crRNA ribonucleoprotein complex mediates specific DNA cleavage for adaptive immunity in bacteria,» Proceedings of the National Academy of Sciences 109, (2012): E2579–E2586, https://www.pnas.org/content/109/39/E2579?iss=39.


[Закрыть], когда исправленная статья наконец была опубликована, Шикшнис едва ли мог кого-то удивить. Сама по себе это была важная работа, но в ней не говорилось о единой направляющей РНК, разработанной Джинеком. Эти результаты вышли слишком поздно и были неполными, и, хотя Шикшнис проводил свои эксперименты в то же время (если не раньше), что и Джинек, опоздание с публикацией привело к тому, что исследование казалось лишь подтверждением прорыва, сделанного Дудной – Шарпантье.

«Если положить эти две статьи рядом, они будут казаться почти идентичными, – сказал мне Шикшнис. – Единственное, в чем превзошли нас коллеги, они использовали эту единую направляющую РНК». К сожалению, PNAS потребовалось больше трех месяцев, чтобы рассмотреть и опубликовать материалы статьи. По словам Хорвата, отказ Cell сам по себе не был проблемой. «Проблема возникла, когда мы увидели статью в Science [Джинека с соавторами]». Пошла бы история по иному пути, если бы статью Хорвата опубликовали в Cell? Сам он пожимает плечами: «Никто не знает. И никогда не узнает».

За последние несколько лет основные результаты по CRISPR были получены совместными усилиями выдающихся исследователей из лабораторий Шарпантье и Дудны. По мере того как укреплялась репутация и росла слава двух женщин, о Шикшнисе забывали, за исключением людей, занимающихся CRISPR. Ситуация начала меняться после одной важной статьи Сары Чжан, опубликованной в Wired, в которой было рассказано о разочарованиях литовского ученого[170]170
  Sarah Zhang, «The Battle Over Genome Editing Gets Science All Wrong,» Wired, April 18, 2015, https://www.wired.com/2015/10/battle-genome-editing-gets-science-wrong/.


[Закрыть]. Шикшнис с запозданием получил некоторое международное признание, в частности, он разделил премию Кавли 2018 г. со своими двумя выдающимися коллегами.

После «бессмертного» исследования, результаты которого были опубликованы в 2012 г., трансатлантическое сотрудничество между Шарпантье и Дудной естественным образом распалось. Джинек пытался совместить свои исследования с собеседованиями для устройства на работу. Шарпантье переезжала из Швеции в Берлин. Шикшнис писал диссертацию. В 2014 г. Шарпантье присоединилась к команде Университета Беркли для подготовки статьи по итогам работы, но всему хорошему приходит конец. «Мы не принимали решения о прекращении сотрудничества, – вспоминает Джинек. – Я получил огромное удовольствие. У нас получилась действительно хорошая команда».

После шести лет работы с Дудной, в начале 2013 г., Джинек получил должность преподавателя в Цюрихе, где он продолжает изучать тонкости Cas9 и других ферментов, разрезающих ДНК. В 2016 г. он стал лауреатом престижной швейцарской премии для молодых биохимиков, названной в честь врача Фридриха Мишера, человека, открывшего ДНК. В 1868 г. Мишер создал лабораторию в средневековом замке Тюбингена, где изучал лейкоциты в гное с хирургических повязок, собранных в соседней клинике. Мишер выделял вещество из ядер клеток, которое впервые описал в письме от февраля 1869 г. Он назвал это вещество, которое «не принадлежит ни к одному известному типу белка», нуклеином[171]171
  R. Dahm, «Friedrich Miescher and the Discovery of DNA,» Developmental Biology 278, (2005); 274–288, https://doi.org/10.1016/j.ydbio.2004.11.028.


[Закрыть]. Почти 150 лет спустя Джинек получил премию Мишера за свою ключевую роль в создании основ редактирования нуклеина.

Тем не менее жизненно важный вклад Джинека в историю CRISPR остается недооцененным. Джинек скромен до крайности, он не из тех, кто привлекает к себе внимание. Когда его спросили после лекции в Германии, что способствовало его прорыву, он назвал три аспекта. Первым была старая цитата «мы стоим на плечах гигантов»[172]172
  Ученые любят повторять знаменитую цитату Исаака Ньютона о «стоянии на плечах гигантов», чтобы признать научный вклад своих коллег и предшественников, хотя существует мнение, что Ньютон в действительности так подшучивал над своим миниатюрным соперником, Робертом Гуком.


[Закрыть]. Он сказал, что никто не проводит исследований в вакууме. Затем подчеркнул ценность любопытства, что особенно важно для фундаментальных исследований, а также свободу в стремлении к неожиданному. Целью Джинека и Дудны было просто понять, как работают ферменты, взаимодействующие с РНК. «Я получил образование структурного биолога. Много размышляю о том, как работают молекулы, а когда вижу, как они работают, я испытываю восхищение», – со смехом говорит он, указывая на эскиз Cas9.

Некоторым политикам нравится использовать избирательный подход при выдаче федеральных исследовательских грантов («сексуальные предпочтения плодовых мушек» и т. п.), что служит доказательством нерациональной траты государственных средств. Однако открытие редактирования генов при помощи CRISPR, принесшее пользу науке, медицине и экономике, не случилось бы, если бы не государственное финансирование непопулярных исследований, проводимых несгибаемыми микробиологами, эволюционными биологами, биохимиками и структурными биологами, которые изучали CRISPR исключительно ради волнения открытий, а не соблазна получить деньги или награды. Фундаментальные и прикладные исследования – это не «два отдельных крана», говорит Стюарт Файрстайн, профессор Колумбийского университета. «Это один трубопровод, и наша задача – поддерживать его в рабочем состоянии»[173]173
  Stuart Firestein, «Fundamentally Newsworthy,» The Edge.org, 2016, " YouTube, https://www.edge.org/response-detail/26718.


[Закрыть].

Третьей причиной успеха Джинек считает удачу – быть в нужном месте в нужное время. «Мне выпала большая честь находиться в прекрасной научной среде, где нас поощряли думать о наших проектах, задавать правильные вопросы, мыслить нестандартно, где мы были свободны, когда проверяли идеи, работали с другими людьми, обменивались мыслями, подходили к работе достаточно прагматично». Остальное, по его словам, – это был тяжелый труд: 10 % вдохновения, 90 % усилий.

В декабре 2018 г. Джинека пригласили в его родной город прочитать лекцию в стиле TED на чешском языке[174]174
  TEDx Talks,"O(ú)pravy lidské DNA | Martin Jínek | TEDx Třinec," YouTube video, 21:07, last viewed June 26, 2020, https://www.youtube.com/watch?v=d7kPcjD3PUU.


[Закрыть]. Он говорил о стремительном развитии секвенирования ДНК, геноме за $1000 (публичная благодарность не помешала бы) и диагностике генетических заболеваний. Теперь, в том числе благодаря его работе, у нас есть возможность переписать гены и трансформировать медицину. Чтобы проиллюстрировать процесс редактирования генов, он использовал известный чешский детский стишок «Скакал пес через овес» («Skakal pes pres oves»). Чтобы объяснить, как бактерии собирают сигнатуры вирусов в блок последовательностей CRISPR, он показал фото международного сертификата о вакцинациях со множеством штампов о сделанных прививках. Что касается редактирования зародышевой линии, регулирование должно было быть глобальным решением не только наций или исследователей, но и всего человечества в целом.

Статья Дудны и Шарпантье в журнале Science послужила стимулом для нескольких групп изучить CRISPR-Cas-редактирование генов в живых клетках. Дудна изначально находилась в невыгодном положении. Ее специальностью были РНК и структурная биология, а не цитология и генетика человека. У других групп явно было преимущество в знаниях и материалах. Но Джинек был настроен оптимистично. В конце концов исследователям удалось использовать бактериальные ДНК-рестриктазы в качестве основы систем ZNF и TALEN. Определенно потребуются некоторые дополнительные разработки – добавление сигнала ядерной локализации для переноса комплекса Cas9 в ядро, а также внесение некоторых тонких изменений в последовательность ДНК (процесс, называемый оптимизацией кодонов), чтобы клетка млекопитающих лучше подходила для эксперимента. Однако Джинек априори считал, что «проведение эксперимента на клетках млекопитающих не требует чего-то фундаментально другого и для этого нет препятствий».

3 октября в почтовый ящик Дудны пришло сообщение, которое подтверждало убеждения Джинека. Отправителем был Джин-Су Ким, ведущий молекулярный биолог из Южной Кореи. Его лаборатория занималась CRISPR-редактированием с момента выхода «основополагающей статьи» Дудны и Шарпантье и готовилась отправить в редакцию статью на тему редактирования генома в клетках млекопитающих. Ким великодушно спросил, не хочет ли Дудна (вместе с Шарпантье) выступить соавтором этой статьи. «Мы не хотим публиковаться раньше вас, потому что именно ваша статья в Science побудила нас начать этот проект», – писал Ким, который также не хотел, чтобы кто-то выпустил статью раньше, чем он[175]175
  Jin-Soo Kim, email to Doudna and Charpentier, October 3, 2012. PTAB Interference 106048. UC exhibit 1558, https://acts.uspto.gov/ifiling/PublicView.jsp?identifier=106048.


[Закрыть].

Через шесть недель Чёрч тоже отправил Дудне и Шарпантье письмо по электронной почте «с парой слов о том, насколько вдохновляющей и полезной оказалась для него их статья о CRISPR». Чёрч выразил уверенность, что они получили похожие благодарные комментарии и от других лабораторий[176]176
  George Church, email to Doudna, November 14, 2012. PTAB Interference 106048. UC exhibit 1559, https://acts.uspto.gov/ifiling/PublicView.jsp?identifier=106048.


[Закрыть]. А также сообщил, что пытается сделать так, чтобы CRISPR работал в стволовых клетках человека, тем самым лишь усиливая конкуренцию. Дудна чувствовала давление растущих требований и обязательств. «Мой почтовый ящик ломился от писем, мне звонили редакторы журналов, – вспоминает она. – Это было уже безумием. Надвигалось как приливная волна»[177]177
  Lisa Jarvis, «A day in the life of Jennifer Doudna,» Chemical & Engineering News, March 8, 2020, https://cen.acs.org/biological-chemistry/gene-editing/A-day-with-Jennifer-Doudna-Trying-to-keep-up-with-one-of-the-world-most-sought-after-scientists/98/i9.


[Закрыть].

Джинек усердно работал последние месяцы в лаборатории Дудны, чтобы доказать свою гипотезу. 15 декабря 2012 г. Дудна и Джинек отправили новую рукопись в электронный журнал eLife, частично финансируемый Медицинским институтом Говарда Хьюза. На риторический вопрос, поставленный в начале статьи, может ли бактериальная система Cas9 работать в эукариотических клетках, был дан положительный ответ. В условиях очевидной конкуренции со стороны Чёрча, Кима и кто знает кого еще Дудна надеялась на быстрое решение редактора. Она его и получила. 3 января 2013 г. редактор eLife уведомил ее по электронной почте о том, что статья одобрена к публикации. Оба рецензента, одним из которых оказался Дэйн Кэрролл, были в восторге от работы. Редактор назвал рукопись «превосходной» и пришел к выводу, что простота и удобство программирования означают, что CRISPR, вероятно, заменит ZFN и TALEN в качестве инструмента редактирования генома. Результаты Дудны «вероятно, преобразят область геномной инженерии человека и многих других видов со сложными геномами»[178]178
  M. Jínek et al., «RNA programmed genome editing in human cells,» eLife 2, (2013): e00471. https://elifesciences.org/articles/00471.


[Закрыть].

Однако Дудне не пришлось долго радоваться. Этим же вечером она получила другое письмо[179]179
  Feng Zhang, email to Doudna, January 2, 2013, PTAB Interference 106048, UC exhibit 1620, https://acts.uspto.gov/ifiling/PublicView.jsp?identifier=106048.


[Закрыть]:

Приветствуем Вас из Бостона и поздравляем с Новым годом!

Я доцент Массачусетского технологического института, занимаюсь разработкой приложений на основе системы CRISPR. Я мельком встречался с Вами во время моего собеседования в аспирантуре Университета Беркли в 2004 г., и с того момента Ваша работа вдохновляла меня.

Наша группа в сотрудничестве с Лучано Марраффини из Фонда Рокфеллера недавно завершила серию экспериментов по редактированию генома млекопитающих с применением системы CRISPR II типа. Статья о нашем исследовании недавно была одобрена Science и будет опубликована в электронном виде завтра. Во вложении высылаю Вам для ознакомления копию нашей статьи.

Система Cas9 обладает большими возможностями, и я бы хотел когда-нибудь обсудить это с Вами. Уверен, что совместная работа была бы взаимовыгодна, и, возможно, есть темы, в рамках которых мы могли бы сотрудничать в будущем!

С наилучшими пожеланиями,

Фэн

Бостонская бомба поступила от Фэн Чжана из Института Броуда. Как и в случае с двойной спиралью, история редактирования генома с помощью CRISPR имела дополнительную цепочку, изгибы и повороты которой всё еще остаются неразгаданными.

Глава 6
Поле чудес

Можно сказать, что история иммиграции Фэн Чжана – из Китая в Айову, из Гарварда в Стэнфорд, обратно в Гарвард, в Массачусетский технологический институт, участие в программе «60 минут», известность в научных кругах, слава и рост благосостояния – это квинтэссенция американской мечты. В 1993 г. китайский компьютерный инженер Шуцзюнь Чжоу привезла своего одиннадцатилетнего сына в Соединенные Штаты из Шицзячжуана, переполненного города с населением 11 млн человек, расположенного примерно в 150 милях к юго-западу от Пекина. Они обосновались в Де-Мойне, штат Айова, – полной противоположности своей шумной родине. Проезжая по штату Соколиного Глаза, Чжан видел бескрайние кукурузные поля, стада коров и автомагистрали, уставленные придорожными щитами с воодушевляющими фразами на религиозную тематику, такими как «После смерти ты встретишься с Богом». Радио в машине могло поймать «Библейский автобус» (Bible Bus), круглосуточную христианскую станцию. В его новом доме действительно было «намного больше дзена, он был более спокойным», шутит Чжан. В сравнении с его домом Де-Мойн казался «пустым».

Чжан поступил в среднюю школу Калланан и вскоре стал свободно говорить по-английски. Впервые он узнал о молекулярной биологии в восьмом классе во время субботней дневной программы факультативного обучения. Он присоединился к группе школьников-зубрил под названием STING – «Наука и технология следующего поколения» (от англ. Science and Technology in the Next Generation). Группа была основана Эдом Пилкингтоном, которого явно вдохновлял сериал «Звездный путь». Чжан шутит, что первым просмотренным им документальным фильмом был «Парк Юрского периода» Стивена Спилберга, который, несмотря на всю критику идеи Майкла Крайтона о ДНК динозавра, заключенной в янтаре, подтолкнул Чжана к мысли о возможности разработки и программирования биологических систем.

Чжан не знал об этом, но сюжетная линия, созданная Крайтоном, породила один из первых задокументированных рассказов о редактировании генома. В текст своего романа Крайтон включил фрагмент последовательности ДНК, якобы принадлежащей динозавру. Однако, когда биоинформатик Марк Богуски от нечего делать ввел эту последовательность в компьютер, он был потрясен: ДНК динозавра Крайтона на самом деле принадлежит бактерии. После того как Богуски в своем коротком эссе разоблачил Крайтона, тот связался с Богуски и принес свои извинения, а также попросил подобрать более подходящий образец последовательности. Богуски предложил использовать фрагмент ДНК курицы, представляющей собой живого потомка динозавра, что Крайтон и включил в «Затерянный мир». Чего писатель не знал, так это того, что Богуски оставил послание в последовательности: когда генетический код был переведен в соответствующий ему аминокислотный код[180]180
  В однобуквенном коде каждая из двадцати аминокислот, зашифрованных трехбуквенным кодоном ДНК, обозначается одной буквой. Например, слово M-A-R-K расшифровывается как «метионин-аланин-аргинин-лизин».


[Закрыть], в нем имелись четыре небольшие вставки, объединив которые можно было получить фразу:

MARK WAS HERE NIH (здесь был Марк Национальный институт здравоохранения США)

На втором курсе Чжан впервые ощутил пьянящий вкус научных исследований, работая волонтером в лаборатории генной терапии в Методистском медицинском центре Айовы (Iowa Methodist Medical Center). Он использовал вирус для переноса гена медузы, кодирующего синтез зеленого флуоресцентного белка, в опухолевые клетки человека. Магическое свечение, исходящее из этих клеток, служит первым доказательством того, что у Чжана был талант. Его наставник, Джон Леви, сказал ему слова, ставшие девизом: «Попробуй сделать что-то интересное с практической точки зрения»[181]181
  Alice Park, «The editor of life's building blocks,» Time, October 6, 2016, https://time.com/4518815/feng-zhang-next-generation-leaders/.


[Закрыть]. С этого момента будущее Чжана в биологических исследованиях было в значительной степени определено. Пилкингтон как-то заметил: «Не каждый способен провалить двадцать экспериментов, а потом встать и придумать что-то блестящее»[182]182
  Carey Goldberg, «CRISPR Wizard Feng Zhang: The Making Of A Sunny Science Superstar,» WBUR, April 26, 2018, https://www.wbur.org/commonhealth/2018/04/26/feng-zhang-crispr-profile.


[Закрыть].

В девятнадцать лет Чжан занял третье место в престижном конкурсе Intel Science Talent Search, выиграв стипендию в $50 000. Мать сопровождала его до самого финала, призывая: «Чжань чжи!» («Стой прямо!») Он поступил в Гарвардский университет на год раньше Марка Цукерберга и закончил учебу с отличием, получив степень по химии («основной дисциплине») и физике. Чжан хотел получить фундаментальные знания, которые он смог бы применять по своему усмотрению. Стремясь побывать в Кремниевой долине, Чжан переехал в Стэнфорд, чтобы получить кандидатскую степень. Он хотел, чтобы его руководителем стал лауреат Нобелевской премии Стивен Чу, но тот уже перешел в другое учреждение, а бывший кабинет Чу занял новый преподаватель Карл Дейссерот.

Психиатр по образованию, Дейссерот лечил многих пациентов с шизофренией и депрессией, но расстраивался, что люди еще так плохо понимают эти болезни. Он разработал новую методику для изучения неврологических заболеваний и активности нейронов, называемую оптогенетикой. «Мозговой штурм» Дейссерота состоял в том, чтобы ввести в нейрон грызуна светочувствительный белок опсин: это даст возможность запускать и контролировать активность нервной клетки[183]183
  Первоначально эта идея была предложена Фрэнсисом Криком, который провел последние три десятилетия своей жизни в Институте Солка, изучая мозг и сознание. Крик призывал к созданию новой методики, с помощью которой можно было бы исследовать функции мозга на уровне отдельных клеток, и даже предположил, что подобного уровня контроля можно достичь с использованием светового стимула.


[Закрыть].

Первоначальная задача Чжана, основанная на его знании генной терапии, состояла во введении гена опсина, выделенного из клеток растущих в пруду зеленых водорослей, в отдельные нейроны крысы на пластине для тканевых культур с применением рекомбинантного вируса. При воздействии на них световым стимулом нейроны, содержащие вирус, испускали электрический сигнал. В течение следующих нескольких лет Дейссерот, Чжан и другой аспирант, Эд Бойден, успешно прошли путь от нейрона в чашке Петри до крыс в лабиринте. Когда однажды утром репортер The New York Times посетил лабораторию, Чжан подготовил потрясающий эксперимент: внутри белой пластиковой ванночки находился один бурый хомячок, в определенном типе нейрона которого происходила экспрессия гена опсина. Чжан вставил небольшую металлическую трубку в голову зверька, куда затем ввел крошечный оптоволоконный кабель. Когда он щелкнул выключателем света, хомячок внезапно начал кружиться, а при выключении света животное остановилось[184]184
  Ingfei Chen, «The beam of light that flips a switch that turns on the brain,» The New York Times, August 14, 2007, https://www.nytimes.com/2007/08/14/science/14brai.html.


[Закрыть]. Оптогенетика была готова к оглушительному успеху: это могло стать инструментом для изучения работы мозга – гораздо более точным, чем вживление электродов в мозг или получение размытых снимков МРТ.

«Это одно из тех событий, которые случаются лишь раз в пять или десять лет», – сказал Дейссерот своим студентам[185]185
  John Colapinto, «Lighting the Brain,» The New Yorker, May 18, 2015, https://www.newyorker.com/magazine/2015/05/18/lighting-the-brain.


[Закрыть]. И он был прав: Дейссерот получил премию «Прорыв» (Breakthrough Prize) в 2015 г. и помог заложить основу для проекта Барака Обамы BRAIN Initiative стоимостью $300 млн. Дейссерот оценил навыки Чжана как «совершенно необходимые для создания оптогенетики»[186]186
  Kerry Grens, «Feng Zhang: The Midas of Methods,» The Scientist, August 1, 2014, https://www.the-scientist.com/?articles.view/articleNo/40582/title/Feng-Zhang-The-Midas-of-Methods/.


[Закрыть]. Не многим аспирантам удается прочитать о результатах своего труда в Times или получить крупную научную премию. Это был знак грядущих событий.

Чжану только что исполнилось двадцать, когда он вернулся в Бостон в 2010 г., чтобы поступить в лабораторию Джорджа Чёрча в качестве младшего научного сотрудника Гарвардского университета. Для одаренного ученого, стремящегося разработать новые инструменты для изучения генетики и мозга, трудно было представить более подходящую учебную площадку.

В течение двадцати пяти лет Чёрч был движущей силой геномики, проводя довольно амбициозные и смелые исследования, которые понравились такому талантливому человеку, как Чжан. Чёрч и десятки его студентов разработали новые технологии секвенирования для расшифровки ДНК, но всё больше интереса проявляли к записи целых геномов. В сотрудничестве со специалистом по стволовым клеткам Паолой Арлоттой Чжан и новый аспирант Ле Конг погрузились в еще только нарождающийся мир редактирования генов. Идея заключалась в разработке улучшенного метода создания последовательностей TALEN для воздействия на гены и модуляции их активности[187]187
  F. Zhang, L. Cong et al., «Efficient construction of sequence-specific TAL effectors for modulating mammalian transcription,» Nature Biotechnology 29, (2011): 149–153, https://www.nature.com/articles/nbt.1775.


[Закрыть]. В Институте Висса к ним присоединились еще два научных сотрудника, Прашант Мали и Кевин Эсвельт.

Ле Конг родился в Пекине и разделял любовь Чжана к инженерии. В детстве ему нравилось возиться с радиоприемниками и разрабатывать компьютерные игры. Изучая электронную инженерию в Университете Цинхуа, Ле Конг заинтересовался медициной после того, как пережил смерть близких родственников. «Мы достигли большого прогресса в современной медицине, но многого не знаем», – сказал он мне[188]188
  Le Cong, phone interview, July 18, 2019.


[Закрыть]. Даже такие простые болезни, как диабет первого типа, могут уносить жизни людей.

Поступив в Гарвардский университет по стипендии, Ле Конг сразу же подружился с Чжаном и был захвачен разговорами о революции в геномике, проходившими в инфекционной лаборатории. Он хотел разработать инструменты для создания человеческого генома, чтобы моделировать такие заболевания мозга, как аутизм, шизофрения и биполярное расстройство. Хотя Ле Конг официально числился учеником Чёрча, он рассказывает, что в январе 2010 г. его наставником, по сути, стал Фэн. «Мы были единственными, кого интересовала работа над новыми инструментами редактирования генов». Задача стояла непростая: методы синтезирования бактериальных хромосом все еще были несовершенны, а сделать это с более крупными геномами млекопитающих было бы еще сложнее.

На другом берегу реки Чарльз, в Кембридже, Боб Десимон, руководитель Института исследований мозга им. Макговерна при Массачусетском технологическом институте (MIT), искал новых преподавателей. Это учреждение было основано покойным Мэтом Макговерном, который бросил MIT, чтобы основать издательство в своем подвале. Эта компания превратилась в IDG (International Data Group), международного издателя Computerworld, MacWorld и Bio-IT World. Макговерн стал миллиардером, но управлял своим предприятием с теплотой, как если бы это был семейный бизнес[189]189
  Каждое Рождество Макговерн объезжал все офисы IDG, встречаясь с каждым сотрудником лично, чтобы вручить ему денежный подарок и поблагодарить за особый вклад в компанию, о котором он был хорошо осведомлен.


[Закрыть]. Макговерн и его жена Лор с гордостью выделили $350 млн на создание одноименного института.

Поиски преподавателей шли не очень успешно, пока не всплыло имя Чжана. Его репутация ученого-исследователя была безупречной, и единственный вопрос состоял в том, подойдет ли он с учетом его интереса к манипуляциям с геномом. Десимон попросил ведущего специалиста по стволовым клеткам, Руди Яниша, оценить эту кандидатуру. Яниш вынес следующий вердикт: «Он определенно очень умен. Если он сумеет сделать 10 % от того, что предлагает, он будет звездой».

Чжан присоединился к Институту Макговерна в январе 2011 г., работая по совместительству в близлежащем Институте Броуда. Его цель заключалась в том, чтобы продолжить разработку TALEN и других систем создания мутаций генома для моделирования аутизма, болезни Альцгеймера и шизофрении с последующей разработкой методов лечения. Чжан признается, что чувствовал тогда в себе небольшой синдром самозванца, но это продлилось недолго. Ле Конг тоже решил присоединиться к процессу. «Мы оставались коллегами, и было здорово продолжить наши отношения», – говорит он. Хотя формально он все еще числился аспирантом Чёрча, они вместе пересекли на такси Гарвардский мост, чтобы начать новое приключение в Массачусетском технологическом институте.

В первых числах февраля 2011 г. Чжан нанес ответный визит в Гарвардскую медицинскую школу. Ежегодное собрание совета научных консультантов Института Броуда проходило в аудитории Джозефа Мартина, недалеко от старой лаборатории Чжана. Его жизнь изменится после самой неожиданной лекции.

Майкл Гилмор был экспертом по устойчивости бактерий к антибиотикам. В 2007 г., во время конференции по микробиологии в Пизе в Италии, он был впечатлен постерным докладом, сделанным Danisco, о связи между иммунитетом к фагам и повторами ДНК со странным названием CRISPR. Гилмор хотел, чтобы один из его постдоков изучил CRISPR. Один многообещающий кандидат, Лучано Марраффини, вместо этого выбрал должность в Чикаго. Его место заняла Келли Палмер, которая вместе с коллегами из Института Броуда начала сравнивать последовательности бактерий с множественной лекарственной устойчивостью с более старыми штаммами. Она сделала поразительное наблюдение: геномы клинических штаммов с резистентностью, относящиеся к 1970-м гг., были крупнее и, как правило, не имели CRISPR. При этом другие культуры содержали CRISPR.

Гилмор пришел к выводу, что «после многократного введения различных антибиотиков, начиная с 1940-х гг., замечалось развитие не только резистентности к этим антибиотикам, но и способности приобретать [лекарственную] устойчивость с повышенной легкостью». Другими словами, бактерии получали избирательное преимущество, теряя свою систему защиты CRISPR. Это делало их уязвимыми к воздействию фагов, но облегчало им приобретение новых генетических элементов, которые могли бы повысить устойчивость к антибиотикам (через механизм, называемый горизонтальным переносом генов). Чрезмерное использование антибиотиков привело к тому, что бактерии значительно ослабили иммунную защиту своего генома, чтобы облегчить приобретение устойчивости от других микроорганизмов[190]190
  Michael Gilmore, email, July 7, 2019.


[Закрыть]. Геномы клинических культур некоторых бактерий могут быть на 25 % больше, чем геномы условно-патогенных штаммов[191]191
  K. L. Palmer and M. S. Gilmore, «Multidrug-resistant enterococci lack CRISPR-cas,» mBio (2010): 1: e00227–10, https://mbio.asm.org/content/1/4/e00227–10/article-info.


[Закрыть].

Чжан навострил уши, когда Гилмор мельком упомянул, что бактерии содержат CRISPR и связанные с ними нуклеазы. К тому времени эта аббревиатура уже встречалась в нескольких ведущих журналах, и Чжану пришлось поискать в интернете больше информации о ней. На следующий день Чжан вылетел на конференцию в Майами[192]192
  Зимний симпозиум в Майами 2011 г., «Эпигенетика в развитии организма и заболеваниях», был организован совместно с Nature Publishing Group.


[Закрыть], но вместо того, чтобы участвовать в ней, засел в своем гостиничном номере, поглощая литературу о CRISPR. Чем больше он читал, тем сложнее ему было сдерживать радостное волнение. Он прочитал обзорную статью о CRISPR в Science, написанную Хорватом и Баррангу,[193]193
  P. Horvath and R. Barrangou, «CRISPR/Cas, the Immune System of Bacteria and Archaea,» Science 327, (2010): 167–170, https://science.sciencemag.org/content/327/5962/167.long.


[Закрыть] и «блестящую» статью 2010 г. в журнале Nature от группы Муано: в статье говорилось, что система CRISPR-Cas II типа расщепляет ДНК фага[194]194
  J. E. Garneau et al., «The CRISPR/Cas Bacterial Immune System Cleaves Bacteriophage and Plasmid DNA,» Nature 468, (2010): 67–71, https://www.nature.com/articles/nature09523.


[Закрыть]. Однако Чжана не интересовал бактериальный иммунитет или то, как делают сыр для пиццы. Его внимание сосредоточилось на редактировании генома – методике, которую можно применять при работе с моделями животных и в конечном счете на людях. Если бы, как предполагалось в статье Муано, можно было использовать РНК и CRISPR для воздействия на ДНК, это было бы гораздо проще, чем применение ZFN или TALEN.

В субботу 5 февраля Чжан отправил Ле Конгу электронное письмо. «Взгляните на это», – писал он, прикрепляя ссылку на обзор Хорвата – Баррангу. «Возможно, мы можем использовать это для клетки млекопитающих, – ответил Ле Конг. – Это было бы очень круто». Через два дня Чжан ответил: «Давайте сохраним это в секрете. Это может полностью заменить любую систему [цинковых пальцев]. Я заказал гены Cas для синтеза. Мы сможем их протестировать… Я провел поиск по патентам».