Барри Шулер: Геномика, начальный курс

Что происходит в области геномики, и как эта революция в скором будущем изменит все, что мы знаем о мире, жизни, нас самих, и как мы себе все это представляем.

Если вы смотрели «2001: Космическую одиссею,» и слышали «бум, бум, бум,» и вы видели тот монолит – вы знаете, это была репрезентация Артура Кларка того, что мы находимся на эпохальном этапе эволюции нашего вида. В этом случае это было создание инструмента и использование его в качестве инструмента. Знаете, обезьяны вроде бы просто бегали туда-сюда, ели, дрались, а потом вдруг поняли, что могут изготавливать предметы, если они будут использовать инструменты. И это нас толкнуло вперед, на новый уровень.

И вы знаете, за последние 30 лет, в частности, поступления знаний и развитие технологий ускорились, и технология породила больше знаний и дала нам инструменты. И мы повидали немало эпохальных моментов. Мы наблюдали создание микрокомпьютеров в 70-х и начале 80-х, и кто бы подумал тогда, что у каждого человека будет не просто один компьютер, а, наверное, штук 20 в вашем доме, и не просто в ПК, но в любом приборе – вашей стиральной машине, вашем мобильном телефоне. Вы ходите туда-сюда; в вашей машине – 12 микропроцессоров. А потом мы раз – и создали Интернет, объединили планету. Мы выравниваем мир.

Мы наблюдали за многими изменениями и дали себе эти инструменты – эти мощные орудия – которые позволяют нам обернуть линзу [через которую мы познаем мир] внутрь, на то, что объединяет всех нас – на геном.

Как ваш геном сегодня поживает? Вы не задумывались об этом в последнее время? По крайней мере, слышали о нем? Наверное, вы уже слышали о геноме в наши дни.

Я хотел бы воспользоваться моментом и рассказать вам, что же представляет из себя геном. Это схоже таким вопросам как: «А что такое мегабайт или мегабит?» «Что такое broadband?» Никто не хочет отвечать, а я толком не знаю. Так что я вам расскажу сразу. Вы слышали про ДНК, проходили когда-то по биологии. Геном – это совокупность всех генов живого организма. И единственное, чем все живое схоже, это – ДНК. Неважно, кто ты – одноклеточный гриб, мышь или муха – у нас у всех внутри ДНК. ДНК сложено в слова, и мы зовем их гены и хромосомы.

И когда в 50-х Уотсон и Крик декодировали эту прекрасную двойную спираль, которую представляет из себя молекула ДНК – очень длинная и сложная молекула – мы тогда пустились в путешествие, чтобы понять, что ДНК представляет из себя язык, который определяет наши характерные черты, наши особенности, что нам передается по наследству, и чем мы можем заболеть. Мы также, параллельно, обнаружили, что это очень древняя молекула, что весь ДНК в вашем теле существовал вечно, с момента нашего начала, начала как существ. Это – исторический архив.

В вашем геноме живет вся история нашего рода, и ваша как отдельной человеческой особи, с тысяч и тысяч и тысяч лет тому назад, и все это только начинает быть нам понятным. Но также геном — это на самом деле наша инструкция по применению. Он — программа. Он — код жизни. Он — то, что позволяет вам функционировать; он — то, что позволяет любому существу функционировать. ДНК — очень элегантная молекула. Она длинная и сложная. В действительности, все что о ней нужно знать, это то, что в ней четыре буквы: A, T, C, G; они обозначают название химического соединения. И из этих четырех букв можно создать язык: язык, который может описать все, что угодно, и совсем сложные вещи. Обычно они ставятся парами, создавая слово, или, как мы их называем, пару основ. И если задуматься, мы функционируем из-за этих четырех букв или изображения четырех вещей.

И, может быть интуитивно это не кажется возможным, но я бы хотел продемонстрировать на чем-то, о чем вы осведомлены – на примере компьютеров. Посмотрите на этот экран – вы видите картинки и слова, но на самом деле это всего лишь единицы и нули. Язык технологий бинарен; наверное, вы об этом слышали уже в какой-то момент. И все, что происходит в цифровом мире переводится в один и ноль. То есть, когда вы слушаете iTunes и вашу любимую музыку, на самом деле там очень быстро звучит лишь куча единиц и нулей. Когда вы смотрите на эти картинки, это все — единицы и нули, и когда вы говорите по телефону, по вашему мобильному, ваш голос передается по сети, он превращается в единицы и нули, как по волшебству. Посмотрите на все те сложные и замечательные вещи, которые мы можем кодировать при помощи лишь единицы и нуля.

Теперь умножьте это на четыре, и вы получите совсем другую сложность, множество способов описать вещи. Давайте поговорим о том, что это значит. Если вы посмотрите на геном человека, он состоит из 3,2 млрд этих пар оснований. Это много. И они сочетаются самыми различными способами, и это делает вас живым человеком. Если это перевести в двоичный код, то для понимания размерности мы, вообще говоря, меньше, чем программа Microsoft Office. В нас не так уж много данных. Скажу также, что в нас не меньше ошибок.

Вот здесь ошибка в моем геноме, с которой я боролся очень-очень долго. Когда вы заболеваете, это ошибка в вашем геноме. На самом деле, множество болезней, с которыми мы боремся уже давно, такие как рак, мы не имели возможность лечить потому, что мы просто не понимаем, как это работает на уровне генома. Мы только начинаем понимать это.

Так, вплоть до настоящего времени мы пытались лечить это, используя, можно так сказать, «слепую» фармакологию, это означает, что мы просто накачиваем лекарствами, надеясь, что это поможет. Но, если вы на самом деле понимаете, почему нормальная клетка превращается в раковую? Какой за этим стоит код? Каков реальный механизм, который делает это с клеткой? Тогда вы уже можете что-то начать делать с тем, чтобы это исправить. Вот еще несколько фактов к вашему ближайшему ужину за бутылкой отличного вина.

У нас порядка 24 тысяч генов, которые что-то делают. Еще есть порядка 120 тысяч других, которые явно не задействованы в ежедневной деятельности, но служат чем-то вроде архива того, как мы развивались как вид за последние десятки тысяч лет. Вам также, наверное, интересно будет узнать, что мышь имеет примерно такое же количество генов.

Недавно провели секвенирование сорта «пино нуар», и оказалось, что в нем тоже около 30 тысяч генов. Так что количество генов еще ничего не говорит о сложности или эволюционном развитии конкретных особей. Оглянитесь вокруг: просто посмотрите на вашего соседа, посмотрите вперед, посмотрите назад. Мы все довольно разные. Здесь много очень симпатичных людей, худых и не очень, разных национальностей, культур. Мы все на 99,9% генетически идентичны. И только 1/100 от 1% нашего генетического материала делает нас различными. Это крошечный объем материала, но то, как он себя в конечном итоге проявляет, и есть причина изменений в людях и всех других биологических видах.

Итак, мы уже умеем читать геном. На первый геном человека было затрачено 10 лет и $3 млрд. Это сделал доктор Крейг Вентер. Затем геном Джеймса Уотсона – одного из первооткрывателей ДНК – был секвенирован за $2 млн. всего за 2 месяца. И если вспомнить о компьютерной индустрии, о том, как мы перешли от больших компьютеров к маленьким и как они становятся все более мощными и быстрыми, то то же самое происходит сейчас и с секвенированием генома: мы находимся на пороге того, чтобы научиться секвенировать геном человека всего за $5 тысяч в течение 1-1,5 часов. Вы увидите это уже в ближайшие пять лет.

Это значит, что вы в скором времени будете ходить с вашим личным геномом на смарт-карте. Это будет. И когда вы будете покупать лекарства, вы не будете покупать то, которое используется для всех. Вы дадите свой геном фармацевту, и ваше лекарство будет сделано под вас, и оно будет гораздо более эффективным, чем те, что были раньше. У него не будет побочных эффектов. Все эти побочные эффекты, чтобы там ни говорили в рекламе: забудьте об этом. Ничего этого не будет.

На что похож геном? Вот он. Это длинная длинная цепочка из пар оснований. Если бы вы увидели геном мыши или человека, он бы вряд ли отличался от этого, но чем сейчас занимаются ученые, они пытаются понять, как это устроено и как это работает. Потому что, то что делает природа, это что-то вроде дабл-кликов. Другими словами, если это, например, виноград, то первая пара предложений здесь будет: сделать корень, сделать ветку, создать цветок. Для человека это может быть: сделать клетку крови, запустить рак. Для меня это может быть: каждую потребленную калорию сохранить, потому что я родом из мест с очень холодным климатом. Для моей жены: ешь не более трех раз в день, и ты не наберешь вес. Все это заложено в этом коде, и это начинает открываться нам с головокружительной быстротой.

Так что же мы будем делать с геномом сейчас, когда мы умеем его читать, сейчас, когда мы начинаем открывать книгу жизни? Есть много возможностей. Некоторые из них очень увлекательные. Многие сочтут это пугающим. Я расскажу вам несколько примеров, от которых вам возможно станет не по себе, но это нормально. Итак, вам уже известно, что мы можем изучать историю живых существ.

Вы можете проделать очень простой тест: поскрести свою щеку, отправить образец и узнать, откуда происходят ваши предки. Вы можете проследить свою генеалогию в прошлое на тысячи лет. Мы можем понимать функциональность. Это очень важно. Мы можем понимать, например, почему возникают бляшки в наших артериях, что отвечает за образование крахмала в зернах, почему дрожжи преобразуют сахар и выделяют двуокись углерода. Мы также можем посмотреть в более широком масштабе, что служит причиной проблем, порождает заболевания, и как мы могли бы их устранить. Потому что мы это понимаем, мы можем это исправить, сделав более совершенным.

Что самое важное, мы начали понимать, что природа снабдила нас удивительным инструментарием. Такой инструментарий есть и доступен. Архитектор, куда лучше и умнее нас, дал нам этот инструментарий, и у нас есть возможность его применять. Мы сейчас не только читаем геном, мы научились его писать.

Компания, с которой я связан, Synthetic Genomics, создала первый в мире полностью синтетический геном очень примитивной бактерии Mycoplasma genitalium. Возможно у вас когда-либо был уретрит, он вызывается именно этим маленьким существом. Очень простым – всего около 246 генов – но мы смогли полностью синтезировать этот геном. И когда вы получили этот геном, вы можете задаться вопросом, Что будет, если я заменю старый геном на этот синтетический, приживется ли он? И как вы думаете? Он приживается.

И не просто приживается: если мы поместим этот синтетический геном в другую клетку, например, в дрожжи, мы превратим эти дрожжи в Микоплазму. Это как загрузить Windows PC с загрузочного диска Mac OS. И, вообще говоря, можно подойти с другой стороны. Имея возможность записывать геном и помещать его внутрь клетки, мы как бы позволяем программному обеспечению изменять «железо». Это очень важно!

Так, в прошлом году французские и итальянские коллеги объявили о том, что они секвенировали геном Пино Нуар. Получена полная генетическая последовательность Пино Нуар, в которой, как я уже сказал, порядка 29 тысяч генов. Были определены механизмы, при помощи которых возникает вкус, поскольку очень важно понимать, что эти компоненты, которые содержатся там, должны совпасть с рецепторами в нашем языке, в нашем геноме, чтобы мы смогли понять и ощутить вкус.

Ими также было открыто то, что происходят сложнейшие процессы и по продуцированию запаха. Были выделены области, уязвимые к болезням. Эта работа продолжается, чтобы досконально изучить, как функционирует это растение, и у нас есть возможность прочесть генетический код целиком и понять, как он работает. И что дальше? Зная, что мы можем читать, записывать, изменять, возможно, даже создать с нуля. Что дальше? Дальше то, что можно условно назвать Франкен-Нуар.

Мы можем сделать вино лучше. Кстати, к вашему сведению – если вас напрягает генетически модифицированные продукты – нет ни одного сорта винограда, который бы не был генетически модифицированным. Их не выращивают из семян, их прививают к корню. В природе они бы не существовали.

Так что не волнуйтесь по этому поводу. Мы всегда это делали. Так, например, мы можем сосредоточиться на сопротивляемости болезням. Мы можем постараться получить высокую урожайность без значительного изменения сельскохозяйственных технологий и затрат. Мы могли бы расширить климатическое окно: выращивать Пино Нуар на Лонг-Айленде, не дай Бог.

Мы могли бы улучшить вкус и аромат. Хотите чуть больше клубничного или шоколадного здесь или там? Все это реально сделать. Более того, я готов поспорить, что это будет сделано. Но есть момент, связанный с экосистемой. Другими словами, мы не существуем сами по себе. Мы – часть большой экосистемы.

Например – прошу прощения, что сообщаю это вам – что внутри вашего пищеварительного тракта порядка полукилограмма микробов, которые путешествуют по вашем телу. Наш океан также населен микробами. Так, например, когда Крейг Вентер занялся секвенированием микробов мирового океана, в первые три месяца утроилось количество известных видов за счет того, что были открыты новые микробы в верхних 4 метрах. Сейчас мы понимаем, что эти микрообы больше влияют на климат и регулируют уровень кислорода и углекислого газа, чем растения, которые всегда считались ответственными за насыщение атмосферы кислородом.

Мы обнаруживаем присутствие микробов в каждом уголке планеты: во льду, угле, скалах, вулканической пыли. Это потрясающе. Но мы также выяснили, говоря о растениях, по мере понимания устройства их генома, что они окружены экосистемой. Корни растений населены микробами, которые влияют на их свойства не меньше, чем процессы метаболизма самих растений.

Если вы посмотрите внимательно на корневую систему, то вы обнаружите там великое множество разнообразных колоний микробов. Это не новость для селекционеров, они всегда были озабочены удобрениями. И опять я здесь говорю о слепой фармакологии: некоторые удобрения делают растения более здоровыми, и вы начинаете их применять. Вы не всегда знаете дозировку, какие микроорганизмы как влияют на вкус. Мы можем постараться это оценить. Мы все говорим о Терруаре (совокупность уникальных природных характеристик местности), мы его ценим. Мы говорим: мой терруар потрясающий, он такой особенный! У меня есть кусок земли, и он создает уникальный терруар.

Мы спорим об этом – мы говорим, что это климат, это почва, это то. И что вы думаете? Мы можем вычислить, что такое этот терруар. Он здесь, ждет, чтобы его секвенировали. Там внутри тысячи различных микробов. Их легко секвенировать, в отличие от человека. У них всего по 1-2 тысяче генов у каждого. Мы можем точно узнать, что они собой представляют.

Все, что вам нужно сделать, это собрать пробы грунта, найти этих микробов, секвенировать их, сопоставить с теми характеристиками, которые нам нужны – это всего лишь большая база данных – и можно удобрять. И тогда мы поймем, что такое терруар. Некоторые говорят: «Мы что, играем в Бога? Если мы создаем живых существ, мы играем в Бога?» Такие вопросы всегда задают Джеймсу Уотсону – а он не самый политкорректный парень… Они его спрашивают: «Вы что, играете в Бога?» И у него есть один замечательный ответ: «Ну, кто-то же должен».

Я считаю себя весьма религиозным, но вне какой-либо традиционной религии, и на мой взгляд, в этом нет ничего против природы. Я не считаю подобные соединения ненатуральными. Я вас уже предупредил, что, возможно, кому-либо станет плохо. Это крайне просто: мы не изобретаем молекулы или их составляющие. Они уже здесь, во Вселенной. Мы просто реорганизуем их, меняем местами, но мы при этом не делаем чего-либо искусственно.

Сейчас мы можем негативно влиять на природу – мы можем отравлять себя, отравлять Землю – но это нормальное следствие сделанной нами ошибки. Но сегодня природа предоставила нам конструктор, и мы понимаем, что этот конструктор очень мощный. Например, верите вы или нет, но существуют микробы, производящие топливо. Есть такие микробы – возвращаясь к дрожжам – которые представляют собой химические фабрики, сложнейшие химические фабрики, созданные самой природой, и мы можем задействовать их. Есть также некоторый набор правил.

Природа не все может позволить вам. Мы можем создать виноградный куст, но мы не можем сделать так, чтобы этот куст рожал детей. Природа здесь имеет набор правил. Мы можем работать по правилам, можем нарушать их. Пока мы только изучаем эти правила. Я задам простой вопрос: если бы вы могли вылечить все болезни – если бы могли заставить болезнь уйти, потому что вы знаете, как она устроена, если бы вы могли решить проблему голода, создавая растения, которые растут в малоприспособленной внешней среде, если бы вы могли создать чистую энергию в большом количестве – мы в лаборатории Synthetic Genomics создали микроорганизм, который перерабатывает двуокись углерода и производит молекулу, похожую на бензин. Именно двуокись углерода, от которой мы хотим избавиться. Двуокись углерода, немного солнечного света, и вот у вас уже высокоочищенный липид. Мы могли бы решить нашу энергетическую проблему, могли бы уменьшить СО2. Мы могли бы очистить наши океаны, могли бы улучшить вино. Если мы можем, должны ли мы? Я думаю, что ответ здесь простой: работать с природой, работать с тем инструментом, который начинаем понимать, это следующий этап эволюции человечества.

И все что я могу вам сказать, будьте здоровы ближайшие 20 лет. Если вы будете здоровы ближайшие 20 лет, возможно, вы доживете и до 150, а может быть и до 300.

Перевод: Сергей Ивлиев
Редактор: Валентина Чеш Веллброк

Источник