Получится ли у нас выжить в эпоху синтетической биологии?

Создание вируса с нуля сегодня становится вполне посильной задачей не только для специалистов в лабораториях, но и для энтузиастов-биохакеров с их гаражными исследованиями. Все это сулит огромные возможности и одновременно — труднооценимые опасности. Станут ли рукотворные биологические вирусы в недалеком будущем такой же обыденностью, как компьютерные в наши дни?

Профессор вирусологии Дэвид Эванс получил отказ в публикации своей статьи в журнале Science. Именно этот простой факт скрывался за многословной и подчеркнуто вежливой формулировкой Каролины Эш, редактора журнала. «Мы признаем ваше техническое достижение, но в конечном итоге пришли к выводу, что публикация не предоставит читателям Science нового биологического знания в достаточной мере, чтобы перевесить значительное административное бремя, которое представляет для редакции ваша рукопись, будучи исследованием двойного назначения».

За два года работу канадского профессора обсуждали на специальном комитете ВОЗ, рукопись просматривали в подведомственных канадскому Минздраву агентствах. Принимать статью Эванса отказались топовые научные журналы Science и Nature Communications. Лишь в январе этого года она была опубликована в бунтарском PLoS ONE. Что же такого сделал доктор Эванc и почему предать огласке результат его работы оказалось столь трудно?

Каролина Эш в чем-то права — в общем-то, в работе Эванса нет ничего революционного. Пользуясь более или менее известными технологиями, команда профессора воскресила предположительно вымерший вирус лошадиной оспы. Однако для того, чтобы понять мотивы исследователей и страхи редакторов Science, нам придется ненадолго отвлечься от этого исследования и обратиться к истории.

Поверженный враг

Мало кто из живых существ может сравниться по своей отвратительности с вирусом натуральной оспы. К счастью, в 1977 году был зарегистрирован последний естественный случай заражения им, закончившийся смертью. К бесславному концу вирус привела практически повсеместная вакцинация населения живой осповакциной. Той самой, что когда-то была получена Эдвардом Дженнером из нарыва на руке простой английской доярки Сарры Нелсис. В большинстве учебников написано, что таким образом Дженнер получил близкого родственника вируса человеческой оспы — вирус коровьей оспы. Коровья оспа очень легко переносится человеком, но ее вирус распознается иммунной системой так же, как вирус натуральной оспы, формируя к нему стойкий иммунитет.

Французская карикатура (ок. 1800 года), высмеивающая новости

об изобретении в Британии вакцины от оспы.

Изображение: WellcomeLibrary / CC BY 4.0

За прошедшие два века вирус, когда-то полученный Дженнером, пережил тысячи контролируемых пересадок с человека на животных и обратно и довольно далеко эволюционировал от своего прародителя. Фактически он стал независимым биологическим видом — вирусом осповакцины. Проходя через неизбежный естественный отбор при каждой прививке, современный вирус осповакцины, судя по всему, стал намного менее дружелюбным по отношению к прививаемым, чем его исторический предок. 

В чем же проблема, возразит нетерпеливый читатель, натуральная оспа давно вымерла, и мы уже четыре десятилетия как отказались от тотальной осповакцинации населения! Проблема в том, что оспа может вернуться. Образцы натуральной оспы хранятся лишь в двух научных центрах мира и строжайше охраняются. Но никто не знает, точно ли вирус вымер. Вдруг он просто нашел себе каких-нибудь новых хозяев? К тому же даже при отсутствии доступа к природному вирусу оспы сегодняшние технологии дают реальную возможность при наличии знаний, денег и усердия синтезировать его искусственно. А усердия некоторым авторитарным режимам и экстремистским группировкам, как мы знаем, не занимать. Поэтому, например, не обделенные бюджетом и предусмотрительностью американские военные провели в начале 2000-х массовую кампанию по осповакцинации военнослужащих.

Работа с патогенными для человека вирусами в лаборатории «Вектора»,

 одного из двух научных центров на планете,

в которых хранится образец вируса натуральной оспы.

Получается, что медикам нужно быть готовыми к массовому выпуску безопасной и эффективной осповакцины. Принимая это во внимание, доктор Эванс и решил, что реконструкция того самого, дженнеровского вируса осповакцины — очень неплохая идея, и согласился на предложение Сета Ледермана из фармкомпании Tonix, которая и профинансировала работу вирусолога.

В основу работы лег малоизвестный, но очень любопытный факт. Дженнеровская вакцина произошла вовсе не от коровьей оспы, как принято думать, а от оспы лошадиной, которую безмятежные английские буренки частенько подхватывали от своих непарнокопытных родичей. Ее-то и «подцепила» незадачливая доярка Сарра Нелсис.

Вообще, это подозревал еще сам Дженнер, но исчерпывающие доказательства появились только после прочтения генома вируса лошадиной оспы и его сравнения с геномом вируса осповакцины. Именно последовательность генома вируса лошадиной оспы стала отправной точкой для биоинженерных изысканий Эванса. Интересно, что сам вирус лошадиной оспы уже очень давно не попадался на глаза ветеринарам и скорее всего вообще вымер — его геном был прочитан по образцу, полученному из лохматой монгольской лошадки аж в далеком 1976 году.

Химера Эванса

Фрагменты вирусного генома были заказаны у коммерческой фирмы, а недостающие концевые последовательности, которые не удалось прочитать вместе с остальной частью генома, просто взяли у вируса осповакцины. Тут не обошлось без сложностей — геномы ортопоксвирусов (к которым относятся все вирусы, о которых мы сейчас рассказываем) неприлично большие, около 200 тысяч пар оснований. И самое главное, в отличие от ранее синтезированных вирусов, например вируса полиомиелита, голый геном любого из ортопоксвирусов, введенный в клетку-хозяина, не будет автоматически приводить к развитию инфекции. 

Для того чтобы развернуть свою деятельность в организме хозяина, вирусу нужен собственный фермент ДНК-транскриптаза, отличный от хозяйского. Самый простой способ решить эту проблему и запустить свежесинтезированный геном — рекрутировать аналогичную транскриптазу на стороне. Поэтому в работе пришлось использовать вспомогательный вирус — вирус фибромы Шоупа.

Целиком геном был собран в клеточной линии, инфицированной этим вспомогательным вирусом, и именно его транскриптазы заимствовал свежесобранный геном синтетического вируса оспы. В результате клетки стали производить готовые частицы химерного вируса, геном которого отличался от лошадиной оспы только тем, что содержал концевые шпильки вируса осповакцины. 

Химера повторила большинство черт лошадиного вируса, но мыши переносили инфицирование им намного легче, чем заражение вирусом осповакцины. А иммунитет, появившийся у мышей после перенесения химерного вируса, защищал и от вируса осповакцины, намного более опасного для них, чем для нас. Вся работа по воскрешению лошадиной оспы обошлась небольшой группе исследователей в полгода времени и примерно $ 100 000.

Вирионы оспы.

Фото: Dr. Fred Murphy; Sylvia Whitfield / CDC

Вроде бы получена более безопасная альтернатива вируса осповакцины и эпидемиологи могут только радоваться. Но не тут-то было!

Незамысловатая работа группы Эванса наглядно описала, как в рядовой лаборатории, за скромные по меркам биотеха деньги можно воскресить вирус, который как брат-близнец похож на вымершее чудовище эпохи великих эпидемий. Руководствуясь, казалось, благими побуждениями, доктор Эванс с коллегами загнали себя в настоящий порочный круг: их работа упрощает борьбу с натуральной оспой, если она все-таки вернется, и одновременно делает это возвращение гораздо более вероятным. В свете этого, по-видимому, редакторы консервативных Science и Nature отказали профессору в публикации, а когда тот все-таки обнародовал свои результаты, развернули горячую дискуссию на страницах своих журналов.

Ведь, как мы уже упомянули, работу Эванса опубликовали в журнале открытого доступа PLoS ONE, отстаивающего идею свободного распространения научного знания. Но и только на этом спор не заканчивается, ведь на самом деле за фасадом рассказанной истории скрывается гораздо более глубокая проблема ближайшего будущего, контуры которой пока лишь вырисовываются на горизонте.

Создать с нуля

Самый наглядный способ доказать, что ты точно разобрался в устройстве какой-то сложной системы, — создать точно такую же с нуля. Эта мысль — настоящий лейтмотив бурно развивающейся синтетической биологии. Гуру синтетики, вроде одиозного Крейга Вентера, уже научились синтезировать полностью искусственные геномы бактерий и создавать таким образом новые виды. Сегодня ведущие научные коллективы уже подходят к синтезу еще более сложного генома эукариот: этим сейчас занимается международный проект по созданию дрожжевого генома de novo. Все эти работы безумно сложны и пока что под силу лишь крупным научным центрам и их объединениям.

Впрочем, большой вопрос, насколько синтез генома можно считать созданием организма. Мы лишь создаем библиотеку чертежей-генов и внедряем ее в уже существующую клетку, которая тут же начинает меняться, слушаясь новых инструкций. Сборка же с нуля всей клетки с ее причудливо изогнутыми мембранами и сотнями тысяч разнообразных белков пока что труднопредставимая задача.

То ли дело вирусы. С ними гораздо проще. Вирусы — внутриклеточные паразиты, состоящие, по сути, из одного только генома и защитной оболочки. Иногда, как в случае с оспой, этот джентльменский набор дополняется парой-тройкой ферментов для его распаковки. Поэтому создание вирусного генома и его активация внутри клетки-хозяина по сути приравнивается к созданию вируса с нуля в его естественной среде обитания. Их геномы в среднем на один-три порядка короче геномов бактерий. И, как показала работа Дэвида Эванса, даже очень крупные вирусные геномы с замысловатой системой экспрессии, вроде генома вируса оспы, можно относительно легко собрать из полинуклеотидов, заказанных по почте, и «реанимировать» с помощью вирусов-спутников.

Так на наших глазах создание простых и самых зловредных биологических объектов становится доступным уже для небольших лабораторий и скоро будет по силам даже одиночкам, занимающимся биохакингом у себя в гаражах.

DIYBio Revolution Poster.

 Image credit: dyibio.org, CC BY-SA 3.0

Сделай сам

Движение биохакеров, или DIY-биологов (от англ. do it yourself, т.е. «сделай сам»), зародившееся в Америке в середине 2000-х, сегодня включает в себя тысячи исследователей. Биохакерское сообщество отчасти позиционирует себя как островок свободной от авторских прав, патентов и грантового финансирования науки. Пропагандируя знания, методы и даже приборы «открытого доступа», биохакеры стремятся сделать биотехнологии более доступными и открытыми для применения.

В общем и целом убеждения биологических хакеров очень близки системе ценностей традиционных, «цифровых» хакеров. Внесистемное мышление, стремление к реализации своего творческого и исследовательского потенциала вне зависимости от воли крупных компаний или государств, фанатичное отношение к открытости и всеобщей доступности знаний. В контексте развития синтетической биологии все это выглядит особенно привлекательно. И пугающе одновременно.

Немудрено, что деятельность этих ребят уже давно вызывает пристальное внимание спецслужб. К счастью для последних, изрядная часть биохакеров состоит в крупных сообществах, облегчающих им доступ к некоторым приборам. Работа в таких лабораториях общего пользования строго регламентируется правилами биологической безопасности. В тоже время контроль биохакеров-одиночек является крайне сложной задачей, и с ростом доступности технологий синтетической биологии она будет лишь усложняться.

Пока что длинные полинуклеотиды, необходимые для сборки геномов, не синтезируются «на коленке», в гараже. Их созданием занимаются коммерческие компании, у которых есть возможность отказать клиенту в синтезе последовательностей, вызывающих у них подозрения. Тем не менее какого-либо единого международного стандарта, который бы предписывал биотехнологическим предприятиям в обязательном порядке принимать меры предосторожности, пока нет, хотя ВОЗ уже довольно давно рекомендует всем своим членам их завести.

Но даже появление подобной регуляторной базы не сделает ситуацию кристально ясной. Не всегда очевидно, где можно провести границу между потенциально опасными гаражными исследованиями и безопасными поделками. Понятие видоспецифичности применительно к бактериям и вирусам — с их чудовищной изменчивостью и стремительным переносом генов — очень условно, поэтому отделить запретный объект исследования от безопасного не всегда возможно.

Случайная мутация или направленно модифицированный ген может легко превратить сравнительно безвредный микроорганизм в безжалостного убийцу. Каждый следующий технологический виток дает человечеству все бóльшую власть и подбрасывает новую кучу коварных вопросов, громоздя на наши плечи очередную порцию ответственности.

На нашем веку человечество дорастает до возможности создавать жизнь. И судя по всему, гордое звание творцов способно доставить нам кучу головной боли. Вопросы, которые долгие столетия оставались умозрительными, внезапно обретают вполне практический смысл. Можно ли создавать или корректировать организмы, пусть даже самые простые, для своего интереса или удовольствия? Всем ли можно доверить это право? Как определить потенциальную опасность своей работы? Вопросов много. Главное — не ошибиться в поиске ответов на них

☘️🌱☘️🌱☘️

Список статей по теме:

(здесь)