Следующие 500 лет: Как подготовить человека к жизни на других планетах - Кристофер Мэйсон

и одним из первопроходцев в таких исследованиях является Пола Олсевски из Фонда Альфреда Слоуна. Все объекты изучения в рамках MoBE – от домов и метро до космических станций – представляют собой в настоящее время «случайно» сложившуюся экосистему, к которой приспособились ее обитатели. Картировать и описывать ее очень сложно.

В 2018 г. был запущен проект Earth BioGenome, цель которого – секвенировать и аннотировать примерно 1,5 млн геномов сложных организмов, обитающих на Земле. В Великобритании также стартовал еще один проект – Darwin Tree of Life – в рамках подобных европейских инициатив. Группы, занятые в этом проекте, планируют вместе секвенировать и аннотировать геномы всех 66 000 эукариотических видов, обитающих на Британских островах. Институт Сенгера вместе с партнерами из различных британских организаций, музеев и университетов служит хабом для секвенирования. Это позволит впервые в истории создать карту геномов планетарного масштаба. Но она будет охватывать только те организмы, которые существуют рядом с нами, а как быть с теми, что над нами, которые от нас отделяет космос?

Многое из того, что нам известно о метагеноме МКС, – это результат работы доктора Кастхури Венкатесварана из Лаборатории реактивного движения NASA. Свидетельства быстрой адаптации организмов к космическим условиям, включая устойчивость к антибиотикам, наблюдаются с начала 2000-х гг. и имеют прямое отношение к здоровью и безопасности экипажа. Хотя другие исследования показали, что организмы адаптируются, они необязательно становятся опасными. Как и в большинстве биологических процессов, влияние зависит от ситуации и момента. Вплоть до 2015 г. мониторинг этих изменений на МКС в реальном времени был невозможен, но затем родилась идея эксперимента.

ДНК в космосе

Идеально было бы прямо на МКС секвенировать ДНК или РНК любого интересующего нас живого существа, но аппаратура для выполнения таких задач была слишком громоздкой. Большинство секвенаторов ДНК, характеризующихся высокой скоростью работы и производительностью (например, Illumina) также были слишком тяжелыми, из-за чего их доставка в космос обошлась бы слишком дорого. Но в 2012 г. компания Nanopore Technologies из Оксфорда анонсировала разработку миниатюрного секвенатора под названием MinION, который вполне умещается на ладони и весит всего 0,3 кг. В 2014 г. наша лаборатория в Корнеллском университете и некоторые другие получили доступ к этому прибору. В 2015-м секвенирование генома в космосе уже было реалистичным. Оказывается, все, что для этого требуется, – реактивы, компьютер (или даже планшет), MinION и немного смелости.

Работая над организацией эксперимента Twin Study, я поинтересовался в NASA, возможно ли доставить на МКС нанопоровый секвенатор, и они посоветовали мне поговорить об этом с доктором Аароном Бертоном и Сарой Кастро-Уоллес. Оказывается, они уже начали продумывать нечто подобное, поэтому мы объединили усилия для разработки эксперимента «Секвенатор биомолекул» (BSeq) при участии Кейт Рубинс и Чарльза Чу.

Итак, мы взялись за планирование. Для начала нужно было найти ответ на простой, но важный вопрос: станет ли секвенатор вообще действовать в невесомости? Что будет, если мы доставим его на орбиту, а он там не заработает? Что, если по каким-то причинам секвенатор станет работать в невесомости иначе, чем при нормальном тяготении на Земле? К счастью, мы смогли воспользоваться авиатренажером, прозванным астронавтами «рвотная комета», на котором NASA тестирует процессы работы в невесомости.

На одной из телеконференций, доктор Энди Файнберг упомянул, что как раз собирается поработать на «Комете». Ему нужно было выяснить, станут ли функционировать в невесомости новые пипетки с положительным вытеснением. Когда он спросил, нет ли у кого идей по проведению других экспериментов, я тут же ответил «да!». Представился замечательный шанс протестировать секвенатор в невесомости. Нам оперативно доставили все принадлежности, мы погрузились в самолет и с головой ушли в космические эксперименты. Когда Энди взялся за дело, по всему самолету стали летать пробирки, но он умудрился сохранить самообладание, перенес образцы и убедился, что пипетки работают. В конце концов он сумел заправить маленький секвенатор, и в 2015 г. мы вместе впервые продемонстрировали, что секвенировать геном в невесомости действительно реально.

Далее предстояла работа на МКС. Доктор Кейт Рубинс, входившая в команду BSeq, опытный вирусолог, ранее руководившая собственной лабораторией и многократно выполнявшая секвенирование самостоятельно, стала астронавтом, отобранным для следующего полета в космос. Это оказалось как нельзя кстати. Она благополучно прибыла на МКС в августе 2016 г. NASA снаряжало грузовой корабль для пополнения запасов, необходимых экипажу станции. Мы скоординировались и привлекли к анализу специалистов из Хьюстона, Нью-Йорка и Калифорнийского университета в Сан-Франциско, чтобы контролировать в реальном времени работу на МКС. Эксперимент прошел безупречно, и ДНК человека впервые в истории была секвенирована за пределами Земли. Так на наших глазах началась эра космической геномики. По результатам исследований мы опубликовали первые геномные и эпигеномные данные, полученные с участием коллег из миссии BSeq и других ученых.

В эту новую эру космической геномики будущие астронавты будут полагаться только на себя, что принципиально важно для людей, оказавшихся на другой планете. Если они столкнутся с неизвестными или острыми медицинскими проблемами, например с микробами, невосприимчивыми к антибиотикам, то смогут секвенировать их, определить, что они собой представляют, и понять, как действовать в сложившейся ситуации. Кроме того, как уже говорилось, методы мониторинга на основе секвенирования геномов позволят на ранней стадии выявлять многие заболевания.

Молекулярное тело

Все рассмотренные выше биологические уровни – от регуляции эпигенома, определяющей, какие гены транскрибируются в РНК, до регуляции эпитранскриптома, контролирующей обработку этих РНК и их трансляцию в белок, вплоть до дополнительной модификации белков и взаимодействия всех этих молекул – составляют «молекулярное тело». В совокупности эти элементы требуют фундаментального пересмотра наших представлений о человеческом организме. Так как же выявлять проблемы, возникающие в столь сложной системе? Для этого нам пригодится внеклеточная ДНК.

Множество мелких фрагментов ДНК постоянно выбрасывается из клеток (намеренно либо при гибели клетки) и циркулирует по организму в кровотоке. У здорового человека внеклеточная ДНК поступает в кровь в основном в результате гибели нормальных клеток, особенно кровяных телец. Отмечу, что всего из одного миллилитра плазмы можно выделить столько внеклеточной ДНК, что ее хватит на сборку от 1000 до 10 000 полных копий вашего генома. Он будет состоять как из хромосомной, так и из митохондриальной ДНК, а вместе с этим материалом мы подхватим фрагменты вирусных, бактериальных и грибковых геномов. С учетом, что внеклеточная ДНК – это, в сущности, «мусорный профиль» нашего организма, просеивание этого мусора помогает понять, что происходит на «молекулярном балу» у нас в теле, от чего избавляются клетки. Например, если вы нашли в мусорном контейнере кучу пивных банок или винных бутылок, это означает, что в доме неподалеку всю ночь кутили. Относительное содержание внеклеточной ДНК и те источники, из которых поступают эти фрагменты, можно отслеживать – и тогда перед нами открывается очень информативное окно для изучения физиологии человека. В 2010-е гг. практическое применение таких анализов быстро расширилось. Они пригодились в пренатальной диагностике, диагностике рака, мониторинге инфекций, отторжения тканей и иммуносуппрессии после пересадки органов. Секвенирование внеклеточной ДНК и РНК из кровотока (также именуемых внеклеточными нуклеиновыми кислотами) показало, что оно позволяет выполнить «полное молекулярное сканирование организма».

Выбор в качестве объекта исследования внеклеточной ДНК позволил разработать новые предиктивные методы, основанные на простом взятии крови. Во-первых, поскольку у раковых клеток нередко есть мутации, отличающие их от здоровых клеток, повышенное содержание таких мутаций во внеклеточной ДНК указывает на развитие рака иногда еще до появления симптомов у пациента. Эта концепция фундаментально изменила подход к раннему обнаружению рака. В частности, появились мультитесты на несколько видов рака по внеклеточной ДНК (например, по методу GRAIL), а также анализы кала по обнаружению рака толстой кишки (например, анализ Cologuard, разработанный компанией Exact Sciences). Во-вторых, пациент, которому пересаживается орган, получает очень много клеток от другого человека, и эти аллели (разновидности гена) можно отслеживать у реципиента, если орган отторгается или разрушается. В исследовании от 2014 г., проведенном Стивеном Куэйком и Ивийном де Вламинком, удачность пересадки сердца определялась по отсутствию ДНК донора в плазме крови реципиента. Кроме того, внеклеточная ДНК изменила представления о мониторинге пациентов с сепсисом, перенесших трансплантацию почек или страдающих болезнями, при которых в кровотоке в изобилии обнаруживается чужеродная (микробная) ДНК.

Как говорилось в главе 1, уровень митохондриальной ДНК (мтДНК) в крови повышается у людей,