Машина творения: Новые организмы, редактирование генома и лабораторные гамбургеры - Эми Уэбб

развода она еще дважды выходила замуж, в последний раз – за врача по имени Гейлорд Чёрч. Он усыновил мальчика, которому на тот момент исполнилось девять лет. Медицинские принадлежности в сумке отчима завораживали Джорджа. Гейлорд научил любознательного сынишку стерилизовать иглы и позволял иногда Джорджу вводить ему настоящие лекарства{138}.

При этом Чёрч доставлял много проблем учителям в католической школе. Вел он себя хорошо, однако задавал больше вопросов, чем у монахинь было ответов, и порой заводил учителей в непролазные теологические дебри. Академия Филлипса, престижная школа-пансион в Массачусетсе, где учился и Марвин Мински, оказалась более пригодной для получения среднего образования. Там Джордж с головой погрузился в вычислительную технику, биологию и математику. Однако все чаще он замечал, что не в состоянии, даже на любимых уроках математики, контролировать сон и бодрствование. За это его беспрестанно дразнили другие ученики. Более того, учитель алгебры однажды велел ему больше не приходить на занятия: если он собирается каждый день спать на уроках, то пусть изучает материал самостоятельно. Джордж чувствовал себя виноватым за то, что разочаровал учителя, и очень хотел быть таким, как все.

Проблема не исчезла и после поступления в Дьюкский университет. На лекциях и семинарах он непроизвольно погружался в сон на несколько минут, а когда называли его имя, резко просыпался и отвечал так, будто все это время был в сознании и внимательно слушал. Однажды заведующий кафедрой, разгневанный тем, что студент посмел задремать, бросил в него кусок мела. И все же Чёрч всего за два года получил диплом бакалавра в области химии и зоологии и продолжил учебу в аспирантуре Дьюка – стал изучать биохимию. Но вскоре увлекся кристаллографией – новым методом изучения трехмерной структуры транспортной РНК, которая декодирует ДНК и передает генетические инструкции в другие части клеток{139}.

Проблемы с бесконтрольным засыпанием и пробуждением между тем продолжались. Большинство окружающих считали, что он скучает или витает в облаках. Чёрч непроизвольно и стремительно погружался в быстрый сон – ту фазу, когда человек видит сны, – и переносил туда мысли, появлявшиеся у него во время бодрствования. В эти периоды осознанных сновидений он видел альтернативное будущее, в котором исследовал разные варианты научных решений и невероятные, безумные сферы применения технологий, подумать о которых никому бы и в голову не пришло.

В студенческие годы любознательность Чёрча и его готовность позволить разуму отойти от реальности (не говоря уже о странностях со сном) часто доставляли ему неприятности. Он тратил массу времени – по сто и больше часов в неделю – на инновационные исследования в области кристаллографии и не появлялся на занятиях по основной специальности, из-за чего вполне закономерно получал неудовлетворительные отметки. С курса биохимии Чёрча отчислили, тогда он попытался перевестись на другие отделения, чтобы продолжить исследования. Однако разнообразие занятий, которые он посещал, плюс репутация человека с причудами и странное направление исследовательской деятельности не устраивали преподавателей. В 20 лет в арсенале Чёрча уже были ряд заслуживающих внимание научных публикаций и престижная стипендия Национального научного фонда. Тем не менее бюрократическая система академической среды сорвала его планы{140}.

Он перевелся в Гарвард и твердо решил закончить учебу. В один из осенних дней первого семестра Чёрч на несколько минут опоздал на лекцию, потихоньку пробрался в аудиторию и сел в последнем ряду. Устроившись на месте, он достал тетрадь и взглянул на слайдовую презентацию, которая уже началась. Увиденное поразило его: лекция была посвящена одному из его собственных научных трудов. Преподаватель, ведущий молекулярный биолог Уолтер Гилберт, не знал, что Чёрч присутствует на занятии. (Тремя годами позже Гилберт получит Нобелевскую премию за разработку одного из первых методов секвенирования ДНК.)

Чёрч продолжал видеть сны о биохимии и выдвинул множество смелых идей. Одна из них касалась создания машины для быстрого и доступного считывания ДНК, другая – переписывания геномов с помощью готовых молекул с целью усовершенствовать творения природы. Ему снились ферменты, способные редактировать части геномов. Были видения, характерные для нейроотличных людей, в частности тех, кто страдает обсессивно-компульсивным расстройством и аутизмом, – умеющих усиливать или ослаблять свои особенности, а не гасить их препаратами. Увиденное во сне он применял в лаборатории, где сосредоточил усилия на геномном секвенировании и так называемом молекулярном мультиплексировании – одновременном секвенировании нескольких нитей ДНК, помещенных в одну пробирку, в отличие от общепринятого в то время подхода, когда одновременно расшифровывали только одну нить. Такую методику считали абсурдной, но Чёрч доказал, что она верна, и в результате ее распространения стоимость секвенирования ДНК резко снизилась{141}.

В тот период он познакомился с Чао-тин У, защитившей в Гарварде диссертацию по молекулярной биологии и работавшей там. Она восхищалась его безмерным трудолюбием и творческой изобретательностью и поддерживала его «безумные» идеи. Они полюбили друг друга и в 1990 г. поженились. Спустя несколько лет у них родилась дочь, у которой тоже проявились особенности с фазами сна. Чао-тин У предложила обоим пройти обследование; в результате у Чёрча и у их дочери диагностировали нарколепсию. Чёрч понял, что стандартное лечение может лишить его осознанных сновидений, и принял решение жить с симптомами расстройства. Он перестал водить машину и научился приемам, которые помогали сохранять бдительность, например стоя переносить вес с одной ноги на другую{142}.

Вдохновленный поддержкой семьи, способствовавшей его успехам, невзирая на особенности его организма, Чёрч стал бороться за воплощение в жизнь замыслов других людей. К началу 2000-х гг. вместе с огромным сообществом своих единомышленников они опубликовали сотни трудов, многие из которых составили основу современной синтетической биологии. В статье 2004 г., появившейся в журнале Nature, был поставлен вопрос об удешевлении синтеза ДНК и описан процесс печати нитей на микросхемах{143}. В 2009 г. Чёрч и его коллеги представили на страницах Nature эпохальное исследование – обоснование новой технологии, позволяющей одновременно анализировать миллионы геномных последовательностей{144}. В предыдущей главе мы говорили о синтезе артемизинина – важном научном достижении, на которое ушло около 25 млн долларов и почти 150 человеко-лет труда. Тогда речь шла о корректировке лишь нескольких десятков генов, а это далеко от задач синтеза целого организма. У Чёрча возникла идея ускорить процесс, заставив эволюцию работать в лабораторных условиях. Вместо написания идеальной ДНК с чистого листа он задумал устройство, которое, начав с наброска, автоматически разрабатывало бы множество вариантов, а затем выбирало бы из них лучшие.

Для этого он совместно с небольшой группой ученых создал в своей лаборатории специальную машину – устройство из роботов-манипуляторов, колб и пробирок, проводов и датчиков с управляющим всем этим компьютером. Первый опыт заключался в корректировке штамма кишечной палочки с целью получения большего количества ликопина – вещества, обеспечивающего красную окраску томатов. Результатом стали 15 млрд новых штаммов с генетическими изменениями; некоторые из них содержали ликопина в пять раз больше, чем исходные. Чёрч назвал этот подход мультиплексной автоматизированной геномной инженерией (MAGE). Это была эволюция, только в ускоренном режиме. Размышляя о практическом применении изобретения, он представлял, в частности, создание разного рода вариаций клеточных линий человека для исследований, с помощью которых ученые смогут, например, узнать, как мутации вызывают болезнь. Это позволило бы радикально изменить подход к медицине. Стволовые клетки с запрограммированной сопротивляемостью вирусам могли бы использоваться в клеточной терапии. Мы могли бы проектировать и выращивать новые органы из стволовых клеток с измененными геномами, делая их устойчивыми к заболеваниям. Теоретически у нас появилась бы возможность путем корректировки геномов и использования ЭКО для имплантации эмбрионов обеспечивать будущим младенцам устойчивость к воздействию вирусов.

Но, пожалуй, самое примечательное, что в 2012 г. Чёрч помог заложить основу для CRISPR[8] – краеугольной технологии генетического редактирования, позволяющей легко изменять последовательности ДНК и модифицировать функции генов. Спектр примеров применения CRISPR весьма широк – от исправления генетических дефектов до выведения растений с повышенной морозоустойчивостью и уничтожения патогенов. Чёрч и его бывший аспирант Фэн Чжан из Гарварда опубликовали в Science статьи, демонстрирующие использование технологии CRISPR для управления бактериальным ферментом Cas9 при необходимости точного разрезания ДНК в клетках человека. В основе этих трудов лежали сделанные ранее открытия микробиолога Эмманюэль Шарпантье