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

такие как Emerald Cloud Labs в Южном Сан-Франциско и Strateos в Менло-Парке, полностью перевели лаборатории в виртуальный формат, обеспечив ученым возможность заниматься программированием и работать в них практически из любого места.

Среди тех, кто поддерживает биофабрики, есть одно неожиданное, но узнаваемое наименование: Microsoft. Одно из исследовательских подразделений этой компании действует в английском Кембридже; подразделение было основано в 1997 г. и располагает собственной лабораторией молекулярной биологии. Место вполне подходящее: именно в Кембридже Уотсон и Крик открыли структуру ДНК. В 2019 г. Microsoft запустила платформу под названием Station B, рассчитанную на создание комплексных взаимосвязанных приложений и сервисов для синтетической биологии{209}. Компания наладила партнерские связи со стартапами для разработки языка программирования с открытым исходным кодом для биологических экспериментов, а также со стартапами, занимающимися автоматизацией лабораторных аппаратов разных производителей. В частности, платформа используется для замены применявшихся в синтетической биологии инструкций первого поколения, вроде «энергично встряхнуть пробирку», точными цифровыми командами для лабораторных роботов.

Так же как исследователи из Вашингтонского университета и Twist Biosciences, компания Microsoft изучает новое и необычное применение ДНК, связанное с хранением информации. По сути, ДНК – это созданный природой жесткий диск. А что, если она способна хранить и другие виды информации? Сегодня вы можете найти и сохранить на своем компьютере изображение, к примеру, Дуэйна Джонсона, записав в память полный файл. В будущем то же изображение можно будет разбить на тысячи крошечных фрагментов и записать в тысячи отдельных нитей ДНК. После секвенирования хранящуюся в ДНК информацию можно будет собрать при помощи компьютера в исходный файл{210}. В 2019 г. исследователи создали прототип первой полностью автоматизированной системы хранения на основе ДНК для записи и последующего считывания слова Hello всего в 5 байтах данных{211}. В чем его недостаток? В том, что затраты времени составили 21 час, а не миллисекунды, которые потребуются обычному компьютеру на извлечение файла. Это был ранний пример компьютерной памяти нового типа, где молекулы использовались для хранения данных, а электроника – для управления и обработки. С этим рабочим образцом на руках Microsoft, Twist, Вашингтонский университет, компании Illumina, занимающаяся секвенированием, и Western Digital, занимающаяся цифровым хранением данных, основали организацию под названием DNA Data Storage Alliance с целью создания стандартов, опираясь на которые можно было бы выстроить экосистему хранения данных в ДНК. В скором времени в альянс вошло еще множество структур.

Интерес к хранению данных в ДНК вполне объясним: мир ежегодно генерирует колоссальный объем информации. Используемые сегодня оптические, магнитные и твердотельные накопители уже не могут идти в ногу со временем. Мизерный объем ДНК способен хранить гигантские массивы сведений: всего в одном грамме можно уместить информацию, содержащуюся более чем на 200 млн DVD-дисков{212}. При такой плотности всю цифровую информацию в мире можно поместить в молекулы ДНК, пребывающие во взвешенном состоянии в 9 литрах раствора (представьте три трехлитровые банки молока), и когда-нибудь в далеком будущем по необходимости извлекать оттуда особые цифровые файлы.

Достижения в области синтеза ДНК позволили устранить одно из самых значимых некогда препятствий в генной инженерии – перевод цифрового кода ДНК в код, с которым может работать клетка. Но длина большинства синтезированных ДНК на сегодня составляет всего несколько тысяч оснований, а этого достаточно лишь для одного белка. Чтобы создать что-то более сложное, например написать полный геном микроорганизма, требуется кропотливая сборка фрагментов и точное секвенирование, и лишь после этого можно будет приступить к загрузке, тестированию и отладке биологической конструкции. Биофабрики упрощают или автоматизируют эту тяжкую работу, но, как и первые универсальные ЭВМ, они требуют огромных расходов при создании и эксплуатации и имеют ограниченный потенциал. Это не проблема для Moderna и других компаний, поддерживаемых венчурным капиталом и имеющих выход на многомиллиардные рынки, однако для большинства ученых такие факторы затрудняют участие. Вот почему несколько исследовательских институтов по всему миру построили собственные некоммерческие фабрики. В 2019 г. 16 организаций объединились в Глобальный альянс биофабрик (Global Biofoundry Alliance) с целью более эффективного сотрудничества и решения общих проблем, среди которых – выявление лучших цен на синтез ДНК, привлечение специалистов и поиск устойчивых моделей предпринимательской деятельности{213}.

Важнейшие проблемы еще предстоит решать. Например, сложной задачей остаются манипуляции с ДНК в процессе сборки, поскольку существует масса потенциальных причин для того, чтобы что-то пошло не по плану: хрупкие фрагменты ДНК могут разрушиться, а в лаборатории могут присутствовать невидимые загрязнители. Хотя первые стандарты уже существуют, между лабораториями (а иногда и внутри одной лаборатории) еще не выработаны унифицированные методы калибровки оборудования, контроля процессов и применения метаданных.

* * *

Биотехнология – одна из самых сложных отраслей в мире. И не только потому, что клеточные процессы плохо поддаются стандартизации, а работа в лаборатории требует больших затрат и высокой точности. Любые эксперименты, проводимые над такими организмами, которые могут быть употреблены в пищу, введены человеку или выпущены в природу, регламентируются обширной нормативной базой, требующей всесторонних испытаний. Надзорные органы следят за тем, чтобы конечный продукт соответствовал изначальному замыслу исследователей и при этом был безопасен. В этом процессе участвует такое количество организаций, что их перечисление заняло бы десяток страниц, при этом ни у одной из них нет единого набора стандартов или согласованных правил. Такой регулятивный надзор направлен на обеспечение того, чтобы созданные исследователями объекты делали то, для чего они предназначены, и делали это безопасно.

Компании Moderna до начала широкого применения своей вакцины предстояло, как и всем фармацевтическим фирмам, провести ряд испытаний, в первую очередь – доклинические исследования. Первоначально они проводятся в лаборатории на клеточных линиях, представляющих собой одобренные регулятором и выращиваемые для экспериментов клетки. Исследователям надо было убедиться, что их мРНК-вакцина успешно производит правильные, неопасные элементы вируса в нужных местах, стимулируя организм инициировать иммунный ответ.

Moderna, напомним, завершила работу над экспериментальной вакциной (мРНК-1273) всего через два дня после того, как доктор Чжан Юнчжэнь со своей группой опубликовал последовательности вируса, и затем приняла дерзкое решение перейти непосредственно к производству препарата для клинического применения, не дожидаясь получения разрешений от регулирующих органов. В планы компании не входили действия в обход регуляторов, однако она стремилась, учитывая скорость распространения инфекции и потенциальную способность вируса вызвать пандемию, как можно раньше приступить к клиническим исследованиям{214}.

Тогда еще было неизвестно, что небольшая германская биотехнологическая компания BioNTech, имевшая аналогичный опыт работы с мРНК, также искала варианты вакцины и налаживала партнерские связи с Pfizer и китайской фармацевтической фирмой Fosun. К началу февраля 2020 г. и у Moderna, и у BioNTech были в наличии партии, готовые к прохождению стандартных фаз процесса клинических исследований.

27 марта 2020 г. началось исследование фазы 1 вакцины-кандидата от Moderna, в ходе которого на небольшой группе добровольцев проверяется дозировка и безопасность препарата. На тот момент Всемирная организация здравоохранения составила список, куда вошли еще 52 экспериментальные вакцины, в большинстве из которых использовались инактивированные или ослабленные целые вирусы. Всего месяц спустя начались исследования фазы 2 – проверка эффективности вакцины и побочного действия. Целью проведенных Moderna исследований фазы 3, в которых участвовали 30 000 человек, была оценка общей эффективности и дополнительная проверка на безопасность. На момент написания этой книги эффективность мРНК-вакцины в предотвращении симптомов Covid составляла 94 %. (Фаза 4 предполагала мониторинг безопасности и эффективности лекарства сразу после его появления в продаже, фиксирование его редких или долгосрочных побочных действий, которые не могут быть выявлены на ранней стадии{215}.)

При апробировании в реальных условиях препараты иногда не работают. Всегда существует вероятность, что потребуются дополнительные доработки или что новинка окажется полностью негодной. Но в случае с мРНК-1273 все было иначе. В интервью, которое Бансель дал в декабре 2020 г., за несколько часов до того, как FDA одобрило вакцину его компании, он сказал, что вакцина – и этим он больше всего гордится – «на 100 %, атом за атомом» идентична той, которую они создали на компьютере еще в январе{216}. Она идеально сработала с первого раза, а это верная победа синтетической биологии. Несмотря на успех Moderna