На вопрос о том, что дала наука биология человечеству, можно отвечать очень долго, а можно обойтись всего двумя словами. Например такими: антибиотики и оспа. Слава антибиотиков (по-прежнему вполне реальная) постепенно тускнеет в связи с развитием резистентности (о чем мы регулярно пишем). С оспой же ситуация лучше — о ее возвращении, к счастью, можно не беспокоиться. Однако повторить уникальный опыт тотального уничтожения болезни на всей планете до сих пор, к сожалению, не удавалось. Сейчас, благодаря развитию молекулярной биологии и, в том числе, открытию системы редактирования генома CRISPR/Cas9, у человечества есть надежда добавить к оспе еще одно заболевание. И не абы какое, а одно из самых серьезных с точки зрения числа страдающих им людей — малярию.

Речь идет о появлении технологии так называемого генного драйва, которая потенциально позволяет полностью остановить на планете распространение малярии. Идея заключается в том, чтобы создать и затем выпустить в окружающую среду специальных, стерильных генно-модифицированных комаров рода Anopheles. О том, как работает эта технология, какие риски она с собой несет и когда может начаться «комариный геноцид», мы поговорили с одним из признанных лидеров в этой области, сотрудником Имперского Колледжа в Лондоне профессором Андреа Крисанти (Andrea Crisanti). Материал подготовлен в рамках Года науки и образования Великобритании и России — 2017, организованного Британским Советом и Посольством Великобритании в Москве.

В декабре прошлого года, на заседании комиссии ООН в мексиканском Канкуне обсуждалось предложение ввести мораторий на испытания и исследования технологии генного драйва. То есть, фактически, о запрещении вашей работы. По результатам обсуждения мораторий был отвергнут. Надо полагать, что вы довольны таким решением, но все-таки, что это было: победа или лишь кратковременная пауза? Что можно сказать про прошествии нескольких месяцев?

Конечно, это только пауза. Не думаю, что здесь можно говорить о какой-то окончательной победе. Полагаю, мы еще услышим призывы запретить генный драйв или ввести какие-то иные формы регулирования. И мы на самом деле приветствуем введение каких-то международных правил. Но только не запретов. Поймите, институты, которые занимаются этими исследованиями, — а это не только Имперский колледж, это и Гарвард, и Массачусетский госпиталь — имеют заслуженную репутацию ответственных и прозрачных организаций. Если будет принят мораторий, это не значит, что исследования прекратятся, это значит, что они будут проводиться в других, менее прозрачных местах. Не думаю, чтобы это кому-то было нужно.

Мне кажется, требование наложить мораторий было вызвано просто недостатком понимания того, что это вообще за исследования. И, возможно, недостатком коммуникации с нашей стороны. Ведь никакого содержательного общения не получилось: мы не знали о том, что смущает экоактивистов, но и они нас ни о чем не спрашивали. В результате у противников генного драйва сложилось неправильное представление о том, как эта технология работает, на что она способна, а на что нет. Я думаю, что в основном опасения вызываются просто словами о «генетической модификации, которая способна распространяться в популяции». Многие, когда слышат такие слова, сразу же хотят пресечь подобные поползновения в зародыше.

Хорошо, давайте тогда сделаем шаг назад и разберемся с тем, как на самом деле работает генный драйв, чтобы нашему читателю все это стало понятно.

Думаю, ваш читатель прекрасно знает что такое ДНК. И что ДНК, как всякая молекула в живом организме, может ломаться. В ней могут появляться разрывы. Хорошие новости состоят в том, что подобные разрывы клетка умеет исправлять. Есть два основных пути починки таких поломок. Первый путь — просто соединение разорванных концов друг с другом (путь NHEJ — прим. ред.). Но этот путь, на самом деле, совсем не такой хороший, как кажется на первый взгляд. Ведь соединяя друг с другом два близлежащих конца порванной ДНК, клетка не знает, сохранили ли эти концы свою исходную последовательность. Пока они «болтались», от них могли отваливаться отдельные нуклеотиды. И если просто соединить два таких испорченных конца молекулы, можно легко внести в важный ген ошибку или даже полностью его выключить.

Андреа Крисанти

Есть и гораздо более продвинутый путь исправления (репарации) разрывов. Он основан на том факте, что любой организм, способный размножаться половым путем, имеет два набора генов, находящихся на гомологичных хромосомах — тех самых, что получены им от мамы и от папы. И если повреждение происходит в одной из хромосом, то для его исправления можно использовать нетронутую копию того же гена в парной хромосоме. При этом концы ДНК на месте разрыва обрезаются, одна из нитей спаривается с парной хромосомой и поврежденный промежуток восстанавливается на основе гомологичной копии. Получается такой принцип копирования и вставки. Это очень надежный и эффективный механизм исправления разрывов. В клетках так называемой половой линии, из которых потом получаются яйцеклетки и сперматозоиды, работает только он. И понятно почему: ведь повреждения в этих клетках гораздо опаснее, чем в любых других.

Теперь, чтобы из этих природных механизмов получить генный драйв, нужно сделать всего один шаг. Драйв — это явление, при котором все потомство организма, имеющего в своем геноме два варианта (аллеля) какого-либо гена, передает своему потомству только один из них. Когда драйва не происходит, работают классические законы Менделя: потомству передаются оба варианта генов случайным образом. Но стоит нам научиться вносить в один из вариантов гена целенаправленные разрывы, что произойдет? Мы фактически активируем механизм гомологичной рекомбинации. И это приведет к тому, что один из вариантов гена («запасной») заменит собой другой (тот, в котором произошел разрыв) и эти изменения передадутся потомству. Все потомство по этому аллелю будет совершенно одинаковым, вопреки законам расщепления Менделя. Вот и все: генетический драйв это всего лишь способ активировать природную систему репарации путем введения точечного разрыва в ДНК.

Первую экспериментальную модель комаров, в которой демонстрируется этот принцип, мы разработали пять лет назад. Для внесения разрывов в ДНК там использовался особый класс ферментов-нуклеаз, которые имеют дрожжевое происхождение (их называют хоуминг эндонуклеазы). Проблема с этими нуклеазами в том, что они «заточены» на распознавание своей, дрожжевой ДНК, и перепрограммировать их для работы ДНК комаров довольно сложно. Не невозможно, но сложно. А потом появилась система CRISPR/Cas9, с помощью которой разрывы можно вносить в любое нужное место нуклеиновой кислоты, в зависимости от того, какой направляющей РНК вы снабдите нуклеазу Cas9. Механизм совершенно точно такой же, разница здесь чисто техническая.

Как видите, ничего особо сложного в генном драйве нет. Значит ли это, что кто угодно может сделать такой эксперимент? Конечно, нет. Здесь много чего нужно знать, помимо самой механики внесения изменений в ДНК. Нужно понимать, как работает геном, знать, какие гены подходят в качестве целей для внесения изменений, как и когда работают их промоторы, как устроена популяция и так далее. Это не студенческий проект, который можно выполнить в гараже. В СМИ было много странного шума о том, что эта технология очень опасна из-за того, что якобы очень легко осуществима. Нет, простая она только на бумаге. На практике все, конечно, гораздо сложнее.

*И все-таки, как вы считаете, какая часть опасений, всей этой шумихи, объясняется только лишь непониманием природы технологии, а какая часть реально обоснованна и имеет право на существование? *

Мне кажется, что во многом общее недопонимание генного драйва объясняется всей этой шумихой вокруг технологии CRISPR. Редактирование человеческого генома, иммунотерапия рака — все это придает нездоровой сенсационности самой технологии CRISPR, и, как следствие, она переносится на все те исследования, где эта технология хоть как-то задействована. Это во-первых. А, во-вторых, некоторые специалисты по CRISPR сами по себе допускали публичные высказывания, которые, скажем так, не способствуют конструктивному диалогу. Это, знаете, такой не самый удачный способ подчеркнуть важность и новизну своего изобретения (которую в случае с CRISPR было бы глупо оспаривать). 

Но штука в том, что еще четыре года назад мы уже работали над точно такой же системой генного драйва, которая отличалась лишь тем, что вместо системы CRISPR использовала специально подобранные (хоуминг) эндонуклеазы. И ничего! Ну то есть как ничего: мы, конечно, опубликовали статью в Nature, о нашей работе написало огромное количество СМИ, но вот всего этого безумия с обсуждением в ООН, с призывами к запрету и так далее — ничего подобного не было. Так что вся эта шумиха скорее не про реальное обсуждение рисков, а, боюсь, просто про публичное восприятие, про имидж той или иной технологии.

Вернемся к генному драйву. Если отталкиваться от такой конечной цели как полное уничтожение малярийных комаров, то где мы находится сейчас? Что еще нужно сделать, чтобы попасть в мир без малярии?

Я бы сказал, нам потребуется сделать три ключевых шага. Во-первых, нужно будет создать надежную систему борьбы с возможным возникновением устойчивости. Во-вторых, нужно будет собрать данные о том, как генный драйв работает в реальных популяциях, в реальных условиях вне стен лаборатории. И над этим мы уже активно работаем, это так называемое «полузакрытое полевое исследование» (large semi-confined field reliese).

Собираетесь выпускать комаров на каком-нибудь изолированном острове в Тихом океане?

Нет, конечно. Представьте себе просто очень большие клетки — примерно как несколько таких комнат, где мы сейчас разговариваем, — в которых можно воспроизвести тропические условия. И не только по температуре и влажности, но в смысле растительности, света, годового изменения климата и так далее. Вот такую экспериментальную площадку мы как раз сейчас строим в Италии. Она позволит нам наблюдать жизнь популяции из тысяч комаров, следить за пищевыми цепочками, наблюдать размножение, влияние разных видов комаров друг на друга и так далее.

Это очень важный предварительный этап исследований, потому что распространение генов в популяции напрямую зависит от того, с какой скоростью комары размножаются, как это реально происходит. А у нас таких данных по ГМ-комарам пока нет. Я приведу всего один пример. В лабораторных условиях, где сейчас мы выращиваем насекомых, они живут 30–46 дней и на каждого приходится примерно около 50 его потомков. В природе количество потомков составляет около 12 штук, а живут комары в среднем всего дней 16. Это огромная разница. Так происходит потому, что в лаборатории нет того давления естественного отбора, которое существует в природе. Если мы хотим заранее рассчитать, как быстро будут распространятся нужные гены в популяции, смогут ли наши ГМ-комары конкурировать с дикими сородичами, нам надо эти данные получить и учесть в моделировании. Проведение таких экспериментов требует вложения довольно больших средств, и нам тут помогают правительство Италии и Фонд Билла и Мелинды Гейтс (общий объем финансирования работ Фондом основателя Майкрософт составил 75 миллионов долларов — прим. ред.).

Вообще, наша работа разделена на несколько фаз: сначала это работа в нашей обычной лаборатории, потом ограниченное полевое тестирование в таких больших боксах, потом эксперимент в изолированной среде, а затем, наконец, полномасштабный запуск в дикой природе. К тому времени, как мы подойдем к масштабному запуску, мы соберем гораздо больше реальных данных, чем есть сейчас. Мы будем гораздо лучше знать, на что способен генный драйв

И, конечно, решение о том, выпускать ли ГМ-комаров в дикую природу или нет, будем принимать не мы. Его будут принимать власти тех стран, которые собираются бороться с малярией. Наша задача — обеспечить все стороны корректными и надежными данными об эффективности и безопасности технологии. Но хочу подчеркнуть: останавливать исследования сейчас, как предлагают сторонники моратория, — еще до того, как получены полевые данные — это совершенно безответственная позиция. Таким активистам хорошо бы поехать в Африку и самим пожить в тех условиях, в которых живут люди, непосредственно страдающие от малярии.

То есть, если все сложится и с технической, и с политической стороны, то первой площадкой, где будут выпущены антималярийные комары, будет Африка, да?

Безусловно. Именно там это требуется больше всего.

На самом деле я не открою вам большой секрет, если скажу, что с малярией можно справиться и другими методами, без всякого генного драйва. Есть опробованные способы, такие как применение инсектицидов, использование антималярийных сеток и контроль окружающей среды (например, осушение болот — прим. ред.). Если все эти средства использовать вместе, комплексно и добросовестно, то малярию можно победить. Она ведь была уничтожена и в Европе, и в Америке, и в России (страной, официально свободной от малярии, Россия стала в 2012 году — прим. ред.). Но в Африке такой подход, к сожалению, пока не работает. Он требует политической стабильности, большого горизонта планирования, значительных ресурсов и развитой инфраструктуры. Посмотрите на историю Африки, есть ли хоть одна страна, которая бы удовлетворяла этим условиям…

Ботсвана?

Да, Ботсвана хороший пример, как раз там с малярией довольно успешно борются. Как и вообще на юге континента. Почему там получается? Потому что есть относительная политическая стабильность и какие-то ресурсы — в этом смысле некоторые вещи «продаются в наборе». Если же говорить в масштабах всего континента, то полное уничтожение малярии таким путем потребует как минимум лет пятьдесят. Готовы ли мы ждать, когда это произойдет само собой?

Те изменения, которые потенциально несет для Африки генный драйв, я бы сравнил, как ни странно, с мобильной революцией. До того как мобильная связь пришла на континент, коммуникации здесь были очень ограниченными. Ведь классическая проводная телефония требует очень больших инвестиций в инфраструктуру: нужно проложить дороги, кабели, создать сеть телефонных узлов. Появление мобильных телефонов, которые работают без таких затрат, неожиданно дало новые возможности и бизнесу, и простым людям.

Это, например, сильно подстегнуло рост грамотности: поскольку звонки все еще довольно дороги, африканцы активно используют SMS, а для этого нужно уметь читать и писать. Удивительно, но это одно из самых важных последствий появления мобильных технологий в Африке. Технология генного драйва должна сработать точно так же: она должна резко снизить порог затрат на логистику и инвестиций в инфраструктуру, которые требуются для получения реальных изменений в той ситуации, которая есть в Африке.

Комары являются лишь переносчиками малярии, а не ее возбудителями. Но вы собираетесь уничтожить именно их, а не малярийный плазмодий. Может быть, стоит пожалеть комаров — не уничтожать, а просто сделать их устойчивыми к заболеванию, чтобы они его больше не переносили?

Мы исходим из того, что как только вы выпустите в дикую природу способную к драйву генетическую конструкцию, вы сразу же перестанете ее контролировать. Она станет участником естественного отбора и начнет эволюционировать. Кому это нужно?

Если же, наоборот, мы выпускаем комаров с генетической конструкцией, которая приводит к их полной стерильности, то здесь возможны только два варианта развития событий. Либо драйв не заработает, и тогда ГМ-комары просто исчезнут естественным путем. Либо он будет работать, и тогда популяция резко сократится. Спустя какое-то время вы, теоретически, сможете выпустить в среду здоровых комаров дикого типа — если они вам так уж нравятся. Но главное, что у вас появится то временное окно, которое позволит остановить распространение болезни, и сделать это необратимо.

Малярия — самая серьезная и реалистичная область применения технологии генного драйва. Но ведь тот же подход можно использовать и для других видов. Например, для уничтожения каких-нибудь млекопитающих, грызунов?

Да, для генного драйва грызуны это цель номер два. Они, как вы знаете, стали настоящим экологическим бедствием в тех местах, где исторически млекопитающих никогда не было, куда их занесли люди. А это сотни тысяч изолированных островов. И борьба с ними требует какого-то огромного количества ресурсов и еще ни разу не увенчалась успехом. Яды, вирусы, специальные заборы — как с ними только ни боролись. Конкретно мы не занимаемся млекопитающими, но такая работа уже ведется в других лабораториях, например в США. Так что мыши, крысы, возможно еще и кролики, — все это все вполне реальные цели для генного драйва ближайшего будущего.

Беседовал Александр Ершов