Усовершенствование комара: первое в мире животное, созданное средствами генной инженерии

На протяжении этой книги мы уже не раз затрагивали вещи, которые можно было бы назвать чудесами. В этой главе мы рассмотрим еще два таких «чуда»: исцеление болезней и возникновение жизни – причем в одно и то же время.

Две эти идеи принадлежат к числу наших древнейших мечтаний. На них строятся наши мифы и легенды, они с нами так давно, что вплелись в саму фундаментальную основу нашего бытия. Эти идеи можно назвать геномом наших мечтаний.

Но теперь это не просто мечты. Три с половиной миллиона лет назад из «первобытного супа» на нашей Земле возникла жизнь. И вот мы повторили это чудо – и некоторые другие чудеса тоже. Можете назвать это гордыней, открытием ящика Пандоры – как угодно. Главное – назовите. Дайте имя этому чуду. Пройдет время, и оно станет совершенно обыденным, поэтому, чтобы этот великий момент остался в памяти, его надо как-то отметить. Это нужно сделать, чтобы в будущем мы могли вспомнить, как это все начиналось, и увидеть, как же далеко мы зашли.

1

В 77 году Плиний Старший опубликовал свою «Естественную историю», где в тридцати семи томах попытался каталогизировать все существовавшие на то время знания. От Плиния мы узнаем, что артишок принадлежит к числу земных уродств, что втирание мышиного кала в лысину стимулирует рост волос и что на островах у побережья Германии живет племя людей с огромными ушами, покрывающими все тело. Из «Естественной истории» мы также можем узнать о том, что смесь мышьяка, серы, каустической соды и оливкового масла помогает защитить урожай зерна от вредителей. На фоне куда более удивительных сведений из энциклопедии Плиния данная информация может показаться тривиальной, но это первое письменное упоминание о пестицидах, и по причинам, которые скоро станут ясны, выглядит оно воистину пророческим.

Дело в том, что угроза болезней, переносимых комарами (малярия, лихорадка денге, желтая лихорадка, вирус Западного Нила), нарастает с угрожающей скоростью. Особенно угрожающей эта ситуация воспринимается в Америке, где случаев многих из этих болезней не было уже более пятидесяти лет. Азиатского тигрового москита – переносчика желтой лихорадки, энцефалита и других заболеваний – видели к северу от Чикаго.

В Ки-Уэст, штат Флорида, ученые идентифицировали уникальный штамм вируса, вызывающего лихорадку денге, а это означает, что вирус не был привезен в страну случайным туристом, а пробыл здесь достаточно долго, чтобы в результате мутаций успели возникнуть генетические мутации.

Пытаясь отбиться от этой напасти, ученые пошли радикально новым путем, пытаясь вывести новую породу комаров. Иными словами, они создают первое в мире генетически модифицированное насекомое, чтобы потом выпустить его на волю. К лучшему это или к худшему, но мы переходим черту. Сейчас мы пытаемся создать комара, комбинируя два упоминавшихся выше мифа Плиния: о фантастических существах и пестицидах. Он будет тем и другим одновременно.

2

Современная война против болезней, переносимых насекомыми, своими корнями восходит к 1897 году, когда британский ученый Рональд Росс обнаружил, что комары являются переносчиками малярии. Он также предложил уничтожить или хотя бы сократить численность комаров во всем мире, чтобы сдержать распространение этого заболевания. Но осуществимой его идея стала только после того, как попутно с развитием химического оружия были обнаружены вещества, эффективно уничтожающие насекомых.

С тех пор борьба с переносимыми комарами заболеваниями приняла характер химической войны. Ученые разрабатывали лекарства против болезней и инсектициды против насекомых, переносивших эти болезни. Одно время уже казалось, что мы побеждаем. Но, к сожалению, за последние 30 лет правила ведения войны несколько изменились. Мать-природа вмешалась в процесс и произошла эволюция, вследствие которой насекомые, с которыми мы боремся, перестали реагировать на инсектициды, а болезни – на лекарства.

Многие из болезней, о которых идет речь, относятся к числу смертельных. На сегодняшний день лихорадка денге поражает более 50 миллионов человек ежегодно – преимущественно в Африке и Азии, – и умирает от нее 500 тысяч. Малярией заражается около 400 миллионов человек в год, а умирает больше миллиона – и основную массу среди умерших составляют дети. Еще более тревожит то, что резистентность к пестицидам и лекарствам в сочетании с большей доступностью путешествий и глобальным потеплением привела к тому, что болезни, переносимые комарами, стали все чаще появляться там, где о них уже и думать забыли. В 2003 году был отмечен второй случай появления лихорадки денге на Гавайях и первый случай в юго-восточных штатах, а следующим летом сообщили о четырех тысячах случаев лихорадки Западного Нила и трехстах умерших. Случаи смерти от малярии в США пока еще единичны, но, по словам – пусть и несколько витиеватым – представителя Международного фонда борьбы с малярией, «напасть возвращается, и нам некого в этом винить, кроме самих себя».

Чтобы справиться с напастью, последние 15 лет пытаются выйти за рамки химической войны и обратиться за помощью к генетике. Ученые вознамерились создать трансгенного комара – такую его генетическую модификацию, которая была бы неспособна переносить болезни. Идея заключалась в том, чтобы этот безвредный комар вытеснил все прочие виды подобных насекомых. Над этим проектом сейчас трудится семь научных коллективов в Америке и Европе, и их деятельности придается все большее значение.

Теперь каждый может зайти в какую-нибудь лабораторию молекулярной биологии и увидеть в микроскоп комара, отличающегося от всех когда-либо существовавших в природе. У него есть черта, которой не встретишь больше нигде в природе, – пара ярких, зеленых, флуоресцентных глаз. Эти глаза комар получил в результате успешной генетической модификации. Они наглядно доказывают, что один из самых передовых в научном смысле методов борьбы с болезнями действительно осуществим, а если мы не будем до крайности осмотрительны и осторожны, то нанесем непоправимый ущерб нашим экосистемам или, хуже того, создадим новые, еще более губительные болезни. Но, как бы то ни было, одно можно утверждать наверняка: биоинженерный комар перестал быть мечтой. Он стал явью, и очень многое зависит от того, как мы будем действовать дальше.

3

Прежде всего следует разобраться в том, каким образом сложилась нынешняя ситуация, и начать надо со взаимоотношений между малярией и комарами. Из 2500 видов комаров, существующих во всем мире, лишь малая доля в результате эволюции приучилась питаться человеческой кровью. И по мере того, как комары учились уживаться с людьми, малярийные паразиты учились уживаться с теми и другими.

Этой болезни подвержено большинство млекопитающих и некоторые виды птиц. До сих пор все трансгенные исследования выполнялись с теми разновидностями малярии, которые поражают птиц и грызунов, но методы переноса всех видов малярийных паразитов одинаковы. Процесс передачи начинается, когда голодная самка комара (а кровососущими являются только самки) подкрепляется кровью инфицированного животного и при этом проглатывает малярийного паразита. В течение нескольких суток паразит остается в кишечнике комара, где его репродуктивные клетки вызревают и высвобождают тысячи малярийных спорозоитов, которые через кровеносную систему комара проникают в его слюнную железу. Весь цикл длится 10 дней. И когда в следующий раз комар кого-то кусает, малярия передается дальше.

Этот жизненный цикл возбудителя малярии был известен ученым уже в начале XX века, но первые попытки сделать насекомых нашими союзниками в войне с болезнью датируются 1930-ми годами, и связаны они с научной деятельностью Барбары Мак-Клинток. В 1983 году Мак-Клинток была удостоена Нобелевской премии в области медицины за открытие коротких цепочек ДНК, называемых транспозонами, или прыгающими генами. Прыгающий ген получил такое название потому, что белки, которые он кодирует, могут разрывать хромосому, запрыгивать внутрь и снова «зашивать» концы, восстанавливая ее целостность. Это открытие позволяет «нагрузить» прыгающий ген другой, более полезной ДНК, например такой, которая помогла бы в борьбе с малярией.

Во всяком случае так было в теории. Чтобы она стала практикой, потребовалось полвека. Но в 1981 году биолог Джеральд Рубин обнаружил прыгающий ген в организме плодовой мушки Drosophilia melanogaster и назвал этот ген «Р». Год спустя, работая совместно с эмбриологом Алланом Спрэдлингом, Рубин использовал ген «Р» в качестве троянского коня для создания первого в мире генетически модифицированного насекомого. «Это было огромное достижение, – говорит Питер Аткинсон, энтомолог из Калифорнийского университета в Риверсайде, один ведущих специалистов по трансгенным комарам. – Ученые взяли ген, который придает глазам красноватый цвет, прикрепили его к «Р», а затем внедрили в организм плодовой мушки. Потомки этой мушки имели красноватые глаза, и их потомки тоже. Эта наследственная черта оказалась устойчивой».

К сожалению, от манипуляций с плодовыми мушками, какой бы интерес они ни представляли для науки, реальному миру ни жарко, ни холодно. Плодовые мушки болезней не переносят и урожай не портят, да и вообще никак не влияют на наше социально-экономическое положение, если не считать их роли в научных исследованиях. «Восьмидесятые годы были временем поисков вслепую, – вспоминает Аткинсон. – Мы думали, что открытие “Р” станет значительным прорывом, но результаты дальнейших исследований и экспериментов были сплошь отрицательные».

К началу 1990-х годов стало ясно, что потенциал «Р» иссяк и пользы от него нет никакой. Ученые принялись за поиски других прыгающих генов. В 1996–1997 году Аткинсон в сотрудничестве с молекулярным генетиком Дэвидом О’Брохта из Мэрилендского университета обнаружил такой ген в комнатной мухе. Этот ген назвали гермесом. Была надежда, что он окажется более полезным с прикладной точки зрения, нежели ген «Р», и уже в следующем году надежда оправдалась: Энтони Джеймс, энтомолог-генетик из Калифорнийского университета в Ирвайне, использовал его для генетической модификации комара, переносящего желтую лихорадку.

Но это было только начало битвы.

Плодовые мушки являются рабочими лошадками современной генетики. В связи с этим существует длинный список их черт, которые идентифицировались и культивировались в лабораторных условиях. Одной из таких черт, к примеру, является цвет глаз. Работая с плодовыми мушками, Спрэдлингу и Рубину достаточно было следить только за изменением цвета глаз, т. е. за генетическим маркером, чтобы убедиться в успешности эксперимента. Но у комаров таких маркеров нет. Поэтому единственный способ выяснить, выполнил ли свою работу прыгающий ген, – дать потенциальным трансгенным комарам размножиться в нескольких поколениях, а потом исследовать их под микроскопом и проверить, сохраняется ли внедренная модифицированная ДНК. С точки зрения долгосрочной борьбы с малярией этот процесс слишком трудоемкий, чтобы быть экономически жизнеспособным. Кроме того, микроскопическое исследование предполагает умерщвление комара, отчего он не сможет дальше плодиться – даже если содержит модифицированную ДНК.

В конце 1980-х годов ученые, пытаясь преодолеть эти препятствия, стали искать легко идентифицируемый генетический маркер, который ассоциировался бы с прыгающими генами. В начале 1990-х годов исследователи из Колумбийского университета начали экспериментировать с медузами, которые под ультрафиолетовыми лучами светились флуоресцентным зеленым светом. Оказалось, что белок, создающий такое свечение, можно внедрить в организм комара, не убивая его. Затем в 2000 году Питеру Аткинсону удалось прикрепить данный белок, получивший название Day-Glo, к «гермесу», и ситуация сразу же изменилась: использование генетически измененных комаров стало восприниматься всем научным сообществом как вполне перспективное направление борьбы с заболеваниями, переносимыми этими насекомыми.

Несколько лет спустя, используя маркер Day-Glo как ориентир, генетик из Университета Джонса Хопкинса Марсело Джейкобс-Лорена обнаружил маленький пептид, который прикрепляется к рецепторам в кишечнике комара – в том самом месте, куда обычно цепляются малярийные паразиты. Когда он ввел в организм комара ген, соответствующий этому пептиду, оказалось, что, в результате блокирования данным пептидом рецепторов, личинки паразитов погибают в кишечнике комара, не успевая размножиться и кого-либо заразить. Вот это уже был настоящий прорыв. Джейкобс-Лорена превратил комара в пестицид.

К сожалению, комары-пестициды оказались приспособленцами, что породило целый ряд новых проблем.

4

Один из главных уроков, усвоенных учеными в той химической войне, которую они вели на протяжении столетия, заключался в том, что и комары, и малярийные паразиты весьма ловко приспосабливаются к пестицидам за счет мутаций. По этой причине, признавая несомненные научные заслуги Джейкобса-Лорены, все понимали, что для победы в войне этого недостаточно. «Чтобы гарантированно достичь успеха, – отмечает Энтони Джеймс, – нам нужно создать такого трансгенного комара, который убивает малярийных паразитов множеством различных способов. Для нас это единственный способ идти на несколько шагов впереди эволюции».

Такая работа тоже ведется. Например, Джейкобс-Лорена блокирует рецептор в кишечнике комара, к которому прикрепляются паразиты, а Джеймс нашел способ лишить паразитов способности закрепляться в слюнной железе комара. Тем временем Александр Райхель из Калифорнийского университета в Риверсайде выбрал совершенно иной подход: он придумал, как активизировать иммунную систему комара каждый раз, когда есть шанс, что комар инфицирован малярийными паразитами, – и уничтожать их, не дав размножиться и распространиться.

Однако, даже если мы сможем перехитрить эволюцию и полностью уничтожить малярию в лабораторных условиях, надо еще добиться того, чтобы все это работало в реальном мире. Трансгенные комары, созданные Джейкобсом-Лореной, имеют такую же продолжительность жизни и дают столько же потомства, что и обычные. «Это означает, – говорит он, – что в лабораторных условиях ничего не стоит создать популяцию, целиком состоящую из комаров с иммунитетом к малярии, поскольку у них нет конкуренции, но в реальных условиях добиться этого намного труднее, поскольку для того, чтобы иметь шансы в борьбе с малярией, трансгенные комары должны давать больше потомства по сравнению со своими дикими сородичами».

Это не единственный вопрос. Еще одна проблема связана с тем, что нам еще нужно плавно перейти с комаров, переносящих малярию животных, на комаров, переносящих человеческую форму малярии, а это совсем не так просто, как может показаться. Во-первых, комаров, переносящих человеческую форму малярии, в лабораторных условиях выращивать труднее, а во-вторых, надо и гены другие подбирать. Например, ген, блокирующий малярию мышей, не работает в случае с человеческой формой малярии, хотя Джейкобс-Лорена полагает, что ему удалось найти другой ген, подходящий для решения данной задачи.

Но когда эта задача будет выполнена, возникнет другая проблема – проблема безопасности. Поскольку не существует другого способа создания трансгенных комаров с иммунитетом к человеческой форме малярии, кроме как первоначально вырастить значительное их количество в лабораторных условиях, потребуются специально оборудованные помещения с электронными системами доступа, многочисленными системами кондиционирования воздуха и дренажа, не позволяющими болезнетворным микроорганизмам просочиться за стены лаборатории.

Если система защиты даст сбой, попавшие на волю комары могут стать причиной новых вспышек заболевания, но еще больше тревожит то обстоятельство, что прыгающие гены прыгают не только по геному; они могут совершать также межвидовые прыжки. Трансгенные комары могут спариваться с дикими популяциями и производить на свет что-то ранее не существовавшее – и, быть может, куда более опасное, чем то, что существует сегодня.

Однако, даже если подобные проблемы удастся предотвратить, рано или поздно мы все равно намереваемся выпустить выращенных комаров на волю, мы еще слишком мало знаем о том, как они будут жить в дикой природе. Мы еще не до конца понимаем их «сексуальную» жизнь; не знаем, по каким критериям они выбирают себе партнеров и по каким критериям выбирают лужу, в которую откладывают яйца. Неизвестно нам и то, как сезонность влияет на размер популяции, какую территорию занимает та или иная популяция и, что особенно важно, как и почему гены путешествуют в ее пределах. Таким образом, мы не знаем, с какими еще трудностями столкнемся, когда будет казаться, что мы почти победили.

Заболевания, переносимые комарами, относятся к числу самых опасных и устойчивых. Перекос в сторону химических методов борьбы, свойственный минувшему столетию, привел к появлению болезней, резистентных к лекарствам, и насекомых, резистентных к пестицидам. Не может ли получиться так, что мы, подобно Франкенштейну, произведем на свет чудовище, переносящее какую-нибудь супермалярию? «Невозможно знать наверняка, что будет, когда сменится 10 тысяч поколений комаров», – говорит Аткинсон. Но рано или поздно мы это узнаем.

Когда в следующий раз кто-то по примеру Плиния решит составить энциклопедию, содержащую в себе все, что есть в мире, ему придется включить туда совершенно новую мифическую категорию – первое созданное человеком существо, выпущенное в дикую природу.