Злее норка — лучше мех
Михаил Ковальчук: Недавно в Новосибирске на выездном заседании президентского Совета по науке и образованию Владимир Путин напомнил о важнейших задачах, стоящих сейчас перед российскими учеными. Наибольшее внимание он уделил развитию генетики и геномного редактирования, а также так называемой megascience — меганауке. Это исследования на крупных установках (ускорителях, синхротронах и т.д.) для развития природоподобных технологий. Вы там тоже выступали и говорили о важности государственной поддержки развития технологий геномного редактирования. Давайте попытаемся объяснить, что это такое и почему эта тема имеет сейчас огромное значение. Прежде всего давайте вспомним, как устроен живой объект, что такое РНК и ДНК, что такое ген и геном, каким образом происходит передача наследственного кода.
Глава Национального исследовательского центра «Курчатовский институт» Михаил Ковальчук
Ольга Донцова: Молекулу ДНК можно представить себе как компьютерный жесткий диск, на котором записана вся информация об организме. Чтобы этот жесткий диск заработал, ДНК должна оказаться внутри клетки. Там белки и другие молекулы создают операционную систему, которая позволяет оперировать с информацией ДНК. При делении клетки эти данные копируются с помощью матричного синтеза, при этом каждая цепь ДНК представляет собой матрицу для синтеза новой цепи. В результате такого копирования старая и новая клетка содержат ДНК с одними и теми же данными.
Но чтобы информацию можно было бы использовать для синтеза белка, ее надо сначала прочитать и перевести на понятный клеткам язык. Для этого существует РНК, молекула, которая, также по принципу матричного синтеза, копируется с определенных участков ДНК (генов). То есть данные, хранящиеся в ДНК в виде двойной спирали, переписываются сначала на РНК (транскрипция). И затем считываются с РНК с помощью аппарата трансляции.
М. К. Этот процесс всегда напоминал мне ввод информации в старую ЭВМ с помощью бумажной перфоленты.
О. Д.: Ген — это элемент ДНК, содержащий информацию о будущем белке (или нескольких вариантах белка сразу). Если мы овладеваем технологией целенаправленного изменения гена и получаем возможность слегка подправить его или заменить на другой, то мы можем оказывать влияние на формирование тех или иных особенностей организма. Это и называется редактированием генома, потому что геном — это, упрощенно, совокупность генов в ДНК.
М. К.: И вот хотим мы, допустим, ускорить рост пшеницы. А что у нас быстро растет? Бамбук. И тогда мы берем ген бамбука, отвечающий за рост, и встраиваем его в геном пшеницы.
О. Д.: Или вставляем в геном картошки такие гены, которые делают ее не интересной колорадскому жуку.
М. К.: Но все-таки генное модифицирование вносит в организм чужеродную генетическую информацию. Мы сейчас не можем наверняка предсказать, окажет ли это обстоятельство какое-либо влияние на дальнейшую эволюцию картофельного вида?
О. Д.: К тому же мы не знаем, как на это будет реагировать сама картошка. Внося чужеродную генетическую информацию, мы можем нечаянно запустить в организме картошки какие-то нежелательные процессы. Мы заранее не знаем, как на эти изменения будет реагировать наш организм. Надо тщательно изучать такие вещи.
М. К.: Конечно, генно-модифицированные продукты сейчас не представляют опасности, но для достижения полной ясности в этом вопросе необходимо время.
О. Д.: В самом деле, геномное редактирование не привносит в организм ничего противоестественного. Более того, совершенно аналогичные изменения в геноме могут возникнуть и сами по себе, в результате природной мутации. Но в природе вероятность получения конкретной нужной нам мутации очень низка, и нам придется долго ждать этого события. Мы же хотим модифицировать организм не как попало, а в нужную нам сторону. Пытаемся подправить эволюцию. Но при этом далеко не всё мы знаем о том, как работает совокупность генов и для чего важен тот или иной белок.
М. К.: Когда мы не понимаем, за что отвечает конкретный белок, мы можем попытаться при помощи геномного редактирования выключить соответствующий ген и посмотреть, что будет.
О. Д.: Так мы и делаем.
М. К.: Кстати, подобных целей можно достигать не только геномным редактированием. Например, в Новосибирске много лет назад работал такой академик Беляев, занимался лисами и норками. Отбирал самых добрых и ласковых зверьков и скрещивал их только друг с другом. В другую группу отбирал, напротив, самых злых и агрессивных животных и тоже скрещивал их только внутри группы. К сегодняшнему дню там сменилось 58 поколений. В результате получилась популяция добрых лис и популяция агрессивных. Теперь их можно изучать и сравнивать в поисках фактора, ответственного за доброту. И вот выяснилось, что у зверьков из разных групп в организме содержится разное количество белка серотонина: у добрых лис его больше.
Теперь осталось найти ген, отвечающий за выработку серотонина, и можно будет без долгой мичуринской селекции за одно поколение вывести как самого ласкового представителя вида, так и наоборот.
О. Д.: В принципе, да. Однако, жизнь не проста, и норки нас интересуют еще ведь и с точки зрения меха. И тут новосибирские ученые обнаружили, что у добрых норок мех так себе, зато у злых — что надо.
М. К.: Кстати, этому до сих пор не нашли объяснения... Так можно ли применять геномное редактирование для повышения эффективности сельского хозяйства, животноводства, биотехнологической промышленности?
О. Д.: Вот, например, мы рассказывали президенту про возможность вывести так называемую гипоаллергенную корову. В коровьем молоке есть особый белок — бета-лактоглобулин, который провоцирует аллергическую реакцию. Этот белок можно методами геномного редактирования инактивировать, и молоко от такой коровы перестанет вызывать аллергию даже у человека с высокой чувствительностью к бета-лактоглобулину.
Академик РАН Ольга Донцова
М. К.: Никто не почувствует никакой разницы во вкусе молока, ничего в нем не изменится, только аллергические реакции исчезнут!
О. Д.: Но мы широко используем методы геномного редактирования не только для решения подобных прикладных задач, но и для чисто научных целей, для фундаментальных исследований. Например, один из наших проектов посвящен изучению фермента по имени теломераза. Это важнейший элемент клеточной системы, который поддерживают нужную длину теломер, концов ДНК. Если клетка размножается в отсутствие теломеразы, то ДНК потихоньку укорачиваются. Чем старше становится клетка, тем меньше делаются ее ДНК. В бурно размножающейся клетке — например, стволовой — теломеразы более чем достаточно. Но по мере того, как стволовая клетка превращается в клетку одного из органов, теломераза в ней постепенно отключается. Этот процесс защищает организм от рака, не давая клетке бесконтрольно делиться. Большинство раковых клеток как раз теломеразу и активируют, чтобы существовать долго. Чем старше организм, тем менее активен этот фермент.
Мы поставили себе цель разобраться, каким образом происходит подобное регулирование, и как мы можем на него влиять. Тогда мы, может быть, научимся включать теломеразу ненадолго, — чтобы наши кончики ДНК чуть-чуть удлинились, омолодили наш организм, — а потом выключать обратно.
М. К.: Это похоже на волшебство. Игра с геномом открывает поистине невиданные возможности для изучения процессов старения, причин сбоев в организме. Для продления человеческой жизни, улучшения ее качества, повышения иммунитета.
О. Д.: А также для лечения болезней, создания новых продуктов питания, улучшения экологии и многого-многого другого. Ученые нашей страны активно участвуют в разработке технологий геномного редактирования и их применения как для решения прикладных задач, так и для целей фундаментальной науки. Не только генетики участвуют в этой работе, но специалисты из сельского хозяйства, микробиологии, биотехнологи, физики, математики. Только объединение усилий представителей самых разных направлений может принести здесь успех.
Например, многие ранее не известные РНК были открыты благодаря физикам, создавшим приборы для точного определения последовательности этих молекул. Оказалось, что практически весь геном может быть так или иначе прочитан при помощи современных приборов.
Но ДНК и информация в ней — это только хард-диск, и чтобы им пользоваться, необходима еще и операционная система. А она устроена очень сложно и работает по все еще не разгаданным нами правилам. Если просто взять ДНК и попытаться из нее вырастить человека, то ничего не получится. Нужна вся эта хитрая операционная система в составе яйцеклетки и организма. Эмбрион, выращенный в пробирке, сколько-то проживет. Но мы пока далеки от создания искусственных организмов из эмбрионов. Всё это чрезвычайно сложно, интересно и перспективно.
М. К.: В жизни человечества происходят сейчас поистине революционные изменения: в том числе, мы все глубже и глубже, все более быстрыми шагами движемся к природоподобному технологическому укладу. К примеру, в области атомной энергетики мы от деления тяжелых атомов переходим к синтезу легких, фактически воспроизводя природные процессы, происходящие на Солнце. Термоядерный синтез — это не что иное, как природоподобная технология.
О. Д.: Геномное редактирование — тоже подобная технология. С одной стороны, мы не делаем ничего такого, чего природа не умеет сама: мы просто заставляем ее делать это там, где нам нужно. С другой стороны, инструмент, с помощью которого мы ее понуждаем, тоже взят у природы.
М. К.: Но если в случае Солнца мы с помощью управляемого термоядерного синтеза воспроизводим природоподобный процесс, то в случае геномного редактирования мы, в действительности, помогаем природе делать то, что она делает, более эффективно и целенаправленно. И единственно возможный путь к таким природоподобным технологиям — конвергенция научных дисциплин. Чтобы заниматься генетикой, сегодня необходимо быть и биологом, и физиком и химиком, и специалистом по информатике...
Такое взаимопроникновение наук позволяет нам выходить на новый уровень знаний об окружающей природе, ее процессах и закономерностях.
