Машина творения: Новые организмы, редактирование генома и лабораторные гамбургеры

Переводчик: Ольга Корчевская

Научный редактор: Сергей Киселев, д-р биол. наук

Редактор: Виктория Сагалова

Издатель: Павел Подкосов

Руководитель проекта: Александра Казакова

Ассистент редакции: Мария Короченская

Художественное оформление и макет: Юрий Буга

Корректоры: Елена Воеводина, Елена Рудницкая

Верстка: Андрей Ларионов

Иллюстрация на обложке: Getty Images

Данное издание опубликовано по соглашению с PublicAffairs, издательством Perseus Books, LLC, дочерней компанией Hachette Book Group Inc, Нью-Йорк, Нью-Йорк, США. Все права защищены

Все права защищены. Данная электронная книга предназначена исключительно для частного использования в личных (некоммерческих) целях. Электронная книга, ее части, фрагменты и элементы, включая текст, изображения и иное, не подлежат копированию и любому другому использованию без разрешения правообладателя. В частности, запрещено такое использование, в результате которого электронная книга, ее часть, фрагмент или элемент станут доступными ограниченному или неопределенному кругу лиц, в том числе посредством сети интернет, независимо от того, будет предоставляться доступ за плату или безвозмездно.

Копирование, воспроизведение и иное использование электронной книги, ее частей, фрагментов и элементов, выходящее за пределы частного использования в личных (некоммерческих) целях, без согласия правообладателя является незаконным и влечет уголовную, административную и гражданскую ответственность.

© Amy Webb and Andrew Hessel, 2022

© ООО «Альпина нон-фикшн», 2024

Кайе, мудрой и светлой. И Стиву, который меня перезагрузил.

Хани, Ро и Даксу – за уроки жизни.

Введение

Должна ли жизнь быть делом случая?

Эми. В первый раз я почувствовала эту резкую боль в животе на важной встрече с клиентами. За столом сидели топ-менеджеры международной IT-компании. Новый приступ боли случился, когда мы разрабатывали для них долгосрочную корпоративную стратегию. Поручив коллеге вести за меня совещание, я бросилась в туалет. Дыхание перехватило. Я физически не могла сделать вдох. Опустившись на унитаз, я наконец позволила себе разрыдаться – беззвучно, чтобы никто не услышал.

Пошел третий месяц беременности, и на следующую неделю было назначено ультразвуковое исследование. Я уже придумывала малышу имя: Зев, если родится мальчик, и Саша – если девочка. Вытирая кровь с ног и с пола, я искала ответы, но получалось лишь злиться и корить себя. Все это по моей вине. Наверное, я сделала что-то не так.

Во время третьего приступа я уже знала, что последует дальше: кровопотеря, унизительный поход в аптеку за самыми толстыми прокладками, а затем глубокая депрессия, бессонница и масса вопросов, на которые нет ответа. Мы с мужем консультировались у лучших репродуктологов Манхэттена и Вашингтона, прошли все предложенные исследования: анализы крови на гормоны, оценки резерва моих яйцеклеток, обследование, нет ли у меня доброкачественных образований или кист, которыми могли бы быть вызваны проблемы. Все это давало основанные на высоких технологиях предположения, но не ответы.

Мы не оставляли попыток, и в следующую беременность мне удалось преодолеть четырехмесячный рубеж, так что мы наконец разрешили себе обрадоваться. На 18-й неделе, когда уже стал заметен живот, мы явились к гинекологу на плановый осмотр. Я легла на кушетку, медсестра выдавила прохладный гель и распределила его по животу. Затем, постучав по клавиатуре, приблизила зернистое, в основном черное, изображение. После чего, извинившись, пробормотала что-то о возрасте оборудования, вышла из смотрового кабинета и вернулась с другим аппаратом уже в сопровождении врача. Вновь выдавила и размазала гель, щелчком укрупнила изображение, посмотрела на доктора и перевела растерянный взгляд на меня.

Точно не помню, что они говорили, помню только, как доктор взял мою руку и как плакал мой муж. Мне сделали операцию по извлечению эмбриональной ткани. В итоге сообщили, что с медицинской точки зрения у нас с мужем все в порядке. Нам обоим едва перевалило за тридцать, оба были здоровы и не бесплодны. По-видимому, проблема заключалась в моей неспособности сохранить беременность.

У одной из шести женщин в течение жизни случается выкидыш – без единой на то причины. Чаще всего дело в хромосомной аномалии: в процессе деления клеток эмбриона что-то идет не по плану – и это никак не связано ни с состоянием здоровья, ни с возрастом родителей. Мне сказали, что я не виновата. Просто мой организм отказывался пойти навстречу{1}.

Эндрю. В десять лет я твердо решил, что детей у меня не будет. Мы жили на ферме в пригороде Монреаля. Родители с трудом выносили друг друга и, как следствие, нас – меня, брата и сестру. Мы были погодками: брат на год младше меня, сестра – на год старше. Когда родители сообщили о разводе, я не расстроился, только подумал, что маме было бы лучше уйти в монастырь. Но она стала матерью-одиночкой, ночами работала медсестрой, а днем, пока мы были в школе, отсыпалась.

Ей повезло: мы росли самостоятельными и толковыми. Я частенько убегал в библиотеку, ставшую мне вторым домом, и подолгу пропадал между стеллажами. Домой приходил с охапками книг, в 10 вечера провожал ее на работу, а сам присматривал за братом и сестрой, читал им, иногда до самого рассвета и маминого возвращения. Разные истории из жизни обычных семей меня не трогали. Сочувствия к их героям я не испытывал. Гораздо ближе мне были надежная логика технарей, чудеса биологии и образы из научно-фантастических романов. Когда брат с сестрой засыпали, я продолжал читать и размышлять о жизни: откуда появились гигантские и микроскопические существа, как они эволюционировали, что с ними станет в будущем?

К восемнадцати годам мне захотелось изучать основы жизни – генетику, клеточную биологию, микробиологию, однако заводить собственных детей я не собирался. В то время я писал программы и проектировал базы данных, мыслил в понятиях генетических и машинных кодов и для исследований у меня впереди была целая жизнь. Секс – это прекрасно, но никаких детей. У мужчин в распоряжении были лишь механические – не медицинские – способы контрацепции, которые вряд ли относились к числу надежных. Гарантированным решением проблемы была вазэктомия, с просьбой о которой я и обратился к врачу. Сначала он возражал, ведь в 18-летнем возрасте, едва переступив порог совершеннолетия, я определенно был не в том положении, чтобы идти на столь радикальную меру. Но я возразил, что вазэктомия обратима и что, будь у меня сомнения, я бы воспользовался услугами банка спермы. Моя решимость помогла получить от него согласие и направление к урологу, однако в итоге на то, чтобы «перекрыть краны», у меня ушло шесть лет. Большинство специалистов упрекали меня в безрассудстве и незрелости. А я настаивал на том, что просто стараюсь проявить ответственность. При этом гарантий, что когда-нибудь я смогу иметь детей, не было.

Тридцать лет спустя на конференции я познакомился с одной прекрасной женщиной, которая с неподдельным интересом и удовольствием слушала мои рассказы о клетках и долгие разглагольствования о ДНК как программном обеспечении. Как-то утром, лежа рядом с ней в ее манхэттенской квартире, я с ужасом ощутил нестерпимое новое чувство: я хочу детей! Я хочу создать с этой женщиной семью! Мне давно уже было за сорок, так что свои перспективы с медицинской и биологической точек зрения я прекрасно понимал.

Когда мы решили зачать ребенка, то знали, что нам предстоит. В день обратной вазэктомии меня доставили на каталке в операционную, и я лежал, уставившись в потолок. Ритмично мерцали светильники, с каждой вспышкой я мысленно возвращался к словам врача насчет того, как внезапно могут поменяться жизненные планы. Семявыносящие протоки, соединяющие тестикулы и уретру и обеспечивающие вывод спермы наружу, не были пережаты или перевязаны – это упрощало операцию. Хирург их полностью перерезал и прижег, чтобы не допустить утечки внутри организма. Для восстановления проходимости требовалась филигранная микрохирургия под общим наркозом.

18 месяцев мы тщетно надеялись, что жена забеременеет. Я прекрасно понимал, в чем дело… и сознавал, что теперь практически не способен изменить ситуацию. Операция прошла успешно, но система слишком долго не работала. Анатомически у меня все было в порядке. Просто мой организм отказывался пойти навстречу.

Сегодня ученые переписывают правила нашей реальности. Страдания, через которые нам обоим довелось пройти на пути к родительству, в ближайшие десятилетия могут стать аномалией. Новое научное направление обещает пролить свет на то, как зарождается жизнь и как ее можно воссоздавать при самых разнообразных устремлениях: чтобы мы имели возможность лечить людей без лекарственных препаратов, получать мясо, не забивая животных, и создавать семьи, когда подводит природа. У этого направления, получившего название «синтетическая биология», единственная цель: обеспечить доступ к клеткам ради написания нового – и, возможно, лучшего – биологического кода.

В XX столетии в центре внимания биологов был демонтаж, например, тканей, клеток, белков, ради того чтобы понять, как они функционируют. В нынешнем веке новое поколение ученых, напротив, занимается сборкой новых материалов из предоставленных жизнью строительных блоков. При этом в зарождающейся области знаний – синтетической биологии – многим уже удалось достичь успехов. Инженеры проектируют для биологии новые компьютерные системы, а недавно созданные компании продают принтеры, способные превращать компьютерный код в живые организмы. Архитекторы Всемирной паутины используют ДНК в качестве жестких дисков. Ученые создают системы «орган на чипе»: представьте себе полупрозрачную костяшку домино с вмонтированными в нее наноразмерными человеческими органами, которые живут и растут вне тела человека. Совместными усилиями биологи, инженеры, программисты и многие другие специалисты изобрели машину творения – комплексную систему, включающую людей, научные лаборатории, вычислительные устройства, государственные структуры и предприятия, которые создают новые интерпретации жизни и новые ее формы.

Машина творения служит двигателем великой трансформации человечества, которая уже началась. Пройдет совсем немного времени, и жизнь больше не будет делом случая, а станет результатом замысла, отбора и выбора. Машина творения будет решать, как нам осуществлять зачатие детей и какое определение дать семье, как распознавать болезни и бороться со старением, где строить дома и как питаться. Она сыграет важнейшую роль в ликвидации последствий изменения климата и в конечном счете в нашем выживании как вида в долгосрочной перспективе.

Машина творения включает в себя множество различных биотехнологий, все они созданы для редактирования и перепроектирования жизни. Целый ряд новых биологических технологий и методов, относящихся так или иначе к синтетической биологии, позволит нам не просто читать и редактировать код ДНК, но и писать его. А значит, вскоре мы научимся программировать живые биологические структуры, как если бы они были крошечными компьютерами.

При помощи одной из таких технологий, CRISPR-Cas9{2}, с начала 2010-х гг. стало возможным редактирование кода ДНК. Этот метод, который ученые называют молекулярными ножницами и в котором используются биологические процессы, чтобы вырезать и вставлять генетическую информацию, регулярно попадает в заголовки новостей о революционных медицинских вмешательствах, например о редактировании генов слепых людей с целью помочь им обрести зрение. Ученые используют физические молекулярные ножницы CRISPR и сращивают молекулу ДНК, выступающую как своего рода биологическое письмо, в котором буквы переставлены на новые места. Проблема заключается в том, что у исследователей нет возможности непосредственно наблюдать за тем, какие изменения вносятся в молекулу, с которой они взаимодействуют. Каждый шаг требует лабораторных манипуляций, их также необходимо подтвердить опытным путем, и в итоге вся эта работа становится весьма опосредованной, трудоемкой и отнимающей много времени. Синтетическая биология переводит процесс манипуляций в цифровую среду. Последовательности ДНК загружаются в программный инструмент (представьте себе текстовый редактор для кода ДНК), что позволяет вносить правки так же легко, как при работе в текстовом процессоре. После того как ДНК написана или отредактирована и результат удовлетворил исследователя, на устройстве, напоминающем 3D-принтер, распечатывается с нуля новая молекула ДНК. Технология синтеза ДНК (преобразование цифрового генетического кода в молекулярную ДНК) непрерывно совершенствуется. С помощью современных технологий без проблем осуществляется печать цепочек ДНК длиной в несколько тысяч пар оснований, которые можно скомпоновать, чтобы создать новые метаболические пути для клетки или даже полный геном клетки. Теперь мы можем программировать биологические системы подобно тому, как программируют компьютеры.

В результате в последнее время наблюдается стремительный рост в той сфере синтетической биологии, где создаются высокоэффективные приложения, включающие биоматериалы, топливо и специальные химические вещества, лекарства, вакцины и даже сконструированные клетки, которые функционируют как микроскопические роботы. Развитию синтетической биологии способствует искусственный интеллект (ИИ): чем активнее набирает силу ИИ, тем больше биологических приложений можно протестировать и реализовать. Средства программного проектирования становятся мощнее, потенциал печати и сборки ДНК постоянно расширяется, и специалисты получают возможность работать над все более сложными биологическими творениями. Хорошим примером тому служит факт, что геном любого вируса в скором времени можно будет написать с нуля. Такая перспектива кому-то покажется пугающей, если учесть, что на момент написания этой книги коронавирус SARS-CoV-2, вызывающий болезнь COVID-19, стал в мире причиной смерти более 4,2 млн человек{3}.

Остановить распространение вируса SARS-CoV-2, как и его предшественников SARS, H1N1, Эбола и ВИЧ, чрезвычайно сложно именно потому, что они представляют собой лишь микроскопический код. Размножаться или воспроизводиться без носителя они не способны. Вирус можно представить в виде USB-накопителя, который вставляют в компьютер: он прикрепляется к клетке и загружает новый код. И, как бы странно это ни прозвучало в разгар глобальной пандемии, вирусы могут дать нам надежду на лучшее будущее.

Вообразите себе магазин приложений синтетической биологии, где в любую клетку, микроб, растение или животное можно загрузить и добавить новые возможности. В 2019 г. британские ученые впервые целиком и полностью синтезировали и запрограммировали геном кишечной палочки{4}. На очереди синтез геномов многоклеточных организмов с миллиардами спаренных оснований – растений, животных и нашего собственного генома. В один прекрасный день мы получим технологический фундамент для лечения любого генетического заболевания человека и в процессе движения к этому спровоцируем «кембрийский взрыв» – вызовем появление множества сконструированных растений и животных для применения их в целях, которые сегодня сложно представить, но которые позволят решить глобальные проблемы: как накормить, одеть, обеспечить жильем и окружить заботой миллиарды людей. В недалеком будущем жизнь станет программируемой, и синтетическая биология дает смелое обещание улучшить бытие человека. Наша цель в этой книге – помочь читателю осмыслить возникающие на горизонте проблемы и открывающиеся возможности. В ближайшие десять лет перед нами встанет необходимость принимать важные решения: стоит ли программировать новые вирусы для борьбы с болезнями, что будет представлять собой генетическая конфиденциальность, кто будет «владельцем» живых организмов, каким образом компании должны получать доходы от сконструированных клеток и как содержать синтетический организм в лаборатории. А также: какой выбор вы сделаете, если сможете перепрограммировать собственное тело? Сильно ли будете мучиться, определяя, редактировать ли – и как именно – ваших будущих детей? Согласитесь ли употреблять в пищу генно-модифицированные продукты, если это смягчит проблему изменения климата? Мы поднаторели в использовании природных ресурсов и химических процессов для сохранения собственного биологического вида. Теперь у нас есть шанс написать новый код, основанный на той же архитектуре, которая является общей для всего живого на нашей планете. Перспективы синтетической биологии – это будущее, построенное на самой мощной, жизнеспособной производственной площадке, которую когда-либо имело человечество. Мы находимся в шаге от нового феерического витка промышленной эволюции.

Наши сегодняшние разговоры об искусственном интеллекте – лишенный оснований страх и оптимизм, неуместный подъем эмоций по поводу рыночного потенциала, заведомо некомпетентные заявления представителей власти – станут отражением разговоров, которые в скором времени мы будем вести о синтетической биологии, научном направлении, получающем все больше инвестиций по причине нового коронавируса и, как результат, уже ускоряющем процесс открытий в области вакцин на основе мРНК, домашнего диагностического тестирования и больших библиотек новых противовирусных препаратов. Настал момент перевести дискурс на уровень общественного осознания ситуации. Мы не можем позволить себе роскошь дальнейшего выжидания.

Эта книга рисует простые и очевидные перспективы: развивая наше мышление и стратегии в области синтетической биологии, мы быстрее найдем решение безотлагательных и долгосрочных экзистенциальных проблем, связанных с изменением климата, глобальной продовольственной нестабильностью и продолжительностью жизни человека. А значит, к борьбе со следующей вспышкой вирусной инфекции мы сможем подготовиться с помощью вируса, который разработаем и отправим на поле боя. Если мы промедлим, может случиться так, что дальнейшая судьба синтетической биологии будет определяться в борьбе за интеллектуальную собственность, национальную безопасность, в затяжных судебных процессах и торговых войнах, а следующий угрожающий жизни вирус создадут не в помощь человечеству, а для того, чтобы нанести ему непоправимый вред.

Код нашего будущего пишется сегодня. Распознавание этого кода и расшифровка его значения – с этого начнется новая история происхождения человечества.

Эта книга о жизни. О том, как она, жизнь, зарождается, кодируется и какие инструменты в ближайшем времени позволят нам влиять на свой генетический жребий. А также о праве принимать решения о жизни, сформулированные для нового поколения в научных, этических, моральных и религиозных терминах. Кого мы, сотворив мощные системы, наделим полномочиями программировать жизнь, создавать новые ее формы и даже возвращать прежнюю жизнь после исчезновения носителей ее с лица земли? Ответы на эти вопросы заставят человечество урегулировать экономические, геополитические и социальные противоречия.

● Те, в чьих руках будет управление жизнью, смогут контролировать запасы продовольствия, лекарств и сырья, необходимого для выживания.

● Наше будущее здоровье и благополучие будут определяться, по крайней мере частично, компаниями, которые инвестируют в генетический код и изменяющие его процессы и контролируют законные права на них.

● Редактирование генома и синтез ДНК – краеугольные технологии синтетической биологии, и мировой рынок этих инструментов стремительно растет. Вместе с тем назревают разногласия по поводу того, делать ли эти инструменты и наши необработанные генетические данные общедоступными или же хранить их в закрытых базах данных и выдавать разрешение тому, кто может позволить себе доступ к ним.

● Венчурные инвестиции в стартапы невозможно вернуть только за счет теоретических исследований, поэтому от них часто требуют разработки пользующейся спросом продукции в разумные сроки. Если компании, финансируемые на частные средства, могут свободно заниматься инновационной деятельностью, то финансируемые государством биотехнологические исследования, как правило, продвигаются медленно, в соответствии с традиционной практикой.

В отсутствие неотложной задачи, такой как победа в космической гонке или создание эффективной вакцины против COVID-19, государственными грантами поощряют за глубокие профессиональные знания и консерватизм, а не за скорость, новаторство и прогрессивные методы работы.

Огромной властью над нашим будущим обладают люди, которые занимаются законотворчеством и политикой, устанавливают правила, обеспечивают их соблюдение и принимают правовые акты. Вместе с тем не существует пока единой точки зрения на то, какие условия считать приемлемыми, чтобы у человека возникло право манипулировать жизнью людей, животных или растений.

Нет и единого мнения относительно того, каким образом принимать решения, выгодные для нас в планетарном масштабе. В США начали разрабатывать совершенно новые, никогда ранее не существовавшие формы жизни – некоторые уже преобразованы из компьютерного кода в живую ткань.

Председатель КНР Си Цзиньпин провозгласил, что Китай «должен энергично развивать науку и технологии, стремиться занять место ведущего мирового научного центра и стать передовой страной», уделив особое внимание редактированию жизни{5}. Стратегический план Китая включает создание всеобъемлющей геномной базы данных и предусматривает крайне сжатые сроки для развертывания серийного производства сконструированных живых систем. Китай стремится продвинуться по цепочке создания стоимости от «мастерской мира» до глобального лидера современных отраслей промышленности, к которым относятся как биотехнологии, так и смежная область – искусственный интеллект{6}.

США и Китай взаимосвязаны и экономически зависят друг от друга, однако стремление Китая стать сверхдержавой, заняв главенствующее место в развитии технологий, науки и экономики, послужило причиной длительного усиления напряженности между двумя странами. Необходим скоординированный, подлежащий выполнению план, потому что нынешняя геополитическая напряженность не отражает прошлых конфликтов.

Способность редактировать и создавать жизнь влечет за собой глубокие социальные изменения, поскольку мы уравновешиваем доверие общества и скорость биотехнологического прогресса. Потребуется найти баланс между нашим стремлением к конфиденциальности и преимуществами, которые принесут огромные массивы данных, сформированные на основе нашего генетического кода.

Кроме того, необходимо решить, как добиться того, чтобы новейшая технология использовалась на справедливой основе и была общедоступной. Однако раскол неизбежен, потому что не все доверяют науке и не все имеют доступ к новейшим инструментам. Поэтому нужно быть готовыми к решению сложных социальных проблем, например к изысканию способов управления генетическим разделением между особо привилегированными людьми, чья жизнь была усовершенствована, и теми, чей генетический код не подвергался манипуляциям.

Эта книга также касается вас, вашей жизни и решений, которые вам придется принимать на ее протяжении. Мы стоим на пороге радикальных перемен, и вам следует играть активную роль в собственном будущем, принимая обоснованные решения уже сегодня. Вам придется делать выбор, ведущий к определенным последствиям, например решать, секвенировать ли собственный геном и как затем поступать с полученными данными. Или, если вы планируете родить ребенка, заморозить ли свои яйцеклетки, воспользоваться вспомогательными репродуктивными технологиями, например ЭКО, либо использовать генетический скрининг для выбора сильнейшего из своих эмбрионов. Нам, авторам этой книги, такие решения знакомы не понаслышке. Собственно, они и побудили нас ее написать.

Чтобы понять, к какому будущему может однажды привести машина творения, важно вспомнить прошлое. В первой части этой книги мы поговорим о возникновении синтетической биологии и о том, как ученые расшифровали код жизни и произвели манипуляции с целью создания синтетических организмов, чьими родителями были компьютеры. Во второй части мы расскажем о новой биоэкономике, порожденной машиной творения. Сюда относится бесчисленное множество чудодейственных лекарств, продуктов питания, покрытий, тканей и даже пива и вин разных сортов, которые пытаются производить предприниматели, а также потенциальные биотехнологические решения таких серьезных проблем, как загрязнение океана пластиком, погодные катаклизмы и опасные вирусы, способные повлечь новые пандемии. Мы также рассмотрим риски, сопряженные с синтетической биологией, начиная от кибербиологического хакинга до надвигающейся угрозы упомянутого уже генетического расслоения общества, противопоставляющего богатых «сконструированных» людей тем, кто не сможет позволить себе услуги вспомогательных репродуктивных технологий. В третьей части мы исследуем разные варианты будущего и предлагаем креативные гипотетические сценарии, описывающие способы, которыми машина творения могла бы изменить мир. Наконец, в четвертой части приведены наши рекомендации, как с помощью машины творения обеспечить наилучшее будущее человечества.