Книга: Микрокосм. E. coli и новая наука о жизни

Глава 10. Играющая природа

Глава 10. Играющая природа

Портрет в протоплазме

В лаборатории Кристофера Войта в Калифорнийском университете в Сан — Франциско E. coli может изготовить для вас портрет. Войт поместит вашу фотографию перед специально затененным хитроумным устройством. Отраженный от картинки свет попадает на пластинку покрытую тонким слоем E. coli. Этот штамм Войт и его коллеги создали в 2005 г. Они пересадили бактерии гены, часть из которых позволяет им чувствовать свет, а часть — продуцировать темный пигмент. Гены подключены таким образом, что если микроорганизм ощущает свет — к примеру, отраженный от фотографии, — то гены, отвечающие за синтез пигмента, блокируются. Бактерии, на которые попадают фотоны, отразившиеся от светлой части фотографии, остаются прозрачными. Те же, на которые свет не попадает, продолжают вырабатывать пигмент и постепенно темнеют. На пластинке проявляется изображение — мутноватое и нерезкое, но вполне узнаваемое.

Кристофер Войт — доцент с длинным списком научных публикацией. Но, помимо этого, он настоящий сын века биотехнологий. Он еще не родился, когда в 1970–е гг. ученым впервые удалось встроить чужеродные гены в геном E. coli. Этот успех стал одним из важнейших событий в истории биологии. При помощи генной инженерии ученым удалось разобраться в некоторых загадочнейших особенностях генома. E. coli превратили в рабочую лошадку. Возникла целая отрасль промышленности, в которой задействовано $75 млрд. Освоив искусство встраивания генов в геном на E. coli, специалисты начали встраивать их в другие микроорганизмы, а затем в животных и растения. Сегодня козы вместе с молоком вырабатывают лекарства, а на 250 млн га сельскохозяйственных земель выращиваются растения с искусственно встроенными в них генами, обеспечивающими устойчивость к гербицидам и пестицидам.

Но это не значит, что E. coli как объект исследований отошла в тень. Ученые по — прежнему с удовольствием используют ее при разработке новых инструментов и методов управления жизнью. Работа Войта, к примеру, — часть новой разновидности генной инженерии, получившей название синтетической биологии. Вместо того чтобы переносить гены поштучно от одного вида к другому, специалисты по синтетической биологии стремятся создавать с нуля целые генетические схемы. Они соединяют гены разных видов в систему, а затем настраивают ее на выполнение новых функций. Пока им удается создавать лишь красивые и наглядные доказательства принципиальной осуществимости этой идеи — такие, к примеру, как бактериальная фотокамера Войта. Однако в будущем эти эксперименты могут привести к созданию микроорганизмов, вырабатывающих электроэнергию из солнечного света или лекарства, но только в заданных условиях (назовем их «умными» лекарствами). Специалисты по синтетической биологии пытаются даже разобрать E. coli на составные части и вновь использовать некоторые из них при создании жизни.

В новом направлении исследований полно противоречий. В настоящий момент идут горячие споры о рисках, связанных с синтетической биологией и другими достижениями биотехнологии. Эти риски разнообразны и многочисленны — это и случайное попадание в природу опасных искусственных организмов, и намеренное создание всевозможных типов биологического оружия. «Умные» лекарства несложно превратить в «умную» инфекцию. Кроме того, синтетическая биология дала новый толчок старым спорам о моральной допустимости биотехнологий как таковых. Сегодня мир столкнулся с массой самых разных научных исследований, разобраться в которых порой просто невозможно, — от мышей, выращивающих в своем мозгу человеческие нейроны, до созданных смертоносных вирусов. Чтобы прийти в этих спорах хоть к какому?то результату, нам необходимо серьезно обдумать, что значить быть живым и как биотехнология меняет смысл этого понятия. E. coli, главный микроорганизм биотехнологического века, может многое нам рассказать. Лицо на пластинке смотрит на оригинал — это скорее зеркало, чем портрет.

Неолитические биотехнологии

Биотехнологии рождались многократно, и каждый раз это происходило вслепую.

Человек начал манипулировать другими формами жизни по крайней мере 10 000 лет назад: его целью было получение полезных вещей, таких как пища и одежда. В Юго — Восточной Азии, Турции, Западной Африке и Мексике люди одомашнивали животных и растения. Вероятно, сначала это происходило неосознанно. Собирая растения, люди предпочитали определенные разновидности, и их семена случайно сыпались на землю возле стоянки. Дикие предки собак, бродившие вокруг костров и питавшиеся объедками, вероятно, передавали своим щенкам гены общительности. Эти виды адаптировались к жизни с человеком посредством естественного отбора. Как только человек начал возделывать землю и выращивать скот, естественный отбор уступил место отбору искусственному, поскольку человек уже сознательно отбирал для продолжения рода особей с нужными ему свойствами. Эволюция ускорилась, и человек создал целую галерею гротескных тварей — от плоскомордых мопсов до тыкв размером с приличный валун.

Надо сказать, что неолитические биотехнологи манипулировали и микроорганизмами тоже. Они научились делать пиво и вино или, вернее, поняли, как заставить дрожжи сделать пиво и вино. Человеку достаточно было просто создать условия, при которых дрожжам удобнее всего будет превращать сахар в спирт. Дрожжи, выделяя углекислый газ, заставляли хлеб подниматься. Одомашненные микроорганизмы эволюционировали, точно так же как дикорастущий злак теосинте эволюционировал в кукурузу, а жилистая дикая курица — в упитанную домашнюю птицу. Дрожжи сегодняшних виноделов отличаются от своих диких родичей, покрывающих древесную кору.

К примеру, с появлением йогурта развилась целая бактериальная экосистема. Его изобрели пастухи — кочевники, жившие на Ближнем Востоке, около 5000 лет назад. Возможно, однажды они обратили внимание на то, что молоко загустело и приобрело характерный вкус, а протухать не торопилось. По всей видимости, бактерии, которые прежде питались растениями, случайно попали в молоко и, размножаясь в нем, изменили его химический состав. Пастухи обнаружили, что если положить немного такого загустевшего продукта в свежее молоко, то оно тоже изменится. Бактерии в этих культурах оказались в плену новых экосистем и адаптировались к подобным условиям, развивая умение все лучше утилизировать молоко и отбросив ненужные для этого гены.

Человек полуосознанно экспериментировал с животными, растениями и микроорганизмами тысячи лет. Но в XIX в., когда началось проникновение в микромир, у ученых появились новые способы управлять природными объектами. При первых попытках такого рода методы использовались простые, но мощные и наглядные. Луи Пастер продемонстрировал, что именно бактерии делают вино кислым, а молоко — опасным. Сильное нагревание убивает эти вредные бактерии, отчего дети становятся здоровее, а любители и знатоки вина — счастливее.

Обнаружив подобные алхимические свойства бактерий, микробиологи начали активно искать виды микроорганизмов, которые могли бы выполнять новые полезные химические задачи. Хаим Вейцман, первый президент Израиля, первоначально прославился именно в области биотехнологий. Во время Первой мировой войны, проживая в Британии, он открыл бактерии, способные производить ацетон — важный компонент взрывчатых веществ. Уинстон Черчилль быстро воспользовался этим открытием, построив целую сеть фабрик, на которых бактерии делали дешевый ацетон для военно — морского флота Великобритании. Следующее поколение микробиологов, пытаясь заставить бактерии работать эффективнее, занималось уже их генами. Подвергнув пенициллиновую плесень облучению, ученые получили мутантные экземпляры с дополнительными копиями генов, отвечающих за производство пенициллина, которые позволили увеличить производство ценного лекарства.

Научившись манипулировать живыми организмами, ученые задумались о том, что ожидает нас впереди. В 1923 г. британский биолог Джон Холдейн написал произведение в жанре научной фантастики. От лица воображаемого историка будущих времен он рассказывает о создании в 1940 г. нового штамма водорослей, способных извлекать азот из воздуха. Будучи рассыпанными над полем, они так эффективно удобряли почву, что удваивали урожай. Но затем часть водорослей случайно попала в море, и поверхность Атлантики превратилась практически в желе. Это вызвало вспышку численности рыбы, которой после этого стало столько, что ею могло прокормиться все человечество.

«Разумеется, именно в результате вторжения Porphyrococcus море приобрело фиолетовый цвет, который сегодня кажется нам столь естественным, но который очень расстраивал эстетически настроенную часть наших прародителей, бывших свидетелями перемены, — писал Холдейн. — Нам, конечно, любопытно читать о том, что море когда?то было голубым или зеленым».

Следующие 50 лет ученые разрывались между надеждой и страхом. Некоторые надеялись, что биотехнологии помогут человечеству создать альтернативу загрязненному современному миру, работающему на ядерной энергии; они придумали для себя утопию, в которой бедные страны могли обеспечить себе пищу и здоровье, не разрушая собственных природных ресурсов. Тем не менее идея о том, что можно заново написать рецепт жизни, вызывала у некоторых не восторг, а отвращение. Да, возможно, ученым удастся создать съедобный штамм дрожжей, способных питаться нефтью. Но кто же захочет его есть?

Помимо ученых, мало кто принимал все эти рассуждения сколько?нибудь всерьез. Несмотря на все успехи биотехнологий, к 1970 г. не наблюдалось никаких признаков того, что жизнь в обозримое время может измениться. А затем, совершенно неожиданно, ученые осознали, что могут менять генетический код по своему желанию и создать химеру, совместив в одном организме гены разных видов. И они вместе с E. coli занялись преобразованием нашей жизни. Девиз Моно приобрел еще одно значение: если ученые могут конструировать штаммы E. coli методами генной инженерии, то есть все основания полагать, что когда?нибудь они доберутся и до слонов.

Вырезать и вставить

До 1970 г. E. coli не играла в биотехнологиях никакой роли. В природе она не производила пенициллин или какое?нибудь другое ценное вещество. Она не превращала ячмень в пиво. Целью большинства ученых, исследовавших в те времена E. coli, была не прибыль, а знания о том, как устроены живые организмы. Они много узнали о том, как E. coli при помощи генов строит молекулы белков, как включаются и выключаются эти гены, как белки обеспечивают жизнь бактерии. Но, чтобы понять, как живет E. coli, им пришлось изготовить инструменты, при помощи которых с бактерией можно было работать. Со временем с помощью этих же инструментов ученые будут не только исследовать жизнь, но и зарабатывать состояния.

Возможности генетического конструирования застали специалистов по E. coli практически врасплох. В конце 1960–х гг. биолог Джонатан Беквит из Гарварда занимался исследованием lac — оперона — набора генов, которые включает E. coli, переходя на утилизацию лактозы. Чтобы разобраться в природе бактериального переключателя,

Беквит решил «вырезать» оперой из хромосомы E. coli. Он воспользовался тем фактом, что некоторые вирусы, инфицирующие эту бактерию, иногда случайно копируют lac — оперон вместе с собственными генами. Беквит с коллегами разделил двойные спирали ДНК двух разных вирусов и свел вместе по одной нити от каждого вируса. На участках, содержащих lac — оперон, нуклеотидные последовательности были комплементарными и смогли соединяться. Остальные части ДНК остались в виде одинарных нитей. Беквит с коллегами добавил к смеси вирусов вещества, разрушающие одинарные нити ДНК, и получил чистый оперон. Впервые в истории человеку удалось выделить определенные гены.

22 ноября 1969 г. Беквит встретился с прессой и объявил о своем открытии. И сообщил всему миру о том, что глубоко встревожен собственным достижением. Если он смог выделить гены из E. coli, то, возможно, в скором времени кто?то другой обернет его метод во зло — создаст с его помощью новую чуму или сконструирует новые разновидности человека. «Сегодня таких методов не существует, — сказал он, — но, скорее всего, пройдет не так уж много времени, и их можно будет использовать. Становится все страшнее и страшнее — особенно когда видишь, как наше правительство использует результаты биологических исследований во Вьетнаме, разрабатывает химическое и биологическое оружие».

Беквит мелькнул крупными заголовками на первых полосах The New York Times и других газет и пропал. Споры об опасностях генной инженерии смолкли. Ученые, не думая об опасности, вернулись к поискам новых способов работы с генами. Те, кто изучал человека, с завистью смотрели на инструменты, при помощи которых Беквит и его товарищи экспериментировали на E. coli.

Для исследования одного — единственного мышиного гена ученому может потребоваться ДНК сотен тысяч мышей. В результате было очень мало известно о том, каким образом генетическая информация в клетках животных транслируется в белки. Еще меньше было известно о самих генах — к примеру, о том, сколько их у человека или какую функцию каждый из них выполняет.

Пол Берг из Стэнфордского университета много лет посвятил изучению того, как E. coli синтезирует молекулы, и в конце 1960–х гг. его всерьез заинтересовал вопрос о том, нельзя ли применить те же методы для исследования клеток животных. В то время ученые изучали новые типы вирусов, навсегда поселившихся в хромосомах животных. Эти вирусы имеют огромное значение для медицины, потому что способны заставить клетки хозяина бесконтрольно размножаться и порождать опухоли. Берг увидел сходство между этими вирусами животных и некоторыми из вирусов, инфицирующих E. coli. В 1950–е гг. ученые выяснили, как можно использовать вирусы бактерии E. coli для переноса генов от одного хозяина к другому. Берг хотел узнать, нельзя ли заставить вирусы животных служить переносчиками генов.

Берг начал экспериментировать с канцерогенным вирусом обезьян SV40. Для начала нужно было придумать, каким образом можно встроить дополнительный ген в вирусную ДНК. Берг решил, что для этого ему придется разрезать кольцевую хромосому SV40 в строго определенном месте. Однако молекулярного ножа, при помощи которого можно было бы осуществить эту операцию, у него не было.

По случайному совпадению именно в тот момент другие ученые обнаружили такой нож. В 1960–е гг. у E. coli были открыты ферменты рестрикции, которые связывались с определенной короткой последовательностью нуклеотидов и разрезали чужеродную ДНК. Среди исследователей, совершивших это открытие, был и Герберт Бойер, микробиолог из Калифорнийского университета в Сан — Франциско. Бойер предоставил Бергу недавно открытый фермент рестрикции, названный EcoRl.

Берг с коллегами сумели при помощи EcoRl расщепить хромосому вируса SV40. К одному из концов ДНК вируса SV40 ученые добавили ДНК бактериофага лямбда, паразитирующего на E. coli. Чтобы сшить два фрагмента ДНК воедино, Берг с коллегами добавил к концу каждого фрагмента некоторое количество нуклеотидов, азотистые основания которых могли образовывать с концом другого фрагмента комплементарные связи. В результате всех этих операций получился искусственный вирусный гибрид. Строго говоря, это был гибрид трех видов, потому что бактериофаг лямбда включил в свой геном и некоторые участки ДНК хозяина — E. coli.

Поскольку у гибрида присутствовали гены фага лямбда, отвечающие за внедрение в клетку E. coli, Берг решил проверить, сможет ли гибрид тоже проникнуть в бактерию. Он попросил одну из своих студенток, Дженет Мерц, разработать план эксперимента. Для Берга и Мерц тот эксперимент начался как попытка получить ответ на еще один интересный вопрос. Но остальные, узнав об их планах, пришли в ужас.

Одним из первых, кто поделился с Бергом своим беспокойством по этому поводу, стал специалист по биоэтике Леон Касс. Когда?то он, как и Берг, работал с E. coli, но затем разочаровался в науке, увидев, как стремительно расширяются ее достижения и как мало при этом внимания уделяется этической стороне дела. Касс предостерег Берга, сказав, что манипулирование генами может завести человечество в моральный тупик. Если биологи научатся встраивать гены в человеческий зародыш, родители получат возможность заранее выбирать характеристики своих детей. Они не ограничатся модификацией генов, которые, к примеру, ответственны за развитие таких болезней, как серповидноклеточная анемия или другие наследственные генетические заболевания. Они захотят улучшить даже совершенно здоровых детей.

«Достаточно ли мы разумны, чтобы ставить под угрозу равновесие генетического банка?» — задал вопрос Касс.

Берг отмахнулся от этого предупреждения, но, когда сомнения начали высказывать и другие специалисты по вирусам, он призадумался. Мерц объяснила остальным исследователям, как именно они с Бергом собирались создать своеобразную матрешку: SV40 в фаге лямбда, фаг лямбда в E. coli. Один из коллег ответил: «Ну да, а E. coli в человеке».

Некоторые ученые опасались, что если E. coli с вирусом SV40 внутри случайно вырвется из лаборатории Берга, то через какое?то время она сможет найти себе хозяина — человека. Устроившись там, она начнет размножаться, производя при этом в огромных количествах канцерогенные вирусы. Никто не мог предсказать, как все обернется в подобном случае: может, обойдется без последствий, а может, разразится невиданная эпидемия рака. Перед лицом таких неопределенностей Берг и Мерц приняли решение отказаться от задуманного эксперимента.

«Я не хотела стать человеком, создавшим из?за собственного упрямства чудовище, которое убьет миллионы людей», — сказала позже Мерц.

В то время лаборатория Берга была единственной в мире, где активно проводились опыты по генной инженерии. В ней пользовались хитроумными, сложными и очень медленными методами. Закрыв эксперимент по созданию химеры, ученые могли быть уверены, что никто не сможет продолжить их исследования. Но прошло совсем немного времени, и генная инженерия стала намного проще технически — и, конечно, еще противоречивее.

Берг и Бойер продолжали изучать механизм, при помощи которого EcoRl разрезает молекулу ДНК. Они выяснили, что фермент оставляет после себя отнюдь не чистый ровный срез; наоборот, на каждом конце одна из нитей ДНК оказывается длиннее другой. Этот свисающий кончик может спонтанно соединиться с другим болтающимся кончиком, также отрезанным при помощи EcoRl. По существу, при разрезании получались так называемые «липкие» концы. И не нужно было ничего дополнительно делать с фрагментами ДНК разных видов, чтобы соединить их: они сами делали все необходимое.

Вскоре Бойер сумел реализовать возможности, которые давали ему «липкие» концы ДНК. Вместо вирусов он выбрал плазмиды — колечки ДНК, которыми бактерии обменивались друг с другом. Вместе со специалистом по плазмидам Стенли Коэном Бойер разрезал две плазмиды при помощи EcoRl. «Липкие» концы молекул соединились, объединив две плазмиды в одно кольцо. Каждая из плазмид несла в себе гены, отвечающие за устойчивость к какому?то одному антибиотику, и когда Бойер и Коэн ввели получившуюся плазмиду в клетку E. coli, бактерия получила резистентность к обоим лекарствам. После деления этой бактерии оба новых микроорганизма получили по одинаковой плазмиде, созданной методами генной инженерии. Впервые в истории живой микроб стал носителем генов, сознательно соединенных человеком.

Соединив между собой две плазмиды E. coli, Бойер и Коэн обратились к другому биологическому виду. В сотрудничестве с Джоном Морроу из Стэнфордского университета они вырезали фрагмент ДНК из клетки африканской шпорцевой лягушки и вставили его в плазмиду, которую затем ввели в клетку E. coli. Таким образом они создали химерный организм, который одновременно был и бактерией, и животным.

Когда Бойер описал результаты своих экспериментов на конференции в Нью — Гемпшире в 1973 г., его сообщение произвело эффект разорвавшейся бомбы. Никто не мог сказать, безопасны ли подобные эксперименты. Участники конференции направили в Национальную академию наук США письмо, в котором изложили свои опасения, и в научных кругах разгорелась дискуссия. Что практически полезного можно сделать с E. coli, полученной в результате подобных генетических экспериментов? Насколько серьезны риски?

Возможности на тот момент казались совершенно фантастическими — примерно настолько же, насколько фантастическими выглядели мечты Холдейна ровно за полвека до этого. E. coli могла бы производить ценнейшие органические вещества, такие как человеческий инсулин, необходимый при лечении диабета. E. coli можно было бы снабдить генами для расщепления целлюлозы — химически стойких растительных волокон. Тогда человек, проглотивший некоторое количество таких, способных расщеплять целлюлозу бактерий, смог бы извлекать питательные вещества из травы и других растений. С другой стороны, игры с геномом E. coli могли закончиться катастрофой. Так, при помощи целлюлозорасщепляющей E. coli человек, возможно, стал бы получать слишком много калорий и растолстел бы до невероятных размеров. А может быть, эти бактерии лишили бы человека той пользы, которую он получает от непереваренных растительных волокон, в том числе, к примеру, и защиты от рака.

Пол Берг и 30 других видных ученых написали в 1974 г. письмо в Национальную академию наук США, в котором призывали к мораторию на искусственный перенос генов до тех пор, пока ученые не договорятся о некоторых общих рекомендациях. Первым шагом к формулированию таких рекомендаций стала организованная Бергом в феврале 1975 г. встреча в конференц — центре государственного парка «Асиломар» на побережье Калифорнии (в Пасифик — Гроув). Вместо того чтобы полностью запрещать генную инженерию, ученые призвали к созданию системы контроля с несколькими уровнями жесткости. Чем выше вероятность того, что эксперимент может нанести вред, тем больше внимания ученые должны уделять предотвращению утечки экспериментального материала — организмов с искусственно измененным генотипом. Некоторые особенно опасные эксперименты, такие как интегрирование в геном живых организмов чужеродных генов, отвечающих за производство мощных токсинов, нельзя проводить вовсе. По следам Асиломарской конференции Национальный институт здоровья США создал комитет, который должен был в том же году разработать официальные рекомендации.

С точки зрения таких ученых, как Берг, подобная стратегия, безусловно, представлялась разумной. Они не спеша поразмыслили над перспективами генной инженерии и решили, что связанные с ней риски не так уж велики и с ними можно работать. Так, генная инженерия вряд ли способна вызвать новую эпидемию рака, поскольку большинство людей сталкивается с подобными вирусами еще в детстве. Многие ученые пришли к выводу, что после десятилетий безбедной жизни в лабораториях штамм E. coli К-12 настолько ослабел, что не сможет выжить в жестких условиях человеческого кишечника. Биолог Уильям Смит объявил, что выпил раствор E. coli К-12, но не обнаружил следов бактерии в своем стуле. Но для пущей уверенности в том, что генная инженерия не будет представлять опасности, микробиолог из Алабамского университета Рой Кертисс создал сверхслабый штамм E. coli, в сотню миллионов раз более слабый, чем пресловутый К-12.

На других ученых, однако, эти успокоительные заверения не подействовали. Биохимик Либе Кавальери из Мемориального онкологического центра имени Слоана — Кеттеринга в Нью — Йорке опубликовал в New York Times Magazine очерк под названием «Новые штаммы жизни — или смерти» (New Strains of Life — or Death). Чуть ниже заголовка в журнале размещался гигантский групповой портрет E. coli, обнимающих друг друга своими тонкими инопланетными фимбриями. Познакомьтесь — новый Франкенштейн.

Очень скоро к критикам — ученым присоединились политики и общественные деятели. Конгресс США начал слушания по генной инженерии, и депутаты сразу же внесли в парламент десяток биллей, предусматривающих различные степени контроля. Не дремали и политики муниципального уровня. Так, мэр города Кембриджа (штат Массачусетс) Альфред Веллуччи провел бурные слушания по поводу начала в Гарварде исследований в области генной инженерии. Город полностью запретил генную инженерию на несколько месяцев. На научных конференциях протестующие вывешивали лозунги, экологические организации подавали в суд на Национальный институт здоровья за пренебрежение рисками генной инженерии.

Многие критически настроенные люди были возмущены тем, что ученые вроде бы собирались сами решить, как поступить с рисками, связанными с генной инженерией. «В намерения той части научного мира, которую можно было бы назвать молекулярно — биологической общественностью, никогда не входило выносить этот вопрос на обсуждение широкой публики», — откровенно написал в 1981 г. Джеймс Уотсон. Критики утверждали, что публика имеет право решать, как быть с рисками генной инженерии, потому что все беды и отрицательные последствия обрушатся, разумеется, на обычных людей. Сенатор от штата Массачусетс Эдвард Кеннеди жаловался, что «ученые сами решили наложить мораторий, а затем сами же решили его снять».

Некоторые критики также высказывали сомнения, что ученые могут быть объективны в вопросе генной инженерии. Они заинтересованы в том, чтобы законодательные ограничения были как можно менее строгими, потому что так им удастся за меньшее время провести больше экспериментов. «Путеводная звезда Нобелевской премии — мощный стимулятор, придающий исследователям силы и энергию», — предостерегал Кавальери. Вместе с научной славой приходят и сверкающие перспективы богатства. Корпорации и инвесторы уже начинали обхаживать специалистов по молекулярной биологии, надеясь найти генной инженерии коммерческое применение. Финансовые интересы многих могут заставить преувеличить грядущие выгоды новой науки и преуменьшить связанные с ней риски. Так, компания Cetus, активно привлекавшая в свои ряды молекулярных биологов, сделала поразительное предсказание: «Мы, работники Cetus, предрекаем, что к 2000 году буквально все основные человеческие болезни будут без труда излечиваться специальными, разработанными отдельно для каждой болезни искусственными белками, которые будут вырабатывать специализированные гибридные микроорганизмы».

Критики же видели в генной инженерии не чудо, а лишь иллюзию простого решения. В 1977 г. Национальная академия наук США организовала публичный форум по рискам и преимуществам новой технологии. Протестующие устраивали пикеты, пытаясь остановить мероприятие, и называли генных инженеров нацистами. Среди этого хаоса вице — президент по исследованиям компании Eli Lilly Ирвинг Джонсон рассказал о том, как можно использовать генную инженерию в лечении диабета. Eli Lilly, крупнейший в США производитель инсулина, получала этот гормон из поджелудочной железы свиней. При падении уровня потребления свинины или заметном увеличении числа диабетиков, сказал Джонсон, этого источника, возможно, окажется недостаточно. Создание методами генной инженерии бактерии, способной производить человеческий инсулин, может обеспечить его неограниченное и дешевое производство. «Это настоящая “наука для народа”», — сказал Джонсон.

Рут Хаббард, биолог из Гарварда и ведущий критик генной инженерии, выступила с опровержением этой радужной картины. Она указала на то, что инсулин не предотвращает диабет и даже не лечит его. Он всего лишь нейтрализует некоторые симптомы болезни. «Прежде чем хвататься за технические фокусы и пытаться лечить с их помощью сложные болезни, — предостерегла она, — мы должны сначала понять, что вызывает эти болезни, как работает терапия, о которой нам прожужжали все уши; мы должны знать, какая доля больных действительно в ней нуждается… Но что нам сейчас совершенно точно не нужно, так это новая потенциально опасная технология производства инсулина, которая принесет выгоду только тем, кто его производит».

Мало того что генная инженерия отвлекает общество от реальных способов решения проблемы, предупреждали критики, она может поставить под угрозу само существование нашего мира. Особенно рискованной ее делает то, что технология эта полностью зависит от E. coli. «С точки зрения общественного здоровья, — заявил Кавальери, — эта бактерия представляет собой наихудший возможный вариант. Это обычный обитатель человеческого пищеварительного тракта, легко проникающий в организм через рот или нос. Оказавшись внутри, он способен размножаться и может остаться там навсегда. Таким образом, любая лаборатория, работающая с рекомбинантными штаммами E. coli, битком набита потенциальными носителями, способными при случае разнести опасный штамм по всему миру».

Даже если ученые будут использовать для генной инженерии только ослабленный штамм E. coli, эти микробы смогут прожить вне лаборатории достаточно долго, чтобы передать свои измененные гены более выносливым штаммам. Критики предсказывали эпидемии рака, вызванные небрежно вылитым в раковину раствором, содержащим клетки E. coli. Бактерия, производящая инсулин, может выработать такое его количество в организме человека, что тот от инсулинового шока впадет в кому Генетически измененные организмы могут вызвать катастрофы посерьезнее, чем токсичные вещества, просто потому, что они живые и обладают репродуктивными способностями. Видный биолог из Колумбийского университета Эрвин Чаргафф назвал генную инженерию «необратимым вмешательством в биосферу».

«Этот мир дан нам взаймы, — предупреждал Чаргафф. — Мы приходим и уходим; через какое?то время мы оставляем землю, и воздух, и воду другим — тем, кто приходит после нас. Мое поколение или, может быть, предыдущее первым под руководством точных наук вступило в разрушительную колониальную войну с природой. Будущее проклянет нас за это».

Такие атаки буквально ошеломили сторонников генной инженерии. Как заявил в 1979 г. Берг, дебаты об этом новом направлении в науке стали «кошмарными и провальными». Стэнли Коэн назвал их «рассадником бесчисленных публицистов».

Джеймс Уотсон, как обычно, был откровеннее всех: «Мы были ослами, — сказал он, вспоминая о собственной поддержке моратория 1974 г. — Я сожалею об этом решении и осознанно стыжусь его». Из?за того давнего решения общественность отвлеклась от реальных угроз на иллюзию апокалипсиса.

«Я боюсь, что, пугая народ и себя опасностями, по поводу которых у нас не было причин тревожиться, мы уподобились двум моим маленьким сыновьям, — писал он. — Они обожают говорить о чудовищах, потому что уверены в том, что в реальной жизни никогда ни одного чудовища не встретят».

E. coli incorporated

Герберт Бойер — тот самый ученый, чьи работы послужили поводом к дискуссии о генной инженерии, — в спорах не участвовал. У него были другие дела. Он искал компании и инвесторов, которые придумали бы способ сделать на его рестрикционных ферментах деньги. В 1976 г. он вступил в партнерство с молодым предпринимателем Робертом Свонсоном. Сложившись по $500 каждый, они основали компанию под названием Genentech (сокращение от genetic engineering technology). Бойеру пришлось занять деньги, чтобы внести свою долю.

Бойер и Свонсон решили продавать ценные химические вещества, производимые полученными с помощью методов генной инженерии штаммами E. coli. В качестве первой цели они выбрали человеческий инсулин — в основном по тем же причинам, о которых говорил Ирвинг Джонсон на форуме Национальной академии наук. Бойер обратился за помощью к Артуру Риггсу и Кэйити Итакуре из больницы «Город Надежды» в Дуарте (штат Калифорния). Риггс и Итакура одними из первых научились конструировать гены. Когда Бойер начал с ними сотрудничать, они занимались созданием своего первого человеческого гена, отвечающего за синтез гормона соматостатина[26]. Работая с Genentech, Риггс и Итакура придумали способ добавить к искусственному гену «липкие» концы и вставить его в плазмиду. Они ввели эту плазмиду в клетку E. coli, и бактерия начала выделять соматостатин. Так в молодой науке был достигнут очередной рубеж. В 1973 г. Бойер, Коэн и Морроу сумели вставить в геном E. coli фрагмент гена животного. Четыре года спустя у Genentech уже была E. coli, способная производить человеческий белок.

Но ученые не собирались почивать на лаврах. Опубликовав в 1977 г. предварительные результаты экспериментов, они обратились к инсулину. Бойер знал, что начинается гонка и следует спешить. Уолтер Гилберт, блестящий молекулярный биолог из Гарварда, тоже работал над получением инсулина. Но у Бойера перед Гилбертом было принципиальное преимущество: он работал с искусственной молекулой ДНК. Гилберт же пытался выделить гены, отвечающие за производство инсулина, из живых клеток, так что его исследования подпадали под жесткие правительственные ограничения. Его команда вынуждена была принимать чрезвычайные меры предосторожности, чтобы только иметь возможность продолжать эксперименты; они даже летали в Англию, чтобы работать в лаборатории, где создавалось биологическое оружие.

У Бойера дело продвигалась быстрее, потому что его ДНК не была «природной». Вместо того чтобы, подобно Гилберту, выделять ДНК из живых клеток, Риггс и Итакура начали с другого конца — они двигались от структуры белка инсулина к соответствующей последовательности нуклеотидов. В итоге Бойер, не связанный никакими ограничениями, выиграл гонку, б сентября 1978 г. фирма Genentech официально объявила, что ее ученым удалось получить от E. coli 20 миллиардных долей грамма человеческого инсулина.

Еще два года исследователи Genentech работали над увеличением производительности. Они внесли такие изменения в геном E. coli, что бактерия стала сама выводить произведенный инсулин наружу сквозь мембрану, и тем самым серьезно облегчили процесс сбора продукта. В 1980 г. Genentech была готова передать технологию производства инсулина компании Eli Lilly. В следующем году фармацевтический гигант построил у себя специальные баки емкостью по 40 000 л и начал разводить в них E. coli. Genentech акционировался, и бойеровы $500 превратились в $66 млн.

С началом шумихи вокруг Genentech споры о допустимости работы с E. coli затихли сами собой. Конгресс, отчасти благодаря яростному лоббированию со стороны ученых, так и не принял никакого закона о генной инженерии. Национальный институт здоровья ослабил свои ограничения. Ученым, работающим с E. coli, уже не надо было наряжаться в специальные скафандры. Корпорации расхватывали специалистов по работе с E. coli, как горячие пирожки. Все 14 ученых, подписавших в свое время вместе с Бергом письмо — мораторий, в конце концов связали свою карьеру с тем или иным коммерческим предприятием. Уолтер Гилберт стал одним из основателей компании Biogen, которая начала использовать методы генной инженерии на E. coli, чтобы наладить производство различных белков, казавшихся перспективными в плане борьбы с раком. На торжественной церемонии открытия штаб — квартиры Biogen в Кембридже ленточку перерезал бывший мэр города Альфред Веллуччи — когда?то непримиримый противник генной инженерии и лично Гилберта.

Компания Genentech стала лидером новой биотехнологической отрасли. Хумулин — произведенный бактериями инсулин — был выпущен на рынок в 1983 г., и сегодня это лекарство принимает 4 млн человек по всему миру. Другие компании начали выпуск собственных сортов инсулина, производимых E. coli, и сегодня их тоже принимают миллионы диабетиков. Биотехнологические компании разработали множество других лекарств, синтезируемых E. coli, — от человеческого гормона роста до средств для уменьшения вязкости крови. Сегодня E. coli послушно выдает на — гора витамины и аминокислоты. Если традиционно при производстве сыра в молоко добавляли сычужный фермент — реннин, получаемый из коровьих желудков, то сегодня значительная доля сыров на прилавке супермаркета изготовлена с использованием реннина, произведенного E. coli. Ученые продолжают вводить в геном E. coli новые гены, пытаясь понять, какие еще полезные вещества может производить эта бактерия. Речь идет о самых разных соединениях — от биоразлагаемых пластмасс до этилового спирта.

Нельзя сказать, что все эти достижения дались ученым легко. E. coli — не завод и относиться к ней, как к машине, нельзя. Микроорганизм — живое существо, и на любое действие он может отреагировать совершенно неожиданным образом. Оказавшись в гигантском баке, бактерии могут задохнуться в собственных отходах. Вообще, бактерии, настроенные на производство больших количеств инсулина или другого чужеродного белка, испытывают сильнейший стресс. Молекулы белка могут начать денатурироваться, и E. coli, чтобы вернуть им правильную форму, придется синтезировать белки теплового стресса. Энергию, которую бактерия тратит на борьбу со стрессом, уже невозможно использовать на питание и рост. Ученым, как поварам, занятым поисками идеального рецепта, пришлось искать решения и этих, и многих других проблем.

И сегодня, 30 лет спустя после превращения E. coli в чудовище и тягловую лошадку генной инженерии, эта бактерия по — прежнему остается любимым объектом биотехнологов. Ученые продолжают экспериментировать с ней в поисках новых способов работы с генами и белками. Ее ферменты рестрикции — любимый инструмент для разрезания ДНК, а ее плазмиды — любимое средство получения новых копий генов. Но сегодня ученые умеют встраивать эти гены в клетки многих других видов. В 1980–е гг. они, воспользовавшись полученными от E. coli уроками, начали переносить гены в другие бактерии и грибы. Кроме того, исследователи научились вводить гены в клетки животных и растений. Сбылась первоначальная мечта Берга: сегодня можно встроить ген в вирус, к примеру в SV40, и инфицировать этим вирусом клетку млекопитающего. (Ученые предпочитают использовать для этого клетки яичников китайского хомячка.) Модифицированная таким образом клетка может затем размножиться и образовать лабораторную колонию, которая станет вырабатывать какой?нибудь ценный белок.

Но этого мало. Сегодня можно вводить новые гены в клетки живых животных и растений. Генетически модифицированные культуры распространились во многих странах уже в большей части сельскохозяйственных угодий. Некоторые из них производят токсины, убивающие вредных насекомых; в обычных условиях такие токсины синтезировались бактериями. Другие способны противостоять пестицидам. Ученым удалось также создать растения, способные вырабатывать человеческие антитела и вакцины.

Даже в клетки животных теперь вводят чужеродные гены с помощью модифицированных вирусов. Некоторые исследователи надеются найти способ излечивать генетические заболевания, снабжая клетки работающими копиями ключевых генов. Другие вводят гены непосредственно в зародышевые клетки, чтобы получить животных с чужеродными генами во всех клетках тела. Некоторые ученые пытаются при помощи методов генной инженерии снизить загрязнение окружающей среды отходами сельского хозяйства. Основные загрязнения от сельскохозяйственной деятельности — соединения фосфора и кислорода, поступающие в почву с удобрениями. Когда дожди и вешние воды уносят фосфаты с полей в реки и в конечном итоге в океан, они вызывают вспышку размножения водорослей и другие экологические катастрофы, которые постепенно приводят к появлению обширных мертвых зон, где не может выжить ни один живой организм. Одна из причин, почему в удобрениях содержится так много фосфатов, заключается в том, что значительную часть удобрений получают из навоза домашних животных, к примеру свиней и кур. Дело в том, что эти животные лишены пищеварительных ферментов, необходимых для расщепления фосфатов, поэтому они проходят сквозь пищеварительную систему неизмененными. E. coli, как и многие другие бактерии, вырабатывает ферменты для расщепления фосфатсодержащих молекул. И когда исследователи ввели свиньям гены E. coli, фосфатов в навозе модифицированных животных стало вчетверо меньше, чем у обычных.

В каком?то смысле все перевернулось с ног на голову: если 30 лет назад ученые вводили бактериям гены животных, то сегодня они, наоборот, вводят животным гены E. coli.

Азбука жизни расширяется

В начале своего существования генная инженерия была всего лишь инструментом, который ученые смогли создать на базе своих знаний о E. coli. Однако в последние годы грань между генной инженерией и наукой постепенно стирается. Герберт Бойер использовал свои глубокие знания о E. coli, чтобы разработать методы генной инженерии. Сегодня генная инженерия использует методы Бойера, чтобы узнавать новое не только о E. coli, но и о фундаментальных законах жизни.

Ученые долгое время спорили о том, почему жизнь на Земле, практически без исключений, использует при строительстве белков всего лишь 20 аминокислот[27]. (?. coli и ряд других видов, в том числе человек производят и двадцать первую аминокислоту под названием селеноцистеин.) В природе существуют сотни замечательных аминокислот, из которых жизнь, кажется, могла бы свободно выбирать. Вообще, чтобы присоединиться к Клубу аминокислот, молекуле нужно всего лишь обладать подходящими концами. На одном конце у нее должна быть аминогруппа — атом азота, ковалентно связанный с двумя атомами водорода, а на другом — карбоксильная группа, состоящая из атома углерода, двух атомов кислорода и атома водорода. Аминогруппа и карбоксильная группа легко стыкуются между собой, как кирпичики конструктора «Лего», и при этом почти не важно, что находится между ними. Любой химик может синтезировать в лаборатории сотни различных аминокислот; тот же процесс легко протекает в открытом космосе. В 1969 г. на Землю упал метеорит, покрытый слоем дегтеобразной слизи. Ученые насчитали в составе этой слизи 79 разновидностей аминокислот.

Так почему же у нас их всего двадцать? Один из способов разобраться в этом вопросе — попытаться искусственно получить организм, способный производить не двадцать аминокислот, а двадцать одну. В 2001 г. Питер Шульц из Научно — исследовательского института Скриппса в Ла- Хойя (Сан — Диего, Калифорния) с коллегами сделал именно это — естественно, на основе E. coli. Как и все остальные живые организмы, E. coli использует генетический код, в котором каждые три нуклеотида в составе ДНК кодируют одну аминокислоту. Существует 64 триплета, или, как их называют, кодона, большая часть которых у E. coli используется регулярно. Но Шульц с коллегами обнаружили один кодон, который используется очень редко. Они модифицировали E. coli таким образом, что этот редкий кодон теперь отдавал команду добавить в строящуюся молекулу белка необычную аминокислоту.

Журнал Science назвал это достижение «первой искусственной формой жизни, химия которой не похожа ни на что, встречающееся в природе». В дальнейшем ученые добавили в репертуар E. coli еще более 30 необычных аминокислот. Первоначально бактерия могла строить эти новые белки только при условии бесперебойного снабжения ее нестандартными аминокислотами, но затем ученые начали модифицировать E. coli так, чтобы она могла сама синтезировать их из обычной пищи.

Благодаря этим исследованиям споры о генетическом коде переместились на другую почву. Никто не может с уверенностью утверждать, что только те самые 20 аминокислот делают жизнь возможной. Некоторые даже считают, что генетический код — это всего лишь исторический артефакт. Первые живые организмы синтезировали свои белки из тех аминокислот, которых вокруг было больше всего, и этот случайный выбор закрепился навсегда. Некоторые ученые уверены, что у нас самый лучший генетический код из всех возможных — ведь он позволяет хранить информацию о максимальном количестве белков в минимальном числе генов. Другие возражают, что естественный отбор мог бы предпочесть генетический код и поустойчивее, с меньшей вероятностью возникновения летальных мутаций, при которых происходит синтез белков с полностью измененной структурой.

В наших руках, однако, правила генетического кодирования изменились. Шульц и другие исследователи теперь пытаются разобраться, какую практическую пользу можно извлечь из белков E. coli, которых нет в природе. Возможно, такие белки позволят E. coli исправить одну из крупнейших неудач генной инженерии. Дело в том, что, в отличие от бактерий, клетки эукариот модифицируют белки, присоединяя к ним углеводные компоненты. Они участвуют в процессе сборки белка и влияют на его функционирование. E. coli может синтезировать точные копии наших белков — все аминокислоты точно на местах, — но если она не в состоянии добавить в нужных местах эти углеводы, то получившиеся белки для нас бесполезны.

Шульц с коллегами нашел способ обойти эту проблему. Вместо того чтобы добавлять углеводы к готовому белку, они добавляют их к отдельным аминокислотам, а затем так модифицируют E. coli, чтобы она распознавала аминокислоты с углеводным компонентом. Таким образом, бактерия может собирать белки с уже присоединенными углеводами, готовые для употребления человеком. Оказывается, то, что неестественно для E. coli, совершенно естественно для нас.

Сетевой взлом

Генная инженерия, которая на первый взгляд производит впечатление науки будущего, на самом деле достаточно примитивна и основана на биологических представлениях 1950–х гг. В мире генной инженерии E. coli и другие бактерии — всего лишь простые химические фабрики, выпускающие определенный набор белков. Достаточно изменить один ген, и один из производимых белков тоже изменится. Специалисты прекрасно понимают, что жизнь ни в коем случае не сводится к производству белков. Существуют еще, к примеру, репрессоры и промоторы, чья задача — включать и выключать гены. Но многие специалисты в области генной инженерии используют эту ценную информацию только для того, чтобы улучшить производительность E. coli и других организмов.

Возможен и другой взгляд на E. coli: бактерию можно рассматривать как управляющую схему или сетевую структуру. Ее белки и гены работают согласованно, позволяя микроорганизму получать и обрабатывать информацию, принимать решения, поддерживать устойчивое существование в нашем неустойчивом мире. Мощь управляющей сети E. coli обеспечивается суммой ее частей, а не одним, каким?нибудь геном или белком. Заметим также, что искусственные, рукотворные устройства человек постоянно улучшает — инженеры перерабатывают старые схемы, добавляют новые части. И некоторые ученые уже задаются вопросом: если жизнь тоже придерживается инженерных принципов, то, может быть, и ее можно доработать?

Первые сообщения об усовершенствовании живых организмов появились в 2000 г., и в обоих случаях речь шла о E. coli. Физик Майкл Еловиц из Калифорнийского технологического института совместно со Станисласом Лейблером из Университета Рокфеллера в Нью — Йорке заставили этот микроорганизм мигать. Для своего нового управляющего контура они выбрали три гена, отвечающих за производство трех разных репрессоров. Они модифицировали первый ген так, чтобы репрессор, за синтез которого он отвечает, блокировал активность второго гена. Репрессор, кодируемый вторым геном, блокирует третий. Третий реирессор, в свою очередь, блокирует первый; кроме того, кодирующий его ген отвечает за строительство флуоресцентного белка, позаимствованного у медуз.

Еловиц и Лейблер обнаружили, что в некоторых модифицированных ими бактериях три репрессора образовали циклическую систему. Первый ген командует производством репрессоров до тех пор, пока они не блокируют второй ген; третий ген при этом освобождается и блокирует первый. Когда первый ген прекращает выработку своего репрессора, второй ген освобождается и блокирует третий и так далее. Еловиц и Лейблер объединили эти гены в одной плазмиде и ввели ее в клетку E. coli. В бактериальной клетке гены активизировались, и ученые смогли наблюдать этот процесс собственными глазами: в зависимости от степени подавления активности третьего гена E. coli вырабатывала больше или меньше флуоресцентного белка. Иными словами, бактерия мигала, как крошечный фонарик.

Второе сообщение поступило из лаборатории Джеймса Коллинза в Бостонском университете. Коллинз с коллегами снабдили E. coli триггерным переключателем. Они сконструировали и ввели в бактериальную клетку два гена, каждый из которых отвечал за производство репрессора, который блокировал активность другого гена. Каждый из двух репрессоров можно было оттащить от ДНК E. coli путем добавления в раствор определенного (в каждом случае своего) химического вещества. Чтобы увидеть, как работает эта система, ученые ввели в один из участвующих в ней генов инструкцию по производству флуоресцентного белка. Добавление одного из химических веществ заставляло бактерии светиться, причем свечение продолжалось даже после прекращения действия этого вещества. При добавлении второго вещества свечение прекращалось, и E. coli оставалась темной даже после того, как вещество заканчивалось.

На сегодняшний день эти эксперименты считаются вехами, отметившими рождение новой науки, которую многие называют синтетической биологией. Возможно, кому?то такая оценка покажется преувеличенной — ведь мигающую лампочку или переключатель может за несколько минут собрать любой сообразительный ребенок с электронным конструктором. Но биологи и инженеры понимают, что вслед за простыми схемами могут прийти и сложные. Из нескольких простейших логических элементов может получиться компьютерный чип.

Я пишу эту книгу всего через шесть лет после зарождения синтетической биологии, и ученые еще не построили на основе E. coli компьютерного чипа[28]. Но путь от мигалки и выключателя уже пройден немалый. Фотокамера из E. coli, о которой говорилось в начале этой главы, — хороший пример сегодняшних возможностей этой молодой науки. Каждый год Массачусетский технологический институт проводит турнир по синтетической биологии, в рамках которого студенты пытаются превратить E. coli в различные устройства. В 2004 г. студенты Техасского университета и Калифорнийского университета в Сан- Франциско вместе сконструировали бактерию, способную зафиксировать изображение. Они представили на конкурс пленку из модифицированной E. coli, которая вела себя как традиционная фотопленка, то есть темнела там, где на нее не падал свет. Чем больше на пленку попадало света, тем светлее она становилась. Обычная E. coli не ощущает свет и не может создавать цветовых пятен. Но студенты сконструировали штамм, способный и на то и на другое. Они позаимствовали ген, отвечающий за светочувствительный рецептор, у одного из видов сине — зеленой водоросли под названием Synechocystis[29]. А для окрашивания — гены того же Synechocystis, отвечающие за синтез пигмента.

Сложнее всего было соединить два набора генов в единую систему. Студенты модифицировали светочувствительные рецепторы так, чтобы они передавали сигнал на обычные молекулы, производимые самой E. coli. Получив сигнал, эти молекулы присоединялись к ДНК микроорганизма и блокировали синтез ферментов, необходимых для производства пигмента Synechocystis. Время экспозиции для E. coli составляет 10–12 часов, да и изображение получается расплывчатым и каким?то призрачным. Но зато, поскольку каждый микроорганизм изменяет свой цвет независимо от других, разрешение «фотографии» получается очень высоким — примерно в десять раз выше, чем у самых качественных принтеров.

Подобные эксперименты внушают специалистам по синтетической биологии великие надежды на будущее. Вскоре они смогут синтезировать ДНК для получения совершенно новых генов, причем стоимость этого процесса будет невелика. В настоящее время никто не знает, как сконструировать ген, который выполнял бы заданную функцию, но исследователи научились вносить изменения в уже существующие гены и просчитывать, как эти изменения скажутся на белке, за синтез которого они отвечают. Уже разработаны новые гены, которые позволяют E. coli распознавать нервно — паралитический газ и тротил. Один из самых амбициозных проектов запущен в Калифорнийском университете в Беркли, где ученые пытаются создать генетически модифицированные штаммы E. coli и дрожжей, которые могли бы вырабатывать противомалярийное средство под название артемизинин. В природе этот препарат вырабатывает только полынь однолетняя. Если бы к производству артемизинина удалось приспособить микроорганизмы, его стоимость, возможно, упала бы в десять раз.

Тем временем Кристофер Войт с коллегами создает штаммы E. coli, которые когда?нибудь, возможно, смогут бороться с раком. Его бактерии разыскивают в организме опухоли по низкому содержанию кислорода, и затем «впрыскивают» токсины в раковые клетки. Войт надеется когда?нибудь превратить E. coli или какой?нибудь другой микроорганизм в «умное» лекарство, способное самостоятельно принимать решения о том, как и когда следует выделять лекарственное вещество для лечения болезни. Возможно, они смогут также считать собственные циклы деления и после определенного их числа заканчивать жизнь самоубийством. Другие ученые пытаются превратить E. coli в солнечную батарею, способную улавливать солнечный свет и превращать его в топливо. Специалисты по синтетической биологии надеются, что когда?нибудь им удастся продвинуться дальше E. coli и приступить к работе с другими организмами, как это в свое время произошло с генной инженерией. Не исключено, что когда?нибудь они смогут вмешаться и в программирование человеческих клеток: к примеру, заставить организм вырастить новый орган.

Все то, о чем говорилось выше, занимает мысли специалистов по синтетической биологии в хорошие дни. Когда же накатывает дурное настроение, они вспоминают обо всех трудностях и препятствиях, которые ждут их впереди.

Инженерам, к примеру, нужны стандартизованные детали. Конструируя токарный станок или газонокосилку, инженер не придумывает заново болты, которые должны скреплять детали машины. Он просто указывает, какие болты и гайки из стандартного набора следует использовать. Но это относительно недавнее достижение. До середины XIX в. резьба на болтах, сделанных на одном заводе, могла полностью отличаться от той, которая была на болтах другого завода. Стандартизация болтов ускорила технический прогресс и, возможно, сыграла очень существенную роль в промышленной революции.

Пока что синтетическая биология в некоторых отношениях находится еще на доиндустриальной стадии развития — это ремесло для умельцев и мастеров. Еловицу и его коллегам — специалистам мирового класса по E. coli и ее генам — на получение мигающей бактерии потребовалось больше года. Даже добившись успеха, они оказались в тупике — другим ученым было бы очень трудно каким?то образом улучшить их схемы или включить их в другие, более сложные. С одной стороны, сначала им пришлось бы воспроизвести схему, что само по себе очень непросто. К тому же эта схема может работать только в определенном штамме E. coli, а определить эти штаммы можно, лишь сверяясь с детально разработанным «генеалогическим древом», где за происхождением бактерий следят не менее тщательно, чем за происхождением коронованных особ. Любой инженер почувствовал бы отчаяние перед лицом таких трудностей.

Начиная с 2001 г. Дрю Энди и Том Найт из Массачусетского технологического института создают генетический банк для синтетической биологии. Если вам понадобится добавить к своей схеме переключатель, вы сможете поискать его на сайте BioBricks, загрузить на свой компьютер необходимую последовательность ДНК, заказать соответствующие фрагменты ДНК через биотехнологическую фирму и ввести их в клетку E. coli. На текущий момент в каталоге BioBricks содержится более 160 готовых схем; это не только упрощает исследования в области синтетической биологии, но и способствует развитию соответствующего профессионального сообщества. Энди и Найт организовали на базе BioBricks ежегодный конкурс по синтетической биологии среди студентов. Студенты тоже добавляют в банк новые фрагменты генетического материала, открывая дорогу будущим изобретениям.

Но дальнейшие попытки специалистов построить более масштабные схемы могут встретить на своем пути новое препятствие: саму E. coli. Несмотря на все усилия ученых, многое в этом микроорганизме до сих пор непонятно. Шестьсот его генов остаются полнейшей загадкой. Особенно туманна структура его генетической сети. Ученые могут распознать большинство транскрипционных факторов[30] E. coli, то есть большинство белков, включающих и выключающих гены. Но о том, чем эти гены управляют, известно гораздо меньше. А то, что специалисты знают о E. coli наверняка, иногда очень их расстраивает.

Управляющие схемы E. coli перекрывают друг друга, образуя такую путаницу, какую не сконструировал бы ни один уважающий себя инженер. Очень трудно предсказать, как дополнительные цепи, введенные человеком, изменят общее поведение такой сложной и запутанной системы.

Некоторые специалисты по синтетической биологии считают, что преодолеть слабости E. coli можно, только если разобрать ее на части и собрать заново. В Гарвардском университете, к примеру, Джордж Чёрч с коллегами уже составил список из 151 гена, которых, по их мнению, было бы достаточно для живого организма. Механизм действия этих генов, которые в основном взяты у E. coli и ее вирусов, ученые понимают хорошо. Составленная из них система вроде бы не должна таить особых загадок. Чёрч надеется искусственно собрать из этих основополагающих генов полноценный геном и, совместив их с мембраной и рибосомами (их задача — строительство белков), создать живой организм. Назовем его E. coli 2,0.

Тем временем Альберт Либхабер из Университета Рокфеллера предпочел еще более простой подход. Вместе с коллегами он приготовил раствор, содержащий рибосомы и некоторые химические вещества, которые можно обнаружить в клетках E. coli. Вместо полного генома они создали всего лишь небольшие плазмиды. Затем они заключили гены и молекулы в искусственную двухслойную фосфолипидную оболочку, добавив необходимые для этого вещества. Команда Либхабера обнаружила, что эти пузырьки способны жить — по крайней мере несколько часов. В одном из генов, добавленных Либхабером в плазмиды, был закодирован белок, формирующий поры в мембране. Протоклетки считывали этот ген, строили молекулы соответствующего белка и встраивали их в мембрану. Образовавшиеся поры позволяли аминокислотам и другим небольшим молекулам проникать внутрь протоклетки, но не выпускали наружу плазмиды и другие крупные молекулы. Чтобы отследить производство новых молекул белка, ученые добавили в плазмиды ген, взятый у жука — светляка. Протоклетка светилась холодным зеленоватым светом. Либхабер не называет свое творение живым организмом. Он предпочитает термин «биореактор». Переход от биореактора к настоящей жизни потребует дополнительных усилий, и немалых. Либхаберу и его коллегам придется по крайней мере добавить некоторое количество генов, чтобы обеспечить биореакторам возможность деления на новые биореакторы.

Чёрч и Либхабер только начинают разбираться в том, как следует использовать E. coli при создании новых живых систем. Они не могут просто собрать в одном месте ДНК и другие необходимые молекулы и оставить их в покое, чтобы они ожили самостоятельно. Жизнь не похожа на компьютер, который загружается просто по нажатию кнопки. Каждая живущая сегодня E. coli происходит от предка, у которого, естественно, тоже есть предки. Все это вместе образует непрерывную биологическую реку, текущую уже не один миллиард лет. Жизнь — такая, какой мы ее знаем — всегда была частью этой реки. Но в будущем нам, возможно, удастся организовать собственную протоку.

Возвращение бактерии Франкенштейна

В мае 2006 г. специалисты по синтетической биологии собрались в Беркли (штат Калифорния) на вторую между — народную встречу. Наряду с обычным обсуждением текущих исследований участники выделили время на то, чтобы набросать предварительный вариант профессионального кодекса. Накануне этого дня 35 организаций, включая защитников окружающей среды, общественных активистов и специалистов по биологическому оружию, выпустили открытое письмо, в котором призвали собравшихся воздержаться от резолюций. По мнению авторов письма, им следовало вместо этого присоединиться к публичным дебатам о синтетической биологии и быть готовыми подчиниться решениям своих правительств. «Биотехнологии уже дали повод для протестов по всему миру, но синтетическая биология — что?то вроде генной инженерии на стероидах», — сказала Дорин Стабински из организации Greenpeace International.

Биотехнологии в настоящее время переживают своеобразное дежавю. Вопросы, о которых сегодня спорят, поразительно похожи на те, что поставила перед ученым сообществом в 1970–е гг. первая генетически модифицированная E. coli. Оправдывают ли возможные выгоды риск? Есть ли что?то изначально неправильное во внесении генетических изменений в живые системы? Новые споры намного сложнее прежних, отчасти потому, что E. coli — не единственный объект манипуляций ученых. Мы не должны упускать из виду ни трансгенные сельскохозяйственные растения, ни модифицированные стволовые клетки, ни химеры, соединяющие в себе свойства человека и животных. Сегодня споры часто сосредоточены на тонких моментах, связанных с медициной, охраной природы, патентным правом или международной торговлей. Но, несмотря на все различия, между — тем и этим временем существуют сильные и поразительные параллели. Чтобы разобраться в потенциальных ри — сках и выгодах новой биотехнологии, полезно оглянуться на судьбу генетически модифицированной E. coli за последние три десятка лет.

Отчаянные предупреждения об эпидемиях онкологических заболеваний и инсулинового шока из?за E. coli сегодня кажутся нелепыми. За 30 лет генетически модифицированная E. coli не нанесла никакого документально подтвержденного вреда, несмотря на то что на фабриках эту бактерию разводят в биореакторах емкостью по 40 000 л, где каждый миллилитр раствора содержит порядка миллиарда особей. Никто, кроме Господа Бога, не в состоянии проследить судьбу каждой модифицированной E. coli за последние 30 лет, поэтому невозможно точно сказать, почему не произошли предсказанные катастрофы. Некоторые выводы, правда, можно сделать по результатам экспериментов. Ученые поместили E. coli К-12, несущую человеческие гены, в емкость с илом, в бак с водой и в кишечник животного. Выяснилось, что во всех трех средах бактерии очень быстро исчезли. Дело, вероятно, в том, что генетически модифицированные E. coli направляют много энергии и сырья на производство белков, кодируемых генами, введенными в их геном. Но эти белки, к примеру инсулин или средства для разжижения крови, вряд ли ускоряют рост бактерии или повышают ее шансы на выживание. В тщательно контролируемых условиях, созданных учеными в лабораториях, эти микроорганизмы чувствуют себя неплохо, но конкуренции с другими бактериями они не выдерживают.

Не генетики первыми начали вводить в клетки E. coli гены других биологических видов. В каком?то смысле эти бактерии подвергались генно — инженерным модификациям на протяжении миллиардов лет. В дикой природе, однако, большинство актов переноса генов заканчивается полной неудачей. Бактерии не в состоянии синтезировать белки, за которые отвечают многие гены, привнесенные в геном за счет горизонтального переноса, и естественный отбор подхватывает мутации, устраняющие большинство чужеродных генов.

К несчастью, отсутствие доказательств — совсем не то же самое, что доказательство отсутствия. Если какой?нибудь модифицированный штамм E. coli сумеет ускользнуть из лаборатории и прожить во внешнем мире хотя бы несколько дней, нельзя исключить, что он успеет за это время передать свои гены другим бактериям. Если почвенный микроорганизм подхватит ген, кодирующий синтез человеческого инсулина или другого чужеродного белка, он, вероятно, никаких преимуществ от этого не получит. Но вероятность такого события нельзя исключить. Исследования позволяют предположить, что, даже если чужеродный ген даст бактерии какое?то конкурентное преимущество, он долгое время будет встречаться слишком редко и вряд ли будет замечен; не исключено, что период его «невидимого» существования продлится несколько десятков, а то и сотен лет.

Пока мы ожидали появления генетически модифицированной чудовищной E. coli, штамм 0157: Н7 проявил себя как серьезная угроза общественному здоровью. Именно в 1975 г. — том самом, когда ученые собрались в Асиломаре, чтобы рассмотреть потенциальные опасности, исходящие от генетически модифицированной E. coli, — произошел первый зарегистрированный случай заболевания человека, вызванного E. coli 0157: Н7. Но этот патогенный микроорганизм — не создание рук человеческих и его разумного замысла. На протяжении столетий E. coli 0157: Н7 получила множество генов от смертельно опасных вирусов или разных штаммов Е. coli и других видов бактерий. Она обзаводилась «шприцами», токсинами и химическими веществами, способными изменить поведение клеток хозяина. Такая генная инженерия работает и сегодня, продолжая производить один новый штамм за другим. Но введение группы генов в единственный микроорганизм — всего лишь первый шаг в подобной трансформации. Дальше наступает очередь естественного отбора: новый хозяин генов должен получить репродуктивное преимущество, а затем гены и хозяин должны как следует приспособиться друг к другу.

Для такой трансформации требуется целая экосистема, способная обеспечить условия для естественного отбора в нужном направлении. Мы создали такую экосистему. E. coli 0157: Н7 свободно передавалась от человека к домашним животным и обратно через пахотные поля и бойни, через реки и канализацию, кишащую патогенными вирусами. Нет никаких оснований считать, что для искусственно модифицированной E. coli тоже найдется подобный эволюционный маршрут. Пожалуй, незапланированное, случайное воздействие человека на E. coli должно вызывать у нас куда большие опасения, чем разведенные в лаборатории «монстры».

Тридцать лет назад сторонники генной инженерии обещали человечеству огромные выгоды от ее использования. Они оказались правы — до определенной степени. Генная инженерия уже принесла человеку большую пользу, и польза эта намного шире, чем производство тех лекарств, которые бактерии синтезируют в биореакторах. Генетически модифицированная E. coli и другие модифицированные клетки не только производят множество ценных веществ; помимо всего прочего, они многократно ускорили развитие науки. К примеру, E. coli сыграла огромную роль при секвенировании человеческого генома. Для того чтобы прочесть геном, ученые вводили его фрагменты в клетки E. coli, которая затем производила множество пригодных для анализа копий. Другие ученые использовали E. coli, чтобы наштамповать миллионы молекул белков и определить, для чего эти белки предназначены. Вводя гены человека в геном E. coli, ученые открыли, что ДНК человека состоит из участков двух типов. Некоторые сегменты ДНК под названием экзоны кодируют белки. Но они чередуются с другими сегментами, получившими название интронов, которые ничего не кодируют. Наши клетки удаляют интроны из РНК перед синтезом белков. Они способны использовать различные комбинации экзонов, чтобы производить несколько белков на основе одного гена.

Но как бы значительны ни были достижения, они ни в коем случае не дотягивают до самых смелых обещаний, сделанных 30 лет назад. Ученые из корпорации Cetus утверждали, что все основные болезни к 2000 г. будут побеждены при помощи генетически модифицированных белков. Я пишу этот текст в 2007 г.: рак, сердечно — сосудистые заболевания, малярия и другие болезни продолжают убивать людей миллионами. Может быть, ученые из Cetus просто ошиблись со сроками? Может быть, следующее тридцатилетие принесет новые прорывы в области генной инженерии, которые дадут возможность истребить все тяжелые заболевания? Но я бы не стал ставить на такую возможность. Большинство серьезных заболеваний чрезвычайно сложны, и один — единственный белок, полученный с помощью генно — инженерных методов, не способен решить эти проблемы. К примеру, диабет, в лечении которого на генную инженерию возлагались такие надежды, за прошедшие 30 лет никуда не исчез. Наоборот, количество заболевших этим недугом с каждым годом растет. Частота заболеваемости диабетом II типа в США удвоилось, а по всему миру увеличилась в 10 раз. Да, E. coli обеспечила инсулином миллионы больных диабетом, но, как и предупреждала Рут Хаббард, инсулин ничего не лечит. Генная инженерия не может повлиять на причины эпидемии диабета — к примеру, на обилие в пище дешевого сахара, причем все чаще этот сахар получают из богатого фруктозой кукурузного сиропа. Кстати говоря, и сам кукурузный сироп стал дешевой альтернативой тростниковому сахару в значительной степени благодаря достижениям генной инженерии.

Лекарства, полученные с помощью генно — инженерных методов, оказались в той же степени подвержены влиянию рыночных факторов, что и обычные. Фармацевтические компании пытаются повысить уровень продаж, расширяя определение болезни. Это касается и генно- инженерных препаратов. Так, первоначально Genentech получил разрешение FDA (Управление по контролю качества пищевых продуктов и медикаментов США) на продажу своего гормона роста для лечения детей, у которых его синтез нарушен. Но в 1999 г. компании пришлось заплатить $50 млн за улаживание дел по обвинениям в том, что лекарство предлагалось и продавалось детям, не испытывавшим дефицита гормона роста. Их рост просто был ниже среднего.

Оценивая новые биотехнологические методы, приходящие на смену генной инженерии, следует вспомнить и тридцатилетнюю историю генетического модифицирования E. coli. Не стоит, видимо, поддаваться ни пустым страхам, ни рекламным обещаниям. Мы должны быть реалистами, должны понимать, как работает и каким законам подчиняется не только природа, но и общество.

К примеру, одной из величайших целей биотехнологии всегда была победа над голодом. Джулиан Хаксли еще в 1923 г. рассуждал о том, что открытия ученых помогут создать безграничные запасы пищи (наряду с фиолетовыми океанами, конечно). В 1960–е гг. воплощением этой мечты казался дрожжевой грибок, питающийся нефтью. Когда ученым удалось успешно встроить в геном E. coli чужеродные гены, сторонники генной инженерии опять надеялись, что новые технологии позволят обеспечить весь мир пищей. В 1970–е гг. Зеленая революция — переход на новые сорта растений и интенсивное использование удобрений — позволила резко увеличить продуктивность сельского хозяйства. Но население Земли, а значит, и его потребности в пище продолжали расти. Ученые делали попытки создать бактерии, способные производить удобрение, извлекая азот из воздуха. А недавно ученые обратились и к самим растениям. Сегодня трансгенные растения продвигаются на рынок не как средство получить большие барыши, а как способ борьбы с голодом и недоеданием. Растения, способные сопротивляться действию вирусов и насекомых, дадут более высокий урожай. Растения, устойчивые к гербицидам, позволят фермерам более эффективно бороться с сорняками, что еще больше увеличит урожай. Норман Борлоуг, получивший за участие в Зеленой революции Нобелевскую премию, утверждал, что генетически модифицированные культурные растения — следующий шаг на этом пути и что именно они в следующем столетии будут кормить мир.

Всякий, кто усомнится в этом предсказании, утверждал Борлоуг, обрекает бедняков всего мира на голод. «Богатые страны могут позволить считать себя избранными и платить больше за пищу, производимую так называемыми натуральными методами; миллиард хронически бедных и голодных людей в этом мире не может себе этого позволить, — писал он в 2000 г. — Новая технология станет для них спасением, освободит от устаревших, низкоурожайных и более дорогих технологий сельскохозяйственного производства».

Одной из самых перспективных культур, на которые указывал Борлоуг (и многие другие сторонники генной инженерии), был «золотой рис» — сорт генетически модифицированного риса, содержащего большое количество бета- каротина, биохимического предшественника витамина А. От дефицита этого витамина страдает около 200 млн человек по всему миру. Каждый год от его недостатка слепнет до полумиллиона детей, половина из которых в течение года после этого умирает. В конце 1990–х гг. швейцарские ученые начали вводить в геном риса гены нарциссов и бактерий, отвечающие за производство бета — каротина. Они вступили с корпорацией Syngenta в партнерство, целью которого была разработка нового сорта риса и бесплатная раздача его тем фермерам, доход которых не превышает $10000 в год. В 2000 г. один из изобретателей нового сорта, Инго Потрикус, появился на обложке журнала Time вместе с заголовком «ЭТОТ РИС МОГ БЫ СПАСАТЬ ПО МИЛЛИОНУ ДЕТЕЙ В ГОД»; ниже мелким шрифтом было напечатано продолжение: «…но противники генетически модифицированных продуктов считают, что они вредны для нас и нашей планеты. Читайте почему».

Потрикус достаточно резко реагировал на протесты. «Сражаясь против того, чтобы “золотой рис” дошел до бедных в развивающихся странах, — заявил он в 2001 г., — противники ГМО берут на себя ответственность за прогнозируемую ежегодную чрезмерную смертность, а также слепоту миллионов бедных людей».

Сильные слова — особенно с учетом того зародышевого состояния, в котором находились исследования по «золотому рису», когда Потрикус их произносил. Лишь в 2006 г. он и его коллеги опубликовали первые результаты по этой теме. Им удалось получить рис лишь с незначительным количеством бета — каротина в тканях — явно недостаточным для реальной борьбы с дефицитом витамина А. В 2005 г., через четыре года после того, как Потрикус обвинил критиков в массовых убийствах, ученые компании Syngenta выяснили, что добавление еще одного гена (в данном случае от кукурузы) повышает содержание бета — каротина сразу в двадцать с лишним раз. Достижение громадное, но до сих пор нет веских доказательств, много ли пользы это принесет питающимся таким рисом людям. Некоторые диетологи предупреждали, что, возможно, пользы вообще не будет, поскольку для нормального усвоения бета — каротин нужно употреблять одновременно с какими?нибудь жирами. Можно страдать от дефицита витамина А — и даже ослепнуть — на диете, где этого витамина вполне достаточно. В нужной комбинации витамин А и жиры присутствуют в молоке, яйцах и многих овощах. В рисе этого нет. Тот факт, что «золотой рис» находится на передовом рубеже генной инженерии, вовсе не означает, что с его помощью удастся победить нехватку витамина А успешнее, чем это можно сделать традиционными методами.

Называть трансгенные растения спасительными так же бессмысленно, как и вешать на них ярлык «еда Франкенштейна»[31]. Нас бросает из крайности в крайность — от отчаянного ужаса до ожидания чуда с хлебами и рыбами.

Едва ли можно ожидать от трансгенных растений чуда. Это живые организмы; они подчиняются законам природы точно так же, как мы сами или, к примеру, E. coli. И точно так же, как E. coli в ходе эволюции сумела разработать защиту против некоторых из лучших наших антибиотиков, так и популярнейшие трансгенные сорта под действием естественного отбора теряют свою ценность.

Около 80 % всех трансгенных культур, высевавшихся в 2006 г., были модифицированы примерно одинаково: целью была устойчивость к гербициду под названием глифосат. Глифосат убивает растения, блокируя синтез необходимых для их жизни аминокислот. Он действует на ферменты, которые встречаются только у растений, поэтому яд безвреден для человека, насекомых и других животных. И, в отличие от других гербицидов, глифосат не попадает в грунтовые воды, а остается на месте и распадается за несколько недель. Один ученый компании Monsanto открыл глифосат в 1970 г., и в 1974 г. компания начала продавать его под торговой маркой Roundup. В 1986 г. ученые путем генетической модификации получили растения, устойчивые к действию глифосата: в их геном были добавлены гены бактерии, способной синтезировать аминокислоты даже после того, как растение было опрыскано гербицидом. В 1990–е г. Monsanto и другие компании начали продавать устойчивые к глифосату кукурузу, хлопок, сахарную свеклу и многие другие культуры. Они быстро приобрели популярность. Фермеры обнаружили, что вместо множества разных гербицидов можно опрыскивать поля лишь небольшим количеством глифосата, который успешно уничтожал сорняки, оставляя посевы нетронутыми. Исследования показывают, что фермеры, выращивавшие трансгенные культуры, применяли меньше гербицидов, чем те, кто выращивал обычные растения, — к примеру, в Мексике меньше на 77 %; при этом урожаи трансгенных культур были значительно выше.

Какое?то время казалось, что глифосат избежит судьбы многих гербицидов и сорняки не разовьют к нему резистентность. Похоже было, что глифосат бьет по столь важному звену метаболизма растений, что они не могут «изобрести» защиту от него. Точно так же некоторое время казалось, что E. coli не сможет развить резистентность к антимикробным пептидам Майкла Заслоффа. Но через несколько лет после начала выращивания резистентных к глифосату сортов фермеры начали замечать, что мелколепестник канадский, вьюнок пурпурный и другие сорные травы вновь потихоньку проникают на поля. Фермерам Джорджии даже приходилось скашивать, а не убирать хлопок из?за засоренности полей щирицей Палмера. Исследовав вернувшиеся сорняки, ученые обнаружили у них гены, обеспечивающие растениям устойчивость к глифосату.

Нет никаких доказательств того, что сорные растения получили гены резистентности от трансгенных культур. Скорее наоборот, ясно, что они заработали их традиционным — эволюционным — путем. Использование глифосата на посевах трансгенных растений оказалось настолько дешевым, что фермеры буквально затопили гигантские площади одним — единственным гербицидом. Они создали для растений, способных устоять перед глифосатом, идеальные условия и подстегнули их эволюцию в направлении все более сильной сопротивляемости. А гены устойчивости, лишь раз полученные, были, судя по всему, переданы всем прочим сорным видам.

Когда у E. coli развивается устойчивость к антибиотикам, до появления новых антибиотиков проходят иногда годы. Процесс производства трансгенных растений столь же неповоротлив. Только в 2007 г., через 20 лет после изобретения сортов, устойчивых к глифосату, ученые объявили о том, что им удалось создать растения, генетически устойчивые к другому гербициду — дикамбе. Компания Monsanto зарегистрировала технологию, но объявила, что до появления резистентных к дикамбе культур на рынке пройдет не менее трех — семи лет. А пока фермеры могут попытаться замедлить эволюцию резистентности традиционными методами: разумным севооборотом и применением комбинации из нескольких гербицидов.

Поскольку многое в сегодняшних биотехнологиях сильно напоминает события 30–40–летней давности, многие ученые тщательно изучают судьбу E. coli в 1970–е гг. и пытаются избежать ошибок, сделанных предшественниками. Специалисты по синтетической биологии стали отличными историками, изучая, как пионеры биотехнологий сражались с рисками, законами и представлением общественности об их работе. Сегодня, вместо того чтобы сделать синтетическую биологию исключительно достоянием избранных, Дрю Энди и его коллеги, напротив, приглашают всех желающих присоединиться к проекту. Добавлять новые коды в базу BioBricks может кто угодно. Сегодня фотокамера из E. coli появляется в научных музеях, а старшеклассникам предлагается принять участие в конкурсах по синтетической биологии. И вместо того чтобы сосредоточить усилия на чем?нибудь более выгодном вроде инсулина, ученые работают над получением дешевых лекарств от малярии, чтобы показать, какую пользу может принести синтетическая биология.

Специалисты по синтетической биологии стремятся сохранить этот дух открытости, несмотря на тот очевидный факт, что когда?нибудь разработанные ими инструменты и методы могут быть обращены во зло. Без труда можно себе представить какое?нибудь правительство, которое захочет сконструировать живое оружие — специальный организм для ведения биологической войны. Ученые опасаются, что если правительство возьмет под контроль их исследования, то ручеек полезных инноваций пересохнет. Они утверждают, что лучший способ борьбы с будущим искусственным патогенным микроорганизмом — направить коллективные творческие силы открытого сообщества на благие цели. Ограждая синтетическую биологию от излишней зарегулированности и не допуская в эту отрасль патентов, ее основатели надеются получить искусственную версию эволюции с открытым кодом, которая на протяжении многих миллионов лет так хорошо служила E. coli.

«Это гнусно»

Риски, связанные, как казалось в 1970–е гг., с генетически модифицированной E. coli, были не единственным источником страха перед генной инженерией. Новая наука затронула гораздо более глубокие пласты — убеждение в том, что человеку просто не полагается вмешиваться в наследственность и генетические механизмы. Многие критики видели в генной инженерии попытку нарушить естественный порядок вещей, изменить результат нескольких миллиардов лет эволюции. Перенос генов или иного биологического материала от одного вида к другому, казалось, размывал границы, установленные задолго до появления человека, и угрожал повалить само древо жизни.

«Мы теперь можем превратить пресловутое эволюционное древо в сеть, — заявил тогда Роберт Синшеймер, биолог из Калифорнийского университета в Санта — Крус. — Мы можем по собственному желанию смешивать гены самого разного происхождения — от растений до насекомых, от грибов до человека». Человечество, по мнению Синшеймера, не было готово к такой ответственности: «Мы становимся творцами — создателями новых форм жизни, существ, которые нельзя уже будет возвратить в небытие, которые будут жить после нас и эволюционировать в соответствии с собственной судьбой. Какую же ответственность должен нести творец и за собственные творения, и за весь живой мир, в который мы приносим наши изобретения?»

Одна газета в те годы назвала генетическую модификацию E. coli «проектом Франкенштейна». Игры с ДНК, заявил биолог из МТИ Джонатан Кинг, «святотатственны». Два политических активиста, Тед Говард и Джереми Рифкин, опубликовали в 1977 г. книгу «Кому дозволено играть роль Бога?» (Who Should Play God?), в которой осудили генную инженерию.

Тридцать лет спустя критики биотехнологий продолжают пользоваться все тем же «высоким штилем». Так, в 1999 г. Джереми Рифкин организовал в The New York Times занимающую целую полосу рекламу нескольких организаций, которые требовали взять биотехнологии под строгий контроль. В рекламе были размещены фотографии двух примеров новых ужасов, с которыми предстоит столкнуться человечеству: человеческого уха, растущего из спинки мыши, и первого клонированного животного — овечки Долли. Заголовок вверху страницы вопрошал: «Кто в XXI веке берет на себя роль Бога?»

«Генетические структуры живых существ — создания Природы, в которые менее всего стоит вторгаться человеку ради прибыли… Неужели никого не шокирует, что новорожденная биотехнологическая индустрия считает возможным брать под контроль эволюционный процесс и изменять жизнь на Земле ради своих бухгалтерских ведомостей?.. Брать на себя работу Природы?.. Кого бы вы ни считали творцом, Бога или Природу, именно граница между формами жизни придает каждой из них собственную цельность и идентичность».

«Бога или Природу» — загадочный выбор. Безусловно, не секрет, что христианство и иудаизм находятся с биотехнологиями в сложных отношениях. В конце концов, на первых же страницах Книги Бытия Библия ясно говорит:

«И сказал Бог: да произрастит земля зелень, траву, сеющую семя по роду [и по подобию] ее, и дерево плодовитое, приносящее по роду своему плод, в котором семя его по роду его [на земле]… И сотворил Бог рыб больших и всякую душу животных пресмыкающихся, которых произвела вода, по роду их и всякую птицу пернатую по роду ее… И сказал Бог: да произведет земля душу живую по роду ее, скотов, и гадов, и зверей земных по роду их. И стало так» (Быт. 1:11–24).

В книге Левит человечество получает инструкцию никогда не нарушать этих границ: «Скота твоего не своди с иною породою; поля твоего не засевай двумя родами семян» (Лев. 19:19).

Согласно Библии, важнейшее и главное живое существо — это, конечно же, человек. Созданный по образу и подобию Бога, он не должен даже мысли допускать о том, чтобы как?то сгладить свое отличие от животных: «И ни с каким скотом не ложись, чтоб излить [семя] и оскверниться от него; и женщина не должна становиться пред скотом для совокупления с ним: это гнусно» (Лев. 18:23).

И сегодня для многих консервативно настроенных людей угроза биотехнологий — угроза скорее природе человека, нежели природе вообще; именно это их больше всего тревожит. «Вмешательство в процесс продолжения человеком рода ради того, чтобы смешать человека и животное, противоречит священности человеческой жизни и самому человеку, созданному по образу и подобию Божию», — пишет Нэнси Джонс из консервативного Центра биоэтики и человеческого достоинства.

Некоторые консерваторы не цитируют ни Библию, ни другие священные источники, но тоже уверены, что разрушение барьера между биологическими видами приведет к деградации человеческой природы. Виднейший из этих критиков — Леон Касс. После встречи с Полом Бергом в начале 1970–х гг. Касс продолжал писать и говорить о биоэтике, а с 2002 по 2005 г. он возглавлял Совет по биоэтике президента Джорджа Буша — младшего. В своих выступлениях против клонирования и создания химер он утверждает, что инстинктивное отвращение человека к подобным тварям — достаточное доказательство того, что создавать их нельзя. Касс называет такую путеводную неприязнь «мудрым отвращением». Мы просто знаем, что некоторые вещи делать нехорошо — к таким вещам относятся, например, инцест или осквернение трупа. Наша неспособность объяснить свои чувства с рациональной точки зрения нисколько не уменьшает их важности.

Более того, Касс утверждает, что это инстинктивное отвращение надежно указывает на то, что нам следует принимать, а что отвергать. Есть что?то ужасающее в армии одинаковых людей — клонов или в химерах — полулюдях — полуживотных. В век, когда технология может дать нам так много, писал Касс, «только отвращение еще, может быть, призывает нас защитить глубинную человеческую сущность. Мелки те души, что разучились содрогаться от ужаса».

Надо сказать, что подобные аргументы выдвигают не только теологи и философы. В январе 2006 г. президент Джордж Буш призвал к запрету «гибридов человека и животного» и добавил, что «человеческая жизнь — дар творца; от этого дара нельзя отказываться, его нельзя обесценивать или выставлять на продажу». Сенатор от Небраски Сэм Браунбек стал автором законопроекта о запрете химер, где говорилось, что «химеры могут поставить под угрозу уважение к человеческому достоинству и единство нашего биологического вида».

Игры с сутью человеческой природы — к примеру, введение мыши клеток человеческого мозга или модификация генов оплодотворенной яйцеклетки — означали бы унижение человеческой природы. Как говорит Роберт Джордж, политолог из Принстона и член бушевского Совета по биоэтике, «можно быть полноценным человеком или не быть им, третьего не дано».

Чтобы хоть как?то разобраться в этих спорах и противоречивых доводах, полезно еще раз оглянуться на историю генетически модифицированной E. coli. Тридцать лет назад изменение E. coli представлялось вызовом и даже оскорблением природе, если не Богу. Искусственное изменение гена отрицало миллиарды лет эволюции. Сегодня это никого это не волнует. Забытая E. coli с генами, позаимствованными у сотен других видов, включая и человека, сидит себе спокойно в биореакторах и лабораторных колбах. E. coli голодает и страдает, вырабатывая чуждые ей белки. Тем не менее она давно уже не вызывает «мудрого отвращения». В средствах массовой информации вы не увидите кампаний с призывами уважать целостность E. coli как биологического вида и бороться с унижением человеческой природы, проистекающим от того, что человеческие гены вводят в бактерию. Трудно представить, чтобы кто?нибудь сегодня отказался от предписанного врачом лекарства только потому, что оно является продуктом нечестивого союза человека и микроорганизма.

Как может наш страх перед разрушением границ между видами быть таким сильным и одновременно таким переменчивым? Дело в том, что его причина кроется вовсе не в каком?то глубоком и неопровержимом жизненном факте. Это всего лишь привычка. Каждый из нас с детства становится интуитивным биологом. Младенцы быстро учатся различать живое и неживое — и, соответственно, ожидать от них разного. Так, камни падают под действием силы тяготения, но муравей ползет, куда захочет. Взрослея, дети учатся различать типы живых существ — растения и животных, к примеру, или кошек и собак. Каждая разновидность живых организмов обладает собственной сущностью, невидимой силой, определяющей ее действия. Интуитивная биология приходит к детям сама собой, без специального обучения. И для взрослых отношение к жизни именно с этих позиций становится привычкой.

Возможно, интуитивная биология возникла как адаптация человеческого сознания — такая же, как язык или цветовое зрение. Возможно, она помогала нашим предкам систематизировать знания об окружающем мире. Чем больше было у наших предков знаний о животных и растениях, тем легче им было искать пищу и выживать. Они могли заранее предсказать, где в определенное время года можно встретить антилопу гну или когда лучше всего искать клубни в земле; могли определить, какие фрукты ядовиты, а какие вкусны. Наши предки были глубокими знатоками мельчайших различий между видами, таких как цвет и расположение пятен на шкуре. Подобные различия могли означать разницу между жизнью и смертью, между спасением от голода и отравлением.

Корни наших представлений о единстве вида — в интуитивной биологии. Одной мысли о нарушении барьера между видами достаточно, чтобы вызвать у человека сильные эмоции. Поразительно, но некоторые древнейшие произведения человеческого искусства изображают именно химер. К примеру, около 30000 лет назад неизвестный скульптор на территории нынешней Германии вырезал из куска слоновой кости женщину с львиной головой. Этот образ, увиденный, возможно, во сне или трансе, должно быть, был полон глубокого мистического смысла и для автора, и для всех, кто его видел. Он размывал суть биологического вида. Нарушая правила интуитивной биологии, он обретал магические свойства. В истории человечества магические химеры появлялись вновь и вновь, включая и собственно Химеру — чудовище из греческой мифологии, помесь козы, льва и змеи.

Но современная биология бросает вызов нашим интуитивным представлениям. Биологические виды сегодня — вовсе не неизменные сущности, а продукт эволюции. Дарвин объявил, что человек произошел от обезьяны, которая, в свою очередь, произошла от более древних млекопитающих… и так далее до слепых бесчелюстных рыб. За нарушение правил интуитивной биологии Дарвин был превращен в химеру: карикатуристы нередко рисовали его с бородатой человеческой головой и волосатым телом обезьяны.

В 1896 г. Герберт Уэллс использовал эти вечные опасения в романе «Остров доктора Моро» (The Island of Dr. Moreau). Его герой доктор Моро, погнавшийся за научными знаниями и потерявший при этом всякое представление о морали, хирургически соединял различных животных в чудовищные человекоподобные создания.

«Но ведь это ужасно!» — заявляет рассказчик доктору Моро. Злодей отвечает: «До сих пор меня никогда не беспокоила нравственная сторона дела… Изучение природы делает человека в конце концов таким же безжалостным, как и сама природа»[32].

Уэллс наказал Моро за разрушение границ восстанием созданных им монстров. «Остров доктора Моро» — пророческая книга, особенно если учесть, что написана она была еще до открытия генов. После того как ученые разобрались в ДНК, именно она стала новой сущностью жизни. Сегодня подлинная суть человека — в его генах. Возникновение при зачатии конкретного генотипа становится началом новой жизни. ДНК сегодня определяет и сущность биологического вида; это то, что отличает вид от других. Так появился ужас от мысли о смешении генов разных видов — особенно таких непохожих, как человек и E. coli. Генная инженерия нарушает мощный закон, помогающий нам систематизировать окружающий мир. Разграничение видов — не дело человека. Человек, нарушающий эти незыблемые границы, создает чудовищ и выпускает в мир неописуемые ужасы.

Но интуитивная биология появилась не потому, что она верна, а потому, что полезна. Она позволяла нашим предкам принимать верные решения на основе той информации, которую они могли собрать в окружающем мире; эти решения повышали шансы человека на выживание и продолжение рода. Но интуитивная биология не всегда может служить надежным проводником к истине, к глубоким тайнам жизни. К примеру, в чем суть E. coli как вида? Она не в том, что это безобидный микроорганизм, который питается сахаром и умеет образовывать жгутики. В пределах этого вида можно найти агрессивных защитников кишечника, охраняющих его от болезнетворных бактерий. Встречаются и патогенные штаммы, вооруженные такими приспособлениями, которых вы не увидите у штаммов безвредных. Некоторые штаммы ведут двойную игру — они относятся к разряду полезных, но тоже снабжены теми самыми генами, которые превращают остальных в убийц. А многие из этих штаммов эволюционировали благодаря тому, что их инфицировали вирусы, которые без всякого почтения относятся к столь любимым нами видовым границам. Вообще, не существует какой?то неизменной сущности, которая объединяла бы всех E. coli.

Интуитивная биология не в состоянии понять E. coli, но так же не в состоянии она понять и нас самих. Человек — такой же продукт эволюции, как и все остальные живые организмы. Если бы это было не так, никаких споров о биотехнологиях вообще бы не возникло. Если бы природа человека принципиально выделялась и была бы уникальна в царстве жизни, то ввести человеческие гены в клетки E. coli, вероятно, попросту не удалось бы или не удалось так легко. Невозможно было бы также вырастить клетки человеческого мозга в черепе мыши. Уникальная сущность человека — такая же выдумка нашего сознания, как и сущность E. coli.

Познакомившись с результатами одного из недавних исследований по эволюции человека, нельзя и дальше считать, что можно либо быть полноценным человеком, либо не быть им, как утверждает Роберт Джордж. В данном случае речь идет о гене под названием микроцефалии. В геноме нашего биологического вида встречается несколько разновидностей этого гена, но одна из разновидностей распространена намного больше остальных: ее можно обнаружить у 70 % обитающих на Земле людей. Исследователи из Чикагского университета решили разобраться в происхождении этой версии гена и получили убедительные доказательства, что на самом деле этот ген появился в геноме человека намного позже, чем сформировался вид Homo sapiens.

Около полумиллиона лет назад наши предки отделились от предков неандертальцев. Произошло это, вероятно, в Африке. После этого предки неандертальцев мигрировали в Европу, а предшественники нашего вида остались в Африке. Окончательно вид Homo sapiens сформировался примерно 200 000 лет назад, и только после этого у людей появился полноценный язык, абстрактное мышление, способность к искусству и остальные качества, лежащие в основе того, что мы сегодня называем природой человека.

Около 40000 лет назад вид Homo sapiens расширил свой ареал и проник в Европу, где встретился с неандертальцами. Неандертальцы вымерли около 28 000 лет назад, но, судя по всему, в промежутке они иногда скрещивались с людьми. Большая часть генов, унаследованных от предков — неандертальцев, с поколениями исчезла из человеческого генома, но по крайней мере один такой ген уцелел: это неандертальская версия микроцефалина. Мало того, он не просто уцелел, а распространился стремительно, как лесной пожар. Чем?то этот ген был очень хорош, и естественный отбор с готовностью подхватил его; в результате сегодня его можно обнаружить у значительного большинства современных людей. А микроцефалии — не просто какой?то малозначительный ген, от которого растут волосы в носу или меняют цвет ногти на ногах. Он играет центральную роль в развитии мозга. Благодаря этой естественной генетической модификации большинство людей сегодня несут в себе этот нечеловеческий ген, участвующий в строительстве самого человеческого, если так можно выразиться, органа тела — мозга. Если рассуждать с позиции Джорджа, большинство людей — не люди.

Гибридизация, или скрещивание, — не единственный путь, которым в наши клетки могла попасть чужеродная ДНК. Около 3 млрд лет назад наши одноклеточные предки поглотили аэробные бактерии; позже они превратились в митохондрии, без которых наша жизнь сегодня невозможна. И, подобно E. coli, наш геном принимал в себя вирус за вирусом. Ученые идентифицировали в человеческом геноме более 98 000 вирусов и 150 000 мутировавших фрагментов вирусного генома. Часть таких фрагментов, вероятно, внесла значительный вклад в биологию человека: к примеру, у гена, который каким?то образом влияет на развитие плаценты, есть некоторое сходство с вирусными генами. Если бы наши клетки вдруг избавились от всей трансгенной ДНК, человек бы попросту вымер. Некоторые вирусы встроились в геном человека уже после того, как пути человека и шимпанзе разошлись. Некоторые из них можно найти только у азиатов и европейцев, у африканцев их нет; это позволяет предположить, что человеческий геном был инфицирован ими уже после того, как часть людей около 50000 лет назад покинула Африку. Перестали ли эти люди быть людьми, обретя чужеродную ДНК?

Пытаясь думать о себе и о E. coli таким образом, человек чувствует себя неуютно. Подобные мысли кажутся неестественными, но их неестественность — результат работы человеческого сознания, а не природы. Вероятно, когда?нибудь мы к ним привыкнем точно так же, как привыкли думать об электронах и протонах как о строительных кирпичиках любого вещества. Отвращение человека к нарушению межвидовых барьеров и к генетическим модификациям меняется уже сегодня. Доказательство тому — тот факт, что разгневанные толпы не штурмуют инсулиновые фабрики, требуя восстановить естественный порядок вещей.

Конечно, перемены подобного рода тревожат таких критиков, как Леон Касс. В 1997 г. он, выступая перед Конгрессом в поддержку запрета клонирования человека, заявил: «Мне кажется, что в мире, где установленные раз и навсегда естественные границы размыты технологическими изменениями, а с моральными границами, похоже, можно делать что угодно, намного труднее, чем когда?то, убедительно выступить против по — прежнему недопустимого клонирования человека. Как сказал Раскольников: “Ко всему—?? подлец — человек привыкает!”».

Здесь, конечно, кроется противоречие. С одной стороны, считается, что «мудрость отвращения» — это глубоко укоренившийся надежный ориентир, указывающий, что такое на самом деле фундаментальное добро и зло — фундаментальное, а не сиюминутное. С другой стороны, Касс недоволен тем, что подобное отвращение со временем может ослабнуть или даже вовсе исчезнуть. Трудно понять, как может быть одновременно правильным и то и другое.

Бывает, что эмоциональная реакция на научные открытия буквально ошеломляет человека. В некоторых случаях мы со временем понимаем, что, проявив эти чувства, были, вероятно, правы или неправы. В других случаях наши представления о «сущностях» вызывают сильное чувство отвращения, когда нам кажется, что эти сущности разрушаются. Такое отвращение может возникнуть и в ответ на E. coli с человеческими генами, и на оплодотворение «в пробирке», и на пересадку человеку сердечного клапана свиньи. Но проходит время, и мы начинаем видеть реальные выгоды и опасности, которые несут эти достижения, понимать, что мир не превратился в ящик Пандоры и не погиб; вот тогда?то наше отвращение ослабевает и потихоньку растворяется.

При этом все мы не становимся, по Достоевскому, подлецами. С развитием трансплантологии мы не скатились в жуткий мир, где можно изъять печень у парализованного человека против его воли. Да, перед человеком встали новые серьезнейшие вопросы, и нужно сделать выбор (к примеру, разрешать или не разрешать продажу органов), но мы продолжаем воспринимать эти вопросы со всей серьезностью.

Химеры и разного рода генная инженерия получат, вероятно, более широкое распространение, но, я подозреваю, не приведут к полному краху морали. С одной стороны, главные страшилки, о которых мы сегодня слышим и читаем в газетах, имеют очень слабое отношение к науке. Мышь с человеческими нейронами не взмолится внезапно: «Помогите! Помогите!», ведь для того, чтобы стать человеком, недостаточно обзавестись комочком нейронов размером с горошину. С другой стороны, мы, возможно, решим, что модифицировать мышь жестоко по отношению к животному. (Надо сказать, что неприятие жестокости к животным — это отвращение нового рода, приобретенное, а не потерянное многими людьми за последние 200 лет.) А некоторые химеры, вероятно, будут запрещены потому, что вызовут слишком серьезные проблемы с человеческой моралью по отношению к людям и животным.

Я подозреваю — или по крайней мере надеюсь, — что по мере принятия подобных решений мы придем к более глубокому пониманию того, что значит быть человеком, и это будут не какие?то незыблемые признаки, а сложное сочетание генов, свойств, факторов среды и культурных влияний. И если нам действительно удастся обрести эту мудрость, она может оказаться самым важным даром, который человек получил от E. coli