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

Вырезать и вставить

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».