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

Возвращение бактерии Франкенштейна

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.