Если вы ещё не заметили, в геномике много что произошло за последние несколько лет. Например, сейчас можно прочитать геном любого конкретного человека и исправить все известные ошибки. Возможно, это звучит пугающе, но геномная наука преуспела в создании научно-фантастической реальности. «Мы хотим переписать всё живое», похвастался в прошлом году Остин Хайнц (Austen Heinz), генеральный директор Cambrian Genomics.
Только в 2010 году команда Крейга Вентера (John Craig Venter) в Мэриленде привела нас в эпоху синтетической геномики, когда они создали Synthia, первый живой организм, чьей матерью был компьютер. Это простая бактерия с геномом длиной всего чуть более полумиллиона букв ДНК, но потенциал увеличения масштаба огромен — уже ведутся проекты по созданию синтетических дрожжей и червей.
Через два года после «рождения» Synthia, секвенирование стало уже настолько мощным, что было использовано для извлечения генома недавно открытого вида человека — жившего 80 000 лет назад денисовского человека, из косточки мизинца найденной в замороженной пещере в Сибири. В 2015 году Великобритания стала первой страной, легализовавшей создание «трёхродительских младенцев» — то есть детей с биологической матерью, отцом и второй женщиной, которая является донором здорового митохондриального генома, то есть (отдельного) генома производителя энергии, который присутствует в каждой клетке человеческого организма.
Соизмеримо с их способностью изменить биологию, такую как мы её знаем, новые технологии привели к возобновлению этических дебатов. Тревога заметна не только среди широкой общественности, но и выражается в нашумевших статьях и интервью учёных. Когда Китай объявил, что модифицировал человеческие эмбрионы в апреле этого года, термин CRISPR/Cas9 стал трендом на Twitter. CRISPR/Cas9, кстати, является комбинацией белка и РНК, которая защищает бактерии от вирусов. Правильно применённая, она позволяет учёным с поразительной точностью редактировать строки ДНК внутри живых клеток. Например, было продемонстрировано, что ВИЧ может быть «вырезан» из генома человека, а самки комаров могут быть превращены в самцов, чтобы остановить распространение малярии (только самки пьют кровь).
Но один из соразработчиков CRISPR, Дженнифер Дудна (Jennifer Anne Doudna) из университета Калифорнии в Беркли, «настоятельно не рекомендует» предпринимать любые попытки редактирования генома человека до рассмотрения этических вопросов. Ну, благодаря Китаю, поезд уже ушёл. Действительно, сейчас технология, похоже, становится доступной для любителей: Nature недавно сообщил, что члены субкультуры «биохакеров» играются с CRISPR, хотя энтузиаст, у которого они взяли интервью, похоже, не имеет ясного понимания, что он хочет с ней сделать.
Учитывая, что наши генетические достижения, по видимости, достигают критического порога, стоит честно и трезво посмотреть на то, что нас ждёт в ближайшие несколько лет. Например, может ли ДНК решить некоторые из наших насущных энергетических проблем? Авторы одного из проектов надеются создать деревья, которые светятся в темноте. Сейчас вы можете оформить предварительный заказ — по крайней мере, на версию травы, поскольку деревья слишком долго растут, чтобы быть хорошими прототипами. Возможно, не за горами день, когда наши улицы будут устланы биолюминесцирующей листвой. Предположительно, это сделает электрические фонари устаревшими, как и многие другие пожирающие энергию «старомодные» технологии.
Но это не единственный потенциально революционный проект, который планируют развернуть в ближайшие пять-десять лет. Вентер работает над модификацией свиных лёгких, так чтобы их можно было трансплантировать человеку. Это может иметь гораздо большее влияние, чем кажется на первый взгляд: приблизительно 1 смерть из 10 в Европе вызвана болезнью лёгких. Далее Вентер рассчитывает найти жизнь на Марсе с последовательностями ДНК, и разрабатывает методы «биологической телепортации» — идея в том, что вы секвенируете бактериальную ДНК на Марсе, а затем реконструируете геном на Земле, используя 3D-печать. Этот процесс может работать и наоборот. Вентер и Илон Маск (Elon Reeve Musk) говорят об использовании этой технологии для того, чтобы терраформировать Марс с помощью 3D-печатных земных микробов. Всё это конечно поражает воображение, но Вентер и Маск имеют репутацию людей, способных делать невероятные вещи. Тем не менее, возможно, мы должны начать нашу экскурсию по горизонту поближе к дому.
К 2020 году во многих больницах будут отделения геномной медицины, разрабатывающие методы лечения на основе вашей личной генетической конституции. Генные секвенсоры — машины, которые могут взять образец крови и распутать весь ваш генетический код, станут меньше USB-накопителей. В супермаркетах будут полки домашних тестов ДНК (возможно, расположенные между косметикой и лекарствами) для всего — от того, будет ли ваш ребёнок хорош в спорте, до породы кота, которого вы только что завели, и стал ли ваш кухонный стол приютом для достаточного количества «хороших бактерий». Мы все будем знать кого-то, чей геном исследовали по медицинским причинам, может быть, это будем даже мы сами. Личные истории ДНК — в том числе качество микрофлоры в вашем кишечнике, будут темой светской болтовни за коктейлем.
Согласно прогнозам к 2025 году мы секвенируем геномы миллиардов людей. В значительной степени это результат взрывного роста в области геномики рака. Стив Джобс (Steve Jobs), один из основателей Apple, стал одним из первых клиентов геномной медицины, когда был секвенирован рак, убивший его. Многие другие последовали его примеру. И мы будем всё больше готовы руководствоваться тем, что сообщают нам наши гены. Так же, как актриса Анджелина Джоли решила пройти двойную мастэктомию, чтобы снизить шансы на развитие рака молочной железы, общество привыкнет к принятию решений, основанных на анализе широкого диапазона генов и комбинаций генов. Существует исследование, которое уже количественно измерило эффект «Анджелины Джоли». После её публичного заявления, число женщин, обратившихся к тестированию ДНК, чтобы оценить риск развития наследственного рака молочной железы увеличилось в два раза.
К лучшему или худшему, мы будем всё больше определять себя по нашей ДНК. Намёки на это уже есть в вопросах конфиденциальности, окружающих гены предрасположенности к заболеванию, таких как ген ApoE, крупнейшего известного генетического детерминанта болезни Альцгеймера. В 2007 году Джеймс Уотсон (James Dewey Watson), один из первооткрывателей структуры ДНК, стал вторым человеком, чей геном был секвенирован. Он отказался узнать, есть ли у него ген ApoE, напуганный тем, что его ждёт участь матери, которая умерла от слабоумия. На другом конце спектра находится Джон Вилбэнкс (John Wilbanks), сторонник геномной открытости, публично признавшийся, что его профиль содержит риск развития болезни Альцгеймера. Общество будет разрабатывать новые нормы, чтобы справиться с такими дилеммами, но будут ли они ближе к решению Уотсона или Вилбэнкса, пока ещё неясно.
Возможно, самым глубоким долгосрочным социальным изменением будет вклад ДНК в то, что американский футуролог и предприниматель Питер Диамандис (Peter Diamandis) называет «совершенным знанием». Диамандис, похоже, думает в основном о вездесущих камерах:
С триллионом датчиков, собирающих данные отовсюду (автономных автомобилей, спутниковых систем, беспилотных самолётов, носимых камер), у вас будет возможность знать что хотите, в любое время, в любом месте и запрашивать эти данные для получения ответов и материала для новых идей.
Вы уже можете заметить, что он имеет в виду, в некоторых сферах: например, в географии. Благодаря спутниковым изображениям, мы можем увидеть всю поверхность нашей планеты. Больше не может быть неоткрытой суши. Карта мира завершена. И мы должны ожидать то же самое в области генетики. ДНК-тестирование станет настолько распространено, что изменит медицинские, правовые и социальные основы общества. Если секвенирование генома распространится, будет невозможно скрыть человеческие отношения или игнорировать содержание нашей ДНК.
Явные признаки возможного будущего широко распространены. ДНК-тестирование уже является золотым стандартом криминалистики. Достаточно волос, отпечатков пальцев, или стакана, из которого пили, чтобы получить нужное количество ДНК для идентификации подозреваемого, а для сравнения в Объединённой системе данных ДНК (CODIS) ФБР хранятся миллионы профилей ДНК. Некоторые закрытые элитные районы в Соединённых Штатах требуют ДНК домашних животных. Владельцев, которые позволяют своим питомцам гадить на общей территории, штрафуют: властям надо только сравнить (экскременты собаки, которые не подобрал за ней хозяин) с записью в реестре, куда обязаны вноситься данные всех питомцев. В Гонконге то же самое для тех, кто мусорит на улице. Незаконно выбросили мусор, к которому вы прикасались, лизали или жевали, вроде жевательной резинки или салфетки — и увидите свой фотопортрет на автобусной остановке. Последние достижения в идентификации ДНК позволяют создавать реалистичные 3D-реконструкции.
Что дальше? По-видимому, объединённый геномный реестр не за горами. Он уже существует в ограниченной степени, наполненный на добровольной основе данными первых клиентов. Существует несколько проектов геномов миллионов людей. Компания потребительской генетики 23andMe в Калифорнии может похвастаться более чем миллионом клиентов. По всему миру формируются национальные программы в области геномики. В этом лидирует такая страна как Исландия, в которой сейчас секвенировано или выведено содержание геномов трети населения на добровольной основе — пока. Кувейт, с другой стороны, недавно ввёл обязательное тестирование ДНК всего населения в качестве меры по борьбе с терроризмом.
Социальные и политические последствия такого архива, честно говоря, бросают вызов моим футурологическим способностям. Определённая доля тревоги не кажется неуместной, поскольку если какая-либо технология и поддаётся государственному или частному злоупотреблению, то это она. Но мои интересы лежат в основном в научной сфере, и хотя реестр генома каждого человека на планете станет одним из самых потрясающих научных ресурсов из когда-либо созданных, это всё равно только малая часть того, чего может достичь геномика.
Мы начинаем думать о ДНК на Земле в целом. Вся жизнь, в том числе человека, в конечном счёте, существует в одной системе, нашей Бледно-Голубой Точке. Давайте дадим ей имя. Давайте назовём сумму ДНК на Земле «Биокодом».
Учёные ещё только оценивают размер этого Биокода. Совокупная информация о размерах генома с информацией о биомассе различных организмов позволяет предположить, что Биокод превышает, приблизительно, 3,6 × 1031 миллионов пар оснований. Если умножить размеры генома организмов, начиная с бактерий до пчёл и до птиц, на число организмов во всех группах жизни на Земле, то получим очень грубую оценку 50 миллиардов тонн ДНК. Этого невидимого кода жизни достаточно, чтобы заполнить миллиард морских контейнеров.
Сколько мы знаем о ней? Ужасно мало. Мы по-прежнему перегружены её биоразнообразием, особенно когда дело доходит до невидимого большинства: микробов. Мы понимаем, что не только наши кишки наполнены триллионами микробиологических клеток, но и вся планета. Одноклеточная, микробная жизнь включает в себя 50 процентов биомассы планеты и 99 процентов её генетического разнообразия. Она древняя, она управляет нашими биогеохимическими циклами, помогает планете поддерживать жизнь, и в значительной степени неизвестна.
Но это изменится. Одним из величайших достижений грядущего столетия будет характеристика Биокода, не только как списка геномов разных видов, но в качестве моделей взаимодействующих сообществ. Наша первая догадка о его размере только приоткрыла дверь в неизвестное. Мы начинаем понимать, как менялся его состав в прошлом, и как он будет меняться в будущем. Мы можем начать узнавать, как он работает.
К 2050 году нашей целью будет, понять, наконец, не только генетическое разнообразие человека, но биоразнообразие планеты. Есть надежда, что основываясь на знаниях о ДНК, мы завершим Systema Natura («Систему природы»), работу, которую отец таксономии Линней впервые опубликовал в 1735 году. Ключевым вопросом будет, как много сохранится из генетического наследия Земли. Создатели такого проекта, как инициатива «Глобальный Геном» Смитсоновского института пытаются заморозить образцы всех существующих организмов для будущего секвенирования ДНК, чтобы подождать, когда оно станет ещё дешевле, и сохранить геномы, которые могут вымереть до того, как будут прочитаны.
Это обновлённое издание Systema Natura должно прояснить не только истинные эволюционные связи между организмами, но также способы, которыми взаимодействуют экологически связанные геномы. На данный момент мы по-прежнему в значительной степени находимся на стадии инвентаризации. Мы читаем ДНК, начиная от неандертальцев и мамонтов до микробов, живущих в нью-йоркском метро. Вот, например одна интересная область, в которой мы добились значительных успехов: у нас есть значительная доля «биокода панды». Он включает в себя 2 процента геномов всех существующих панд, их основной пищи, бамбука, и образцы микробиома панды, коллекция микробов, которые могут переваривать целлюлозу, позволяя тем самым этому плотоядному животному с клыками жить как вегетарианец на бывшей бы в ином случае трудноперевариваемой растительной диете.
Но впереди ещё долгий путь. На Земле может быть более 20 миллионов видов. Проект «Микробиом Земли» каталогизировал некоторые из 9 миллионов видов микроорганизмов, и это только один из множества проектов секвенирования ветви древа жизни. Это действительно большая наука, фактически, один из самых великих научных проектов в истории, де-факто проект Планетарного Генома.
Авторы, которые оценивали размер Биокода, ухватились за метафору ДНК как программного обеспечения, чтобы высказать потрясающую идею. Если всё живое имеет ДНК и взаимосвязано на нашей планете, то всю планетарную экологию можно сравнить с гигантским компьютером. Например, потому, что жизнь на Земле существует в атмосфере, насыщенной кислородом. Кислород поступает из программного обеспечения ДНК в растениях и микробах, использующих солнечный свет и углекислый газ для запуска химического процесса фотосинтеза. Этот системный взгляд на планету позволяет нам сделать дальнейшие серьёзные расчёты. Предположим, что вычислительная мощность этого компьютера равна скорости, с которой информация обрабатывается, поступая из последовательностей ДНК к белкам. Это говорит о том, что наша планета имеет вычислительную мощность в 1022 раз больше, чем китайский Тяньхэ-2, который сейчас является самым быстрым суперкомпьютером из когда-либо построенных. Современное общество одержимо компьютерами, и теперь мы должны учитывать, что живём внутри одного, по крайней мере, в каком-то переносном смысле. Если мы принимаем эту аналогию, мы также должны признать, что мало знаем о том, как он работает.
Конечно, даже когда мы развиваем способность к расшифровке кода этого великого компьютера, мы кромсаем его части, в основном не ведая о последствиях. Мы столкнулись с шестым массовым вымиранием, определяемом как потери более чем 75 процентов видов на Земле в течение короткого геологического периода времени. На протяжении всей эволюции человеческого вида мы постоянно перепрограммировали Биокод, но темпы этого перепрограммирования растут. И я говорю не о теоретически опасных генетических проектах: мы начисто вырубаем леса, выращиваем монокультуры, охотимся на животных и устраиваем перевылов рыбы до полного исчезновения видов, отравляем обширные участки сохранившегося биоразнообразия или вынуждаем животных мигрировать с земель, которые нам для чего-то понадобились. Теперь темп вымирания сам по себе может быть в 100 раз выше фоновых показателей. В большинстве случаев вымирание похоже на стирание информации с жёсткого диска компьютера. Информация безвозвратно утрачивается.
Большинство людей, которых тревожит сила геномики, боятся призрака дизайнерских младенцев, биотерроризма, отказа в страховке, генетической дискриминации или генетического надзора. Может быть, нам следует больше беспокоиться о том, что мы с ужасающей скоростью переписываем код жизни на Земле, как правило, даже не замечая, что делаем это.
Будет ли к 2100 году Биокод иметь в значительной степени синтетический характер? Не будет слишком фантастическим предположение, что мы увидим как рост промышленно производимых на заказ существ, так и исчезновение естественных организмов, родившихся без вмешательства компьютера. Будет ли будущее геномики погружено во мрак или же озарено ярким светом, пожалуй, самым невероятным в её потенциале является её грандиозный масштаб. Биокод начал обрабатывать данные с тех пор, как на Земле зародилась жизнь около 3,5 миллиардов лет назад. Во многом независимо от того, что делают люди, он будет продолжать действовать в какой-то форме и в будущем, несомненно, на умопомрачительном уровне сложности. Кто знает — может, его компонентами будут даже новые виды человека, случайно или намеренно созданные будущим поколением или в результате какой-либо комбинации того и другого.
