Коллектив авторов - На что похоже будущее? Даже ученые не могут предсказать… или могут?

С того момента, когда мы наконец научились расшифровывать наш геном и начали понимать смысл инструкций в «генетическом талмуде», прошло всего-то два десятилетия. Мы до сих пор продолжаем разбираться с функциональными элементами человеческого генома, включая как те из них, что формируют гены, так и те, что не образуют их. (К примеру, некоторые разделы нашей ДНК отвечают за стабильность генома и обеспечивают корректность его структуры.) Для решения этой задачи потребуется еще немало исследований. Однако уже сейчас имеется достаточно данных для интерпретации. Всего через два года после публикации полной последовательности генома человека в 2004 г. на рынке появился тест, позволяющий получить полную расшифровку генома. В период с 2007 по 2014 г. только в США 500 млн человек приобрели такие тест-системы, чтобы получить доступ к заключенной в их генах информации. Результаты продаж в интернет-магазинах и в розничных сетях показывают стабильно высокие темпы роста, которые и не думают снижаться. В следующие два десятилетия мы сможем не только во всех подробностях анализировать свои геномы, но и спуститься на уровень ниже, углубляясь в дебри генетических данных и все более бесцеремонно обходя — на свой страх и риск — последние оплоты анонимности.

И вот теперь, когда мы уже достаточно повозились с генетическим кодом, присутствующим в разных формах жизни на Земле, наступает новая эра, в которой генная инженерия станет тем, чем она должна быть. Научившись расшифровывать генетический код и начав осваивать его грамматику, мы можем приступить к написанию чего-то своего. Со временем из-под нашего пера будут выходить все более и более сложные ДНК, и в ближайшие два десятилетия мы, несомненно, станем свидетелями создания новых форм жизни или воскрешения тех, которые когда-то исчезли с нашей планеты. Кроме того, даже если это и не кажется столь же захватывающим — как с философской, так и эволюционной точки зрения, — использование биологического кода за рамками биологии станет обыденным делом, превратившись в неотъемлемую часть нашей профессиональной и личной жизни. В конце концов, ДНК — это код, который автономно воспроизводит сам себя, код, который вот уже почти 4 млрд лет неустанно реагирует на изменения среды, приспосабливаясь и видоизменяясь без какого-либо участия со стороны человека. Если мы доберемся до сути генома, а потом научимся тому, что с такой легкостью делает ДНК, а именно — самообучению, адаптивности, самовоспроизводству, то есть вещам, с которыми до сих пор не справляются небиологические машины, произойдет настоящая революция во взаимодействии вычислительных систем и механизмов ДНК.

Генетика и геномика будущего откроют перед нами небывалые возможности: мы не только будем лучше понимать, как устроено наше тело и наша среда, но и научимся управлять ими, а наши технологии достигнут еще более высокого уровня персонализации. Но как мы распорядимся этими достижениями и как будем использовать постоянно растущий запас знаний о генах и геномах? Давайте остановимся подробнее на ряде революционных технологий, которые задают вектор развития генетики сегодня.

Еще совсем недавно даже для анализа ДНК, не говоря уже о секвенировании целых геномов, использовалось крупногабаритное дорогостоящее оборудование, устанавливавшееся в специально предназначенных для этого лабораториях. Как известно, на составление полной карты человеческого генома в 2000 г. ушло 15 месяцев, а расходы на проект достигли $300 млн. К 2006 г. стоимость картирования генома отдельно взятого человека сократилась до $14 млн. Десять лет спустя она составляла уже около $1500, а сама процедура занимала два дня. Сегодня при секвенировании уже можно обойтись не только без лабораторий, но даже и без генетиков. Секвенсоры нового поколения уже ничем не напоминают своих массивных предшественников, легко помещаясь в кармане. Пока они еще не способны полностью расшифровать весь геном, но это лишь вопрос времени. В данный момент они разрабатываются с целью анализа тех генов, знание о которых по каким-либо причинам считается важным. Новейшие представители этого класса устройств способны, к примеру, распознавать геномы определенного вида бактерий или штамма вируса, проникающих в организм человека. Результаты уже представляются весьма многообещающими, особенно если говорить о применении в регионах, где ситуация в сфере здравоохранения особенно тяжелая. В Западной Африке благодаря одному такому портативному устройству для секвенирования удалось выявить у пациентов 148 геномов вируса Эболы. Предполагается, что с развитием геномных технологий в будущем появятся миниатюрные и простые в использовании инструменты, которые позволят в полевых условиях за считаные часы ставить диагноз и определять эффективное лечение против таких вирусных инфекций, как коронарный вирус, лихорадка денге, Эбола, чикунгунья и Зика. Однажды они могут стать частью нашей повседневной жизни, как это произошло с мобильными телефонами.

Но и это далеко не предел — мы начинаем использовать для анализа ДНК полупроводники. Не так давно Крис Таумазу из Королевского колледжа Лондона разработал чип, который умещается в устройстве размером с USB-накопитель и в течение нескольких минут может обеспечить визуализацию результатов своей работы на компьютере. В задачи этой полупроводниковой технологии не входит изучение всех 3 млрд азотистых оснований человеческого генома. Вместо этого анализируется тот 1 % оснований, который уникален для каждого человека, выступая в качестве своего рода «биологического IP-адреса». Разные чипы в оболочке USB-накопителей распознают разные генетические мутации, тем самым выявляя предрасположенность к определенному заболеванию или, например, оценивая способность организма конкретного человека к метаболизму тех или иных лекарственных препаратов. «Врач больше не будет разбираться с заболеваниями, которые были у вас в прошлом, — он будет предупреждать недуги, которые ждут вас в будущем», — поясняет Таумазу.

Геномная революция, безусловно, открывает небывалые возможности в области здравоохранения, но этим ее значение далеко не исчерпывается. В геноме любой формы жизни закодированы инструкции, определяющие ее существование. В течение последних нескольких лет появились новые, более эффективные методы работы с генами, позволяющие воплотить в реальность то, что еще совсем недавно казалось чем-то из области научной фантастики. Во многом этим мы обязаны выдающемуся открытию Дженнифер Дудна и Эммануэль Шарпаньте — CRISPR [5] Clustered regularly interspaced short palindromic repeats — короткие палиндромные повторы, регулярно расположенные группами. — Прим. ред. , самому мощному инструменту геномной инженерии в современном мире. Разрабатывался он в качестве нового механизма для изменения ДНК. Благодаря ему мы получили возможность ближе познакомиться с функциями отдельных генов, активируя их или, наоборот, блокируя, а также разрезая ДНК в определенных местах таким образом, чтобы можно было изменить или дополнить последовательность. Это означает, что теоретически мы можем аккуратно удалить нежелательную версию гена, из-за которой образуются больные клетки, и заменить ее здоровой, работающей так, как надо. Но арсенал приемов в рамках данной технологии редактированием не ограничивается. В будущем она поможет нам выяснить, что делают те 98 % ДНК, которые не участвуют в кодировании белков. Таким образом, мы перейдем от алфавита генома к его грамматике и пунктуации. Здесь-то нам и пригодится возможность произвольно включать и выключать те или иные гены. В частности, мы начинаем использовать свет для контроля места и времени внесения изменений в ген, а также обеспечения обратимости вносимых изменений. Работа эта ведется в рамках еще одного динамично развивающегося направления под названием «оптогенетика». Суть ее заключается в том, чтобы научиться управлять деятельностью нервных клеток с помощью света в лабораторных условиях. Она поможет нам лучше понять, как работает мозг человека. Ожидается, что в течение следующих двух десятилетий результаты этих исследований позволят пролить свет на причины ряда заболеваний, включая дегенеративные заболевания нервной системы, эффективные методы лечения которых в настоящее время отсутствуют, таких, например, как болезнь Паркинсона, эпилепсия, болезнь Альцгеймера, инсульт и потеря слуха. Кроме того, сейчас ведется разработка так называемых CRISPR-таблеток — заключенных в съедобную оболочку ДНК-последовательностей, адаптированных таким образом, чтобы провоцировать самоуничтожение устойчивых к антибиотикам бактерий.