На пути к вечной жизни⁠⁠

В своём предыдущем обзоре [1] я обещал, что в следующий раз мы поговорим о биотехнологиях. Думаю, можно считать, что мы закончили обозор книги TomorrowLand, и теперь просто проходимся широким гребнем по различным областям человеческих знаний. Многие считают, что биотехнологии являются одной из самых перспективных областей современности. Буквально неделю назад Билл Гейтс написал [2], что будь он современным выпускником, то для начала своей карьеры он выбирал бы одну из следующих областей: «Искусственый интеллект», «Энергетика» и «Бионауки». И, в отличие от его мнения об облагаемых налогом роботов, с этой позицией сложно не согласиться.

Биотехнологии не только крайне перспективное направление, но и область фантастически обширная. Новейшие разработки из этой сферы используются в медицине, сельском хозяйстве, промышленном производстве, археологии и чёрт знает где ещё. Возможно, обзор будет напоминать книгу российского учёного и популяризатора науки Александра Панчина — «Сумма Биотехнологии. Руководство по борьбе с мифами о генетической модификации растений, животных и людей». К своему сожалению, эту книгу я ещё не прочитал (я исправлюсь, честное слово!), но что-то мне подсказывает, что многое, о чём я сейчас буду писать, можно более подробно прочитать там.

Для того, чтобы обзор не представлял из себя кашу, я буду структурировать его по связке «Клёвая фича — метод реализации». Заранее хочу оговорить, что я не буду подробно рассказывать про методы биотехнологий, как именно осуществляется перенос генов, как из бактерий извлекают специально вырабатываемые ими белки, как из клетки извлекают ядро и переносят в другую клетку, как работает метод CRISPR/Cas9 [3] и так далее… Так как описание каждого метода тянет на отдельный огромный материал, а лично мне хотелось бы рассказать о том, как новые технологии меняют привычный для нас мир и каким в свете этих достижений представляется не очень далекое будущее.

Ну, поехали.

Для начала небольшой занимательный факт: средняя продолжительность жизни человека на протяжении исторического периода и вплоть до XIX века оставалась практически неизменной и колебалась в диапазоне от 30 до 33 лет без явных тенденций к росту или падению. Ощутили себя стариками? А начиная с XIX века, в индустриально развивающихся странах средняя продолжительность жизни начала показывать устойчивую тенденцию к росту. К началу XX века средняя продолжительность жизни в этих странах увеличилась в среднем на 10 лет, до 40-43 лет. А к началу XXI века, увеличилась почти в два раза, до 78-80 лет. [4]

Это непосредственная синергия биотехнологий в действии. Причём далеко не самых сложных, а наоборот, самых базовых. Таких результатов человечество добилось за счёт банальных пастеризации, очистки воды, введением норм гигиены и антибиотиков. При этом, мы, как биологический вид, стали не только дольше жить, но также прибавили в росте и весе. Что же будет с человеком и окружающим миром, когда все те многочисленные технологии и методы, которые появились на свет благодаря исследованиям ДНК, выйдут за пределы лабораторий и станут массовыми?

Многие области человеческой деятельности претерпят фундаментальные изменения, и одной из первых будет медицина. Мир будущего, это мир персонифицированный, мир, в котором на заводе выпускается не 100 тысяч пар одинакового продукта, на который нет нативного спроса без применения рекламы, а тот, где завод в считанные минуты производит необходимое под заказ конкретного человека, учитывая его особенные потребности. То же самое и с медициной, тебя будут лечить не так, как лечат всех, а в соответствии с твоими генетическими и иными особенностями. Разумеется, процесс перехода от индустриальной/всеобщей медицины, к персонифицированной, будет не резким, а постепенным. Ну а окончательный переход состоится тогда, когда у новорожденного младенца сразу после шлепка по попе возьмут генетический материал на анализ. И к концу первого дня его жизни, где-то в сети, в облаке, уже будет его персональная медицинская карта с проведённым анализом генома, указанием его особенностей.

Некоторые скептики скажут, что это неэффективно, трудозатратно и вообще непонятно зачем. Всё равно мы не знаем, что делает большинство генов, анализ жутко дорогой и большинство заболеваний, типа вируса гриппа, к геному человека отношения не имеет никакого, им болеют все и одинаково. Вот только с каждым годом генетический анализ человека становится дешевле, мы узнаем, за что отвечает тот или иной ген, а индивидуальный подход спасает вполне реальные жизни. Возможно, одной из таких жизней является моя собственная.

Дело в том, что я являюсь носителем гена HLA-DQ8, то есть, болен целиакией. [5] Мой организм не в состоянии усваивать глютен [6], а его систематическое употребление наносит значительный ущерб пищеварительной системе. Данный диагноз мне поставили в 18 лет, к этому моменту, постоянное употребление мучных продуктов привело к целой массе побочных заболеваний, и у меня есть большие сомнения в том, дожил бы я до сегодняшнего дня или нет. Но я абсолютно точно знаю, что если бы я и мои родители обладали информацией об этой болезни с самого рождения, у меня было бы значительно меньше проблем, да и вся моя жизнь сложилась бы иначе. Генетические особенности есть у каждого из нас, просто далеко не все о них в курсе. А анализ ДНК, это самый первый шаг на пути в этом направлении.

Однако, персонализированная медицина не ограничивается только лишь анализом генома. Как насчёт выращивания органов, Ваших органов, вне вашего тела? Мало ли, что может произойти в жизни? Наши органы не вечны, ровно так же, как не вечны и наши клетки, они не могут делиться сколь угодно долго, в процессе постоянного деления накапливаются ошибки копирования, при удвоении молекулы ДНК она укорачивается со своих концов, происходит обрезание теломеров что приводит к тому, что клетка вообще перестаёт делится.

Если мы заранее отложим и заморозим определённое количество нашего генетического материала, в будущем мы сможем выращивать себе новые органы и ткани, взамен старых, изношенных, постаревших и не рабочих, ну или просто фатально поврежденных в рамках какой-то катастрофы. Так, например, ученые уже научились выращивать готовые к трансплантации мышцы сердца в листьях шпината. [7] Очищенные от клеток растения листья используются как каркас, по капиллярной системе листа пускается жидкость с питательными веществами для человеческих клеток. Целлюлоза листа био-совместима и с ней не возникает проблем отторжения тканей. Я не удивлюсь, если, в конечном счёте, ученые выведут специальные растения, у которых будет особенно подходящая для выращивания органов и тканей структура.

Разумеется, в разработке находятся и иные способы создания человеческих органов и тканей, одним из таких способов является печать на 3D-биопринтере, за последние несколько лет мы могли прочитать новости про то, как ученые напечатали яичники [8], кожу [9], щитовидную железу [10] и судя по всему, это только начало.

Однако, помимо выращивания полноразмерных органов для трансплантации из вашего генетического материала, врачи будущего также могут выращивать миниатюрные версии органов, подключенные к пучку нейронов [11] для произведения полнофункционального тестирования реакций как бы вашего организма, то есть, клеток, аналогичных вашим, на те или иные лекарства и терапевтические методы, что позволит подобрать наиболее подходящий для вашего организма метод лечения от того или иного заболевания. Ну и в свою очередь, именно на таких версиях будут производить тестирование всех новых лекарств и методов терапии, больше никаких опытов над живыми людьми!

Другой, несколько спорный с точки зрения этики, метод заключается в гуманизировании животных. Это либо ксенотрансплантация [12], выращивание человеческих органов в эмбрионах животных [13] для последующей трансплантации (дальнейшая жизнь и развитие животной особи с человеческим органом, скорее всего будет невозможной), либо замена некоторой части ДНК животного на ДНК человека. То есть опыты будут проводиться на всё тех же подопытных мышках, но реакция мышей на лекарства, терапию и так далее, будет более близкой к реакции человека, из-за идентичных человеку генов.

С другой стороны, можно не только использовать новые органы и ткани, но и увеличивать срок эксплуатации уже используемых. Сейчас ведётся много различных исследований, посвященных продлению жизни вообще, и человека в частности. В рамках одного из таких исследований, ученые нашли способ, с помощью которого можно увеличивать длину теломер [14], про которые говорилось ранее. Но укорачивающаяся длина теломеров, это лишь одна из проблем, которую предстоит решить на пути продления жизни. Другой проблемой является накапливаемый в клетках мусор (например, плохо свернутые белки или неправильно работающие органеллы ), который не поглощается клеткой из-за блокировки белком TOR. Этот белок был полезным для человека в период, когда в любой момент человеческой жизни мог наступить голод, сейчас же, он скорее вреден, чем полезен.

Однако, ученые работают над способами обхода такой «блокировки» и на данный момент достаточно перспективными выглядят исследования химического соединения «Сиролимус», также известного как препарат Рапамицин. Это вещество не только блокирует белок TOR, позволяя клеткам поглощать мусор, он также используется в области трансплантологии, снижая вероятность отторжения пересаженных органов и тканей, а ещё он обладает антираковыми свойствами, замедляя образование новых опухолей и разрастание текущих. И это далеко не все его полезные свойства. [15]

Подытоживая эту часть статьи, можно смело сказать, что если ранее увеличение продолжительности жизни человека обеспечивалось в первую очередь качественным преобразованием его среды существования, то на данный момент мы имеем массу перспективных методов и веществ, основная задача которых состоит в продлении жизни, в этом же направлении ведутся и вполне целевые исследования. А поэтому, актуальный на данный момент вопрос состоит в том, когда мы научимся применять эти методы массово и производить вещества и новые органы в промышленных масштабах. С другой стороны, если сохранится современная финансово-экономическая система, можно начать опасаться того, как бы все эти замечательные технологии не привели человечество к антиутопии, описанной в мюзикле «генетическая опера», когда к вам заявится коллектор за органом, по которому вы просрочили платеж.

Чтобы понять, насколько обширна область применения биотехнологий, вот вам небольшая новость. Ученые из Индии нашли [16] в слизи лягушек агента (урумин), способного уничтожать вирус гриппа H1. Для применения данного пептида в медицине, ученым предстоит найти в ДНК лягушки Hydrophylax bahuvistara ген, отвечающий за выработку этого вещества, скопировать его и перенести в геном другого животного или растения (скорее всего, это будет бактерия), после чего выделить данное вещество из бактерии (или иного организма в котором оно будет производиться). И затем, на базе полученного вещества, сделать лекарственное средство.

Схожим методом человечество может модифицировать и другие организмы, для производства других целевых веществ. Наверняка, мимо вас не прошла новость о том, что гусеницы моли (Galleria mellonella) оказались способны переваривать полиэтилен. [17] Однако, гусеницы вырабатывают недостаточно большое количество фермента разлагающего полиэтилен, чтобы их использование в области экологии стало экономически целесообразным, поэтому, также как и с лягушками, выработка этого вещества в промышленных масштабах ляжет на плечи бактерий.

Однако, мы должны понимать, что биотехнологии это не только новые потрясающие возможности, но и многие опасности. Это не только вопросы био-терроризма и биологического оружия [18], но и угроза распространения сверх-дешевых в производстве наркотических веществ, например, такими же методами можно научить дрожжи производить морфий [19] в условиях обычной домашней пивоварни. Но что ещё страшнее, это принципиально новые способы доставки веществ в организм человека — перманентный. С одной стороны, ученые могут создать новые бактерии-симбиоты для человеческой микрофлоры кишечника, которые будут выводить излишки аммиака из организма [20], а с другой стороны, такие же бактерии-симбиоты могут производить некие вещества, делающие человека безвольным рабом системы (привет «Эквиллибриум» и «Дивный Новый Мир» [21]), вот только эти вещества не надо будет применять постоянно, достаточно проглотить капсулу с одной колонией бактерий, и дальше они обеспечат тебя необходимым веществом до конца твоей жизни.

Я не знаю, стоит ли говорить о столь банальном направлении, как выведение новых сортов растений (чем человечество занимается уже не первую тысячу лет), которым на данный момент целенаправленно добавляются некоторые особенные свойства. В большинстве своём, растениям на данный момент добавляют устойчивость к вредителям и вирусам, это несколько «банальные» модификации. А из интересных модификаций можно выделить следующие:

— Улучшение лечебно-диетических свойств, например добавление гена, благодаря которому в плоде растения накапливается β-каротин (провитамин А). Это, в частности, проекты «Золотой Рис» [22] и проект модифицированной Маниоки (Африканская картошка).

— Улучшение растений с целью производства конкретных белков. Если выше речь шла про бактерии, которые будут производить целевые вещества, то же самое можно делать и с помощью растений. Например, ученые вывели рис, производящий человеческий белок альбумин [23], этот белок может использоваться для питания тяжелобольных людей, не способных самостоятельно питаться, а также в целях искусственного поддержания жизни.

— Помимо целевых белков, могут производиться не менее целевые анти-тела, например, пшеница, производящая антитело scFvT84.66 для антираковой терапии. [24]

К сожалению, провалился интересный проект Glowing Plant [25], реализация которого сулила человечеству фантастическую экономию электроэнергии на освещении, однако, это вовсе не значит, что светящиеся деревья, растения, грибы не появятся в обозримом будущем. В самой идее нет ничего антинаучного, а методы генетической модификации совершенствуются с каждым годом.

Важно отметить, что модификация растений на данный момент оказывает на сферу производства различных веществ и тем более, на сельское хозяйство, примерно такое же влияние (сопоставимое), как в своё время переход от плуга с лошадью к трактору и комбайну. Так как с одной стороны, модифицированные сорта способны давать больший урожай, а с другой стороны, данные сорта требуют значительно менее дорогостоящего ухода, так как самостоятельно справляются с различными вирусами и вредителями. Всё это, в конечном счёте, увеличивает производительность труда и позволяет при вложении наименьшего количества ресурсов получать большее количество целевого продукта.

Если информация относительно модификации растений достаточно широко распространена, и об этом знают многие, то другое направление, а именно — модификация царства животных, не освещена практически никак. А ведь современные технологии позволяют модифицировать и их, в этом может быть несомненная польза как для человека, так и для целых экосистем.

В первую очередь, модификации, конечно же, подверглись виды, которые человек и до этого долго и упорно селекционировал — коровы. В рамках различных исследований и опытов, были созданы устойчивые к туберкулёзу коровы [26], коровы без рогов [27], коровы с генами человека, которые вырабатывают практически идентичное человеческому молоко [28] и в процессе разработки находится проект, по итогам которого коровы будут вырабатывать меньше метана [29].

Из других интересных проектов, надо отметить проекты модификации комаров, разрабатываемые с целью борьбы с малярией, лихорадкой-денге и другими заболеваниями, которые переносятся комарами. Для борьбы с малярией ученые создают комаров, которые фактически не могут быть переносчиками паразита, вызывающего эту болезнь [30]. Гены, не дающие паразиту жить в комаре, успешно передаются по наследству, таким образом, американские ученые надеются, что со временем вся популяция комаров потеряет возможность быть переносчиками. А вот их бразильские коллеги для борьбы с лихорадкой-денге пошли по более радикальному пути и уже выпустили на волю миллионы самцов комара, который даёт потомство, неспособное к дальнейшему размножению [31].

Достаточно схожим радикальным образом ученые планируют спасти экосистему Галапагосских островов от крыс, для которых на этих островах нет естественных врагов, но, в отличие от комаров, потомство крыс будет способно к дальнейшему размножению, вот только рождаться от модифицированных особей будут исключительно самцы. [32] Таким образом, буквально через несколько поколений, в популяции должны исчезнуть самки, а вслед за этим, и вся популяция.

А как насчёт воскрешения вымерших видов? Этот вопрос давно волнует воображение ученых и рядовых граждан. Вспомнить хотя бы популярность франшизы «Парк Юрского периода». Может ли наука творить такие чудеса? Смотря кого воссоздавать.

Воссоздание кого бы то ни было теоретически возможно двумя способами:

— Клонирование. Берется клетка с ДНК воспроизводимого существа, и из нее «выращивается» конечный организм. Например, можно взять клетку ближайшего биологического родственника «покойного» вида, извлечь ядро с его ДНК, а вместо него поместить ядро с ДНК того, кто нам в итоге нужен. Далее, клетку можно размножить до готового организма в утробе этого самого родственника.

— Редактирование, модификация клетки ближайшего родственного вида до получения максимально близкого результата. Здесь активно подключается расшифровка ДНК. Ученые выясняют последовательность генов и пытаются изменить уже работающую клетку (все того же близкого родственника) таким образом, чтобы она обрела именно эту последовательность.

В обоих случаях используется исходный генетический материал исчезнувшего вида, что неизбежно приводит нас к мысли о том, что воскресить для человечества динозавров, увы, не выйдет. К сожалению, гигантские рептилии так давно покинули этот мир, что их кости уже не несут интересующую нас информацию. (Однако, если мы найдём комара в янтаре…)

С мамонтами в этом плане проще. Вымерли они не настолько давно, и генетического материала этого вида разной степени сохранности до нас дошло немало.

В 2012 году было подписано Российско — Южно-Корейское соглашение о сотрудничестве. Ученые этих стран решили попробовать воссоздать мамонта из замороженной клетки. Так в 2015 году образовался Международный центр коллективного пользования «Молекулярная палеонтология» на базе лаборатории «Музей мамонта им П.А. Лазарева» при Северо-Восточном Федеральном университете. [33] [34]. И прямо сейчас в Якутске русские и корейские ученые трудятся в поте лица над изучением мамонтов и их клеток, чтобы вернуть миру это удивительное животное.

К этому проекту многие ученые относятся с изрядной долей скептицизма, так, ученый-биоинформатик, доктор биологических наук и кандидат физико-математических наук Михаил Сергеевич Гельфанд на сайте The Question сообщил [35], почему клонирование мамонта, скорее всего, будет невозможным:

Потому что никого нельзя оживить по их ДНК, так как нужна живая клетка. ДНК, кроме последовательности, имеет правильную пространственную структуру и правильные химические модификации. Кроме того, никто не умеет синтезировать ДНК такой длины.

А вот команда из Гарварда, занимающаяся в сущности тем же самым вопросом, имеет больше шансов на успех, так как она планирует воссоздать почти мамонта путём редактирования/модификации ДНК азиатского слона. В 2015 году, руководитель данного проекта, профессор Джордж Черч уже объявлял о блестящих результатах по внедрению 14 генов мамонта в живую клетку слона. [36] Его команда взяла за основу работы такие ярких характеристики мамонтов как маленькие уши, длинная шерсть, подкожный жировой слой и цвет. А на данный момент, он считает, что до появления первого «мамофанта» на свет остаётся всего пара лет. [37]

Схожим образом ученые могут воскресить множество других видов, исчезнувших с лица земли. Трагикомический случай произошел в Испании, там ученые попытались клонировать вымерший в 2010 году вид пиренейского козла. В рамках этого эксперимента было создано 439 клонированных эмбрионов, из которых 57 были оплодотворены и помещены в суррогатных матерей — обычных домашних коз. Из них 7 коз забеременели и лишь одна смогла родить. К сожалению, родившийся козлёнок вскоре умер из-за физического дефекта лёгких, чем породил массу шуток, про единственный дважды вымерший вид. [38]

Однако, данный эксперимент наглядно показал, что в принципе, метод вполне себе рабочий, просто немного не обкатанный, дальнейшие исследования и новые эксперименты позволят довести его до совершенства. Возможно, ученые откажутся от идеи выращивания клонированных эмбрионов в суррогатных матерях, и будут выращивать их в недавно опробованных искусственных утробах. [39] Это также может решить и ряд этических проблем, из-за которых многие ученые опасаются заниматься клонированием, ведь неизвестно, как к новорожденному мамонтёнку или мамофанту отнесётся его суррогатная мать и её социум.

Возможно, одним из самых интересных экспериментов могло бы стать воскрешение некоторых видов homo, например, неандертальцев, ведь их мозг значительно больше нашего. В ходе такого эксперимента мы могли бы получить массу информации, которая была бы крайне ценна для изучения самих себя. Самым интересным в этом направлении, пожалуй, являются вопросы, связанные с эволюцией мозга. Смог бы неандерталец освоится в современном человеческом обществе, получи он аналогичное человеческому воспитание и опыт, или его мозг не прошел достаточную «социальную эволюцию»?

Ну и под конец — самый, на мой взгляд, «фантастический» на данный момент проект, который сулит человечеству по-настоящему «божественные» перспективы. Речь идёт о 6-ти буквенном основании ДНК. «Что-что?» — спросите вы, ведь в основании ДНК всего 4 буквы, четыре азотистых основания! Да, до недавнего времени из этого правила не было исключений. Вся жизнь на планете Земля, которую мы знаем, существует благодаря четырем азотистым основаниям (аденин, тимин, гуанин и цитозин), формирующим всего лишь две пары, складывающие ДНК любого живого организма.

Однако, в начале этого года, ученые из исследовательского института Скриппс (The Scripps Research Institute, TSRI) сообщили [40] об успешном создании первого стабильного полусинтетического организма, имеющего 6 азотистых оснований, которые формируют три пары. Новость о том, что была разработана новая пара азотистых оснований, потрясла научное сообщество ещё три года назад, в 2014 году. Однако, ученые были не уверены относительно того, может ли шестибуквенное основание быть стабильным, 3 года назад синтетический одноклеточный организм стабильно терял новое основание в процессе деления. Что, впрочем, было вполне логичным, так как в клетке работал «стандартный» переносчик нуклеотидов, неспособный к работе с новыми основаниями.

За три прошедших года, ученые модифицировали переносчик нуклеотидов, «научив» его работать с новыми основаниями. Также и одно из новых оснований было модифицировано таким образом, что оно стало лучше распознаваться ферментами, обеспечивающими синтез ДНК. В конечном счёте, была получена полностью стабильная форма жизни на базе шести оснований, способная к делению без каких-либо потерь.

«Ну, ок, ну, полусинтетическая жизнь, нам-то что с этого?» — спросит скептически настроенный читатель. Помимо самого банального аргумента — новые основания = больше информации, возможность закодировать в 8 раз больше аминокислот, а значит и больше вариантов для новых форм жизни. Есть и другой полезный потенциал, который нельзя реализовать на «платформе» классических форм жизни.

Например, ограничение воздействия новой формы жизни на представителей старой. Если мы модифицируем кукурузу и переведём её на шестибуквенную ДНК-основу, она не сможет взаимодействовать с классической кукурузой и мы не получим гибрида между классическим сортом кукурузы и модифицированным. Таким образом, созданные нашими руками модифицированные организмы, будут значительно безопасней для окружающей среды, они не выйдут из-под контроля и не создадут что-то совершенно неожиданное.

С другой стороны, все известные человечеству вирусы «работают» и взаимодействуют исключительно с 4-х буквенным основанием и несут в себе только классические азотистые основания. Создатели шестибуквенного организма уже внедрили в него основанную на методе CRISPR-Cas9 «Проверку правописания» [41]. Данная проверка будет помечать все клетки и вирусы, не имеющие двух новых букв, как врагов, подлежащих уничтожению, таким образом, новая форма жизни на базе шестибуквенного основания ДНК будет полностью неуязвимой ко всем существующим вирусам и паразитам.

Возможно, в далёком будущем, благодаря этому открытию, человек сможет модифицировать себя и стать новым, неуязвимым для всех ранее существовавших вирусов видом.

На этой оптимистичной ноте я и закончу данный обзор и возьму небольшой перерыв в области научно-просветительных материалов. В ближайшее время планирую написать про моды для FTL, Rim World и ещё пары игр, после чего можно будет вновь вернуться к околонаучным публикациям. Если хотите, могу написать про то, каково жить с целиакией.