© Jennifer A. Daudna, Samuel H. Sternberg, 2016

© С. Ястребова, перевод на русский язык, 2019

© А. Бондаренко, художественное оформление, макет, 2019

© ООО “Издательство Аст”, 2019

* * *

Нашим родителям, Дороти и Мартину Даудна (Дж. Д.)

и Сюзанне Ниммрихтер и Роберту Стернбергу (С. С.)

Наука не представляет себе глубины собственного воображения.

Ральф Уолдо Эмерсон

Пролог
Волна

Мне снится, что я стою на берегу моря.

По обе стороны от меня длинная полоса светлого песка с вкраплениями темных песчинок простирается вдоль воды, очерчивая большую бухту. Я осознаю, что это берег гавайского острова, на котором я выросла, – край бухты Хило, где я когда-то проводила выходные с друзьями, наблюдая за соревнованиями по гребле на каноэ или разыскивая ракушки и стеклянные шары, упавшие за борт с японских рыболовецких судов и иногда выносившиеся на берег волнами^[1].

Но сегодня тут не видно ни друзей, ни каноэ, ни рыболовецких суденышек. Берег пуст, песок и вода неестественно спокойны. За волнорезом лучи света нежно играют на поверхности океана, будто хотят унять мой страх, зародившийся еще в детстве, – страх, преследующий каждого жителя города Хило независимо от его возраста. Пока я была ребенком, на остров ни разу не приходили волны цунами, но все мы видели фотографии. Мы знаем, что город находится в зоне затопления.

Как по заказу, вдалеке появляется она. Волна.

Сначала она совсем небольшая, но с каждой секундой растет, возвышается передо мной стеной, ее пенистые гребни заслоняют небо. За ней – другие волны, и все они катятся по направлению к берегу.

Я скована страхом – но, когда цунами подходит ближе, ужас уступает место решимости. Позади себя я замечаю небольшую деревянную хибарку. Она принадлежит моей подруге Пуа, и перед ней валяется множество досок для серфинга. Я хватаю одну из них и плюхаюсь в воду, выгребаю в бухту, огибаю волнорез и направляюсь прямо в набегающие волны. Я успеваю поднырнуть под первую из них до того, как она настигнет меня, и, оказавшись по другую сторону от нее, скатываюсь по второй волне. В эти мгновения я наслаждаюсь открывшимся видом. Он прекрасен: гора Мауна-Кеа, а за ней – Мауна-Лоа, устремляются ввысь, в небо, защитными стенами возвышаясь над бухтой.

Я зажмуриваюсь – и открываю глаза в своей спальне в Беркли, штат Калифорния, за тысячи миль от дома, в котором выросла.

Сейчас июль 2015-го, и это самый захватывающий, самый ошеломительный год моей жизни. Я уже давно вижу подобные сны, но теперь мне легко распознать их глубинный смысл: берег – это мираж, но волны и клубок эмоций, которые они вызывают – страх, надежда, трепет, – чрезвычайно реалистичны.

Меня зовут Дженнифер Даудна. Я биохимик, и большую часть своей карьеры я провела в лаборатории, исследуя вещи, о которых большинство неспециалистов ничего не слышали. Однако в последние лет пять я оказалась вовлечена в работу, которую можно считать подлинным прорывом в науках о жизни, и теперь их развитие невозможно удержать в стенах какого бы то ни было исследовательского центра. Меня и моих коллег захватила непреодолимая сила, мало чем отличающаяся от цунами моих снов – с той лишь разницей, что в реальности эти волны помогла вызвать я сама.

К лету 2015-го года биотехнологический метод, который я помогла разработать всего за несколько лет до этого, набрал в своем развитии такую скорость, какую я и представить себе не могла. И возможные последствия его применения обретают подлинно сейсмический масштаб – не только для медико-биологических наук, но и для жизни на Земле в целом.

Эта книга – история развития этого метода и моя собственная история. И ваша тоже. Пройдет не так много времени, прежде чем плоды, которые принесет новая технология, окажутся и у вас на пороге.

Люди тысячелетиями изменяли окружающий мир ради своих целей, но результаты их деятельности никогда не были настолько масштабными, как сейчас. Промышленная революция вызвала изменения климата, угрожающие экосистемам по всему земному шару, и она же вместе с другими формами человеческой деятельности стала предпосылкой резкого ускорения вымирания видов, в ходе которого исчезает множество популяций самых различных существ – наших соседей по планете. Эти перемены побудили геологов предложить новое название для эпохи, в которую мы живем, – антропоцен, эра человека.

В биологическом мире тоже происходят кардинальные перемены, вызванные человеческой деятельностью. В течение миллиардов лет жизненные формы усложнялись согласно закономерностям, которые выявил Дарвин: организмы совершенствовались благодаря череде случайных генетических изменений, часть которых обеспечивала преимущества для выживания, конкуренции и размножения. До сих пор и наш собственный вид формировался под действием аналогичного процесса; несомненно, вплоть до недавнего времени мы во многом зависели от его милости. Десять тысяч лет назад, когда возникло сельское хозяйство, люди начали сами влиять на эволюцию путем селекции растений и животных, однако исходный материал – случайные мутации в ДНК, лежащие в основе доступных генетических вариаций, – все еще появлялся самопроизвольно и бессистемно. Поэтому попытки нашего вида преобразовать природу были трудными и имели ограниченный успех.

Теперь все кардинально переменилось. Ученые сумели полностью взять этот древний процесс под контроль человека. Используя мощные биотехнологические инструменты для экспериментов с ДНК внутри живых клеток, они теперь могут манипулировать составом этой молекулы и рационально изменять гены, определяющие облик любого биологического вида на планете, включая и наш с вами. А с появлением новейшего и, вероятно, самого эффективного инструмента генной инженерии, CRISPR-Cas9 (коротко – CRISPR), геном – всю ДНК организма, включающую каждый его ген, – стало почти так же просто редактировать, как обычный текст.

Зная, чем именно кодируется в геноме тот или иной конкретный признак, ученые могут использовать CRISPR, чтобы вставить, отредактировать или удалить связанный с ним ген у фактически любого растения или животного. Этот способ гораздо проще и эффективнее, чем любая другая существующая технология манипуляции генами. Буквально в одночасье мы оказались на пороге новой эпохи генной инженерии и нового уровня владения биологией – революционной эры, в которой возможности ограничены только коллективным воображением человечества.

Царство животных было первой экспериментальной площадкой для испытаний этого нового средства редактирования генов – и до сих пор остается самой большой из таких площадок. К примеру, ученые использовали CRISPR для создания генетически “усиленной” версии биглей, в результате чего получились собаки с мускулатурой, которой позавидует сам Шварцнеггер, – и для этого понадобилось всего лишь поменять одну “букву” ДНК в гене, контролирующем развитие мышц. В другом случае, “выключив” у свиней ген, отвечающий на сигналы гормона роста, исследователи создали микропигов – свиней размером не больше упитанной кошки, ставших популярными домашними животными. Ученые из китайской провинции Шэньси проделали нечто подобное и с мясо-шерстными кашемировыми козами, отредактировав геном этих животных таким образом, чтобы у них вырастали и более крупные мышцы (и за счет этого они давали больше мяса), и более длинная шерсть (что означает получение большего количества кашемировых волокон). Генетики даже используют CRISPR для превращения ДНК азиатского слона в максимальное подобие ДНК шерстистого мамонта, надеясь когда-нибудь воскресить этого вымершего доисторического зверя^[2].

Параллельно с этим в экспериментах с растениями CRISPR широко используется для редактирования геномов сельскохозяйственных культур; это открывает перспективы для кардинального улучшения питания людей во всем мире и повышает уровень мировой продовольственной безопасности. Эксперименты по редактированию генома дали устойчивый к различным болезням рис, томаты, которые теперь портятся гораздо медленнее, соевые бобы с более полезным для здоровья содержанием полиненасыщенных жиров и картофель с меньшим количеством сильного нейротоксина. Причем специалисты в области пищевой промышленности достигают подобных улучшений не с помощью трансгенных технологий – то есть вставки участка ДНК одного вида в геном представителя другого вида, – но благодаря точно подобранным улучшениям генов, затрагивающим всего несколько “букв” собственной ДНК организма.

Но хотя потенциальные возможности применения CRISPR в растительном и животном мире весьма впечатляют, все же наибольшие перспективы сулит редактирование генов нашего собственного вида – и оно же, по мнению многих, представляет наибольшую угрозу для будущего всего человечества.

При этом, как ни парадоксально, ряд преимуществ в области здравоохранения, скорее всего, будет получен в результате CRISPR-экспериментов с позвоночными или даже насекомыми. В проведенных недавно экспериментах технологию CRISPR использовали, чтобы “гуманизировать” ДНК свиней, что дает надежду на то, что эти животные однажды послужат донорами органов для людей. CRISPR также удалось запрятать в геномы новых линий комаров: ученые надеются, что внедрение новых признаков в дикие популяции комаров поможет в конечном счете уничтожить заболевания, передаваемые ими – такие как малярия и лихорадка Зика, – или даже полностью истребить самих комаров – переносчиков болезней.

Впрочем, при лечении многих болезней CRISPR потенциально можно будет применять для редактирования и “ремонта” генов самих пациентов. Пока что мы наблюдали лишь малую часть возможностей технологии, но и то, что мы увидели в последние несколько лет, кажется головокружительным. В человеческих клетках, выращенных в лаборатории, эта новая технология редактирования генома уже была использована, чтобы исправить мутации, ответственные за муковисцидоз, серповидноклеточную анемию, некоторые формы слепоты, тяжелый комбинированный иммунодефицит и многие другие недуги. CRISPR дает ученым возможность решать такие задачи, находя и исправляя отдельные “опечатки” в молекулах, составляющих геном длиной 3,2 миллиарда “букв” ДНК, но эту же технологию можно использовать и для значительно более сложных модификаций. Исследователи поправили ошибки в ДНК, вызывающие мышечную дистрофию Дюшенна, вырезав только поврежденный участок мутировавшего гена и не затронув остальную его часть. В случае гемофилии А биологи применили CRISPR, чтобы точно переставить более полумиллиона “букв” ДНК, которые в геномах больных инвертированы – то есть расположены в порядке, обратном нормальному. CRISPR можно использовать даже для лечения ВИЧ-инфекции и СПИДа – либо путем вырезания ДНК вируса из инфицированных клеток пациента, либо путем редактирования ДНК самого пациента таким образом, чтобы его клетки невозможно было заразить ВИЧ.

Список потенциальных терапевтических применений редактирования генома можно продолжать бесконечно. Поскольку CRISPR обеспечивает точное и сравнительно простое редактирование ДНК, он превратил все генетические заболевания – по крайней мере, те из них, для которых известны вызывающие их мутации, – в потенциально излечимые. Медики уже начали бороться с некоторыми видами рака с помощью усовершенствованных иммунных клеток, чьи геномы “усилены” отредактированными генами, помогающими клеткам-хозяевам отлавливать раковые клетки. Хотя пройдет еще немало времени, прежде чем основанные на CRISPR варианты терапии станут общедоступны для пациентов, их потенциал четко виден уже сейчас. Редактирование генома дает надежду на то, что у нас появятся новые методы лечения, меняющие жизнь пациента, а в ряде случаев способные даже спасти ее.

Существуют и другие перспективы применения технологии CRISPR: ее можно использовать не только для лечения заболеваний, но и для их профилактики в будущих поколениях. Метод CRISPR настолько прост и эффективен, что ученые смогут использовать его для модификации человеческих клеток зародышевого пути – потока генетической информации, соединяющего одно поколение с другим. И, несомненно, эта технология – когда-нибудь, где-нибудь – будет использована для наследуемых изменений генома нашего вида, и это навсегда изменит генетическую картину человечества.

Если предположить, что безопасность и эффективность технологии редактирования генов человека будут доказаны, кажется логичным и даже предпочтительным исправлять болезнетворные мутации на самых ранних стадиях развития – до того, как опасные гены причинят вред своему обладателю. Но как только мы научимся превращать мутировавшие гены эмбриона в нормальные, появится искушение улучшить нормальные гены до предположительно более “продвинутых” версий. Должны ли мы начать редактировать геном еще не рожденного ребенка, чтобы снизить риск того, что у него когда-нибудь разовьются болезни сердца, болезнь Альцгеймера, диабет или рак? А можно ли наделять этих детей полезными признаками, такими как повышенная сила мышц или улучшенные умственные способности? Можно ли менять их внешний вид – скажем, цвет глаз и волос? Стремление к совершенству кажется едва ли не вшитым в природу человека, но, если мы все же пойдем по этой скользкой дорожке, нам может не понравиться то, куда она нас приведет.

Проблема вот в чем. В течение примерно сотни тысяч лет^[3] существования людей современного типа геном Homo sapiens формировался под одновременным действием двух сил – случайных мутаций и естественного отбора. А теперь – впервые в истории – мы получили возможность редактировать не только ДНК ныне живущих людей, но и ДНК будущих поколений – по сути, направлять эволюцию собственного вида. Это беспрецедентный случай в истории жизни на Земле. Он лежит за пределами нашего понимания. И это ставит перед нами невероятный, но жизненно важный вопрос: как мы, представители капризного вида, неспособные договориться друг с другом столь о многих вещах, посчитаем возможным распорядиться этой грандиозной силой?

Контроль над эволюцией человеческого вида – это было последнее, что могло бы прийти мне в голову в 2012 году, когда мы с коллегами опубликовали статью об основах технологии редактирования генома CRISPR. Начать это исследование нас побудил интерес к совершенно другой области биологии – к механизмам, с помощью которых бактерии защищаются от заражения вирусами. Однако в ходе нашего исследования иммунной системы бактерий, названной CRISPR-Cas, мы раскрыли механизмы работы невероятной молекулярной машины, способной с непревзойденной точностью разрезать на части вирусную ДНК. Возможность применения той же машины для проведения манипуляций над ДНК в клетках других организмов, включая человека, сразу стала нам очевидна. И когда эта технология получила широкую известность и стала распространяться, я не могла не погрузиться в детали многочисленных исследований, основанных на результатах той нашей работы.