Стивен Котлер - Мир завтра. Как технологии изменят жизнь каждого из нас
Прежде всего следует разобраться в том, каким образом сложилась нынешняя ситуация, и начать надо со взаимоотношений между малярией и комарами. Из 2500 видов комаров, существующих во всем мире, лишь малая доля в результате эволюции приучилась питаться человеческой кровью. И по мере того, как комары учились уживаться с людьми, малярийные паразиты учились уживаться с теми и другими.
Этой болезни подвержено большинство млекопитающих и некоторые виды птиц. До сих пор все трансгенные исследования выполнялись с теми разновидностями малярии, которые поражают птиц и грызунов, но методы переноса всех видов малярийных паразитов одинаковы. Процесс передачи начинается, когда голодная самка комара (а кровососущими являются только самки) подкрепляется кровью инфицированного животного и при этом проглатывает малярийного паразита. В течение нескольких суток паразит остается в кишечнике комара, где его репродуктивные клетки вызревают и высвобождают тысячи малярийных спорозоитов, которые через кровеносную систему комара проникают в его слюнную железу. Весь цикл длится 10 дней. И когда в следующий раз комар кого-то кусает, малярия передается дальше.
Этот жизненный цикл возбудителя малярии был известен ученым уже в начале XX века, но первые попытки сделать насекомых нашими союзниками в войне с болезнью датируются 1930-ми годами, и связаны они с научной деятельностью Барбары Мак-Клинток. В 1983 году Мак-Клинток была удостоена Нобелевской премии в области медицины за открытие коротких цепочек ДНК, называемых транспозонами, или прыгающими генами. Прыгающий ген получил такое название потому, что белки, которые он кодирует, могут разрывать хромосому, запрыгивать внутрь и снова «зашивать» концы, восстанавливая ее целостность. Это открытие позволяет «нагрузить» прыгающий ген другой, более полезной ДНК, например такой, которая помогла бы в борьбе с малярией.
Во всяком случае так было в теории. Чтобы она стала практикой, потребовалось полвека. Но в 1981 году биолог Джеральд Рубин обнаружил прыгающий ген в организме плодовой мушки Drosophilia melanogaster и назвал этот ген «Р». Год спустя, работая совместно с эмбриологом Алланом Спрэдлингом, Рубин использовал ген «Р» в качестве троянского коня для создания первого в мире генетически модифицированного насекомого. «Это было огромное достижение, – говорит Питер Аткинсон, энтомолог из Калифорнийского университета в Риверсайде, один ведущих специалистов по трансгенным комарам. – Ученые взяли ген, который придает глазам красноватый цвет, прикрепили его к «Р», а затем внедрили в организм плодовой мушки. Потомки этой мушки имели красноватые глаза, и их потомки тоже. Эта наследственная черта оказалась устойчивой».
К сожалению, от манипуляций с плодовыми мушками, какой бы интерес они ни представляли для науки, реальному миру ни жарко, ни холодно. Плодовые мушки болезней не переносят и урожай не портят, да и вообще никак не влияют на наше социально-экономическое положение, если не считать их роли в научных исследованиях. «Восьмидесятые годы были временем поисков вслепую, – вспоминает Аткинсон. – Мы думали, что открытие “Р” станет значительным прорывом, но результаты дальнейших исследований и экспериментов были сплошь отрицательные».
К началу 1990-х годов стало ясно, что потенциал «Р» иссяк и пользы от него нет никакой. Ученые принялись за поиски других прыгающих генов. В 1996–1997 году Аткинсон в сотрудничестве с молекулярным генетиком Дэвидом О’Брохта из Мэрилендского университета обнаружил такой ген в комнатной мухе. Этот ген назвали гермесом. Была надежда, что он окажется более полезным с прикладной точки зрения, нежели ген «Р», и уже в следующем году надежда оправдалась: Энтони Джеймс, энтомолог-генетик из Калифорнийского университета в Ирвайне, использовал его для генетической модификации комара, переносящего желтую лихорадку.
Но это было только начало битвы.
Плодовые мушки являются рабочими лошадками современной генетики. В связи с этим существует длинный список их черт, которые идентифицировались и культивировались в лабораторных условиях. Одной из таких черт, к примеру, является цвет глаз. Работая с плодовыми мушками, Спрэдлингу и Рубину достаточно было следить только за изменением цвета глаз, т. е. за генетическим маркером, чтобы убедиться в успешности эксперимента. Но у комаров таких маркеров нет. Поэтому единственный способ выяснить, выполнил ли свою работу прыгающий ген, – дать потенциальным трансгенным комарам размножиться в нескольких поколениях, а потом исследовать их под микроскопом и проверить, сохраняется ли внедренная модифицированная ДНК. С точки зрения долгосрочной борьбы с малярией этот процесс слишком трудоемкий, чтобы быть экономически жизнеспособным. Кроме того, микроскопическое исследование предполагает умерщвление комара, отчего он не сможет дальше плодиться – даже если содержит модифицированную ДНК.
В конце 1980-х годов ученые, пытаясь преодолеть эти препятствия, стали искать легко идентифицируемый генетический маркер, который ассоциировался бы с прыгающими генами. В начале 1990-х годов исследователи из Колумбийского университета начали экспериментировать с медузами, которые под ультрафиолетовыми лучами светились флуоресцентным зеленым светом. Оказалось, что белок, создающий такое свечение, можно внедрить в организм комара, не убивая его. Затем в 2000 году Питеру Аткинсону удалось прикрепить данный белок, получивший название Day-Glo, к «гермесу», и ситуация сразу же изменилась: использование генетически измененных комаров стало восприниматься всем научным сообществом как вполне перспективное направление борьбы с заболеваниями, переносимыми этими насекомыми.
Несколько лет спустя, используя маркер Day-Glo как ориентир, генетик из Университета Джонса Хопкинса Марсело Джейкобс-Лорена обнаружил маленький пептид, который прикрепляется к рецепторам в кишечнике комара – в том самом месте, куда обычно цепляются малярийные паразиты. Когда он ввел в организм комара ген, соответствующий этому пептиду, оказалось, что, в результате блокирования данным пептидом рецепторов, личинки паразитов погибают в кишечнике комара, не успевая размножиться и кого-либо заразить. Вот это уже был настоящий прорыв. Джейкобс-Лорена превратил комара в пестицид.
К сожалению, комары-пестициды оказались приспособленцами, что породило целый ряд новых проблем.
4Один из главных уроков, усвоенных учеными в той химической войне, которую они вели на протяжении столетия, заключался в том, что и комары, и малярийные паразиты весьма ловко приспосабливаются к пестицидам за счет мутаций. По этой причине, признавая несомненные научные заслуги Джейкобса-Лорены, все понимали, что для победы в войне этого недостаточно. «Чтобы гарантированно достичь успеха, – отмечает Энтони Джеймс, – нам нужно создать такого трансгенного комара, который убивает малярийных паразитов множеством различных способов. Для нас это единственный способ идти на несколько шагов впереди эволюции».
Такая работа тоже ведется. Например, Джейкобс-Лорена блокирует рецептор в кишечнике комара, к которому прикрепляются паразиты, а Джеймс нашел способ лишить паразитов способности закрепляться в слюнной железе комара. Тем временем Александр Райхель из Калифорнийского университета в Риверсайде выбрал совершенно иной подход: он придумал, как активизировать иммунную систему комара каждый раз, когда есть шанс, что комар инфицирован малярийными паразитами, – и уничтожать их, не дав размножиться и распространиться.
Однако, даже если мы сможем перехитрить эволюцию и полностью уничтожить малярию в лабораторных условиях, надо еще добиться того, чтобы все это работало в реальном мире. Трансгенные комары, созданные Джейкобсом-Лореной, имеют такую же продолжительность жизни и дают столько же потомства, что и обычные. «Это означает, – говорит он, – что в лабораторных условиях ничего не стоит создать популяцию, целиком состоящую из комаров с иммунитетом к малярии, поскольку у них нет конкуренции, но в реальных условиях добиться этого намного труднее, поскольку для того, чтобы иметь шансы в борьбе с малярией, трансгенные комары должны давать больше потомства по сравнению со своими дикими сородичами».
Это не единственный вопрос. Еще одна проблема связана с тем, что нам еще нужно плавно перейти с комаров, переносящих малярию животных, на комаров, переносящих человеческую форму малярии, а это совсем не так просто, как может показаться. Во-первых, комаров, переносящих человеческую форму малярии, в лабораторных условиях выращивать труднее, а во-вторых, надо и гены другие подбирать. Например, ген, блокирующий малярию мышей, не работает в случае с человеческой формой малярии, хотя Джейкобс-Лорена полагает, что ему удалось найти другой ген, подходящий для решения данной задачи.
