В помощь электронике, на которой основана наша современная цивилизация, в будущем придут биотехнологии. Добро пожаловать в мир биопанка!
Синтетическая биология изменит наш мир

Тридцать лет назад геолог Дугал Диксон обрел известность благодаря своей книге «После человека: зоология будущего». В ней автор фантазирует о том, как преобразится животный мир далеких времен, где уже не будет людей. Книгу населяют причудливые существа вроде десятитонной гигантилопы с длинными загнутыми вперед рогами или песчаной акулы Psammonarus spp — огромного насекомоядного, походящего на сосиску с притупленной крепкой головой и мощными лопатообразными ступнями. И все же читатель, ожидающий буйства форм, будет разочарован: все животные напоминают сегодняшних, а изменения сводятся к вариациям уже известного. Причина проста: Диксон старался не требовать от эволюции того, что ей не по плечу. Сегодня мы снисходительно улыбаемся его крысоморжам и камышеногам, ведь в скором времени у нас появится своя, куда более диковинная фауна.

Мыши-миноискатели

В 2012 году группа ученых из Хантер-колледжа Городского университета Нью-Йорка вывели мышей, гиперчувствительных к запаху взрывчатки. Обонятельный аппарат обычной мыши насчитывает около 10 млн нейронов, причем на каждый конкретный запах реагируют примерно 4000 из них. У мыши MouSensor с помощью генной инженерии удалось значительно увеличить (до 1 млн) количество нейронов обонятельной луковицы, реагирующих на молекулы конкретного вещества — 2,4-динитротолуола (ДНТ, запах его похож на запах ТНТ — тротила). Такие животные чувствуют нужный запах в 500 раз острее, чем их немодифицированные собратья. Одновременное возбуждение столь большого количества нейронов будет приводить к судорожным припадкам, так что можно поместить под кожу грызунам чип, чтобы он дистанционно сообщал о судорогах: так мышь становится биосенсором для поиска противопехотных мин и прочих взрывчатых материалов. И хотя раньше животные с измененными генами редко покидали стены лабораторий, теперь ситуация может измениться. Смысл этих манипуляций с ДНК именно в том, чтобы новые организмы работали на пользу человека в естественной среде.

Комары против малярии

Например, группой ученых из Калифорнийского университета в Ирвине и французского Центра Пастера уже созданы трансгенные комары, обладающие повышенной сопротивляемостью Plasmodium falciparum (возбудителю самого смертоносного типа малярии). Технические возможности сегодня позволяют распространить крупные популяции модифицированных насекомых в главных очагах заражения и тем самым сдержать размножение диких особей, несущих инфекцию.

Нас может вдохновить дерзкий шаг биологов из австралийских университетов Квинсленда и Мельбурна и американского Университета Северной Каролины, которые создали комаров, устойчивых к вирусу лихорадки денге (правда, не с помощью генной инженерии, а заразив их одним из штаммов внутриклеточной симбиотической бактерии Wolbachia), и выпустили их в двух районах на северо-востоке Австралии. Спустя несколько месяцев в этой местности почти не осталось зараженных комаров — их вытеснили «искусственные».

В сентябре 2014 года тот же трюк повторили биологи бразильского Исследовательского института Fiocruz, и аналогичные программы готовятся во Вьетнаме и Индонезии. Можно не сомневаться, что производство разных ГМ-насекомых в обозримом будущем будет только расти; в первую очередь это коснется переносчиков наиболее распространенных болезней, под угрозой которых живет до половины населения земного шара.

Резать по живому

Совсем недавно биологи разработали новую технологию геномного редактирования — CRISPR, которая позволяет вырезать и вставлять фрагменты ДНК с высочайшей точностью. Это открывает совершенно новые перспективы в генной инженерии. Нас уже не удивляют овцы с повышенным содержанием в мясе жирных кислот Омега-3, созданные китайскими учеными из Института генетики и биологии развития в Пекине, или модернизированные биологами из Университета Вайоминга козы, в молоке которых содержится белок паучьего шелка. В настоящее время молекулярный генетик Скотт Фаренкруг из Университета Миннесоты воплощает свою идею — выращивает безрогих коров. Для этого он вырезал из генома молочной коровы десять генетических букв и вставил 212 от другой породы. И все же генные инженеры пока заняты мелкими правками, сводящимися к получению нужного вещества или снижению риска болезней у животного. Если же заглянуть в завтрашний день, мы увидим совсем иную картину.

Третье поколение

Британский дизайнер Александра Гринсберг не искушена в генетике, зато точно уловила, куда ведет дальнейшее развитие технологий. Она вообразила мир будущего, в котором искусственно созданные существа свободно обитают в лесу, чтобы приносить пользу не человеку, а самой природе. С закислением почв у нее борются слизни, выделяющие щелочную жидкость, листья деревьев покрыты подвижной биопленкой, защищающей от грибков, а похожие на дикобраза создания помогают растениям распространять семена, собирая их длинными волосками и разбрасывая гибкими иглами. В таком лесу на стволе дуба надуваются пузыри, впрыскивающие лечебную сыворотку, и их даже трудно принять за животных. Не случайно Гринсберг подчеркнуто называет свои биологические создания «устройствами».

Фото Александра Дэйзи Гринсберг, дизайнер, куратор проектов «Синтетическая эстетика», «Создай свою собственную жизнь по примеру природы», сотрудник Центра интегративной синтетической биологии Университета Уорвика: «Мы конструируем биологические организмы более 10 000 лет. Культурные сорта растений, породы домашних животных — все они созданы нами по конкретным требованиям, будь то урожайность, размер или вкус плодов или цвет шерсти. Но такое конструирование велось методом проб и ошибок и занимало значительное время. Принципы синтетической биологии позволяют получать значительно больший контроль над процессом конструирования, открывая перед учеными новые возможности быстрого оперирования нужными свойствами организмов на принципиально новом — генетическом — уровне».

Периоды человечества

Такая фантазия ненаучна и выглядит наивной, однако она обретает смысл, если смотреть не на форму, а на содержание. Дизайнер лишь выразила своими средствами идею о третьем периоде в жизни человечества, который мы активно приближаем. В начале своей истории люди использовали «естественные» мощности, такие как огонь, мышцы быков или реакции брожения. Позже они научились конструировать не существующие в природе механизмы и синтезировать новые материалы. Это можно назвать этапом «искусственного», и на этом построена вся современная цивилизация. Теперь же развитие технологий ведет к тому, что различие между природным и рукотворным, между организмом и механизмом начнет постепенно размываться. Человек будет по‑всякому перестраивать первые и частично выращивать вторые; граница между ними станет условной вплоть до невозможности узнать происхождение объекта.

Биохакеры на марше

Нас ждет расцвет синтетической биологии. Новые поколения животных будут гораздо разнообразнее, нежели наши породы собак, и куда более искусственными. Их будут проектировать. Прообраз такого подхода мы видим в конкурсе iGEM (International Genetically Engineered Machine, см. «ПМ» №?2'2014), в рамках которого студенты из разных стран состязаются в «биохакерстве». На основе набора ДНК-фрагментов, манипулируя генами, они должны создать живую клетку с необычными свойствами. Например, команда из Калифорнийского университета в Беркли превратила кишечную палочку в заменитель красных кровяных телец для переноса кислорода в кровотоке. А студенты Кембриджа разработали на основе той же кишечной палочки искусственную бактерию E.?chromi, способную окрашивать среду своего обитания в зависимости от наличия, например, токсинов.

Пройдет совсем немного времени, и генная инженерия станет доступной каждому. Создать животное или даже его гибрид с машиной будет не сложнее, чем сегодня собрать компьютер из купленных деталей. Мир наполнится существами, на фоне которых светящиеся в темноте котята будут выглядеть игрушками на уровне младших классов средней школы. Внешний вид и поведение таких биосистем не сможет предсказать ни один футурист, даже Дугал Диксон.

Фото Дэнни Дханасекаран, профессор отделения клеточной биологии Университета Оклахомы: «Для обнаружения различных химических веществ в окружающей среде используются химические методы, чувствительности которых в некоторых случаях не хватает. Чтобы преодолеть это ограничение, можно воспользоваться принципами бионики. В 2007 году с помощью генномодифицированного штамма дрожжей нам удалось создать обонятельные рецепторы, реагирующие на запах 2,4-динитротолуола (ДНТ), идентичный запаху тротила (ТНТ), и идентифицировать соответствующие типы рецепторов у крыс и мышей».

Редактирование генома

CRISPR
Цинковые пальцы
TALEN

Система иммунитета CRISPR/Cas9, обнаруженная недавно у бактерий, служит им для защиты от вирусов. Генные инженеры приспособили ее для своих целей: они синтезируют молекулу РНК, служащую «репликой» выбранного участка гена, и соединяют ее с белком Cas9, который умеет разрезать ДНК. Поскольку введенная РНК узнаёт лишь свой фрагмент генома, она служит «системой точного наведения», и генетические «ножницы» доставляются в нужное место с ювелирной точностью. В отличие от прежних методов («цинковые пальцы» и TALEN), где разрезание и склейка генов происходит в пробирке, новая технология позволяет редактировать геном прямо в живом организме, причем одновременно в разных участках.

Статья «Мир победивших биотехнологий» опубликована в журнале «Популярная механика» (№12, Декабрь 2014).