Революция в области синтетической биологии
Дивный новый мир биологии
Часть 1. Революция в области синтетической биологии: перспективы и риски
В мае 2010 года самый богатый и влиятельный человек в мире биотехнологий явил миру еще одно новое создание. Джон Крейг Вентер вместе со специалистами из принадлежащей ему компании начал с ДНК и построил генетическую последовательность нуклеотидов, объем которой превышает один миллион бит информации. Семь лет назад Вентер стал первым в мире ученым, которому удалось создать живое существо из информации. Однажды, просматривая длинную цепочку букв, представляющих собой последовательность ДНК вируса бактериофага phi-X174, Вентер вдруг подумал: «А ведь я смогу на основе этой компьютерной информации собрать реальную ДНК». Он так и сделал, создав вирус на основе геномного кода бактериофага phi-X174. Позже ученый использовал тот же самый метод для сборки ДНК более крупного и сложного объекта. Группа Вентера создала искусственную клетку бактерии, вставив в нее искусственную ДНК, после чего ученые стали наблюдать за тем, как синтезированная ими органическая форма жизни движется, питается, дышит и воспроизводит себя.
Своими экспериментами Вентер попытался предостеречь слишком уж забывчивое человечество и показал, что нас всех ожидает. Так, например, в 2009 году в одном из своих интервью он предупредил: «Мы полагаем, что, если мы активировали геном, то сам этот факт уже, вероятно, заставит людей изменить представления о живом мире». Свою новую технологию Вентер назвал «синтетической геномикой», которая «появится сначала в цифровом компьютерном мире на базе цифровой биологии, а затем научится создавать новые модификации ДНК для вполне конкретных целей. … Это может означать, что по мере познания законов существования различных форм жизни, человек сможет создавать самообучающиеся робототехнические и вычислительные системы. … Cказанное означает наступление новой эры очень быстрого обучения, – продолжил Вентер. – И это не единственный аспект человеческой жизнедеятельности, которая, вполне возможно, полностью изменится благодаря новым технологиям».
Сегодня кое-кто уже называет работу Вентера по созданию новых искусственных бактерий “4-D печатью”. Напомню, что 2-D печать – это самый обычный процесс печати, который начинается после нажатия на клавиатуре клавиши “Print”, в результате чего самый обыкновенный принтер выдает вам распечатанную статью и т.п. Однако промышленные компании, дизайнерские бюро и другие потребители уже переходят на 3-D печать – в этом случае сигнал подается к устройствам, содержащим всякие материалы типа пластмассы, графита и даже продукты питания, а на выходе мы получаем трехмерные продукты. В случае 4-D печати добавляются две важные операции: самосборка и самовоспроизведение. Сначала идея формализуется и попадает в компьютер, затем отправляется на 3-D принтер, и на выходе мы получаем конечный продукт, способный себя копировать и трансформировать. Скайлар Тиббитс (Skylar Tibbits) из Массачусетского технологического института создает при помощи твердых материалов сложные физические вещества, которые он называет “программируемыми материалами, которые выстраивают сами себя”. Вентер и еще несколько сотен специалистов в области синтетической биологии утверждают, что 4D-печать особенно хорошо подходит для конструирования живых объектов с помощью кирпичиков, из которых состоят сами живые объекты, то есть из ДНК.
После того, как его команда впервые создала геном вируса phi-X174, Вентер решил тщательно разобраться в следующем вопросе: как синтетическая геномика отразится на национальной безопасности страны и повлияет на здоровье граждан. Как предостерегается в докладе, регулировать деятельность в этой новой сфере науки мешают две следующие проблемы. Первая состоит в том, что стоимость работ в области синтетической биологии (или “синбио”) настолько снизилась, а методика проведения упростилась, что теперь их могут проводить даже обычные люди, не получившие никакого фундаментального биологического образования. Именно по этой причине принципы профессиональной этики, профессиональные стандарты и стандарты безопасности в этой новой сфере деятельности будут размываться. Вторая проблема состоит в том, что существующие стандарты, которые в США и других развитых странах в некоторых случаях все же регулируются государственными учреждениями, отстали от жизни, а потому устарели; к тому же многие молодые специалисты с этими стандартами, как правило, не знакомы.
Группа Вентера пришла к выводу, что по мере снижения затрат в области синтетической биологии, интерес к этой сфере будет увеличиваться, причем на передний план будут выходить этические и практические вопросы. И здесь прогноз ученых оказался как никогда точным. Синтетическая геномика в сочетании с другим прорывным направлением в биологии – так называемыми исследованиями неоморфных мутаций (или как их еще называют мутациями приобретения функции или GOF-исследованиями) – не только открывает огромное количество новых перспектив, но вместе с этим задает множество трудных вопросов и создает угрозы для национальной безопасности. И в результате научное сообщество уже вовсю принялось обсуждать проблемы, связанные с “искусственной эволюцией”, направляемой человеком, и дотошно изучать всякие эксперименты, в результате которых человек наделяет относительно безвредные бактерии инфицирующими свойствами. А в это же самое время те организации, которым положено заниматься предотвращением глобального биотерроризма и обеспечением биобезопасности, как-то уж очень отстают, они еще не научились правильно классифицировать угрозы и эффективно с ними бороться.
В Соединенных Штатах Конгресс и исполнительная власть тоже пытаются создавать списки известных патогенов и токсинов, а также разрабатывать меры по надзору, контролю и борьбе с ними. Еще больше от них отстали правительства других стран и международные институты, такие как ООН и Конвенция о биологическом оружии. Одним словом, регулирующие меры ориентированы на биологический мир прошлого – а там ученые, как и встарь, продолжают наблюдать за жизнью со стороны, описывая ее элементы и процессы; в ходе экспериментов они изменяют внешние условия, а затем смотрят, что из этого получится. Но в новой биологической науке ученые уже сами получают возможность конструировать жизнь и изучать ее изнутри. Вот что по этому поводу заметил Вентер в 2009 году: “У вас крышу снесет, если вы узнаете о том, каких результатов мы достигли к настоящему моменту”.
Программирование жизни
Вскоре после того, как все узнали об уникальном эксперименте Вентера, Институт медицины при Национальной академии наук собрал группу экспертов, которые должны были разобраться, каким образом новый биологический мир повлияет на этические и научные вопросы, а также на область национальной безопасности. Эндрю Эллингтон и Джаред Эллефсон из Техасского университета в Остине утверждают, что новое поколение биологов уже занимает новые научные рубежи и начинает смотреть на живые организмы и ДНК точно так же, как в свое время маги хай-тека, создавшие IBM, Cisco и Apple, смотрели на микросхемы и транзисторы. В каждой из этих двух сфер имеется значительный частный сектор и научный потенциал, обе сферы взаимодействуют друг с другом, объединяются и трансформируются. И вот уже специалисты-компьютерщики начинают говорить о “вычислениях на базе ДНК”, а специалисты в области синтетической биологии уже поговаривают о “живых монтажных платах”. Теперь биолог стал инженером, который программирует новые формы жизни как ему вздумается.
Джеральд Джойс из Исследовательского института Скриппса в Ла-Хойя, Калифорния, обеспокоен тем, что по мере размывания границ между этими областями биологи теперь все больше способны управлять эволюцией, т.е. мы являемся свидетелями “конца дарвинизма”. По замечанию Джойса, “жизнь на Земле продемонстрировала чрезвычайную устойчивость и изобретательность, сумев адаптироваться к самым разнообразным условиям обитания. Но, пожалуй, самым значительным изобретением, которое придумала жизнь, следует признать генетическую систему – вот уж где поистине нет предела для изобретательности! И в ближайшее время подобного результата синтетические биосистемы, вероятно, достигнуть не смогут. Однако, как только информационные макромолекулы получат возможность наследовать полезные мутации путем самоподдерживающейся дарвиновской эволюции, они могут начать порождать новые формы жизни”.
Мы не преувеличиваем. Все ключевые барьеры на пути искусственного синтеза вирусов и бактерий преодолены, по крайней мере в экспериментах. В 2002 году ученые Университета штата Нью-Йорк в Стоуни-Брук создали живой вирус полиомиелита на основе его генетического кода. А уже через три года ученые, обеспокоенные пандемией гриппа, решили в исследовательских целях воссоздать смертоносный вирус испанского гриппа (печально знаменитой “испанки”, свирепствовавшей в 1918 году), выявив ключевые элементы вирусных генов, благодаря которым в свое время этот вирус менее чем за два года убил около 50 миллионов человек. Все это привело к тому, что проблема технологий двойного назначения, которая впервые век назад возникла в химии, а через некоторое время коснулась физики, в настоящее время встала и перед биологией.
В свое время, где-то в промежутке между 1894 и 1911 годами, немецкий химик Фриц Габер (Haber) предложил способ массового производства аммиака. Эта работа произвела революцию в сельском хозяйстве, в результате которой появились современные предприятия по производству удобрений. Но та же самая работа Габера помогла создать химическое оружие, использованное германской армией во время Первой мировой войны – выходит, работа Габера привела как к благоприятным, так и к неблагоприятным последствиям. Через три года после того, как Габеру вручили Нобелевскую премию по химии [Габер получил Нобелевскую премию в 1918 году – прим.перев.], его соотечественнику Альберту Эйнштейну дали Нобелевскую премию за вклад в физику. Эйнштейновская теория относительности и гравитации, связав массу и энергию, не только помогла разгадать тайны Вселенной и проложила путь к использованию ядерной энергии, но также привела к созданию атомной бомбы.
Словом, проблема так называемых исследований двойного назначения, вызывающих опасения (DURC), – тех самых исследовательских работ, которые могут приводить как к благоприятным, так и к опасным и непредсказуемым последствиям, – уже давно проявила себя в химии и физике. В результате появились международные договоры, призванные ограничивать те физические и химические исследования, которые потенциально способны привести к неблагоприятным последствиям. А вот биологическая наука здесь сильно запоздала, и это при том, что Соединенные Штаты, Советский Союз и многие другие страны продолжали вести разработки такого оружия, но международно-правовых ограничений в данной области было относительно немного. Пока что все это не привело к значительным военным последствиям, поскольку те, кто стремится использовать биологическое оружие, еще не научились быстро распространять патогенные микроорганизмы или же направленно их использовать в отношении конкретных целей. Но вскоре ситуация может измениться.
Обеспокоенность по поводу технологий двойного назначения в биологии стала широко проявляться в течение последних двух лет, поскольку именно в это время стали проводиться GOF-исследования, предназначенные для борьбы с потенциальными патогенами, которых сначала искусственно создавали в лабораторных условиях. 12 сентября 2011 года на Мальте Рон Фушье (Fouchier) из Медицинского центра имени Эразма выступил на конференции, проводимой в рамках Европейской научной рабочей группы по гриппу. Он объявил о том, что нашел способ превратить вирус H5N1, поражающий почти исключительно птиц, в одну его разновидность, способную заражать человека. Как известно, согласно статистике, на тот момент вирусом H5N1 заразились только 565 человек, предположительно, в результате контакта с птицами; из общего числа зараженных умерли 331 человек (59%). Теперь сравним: во время пандемии гриппа 1918 года коэффициент смертности составлял лишь 2,5%, что привело к гибели более чем 50 миллионов человек. Таким образом, оказывается, что вирус H5N1 потенциально способен привести к катастрофическим последствиям. Хорошо, что в результате мутации не образовалась разновидность вируса, который может легко заражать человека. Во время конференции на Мальте Фушье заявил, что его группе, финансируемой Национальными институтами здравоохранения США (National Institutes of Health), удалось “создать адскую модификацию из штамма H5N1”, т.е. получить из птичьего гриппа его разновидность, способную заражать хорьков (лабораторных дублеров человека). И затем, добавил Фушье, он сделал “нечто очень и очень глупое”, а именно: ватным тампоном ученый коснулся носа зараженных хорьков и использовал собранные штаммы вируса для заражения другой группы животных; он повторял этот процесс до тех пор, пока не удалось получить модификацию H5N1, способную заражать млекопитающих воздушно-капельным путем.
«Этот вирус очень опасен», – заявил Фушье в интервью журналу “Scientific American”, после чего задал риторический вопрос: «А нужно ли вообще проводить эти эксперименты?» – и сам же ответил утвердительно. По его мнению, такие эксперименты могут помочь с выявлением наиболее опасных из существующих в природе штаммов гриппа, а потом разработать вакцину с нужными характеристиками и предупредить мир о том, что вирус H5N1 вполне вероятно способен передаваться воздушно-капельным путем. Вскоре после сенсационного заявления Фушье, вирусолог из Висконсинского университета Йошихиро Каваока, также получивший финансирование от Национальных институтов здравоохранения США, сообщил о том, что он также провел подобные эксперименты и тоже получил штамм птичьего гриппа H5N1, который способен заражать хорьков воздушно-капельным путем. Каваока очень осторожно модифицировал опытный образец штамма H5N1 с тем, чтобы сделать его менее опасным для человека. Оба исследователя проводили свои эксперименты с соблюдением повышенных норм безопасности в соответствии с требованиями по третьему уровню биологической безопасности (BSL-3). Напомним, что всего имеется четыре уровня биологической безопасности, самый нижний – BSL-1, а самый высокий – BSL-4.
Несмотря на меры предосторожности, Фушье и Каваока навлекли на себя гнев многих специалистов по национальной безопасности и экспертов в области здравоохранения, которые требовали ответа на вопрос, чем могло быть оправдано преднамеренное создание штаммов, способных в принципе вызвать пандемию гриппа? К хору возмущенных голосов присоединился также один мало кому известный консультативный комитет при Национальных институтах здравоохранения США, а именно – Национальная научная консультативная комиссия США по вопросам биологической безопасности (National Science Advisory Board for Biosecurity), которая в 2011-12 годах провела несколько острых по накалу заседаний. Эта консультативная комиссия первой попыталась смягчить негативные последствия экспериментов со штаммами H5N1 и по этой причине уже в декабре 2011 года запретила публиковать методику создания новых модификаций вируса H5N1, способных заражать млекопитающих. Журналы Science и Nature должны были изъять из текстов статей Фушье и Каваоки те разделы, в которых содержится практическая часть, поскольку некоторые члены консультативной комиссии забеспокоились, что данная информация может послужить в качестве справочного пособия для террористов.
Особое беспокойство проявил член консультативной комиссии и эксперт в области здравоохранения Майкл Остерхольм из Миннесотского университета. Он предупредил, что наступил переломный момент и поэтому ученым необходимо сделать паузу и разработать стратегии, дающие гарантии, что в будущем подобная работа будет проводиться на благо общества с соблюдением норм безопасности. «Этот вопрос действительно должен рассматриваться многими сторонами на международном уровне, – заявил Остерхольм журналистам. – Грипп фактически сам по себе представляет отдельную большую тему. В отличие от гриппа, множество других возбудителей болезней, с которыми велись эксперименты в рамках четвертого уровня биобезопасности (BSL-4), не дали заразных штаммов. Но я не припомню, чтобы какой-то из возбудителей мог бы так же быстро распространяться по всему миру, как грипп».
Микробиолог Пол Кейм из Университета Северной Аризоны, который председательствовал в Национальной научной консультативной комиссии США по вопросам биологической безопасности, оказал большую помощь ФБР в выявлении преступника, рассылавшего в 2001 году письма, зараженные сибирской язвой. Чтобы определить происхождение спор язвы, помещенных в зараженные конверты и разосланные нескольким офисам СМИ и политическим лидерам, Кейм разработал новые методы генной дактилоскопии. Кейм согласился с мнением Остерхольма по поводу многих проблем общественной безопасности. Теперь, после инцидента с конвертами, зараженными сибирской язвой, биотерроризм вызывает у Кейма наибольшую тревогу. «Пока мы доподлинно не можем сказать, что в ходе именно этих [экспериментов] было создано средство, способное уничтожить мир. А может, его создадут в ходе последующей серии экспериментов, от которых и будет исходить угроза, – заявил Кейм журналистам. – Вот именно на этом и должна быть сфокусирована общемировая дискуссия».
Таким образом, решение о запрещении публиковать методику создания новых модификаций вируса H5N1, принятое в декабре 2011 года, ничего не решило, и потому четыре месяца спустя консультативная комиссия его отменила. В 2012 году Фушье и Каваоке удалось опубликовать в журналах Science и Nature обе свои работы без купюр, а временный мораторий на эксперименты с вирусом гриппа в рамках исследований двойного назначения был в конце концов снят. В начале 2013 года Национальные институты здравоохранения издали ряд директив по обеспечению биологической безопасности, санкционирующие исследования в области неоморфных мутаций ортомиксовирусов, но ограничения применяются только в отношении работ по вирусу гриппа. Остерхольм, Кейм и большинство ярых противников таких экспериментов отступили, позволив консультативной комиссии сделать шаг назад в темноту.
Глобальное лечебное средство?
В последние два года Всемирная организация здравоохранения (ВОЗ) провела две встречи на высшем уровне в надежде найти глобальное решение следующего вопроса: как поступить с открытым ящиком Пандоры в результате экспериментов со штаммами H5N1? Самая большая проблема с точки зрения ВОЗ состояла в том, чтобы ученые, исследующие штаммы гриппа, не нарушали хрупких межгосударственных соглашений по эпидемиологическому надзору и обмену информацией о вспышках эпидемий – а это очень реальная проблема, учитывая, что на подписание в 2005 году договора о Международных медико-санитарных правилах (этот договор наделяет ВОЗ полномочиями в случае эпидемии и обязывает все государства проводить мониторинг инфекционных заболеваний, а также сообщать о любых вспышках эпидемий) ушло целых четырнадцать лет. К тому же, после своей ратификации данный договор был оспорен некоторыми развивающимися странами, такими как Индонезия.
Джакарта сопротивлялась обмену образцами вирусов на том основании, что по ее мнению западные фармацевтические компании будут стремиться патентовать изделия, полученные из предоставленных штаммов, и, в конечном счете, получат большую прибыль, поскольку станут продавать вакцины и лекарства слаборазвитым государствам по завышенным ценам. Так, например, Индонезия отказалась делиться образцами вируса гриппа H5N1, обнаруженного на территории этой страны. Она выдвинула дикие обвинения в адрес мирового медицинского сообщества в целом, и США в частности. Индонезия даже изгнала переговорщика от США, занимающегося данной темой. В конце концов было выработано специальное соглашение о профилактических мерах по предотвращению пандемий; это соглашение было утверждено на сессии Всемирной ассамблеи здравоохранения (директивного органа ВОЗ) в 2011 году и в настоящее время является составным элементом Международных медико-санитарных правил (ММСП). Но к 2012 году количество государств, которым удалось соответствовать требованиям правил безопасности, мониторинга и проведения научных исследований, не превысило 35. Глобальным организациям еще предстоит получить и внести в базы данных множество других образцов вируса H5N1 и других опасных патогенов. Эксперты в области здравоохранения опасаются, что пандемия может начаться задолго до того, как власти поймут, с каким вирусом им надо бороться.
ВОЗ проинформировали о том, что в момент свержения режима Мубарака в начале 2011 года основные лаборатории системы минздрава Египта, расположенные в Каире, внезапно были опустошены во время беспорядков. В результате пропали ампулы со штаммами различных микроорганизмов, в том числе образцы вируса H5N1. И здесь у Египта имеются большие проблемы: страна находится на втором (после Индонезии) месте по заболеваемости этой разновидностью гриппа. Сначала предполагалось, что мятежники понятия не имели о содержимом похищенных ампул, ведь им была нужна только лабораторная электроника и холодильное оборудование. Однако никто не может сказать с уверенностью о дальнейшей судьбе ампул со штаммом гриппа – никто не знает, уничтожили их или нет.
С точки зрения ВОЗ события в Египте показали, что биологические лаборатории во многих странах мира вовсе не собираются принимать усиленные меры безопасности, уже взятые на вооружение голландцами для обеспечения безопасности исследовательской работы Фушье и американцами в отношении Каваоки. Генеральный директор ВОЗ Маргарет Чен и помощник генерального директора Кейджи Фукуда вспомнили эпидемию атипичной пневмонии 2003 года, в ходе которой китайское руководство скрывало факты и в течение нескольких месяцев не предпринимало никаких действий, после чего болезнь перекинулась на 29 стран. Китайские власти понимали, что даже в тех странах, которые отвечали всем требованиям Международных медико-санитарных правил, вовсе не соблюдаются никакие правила техники безопасности ММСП по работе с технологиями двойного назначения. В большинстве стран Азии само понятие биобезопасности было в новинку, да и к тому же создавало путаницу. Даже в Европе не было никаких внятных руководящих указаний относительно исследований двойного назначения, биобезопасности или биозащиты. Европейские страны больше беспокоились о генетически модифицированных продуктах, чем о патогенах и микроорганизмах; европейцев заботило соблюдение Картахенского протокола по биологической безопасности (2000 г.), который, несмотря на свое название, никак не затрагивает вопросы терроризма, национальной безопасности или некоторые темы, поднятые в ходе дискуссии по исследованиям двойного назначения. Вместо этого Картахенский протокол уделял внимание лишь генетически модифицированным организмам.
Первый саммит ВОЗ по теме исследований двойного назначения, проведенный в феврале 2012 года, побудил Фушье и Каваоку донести до коллег всю подробную информацию о своих методиках проведения экспериментов и о полученных результатах. Сообщение Фушье об экспериментах с мутациями, казалось, успокоило многих, поскольку ученый признал, что не использовал методы синтетической биологии; да, он создал вирус, который заразил лабораторных хорьков, но при этом ни один из них не умер. В результате консультаций по вирусу H5N1, на которых преобладали вирусологи, специализирующиеся на изучении гриппа, ученые пришли к заключению, что исследования в этой области не столь опасны, как считалось ранее, и потому мораторий на их проведение вскоре может быть отменен.
Раздраженный Остерхольм заявил в Нью-Йоркской Академии наук, что США и ВОЗ еще не сформировали четких правил проведения исследований DURC, они пока что не выработали стандартов, определяющих уровень безопасности и у них нет никакой программы, предусматривающей применение в глобальном масштабе скоординированных защитных мер. В отличие от Остерхольма, многие другие участники дискуссии не проявляли столь сильного беспокойства, наоборот, они высказали мнение, что непомерный страх перед рисками, связанными с GOF-исследованиями, может нивелировать те потенциальные выгоды, которые общественное здравоохранение могло бы получить в результате этих самых исследований. Вскоре после встречи они заявили, что когда было нужно, то ни ФБР, ни ЦРУ, ни другие спецслужбы не смогли ни выявить, ни оценить опасность терроризма, связанного с применением биологического оружия, GOF-исследованиям и работам в области синтетической биологии.