Синтетическая биология. О синтетических модифицированных организмах и синтетической биологии

Миллиарды лет эволюции породили великое разнообразие организмов. Но ещё есть масса направлений для развития. А ждать ещё миллиард лет до появления чего-то нужного — учёные не хотят. Новое направление генной инженерии ставит перед собой грандиозную цель: создание принципиально иной жизни.

«Скажите, что я должен изменить растение так, чтобы оно меняло цвет в присутствии тротила, — говорит биолог Дрю Энди (Drew Endy) из Массачусетского технологического института (MIT).

— Я могу начать изменять генетическую последовательность, чтобы сделать это и, если повезёт, после года или двух лет работы я смогу получить заказанное „живое устройство“ для обнаружения мин. Но это не поможет мне позже построить, к примеру, клетку, которая плавает и ест отложения на стенках артерий. И это не поможет мне вырастить небольшую микролинзу. В основном текущая практика биоинженерии — это искусство».

Именно это положение дел стремиться исправить молодая наука — синтетическая биология (Synthetic Biology), которую сейчас развивает небольшая плеяда учёных. Мистер Энди — в их числе.

Главных целей три:

1. Узнать о жизни больше, строя её из атомов и молекул, а не разбирая на части, как это делали раньше.
2. Сделать генную инженерию достойной её названия — превратить её из искусства в строгую дисциплину, которая непрерывно развивается, стандартизируя предыдущие искусственные создания и повторно комбинируя их, чтобы делать новые, более сложные живые системы, которых раньше не существовало в природе.
3. Стереть границу между живым и машинами, чтобы прийти к действительно программируемым организмам.

Создание биодетектора скрытых мин. Нужные генетические «фразы» из пробирок встраиваются в геном бактерии. Бактерии распыляют на местности. Там, где есть тротил в почве (а он неизбежно просачивается из мины наружу) — бактерии синтезируют флуоресцентный белок. Приходим ночью и обезвреживаем мины (иллюстрация с сайта sciam.com).

Практических приложений новой науки видится масса. Например, создание генинженерных микробов, которые сидели бы в чанах и производили бы сложнейшие и дефицитные лекарства — дёшево и в промышленных объёмах.

При этом, что важно, адепты синтетической биологии намерены прийти к такому положению дел, когда любой нужный организм биотехнологии создавали бы, пользуясь набором генетических последовательностей из обширного банка.

Это должно напоминать создание электронной схемы из промышленных транзисторов и диодов. Человек, собирающий новую схему, даже не обязан знать, что у этих деталей внутри и принцип, по которому они действуют. Ему важно только знать характеристики используемой детали — что имеем на входе, и что — на выходе.

Группа учёных MIT разложила на составляющие вирус Т7, словно машину (иллюстрация с сайта sciam.com).

Корни синтетической биологии уходят в 1989 год, когда команда биологов из Цюриха под руководством Стивена Беннера (Steven Benner) синтезировала ДНК, содержащую два искусственных генетических слова (или букв, в общем — нуклеотидных пар), помимо четырёх известных, используемых всеми живыми организмами Земли.

Представьте, что всё разнообразие жизни кодируется длиннейшими цепочками чередующихся четырёх нуклеотидных «букв». Упрощённо представим такую запись как ВААГБАВАГБББААГВ и так далее, и тому подобное.

На самом деле — это вещества — аденин, цитозин, гуанин и тимин, но для простоты обозначим их именно первыми буквами алфавита.

И тут вдруг учёные добавляют в этот язык никогда не применявшиеся в природе Д и Е — другие вещества, вплетающиеся в код жизни. Есть от чего взяться за голову.

Конечно, от шестибуквенной генетической последовательности до целых «шестибуквенных» организмов — большая дистанция, но впору говорить о зарождении Жизни 2.0.

А ведь и без этих необычных опытов биоинженеры были способны на чудеса.

Так группа учёных из университета Принстона (Princeton University) создала бактерии кишечной палочки, сверкающие, как новогодняя ёлка. А биологи из университета Бостона (Boston University) и вовсе наделили эту бактерию элементарной цифровой бинарной памятью.

Они соединили в бактерии два новых гена, активирующихся в противофазе — в зависимости от химических компонентов на входе эти бактерии «переключались» между двумя устойчивыми состояниями, словно триггер на транзисторах.

Но вот что интересно — ни та, ни другая работа, как ни странно, ни на шаг не приблизила учёных к созданию, допустим, светящейся бактерии кишечной палочки, которую можно было бы по желанию включать и выключать, как лампочку. Хотя, кажется, оба компонента, только в разных организмах, уже были созданы.

Потому-то Энди сейчас активно работает над созданием механизма, инфраструктуры или, если угодно, науки, которая позволила бы систематизировать такие работы, свести их в систему.

Тогда можно будет проектировать живые системы, которые ведут себя предсказуемым (и заказанным по желанию) образом и используют взаимозаменяемые детали из стандартного набора кирпичиков жизни.

Нужно сказать, что многое в этом направлении уже сделано. Например, Энди охотно показывает посетителям своей лаборатории ящичек с 50 колбами, заполненными густыми жидкостями.

В каждой колбе — строго определённый фрагмент ДНК (в МIТ их называют биокирпичами — BioBrick), функция которого определена. Его можно внедрить в геном клетки, и та начнёт синтезировать заранее известный белок.

Все отобранные биокирпичи спроектированы так, чтобы хорошо взаимодействовать со всеми другими на двух уровнях. Чисто механически — чтобы его легко было изготовить, хранить и, наконец — включать в генетическую цепочку.

И, так сказать, программно — чтобы каждый кирпич посылал определённые химические сигналы и взаимодействовать с другими фрагментами кода.

Из ДНК можно составлять логические схемы (иллюстрация с сайта sciam.com).

Сейчас в MIT создали и систематизировали уже более 140 таких элементарных кирпичиков — фрагментов ДНК.

Зная заранее характеристики этих кирпичиков, учёный может произвольно соединять их, программируя отклик живого на те ли иные химические сигналы.

Любопытно, что один из созданных Энди кирпичиков — это генетический аналог компьютерного оператора НЕ. Когда на его входе высокий сигнал (определённые молекулы), то на выходе — низкий уровень синтеза определённого белка. И наоборот: химический сигнал на входе низкий — высокий сигнал (то есть синтез белка) — на выходе.

Другой биокирпичик спроектирован так, что является биохимическим оператором И. То есть он имеет два химических входа и синтезирует белок, только когда сигнал есть на каждом из них одновременно.

Комбинируя эти фрагменты ДНК, можно сделать живой оператор НЕ-И, а из Булевой алгебры известно, что из должного числа таких операторов можно организовать любую логическую схему, реализующую любые двоичные вычисления.

О двоичной памяти из отдельных бактерий мы уже сказали — вот вам и скрещивание живого и машинного.

Дальнейшее продвижение идеи тормозится одной сложностью — поместив сконструированную ДНК в некую клетку, мы, невольно, заставляем взаимодействовать новые последовательности с теми, что имеются у исходной клетки.

Точнее — со всех биохимией, которая крутится там, в соответствии с закодированной в исходном геноме информацией.

Очень многие из кирпичиков, которые пробовали внедрять в генетический код клетки реципиента — просто уничтожали её. А ведь именно клетка должна обеспечивать жизнь нашей искусственной ДНК, её копирование и распространение.

Ведь мы же хотим создавать искусственные организмы.

Да и непонятно пока, как заставить реагировать на химические сигналы только отдельный, допустим, ДНК-транзистор, ведь рядом с ним в одном котле клетки будут «вариться» ещё несколько таких же элементов. Тут пора думать о создании искусственного биохимического провода.

Но, так или иначе, работа движется вперёд. Вот, прошлой осенью группа учёных из американского института биологических энергетических альтернатив (Institute for Biological Energy Alternatives) всего за две недели собрала на пустом месте живой вирус-бактериофаг phiX174, синтезировав шаг за шагом его ДНК — а это 5 тысяч 386 нуклеотидных пар.

Биолог Дрю Энди перебирает пробирки с кирпичиками жизни — синтезированными генетическими кодами (фото с сайта sciam.com).

Синтезированный вирус вёл себя точно так же, как и его природные собратья.

Конечно, вирус — очень маленький объект. Но всё равно достижение впечатляет — представьте по аналогии, что учёные взяли воду, железо, натрий, калий, серу, цинк, марганец, фосфор и так далее, и тому подобное, и синтезировали из этого всего живого кота. Или человека.

Создание бактерий, способных переваривать химическое оружие или очищать воду от ядовитых тяжёлых металлов — уже на подходе. А дальше?

Скептики говорят, что благодаря таким вещам, как Интернет, и тому факту, что никакие плодотворные исследования невозможны в изоляции учёных от своих коллег — дело кончится тем, что какая-нибудь радикальная группировка соберёт из кирпичиков жизни страшное биологическое оружие и поставит под угрозу саму жизнь на планете.

Энди говорит, что это — неизбежный риск, как в любой области прогресса. Об этом нужно говорить и думать. Но разве мы не хотим построить более благополучное общество, где тысячи людей будут спасены от болезней или старых мин, благодаря синтетической биологии?

Что предпочесть — риск терроризма (любое важное открытие можно превратить в оружие) и благо для нуждающихся, или — отсутствие риска плюс гибель многих людей от болезней?

Энди верит, что хороших людей больше, чем плохих.

Есть такая область биологии -- синтетическая биология . Вообще, ей уже лет десять, она развивается очень бурно, время от времени какие-то новости прорываются в научно-популярные издания, но что-то это всё мимо меня проскакивало. А тут вдруг наткнулся, почитал несколько статей -- и очень впечатлился.

Главная идея синтетической биологии -- синтезировать на генетическом уровне вещи, которые то ли не появились, то ли не закрепились в эволюции жизни на Земле.
Под словом "вещи" может иметься в виду как функция, так и что-то материальное -- например, новые белки или даже новые аминокислоты, из которых можно строить совершенно новые типы белков. И из этих новых "кирпичиков" биологи-синтетики пытаются построить, нет, даже так -- запрограммировать -- новые варианты жизни. Это как бы генетический инженеринг, но на совершенно новом уровне -- здесь не пересаживают ген одного организма другому, здесь пытаются с нуля "рассчитать" новый способ жизнедеятельности и внедрить его в реально живущую клетку.

Какие функции тут можно реализовать и как? Пока самой распространенной "игрой" является программирование новых, не существовавших в природе молекулярно-генетических "часов" в клетках (чаще всего, это бактерии E.coli ). Вот классический пример (Nature, 2000): в клетку запускают три белка (A, B, C), которые могут вырабатываться самой клеткой, но которые подавляют экспрессию друг друга по цепочке: A подавляет B, B подавляет C, C подавляет A. В результате возникает петля обратной связи -- но с задержкой по времени. И этого уже достаточно, чтобы в размножающейся колонии бактерий начались колебания концентрации этих молекул, что можно отслеживать напрямую по зеленому флуоресцентному белку (побочному продукту на одной из стадий цикла). Получается такая картинка :

Обратите внимание -- период колебаний здесь составляет часы, что в несколько раз больше периода деления клеток. Получается, информация о том, в какой фазе колебания мы находимся, генетически передается из поколения в поколение .

Поначалу у таких работ были недостатки -- далеко не все клетки вовлекались в колебание, наблюдался сильный разброс откликов по всей популяции, да и с течением времени разные клетки сбивались с ритма или начинали подзабывать фазу. Однако с этими проблемами постепенно справились. В 2008 году в работе A fast, robust and tunable synthetic gene oscillator отклик был сильный, устойчивый и однородный, а буквально месяц назад была опубликована работа A synchronized quorum of genetic clocks , в которой клетки, общаясь друг с другом, успешно синхронизировали по всей популяции свои новоприобретенные генетические часы.

Отдельно подчеркну роль теорфизики. За 6 лет до работы 2008 года в Phys.Rev.Lett. была публикована работа Synthetic Gene Network for Entraining and Amplifying Cellular Oscillations , в которой строилась модель подобных осцилляций и изучалась их фазовая диаграмма (например, при изменении силы петель обратной связи). В работе 2008 года опыт этого моделирования был принят к сведению (один из авторов, кстати, участвовал в обоих работах).

Это, конечно, только одна из возможностей. Сейчас из набора таких транскприпционных факторов уже умеют создавать элементы логических схем и вроде бы недавно даже внедрили в ту же E.coli настоящий цифровой регистр, который "считал" количество событий деления. В общем, тут открываются головокружительные перспективы -- см. например (довольно старую) популярную статью Синтетическая жизнь . Правда, это всё делать не так просто -- о технических трудностях этих работ см. недавний материал из Nature: Пять горьких истин синтетической биологии .

Это конечно впечатляет, но это еще далеко не всё. Дальше -- круче.

Предположим, нам хочется создать новые белки, построенные не только на стандартных 22-х, но и на каких-то новых аминокислотах. В принципе, другие аминокислоты есть, только в природе не предусмотрена возможность их кодирования в РНК. Как сделать так, чтоб рибосома их всё же использовала при синтезе белка?

Один из вариантов -- заставить рибосому мутировать так, чтоб она на каком-то не сильно важном триплете "ошибалась" -- вставляла другую аминокислоту. В принципе, такие работы были, но как-то вяло всё шло. А неделю назад была опубликована статья Encoding multiple unnatural amino acids via evolution of a quadruplet-decoding ribosome , в которой реализовано совершенно радикальное решение этой проблемы. Авторы этой работы целенаправлено добились такой мутации рибосом, чтобы они считывали генетический код не триплетами, а квадруплетами -- т.е. по четыре "буквы" РНК сразу. При этом открывается огромный простор для кодирования сразу кучи новых аминокислот (квадруплет может закодировать 256 комбинаций вместо 64 у триплета).

Для примера авторы смогли встроить в белок кальмодулин парочку новых аминокислот, которые затем в пространстве дополнительно соединились друг с другом (образовали циклический кросс-линк), что значительно укрепило трехмерную пространственную структуру белка (см.

Синтетическая биология — термин, долго использовавшийся для описания подходов в биологии, стремящихся интегрировать различные области исследования для того, чтобы создать более целостный подход к пониманию концепции жизни.

В последнее время термин используется в другом значении, сигнализируя о новой области исследования, которая объединяет науку и инженерию с целью проектирования и построения новых биологических функций и систем.

Синтетическая биология — это новое направление генной инженерии. Развивается небольшой плеядой учёных. Главные цели следующие:

1. Узнать о жизни больше, строя её из атомов и молекул, а не разбирая на части, как это делалось ранее.
2. Сделать генную инженерию достойной её названия — превратить её из искусства в строгую дисциплину, которая непрерывно развивается, стандартизируя предыдущие искусственные создания и повторно комбинируя их, чтобы делать новые, более сложные живые системы, которых раньше не существовало в природе.
3. Стереть границу между живым и машинами, чтобы прийти к действительно программируемым организмам.

Более 100 лабораторий по всему миру занимаются синтетической биологией. Работы в этой области разобщены; над их систематизацией работает биолог Дрю Энди из Массачусетского технологического института. Это позволит проектировать живые системы, которые ведут себя предсказуемым образом и используют взаимозаменяемые детали из стандартного набора генов. Учёные стремятся создать обширный генетический банк, позволяющий создавать любой нужный организм. Банк составляют биокирпичи — фрагменты ДНК, чья функция строго определена и которые можно внедрить в геном клетки для синтеза заранее известного белка. Все отобранные биокирпичи спроектированы так, чтобы хорошо взаимодействовать со всеми другими на двух уровнях:

• механическом — чтобы их легко было изготовить, хранить и включать в генетическую цепочку;
• программном — чтобы каждый кирпич посылал определённые химические сигналы и взаимодействовал с другими фрагментами кода.

Сейчас в Массачусетском технологическом институте создали и систематизировали уже более 140 биокирпичей. Сложность заключается в том, что очень многие сконструированные фрагменты ДНК при внедрении в генетический код клетки-реципиента уничтожают её.

Синтетическая биология способна создать генинженерные бактерии, которые могут производить сложнейшие и дефицитные лекарства дёшево и в промышленных объёмах. Спроектированные геномы могут привести к появлению альтернативных источников энергии или к бактериям, которые помогут удалять излишний углекислый газ из атмосферы.

Возможность управлять процессами, происходящими в живом организме, ограничена лишь нашим воображением. Очень скоро исследователи смогут «запрограммировать» живые клетки на производство биотоплива из возобновляемых источников, «заставить» их оценивать присутствие в окружающей среде токсинов или вырабатывать инсулин в количестве, требующемся организму… создается ощущение, что очень скоро генная инженерия станет чем-то не сложнее традиционной инженерии, и с живыми клетками станет работать так же просто, как с обычным компьютером. Упрощенную формулу синтетической биологии можно выразить следующим образом: «прочитай генетические последовательности белков, выполняющих определенные функции, получи все необходимые «составные части», собери их в сложные белковые конструкции, а затем помести эти конструкции в живую клетку и заставь работать» . Жизнь имеет в своей основе универсальный генетический код, и синтетическая биология предлагает, фактически, создать некую «коробку с универсальными деталями и инструментами», иначе говоря, биологический вариант набора транзисторов и переключателей, которые можно будет при необходимости вставлять в нужное место в цепи биохимических реакций, происходящих в клетке.

Тем не менее, подобные аналогии не приводят к заполнению разрыва между тем, что мы знаем о живых системах, и тем, как они функционируют в действительности. «Есть несколько биохимических реакций, которые мы понимаем так же хорошо, как работу отвертки или транзистора» , говорит Роб Карлсон (Rob Carlson), один из руководителей биотехнологической компании Biodesic (США). Однако сложности появляются вместе с усложнением системы, и в какой-то момент мы уже не можем смоделировать тот или иной процесс, так как он оказывается связан еще с несколькими не менее сложными процессами. В 2009 году ученые столкнулись с интересной закономерностью: несмотря на то, что в последние годы количество научных публикаций, посвященных описаниям новых биохимических путей, существенно выросло, сложность этих вновь описанных путей, или, другими словами, количество регуляторных единиц в этих путях, напротив, начало снижаться .

Препятствия возникают на каждом шаге моделирования процессов в живых системах: начиная от характеристики составных частей до сборки всей системы. «Сегодня биология заимствует очень много от инженерии» , говорит Кристина Агапакис (Christina Agapakis), работающая над диссертацией по синтетической биологии в Гарвардской Медицинской Школе (Harvard Medical School) в Бостоне. Тем не менее, проблемы не останавливают исследователей, и уже сегодня большинство из них выделяет пять основных проблем синтетической биологии, которые необходимо решить для дальнейшего развития этого направления.

Многие детали биологических систем неизвестны

Части биологической структуры очень разнообразны: к ним относятся определенные последовательности ДНК, кодирующие специфические белки, регуляторные участки генов и огромное разнообразие белков и других элементов биохимических путей. К сожалению, большинство этих частей до сих пор недостаточно охарактеризовано или не охарактеризовано вовсе, из-за чего при попытке моделирования целостной структуры исследователь сталкивается с огромным количеством неизвестных, каждая из которых может существенно повлиять на свойства и поведение моделируемой системы. Более того, при попытке выяснения функций той или иной «части» исследователи сталкиваются с тем, что при тестировании в разных лабораториях один и тот же белок, например, ведет себя по-разному, а также может выполнять не только различные, но и прямо противоположные функции в разных типах клеток.

В США при Массачусетском Технологическом Институте (Massachusetts Institute of Technology) был создан Регистр Стандартных Биологических Частей (The Registry of Standard Biological Parts), или, лучше сказать, Регистр Стандартных Биологических Деталей, где можно найти и заказать более 5 000 стандартных охарактеризованных «деталей»: генов, промотеров, участков связывания рибосом, терминаторов транскрипции, плазмид, праймеров и проч. Тем не менее, директор Регистра Рэнди Рэттберг (Randy Rettberg) не гарантирует, что все эти детали будут хорошо работать. Большинство из них были синтезированы студентами, участвовавшими в конкурсе iGEM (International Genetically Engineered Machine). Этот конкурс проводится ежегодно с 2004 года. Участники создают новые синтетические биологические системы, используя наборы уже готовых «деталей» или синтезируя новые. К сожалению, у большинства участников не хватает времени и знаний для того, чтобы дать подробную характеристику каждой de novo синтезированной «детали».

Рис. 2. «Детали» биологических систем представлены как кубики LEGO. Подобные фотографии можно встретить в журналах The New Yorker (слева) и Wired . Авторы журналов представляют современную биологию как простое конструирование из известных «кубиков». Истина в том, что мы не знаем, как многие из этих «кубиков» работают, а те, которые кажутся нам хорошо изученными, могут вести себя непредсказуемо в сочетании с другими «кубиками» или при изменении условий (Фотографии: J. Swart; M. Knowles).

Пытаясь оптимизировать метаболизм лактозы в бактериях, команда iGEM из Университета в Павии (University of Pavia) в Италии протестировала несколько промоторов из Регистра, помещая их в ДНК бактерии Escherichia coli . Большинство промоторов действительно работало (только один оказался недействующим), однако о многих из них было практически ничего не известно. Реттберг говорит, что на сегодняшний день независимые специалисты показали, что 1500 из «деталей», собранных в Регистре, работают так, как предсказывали их создатели, 50 не работают вообще или ведут себя совершенно иначе, чем предполагалось ранее, остальные же пока остаются непроверенными.

Создатели Регистра пытаются улучшить качество своей коллекции, привлекая к работе независимых экспертов и предлагая исследователям, работающим с заказанными «деталями», присылать свои данные о функционировании той или иной «детали» в различных биологических системах. Специалисты, участвующие в отборе «деталей» для Регистра, проводят секвенирование нуклеотидной последовательности каждой новой «детали». Также в настоящее время профессора Адам Аркин (Adam Arkin) и Джей Кислинг (Jay Keasling) из Калифорнийского Университета в Беркли (University of California, Berkeley) совместно с профессором Дрю Энди (Drew Endy) из Стэндфордского Университета (Stanford University) разрабатывают программу BIOFAB , целью которой является синтез и изучение новых и уже существующих «деталей» живых систем. В конце прошлого года Национальный Научный Фонд США (National Science Foundation) выделил на эти исследования 1,4 миллиона долларов. Помимо прочего проект предполагает разработку методов, с помощью которых можно было бы стандартизировать работу в различных лабораториях и сравнивать данные, полученные разными исследователями. Идеологи BIOFAB считают, что им удастся сократить вариабельность данных разных лабораторий, возникающую из-за отсутствия стандартных условий работы с биосистемами, по крайней мере вдвое .

Цели BIOFAB могут показаться простыми, но разработка стандартов по работе с живыми системами – очень непростая задача. Например, при внесении в клетку млекопитающего генетической конструкции, невозможно контролировать встраивание этой конструкции в ДНК клетки – иными словами, внесенные гены оказываются в любом месте генома и могут повлиять на экспрессию генов, расположенных поблизости, что вызовет непредсказуемые эффекты. Мартин Фусснеггер (Martin Fussenegger), профессор биотехнологии и биоинженерии из Швейцарского Федерального Технологического Института (Swiss Federal Institute of Technology) считает, что биологические системы слишком сложны, чтобы в принципе было возможно ввести какие-то общие стандарты.

Функционирование биологических систем непредсказуемо

Даже если функция каждой составной части системы известна, все вместе они могут работать непредсказуемо, и биологам очень часто приходится работать методом проб и ошибок. «Мы до сих пор, как братья Райт, пытаемся склеить самолет из кусочков дерева и обрывков бумаги» , говорит Луис Серрано (Luis Serrano), исследователь из Центра Геномной Регуляции (Centre for Genomic Regulation) в Барселоне. «Вы запускаете одну конструкцию в воздух, но она падает и разбивается. Вы запускаете еще одну и она, возможно, летит немного лучше» .

Рис. 3. «Клетки очень просто перепрограммировать». Журналы Scientific American и IEEE Spectrum изобразили синтетическую биологию такой же простой, как конструкция микрочипов или микросхем. Но, несмотря на то, что компьютерное моделирование может помочь исследователям предсказать поведение клетки, клетка – это сложная, вариабельная и постоянно развивающаяся система, происходящее в которой на порядки сложнее происходящего в компьютере (Изображения: Slim Films, H. Campbell).

Биоинженер Джим Коллинз (Jim Collins) и его коллеги из Бостонского Университета (Boston University) в Массачусетсе потерпели неудачу, пытаясь заставить работать в дрожжах так называемую систему «переключатель» (toggle switch). Около десяти лет назад в его лаборатории такая система была создана в клетке бактерии E. coli : исследователи внесли в клетку генетическую конструкцию, которая в состоянии покоя клетки экспрессировала один ген (назовем его геном А), а при определенном химическом воздействии переключалась на экспрессию другого гена (назовем его геном Б). Однако вначале клетки отказывались синтезировать продукт гена Б постоянно – после отмены химического воздействия они неизбежно возвращались к синтезу продукта гена А. Проблема, как объяснил Коллинз, состояла в том, что промоторы двух генов работали несбалансированно, из-за чего ген А экспрессировался всегда более активно, чем ген Б. Ученым пришлось потратить около 3 лет на то, чтобы заставить систему работать правильно.

Компьютерное моделирование может помочь решить проблему постоянного «угадывания функции» в синтетической биологии. В 2009 году Коллинз и его коллеги создали несколько немного отличавшихся друг от друга вариантов двух промоторов . По одному варианту обоих промоторов использовали для создания «генетического таймера» - системы, заставляющей клетку переключаться с экспрессии одного гена на экспрессию другого спустя определенное время. После того, как такая система была создана и протестирована, ее параметры были внесены в специально разработанную компьютерную программу, которая на их основании могла просчитывать поведение системы в случае использования других вариантов этих же промоторов. Таким образом, эксперимент показал, что принципиально компьютерное моделирование может существенно снизить временные затраты на изучение поведения живых систем, так как не будет нужно тестировать каждую систему в лаборатории, можно будет просто внести ее параметры в программу и получить модель ее поведения.

Не все биохимические системы работают в клетке достаточно хорошо: несовершенные системы могут улучшаться за счет так называемой направленной эволюции, предполагающей мутации в ДНК клетки, оценку работы получившихся систем «на практике», выбор наиболее хорошо работающих вариантов и их сохранение. Процесс направленной эволюции ферментов и других белков также можно смоделировать, как считает Фрэнсис Арнольд из Калифорнийского Технологического Института () в Пасадене, использующий в своей лаборатории эту технику для получения ферментов, участвующих в производстве биотоплива.

Сложность систем слишком велика

Чем более сложными становятся биологические системы, тем менее реальным становится их искусственное конструирование и тестирование. Кислинг и его коллеги разработали искусственную систему синтеза молекулярного предшественника противомалярийного соединения – артемизинина (artemisinin). В этой системе задействовано двенадцать различных генов, и на сегодняшний день эта работа является самой успешной и самой цитируемой в области синтетической биологии . Руководитель исследования посчитал, что понадобилось около 150 человеко-лет для обнаружения всех генов, задействованных в процессе, и разработки синтетической системы, в которой контролировалась экспрессия каждого гена. Например, исследователям пришлось протестировать множество вариантов взаимодействия составных частей системы, чтобы при синтезе конечного продукта не образовывался токсичный промежуточный продукт.

«Люди даже не думают о том, чтобы запускать подобные проекты, потому что эти проекты требуют слишком много времени и денег» , говорит Ресма Шетти (Reshma Shetty), одна из основателей компании Ginkgo BioWorks в США. Компания разрабатывает автоматизированные схемы для комбинирования генетических «деталей» (фрагментов ДНК, кодирующих белки, промоторов и т.д.) в системы с заданными свойствами. Исходные фрагменты ДНК синтезируются таким образом, что их может комбинировать робот. Правила синтеза фрагментов таким образом, чтобы их можно было собирать в единое целое, определены в так называемом стандарте «BioBrick» (BioBrick Standard).

В Беркли группа ученых под руководством Дж. Кристофера Андерсона (J. Christopher Anderson) разрабатывает систему, в которой всю работу по сборке «деталей» выполняет не робот, а бактерии. С помощью методов генной инженерии в клетки E. coli помещают гены ферментов, способных определенным образом разрезать и склеивать молекулы ДНК. Эти клетки называются «клетки-сборщики» (assembler cells). Другие клетки бактерии модифицированы таким образом, что могут отбирать необходимые молекулы из множества синтезированных. Эти клетки получили название «селекционных» (selection cells). Чтобы переносить ДНК из «клеток-сборщиков» в «селекционные» клетки, исследователи предполагают использовать фагемиды – плазмиды , полученные из вирусов-бактериофагов . Андерсон считает, что бактериальная система будет справляться с работой, выполняемой роботом за двое суток, всего за три часа.

Многие синтетические конструкции несовместимы с жизнью

Созданные in vitro и помещенные в клетку синтетические генетические конструкции могут оказывать непредсказуемые эффекты. Крис Войгт (Chris Voigt) из Калифорнийского Университета в Сан-Франциско (University of California, San Francisco занимается этой проблемой с 2003 года. Войгт использовал генетические конструкции, основанные на фрагментах ДНК бактерии Bacillus subtilis , для создания системы экспрессии определенных генов в ответ на химический стимул. Он хотел изучить полученную генетическую конструкцию вне клетки B. subtilis , поэтому перенес ее в клетки E. coli , однако в других бактериях система перестала работать.

«Исследовав культуру бактерий под микроскопом, мы увидели, что клетки больны , - говорит Войгт, - в один день система вела себя так, в другой – иначе ». Выяснилось, что внесение в клетки E. coli чужеродной генетической конструкции приводило к нарушению экспрессии жизненно важных белков. «С самой генетической конструкцией все было в порядке , - удивляется ученый, - просто одна из ее частей оказалась несовместима с жизнью бактерии» .

Исследователи под руководством профессора Лингчонга Ю (Lingchong You) из Duke University в США обнаружили, что даже простая экспрессионная система, состоящая из одного гена, продукт которого стимулирует свой собственный синтез, может привести к серьезным изменениям в клетке-хозяине . Активируясь в клетках E. coli , синтетическая генетическая конструкция приводила к угнетению роста бактерий, что, в свою очередь, становилось причиной повышения концентрации синтетического белка в культуре клеток. В результате в культуре наблюдался феномен так называемой бистабильности: часть клеток продуцировала интересующий белок, а в остальных клетках его продукция блокировалась.

Чтобы снизить вероятность неожиданных эффектов, исследователи разрабатывают «ортогональные» системы, работающие в клетке независимо от естественных процессов. Биолог Джейсон Чин и его коллеги из Лаборатории Молекулярной Биологии Совета по Медицинским Исследования (Medical Research Council Laboratory of Molecular Biology) в Кембридже создали белок-продуцирующую систему в E. coli , работающую совершенно независимо от естественных биохимических процессов в клетке . В этой системе синтез матричной РНК на основе ДНК осуществляет специфическая РНК-полимераза, узнающая определенный промотор гена, по своей нуклеотидной последовательности отличающийся от собственных промоторов клетки. Полученная матричная РНК (мРНК), называемая О-мРНК («ортогональная мРНК»), связывается с О-рибосомой, которая также является компонентом искусственной системы и способна синтезировать белок только на основе О-мРНК, не взаимодействуя с собственными мРНК клетки.

Таким образом, в клетке возникает параллельная система, не разрушающая жизненно важных процессов, а компоненты этой системы можно модифицировать. Например, экспериментируя со своей системой, исследователи убрали участок ДНК, кодирующий часть О-рибосомы, в результате чего продукция белка ускорилась.

Другим решением является физическая изоляция синтетической молекулярной структуры во внутреннем пространстве клетки. Венделл Лим (Wendell Lim) из Калифорнийского Университета в Сан-Франциско экспериментирует с созданием мембранных структур, внутри которых могут работать синтетические генетические конструкции. Исследователи работают на клетках пекарских дрожжей, однако считают, что похожие принципы могут быть применены и к бактериям.

Вариабельность разрушает систему

Ученые хотят быть уверены, что созданные ими искусственные системы стабильны во времени, однако молекулярные процессы в клетке подвержены случайным флуктуациям. Эти флуктуации могут быть вызваны как внутренними причинами, так и внешними – например, изменениями условий культивирования. К сожалению, случайно возникающие в собственном геноме клетки мутации могут приводить к разрушению искусственной системы.

Майкл Еловиц (Michael Elowitz) и его коллеги из Калифорнийского Технологического Института (California Institute of Technology) в Пасадене десять лет назад создали первый генетический осциллятор и оценили влияние на него случайных изменений, происходящих в клетке . Генетический осциллятор представлял собой систему из трех генов, взаимодействие продуктов которых приводило к синтезу флуоресцентного белка, причем этот синтез происходил не постоянно, а периодами, в результате чего клетки начинали мерцать. Тем не менее, не во всех клетках этот процесс происходил одинаково. Какие-то были ярче, какие-то – темнее, одни мерцали часто, другие – редко, а в некоторых характер мерцания и интенсивность свечения изменялись с течением времени.

Рис. 4. Ожидание невероятных открытий синтетической биологии дизайнеры журнала Nature изобразили как обретение человеком возможности создавать синтетическую жизнь (справа), а их коллеги из организации ETC Group сравнили деятельность ученых с «игрой в Бога». Однако действительность такова, что в данной области остается еще немало нерешенных проблем, а ее достижения еще очень далеки от практического применения (изображения: R. Page/ETC Group; issue 1 of the Adventures in Synthetic Biology. Story: Drew Endy & Isadora Deese. Art: Chuck Wadey).

Еловиц считает, что эти различия могли возникнуть по целому ряду причин. Клетка может экспрессировать гены постоянно или периодами. Это связано в том числе с общим количеством в ней мРНК и загруженностью белок-продуцирующих систем, таких как полимеразы и рибосомы.

Джефф Хасти (Jeff Hasty) и его научная группа, занимающаяся синтетической биологией в Калифорнийском Университете (University of California) в Сан-Диего, описали в 2008 году более стабильный генетический осциллятор . Используя другую генетическую конструкцию и полностью контролируя условия культивирования, ученые добились, что у всех клеток в культуре характер экспрессии флуоресцентного белка и, соответственно, характер мерцания были одинаковыми. Также совсем недавно исследователи показали, что синхронизации мерцания можно добиться, используя межклеточные взаимодействия . Руководитель работы считает, что, вместо того чтобы пытаться избавиться от влияния на синтетическую систему клеточных процессов, можно использовать естественные биохимические реакции, приспосабливая их под собственные нужды. Он подчеркивает, что в физике, например, шум иногда не мешает, а, напротив, помогает обнаружить полезный сигнал. «Если ты не можешь это победить, то тебе придется научиться это использовать» , поясняет Хасти. Например, «шум» позволяет клеткам отвечать на внедрение синтетической конструкции немного по-разному, что делает культуру более устойчивой к изменениям внешних условий.

Еще одно направление исследований, возглавляемое Джорджем Чорчем (George Church) из Гарвардской Медицинской Школы (Harvard Medical School) в Бостоне, связано с поиском путей получения стабильных бактериальных линий. Чорч считает, что вариабельность естественных молекулярных процессов можно снизить опять же с помощью искусственного изменения генома клетки, внесения в нее более точных систем репликации ДНК, модификации участков генома, склонных к мутациям, увеличения в клетке количества копий ее генома. Это направление также очень важно, поскольку стабильность живой клетки, не слишком важная для простых синтетических систем, становится крайне важной при построении сложных.

Настало время практики?

Несмотря на все сложности, синтетическая биология активно развивается. Исследователям уже удалось получить линии E. coli , клетки которых способны считать события – например, количество собственных делений, и распознавать освещенные и затемненные области в окружающей среде. Получены синтетические конструкции, работающие не только в бактериальных, но и в более сложных клетках. Появляются новые центры изучения синтетической биологии и новые программы в университетах.

Система получения предшественника артемизинина, полученная группой Кислинга, уже практически нашла свое коммерческое применение. Ею заинтересовалась французская компания Sanofi-Aventis , планирующая вывести генетическую конструкцию на рынок к 2012 году. Еще несколько компаний заинтересованы в получении синтетического биотоплива. Исследователи считают, что это только начало.

Материал подготовлен редакцией ИноСМИ специально для раздела РИА Наука >>

Лори Гаррет, старший научный сотрудник программы Глобального здравоохранения при Совете по международным отношениям (CFR).

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 биологический объект на основе имеющейся генетической 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 генома 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 искусственно синтезированную ДНК, после чего ученые стали наблюдать за тем, как клетки бактерии движутся, питаются, и воспроизводят 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, раз 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.

Я считаю, что дети - наше будущее

Те, кто высказывается в пользу того, чтобы не препятствовать быстро развивающимся исследованиям в области синтетической биологии, таких, например, как эксперименты Дрю Энди из Стэнфордского университета и Тодда Куйкена из Международного центра поддержки ученых Вудро Вильсона (последний является одним из лидеров ширящегося самостийного международного движения в области биологии), настаивают на том, что внимание нужно уделять не только угрозам, исходящим от синтетической биологии, но и открывающимся перспективам. По мнению Энди, доля генной инженерии и синтетической биологии в экономике США уже равна двум процентам, причем данный сектор растет на 12 процентов ежегодно. Возглавляемая им кафедра биоинженерии Стэнфордского университета ежегодно получает бюджетное финансирование в размере полумиллиарда долларов. Энди предсказывает, что синтетическая биология в ближайшем будущем породит экономический и технологический бум, как в самом начале нынешнего века это сделали Интернет и социальные медиатехнологии.
Многие студенты-биологи в наше время считают, что генная инженерия существующих в природе форм жизни и создающая новые - это передний край биологии. На ярмарках научных проектов и во время проведения экспериментов студентам некогда задумываться о сущности исследований двойного назначения, они слишком торопятся попасть в будущее. В 2004 году в Массачусетском технологическом институте стартовали Международные соревнования по синтетической биологии (IGEM), на которых студенческие команды соревновались в конструировании новых форм жизни. А недавно к участию в этом конкурсе решено допустить и школьников. В прошлом году к участию в конкурсе были допущены более 190 заявок от молодых исследователей из 34 стран. То, что кажется предыдущим поколениям фантастикой, для молодежи становится повседневностью.

За несколько прошедших лет исследования в области синтетической биологии относительно удешевились и упростились. В 2003 году в рамках проекта “Геном человека” было завершено первое полное секвенирование ДНК человека. Стоимость проекта составила несколько миллиардов долларов, при этом в проекте участвовали тысячи ученых и техников из более 160 лабораторий, продолжительность проекта - более десяти лет. А уже десять лет спустя стало возможным купить секвенатор, выложив за него всего несколько тысяч долларов, и провести секвенирование генома в домашних условиях менее чем за 24 часа. Еще меньше понадобится времени частным компаниям для расшифровки генома на коммерческих условиях, причем цены на эту услугу продолжают снижаться, затраты упали настолько, что оборудование для секвенирования уже стало не выгодно размещать в развитых странах, и в результате значительную его часть перебазировали в Китай. В огромных лабораториях под Пекином, Шанхаем и Шэньчжэнем автоматизированные секвенаторы сейчас вовсю расшифровывают ДНК, а объемы информации, загружаемой ежемесячно в базы данных, намного превосходит весь суммарный ее объем, накопленный с 1953 года, когда Дж. Уотсон и Ф. Крик открыли ДНК, по 2003 год, когда Вентер синтезировал геном phi-X174.

Чтобы понять, чем занимается современная синтетическая биология, обратимся к примеру. Вот, скажем, перед нами стоит такая задача: как обнаружить мышьяк, содержащийся в загрязненных месторождениях грунтовых вод? А теперь представьте, что можно будет создавать безвредные бактерии, которые начнут светиться в воде, загрязненной мышьяком, - как вам такая идея? Нет-нет, таких существ в природе нет, но есть же существа которые люминесцируют (светлячки и некоторые виды рыб). В некоторых случаях эти организмы светятся только когда спариваются или чувствуют угрозу - это своеобразные биологические переключатели. Существуют также и другие микроорганизмы, которые могут реагировать на присутствие мышьяка. К тому же существует бесчисленное множество безвредных для человека бактерий, с которыми можно спокойно проводить эксперименты.

Итак, нам требуется существо с нужными свойствами, для этого необходимо установить программу на своем ноутбуке и, подключившись к коммерческим базам данных, найти требуемые части ДНК, отвечающие за люминесценцию и за реакцию на мышьяк. После чего заказчику остается только купить эти безвредные бактерии. Затем вы просто должны вставить полученный код в ДНК бактерии, а потом убедиться в том, что с бактерии живы и способны себя самовоспроизводить. Теперь осталось только взять загрязненную мышьяком бутылку воды, добавить туда несколько искусственных бактерий и встряхнуть ее: если вода начнет светиться, значит, мышьяк обнаружен. (Здесь мы в сжатом виде описали опыты, которые на самом были деле проведены командой из Университета Эдинбурга на Международных соревнованиях по синтетической биологии (IGEM) в 2006 году).

Самая сложная часть задачи заключается в том, чтобы вставить фрагменты ДНК в последовательность, но скоро и эта задача перестанет быть трудной. В области биосинтеза все больше используется 3-D печать. Теперь ученые могут загрузить нуклеотиды в 3-D “биопринтер”, генерирующий геномы. К тому же возможна научная кооперация на глобальном уровне. Скажем, одна команда ученых проектирует генетическую последовательность на компьютере в одной части земного шара и отправляют данный код на принтер, расположенный где-нибудь в другой точке Земли у совсем другого пользователя, подключенного к интернету. Но полученный код может быть использован как в благих целях, например, для создания лекарства или вакцины, так и в преступных. В последнем случае, представьте, что окажется возможным превратить вирус phi-X174, с которым Вентер работал десять лет назад, в микроорганизм, убивающий клетки человеческого организма, или изготовить какие-нибудь опасные бактерии, устойчивые к антибиотикам, а то и вовсе создать новый штамм вируса.

Информацию, пожалуйста!

По мнению экспертов в области национальной безопасности и правоохранительной деятельности, внимательно наблюдающих за биологической революцией, на первый план выходит следующая проблема - информация. С одной стороны, практически все ныне действующее законодательство в этой области, как отдельных стран, так и международное, определяет правовой режим операций с патогенными микроорганизмами (например, с вирусом Эбола) и осуществляет их мониторинг, однако отследить всю информацию практически невозможно. Информацию о генетическом коде можно спрятать где хочешь, например, боевики Аль-Каиды скрыли инструкции по осуществлению террористических актов внутри порнокассет, а с помощью невинных твит-сообщений можно перенаправить получателя в какую-нибудь нелегальную область интернета, где хранятся геномные коды, всегда готовые к загрузке на 3-D принтере. Получается, что совсем неожиданно проблема биологии стала вдруг проблемой информационной безопасности.

В феврале 2013 года на второй саммит ВОЗ, посвященный исследованиям двойного назначения (DURC), около трети ученых и правительственных чиновников прибыли из Соединенных Штатов. Они представляли не менее 15 различных организаций вроде ФБР, Центра по контролю и профилактике болезней, Министерство обороны и Управление торгового представителя США. Хотя на саммите были представлены и остальные страны, все же сигнал, посланный администрацией Обамы, был ясным и недвусмысленным - обеспокоенность.

Каждая страна-участница Конвенции о биологическом оружии должна наделить полномочиями одну из своих организаций, обязав ее нести ответственность за обеспечение соблюдения положений конвенции. С американской стороны такой организацией является ФБР, которая взаимодействует с научным сообществом и пытается выявлять исследования двойного назначения (DURC). Правда, небольшой офис ФБР несколько ужался в результате недавно проведенных Конгрессом сокращений бюджета и секвестра. Но, в отличие от биологов, ФБР не обладает таким же опытом и научными знаниями, и поэтому на практике для осуществления контроля ФБР должно полагаться на мнение ученых - а эта ситуация, очевидно, проблематичная.

Другие страны пытались решить проблему контроля исследований DURC другими способами. Например, в Дании существует процедура лицензирования как государственных, так и частных научных исследований. При этом перед выполнением экспериментов исследователи обязаны официально информировать о своих реальных целях, а государственные органы должны сначала проверять, насколько лаборатории и персонал соответствуют требованиям безопасности, и только после этого выдавать лицензии, в которых определяется режим их работы. Некоторые заявки и лицензии получают гриф секретности, обеспечивая тем самым коммерческую тайну в частном секторе. Однако масштабы биологических исследований в стране очень небольшие: в настоящее время всего выдано менее 100 лицензий.

С помощью закона об экспортном контроле правительство Нидерландов стремилось не допустить публикации работы Фушье, посвященной модификации вируса H5N1, поскольку информация, содержащаяся в этой работе, считается товаром, требующим особого режима распространения. Хотя после первого саммита ВОЗ правительство и сняло запрет на публикацию, некоторое время спустя окружной суд постановил, что работа Фушье нарушает законодательство ЕС. Однако Фушье решил обжаловать решение суда, что, несомненно, серьезно повлияет на характер обмена информацией о подобных исследованиях во всей Европе. Один из выводов, который США извлекли для себя после всем известных утечек информации, заключается в том, что установить надежный контроль над передачей цифровой информации между сторонами может оказаться невозможным, если вовлеченные стороны действуют решительно и изобретательно.

Оценив перспективность биологического конструирования, многие биологи теперь относятся к своей работе в области геномики как к «штрихкодированию». Подобно производителям, которые ставят штрихкоды на товарах, чтобы при сканировании продемонстрировать идентичность продукта и цены, биологи точно так же хотят секвенировать генетические последовательности растений, животных, рыб, птиц и микроорганизмов, существующих в мире, и каждому из этих существ сопоставить свою последовательность ДНК - можно сказать, уникальный для данного вида «штрихкод». И тогда можно будет каждому синтезированному организму и каждому организму, подвергшемуся GOF-мутациям, сопоставить свой «штрихкод». В результате спецслужбы и органы здравоохранения смогут отслеживать перемещение, использование и создание искусственных или измененных организмов. Такой подход уже применяют в отношении генетически модифицированных семян и сельхозпродукции, с таким же успехом его можно использовать для исследований двойного назначения (DURC). При этом право проставления штрихкодов должно закрепляться лишь за исследователями, а не потенциальными террористами. В общем, у данной проблемы нет быстрых и простых технологических решений.

От ВОЗа до Хаджа

В 2013 году на саммите Всемирной организации здравоохранения не удалось достичь каких-либо значимых договоренностей по исследованиям двойного назначения (DURC). ВОЗ, испытывающая финансовые проблемы, не смогла изыскать ресурсы, чтобы выполнить рекомендации, разработанные на саммите. Хуже того, участники саммита даже не смогли заложить общий фундамент под обсуждаемый вопрос, а слаборазвитые страны поняли, что данный вопрос не стоит в числе приоритетных. К тому же африканские представители посетовали на то, что их страны не обладают нужными ресурсами для проведения в жизнь мер, обеспечивающих биологическую безопасность. Как заявил на условиях анонимности некий представитель одной африканской страны, «именно мы - вот кто на самом деле страдает от всех этих болезней. Именно мы нуждаемся в этих исследованиях, но не можем их проводить. У нас нет средств. У нас нет ресурсов. А теперь, в связи с обеспокоенностью по поводу исследований двойного назначения, наши люди из соображений безопасности не могут попасть в ваши лаборатории, чтобы работать там [в Соединенных Штатах или Европе]. Вольно или невольно, все эти опасения по поводу DURC-исследований нас тормозят».

Крупные развивающиеся страны вроде Бразилии, Китая, Индии и ЮАР на этой трехдневной конференции практически не были заметны. Их интересовал лишь вопрос о том, кто будет выдавать патенты на продукты, созданные в ходе DURC-исследований, они настаивали на необходимости передачи технологий или же нудно рассказывали о том, насколько строго в их странах контролируется исследовательская работа. В частности, китайские делегаты уверяли собравшихся в том, что в Китае предприняты все необходимые меры для обеспечения биологической безопасности. Через два месяца после встречи группа ученых из китайской Национальной проверочной лаборатории по выявлению птичьего гриппа при Харбинском институте ветеринарных исследований использовала GOF-методы для синтезирования 127 форм вируса гриппа, все они основаны на штамме гриппа H5N1 в сочетании с генетическими атрибутами, найденными у десятков других типов гриппа. Китайцы опирались в основном на работы Фушье и Каваоки, несколько их модифицировав. Пять из синтезированных ими искусственных штаммов опаснейшей разновидности гриппа оказались способны заражать морских свинок воздушно-капельным путем, приводя к летальному исходу.

Около десяти лет назад вирусологи разных стран забили тревогу. Им стало известно, что американские ученые решили вставить в вирус оспы специальный ген, благодаря которому раствор, зараженный оспой, окрашивался в зеленый цвет. Инновационное изобретение американских ученых, предназначенное для выявления смертельного вируса, назвали «преступлением против человечности».

И, наоборот, в начале нынешнего года, когда в Китае появился новый тип птичьего гриппа H7N9, вирусологи стали уповать на GOF-исследования, подчеркнув их важность для здравоохранения. После изучения генетической структуры этого вируса, Фушье вместе с Каваокой заявили о его опасности, отметив, что те же самые генетические изменения, которые они внесли в вирус H5N1, уже присутствуют в штамме H7N9. В августе нынешнего года группа Фушье опубликовала результаты экспериментов, которые показали, что вирус H7N9 способен инфицировать хорьков и заражать животных воздушно-капельным путем. Фушье, Каваока и еще 20 других вирусологов призвали к проведению обстоятельной серий GOF-экспериментов с вирусом H7N9, чтобы синтезировать генетическую разновидность гриппа, создав из птичьего гриппа штамм, способный заражать человека воздушно-капельным путем, а это позволит вирусологам лучше подготовиться к борьбе с ним.

Пока власти соответствующих стран, регулирующие подобные исследования в области здравоохранения, обсуждают просьбу ученых провести опыты с вирусом H7N9, другие микроорганизмы также начинают создавать проблемы, которые могут быть решены с использованием GOF методов. В июне 2012 года в Саудовской Аравии, как гром среди ясного неба, появился «ближневосточный респираторный синдром» (MERS), и уже к сентябрю 2013 года от этого вируса пострадали 132 человека, половина из которых погибла. Хотя MERS и напоминает ОРВИ (т.е. «тяжёлый острый респираторный синдром» - SARS), о его происхождении многое по-прежнему неизвестно. Наблюдались многочисленные случаи передачи вируса MERS от человека к человеку, особенно в больницах, дошло до того, что власти Саудовской Аравии подняли тревогу по поводу возможного распространения MERS во всем исламском мире. Заметим, что ни вакцина, ни другое лекарство от MERS на сегодняшний день не найдено. Если будет разрешено проводить эксперименты по определению заражающего воздействия вируса H7N9, то почему бы ученым не попросить такое же разрешение на проведение экспериментов с MERS, чтобы изучить его заразную форму, дабы предотвратить ее распространение, скажем, среди паломников во время хаджа?

Когда в начале 1980-х появился ВИЧ, никто не знал достоверно о том, как именно этот вирус передается. Многие медики полагали, что 99-процентную заболеваемость с летальным исходом можно снизить, если полностью исключить контакт с заразившимися людьми. Во всех школах США запретили появляться ученикам, у которых выявлена положительная реакция на ВИЧ, а большинство спортивных лиг запретили играть зараженным спортсменам (все это происходило до тех пор, пока звезда NBA Мэджик Джонсон официально не заявил о том, что он тоже заражен, в результате чего возникло движение против изоляции ВИЧ-инфицированных людей). Если бы это было технически возможно, может нужно было модифицировать этот вирус, придав ему способность распространяться воздушно-капельным путем или через случайное прикосновение, чтобы потом его изучать?

Что теперь делать?

Ученые и эксперты по безопасности вряд ли придут к согласию по вопросу о рисках, связанных с исследованиями двойного назначения (DURC) в области синтетической биологии. Спустя почти тридцать пять лет после того, как была ликвидирована оспа, все еще бушуют споры - уничтожать или нет последние из оставшихся образцов этого вируса?

Какие выгоды могут принести исследования в синтетической биологии? Трудно сказать. Сторонники считают, что эта область биологии преобразит мир подобно революции в области информационных технологий, однако противники настроены скептически. Боязнь возможных отрицательных последствий DURC-исследований лишь помешает развитию науки. Власти США, например, принялись бы плести огромную бюрократическую паутину, учреждая органы регулирования и надзора, - здесь они несомненно бы преуспели больше остальных стран, но в этом случае американские научные программы затормозились бы, а самые инновационные исследовательские проекты ушли бы в другие государства. Односторонние действия любого правительства обречены на провал.

Это означает следующее: политикам не стоит ожидать, что с самого начала будет полная ясность и полнота информации; им не стоит поспешно налагать ограничения и пренебрегать способностью науки к саморегулированию. Вместо этого политики должны признать, что революция в сфере синтетической биологии будет продолжаться, и поэтому они должны внимательно за ней следить и принимать адекватные меры для предотвращения самых очевидных и реальных рисков, таких как случайные утечки опасных биоорганизмов или же их преднамеренное распространение.

Первым шагом в этом направлении должно стать укрепление органов эпидемиологического надзора на национальном и глобальном уровне. В Соединенных Штатах надзорные институты были ослаблены из-за сокращения бюджета и бюрократических проблем на федеральном уровне, а также на уроне штата и на более низком уровне. Казалось бы, Центры по контролю за заболеваниями и Министерство сельского хозяйства США - это первая линия обороны, призванная защитить людей, растения и скот от микробиологических угроз, но расходы на оба эти учреждения были сокращены по максимуму. С 2010 года бюджет Центров по контролю и профилактике заболеваний уже был сокращен на 25 процентов, а недавно его урезали еще на пять процентов из-за секвестра, в том числе было сокращено финансирование работы 50-ти тысяч государственных, территориальных, городских и окружных инспекторов общественного здравоохранения. Однако, Конгрессу ничего не стоит это финансирование возобновить и предоставить иную помощь этим людям, обеспечивающим функционирование общественного здравоохранения США.

В то же время Центры по контролю за заболеваниями и Министерство сельского хозяйства США должны совершенствовать эффективность своей работы. Наступает эпоха, когда будут появляться новые, доселе неизвестные микроорганизмы, и поэтому здесь не нужно ограничиваться лишь небольшим списком патогенов и ядовитых организмов типа вируса Эбола, сибирской язвы, ботулизма, вселяя в себя ложное чувство безопасности. Теперь, видимо, уже недостаточно, как недавно предложили, включить вирус H5N1 в Национальный реестр особо опасных патогенов (NSAR), в который вносятся опасные возбудители болезней и токсины, теперь уже придется зачислять в неприятели и обычные бактерии типа кишечной палочки, населяющей кишечник каждого человека, ведь и ее теперь могут превратить [с помощью методов синтетической биологии - прим. перев. ] в бактерию-убийцу, которая намного может превзойти любой из патогенных микроорганизмов реестра NSAR.

Теперь перед нами стоят такие вопросы: какие микроорганизмы на сегодняшний день нужно отслеживать? Как их обнаруживать? Решение этих вопросов потребует объединения интеллектуальных сил разных государств и специалистов различных областей. В Соединенных Штатах руководители таких организаций, как Центры по контролю и профилактике заболеваний, ФБР, Министерство здравоохранения и социальных служб, Министерство обороны вместе со спецслужбами должны будут осуществлять сотрудничество, обмениваясь информацией и опытом. На международном уровне многосторонние группы, такие как ВОЗ, продовольственные и сельскохозяйственные организации, должны будут взаимодействовать с агентствами и учреждениями типа Интерпола, Ассоциации государств Юго-Восточной Азии, Панамериканской организации здравоохранения и Африканского союза.

Процесс подписания Конвенции о биологическом оружии может служить основой для многостороннего диалога по исследованиям двойного назначения (DURC). Эта конвенция представляет собой нейтральную платформу, открытую почти для любого государства. Но в настоящее время этот процесс находится в вялотекущей стадии, в рамках данной конвенции пока что нельзя обеспечить контроль, сравнимый с тем, который обеспечивается в рамках системы контроля над ядерным и химическим оружием. Международные институты в настоящее время сталкиваются с проблемами и, по сути, не в состоянии самостоятельно урегулировать вопрос по DURC-исследованиям. Так, например, Всемирная организация здравоохранения уже третий год подряд сталкивается с жесткими бюджетными ограничениями, и поэтому ее размеры и влияние сократились, а также возможности по эпидемиологическому надзору и реагированию снизились.

США и другие страны не могут не быть заинтересованы в том, чтобы установить эффективную систему эпидемиологического надзора и реагирования ВОЗ и действовать в соответствии с положениями Международных медико-санитарных правил. Понятно, что американских инспекторов-эпидемиологов не во всех странах ждут с распростертыми объятиями в отличие, скажем, от представителей ВОЗ. Именно по этой причине Конгресс должен напрямую оказать поддержку системе эпидемиологического надзора и реагирования ВОЗ, выделяя этой организации по 100 млн. долл. ежегодно в течение пяти лет. И чтобы убедить ВОЗ в реальности своих намерений, Вашингтон мог бы дать понять Всемирной ассамблее здравоохранения (руководящий орган ВОЗ), что часть американской финансовой поддержки нужно направить на построение системы эпидемиологического надзора в развивающихся странах, которая бы могла соответствовать Международным медико-санитарным правилам. Если же американские законодатели опасаются, что такая финансовая поддержка ВОЗ превратится вдруг в еще одну многолетнюю расточительную программу финансовой помощи за счет американских налогоплательщиков, тогда можно предложить такой план: Вашингтон начинает финансирование в начале 2014 года и к 2019 году постепенно снижает суммы выплат до нуля, по мере того как другие страны-доноры будут увеличивать свою финансовую помощь, а страны-реципиенты постепенно смогут опираться на свои силы. Кроме того, Конгрессу следует продолжить проект PREDICT, запущенный Агентством США по международному развитию. Задача проекта - выявление новых эпидемиологических угроз. На сегодняшний день в рамках проекта подготовлено 1500 человек по всему миру, а также обнаружено 200 ранее неизвестных вирусов.

Любые глобальные программы по эпидемиологическому надзору потребуют выработки согласованных стандартов, поскольку в настоящее время отсутствуют какие-либо стандарты по биобезопасности лабораторий и по другим вопросам, в частности, по исследованиям неоморфных мутаций (GOF) и исследованиям двойного назначения (DURC). Для согласования и уточнения стандартов, а также ради содействия их распространению, ключевые агентства США должны работать в тесном сотрудничестве со своими зарубежными коллегами. За образец можно взять Пищевой кодекс (Codex Alimentarius), принятый Продовольственной и сельскохозяйственной организацией ООН и Всемирной организацией здравоохранения в 1963 году и регулирующий глобальную стандартизацию всех правил в области безопасности пищевых продуктов.

В наше время информацию о геноме можно спокойно передавать без всяких пробирок - прямо по электронной почте. Одновременно с этим стало труднее определять четкие границы экспорта и регулировать его. В основе DURC-исследований главной проблемой является, скорее, информация, а не микроорганизмы. Избыточная регламентация информационных потоков тормозит науку и мешает проведению международных исследований. Чтобы справиться с этой проблемой, Министерство торговли США, Департамент животноводства и фитосанитарной инспекции (APHIS) Министерства сельского хозяйства США и Управление торгового представителя США должны создать соответствующую нормативно-правовую базу для регулирования DURC-исследований. При выработке модели регулирования пригодится опыт Международной конвенции по защите растений, APHIS и Управления услуг и инвестиций Торгового представителя США. Если говорить о передаче геномов по Интернету, то здесь многие распределительные центры нуклеотидов уже осуществляют мониторинг “опасных последовательностей”, запрашивают информацию о лицах, которые разыскивают генетические части патогенных микроорганизмов. Эта сфера деятельности должна контролироваться правительствами.

Что же должны искать правительства и прочие учреждения? Их задача - находить свидетельства того, что кто-то нелегально ведет работы по изменению биологических форм жизни, пытаясь сделать из некоего живого существа опасный микроорганизм, а если такие противозаконные исследования ведутся при разрешении и поддержке правительства, то последние считаются нарушителями Конвенции о биологическом оружии. И не хотелось бы, чтобы в этом обвиняли США, поскольку эта страна - мировой лидер по объемам финансирования фундаментальной науки и мировой локомотив, стимулирующий исследования в биологии. Необходимо законодательно потребовать, чтобы данные о любых исследованиях в области биологии обнародовались в обязательном порядке. Госдепартамент США совместно с Управлением глобальной политики при Министерстве здравоохранения и социальных служб должны разработать информационные материалы для дипломатического персонала, в которых бы содержались ответы на вопросы: что такое синтетическая биология, неоморфные мутации (GOF) и исследования двойного назначения (DURC). Таким способом можно будет одновременно поддержать имидж США как передового центра биомедицинских исследований и снять озабоченность по поводу создания искусственных возбудителей. Госдепартамент должен содействовать сотрудничеству по выявлению и контролю в сфере DURC и предотвращению глобального риска несанкционированного распространения синтетических болезнетворных микроорганизмов; необходимо также оказать поддержку программам помощи, направленным на повышение безопасности лабораторий в других странах и усиление контроля за ними.

Выявление новых форм ДНК и новых форм микроорганизмов должно немедленно осуществляться как на добровольной, так и на обязательной основе. Частные биотехнологические компании и дистрибьюторы компонентов ДНК должны в целях биозащиты специальным образом маркировать свою продукцию. Коммерческие операции с геномами должна быть прозрачны и постоянно отслеживаться; в целях мониторинга необходимо предоставлять информацию о нуклеотидных последовательностях. Промышленный сектор, конструирующий геномы, должен за свой счет осуществлять необходимый мониторинг и внедрять стандарты, регулирующие биоинженерную деятельность, а также в случае нарушения правил биобезопасности лабораторий и других форс-мажорных обстоятельств разрешать государственным органам проводить инспекции.

В прошлом году международная сеть организаций по защите окружающей среды «Друзья Земли», Международный центр по оценке технологий и ETC Group совместно опубликовали доклад под названием “Принципы контроля над синтетической биологией”. В докладе рекомендуется внедрять в искусственные организмы (в частности, в те, что были получены в результате неоморфных мутаций) гены, способные приводить к самоуничтожению этих организмов, т.е. имплантировать в них части генома, активирующиеся при некотором изменении окружающей среды, в которой эти организмы существуют, с целью прекращения их функционирования. Хотя на данном этапе такую операцию осуществить сложно технически, тем не менее в ходе DURC-исследований эту задачу нужно все-таки попытаться решить. Три вышеперечисленные организации также призвали промышленные компании самостоятельно выделять средства на покрытие ущерба и страхование при проведении исследований в области синтетической биологии и создании синтетических биопродуктов - что ж, вполне понятные и разумные меры предосторожности. А тем временем Фонд BioBricks, являясь на сегодняшний день самым активным сторонником синтетической биологии, провозглашает свою миссию следующим образом: «гарантировать, чтобы методы инженерии в биологии применялись на основе принципов открытости, этичности и на благо всего человечества и всей нашей планеты…. Мы считаем, что синтетическая биология - это одна из мировых сил добра». Только научные организации вроде BioBricks, которые соблюдают нравственные принципы, способны надежно информировать о ситуации в синтетической биологии, не умалчивая о проблемах, и быстро взаимодействовать с научными кругами, только такие организации имеют право говорить от имени общества, выражая его обеспокоенность, а потому их деятельность должна поощряться и расширяться.

Прошло четыре года, с тех пор как в 2010 году Вентер объявил о том, что его команда создала искусственную форму жизни, назвав ее «первым самовоспроизводящимся биологическим видом на планете, родителем которого является компьютер». За это время уже успели возникнуть противоречия и проблемы, касающиеся исследований двойного назначения (DURC). Перед тем, как группа Вентера решила, подражая Всевышнему, создать искусственный организм, она отправилась в Белый дом на прием к Обаме и проинформировала высших должностных лиц страны о политических и этических вопросах, которые возникают в связи с созданием искусственных форм жизни. Поначалу администрация Обамы подумывала засекретить проект Вентера, обеспокоившись серьезными проблемами, к которым данный проект потенциально может привести. Однако потом, к радости Вентера, Белый дом разрешил публиковать результаты. «Должно быть, на философском уровне произошло какое-то гигантское изменение нашего способа восприятия жизни», - сказал Вентер на пресс-конференции в Вашингтоне, неуверенно пожимая плечами. Но Вентер ничуть не сомневался в том, что синтетическая биология, представляющая собой «очень мощный набор инструментов», приведет к созданию вакцины против гриппа, а, возможно, и против СПИДа. И недалёк тот день, когда микроорганизмы, способные потреблять углекислый газ и выделять энергию, создадут безопасную альтернативу традиционному ископаемому топливу. Теперь, когда синтетическая биология начинает прочно укореняться, наша задача состоит в том, чтобы будущие поколения считали ее скорее благом, чем проклятьем.