Как при помощи вирусов генетически видоизменяются живые организмы

Мы, паразиты, — складные ножи человечества

Непосвященным трудно понять вирусную философию: наблюдая и изучая вирусы, люди, жаждущие абсолютной этичности и стремящиеся к непреложной истине, сталкиваются с серьезными препятствиями. Тем не менее на протяжении столетий настойчивость позволяет им двигаться вперед. Латинское слово «вирус» означает токсин, яд: такая этимология доказывает, что поначалу нас относили к слишком обширной категории, в которую включали любой агент, невидимый невооруженным глазом и вызывающий болезнь, будь то бактерия, грибок или другой микроскопический организм. Жажда знаний помогла вам открыть третий глаз — микроскоп, позволивший проникнуть в ранее невидимый мир мельчайших инфекционных одноклеточных организмов — бактерий. Позже с помощью еще более сильных измерительных приборов вы смогли увидеть нас и поразиться гармоничным геометрическим формам и нашей беспрецедентной способности к консервации и распространению. Вирусы можно причислить к настоящим паразитам, поскольку важнейшим источником жизни нам служат хозяева и без них наше существование и размножение невозможны — ведь сами мы не способны ни производить, ни даже собирать и хранить необходимую нам энергию. Тем не менее мы состоим из белков и генетического материала, представленного молекулами ДНК или РНК. Эта совокупность, казалось бы, противоречивых характеристик делает нас поистине мистической загадкой: живые ли мы существа? Неуловимость нашей природы завела вас в непроходимые дебри сомнений по поводу самой нашей жизни: означает ли отсутствие у нас необходимых жизненных элементов то, что они были утрачены нашими предками, или, наоборот, ставит под вопрос саму границу между неодушевленными молекулами и живыми организмами? Время философских откровений еще не пришло, но исследования и наблюдения за нашими тайнами уже привели вас к многим свершениям, столь же конкретным, сколь и важным для собственного вашего выживания!

В первую очередь это касается современной медицины, многим обязанной знанию о том, как мы функционируем. Изобретение вакцин стало следствием глубокого понимания природы конфликта и осознания того, какую пользу можно извлечь из объединения противоборствующих сил. Вам удалось заглянуть вглубь и нас, и себя, чтобы понять, как лучше подготовить иммунную систему к возможной атаке. Тот же прием использования конфликта в собственных интересах был применен для разработки ваших первых антибиотиков, в частности пенициллина. Наблюдая за войной между бактериями и плесенью, вы обнаружили вещество, выделяемое плесенью рода Penicillium, которое подавляет рост бактерий. К сожалению, злоупотребление этим биологическим оружием отразилось на естественном отборе враждебных бактерий и привело к распространению мутантных штаммов, способных противостоять одному, нескольким или вообще всем антибиотикам из вашего арсенала.

Коль скоро плесень подвела вас в борьбе с бактериями, мы могли бы прийти на помощь. Чувствую, как вас охватывает первозданный страх. Доверять вирусам, этим природным паразитам? Тем не менее непредубежденные ученые заинтересовались нашей враждой с иными видами, нежели человек: с бактериями. В начале XX века два микробиолога, англичанин Фредерик Туорт и француз Феликс д’Эрелль, независимо друг от друга открыли вирусы, способные уничтожать бактерии, — бактериофаги. Во время Первой мировой войны Феликс д’Эрелль обнаружил его в испражнениях солдат в стадии ремиссии после дизентерии. Этот свободомыслящий французский врач предположил, что бактериофаги могут стать эффективным средством борьбы с бактериальными инфекциями, такими как дизентерия. Прежде чем испробовать лечение на больных дизентерией и холерой, д’Эрелль доказал безопасность предлагаемого метода, сначала приняв внутрь культуру бактериофагов, а затем вколов их себе подкожно. Ремиссия, наблюдавшаяся у пациентов после такого лечения, его обнадежила: так родилась фаговая терапия. Успехи электронной микроскопии позволили получить портрет этих странных вирусов: головка геометрической формы, именуемая капсидом, состоящая из белков и содержащая геном вируса (молекулу ДНК или РНК), и цилиндрическая структура, окруженная нитевидными ножками. Если вдуматься, бактериофаги имеют вид инопланетного модуля, прилетевшего из космоса с целью уничтожения землян! В данном случае мишенью служат бактерии: вирус ведет себя как шприц для подкожных инъекций, прокалывая стенки бактерий и впрыскивая свой генетический материал, где содержится инструкция, необходимая для его размножения. Чаще всего это приводит к гибели его бактериального хозяина. Похоже, история этой вирусной атаки вдохновила сценаристов множества ваших фантастических фильмов!

Но сенсационный способ, которым бактериофаги заражают бактерии, и эффективность этого бактериального геноцида, очевидно, впечатлили не весь мир. Зарождающаяся фаговая терапия не устояла перед повальным увлечением антибиотиками и их догматизацией в западной медицине. Фаговая терапия сегодня скорее ассоциируется с восточными лечебными практиками, точнее, ближнеближневосточными, потому что ими пользуются в странах Восточной Европы из бывшего советского блока, где бактериофаги все еще применяют для лечения различных бактериальных инфекций. Эти методы лечения пока не одобрены за пределами России, Польши и Грузии, но многие больные совершают паломничество в эти страны для избавления от недугов, не излечимых другим способом. Возможно, бактериофаги станут вашими союзниками в такой вовсе не холодной войне против бактериальных штаммов, мультирезистентных к антибиотикам... Тем более что эволюция позаботилась о союзе людей и бактериофагов задолго до вашей современной медицины. Недавно ученые обнаружили, что кишечная слизь большинства животных от природы насыщена бактериофагами. Не исключено, что между животными и вирусами существует древняя связь, а бактериофаги даже могут быть компонентами иммунной системы.

Биологическое оружие, которым мы пользуемся в войнах с другими видами, вдохновило людей не только на создание лекарств. Они превратили его в ультрасовременные научные инструменты, чтобы те помогали им в поисках истины. Подобно анатомам, исследующим структуру, функции и тайны плоти при помощи ножниц и скальпелей, молекулярный биолог, чтобы изучать и анализировать геном, нуждается в инструментах, только совершенно иного размера. Поле боя между бактериофагами и бактериями стало для биологов источником самых невероятных инструментов. Давайте проведем инвентаризацию арсеналов каждой из воюющих сторон.

Для размножения вирус-бактериофаг вводит в бактерию свой генетический материал, частичку ДНК или РНК, вынуждая ее следовать инструкциям вирусного генома и производить новые вирусы. Но бактерии, изобилующие сегодня на поверхности планеты, обычно бывают потомками штаммов, которые издавна вступали с нами в схватки и создали страшное оборонительное оружие. Особенно эффективны их ферменты-ножницы — рестрикционные ферменты, способные нацеливаться на небольшие последовательности в ДНК определенных бактериофагов, чтобы их искромсать. Собственный геном бактерия защищает от рестриктаз с помощью метки, поставленной другими ферментами, метилазами, которые, как шаманы, окружают свои святилища охранительной магией и отдают ферментам-ножницам приказ удовлетворять свою страсть к разрушению в другом месте. Восхищенные этой генной инженерией, ученые взяли на вооружение все молекулярные инструменты, и те, что режут, и те, что метят, и те, что склеивают, копируют и обменивают... С их помощью они копаются в ДНК и производят манипуляции в своих пробирках, подобно анатомам, склоняющимся над секционным столом.

Но особенно пригодилась ученым наша гибкость йогов, позволяющая ради воспроизводства нашего генома в клетках-хозяевах проникать сквозь, казалось бы, непреодолимые барьеры. Некоторые из наших молекул умеют выключать молекулярный шум в клетках-хозяевах, заставляя их сконцентрироваться и войти в медитативный транс, посвятив себя исключительно нашей репликации. Другой метод основан на принципе путешествия в астрал: мы сливаем наш генетический материал с материалом клетки-хозяина и вводим себя в своего рода самогипноз. Когда во время этого короткого момента релаксации хозяйская клетка делится, вместе с ее собственной копируется и наша ДНК. Через некоторое время наш маленький геном реактивируется и покидает геном хозяина, чтобы образовать новые вирусные частицы, которые продолжат паломничество к соседним клеткам. Вставка нашего генетического материала в геном хозяина иногда приводит к нежелательным последствиям, например к неприглядным разрастаниям на теле кроликов и людей, о чем уже говорилось в главе IV. Но эта наша способность дала исследователям возможность экспериментировать с живыми клетками: вводить в них чужеродную ДНК, изменять их функционирование, вставлять ДНК в их геном... Можно сказать, что мы, вирусы, служим молекулярным складным ножом, которым вот уже несколько десятилетий вы пользуетесь, чтобы генетически видоизменять бактерии, растения и животных с целью лучше понять их функционирование.

Оснащенные этими потрясающими инструментами, молекулярные биологи постепенно расшифровывают эзотерические сообщения, скрытые в генетической памяти живых организмов. Но их попытки менять геном подчас приводят к неожиданным последствиям. Пользоваться молекулярными ножницами вне пробирки совсем не легко, к тому же интеграция вируса в ДНК другого организма плохо поддается контролю. Проблема в том, что наш геном, иногда несколько его копий, вставляется в случайные места генома клетки-хозяина. Нам-то хаос нипочем, но такое положение дел, видимо, противоречит вашей потребности в порядке и дисциплине. Поэтому вы долго искали инструменты, пригодные для генной инженерии. И снова именно вооруженный конфликт между бактериофагами и бактериями позволил вам в 2012 году получить высококачественную модель бактериальных ножниц — систему CRISPR/Cas9.

Как мы видели, ферменты рестрикции представляют собой эффективную, но не слишком лабильную систему: они способны распознавать строго определенные мотивы в последовательности ДНК, а значит, бактериофаги, в чьем геноме такие мотивы отсутствуют, не боятся бактериальных атак. Между тем некоторые бактерии выработали другой инструмент, позволяющий атаковать практически любое место в вирусном геноме бактериофага. При заражении вирусами эти бактерии вставляют небольшие фрагменты вирусного генома в определенные места своей собственной ДНК, называемые CRISPR. Эта область ДНК транскрибирует вирусный геном в РНК, мессенджерную форму генетического кода, которая обычно служит матрицей для синтеза белков. Только в данном случае вирусная РНК отправляет сигнал режущим ферментам-убийцам Cas9. Последние терпеливо ждут информации и, как только обнаруживают фрагменты РНК, несущие копии участков вирусного генома, переходят в атаку. Они узнают бактериофаг, присоединяются к нему и отрывают ему баш... э-э-э... наше дзен-сознание предпочитает проигнорировать этот образ.

Если позже бактерия заражается новыми вирусами, она расширяет свой репертуар CRISPR, и ее собственный геном модифицируется для включения целого каталога геномных фотороботов бактериофагов, подлежащих уничтожению. Очевидно, иммунная система у нее адаптивная, и, поскольку новые данные включены в наследственный материал, бактерия передает потомству весь свой арсенал, наработанный за время столкновений с вирусами-бактериофагами.

Ученые приветствовали это ультрасовременное оружие, а когда поняли, что механизм CRISPR можно перепрограммировать так, чтобы мишенью становилась практически любая последовательность ДНК, вирусная или нет, пришли в полный восторг. Используя кусочек РНК и режущий фермент Cas9, люди сегодня могут сравнительно легко модифицировать геном по своему усмотрению. Будем надеяться, что они сумеют разумно распорядиться этой огромной силой, позаимствованной у сторон паразитарного конфликта, в котором сами они не участвовали. Мы манипулировали геномом миллиарды лет, и я позволю себе процитировать мудрые слова духовного гуру вирусов: «Чем больше сила, тем больше и ответственность». Пусть они отзовутся в ваших душах и направят вас на путь перерождения.

Из всех объектов ваших генетических манипуляций вас особенно занимают растения, потребляемые вами в пищу, а также сельскохозяйственные животные. Что и говорить, людям трудно понять феномен межвидового альтруизма и смириться с тем, что насекомые атакуют их зерновые, фрукты и овощи, а вредители уничтожают посевы. Генетическая модификация этих растений — один из способов сделать их более стойкими. Вслед за паразитической осой, поведавшей о своем образе жизни в главе II, вы одомашниваете паразитов для борьбы с вредителями, истребляющими ваши посевы. Правда, использование паразитизма вы предпочитаете называть борьбой с паразитами. Чтобы защитить свои поля и сады от паразитов, вы постоянно опыляете их личинками паразитических ос, чья способность пожирать гусениц изнутри привела вас в ужас, или личинками внутритканевых нематодных червей, за несколько дней убивающих травоядных насекомых: такие пестициды не загрязняют окружающую среду.

Французы стали пионерами в применении биологической защиты растений. Когда предмету их национальной гордости, вину, в XIX веке угрожала тля филлоксера, уничтожавшая виноградную лозу, они использовали клещей, естественных врагов этой тли. Увы, для сдерживания филлоксеры этого оказалось недостаточно, но этот опыт позволил вам оценить огромный потенциал паразитизма для защиты сельскохозяйственных растений. Поэтому сегодня для борьбы с инвазивными видами насекомых вы регулярно обращаетесь к паразитам, к примеру, мухам-форидам, чьи личинки, обезглавливающие огненных муравьев, в главе III приводили в ужас рассказчика (о котором, кстати, у нас до сих пор нет никаких известий). Некоторые паразитоидные нематоды, такие как Phasmarhabditis hermaphrodita, помогают вам в войне против слизней, опустошающих огороды. Эти черви искусно манипулируют поведением своего хозяина, побуждая его хоронить себя заживо, прежде чем погибнуть от рук нематоды. А некоторых паразитов вам и просить не приходится, они сами охотно помогают вам бороться с вредителями. Токсоплазма, поражающая крыс, заставляет их пренебрегать опасностью, из-за чего они чаще попадают в ловушки или в кошачьи когти!

На самом деле суть такой паразитарной биологической защиты чаще всего заключается в восстановлении нарушенного естественного баланса. Вредители сельскохозяйственных культур — как правило, организмы, которые искусственным путем были внедрены в непривычную среду, где их естественные враги и паразиты отсутствовали. Природный баланс может быть восстановлен благодаря агентам биоконтроля, но для этого необходимо уважать паразитизм и понимать его экологическое значение. Сегодня многие фермеры добиваются этого, сажая, например, дзен-сады с биологическими коридорами, где их помощники-паразиты могут разместить свои биологические ниши.

Приобрести книгу можно по ссылке

Больше текстов о науке и обществе — в нашем телеграм-канале «Проект “Сноб” — Общество». Присоединяйтесь

Вам может быть интересно:

• Гонки на вакцинах. Кто не хочет прививаться, почему и что с этим делать
• Можно ли брать грех на душу ради благополучия своего единственного ребенка?
• Живее всех живых. Цой на сцене и в плейлисте актеров театра «Современник»