От воскрешения мамонта до омоложения человека.
Последние мамонты погибли 4 000 лет назад, но американские генетики готовятся к воскрешению вымерших великанов. Гарвардский ученый Джордж Чёрч (George Church) – молекулярный генетик, пионер в синтетической биологии, занимается проблемой воскрешения вымерших видов уже не одно десятилетие – и еще несколько лет назад заявил о принципиальной возможности возвращения к жизни шерстистых мамонтов.
Исчезли они не так давно, в вечной мерзлоте сохранилось достаточно содержащих ДНК останков вымерших животных.
* 18 мая 2015 года в журнале Current Biology было опубликовано исследование, в котором говорится о том, что международный коллектив ученых расшифровал полный геном шерстистого мамонта – одной из последних особей, жившей на острове Врангеля примерно 4 000 лет назад. Эти мамонты исчезли тогда, когда в Египте уже были построены пирамиды. Это были сравнительно небольшого размера животные, около 3,2 метров в холке — карлики, по сравнению со своими пятиметрового роста предками. Их и называют иногда карликовыми мамонтами, причисляя к самостоятельному виду.
*Российские ученые завершили полную расшифровку генома мамонта в мае 2016 года. За годы напряженной работы 3,5 миллиарда частиц удалось собрать в единую последовательность. Для прочтения древней ДНК ученые использовали генетический материал мамонтенка Хромы, обнаруженного в Якутии в 2009 году. Древнее животное, обитавшее на Земле 50 тысяч лет назад, при желании может снова пополнить ряды млекопитающих. Ведь он – близкий родственник ныне живущего индийского слона. «Я не хочу говорить о научной фантастике, но вообще становится все более возможным – это изменить несколько генов у азиатского слона и получить живого мамонта», – рассказал директор Центра "Биоинженерия" РАН Константин Скрябин. Исследованиям в области древней ДНК больше 30 лет. Работы тормозила неполная сохранность генетического материала. В вечной мерзлоте нарушается структура гена, в образцы попадают бактерии. Полное секвенирование удалось шведским и канадским ученым в 2015 году. «Мы подтвердили те данные, что индийский или азиатский слон является "братом" шерстистого мамонта, который также обитал на территории Евразии и вымер 4 тысячи лет назад. Последняя популяция обитала на острове Врангеля», – пояснил начальник лаборатории геномики и биоинформатики НИЦ "Курчатовский институт" Артём Недолужко. Для прочтения генома древних животных использовали биоматериал мамонтёнка Хромы, привезённого из Якутии в Зоологический институт Петербурга в 2009 году. Полученный геном, а это 3,5 млрд. букв, сравнивали с геномами ныне живущих млекопитающих. Для этого привлекли даже суперкомпьютер Курчатовского института.
Скелеты мамонтов на острове Врангеля обнаружила вначале 1990-х экспедиция российского исследователя Сергея Вартаняна из НИИ географии Санкт-Петербургского университета. В 1993 году он опубликовал с коллегами статью в Nature. Открытие произвело сенсацию в мире, но, к сожалению, осталось совершенно не замеченным российским обществом и СМИ.
Ученые говорят, что мамонты могут сыграть важную роль в современной экосистеме.
*Высота мамонта могла достигать 5,5 м, а его вес был равен 10-12 тоннам. По своей массе он примерно вдвое превосходил крупнейших из ныне живущих слонов. Эти древние млекопитающие появились в эпоху плиоцена и вымерли около 10 тыс. лет назад. Среди основных причин вымирания называют деятельность охотников верхнего палеолита и/или изменение климата.
Их генетический анализ и сравнение с геномом близких современных родственников – слонов, позволяет ученым выделить гены, отвечающие за характерные особенности мамонтов: густую длинную шерсть, мощные жировые отложения, подходящий для жизни на холоде состав крови и т. п. С учетом этого сегодня есть возможность подготовить ГМ-зародыши, которые затем останется лишь вырастить.
Генетики вставили четырнадцать генов мамонта в ДНК слона. В этом им помог инструмент редактирования генома CRISPR (Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats). В центре внимания ученых оказались гены, которые отвечают за выживание при низкой температуре (например, гены шерстяного покрова). Таким образом, специалисты получили клетки слона, имеющие фрагменты ДНК вымерших мамонтов.
В докладе, с которым Чёрч выступает на ежегодной встрече Американской ассоциации содействия развитию науки (AAAS) в Бостоне, ученый сообщит о текущем состоянии дел с проектом Woolly Mammoth Revival, который реализуется его командой с 2015 г. В интервью для «The Guardian» Чёрч признался, что такое животное будет корректнее называть «слоном с признаками мамонта», нежели «настоящим» шерстистым великаном.
За годы работы его команде удалось найти и внести в хромосомы азиатских слонов 45 генов мамонта, которые были выделены из ДНК, сохранившейся в вечной мерзлоте. «Мы уже знаем, как получить нужные уменьшенные уши, подкожный жир, шерсть и кровь», – сказал Чёрч. Однако получить первый полноценный экспериментальный эмбрион ученые планируют лишь теперь с использованием ГМ-технологии CRISPR/Cas9. Это новейшая система редактирования генома, открытая европейскими и гарвардскими молекулярными биологами в 2013 году. Она позволяет почти со 100% точностью удалять или заменять произвольные короткие участки в ДНК животных или бактерий, не нарушая работу других генов и сегментов генома.
Модифицирована будет ДНК фибробласта кожи слона, после чего из нее должно быть извлечено ядро и помещено в яйцеклетку, из которой предварительно удалено собственное ядро вместе с хромосомами. Интересно, что для выращивания яйцеклетки и развития эмбриона слоних использовать не планируется, вся процедура должна быть проделана ex vivo, с помощью установки «искусственной матки».
Сам Чёрч связывает это решение с нежеланием подвергать опасности жизнь животного, тем более относящегося к угрожаемым видам. Однако некоторые эксперты высказывают сомнение в эффективности такого подхода. Технологии клонирования млекопитающих сегодня достаточно надежны, однако обычно зародыши пересаживаются в матку живой самки, и до сих пор нет ни одного примера клонирования в «искусственной матке» – возможно, Чёрчу стоило бы «потренироваться на кошках», прежде чем переходить к мамонтам.
***
Но Чёрч решил начать не с кошек, а с собак. Сейчас самый влиятельный в мире синтетический биолог параллельно работает в новой компании, которая планирует омолаживать собак, используя генную терапию. Если получится, дальше в дело пойдут люди, а сам он станет одним из первых добровольцев. Секретный стартап называется Rejuvenate Bio, и одним из учредителей стал сам Джордж. Он считает, что собаки не только лучшие друзья человека, но и отличный способ вывести антивозрастное лечение на рынок.
Компания, которая провела предварительные испытания на гончих, утверждает, что сделала животных «моложе», добавив новые инструкции ДНК в их тела. Ее план по борьбе со старением основывается на удивительных способностях простых организмов, таких как черви и мухи. Изменяя их гены, можно увеличить продолжительность жизни в два или больше раз. Есть и другое исследование, которое показало, что переливание крови от молодых мышей старым может восстановить некоторые биомаркеры до молодого уровня.
«Мы уже провели кучу испытаний на мышах и проводим на собаках, а затем перейдем и к людям», – рассказал Чёрч в начале этого года. Другие учредители компании, Генеральный директор Даниель Оливер и научный руководитель Ноа Давидсон из бостонской лаборатории отказались давать интервью.
Усилия компании по сохранению своей деятельности втайне от прессы не дают понять, сколько собак уже было «вылечено». В документе, предоставленном ветеринаром Западного побережья, датированным июнем прошлого года, говорится, что генная терапия Rejuvenate была испытана на четырех гончих совместно с ветеринарной школой Тафтса в Бостоне. Непонятно, проводятся ли более широкие испытания.
Но из доступных общественности документов, патентной заявки, поданной Гарвардом, интервью с инвесторами и собаководами, а также публичных комментариев учредителей, MIT Technology Review составил портрет стартапа, который занимается продлением жизни, начав с американской отрасли домашних любимцев на 72 миллиарда долларов.
«Собаки – это рынок сам по себе», – заявил Чёрч на прошлой неделе. «Это не просто большой организм, близкий к людям. Это нечто, за что люди платят, а FDA одобряет гораздо быстрее. [FDA – Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов в США]. Мы будем проводить испытания на собаках, мы сделаем продукт, и он оплатит масштабирование до испытаний на людях».
Пока неизвестно, что лечение компании делает с собаками. Но если оно работает, люди очень скоро заговорят о нем вслух, пополняя кошелек изобретателей.
Вся инициатива использует развивающиеся достижения биотехнологий, включая способность редактирования генов. Для некоторых ученых этот прогресс означает, что мы неизбежно возьмем под контроль старение, но никто не знает, как скоро это произойдет. Продление срока человеческой жизни – это «самое большое событие, которое произойдет в XXI веке», говорит Дэвид Синклер, гарвардский биолог, сотрудничающий с лабораторией Чёрча. «На фоне этого прорыва Илон Маск будет выглядеть пешеходом».
* Джордж Чёрч – профессор Гарварда и Массачусетского Технологического Института, соавтор более 425 работ, 95 патентных публикаций и книги «Regenesis». Он разработал методы первого секвенирования генома еще в 1994 году, и сыграл немалую роль в снижении цены на него, используя секвенирование нового поколения, нанопоры и штрих-коды, сборку ДНК на чипе, редактирование, запись и повторное кодирование генома.
Он инициировал геномные проекты в 1984 и 2005 годах для создания и интерпретации единственных в мире открытых персонализированных медицинских данных. Он также участвовал в запуске BRAIN Initiative в 2011 году.
63-летний генетик возглавляет одну из крупнейших и получающих солидное финансирование научных биологических лабораторий в мире, штаб-квартира которой находится на втором этаже массивного здания из стекла и стали — нового исследовательского центра в Гарвардской медицинской школе. При его участии и поддержке также функционируют десятки проектов, консорциумов, конференций, отделений компаний и стартапов, общая цель которых – раздвигать границы науки, начиная с биороботехники и заканчивая возвращением шерстистого мамонта.
- В июле 2017 года Чёрч и его коллеги превратили ДНК обычной кишечной палочки в «перезаписываемый» цифровой носитель информации и записали на нее один из первых видеороликов в истории человечества, снятый в 1878 году. «Мы показали, что два белка системы CRISPR, Cas1 и Cas2, которые мы модифицировали специально для этой цели, можно использовать для получения информации из внешней среды, ее каталогизации и записи в геном. Пока эту информацию микробам поставляют ученые, а в будущем бактерии смогут записывать свои собственные «впечатления» в эту молекулярную память», – заявил Джордж Черч. Речь идет о своеобразном бактериальном «антивирусе», системе CRISPR/Cas, помогающей микробам опознавать ДНК вирусов в своем геноме, удалять их или уничтожать себя при обнаружении инфекции.
Ее ключевой частью является своеобразная «библиотека» обрывков вирусного кода, которые записываются в особую часть ДНК микроба при помощи белков Cas1 и Cas2, и потом используются для опознания патогенов. Эти белки и «библиотеку», как предположил Черч, можно перепрофилировать и на работу с цифровой информацией.
Решение этой задачи упрощается тем, что бактерии хранят обрывки вирусной ДНК в виде 33-«буквенных» последовательностей, разделенных особыми повторами, что существенно упрощает запись и декодирование информации. Вдобавок к этому, каждая «буква» ДНК может кодировать сразу 4 или даже 21 значение, если считывать их тройками, что повышает плотность записи информации.
Руководствуясь этими идеями, Черч и его команда создали специальную программу, которая конвертирует изображения или кадры видеороликов в наборы «букв» – нуклеотидов и собирает короткие последовательности ДНК, которые система CRISPR/Cas может интегрировать в геном микроба, автоматически записывая их при этом в правильном порядке.
Работу этой программы биологи проверили на черно-белой фотографии руки размерами в 56 на 56 пикселей и на коротком видеоролике со скачущей лошадью с разрешением в 36 на 26 пикселей. Записав их в ДНК-«память» обычной кишечной палочки, биологи позволили микробам «отдохнуть» и попытались считать информацию, расшифровав геномы нескольких отдельных клеток. И фотография, и видеоролик были восстановлены с более чем 90% точностью, что подтвердило, что хранить информацию в библиотеке CRISPR/Cas действительно можно.
Сейчас Черч и его коллеги работают над оптимизацией методик записи информации и думают над созданием систем «автоматической» записи в эту память тех событий, которые происходят внутри микроба или любой другой клетки. Это, как заключают биологи, заметно ускорило изучение того, как стволовые клетки зародыша превращаются в разные ткани мозга или в любые другие сложные органы.
- В августе 2017 года команда Джорджа Чёрча представила публике первых «очеловеченных» свиней, чья ДНК полностью была очищена от ретровирусов, опасных для человека, что позволяет использовать их органы для пересадки в тело пациентов. Органы свиней похожи на их человеческие аналоги по своим размерам и принципам работы, и их можно выращивать в большом числе для трансплантации. Сейчас это не делается по двум причинам — из-за несовместимости свиней и человека на уровне иммунных систем и возможности заражения людей ретровирусами, присутствующими в ДНК животного. Черч и его коллеги смогли решить эту проблему, используя CRISPR/Cas9. Используя эту систему, группа Черча смогла вырезать из генома свиней все 62 версии PERV из генома свиньи, в результате чего ее клетки начали в тысячу раз реже передавать PERV-вирусы при пересадке в человеческие ткани, чем они делали раньше. Это, как утверждает Черч, сделало их намного безопаснее для человека и менее заметными для иммунной системы.
Еще два года назад Черч отмечал, что его лаборатория уже вырастила несколько эмбрионов с отключенными PERV-вирусами, и пообещал превратить их в полноценных животных к концу 2016 года. Американский генетик сдержал свое обещание и представил публике первых свиней, чья ДНК была на 100% очищена от ретровирусов.
- В конце мая 2016 года мировое научное сообщество было заинтриговано прошедшей «тайной встречей в Гарварде», участники которой хотят создать искусственный геном человека и, соответственно, самого человека с нуля. Ее участником был и Джордж Чёрч. О деталях встречи рассказал выпускник Гарвардского университета, молекулярный биолог, специализирующийся на генном редактировании, Джефф Бессен. Как оказалось, речь вовсе не идет о каком-то детище Франкенштейна. Более 130 ученых, промышленников и специалистов по этике собрались в Гарварде, чтобы обсудить проект создания искусственного генома человека Human Genome Project (HGP). Как отмечает Джефф Бессен, на гарвардской встрече ученые призвали перейти от чтения генома к его созданию из строительных блоков ДНК. По замыслу идейных вдохновителей HGP, можно «полностью синтезировать геном человека в клеточной линии». Процесс создания искусственной ДНК, по словам Джеффа Бессена, аналогичен процессу офсетной печати — главное собрать все в правильном порядке. Результат химически идентичен естественной макромолекуле. Мировой рынок синтезированного ДНК (речь идет о существующем создании отдельных элементов ДНК, не полного генома) оценивается сейчас примерно в миллиард долларов в год. Искусственная макромолекула имеет практическое применение: это выращивание человеческих органов для трансплантации, создание иммунитета к вирусам, онкозаболеваниям, создание новых лекарственных препаратов и так далее. Участники гарвардской встречи выразили надежду, что их работа поможет в «разработке более безопасной, менее дорогостоящей и более эффективной терапии».
- Чёрч является одним из руководителей проекта под названием Human Genome Project-Write, (HGP-Write), в котором принимают участие сотни ученых по всему миру, работающие над синтезом ДНК различных организмов. Группа все еще обсуждает, насколько далеко стоит идти в области синтеза человеческой ДНК, но Черч — стоящий в своем кабинете в помятой спортивной куртке, за хлипкой кафедрой, которая служит ему письменным столом — говорит, что его лаборатория уже приняла решение по этому вопросу: «В ближайшие несколько лет мы хотим синтезировать модифицированные версии всех генов в геноме человека».
