Интересно о науке

Мария Пази

Об авторе. Об авторе. Мария — недавняя выпускница СПбГУ, работает биологом-исследователем в лаборатории, пишет о науке в «КШ» и другие СМИ.

За свою недолгую карьеру она успела победить уже в нескольких всероссийских конкурсах журналистики. А в прошлом году стала первым автором из России, получившим премию «Европейский научный журналист года» (European Science Journalist of the Year). Награда вручается Европейской федерацией научной журналистики и Британской ассоциацией научных авторов.

Мы — вид, который хакнул теорию Дарвина. Homo sapiens не желает больше полагаться на случайную эволюцию. Учёные редактируют ДНК, чтобы предотвращать болезни, менять растения и животных, уничтожать целые виды и давать жизнь новым. Властвуя над ДНК, мы заглядываем в прошлое, раскрываем преступления, копаемся в эволюции. Рассказываем, на что способна генетика, великая и ужасная. 

 

ДНК как улика

Кому это надо

Сыщикам, прокурорам, адвокатам, судьям, а в итоге — всем добропорядочным гражданам

В чём суть

Если вы оброните на улице жевательную резинку — мало ли, промахнулись мимо урны, — имейте в виду, что учёным достаточно нанограмма слюны, чтобы извлечь ДНК и реконструировать по ней вашу внешность. В 2019 году в такой ситуации оказались жители Гонконга, имевшие неосторожность намусорить. Компания Ogilvy собирала брошенные на тротуар жвачки и сигареты и выделяла ДНК из оставшейся на них слюны. По ДНК определяли цвет глаз, волос и кожи, форму лица, составляли жутковатый фоторобот провинившегося и вывешивали его на всеобщее осуждение.

1 миллиардная часть веса копейки.

Загрязнение улиц — самое безобидное из раскрытых таким образом преступлений. Правая рука полиции — ДНК-дактилоскопия, определение уникального генетического профиля человека. ДНК-профиль подозреваемых сравнивают с ДНК, обнаруженной в образцах на месте преступления (на волосах, в слюне, частицах кожи, крови, костях) или с имеющимися в базе данных. Впервые злодея вычислили по ДНК ещё в 1988 году.

Как это работает? ДНК всех людей совпадает на 99,9%. Но есть уникальные участки — повторяющиеся элементы, как будто ДНК-пластинку заело, и она несколько раз повторила один и тот же набор нуклеотидов. Количество таких повторов у каждого своё, но в любом геноме таких участков десятки. Этот уникальный узор можно считать ДНК-отпечатком.

Сейчас у криминалистов появилось новое орудие — генетическая генеалогия. В публичные базы данных вроде GENmatch люди загружают информацию о своей ДНК, чтобы отыскать родственников и построить генеалогическое древо. Но то же самое можно сделать с ДНК, взятой на месте преступления. В 2018 году так был пойман «убийца из Золотого штата», который десятилетие держал в страхе Калифорнию. Когда на GENmatch загрузили ДНК-профиль убийцы, удалось выявить 10–20 человек, у которых с ним были общие прапрапрапрабабушки и прапрапрапрадедушки. Генетическое семейное древо сузило список подозреваемых и позволило выйти на Джозефа Деанджело, вошедшего в историю как первый человек, пойманный в капкан генетической генеалогии.

Прогноз

ДНК-тестирование станет самым болтливым свидетелем в криминалистике будущего. Уже сейчас есть организации, которые предлагают гражданам сдать образец слюны, чтобы внести посильный вклад в борьбу с правонарушениями, или ищут спонсоров для проведения генетического расследования нераскрытых преступлений. В могуществе метода состоит и главная создаваемая им проблема: в прозрачном обществе будущего наша генетическая информация становится слишком доступной для тех, с кем ею вовсе не хочется делиться.

 

ДНК как машина времени

Кому это надо

Историкам, археологам, палеоантропологам, а в итоге — всем, кто интересуется прошлым

В чём суть

Генетика предложила новый способ заглянуть в прошлое — изучить древнюю ДНК. В 2010 году по пряди волос гренландца, жившего 4000 лет назад, была впервые в истории расшифрована полная геномная последовательность древнего человека.

С тех пор палеогенетика набирала обороты и постоянно расширяла наши знания о миграциях и встречах далёких предков. Расшифровав ДНК из маленькой косточки в мизинце, найденном в Денисовой пещере на Алтае, учёные обнаружили новую разновидность людей — денисовцев. От них не осталось практически ничего: три зуба, фаланга пальца да пара осколков черепа. Но благодаря анализу ДНК мы знаем, как они выглядели: денисовцы были смуглыми, кареглазыми и темноволосыми. А ещё — что соседями денисовцев по пещере были неандертальцы и что они оставили совместное потомство: девочка Денни, кончик мизинца который послужил отправной точкой для фундаментального открытия, была ребёнком неандертальской женщины и денисовского мужчины.

Денисовцы, как и неандертальцы, скрещивались и с нашими предками. На память об этом многим современным людям осталось по несколько процентов их ДНК. Опираясь на распределение ДНК-наследия, учёные предполагают, что денисовцы населяли Восточную Азию, затем по существовавшим 50–100 тысяч лет назад сухопутным перемычкам добрались до Папуа — Новой Гвинеи и Австралии. Вполне себе летопись, учитывая, что в руках исследователей было всего несколько костей и зубов.

Историкам интересно анализировать не только ДНК человека. Геном древней чумной палочки показал, что средневековую чуму принесли в Европу торговцы пушниной из Руси и Золотой Орды. Археогенетика сняла с европейцев обвинение в завозе туберкулёза в Новый Свет: это «вина» морских млекопитающих. 

Прогноз

Во все времена люди обильно усеивали генами пол своих жилищ, ведь ДНК содержится в клетках кожи, фекалиях, следах мочи и крови. Поэтому будущее археогенетики закопано в землю: кости не нужны, когда ДНК выделяют из древних отложений почвы. Так, совсем недавно, исследуя ДНК в почве Денисовой пещеры, учёные обнаружили, что денисовцы, неандертальцы и наши предки сапиенсы жили там в один и тот же период — примерно 45 тысяч лет назад. Неужели встречались у костра?

 

ДНК как медицинский инструмент

Кому это надо

Врачам, фармацевтам, а в итоге — всем, кто хочет быть здоровым

В чём суть

Возможности медицинской генетики хорошо описываются формулой «лечить нельзя предотвратить» — запятую поставьте сами. Если лечить нельзя, то нужно предотвратить. В Израиле, например, одно время рождалось довольно много детей (1 из 3000) с тяжёлым заболеванием Тея — Сакса: в возрасте около полугода ребёнок останавливается в развитии, теряет зрение, слух, способность глотать и в возрасте четырёх лет умирает. Теперь, когда в стране ввели обязательное тестирование на наличие мутации, приводящей к этой болезни, рождается один больной ребёнок на сотни тысяч.

Второй вариант — «лечить, нельзя предотвратить». Лечить, конечно, можно таблетками, а можно путём генетического вмешательства — активируя, подавляя и редактируя гены. Расскажу грустную историю. Жил-был мальчик по имени Дэвид, из-за мутации в ДНК его иммунная система не работала и любой чих был смертельно опасен. Мальчик прожил свою, увы, короткую жизнь в стерильном пузыре. Сейчас истории детей с синдромом «мальчика в пузыре» не такие грустные, потому что с 1990 года им на помощь пришла генетика. У пациента берут костный мозг, с помощью безвредного вируса встраивают в ДНК клеток нормальный ген, а затем отредактированные клетки подсаживают обратно больному. В результате иммунная система начинает работать.

Самая перспективная методика лечения рака — технология CAR-T — тоже основана на ДНК-редактировании. К клеткам иммунной системы (т-лимфоцитам) добавляют ген рецептора, распознающего раковые клетки, и затем эти наведённые на цель лимфоциты отправляют в организм кромсать опухоль. 

Ещё одно интересное направление генетического вмешательства — технология «вторая мама». В 2016 году мир облетела новость: родился ребёнок от трёх родителей. У женщины в супружеской паре была «поломка» в митохондриальной ДНК, из-за чего первые два ребёнка скончались от синдрома Лея. Митохондрии и их ДНК передаются только от мамы, поэтому смертельное заболевание было практически гарантировано всем будущим детям пары. Доктор Джон Чжан предложил взять здоровые митохондрии от женщины-донора и подсадить их в яйцеклетку матери. Так на свет появился здоровый малыш от трёх родителей. Сейчас таких детей в мире уже трое.

Прогноз

Расшифровка первого человеческого генома заняла 13 лет, сегодня это можно сделать за двое суток. Мы уже знаем мутации, которые приводят к раку, болезням Альцгеймера, Паркинсона и ещё примерно 7000 заболеваний. Следующим шагом станет внедрение персонализированного подхода. В медицинских кабинетах появятся мини-секвенаторы размером чуть больше USB-флешки. Вы внесёте в секвенатор образец слюны, он пожужжит, проанализирует геном, и врач подберёт лечение с учётом вашей ДНК.

Уже возникла целая наука, изучающая, как вариации в генах определяют различия во всасывании, переработке и действии лекарств, — фармакогеномика. На гены приходится до 50% различий в побочных реакциях. Существуют фармакогеномные базы данных, заглянув в которые можно подобрать лечение, подходящее для генов конкретного пациента.

Заодно можно проверить и геном бактерий кишечника — невидимый орган, который влияет на энергообмен, иммунитет, помогает переваривать пищу и производит витамины. Анализ микробиоты позволит подобрать диету — выяснить, надо вам есть побольше паслёновых или бобовых. Домашние тесты на микробиом уже существуют. Мини-секвенаторы, например кроха MINION, — тоже. Генетика изменит медицину так, что стандартный подход будет казаться нам таким же древним и странным, как кровопускание или лечение ядами.

ДНК как запоминающее устройство

Кому это надо

Создателям устройств хранения информации, а в итоге — всем, кто считает, пишет, снимает

В чём суть

Примерный расчёт показывает: для хранения всей накопленной человечеством информации нужен лишь один килограмм одной ДНК. Объём цифровых данных неуклонно растёт. К 2040 году нас ждёт кризис в области систем хранения: закончится кремний, необходимый для производства HD-дисков и прочих архивов. Что делать? Генетики отвечают: обратиться к ДНК с её огромной плотностью упаковки информации — весь человеческий геном помещается в крохотной клетке, точнее, в её ядре. К тому же ДНК долговечнее флешек: после трёх лет использования HD-диска доверять ему данные уже не стоит. Как долго продержится ДНК? До 700 000 лет — спустя столько времени из кости, найденной в вечной мерзлоте, удалось извлечь ДНК лошади.

Учёные давно экспериментируют с ДНК-памятью. В 1988 году Джо Дэвис закодировал в ДНК древнегерманскую руну жизни объёмом в 32 бита. В 2013-м в ДНК записали 5 файлов на 739 килобайт — сонеты Шекспира и речь Мартина Лютера Кинга. Через пару лет рекорд побили учёные из Microsoft и Вашингтонского университета — 200 мегабайт: музыкальный клип и фильм 1902 года «Путешествие на Луну».

 

Говорит Кот Шрёдингера: Что только не кодировали на ДНК! Музыку, статьи, стихи — и конечно, фотографию котика!

 

Прогноз

Чтобы ДНК стала жизнеспособной технологией хранения, нужно научиться надёжно кодировать и извлекать информацию, ведь при синтезе и расшифровке ДНК один из ста нуклеотидов оказывается ошибочным. Придётся нарастить объёмы хранения и ускорить процесс: на кодирование информации нуклеотидами уходят часы, а извлечение — дело ещё более долгое. Впрочем, новые технологии «прочтения» ДНК появляются каждые пару лет.

ДНК как книга жизни

Кому это надо

Зоологам, а в итоге — всем, кто хочет понимать многообразие жизни

В чём суть

В 2017 году стартовал проект «Геном позвоночных» — создание базы данных геномов всех 66 000 видов позвоночных. Зачем тратить на это время и деньги? Сравнивая ДНК, можно определить, какие элементы за какие черты отвечают. Например, у людей и шимпанзе геномы похожи на 99%, значит, оставшийся 1% и отвечает за отличия человека от обезьяны.

 

ДНК людей различаются в среднем на один нуклеотид («букву» генетического кода) из тысячи, то есть на 0,1%. А у человека и шимпанзе — на один нуклеотид из ста, то есть на 1%.

Если мы сравним геномы людей и других млекопитающих с геномами птиц, то найдём общие гены млекопитающих, отличающиеся от генов птиц. Так сравнительная генетика позволяет лучше понять эволюцию. Можно сравнивать геномы внутри одного вида — например, у стремительно меняющихся вирусов. Сейчас генетики с замиранием сердца следят за коронавирусом: у штамма альфа мутация произошла в белке, отвечающем за подавление иммунитета человека, у дельта-варианта мутировал ген поверхностного белка, поэтому вирус перестал распознаваться иммунной системой организма. Зная, какие гены в ДНК или РНК вируса за что отвечают, мы можем предположить, от каких мутаций ждать беды.

Сравнивая гены и их расположение, генетики делают выводы об их функции. Если ген похож на какой-то уже изученный, скорее всего, они делают примерно одно и то же.

Прогноз

Революционное удешевление секвенирования в последние годы превратило биологию в науку, богатую данными. Теперь на первый план выступают проблемы их хранения и обработки. Занимается этим биоинформатика — дисциплина, которая становится всё важнее и популярнее. А значит, будет появляться всё больше «сухих» лабораторий, в которых царствуют не реактивы, а компьютеры. 

 

ДНК как агроном

Кому это надо

Работникам сельского хозяйства, а в итоге — всем, кто любит вкусно и недорого поесть

В чём суть

Гордую надпись «не содержит ГМО» без разбора лепят на все продукты, от колбас до соли. Но если честно, гордиться тут особенно нечем. Ведь генно-модифицированные продукты способны повысить урожайность, решить проблему голода, уменьшить вред от сорняков и вредителей и поддержать экологию. Вводя те или иные гены в растения, учёные сделали их устойчивыми холоду, насекомым-вредителям, затоплению; вывели сорта с повышенной урожайностью и с добавлением витаминов. У генно-модифицированных организмов длинный список достоинств. ГМО-картофель, кукуруза и рис содержат больше белка, льняное семя — полезных жиров. В ГМО-помидорах больше антиоксидантов. А ГМО-салат содержит железо в легкоусвояемой̆ форме. 

Прогноз

Учёные и ВОЗ в целом согласны, что генно-модифицированные культуры безопасны, но неспециалисты побаиваются ГМО и запрещают их выращивать. При этом население планеты растёт — и едва ли мы сможем прокормить всех, если сельское хозяйство не начнёт шагать в ногу с биотехнологиями. Неудивительно, что агрогенетика получает всё большее распространение.

ДНК как рука бога

Кому это надо

Санитарным врачам, аграрникам, а в итоге — всем, кто не любит вредных и опасных животных

В чём суть

Вы ведь знаете о самом смертоносном для людей животном планеты? Это комар Anopheles, эксклюзивный распространитель малярийного плазмодия. От малярии ежегодно умирают более 400 000 человек.

Справиться с этой болезнью поможет генный драйв — технология, позволяющая изменить ген так, чтобы 100% потомков его унаследовали. Берём комара, вносим в его ДНК молекулярные ножницы CRISPR\Cas9, нацеленные на ген, который отвечает за определение пола насекомого. Если этот ген повредить, организм самок так и не определится, мальчик он или девочка, и не оставит потомства. Теперь выпускаем ГМО-комарика в природу, где он находит комариху. У всех их остроносых детей молекулярные ДНК-ножницы от папы разрежут ген размножения. Все дочки окажутся стерильными, сыновья же распространят мутацию и оставят следующее поколение неплодовитых комаров. Через некоторое время популяция практически вымрет, а вместе с ней и малярия.

В июле 2021 года были опубликованы результаты полузакрытого полевого исследования — эксперимента в очень больших клетках, имитирующих природу. Генный драйв полностью подавил популяцию комаров за год, а устойчивость к нему так и не выработалась.

Цель генного драйва номер два — грызуны. Европейцы завезли в Австралию и Новую Зеландию крыс, мышей, кроликов и опоссумов. Эта лесная братва размножилась и проводит рейдерский захват территории, вытесняя сумчатых животных и отбирая их еду. С обнаглевшими грызунами пытались справиться с помощью вирусов, а сейчас планируют попробовать генный драйв. Биологи из Калифорнийского университета успешно испытали технологию на мышах.

Прогноз

Экоактивисты считают, что учёные заигрались в бога, решая, каким видам жить, а каким умереть, и призывают запретить технологию. Однако ко времени полномасштабного запуска мы будем гораздо лучше понимать, на что способен генный драйв. Если он не сработает, ГМО-комары просто исчезнут, если же всё пойдёт по плану — резко сократится популяция дикого типа. Со временем, устранив малярию, мы сможем выпустить в природу здоровых, без плазмодия, комаров, если уж они нам так нравятся. Можно, впрочем, стараться побороть малярию с помощью инсектицидов, антималярийных сеток и осушения болот. Но тогда для полного уничтожения болезни потребуется лет пятьдесят, а это 20 миллионов человеческих жизней. Готовы ли мы ждать? 

 

Дебаты «Споры о генах и людях»

 

Работа с генами уже перестала быть чисто научной или технологической темой. Слишком много тут нюансов, связанных с моралью, этикой, социальными нормами. И обсуждать их должны все, в том числе мы с вами. Предлагаем идеи для дебатов, которые можно провести в школе, вузе, библиотеке, да где угодно — хоть у себя на кухне.

Правила

1.      Нужен один ведущий и три человека в жюри. Остальные участники разбиваются на две команды.

2.      Ведущий объявляет тему дискуссии и две противоборствующие позиции. Команды выбирают позиции (с ними можно ознакомиться заранее, чтобы собрать команды единомышленников).

3.      У каждой команды есть 5–10 минут на подготовку. Допускается использование гаджетов (мобильные телефоны, планшеты, компьютеры) для поисков информации.

4.      От каждой команды выступает один спикер, который за две минуты должен привести убедительные аргументы в пользу своей точки зрения. 

5.      Выступив, спикеры уходят (недалеко), а команды должны за две-три минуты сформулировать по два вопроса, которые поставят под сомнение аргументы другой стороны. Потом команды по очереди задают друг другу вопросы.

6.      Объявляется пятиминутка свободной дискуссии. Ведущий даёт слово любому, кто поднимет руку.

7.      Слово предоставляется каждому из судей. Он должен назвать команду-победителя и подробно аргументировать свой выбор. Побеждает команда, которую выбрали два судьи из трёх.

 

Темы для дискуссий

В какой степени гены определяют нашу жизнь?

Позиция № 1
Гены — это наша судьба, они определяют наш интеллект, способности, характер, здоровье, срок жизни 

Позиция № 2

Среда, в которой вырос человек, его культура, окружение и воспитание важнее — от них в итоге зависит, кем он станет, да и вообще всё главное в человеке

Стоит ли опасаться ГМО?

Позиция № 1

ГМО — важнейшая технология, которая позволит прокормить растущее население планеты и создавать новые продукты с улучшенными качествами

Позиция № 2

ГМО опасны, ведь мы ещё не до конца разобрались в генетических механизмах и можем навредить природе и людям

Можно ли вмешиваться в геном человека и менять его?

Позиция № 1

Необходимо вмешиваться — миллионы людей страдают от болезней, которые можно было бы исправить редактированием генома. А ещё можно, например, улучшить человека, сделав его умнее или сильнее

Позиция № 2

Нельзя вмешиваться в геном человека, потому что мы не понимаем всех последствий этого вмешательства. Да и кто дал нам такое право? Лучше развивать огромный потенциал, который и так в нас заложен