Взломавшая код. Дженнифер Даудна, редактирование генома и будущее человечества
Уолтер Айзексон
Уолтер Айзексон, автор ставших бестселлерами биографий Стива Джобса, Альберта Эйнштейна, Леонардо да Винчи и многих других, рассказывает, как Дженнифер Даудна и другие ученые начали революционный процесс, который позволит нам еще эффективнее бороться с болезнями, побеждать вирусы и растить более здоровое потомство. Инструмент для редактирования генома, разработанный Даудной и ее коллегами, CRISPR, уже применяется при лечении серповидноклеточной анемии, рака и слепоты. В 2020 году Даудна со своими командами начала изучать, как CRISPR могут выявлять и уничтожать коронавирус. В том же году Даудна и ее соавтор Эммануэль Шарпантье получили Нобелевскую премию по химии.
В формате PDF A4 сохранен издательский макет книги.
Уолтер Айзексон
Взломавшая код. Дженнифер Даудна, редактирование генома и будущее человечества
Walter Isaacson
The Code Breaker. Jennifer Doudna, Gene Editing, and the Future of the Human Race
© Walter Isaacson, 2021
© З. Мамедьяров, перевод на русский язык, 2023
© 2021 by Christopher Michel, фотография на обложке
© А. Бондаренко, художественное оформление, макет, 2023
© ООО «Издательство АСТ», 2023
Издательство CORPUS
* * *
Памяти Элис Мэйхью и Кэролайн Рейди.
Их улыбки дарили нам радость.
Введение. В атаку!
Дженнифер Даудне не спалось. Калифорнийский университет в Беркли, где за ней закрепился статус суперзвезды, после того как она приложила руку к изобретению технологии редактирования генома, известной как CRISPR, только что закрыл кампус из-за быстрого распространения пандемии коронавируса. Даудна скрепя сердце отвезла своего сына Энди, который учился в выпускном классе школы, на железнодорожную станцию, откуда он поехал во Фресно на конкурс по робототехнике. Теперь, в два часа ночи, она разбудила мужа и настояла, что необходимо забрать сына до начала соревнования, которое проводилось в закрытом выставочном центре, куда должны были съехаться более 1200 человек. Даудна с мужем оделись, сели в машину, нашли работавшую бензоколонку и отправились в трехчасовой путь. Энди, их единственный ребенок, не обрадовался их приезду, но родители убедили его собрать вещи и вернуться домой. Когда они выезжали с парковки, Энди получил сообщение от команды: “Соревнование по робототехнике отменено! Всем детям немедленно уехать!”[1 - Интервью автора с Дженнифер Даудной. Конкурс проводился под эгидой национальной программы First Robotics, основанной неукротимым изобретателем сегвея Дином Кейменом.]
В тот момент, как вспоминает Даудна, она поняла, что ее мир и мир науки изменился. Правительство мешкало с ответом на COVID, поэтому преподавателям университетов и старшекурсникам пора было взяться за пробирки, поднять пипетки и ринуться в атаку. На следующий день – в пятницу, 13 марта 2020 года, – Даудна организовала встречу с коллегами по Беркли и другими учеными из окрестностей Сан-Франциско, чтобы обсудить, кто чем может заняться.
Около дюжины участников встречи прошли по пустынному кампусу Беркли и собрались в блестящем здании из камня и стекла, где находилась их лаборатория. Стулья в зале заседаний на первом этаже стояли вплотную друг к другу, и первым делом ученые расставили их на дистанции в полтора метра друг от друга. Затем они включили видеосистему, с помощью которой к ним по зуму присоединились еще пятьдесят исследователей из соседних университетов. Даудна обратилась к собравшимся, не скрывая напряжения, которое обычно прятала за внешним спокойствием. “Обычно академические ученые такими вещами не занимаются, – сказала она. – Но сейчас необходимо наше участие”[2 - Интервью, аудио- и видеозаписи, заметки и слайды, предоставленные Дженнифер Даудной, Меган Хохштрассер и Федором Урновым; Walter Isaacson. Ivory Power // Air Mail, 11 апреля 2020 г.].
Пионеру CRISPR как нельзя лучше подходила роль руководителя команды, противостоящей вирусу. Инструмент для редактирования генома, разработанный Даудной и другими учеными в 2012 году, основан на хитрости, к которой бактерии уже более миллиарда лет прибегают для борьбы с вирусами. В ДНК бактерий содержатся расположенные группами повторяющиеся последовательности, или CRISPR, которые запоминают, а затем атакуют и уничтожают вирусы. Иными словами, это иммунная система, способная адаптироваться для борьбы с каждой новой волной вирусов, – именно то, что нужно нам, людям, в эпоху, которая омрачается повторяющимися вирусными эпидемиями, словно мы по-прежнему живем в Средневековье.
Даудна, как всегда собранная и методичная, показала слайды, на которых были перечислены возможные подходы к противодействию коронавирусу. Она руководила собранием, внимательно выслушивая каждого. Она хоть и стала звездой научного мира, общаться с ней было достаточно просто. Она преуспела в искусстве работать в сжатые сроки, но при этом находить время, чтобы устанавливать эмоциональную связь с людьми.
Первой команде, собранной Даудной, поручили создать лабораторию для диагностики коронавируса. Одним из руководителей стала постдок Дженнифер Хэмилтон, которая несколькими месяцами ранее целый день учила меня редактировать геном человека с помощью CRISPR. Я обрадовался, но вместе с тем и слегка огорчился, когда увидел, насколько это просто. Даже мне это было по плечу!
Перед другой командой поставили задачу разработать новые тесты на коронавирус на основе CRISPR. Даудне нравятся коммерческие предприятия, и это пошло на пользу делу. Тремя годами ранее она вместе с двумя своими студентами основала компанию, использовавшую CRISPR в качестве инструмента для обнаружения вирусных болезней.
Начав работу по поиску новых тестов для выявления коронавируса, Даудна открыла новый фронт в ожесточенной, но результативной борьбе с конкурентом, живущим на другом конце страны. Обаятельный молодой исследователь Фэн Чжан, который родился в Китае, вырос в Айове и работал в Институте Брода при Массачусетском технологическом институте и Гарварде, стал ее соперником в 2012 году, когда оба ученых искали способы превратить CRISPR в инструмент для редактирования генома, и после этого они жестко конкурировали друг с другом, совершая научные открытия и создавая компании, связанные с CRISPR. Теперь, с началом пандемии, они вступили в очередную гонку, но уже не стремясь зарегистрировать новые патенты, а намереваясь принести пользу.
Даудна остановилась на десяти проектах. Она предложила руководителя для каждого из них и остальным предложила разделиться на команды. Предполагалось, что в паре с каждым будет работать человек, выполняющий аналогичные функции, чтобы дело не прерывалось в боевых условиях: если бы один заразился вирусом, другой продолжил бы его труд. Больше личных встреч не было. С тех пор команды общались в Zoom и Slack.
– Я хочу, чтобы все приступили к работе поскорее, – сказала Даудна. – Как можно скорее.
– Не волнуйтесь, – заверил ее один из участников встречи. – Ни у кого не запланировано никаких поездок.
Но никто из присутствовавших на встрече не упомянул о более долгосрочных планах – о возможности использования CRISPR для инженерии наследуемых изменений человеческого генома, которые сделали бы наших детей и всех наших потомков менее уязвимыми для вирусных инфекций. Такие генетические усовершенствования могли бы навсегда изменить род человеческий.
“Это из области фантастики”, – отмахнулась Даудна, когда я коснулся темы после встречи. Да, согласился я, похоже на “О дивный новый мир” или “Гаттаку”. Но, как и в случае с любой хорошей научной фантастикой, кое-что из описанного уже сбылось. В ноябре 2018 года молодой китайский ученый, присутствовавший на нескольких конференциях Даудны по редактированию генома, применил CRISPR, чтобы отредактировать геном эмбрионов и удалить ген, который производит рецептор для ВИЧ – вируса, вызывающего СПИД. В результате родились девочки-близнецы, первые в мире “дизайнерские дети”.
Сначала все пришли в восторг, а затем испытали потрясение. Многие замахали руками, начали собираться комиссии. Жизнь на этой планете эволюционировала более трех миллиардов лет, и наконец один вид (наш) обнаружил талант и дерзость, чтобы взять под контроль собственное генетическое будущее. Казалось, мы переступили порог и вошли в совершенно новую эпоху, возможно даже в дивный новый мир, как тогда, когда Адам и Ева вкусили яблоко или Прометей украл у богов огонь.
Новообретенная способность редактировать собственный геном ставит перед нами весьма любопытные вопросы. Следует ли нам редактировать геном своего вида, чтобы снизить уязвимость человечества для смертельных вирусов? Было бы здорово! Правда? Следует ли нам редактировать геном, чтобы уничтожать опасные болезни, такие как болезнь Гентингтона, серповидноклеточная анемия и кистозный фиброз? И это было бы неплохо. А как быть с глухотой и слепотой? С маленьким ростом? С депрессией? Хм-м-м… Как вообще к этому относиться? Если через несколько десятков лет такие эксперименты станут доступными и безопасными, стоит ли позволить родителям повышать своим детям коэффициент интеллекта и наращивать мышцы? А выбирать цвет глаз? Цвет кожи? Рост?
Эй! Давайте на минутку остановимся, прежде чем пройти по этой скользкой дорожке. Как это может повлиять на разнообразие наших обществ? Если мы перестанем получать свои характеристики случайным образом, не ослабит ли это нашу способность к сопереживанию и умение принимать людей такими, какие они есть? Если ассортимент в генетическом супермаркете не будет бесплатным (а этого точно не стоит ожидать), разве это не приведет к серьезному усилению неравенства – и не закрепит его навсегда в генах рода человеческого? Учитывая перечисленные проблемы, разве можно позволять отдельным людям принимать такие решения? Может, решать должно общество в целом? Возможно, нам стоит разработать какие-то правила.
Под “нами” я понимаю нас. Всех нас, включая вас и меня. Вопрос о том, приемлемо ли редактировать геном, а если да, то в каких случаях, станет одним из самых животрепещущих в XXI веке, поэтому я решил, что полезно будет понять, как именно это делается. Все новые и новые волны вирусных эпидемий также подчеркивают важность изучения наук о жизни. Очень приятно постигать, как работает какая-либо система, особенно если эта система – мы сами. Даудна испытала это удовольствие, и теперь оно доступно и нам. Именно об этом и пойдет речь в моей книге.
Изобретение CRISPR и эпидемия COVID ускорят наш переход к третьей великой революции новейшего времени. Эти революции начались чуть более столетия назад с открытия трех фундаментальных зерен нашего существования: атома, бита и гена.
В первой половине XX века, после выхода в 1905 году статей Альберта Эйнштейна о теории вероятности и квантовой теории, революцию возглавила физика. За пятьдесят лет, прошедших с “года чудес”, теории Эйнштейна привели к появлению атомных бомб и атомной энергетики, транзисторов и космических кораблей, лазеров и радаров.
Вторая половина XX века стала информационной эпохой, в основу которой легла идея, что любую информацию можно закодировать двоичными цифрами – так называемыми битами, – а все логические процессы можно выполнять при помощи замкнутых цепей с двухпозиционными переключателями. В результате в 1950-х годах появились микросхема, компьютер и интернет. В сочетании три этих инновации привели к рождению цифровой революции.
Теперь мы вошли в третью, еще более знаменательную эпоху – эпоху революции в сфере наук о жизни. К детям, изучающим цифровое кодирование, присоединятся дети, изучающие генетический код.
Когда в 1990-х годах Даудна училась в университете, другие биологи спешили нанести на карту гены, закодированные в ДНК. Но Даудна проявляла больший интерес к менее знаменитому родственнику ДНК – РНК. Это молекула, которая осуществляет реальную работу в клетке, копируя некоторые инструкции, закодированные в ДНК, и используя их для построения белков. В стремлении постичь РНК Даудна пришла к фундаментальному вопросу: как зародилась жизнь? Молекулы РНК, которые она изучала, обладали способностью к самовоспроизводству, а потому вполне можно было допустить, что четыре миллиарда лет назад они начали размножаться в бульоне из химических веществ, плескавшемся на нашей планете, даже до появления ДНК.
Занимаясь молекулами жизни в Беркли, Даудна сосредоточилась на изучении их строения. Если вы следователь, то основными уликами в биологическом детективе становятся особенности молекул, определяющие принципы их взаимодействия с другими молекулами. Даудне для этого нужно было изучить строение РНК. Ее труд перекликался с проведенной Розалинд Франклин работой над ДНК, которая помогла Джеймсу Уотсону и Фрэнсису Крику открыть в 1953 году двойную спираль ДНК. Так случилось, что Уотсон, весьма многогранная личность, впоследствии не раз возникал у Даудны на пути.
Когда Даудна стала специалистом по РНК, с ней связался биолог из Беркли, который изучал систему CRISPR, разработанную бактериями в борьбе с вирусами. Как и многие открытия фундаментальной науки, это знание оказалось полезным в практическом отношении. Некоторые сферы его применения весьма обыденны, например защита бактерий в йогуртовых культурах. Но в 2012 году Даудна с коллегами нашли более сенсационный способ использования CRISPR и научились превращать их в инструмент для редактирования генома.
Сегодня CRISPR применяются в лечении серповидноклеточной анемии, рака и слепоты. В 2020 году Даудна со своими командами начала изучать, как CRISPR могут выявлять и уничтожать коронавирус. “Системы CRISPR появились в бактериях в процессе эволюции в результате длительной войны бактерий с вирусами, – говорит Даудна. – У людей нет времени ждать, пока наши клетки естественным путем научатся противостоять этому вирусу, поэтому нам нужно добиться желаемого своим умом. Разве не чудесно, что один из инструментов в этой древней бактериальной иммунной системе называется CRISPR?[3 - Здесь имеется в виду перекличка с английским словом crisp, у которого среди прочего есть значение “резкий”, “решительный” (об ответе, нраве). – Здесь и далее, если не указано иное, прим. перев.] Этим и прекрасна природа”. О да, запомните: природа прекрасна. Об этом тоже пойдет речь в этой книге.
В сфере редактирования генома есть и другие звезды. Большинство из них тоже заслуживает биографических книг, а возможно, и фильмов. (Краткая презентация: “Игры разума” встречаются с “Парком юрского периода”.) Они играют важные роли в этой книге, поскольку я хочу продемонстрировать, что наука – это командный спорт. Но я также хочу показать влияние, которое может оказывать настойчивый, любознательный, упрямый и отчаянно напористый человек. С улыбкой, которая порой (и все же не всегда) скрывает опаску, проглядывающую у нее в глазах, Дженнифер Даудна стала отличным главным героем. У нее есть склонность к работе в команде, без которой не обойтись ни одному ученому, но вместе с тем в ее характере есть и боевитость, свойственная большинству великих инноваторов. Она всегда контролирует свои эмоции и не зазнается, несмотря на звездный статус.
В ее биографии – биографии ученого, лауреата Нобелевской премии и публичного интеллектуала – рассказ о CRISPR связывается с более заметными нитями истории, включая роль женщин в науке. Ее работа, как и работа Леонардо да Винчи, показывает, что ключ к инновациям – это объединение интереса к фундаментальной науке с практической деятельностью по созданию инструментов, которые находят применение в жизни, то есть перенос открытий из лаборатории к постели больного.
Рассказывая историю Даудны, я надеюсь показать читателям, как работает наука. Что происходит в лаборатории? В какой степени открытия зависят от гениальности отдельных людей и насколько важнее стала командная работа? Не подрывает ли конкуренция за награды и патенты основы для сотрудничества?
Но главное – я хочу подчеркнуть важность фундаментальной науки, то есть исследований, которые движимы любознательностью, а не практическими соображениями. Теоретические исследования чудес природы создают задел – порой непредсказуемым образом – для будущих инноваций[4 - См. главу 12, в которой рассказывается о производителях йогуртов и подробнее описывается поэтапный процесс проведения теоретических исследований и внедрения технологических инноваций.]. Изучение физики поверхностного состояния в конце концов привело к появлению транзистора и микросхемы. Исследования поразительного метода, используемого бактериями для противостояния вирусам, в итоге помогли создать инструмент для редактирования генома и разработать техники, которые человечество может применять в собственной борьбе с вирусами.
Эта история полна серьезнейших вопросов, затрагивающих массу тем, от происхождения жизни до будущего человечества. И начинается она с рассказа о том, как одна шестиклассница, которой нравилось искать “сонную траву” и другие удивительные вещи среди вулканических пород Гавайев, однажды пришла домой из школы и обнаружила у себя на кровати детективную историю о людях, открывших то, что сами они лишь с небольшим преувеличением назвали “секретом жизни”.
Часть первая. Происхождение жизни
И насадил Господь Бог рай в Едеме на востоке, и поместил там человека, которого создал.
И произрастил Господь Бог из земли всякое дерево, приятное на вид и хорошее для пищи, и дерево жизни посреди рая, и дерево познания добра и зла.
Книга Бытия 2: 8–9
Глава 1. Хило
Хоуле
Если бы Дженнифер Даудна росла в любой другой части Америки, возможно, она считала бы себя обычным ребенком. Но в Хило, старом городе в усеянном вулканами районе Большого острова Гавайского архипелага, она, по собственному признанию, чувствовала себя “настоящей чудачкой” из-за своих светлых волос, голубых глаз и высокого роста. Дети дразнили ее, и особенно ей доставалось от мальчишек, ведь у нее, в отличие от них, на руках росли волосы. Ее называли “хоуле”, а это слово хоть и не было ужасным само по себе, но часто использовалось для пренебрежительного именования чужаков. Из-за него у Дженнифер сформировалась защитная скорлупа, которая скрывалась за тем, что впоследствии превратилось в фасад добродушия и очарования[5 - Интервью автора с Дженнифер Даудной и Сарой Даудной. При подготовке этого раздела использовались и другие источники: The Life Scientific // BBC Radio. 17 сентября 2017 г.; Andrew Pollack. Jennifer Doudna, a Pioneer Who Helped Simplify Genome Editing // New York Times, 11 мая 2015 г; Claudia Dreifus. The Joy of the Discovery: An Interview with Jennifer Doudna // New York Review of Books. 24 января 2019 г.; интервью с Дженнифер Даудной // Национальная академия наук. 11 ноября 2004 г. Jennifer Doudna. Why Genome Editing Will Change Our Lives // Financial Times. 14 марта 2018 г.; Laura Kiessling. A Conversation with Jennifer Doudna // ACS Chemical Biology Journal. 16 февраля 2018 г.; Melissa Marino. Biography of Jennifer A. Doudna // PNAS. 7 декабря 2004 г.]. Семейной легендой стала история об одной из прабабушек Дженнифер. У нее было три брата и две сестры. Родители не могли позволить себе оплатить образование всем детям, поэтому решили отправить учиться двух девочек. Одна из них стала учительницей в Монтане и вела дневник, который по сей день передается из поколения в поколение. В нем она рассказывала о стойкости и сломанных руках-ногах, о работе в семейной лавке и других предприятиях фронтира. “Она была твердой и упрямой, как настоящий первопроходец”, – говорит сестра Дженнифер Сара, которая хранит дневник сейчас.
Дженнифер в Хило
Дженнифер тоже росла с двумя сестрами, но братьев у нее не было. Старшая из трех, она была любимицей отца, Мартина Даудны, который, когда речь заходила о детях, порой говорил, что воспитывает “Дженнифер и девочек”. Дженнифер родилась 19 февраля 1964 года в Вашингтоне, где ее отец работал спичрайтером в Министерстве обороны. Он мечтал стать профессором американской литературы, а потому переехал в Анн-Арбор вместе с женой Дороти, преподававшей в муниципальном колледже, и поступил в Мичиганский университет.
Получив докторскую степень, он отправил резюме в пятьдесят заведений, но получил лишь одно предложение – от Гавайского университета в Хило. В августе 1970 года, когда Дженнифер было семь лет, он позаимствовал 900 долларов из пенсионных накоплений жены и перевез семью на Гавайи.
Многие творческие люди, включая тех, о ком я писал, например Леонардо да Винчи, Альберт Эйнштейн, Генри Киссинджер и Стив Джобс, росли, чувствуя себя чужими в своем окружении. Так было и с Даудной – маленькой светловолосой девочкой, живущей среди полинезийцев в Хило. “В школе мне было очень, очень одиноко, я пребывала в изоляции”, – говорит она. В третьем классе она была такой затравленной, что у нее начались проблемы с питанием. “Я страдала от всевозможных расстройств пищеварения, которые, как я впоследствии поняла, возникали из-за стресса. Меня постоянно дразнили”. Она обращалась к книгам и училась не принимать обид близко к сердцу. “Им никогда не добраться до того, что у меня внутри”, – твердила она себе.
Как и многие из тех, кто чувствует себя изгоями, она живо интересовалась, как люди находят свое место в мире. “Очень важной для меня стала попытка выяснить, кто я такая в этом мире и как найти свое место”, – сказала она впоследствии[6 - Dreifus. “The Joy of the Discovery.”].
К счастью, чувство отчужденности не пустило в ней глубокие корни. В школе стало полегче, Дженнифер научилась быть мягче, и шрамы, полученные в раннем детстве, начали бледнеть. Они напоминали о себе лишь изредка, когда какое-нибудь событие – обходной маневр при подаче заявки на патент или скрытность и нечестность партнера по бизнесу – задевало ее достаточно глубоко.
Расцвет
Ситуация стала меняться к лучшему в середине третьего класса, когда семья Даудны переехала из центра Хило в квартал новых типовых домов, построенный на лесистом склоне ближе к вулкану Мауна-Лоа. Дженнифер перешла из большой школы, где в параллели училось шестьдесят детей, в маленькую, где их было всего двадцать. Тогда у них начались уроки по истории США, и этот предмет позволил Дженнифер нащупать свою связь с окружением. “Это стало поворотным моментом”, – вспоминает она. Она делала такие успехи, что к пятому классу учителя математики и естествознания настояли, чтобы она перепрыгнула через класс. И родители перевели ее сразу в шестой.
