Наука не усвідомлює, чим завдячує уяві.

Ральф Волдо Емерсон

Пролог

Хвиля

У тому сні я стою на пляжі.

По обидва боки від мене довга смуга сірувато-білого піску окреслює вздовж води велику затоку. Розумію, що це узбережжя острова Гаваї — саме тут я виросла. Це край бухти Хіло, де колись я проводила вихідні з друзями, спостерігаючи за перегонами на каное, шукаючи мушлі та скляні кульки з японських рибальських суден, які іноді прибивало до берега.

Але сьогодні тут не видно ані друзів, ані каное чи рибальських човнів. Пляж безлюдний, пісок незайманий, і вода неприродно спокійна. За хвилерізом на поверхні океану м’яко виблискує світло, немовби для того, щоб пом’якшити страх, який я ношу в собі ще з дівоцтва — жах, який переслідує кожного, незалежно від віку, хто мешкає неподалік від бухти Хіло. Моєму поколінню не випало пережити цунамі, але всі бачили світлини. Ми знали, що наше місто розташоване в зоні затоплення.

Я помітила її звіддаля якраз вчасно. Хвиля.

Спочатку крихітна, але вже за секунду зростає, здіймаючись переді мною страхітливою стіною, а її пінисті гребені затьмарюють небо. За нею є й інші хвилі, усі котяться до узбережжя.

Я заціпеніла від страху, але з наближенням цунамі жах поступається рішучості. Я помічаю позаду себе маленьку дерев’яну халупку. Там мешкав мій приятель Пуа й попереду хижки розкидана купа дощок для серфінгу. Я хапаю одну й плюхкаюсь у воду, починаю гребти в бік затоки, оминаю хвилеріз і прямую простісінько до хвиль, що насуваються. Ще до того, як накотилася перша з них, мені вдається пірнути крізь неї, а випірнувши з іншого боку, осідлати ще одну. Потім милуюся краєвидом. Неймовірне видовище: Мауна-Кеа, а за ним Мауна-Лоа здіймаються над бухтою аж до неба, немовби захищаючи її.

Прокидаюся у своїй спальні в Берклі, штат Каліфорнія, за тисячі кілометрів від домівки, у якій минуло дитинство.

Нині липень 2015-го, і я переживаю найбільш захопливий і приголомшливий рік свого життя. Подібні сни я бачила постійно, але тепер стало легше збагнути їхнє глибинне значення. Пляж — це міраж, а от хвилі й суміш емоцій, викликана ними, — страх, надія та благоговіння — аж надто реальні.

Моє ім’я — Дженніфер Дудна. Я біохімік і більшу частину своєї кар’єри провела в лабораторії, досліджуючи теми, про які люди, ніяк не дотичні до моєї сфери діяльності, ніколи й не чули. Однак за останні десять років я стала частиною передової галузі біологічних наук, людиною, чий успіх більше не міг уміститися в чотирьох стінах якогось академічного дослідницького центру. Нас із колегами захопила непереборна сила, зовсім не схожа на цунамі з мого сну, от тільки саме я дала поштовх її виникненню.

До літа 2015-го біотехнологія, яку я допомогла створити лише декілька років тому, набрала таких обертів, що я й уявити собі не могла. І її наслідки були приголомшливими не лише для біологів, а й для всього живого на Землі.

Ця книжка — історія про неї, і про мене також. А ще про вас, бо вже невдовзі відлуння цієї технології сягне й вашого порога.

Люди тисячоліттями видозмінювали фізичний світ, але наслідки ніколи не були такими разючими, як нині. Індустріалізація спричинила кліматичні зміни, які загрожують екосистемам по всій планеті. Цей та інші види людської діяльності пришвидшили різкий стрибок у вимиранні видів, що вплинуло на різноманітні популяції істот, із якими ми ділимо цю землю. Подібні зміни наштовхнули геологів на думку перейменувати цю еру на антропоцен — епоху людей.

У біологічному світі теж відбуваються ґрунтовні зміни, зумовлені діяльністю людини. Упродовж мільярдів років життя розвивалося згідно з Дарвіновою теорією еволюції: організми вдосконалювалися через низку випадкових генетичних мутацій, деякі з них надавали переваги у виживанні, боротьбі за існування та розмноженні. Наш вид також розвивався внаслідок цього процесу, адже донедавна ми й справді покладалися здебільшого на його милість. Коли десять тисяч років тому зародилося сільське господарство, люди почали впливати на еволюцію за допомогою селекційного виведення рослин і тварин, але початковий матеріал — випадкові мутації ДНК з-поміж доступних генетичних варіацій — усе одно утворювався мимовільно й непередбачувано. Як наслідок, зусилля нашого виду, спрямовані на зміну природи, наштовхувалися на перепони й були не надто успішними.

Нині все докорінно змінилося. Людям удалося повністю взяти цей споконвічний процес під контроль. Застосовуючи потужні біотехнологічні інструменти для виправлення пошкоджених ділянок ДНК всередині живих клітин, тепер науковці можуть впливати на генетичний код, який визначає кожен вид на планеті (і наш зокрема), і продумано його видозмінювати. А з найновішим і, мабуть, найефективнішим інструментом у галузі генної інженерії під назвою CRISPR-Cas9 (скорочено CRISPR) геном — вміст усієї ДНК організму включно з його генами — став майже так само податливим для редагування, як і звичайний текстовий уривок.

Якщо науковці знають генетичний код якоїсь виняткової риси, то за допомогою CRISPR (коротких паліндромних повторів, регулярно розташованих групами) вони можуть уставляти, редагувати або видаляти відповідний ген із генома практично будь-якої рослини чи тварини. Цей процес значно простіший та ефективніший за будь-яку іншу технологію маніпуляцій із генами з-поміж усіх наявних нині. Майже несподівано ми усвідомили себе на межі нової доби в генній інженерії — на початку революційної ери, де можливості обмежуються лише нашою колективною уявою, — та відчули силу людського панування над усіма іншими видами.

Царство тварин стало першим і донині є найбільшим полем для досліджень цього нового інструмента редагування генів. Наприклад, науковці використали CRISPR для виведення генетично покращеної версії біглів, створивши собак зі шварценеггерівською статурою, змінивши лишень одну літеру ДНК в гені, який контролює формування м’язів. В іншому випадку, деактивувавши в геномі свині ген, який відповідає за гормон росту, дослідники створили мікросвиней — поросят завбільшки з великого кота, яких можна продавати як домашніх тварин. Дещо схоже науковці зробили й із китайськими козами породи Shannbei, відредагувавши геном цих тварин за допомогою CRISPR так, що вони виростали водночас і м’язистішими (а отже, давали більше м’яса), і з довшою шерстю (тобто з більшою кількістю кашемірових волокон). Генетики навіть використовують CRISPR, щоб перетворити ДНК азійського слона на те, що дедалі більше скидається на ДНК косматого мамута, сподіваючись колись відродити цю вимерлу істоту.

Тим часом у рослинному світі CRISPR широко застосовують для редагування генома сільськогосподарських культур, прокладаючи шлях перевагам у землеробстві, здатним значно покращити харчування людей і зміцнити продовольчу безпеку у світі. Завдяки експериментам із редагуванням генома вдалося вивести стійкий до захворювань рис, помідори, які повільніше дозрівають, соєві боби з умістом корисних поліненасичених жирів і картоплю з нижчим рівнем потенційних нейротоксинів. Науковці в галузі харчування досягають цих покращень не за допомогою трансгенних методів, додаючи ДНК одних видів до генома інших, а завдяки відточеним генетичним оновленням унаслідок змін лише кількох літер у ДНК оригінального організму.

Попри захопливі результати застосування цього методу щодо земної флори й фауни, вплив редагування генома на наш вид є дуже перспективним, однак водночас несе чи не найбільшу загрозу майбутньому людства.

Парадоксально, але певну користь для здоров’я людей цілком імовірно отримати, застосовуючи CRISPR на тваринах чи навіть комахах. У нещодавніх експериментах цю технологію використали для «олюднення» ДНК свиней, покладаючи великі надії на те, що колись ці тварини зможуть слугувати для людей донорами. CRISPR також заховали в геномах нових порід москітів — це частина плану для швидкого введення нових рис у популяції диких москітів. Науковці сподіваються зрештою викорінити захворювання, які переносять ці комахи, як-от малярію чи хворобу, спричинену вірусом Зіка, або ж навіть знищити самих переносників.

У процесі лікування багатьох хвороб CRISPR дає змогу редагувати й виправляти мутовані гени безпосередньо в пацієнтах-людях. Хоча досі ми лише мигцем глянули на можливості цієї технології, але від побаченого за останні декілька років голова йде обертом. У вирощених у лабораторії людських клітинах цю нову технологію редагування генів використовували для того, щоб виправити мутації, відповідальні за кістозний фіброз, серпоподібноклітинну анемію, деякі форми сліпоти й декілька комбінованих імунодефіцитів, а також чимало інших розладів. Завдяки CRISPR науковці здатні з ювелірною точністю знаходити й виправляти окремі неправильні літери ДНК з-поміж 3,2 мільярда літер, які формують людський геном, але цю технологію можна використовувати й для ще складніших видозмін. Дослідники виправили помилки в ДНК, які є причиною м’язової дистрофії Дюшенна, видаливши пошкоджену ділянку мутованого гена, а решту лишивши без змін. У разі гемофілії А науковці використали CRISPR для того, щоб упорядкувати в правильній послідовності більш як півмільйона літер ДНК, переплутаних у геномах уражених пацієнтів. CRISPR можна застосовувати навіть для лікування ВІЛ/СНІДу, вирізаючи ДНК вірусу з ДНК клітин інфікованого пацієнта або ж редагуючи ДНК пацієнта в такий спосіб, щоб клітини взагалі уникали зараження.

Перелік можливих варіантів використання цієї нової генної технології для лікування можна продовжувати безкінечно. Завдяки тому, що CRISPR дає змогу точного й відносно безпосереднього редагування ДНК, усі генетичні захворювання — принаймні ті, для яких ми вже визначили мутації, що їх спричиняють, — перетворилися на потенційну ціль для лікування. Медики вже почали лікувати деякі види раку вдосконаленими імунними клітинами, геноми яких укріпили редагованими генами, щоб допомогти їм вистежувати ракові клітини. Хоча в нас попереду чималий шлях, доки лікування на основі CRISPR буде широко застосовуватися на людях, його потенціал очевидний. Редагування генів дає надію на методи лікування, здатні змінити життя, а в деяких випадках — урятувати його.

Проте є й інше вагоме значення технології CRISPR. Її можна використовувати не лише для лікування хвороб у тих людей, які живуть нині, але й для запобігання хворобам майбутніх поколінь. Технологія CRISPR така проста й дієва, що науковці можуть використовувати її для видозміни ДНК клітин зародкової лінії — потоку генетичної інформації, який поєднує одне покоління з іншим. І без сумніву, цю технологію колись застосовуватимуть для змін генома нашого виду так, щоб їх можна було успадкувати. Це назавжди змінить генетичний склад людства.

Припускаючи, що редагування людських генів виявиться безпечним та ефективним, може видатися логічним, навіть бажаним виправляти мутації, які спричиняють хвороботворні мутації якомога раніше, до того, як згубні гени почнуть шкодити. І знову ж таки, щойно стане можливим видозмінювати мутовані гени ембріона на нормальні, безперечно, виникне спокуса поліпшити звичайні гени до начебто кращих їх версій. Чи варто нам починати редагувати гени ненароджених дітей, щоб знизити для них ризик упродовж життя захворіти на серцеві недуги, Альцґеймера, діабет або рак? А як щодо наділення малят, які перебувають у материнському лоні, корисними рисами, як-от більшою силою та підвищеними когнітивними вміннями, або ж щодо зміни фізичних рис, наприклад, кольору очей чи волосся? Пошук ідеалу видається властивим людській природі, але якщо ми ступимо на цю непевну стежку, то може не сподобатися, куди вона нас заведе.

Питання ось у чому: приблизно за сотню тисяч років існування сучасних людей геном Homo sapiens формувався двома силами — випадковими мутаціями та природним добором. Тепер, уперше за весь час, ми здатні редагувати ДНК не лише будь-якої людини, що живе нині, а й також ДНК майбутніх поколінь — по суті, направляти еволюцію власного виду. В історії життя на Землі ніколи не траплялося нічого подібного. Нам цього не осягнути. І це змушує поставити незвичайне, однак необхідне запитання: що ми, неспокійний вид, представники якого не здатні багато в чому дійти згоди, будемо робити з такою неймовірною силою?

Коли ми з колегами у 2012 році опублікували науково-дослідницьку працю, у якій виклали основні тези технології редагування генів CRISPR, мені й на думку не спадало взяти під контроль еволюцію людського виду. Зрештою, спершу нами керувала допитливість у зовсім не спорідненій із генною інженерією сфері. Ми хотіли з’ясувати, як саме бактерія захищається від вірусної інфекції. Проте під час дослідження бактеріальної імунної системи під назвою CRISPR-Cas ми відкрили функціонування неймовірного механізму, який міг досконало відділяти вірусну ДНК. Ми відразу ж збагнули доцільність використання такого механізму для маніпуляцій із ДНК в інших типах клітин, зокрема й у людських. А оскільки технологію широко запозичували й швидко розвивали, я більше не могла уникати зіткнення з численними наслідками нашої роботи.

Коли науковці почали використовувати CRISPR в ембріонах приматів, щоб створити перших генетично модифікованих мавп, я запитала себе, скільки ще часу лишилося до того, як якісь дослідники-інакодумці вирішать зробити те саме з людьми. Як біохімік я ніколи не працювала зі зразками тварин, людськими тканинами чи пацієнтами-людьми; моя зона комфорту обмежувалася чашками Петрі й тестовими пробірками в лабораторії. Але я опинилася за її межами, спостерігаючи, як технологію, яку сама ж і допомогла створити, використовують у такий спосіб, що це може радикально видозмінити і наш вид, і світ, у якому ми живемо. А чи не станеться так, що ця технологія мимоволі розширить соціальні або генетичні відмінності, і чи не супроводжуватиме її новий євгенічний рух? До яких наслідків нам варто готуватися?

Мене спокушала думка залишити ці дискусії людям із відповідною освітою у сфері етики біологічних експериментів і повернутися до захопливого біохімічного дослідження, яке й привело мене до CRISPR від початку. Але водночас як першовідкривачка в цій галузі, я відчувала відповідальність допомогти спрямувати обговорення до того, як ці технології можна й варто буде застосовувати. Особливо я хотіла переконатися, що до дискусії долучаться не лише дослідники з біоетики, а й також ціла низка зацікавлених сторін, зокрема соціологи, політики, релігійні лідери, регуляторні органи та представники громадськості. Зважаючи на те, що це наукове відкриття впливає на все людство, видавалося необхідним охопити якомога більше секторів суспільства. До того ж я відчувала, що обговорення потрібно почати негайно, перш ніж подальше застосування технології унеможливить для нас будь-які спроби взяти її під контроль.

Тож у 2015-му, керуючи лабораторією в Берклі та подорожуючи світом, щоб презентувати своє дослідження на семінарах і конференціях, я почала дедалі більше часу присвячувати темам, украй далеким від моїх попередніх інтересів. Я відповідала на десятки запитань репортерів про все: від проектування немовлят до гібридів свиней і людей та генетично створених надлюдей. Говорила про CRISPR із губернатором Каліфорнії, з членами Управління науково-технічної політики Білого дому, із ЦРУ, а також виступала перед Конгресом США. Я організувала першу зустріч для обговорення етичних питань, які технології редагування генів, а надто CRISPR, порушували в різних сферах: від репродуктивної біології та генетики людини до землеробства, охорони довкілля й здоров’я. А ще допомогла наростити динаміку від тієї першої зустрічі, ставши співорганізаторкою значно більшої міжнародної наради з питань редагування людських генів, яка зібрала науковців та інших учасників із США, Сполученого Королівства Великої Британії, Китаю та решти світу.

Знову й знову в розмовах ми поверталися до питання про те, як саме поводитися із цією нововідкритою силою. Ми й досі не знайшли відповіді, але крок за кроком прямуємо до неї.

Редагування генів змусило нас зіткнутися з підступним запитанням про те, де ж провести межу, коли йдеться про генетику людини. Одні вважають будь-яку форму генетичних маніпуляцій жахливим, порочним порушенням священних законів природи та права на життя. Інші розглядають геном лише як програмне забезпечення — те, що ми можемо лагодити, чистити, оновлювати, покращувати, — і відстоюють думку, що лишати людей на милість недосконалої генетики не тільки нерозумно, а й аморально. Подібні роздуми спонукали перших вимагати негайної заборони редагування генома ненароджених дітей, а других — закликати науковців прямувати вперед без жодних обмежень.

Мої погляди щодо цього й досі еволюціонують, але мене вразив коментар, зроблений під час зустрічі в січні 2015-го, яку я організувала, щоб обговорити редагування ДНК клітин зародкової лінії у людських ембріонах. Сімнадцять людей, зокрема й співавтор цієї книжки (і мій колишній аспірант) Сем Стернберґ, сиділи навколо столу для переговорів у каліфорнійському коледжі Напа Веллі, захоплені палкою дискусією про те, за яких умов і коли може бути дозволене редагування гермінативної ДНК. Раптом хтось схилився до гурту й дуже тихо промовив: «Може статися так, що колись ми вважатимемо неетичним не вдаватися до редагування гермінативної ДНК, хоча цим можна полегшити людські страждання». Цей коментар перевернув усю розмову й досі спадає мені на думку щоразу, коли я зустрічаюся з батьками, які зіткнулися зі страхітливими наслідками генетичних розладів у своїх дітей.

Доки ми все обмірковуємо, дослідження CRISPR тривають. У середині 2015 року китайські науковці опублікували результати експерименту, під час якого вони вживлювали CRISPR у людські ембріони. Учені використовували вибракувані, нежиттєздатні ембріони, але їхнє дослідження все одно є великим наріжним каменем — першою спробою редагування ДНК у гермінативних клітинах людини.

Такі відкриття викликають цілком виправдане занепокоєння. Та все одно ми не можемо нехтувати фантастичними медичними можливостями, які дає редагування генів, щоб допомогти людям, які страждають від виснажливих генетичних хвороб. Уявіть собі: якби жінка, яка дізналася, що є носійкою мутованої копії гена HTT (а це практично беззаперечний доказ розвитку в неї ранньої деменції), мала доступ до ліків, розроблених на основі CRISPR, що здатні усунути мутації ДНК ще до появи будь-яких симптомів. Ніколи раніше рятівне лікування не видавалося таким близьким, і дуже важливо, щоб, обговорюючи редагування в ДНК гермінативних клітин, ми доклали зусиль, аби не налаштувати громадськість проти CRISPR чи клінічного використання редагування генів, яке не успадковується.

Я з надзвичайним захватом ставлюся до перспектив редагування генів. Успішні дослідження CRISPR стрімко продовжуються і в академічних лабораторіях, і в біотехнологічних компаніях-стартапах, причому останні одержали більше мільярда доларів підтримки від інвесторів і фірм венчурного капіталу. Сприяючи вивченню нової технології, вчені та неприбуткові організації надають науковцям по всьому світу недорогі, дотичні до CRISPR інструменти для безперешкодного здійснення досліджень.

Але для наукового поступу потрібно більше, ніж здійснення досліджень, інвестування та інновації, адже залучення громадськості також є важливим. Аж дотепер революція CRISPR відбувалася переважно за зачиненими дверима лабораторій і біотехнологічних стартапів. Із появою цієї книжки та завдяки іншим зусиллям ми сподіваємося кинути на неї світло.

У першій частині цієї книжки — «Інструмент» — ми із Семом ділимося захопливою історією створення технології CRISPR, розповідаючи, зокрема, про те, як вона зародилася з вивчення бактеріальної імунної системи і яку роль у розробці методів переписування ДНК всередині клітин відіграла мандрівка тривалістю в десятки років. У другій частині — «Завдання» — ми досліджуємо міріади варіантів використання CRISPR як у наш час, так і в майбутньому на тваринах, рослинах і людях, обговорюємо захопливі можливості, а також значні труднощі, які чекають попереду. Ви помітите, що скрізь чутно лише мій голос. Книжку писали ми обоє, і обоє поділяємо більшість поглядів, наведених тут. Але ми вдалися до такого наративного підходу заради прозорості, а також щоб охопити широту й подробиці мого унікального досвіду, здобутого за ці роки.

Ця книжка не задумувалася як скрупульозна історія виникнення CRISPR або як вичерпна хронологія раннього розвитку редагування генома. Ми радше намагалися наголосити на деяких найпомітніших успіхах і показати, яким чином наша робота узгоджується з дослідженнями інших науковців.

Ми додавали посилання там, де це видавалося доречним, і заохочуємо зацікавлених читачів звернутися до додаткових публікацій, щоб доповнити обговорювані теми. Нарешті, ми смиренно дякуємо численним науковцям, які відіграли вирішальну та неоціненну роль у вивченні CRISPR і редагуванні генів, і просимо вибачення в багатьох колег, чиї роботи не змогли згадати тут через обмежений обсяг книжки.

Сподіваємося, що ця книжка розвіє таємничість навколо такої захопливої галузі науки, як генна інженерія, і надихне вас долучитися до неї. Міжнародне обговорення редагування генома вже розпочалося. Ці історичні дебати мають не менше історичне значення, ніж про майбутнє нашого світу. Хвиля наближається. Гребімо ж до неї та осідлаймо її разом.

Частина перша

Інструмент

Розділ 1

Пошук ліків

Нещодавно я почула неймовірну історію, яка підсумовує можливості й перспективи редагування генома.

У 2013 році науковці Національного інституту охорони здоров’я США (NIH)1 зіткнулися з медичною загадкою. Вони вивчали рідкісне генетичне захворювання, відоме як синдром WHIM2, і натрапили на пацієнтку, чий стан просто не змогли пояснити. Цю хворобу їй діагностували ще на початку життя, однак, коли науковці зустрілися з жінкою, складалося враження, що недуга дивовижним чином зникла з її організму.

Синдром WHIM, який уразив кілька десятків людей по всьому світу, — це болісне, потенційно смертоносне захворювання, пов’язане з імунодефіцитом, що ускладнює життя тим бідолахам, яким «пощастило» на нього занедужати. Його причина криється в крихітній мутації — єдиній неправильній літері з-поміж майже шести мільярдів літер нашої ДНК загалом, що рівноцінно зміні приблизно десятка атомів. Через цю мізерну зміну жертви WHIM дуже вразливі до зараження вірусом папіломи людини (ВПЛ), що викликає неконтрольовану появу бородавок, які вкривають шкіру пацієнта й зрештою можуть перерости в рак.

Свідченням рідкісності хвороби може бути й те, що пацієнтка, якій уперше діагностували синдром WHIM ще в 1960-х, і жінка, з якою через стільки років познайомилися дослідники NIH, виявилися однією людиною.

У науковій літературі ця жінка відома просто як WHIM-09, але я називатиму її Кім. Хвороба вразила Кім ще від народження, і впродовж життя її безліч разів шпиталізували через серйозні інфекції, що виникали внаслідок цієї недуги.

У 2013-му Кім, а тоді їй було вже п’ятдесят вісім років, познайомилася з персоналом NIH, а також представила двох своїх доньок віком десь трохи за двадцять. У молодших жінок простежувалися класичні симптоми хвороби, але науковців здивувало відкриття, що з самою Кім, схоже, усе було гаразд. Вона заявила, що симптоми не турбували її більше двадцяти років. Приголомшливо, але без жодного медичного втручання Кім вилікувалася.

Щоб зрозуміти, як Кім удалося самотужки здолати небезпечну для життя хворобу, науковці здійснили експерименти й знайшли кілька ефективних підказок. Мутований ген, відповідальний за стан Кім, досі був у клітинах, узятих із її щоки та шкіри, однак із якоїсь незрозумілої причини в клітинах крові його не виявили. Детальніше проаналізувавши ДНК, узяту з клітин крові Кім, науковці знайшли дещо химерніше: серед тридцяти п’яти мільйонів літер ДНК бракувало однієї копії хромосоми 2 — ділянки, яка містила весь мутований ген під назвою CXCR4. (Назви генів записуються курсивом, а білки, які вони кодують, — звичайним шрифтом. Наприклад, ген HTT кодує білок під назвою гантінгтін. Мутація гена HTT спричиняє хворобу Гантінгтона). Приблизно двісті мільйонів літер ДНК, що лишилися в хромосомі 2, були переплутані так, немовби нею пронісся торнадо й лишив усі її компоненти в цілковитому безладі.

Ці перші знахідки викликали купу нових запитань. Як ДНК у клітинах крові Кім стала такою неправильною, якщо в решті тіла жінки все було нормально (за винятком мутації CXCR4)? Ба більше: зважаючи на те, що хромосома, у якій ховався ген CXCR4, була страшенно пошкоджена й тепер їй бракувало 164 генів, як же клітинам крові вдалося не лише вижити, а й нормально функціонувати? Людський геном — повний набір усієї генетичної інформації в наших клітинах — містить тисячі генів, необхідних для життєво важливих функцій, як-от реплікація ДНК і поділ клітин. Через це той факт, що так багато генів могли просто зникнути без будь-яких згубних наслідків, видавався майже неймовірним.

Зробивши низку аналізів, науковці NIH повільно збирали докупи фрагменти пояснення чудесного одужання Кім. Вони дійшли висновку, що кожна клітина в її тілі мала б пережити рідкісне та зазвичай катастрофічне явище під назвою хомотрипсис — нещодавно відкритий феномен3, під час якого хромосома раптово розпадається, а тоді відновлюється, що призводить до колосальної перебудови генів у ній. Вплив на організм зазвичай незначний (якщо пошкоджені клітини гинуть відразу) або ж жахливий (якщо перебудована ДНК мимоволі активує гени, що спричиняють рак).

Проте, як виявилося, на організм Кім хомотрипсис вплинув зовсім по-іншому. Мутовані клітини не лише розвивалися нормально, але й (бо ж тепер позбулися пошкодженої копії CXCR4) не містили гена, який спричиняє синдром WHIM.

Однак на цьому везіння Кім не скінчилося. Науковці NIH з’ясували, що тією щасливицею, яка пережила хомотрипсис, мабуть, була гемопоетична стовбурова клітина — різновид стовбурових клітин, із яких утворюються всі види клітин крові в організмі та які мають майже необмежений потенціал до розмноження й самовідновлення. Та клітина передала свою перебудовану хромосому дочірнім клітинам, зрештою наповнивши всю імунну систему Кім новими, здоровими лейкоцитами, вільними від мутації CXCR4. Цей ланцюжок подій — такий неймовірний, що, почувши про нього на науковій презентації, я заледве могла в таке повірити — ефективно здолав хворобу, яка переслідувала Кім ще від народження.

Як написали про випадок Кім у своїх висновках дослідники, що вивчали її стан, жінці пощастило стати частиною «безпрецедентного експерименту природи», під час якого одна-єдина стовбурова клітина піддалася спонтанній зміні, що очистила її та всі вторинні клітини від хворого гена. Простими словами, це був благословенний випадок, із тих, що за іншого розгортання подій, міг би вбити Кім, але натомість, імовірно, урятував їй життя.

Щоб збагнути, наскільки щасливим був цей результат, уявіть, що людський геном — це величезна програма. У випадку Кім у цій програмі містилася одна літера хибного коду серед приблизно шести мільярдів інших складників. Для розв’язання проблеми ви точно не почали б навмання видаляти величезні ланцюжки коду та перемішувати інші його частини. Так ви не лише не виправили б початкової помилки, а й, імовірно, наробили б ще більше значно серйозніших помилок. І лише якби вам надзвичайно пощастило, — а шанси на це приблизно мільйон до одного чи й навіть мільярд до одного, — удалося б водночас видалити ланцюжок, у якому містився помилковий код, і зробити це так, щоб не порушити найважливіші функції програми загалом. Якщо коротко, то саме це й відбулося в геномі Кім, хіба що роль сліпого програміста тут відіграла сама природа.

Та попри всю неймовірність випадку Кім, ще більше вражає те, що жінка така не одна. Хоч історія Кім і справді єдиний задокументований випадок зцілення хворого внаслідок спонтанного розпаду й відновлення хромосоми, наукова література всіяна іншими прикладами пацієнтів4, які частково або повністю вилікувалися від генетичних хвороб завдяки випадковому, мимовільному «редагуванню» генома. Наприклад, у 1990-х двом пацієнтам із Нью-Йорка діагностували генетичний розлад під назвою важкий комбінований імунодефіцит (SCID), відомий ще як «синдром хлопчика в бульбашці» через стерильне середовище, у якому мусили тримати деяких дітей, щоб зменшити їхню вразливість до патогенних мікроорганізмів. Без ізоляції найвищого ступеня або агресивних форм терапії хворі на SCID зазвичай помирають ще до двох років. Однак двоє пацієнтів у Нью-Йорку стали винятком із цього жахливого правила й лишалися дивовижно здоровими впродовж підліткового віку та зрілості. Науковці були переконані5, що в обох випадках це пояснювалося тим, що клітини хворих мимовільно виправили мутацію в гені ADA, яка й спричиняла хворобу, причому не пошкодивши решту гена чи хромосоми.

Такі випадки природного редагування генів лікували й інші генетичні захворювання, як-от синдром Віскотта — Олдрича6 (розлад, від якого спонтанна корекція генів урятувала неймовірну кількість пацієнтів — 10–20 відсотків) і стан печінки під назвою тирозинемія7. У разі деяких шкірних захворювань наявність генетично редагованих клітин помітна неозброєним оком. Наприклад, жертви хвороби із символічною назвою іхтіоз із конфеті8 вкриті клаптиками червоної та лускоподібної шкіри. Клітини в уражених місцях є носіями генетичної мутації, однак клітини здорових ділянок шкіри навколо спромоглися її виправити.

Утім, сумарні шанси мимовільно вилікуватися від генетичного захворювання мізерні. Більшість пацієнтів ніколи не зазнає природного дива, коли їхній геном зміниться в правильний спосіб у відповідному типі клітин і в потрібних тканинах. Природне редагування генома лишається аномалією — всього лише декілька цікавих медичних випадків зі жменькою пацієнтів, які виграли в генетичну лотерею.

Але що, як генетичне редагування не буде випадковістю? Що, як лікарі знатимуть, у який спосіб виправити згубні мутації, що спричиняють синдром WHIM, SCID, тирозинемію або, коли вже на це пішло, будь-яке генетичне захворювання?

Для багатьох науковців, зокрема й для мене, випадки на зразок того, що трапився з Кім, захопливі не лише тому, що відкривають лікувальну силу природного редагування генів, а й через те, що вказують на потенційний шлях медичного втручання — спосіб обернути навпаки наслідки генетичних захворювань за допомогою продуманого та вибіркового виправлення помилок у геномі. Ці щасливі історії демонструють, що навмисне редагування генів може стати можливим, якщо науковці матимуть навички у сфері генетики, а також біотехнологічні інструменти, щоб упоратися з цим.

Упродовж десятиліть, задовго до мого приходу в цю галузь, учені-біологи важко працювали, щоб оволодіти потрібними навичками й розробити відповідні інструменти. Насправді науковці мріяли про лікувальне редагування генів ще задовго до того, як дізналися, що природа дала підказки для його створення. Однак для того, щоб ці технології стали можливими, дослідники мали збагнути сам геном: із чого він складався, як створений і — найважливіше — як його можна видозмінювати й керувати ним. Лише маючи ці базові знання, науковці змогли зробити перші непевні кроки, щоб допомагати людям, які, на відміну від Кім, були неспроможні вилікуватися самотужки.

«Геном» — термін, запроваджений у 1920 році німецьким ботаніком Гансом Вінклером. Імовірно, задумувався як слово-гібрид гена та хромосоми9, яке означає весь набір генетичних інструкцій, знайдених у клітині. Переважно ідентичний від однієї клітини до іншої в межах будь-якого організму, за винятком випадкових мутацій, геном указує всім живим істотам, як рости, як забезпечувати себе і як передавати гени нащадкам. Геном одного організму скеровує відрощувати плавники та зябра, які дають змогу рухатися й дихати під водою, а геном іншого вказує відрощувати листя й виробляти хлорофіл, завдяки чому цей організм отримує енергію від сонця. Властиві нам фізичні риси — зір, зріст, колір шкіри, схильність до хвороб тощо — це результат інформації, закодованої в наших геномах.

Геном складається з молекули під назвою дезоксирибонуклеїнова кислота, або ДНК, збудованої лише з чотирьох різних цеглинок. Відомі як нуклеотиди, це добре знайомі літери ДНК: A, G, C і T — скорочено від хімічних груп (також знаних як основи) аденіну, гуаніну, цитозину і тиміну, які виокремлюють чотири складники. Літери цієї молекули поєднані в довгі одинарні нитки. Дві такі нитки об’єднуються, утворюючи славнозвісну подвійну спіраль структури ДНК.

Структура ДНК трохи скидається на драбину, закручену в довгу спіраль. Дві нитки ДНК обвиваються одна кругом іншої та навколо центральної осі із суцільним цукрофосфатним остовом кожної з них, який розташовується ззовні спіралі, у такий спосіб утворюючи дві бокові рейки драбини. Характерною особливістю структури є хімічна взаємодія, яка утримує ці дві нитки на кожній сходинці, щось на зразок молекулярного клею: літера A з однієї нитки завжди стає в пару з T з іншої, а G із C. Їх ще називають комплементарними парами.

Подвійна спіраль чудово демонструє молекулярні підвалини спадковості: як відносно проста хімічна сполука, наприклад ДНК, може передавати генетичну інформацію двом дочірнім клітинам через поділ і як саме та інформація може поширюватися далі до кожної клітини рослини або тварини. Завдяки двонитковості молекули та правилам, які керують поєднанням цих ниток (A із T, G із C), кожна з них виступає як ідеальний шаблон для утворення її пари. Незадовго до поділу клітини фермент розділяє дві нитки, «розщеплюючи» подвійну спіраль якраз посередині. Після цього інший фермент створює нову партнерську нитку для кожної з них, застосовуючи ті самі правила утворення комплементарних пар, і, як наслідок, маємо дві точні копії первісної подвійної спіралі.

Уперше про подвійну спіраль ДНК я дізналася тоді, коли науковцям було відомо про молекули лише, що ті занадто крихітні, щоб мати змогу роздивитися їх навіть за допомогою найпотужніших світлових мікроскопів. Якось я повернулася зі школи, мені тоді було років дванадцять, і знайшла на своєму ліжку потертий примірник книжки Джеймса Вотсона «Подвійна спіраль» (The Double Helix). (Тато зрідка брав для мене книжки в комісійній крамниці, аби перевірити, чи зацікавлять вони мене). Вважаючи цю книжку детективним романом, — а так і було! — я відклала її вбік на декілька тижнів, аж доки одного дощового суботнього дня не занурилася в її сторінки. Читаючи розповідь Вотсона про неймовірну академічну співпрацю з Френсісом Кріком, завдяки якій вони, використавши важливу інформацію, зібрану Розаліндою Франклін, відкрили цю просту й прекрасну молекулярну структуру, я відчула перші іскри зацікавленості, які зрештою спрямували мене на той самий шлях. (Багато років по тому я стрімко почала свою наукову кар’єру, визначивши деякі з перших тривимірних структур значно складніших молекул РНК).

Упродовж наступних років після відкриття Вотсона й Кріка науковці прагнули зрозуміти, як ця молекулярна структура й доволі прості хімічні складники можуть кодувати інформацію, і пояснити різноманітні феномени біологічного життя. Як виявилося, ДНК досить схожа на таємну мову: кожна окрема послідовність літер дає вказівки для вироблення в клітині конкретного білка. Потім білки рухаються далі, щоб виконувати найважливіші функції організму, як-от перетравлювання їжі, розпізнавання та знищення хвороботворних мікробів, а також сприйняття світла.

Щоб перетворити вказівки, які містяться в ДНК, на білки, клітини використовують дуже важливу — і дуже подібну — молекулу-посередника під назвою рибонуклеїнова кислота, або ж РНК, що утворюється за шаблоном ДНК завдяки процесу, який називають транскрипцією. РНК має три такі самі літери, що й ДНК, але в РНК четверту літеру T (тимін) замінює U (урацил). До того ж цукор, із якого складається остов РНК, містить на один атом кисню більше, ніж у ДНК (звідси й назва дезоксирибонуклеїнова кислота). РНК виступає посланцем, який доставляє інформацію від ядра, де зберігається ДНК, до віддалених ділянок клітини, де виробляються білки. Під час процесу, який називають трансляцією, клітини використовують довгі нитки РНК, що синтезуються з окремих сегментів ДНК, — кодуючі ділянки під назвою гени — для побудови окремих білкових молекул.

Кожні три літери РНК, якщо їх прочитати разом, дорівнюють одній амінокислоті, а амінокислоти — цеглинки, з яких складаються білки. Гени та їхні відповідні білкові продукти відрізняються один від одного послідовністю нуклеотидів (у генах) та амінокислот (у білках). Цей загальний потік генетичної інформації — від ДНК до РНК і до білка — відомий як центральна догма молекулярної біології, і це та таємна мова, яку використовують для передавання й вираження життя.

Розмір генома й число генів, які він містить, значно різняться в царствах живої природи. Наприклад, більшість вірусів має лише декілька тисяч літер ДНК (або РНК, оскільки в деяких вірусних геномах ДНК немає взагалі) та незначну кількість генів. На противагу цьому, бактеріальні геноми завдовжки в мільйони літер і містять приблизно 4000 генів. У геномі мухи — 14 000 генів, розкиданих по сотнях мільйонів комплементарних пар ДНК. У людському геномі налічується приблизно 3,2 мільярда літер ДНК, а також десь 21 000 генів, які кодують білки. Цікаво те, що розмір генома не є точним свідченням складності організму: людський геном майже такої самої довжини, як і геном миші чи жаби, водночас він удесятеро менший за геном саламандри й більш ніж у сотню разів менший від генома деяких рослин.

Неоднакові види зовсім по-різному укладають свій геном. Тоді як більшість бактеріальних геномів існує всередині клітини як єдина суцільна ДНК, геном людини складається з двадцяти трьох окремих частин під назвою хромосоми, які за довжиною різняться від 50 до 250 мільйонів літер. Як і в майже всіх ссавців, людські клітини зазвичай містять дві копії кожної хромосоми: одну від батька, а іншу від матері. Кожен із батьків надає 23 хромосоми, тож у нащадків 46 загалом. (Із цього правила є винятки: люди із синдромом Дауна, наприклад, мають третю копію хромосоми 21). Повний набір ядерних хромосом можна знайти в майже кожній клітині тіла (еритроцити є важливим винятком, адже в них немає ядра), але ядро не єдине місце в клітині, де є ДНК. До людського генома також належать окремі мікрохромосоми — лише 16 000 літер ДНК, — розташовані в мітохондріях (енергостанціях, які виробляють у клітинах енергію). На відміну від генетичного коду, який є в інших хромосомах, мітохондріальна ДНК успадковується виключно від матері.

Мутації будь-якої з двадцяти трьох ядерних хромосомних пар або ж мітохондріальної хромосоми можуть спричинити генетичне захворювання. Найпростіші мутації — це заміна, тобто заміщення одного нуклеотида іншим, що може порушити структуру гена або ж змусити його виробляти недосконалий білок. Наприклад, під час захворювання на серпоподібноклітинну анемію (генетичний розлад крові) у сімнадцятій літері гена, відомого як бета-глобін, стається мутація заміни літери A на T. Унаслідок цієї мутації під час процесу трансляції глутамінова амінокислота замінюється на валін в основних ділянках білка гемоглобін — головного компонента еритроцитів, який переносить кисень. Наслідки цієї крихітної зміни в білку — різниця лише в десять атомів з-поміж більш ніж восьми тисяч загалом — жахливі. Молекули мутованого гемоглобіну склеюються разом, утворюючи аномальні волокна, які змінюють форму еритроцитів, що й призводить до анемії, підвищеного ризику серцевого нападу та інфекції, а також сильного болю в кістках.

Серпоподібноклітинна анемія — це приклад рецесивної генетичної хвороби. Це означає, що для того, щоб захворювання вразило людину, мутація має бути в обох копіях її гена HBB, адже якщо зміни є лише в одній копії, немутований ген здатний виробляти достатню кількість нормального гемоглобіну, щоб подолати негативний вплив мутованого. Проте люди із хоча б однією мутованою копією гена HBB усе одно є носіями серпоподібноклітинної риси, і якщо їх самих хвороба зазвичай не вражає, вони можуть передати мутований ген нащадкам.

Інші генетичні хвороби демонструють домінантну спадковість, а це означає, що навіть однієї копії мутованого гена вистачить для того, щоб спричинити недугу. Один із прикладів — синдром WHIM, у якому одна тисячна літера гена CXCR4 мутувала від C до T і внаслідок цього мутований ген продукує гіперактивний білок, що має домінантний вплив на функціонування здорового гена.

Серпоподібноклітинна анемія і синдром WHIM — це два приклади генетичних хвороб, спричинених таким простим типом мутацій, як заміна (помилкове розташування однієї літери ДНК на місці іншої). Але генетичні захворювання можуть виникати також і внаслідок таких типів мутацій, як вставки та делеції («випадання») ДНК. Наприклад, нейродегенеративний розлад, відомий як хвороба Гантінгтона, виникає через мутацію гена HTT, під час якої три однакові літери ДНК повторюються забагато разів. Унаслідок цього мозкові клітини виробляють аномальні білки, які поступово їх руйнують. На противагу цьому явищу, випадання є причиною більшості звичайних видів кістозних фіброзів — генетичного захворювання, небезпечного для життя, яке вражає переважно легені. Унаслідок випадання трьох літер генетичного коду в гені CFTR утворюється білок, якому бракує важливої амінокислоти і який не виконує своєї функції належним чином. Інші хвороби виникають тоді, коли ділянки гена переплутуються (чи розташовуються у зворотному порядку), коли сегменти чи навіть усі хромосоми помилково дублюються або ж випадають.

Ми знаємо генетичні причини багатьох захворювань завдяки відносно нещодавньому відкриттю секвенування ДНК — процесу, який дає змогу науковцям читати й записувати вміст людського генома, літера за літерою. Після появи перших методів секвенування в 1970-х науковці почали ретельно відстежувати й визначати генетичні першопричини того, що тоді було відоме як спадкові розлади. Галузь зробила величезний крок уперед завдяки завершенню проекту із секвенування повнорозмірного генома людини. Починаючи з 1990 року науковці зі всього світу об’єднали зусилля, щоб установити послідовність людського генома. Цій значній справі сприяла нова технологія, яка дозволяла дослідникам клонувати великі ланцюжки ДНК людини в дріжджах, а також важливі покращення у сфері лабораторної автоматизації та відкриття в галузі складних порівняльних алгоритмів, що допомогли проаналізувати дані, отримані завдяки секвенуванню. У 2001-му, доклавши титанічних зусиль та витративши більше трьох мільярдів доларів, дослідники опублікували перший, «чорновий», варіант генома людини.

Після завершення проекту генома людини процес секвенування ДНК і генома загалом став разюче швидким, дешевим та ефективним. Науковці точно визначили більше чотирьох тисяч різноманітних видів мутацій ДНК, які можуть спричиняти генетичні захворювання. Секвенування ДНК здатне розповісти людям, чи мають вони підвищені шанси захворіти на деякі види раку, а також допомогти розробити спеціальне лікування, що якнайкраще узгоджуватиметься з генетичними особливостями пацієнтів. Ба більше, нині комерційний аналіз послідовності ДНК став досить популярним і коштує лише кілька сотень доларів за тест, тому мільйони людей вирішують отримати аналіз власного генома, просто надіславши зразок слини поштою. Значний обсяг інформації, одержаної внаслідок цього, допоміг дослідникам установити важливі зв’язки між тисячами варіантів генів і численними фізичними та поведінковими рисами людини.

Та все одно, хоча секвенування генома є величезним відкриттям у вивченні генетичних хвороб, це лише інструмент для діагностики, а не форма лікування. Воно дозволяє побачити, як генетичне захворювання записується мовою ДНК, однак змінити ту мову нам усе одно не під силу. Зрештою, одна справа — навчитися читати, а зовсім інша — опанувати письмо. Для цього науковцям потрібен абсолютно інший набір інструментів.

Дослідники мріяли про метод лікування на основі ДНК ще відколи дізналися про генетичні захворювання. Навіть якщо одні науковці починали встановлювати першопричини генетичних розладів, інші наполегливо працювали над розробкою нових методів лікування таких хвороб, не лише даючи пацієнтам ліки для тимчасового полегшення згубних наслідків мутованого гена, а й виправляючи сам ген, щоб обернути розвиток хвороби у зворотному напрямку і закріпити цю тенденцію. Наведемо один із сумнозвісних прикладів. Серпоподібноклітинну анемію лікують частими переливаннями крові, лікарським препаратом під назвою гідроксикарбамід і пересадками кісткового мозку. А чи не краще було б націлитися на саму мутацію ДНК, яка і є причиною хвороби?

Найкращий із відомих першим дослідникам метод лікування генетичних захворювань полягав у тому, щоб виправити дефектний ген, навмисне зробивши те, що природа вчинила випадково, коли вилікувала Кім та інших пацієнтів-щасливчиків. Однак для тих науковців сама думка про те, щоб лікувати захворювання, переписуючи мутований генетичний код, видавалася неймовірною. Виправити пошкоджений ген — це те саме, що знайти голку в сіні й витягти її, не зачепивши жодної стеблини. Проте вчені припускали, що зможуть домогтися цього, повністю замінивши гени в пошкоджених клітинах. Питання полягало в тому, як доставити цей коштовний вантаж до хворого генома?

Частково надихнувшись моторошною здатністю вірусів «вбудовувати» нову генетичну інформацію в ДНК бактеріальних клітин, першовідкривачі цієї ранньої генної терапії збагнули, що для доставки лікувальних генів до людей можна використати віруси. Перші зареєстровані спроби наприкінці 1960-х здійснив Стенфілд Роджерс, американський лікар, який вивчав вірус, що спричиняв появу бородавок у кролів (вірус папіломи Шоупа). Особливо Роджерса зацікавила одна властивість цього вірусу: він викликав у кролів надмірне вироблення аргінази — ферменту, який у їхньому організмі слугував для нейтралізації аргініну (шкідливої амінокислоти). У хворих кролів було значно більше аргінази в тілі й відчутно менше аргініну, ніж у здорових. До того ж Роджерс з’ясував, що дослідники, які працювали з цим вірусом, також мали нижчий за норму рівень аргініну в крові. Очевидно, ці науковці заразилися від кролів і внаслідок цього стійкі зміни відбулися і в їхній крові також.

Роджерс підозрював, що вірус Шоупа переносить ген, який посилює вироблення аргінази в клітинах. Захопившись здатністю вірусу так ефективно передавати свою генетичну інформацію, дослідник почав розмірковувати над тим, чи модифікована версія цього вірусу зможе переносити інші, корисні гени. Багато років потому Роджерс пригадуватиме: «Було зрозуміло, що в пошуках хвороби ми відкрили терапевтичний засіб!»10.

Роджерсу не довелося довго чекати на захворювання, на якому він зміг би перевірити свою теорію. Лише через декілька років у двох дівчаток-німкень виявили генетичний розлад під назвою гіпераргінінемія. Як і у випадку з кролями, яких уразив вірус папіломи Шоупа, у цих пацієнток був аномальний рівень аргініну, але замість того, щоб мати незвично низький рівень амінокислот, у дівчат він був надзвичайно високим. Ген пацієнток, який відповідав за вироблення аргінази, — той, що, як припускав Роджерс, переносив вірус Шоупа, — або випав, або мутував.

Симптоми гіпераргінінемії жахливі: серед них спазми, що постійно посилюються, епілепсія та розумова відсталість. Але був шанс, що раннє втручання, особливо в молодшої з двох пацієнток, могло запобігти найгіршим наслідкам захворювання. Роджерс і його німецькі колеги призначили дівчаткам вірус Шоупа як лікування, упорснувши великі дози очищеного кролячого вірусу простісінько в їхню кров.

На жаль, експериментальна генна терапія Роджерса мала плачевні наслідки не лише для нього, а передусім для його пацієнток та їхніх родин. Ін’єкції не надто вплинули на дівчаток, і Роджерса повсюдно осудили за здійснення процедури, яку багато науковців вважали безвідповідальною та передчасною11. Пізніші дослідження показали, що, на противагу теорії Роджерса, вірус Шоупа навіть не містив гена аргінази12, а отже, не був корисним насамперед для лікування гіпераргінінемії.

Хоча Роджерс більше ніколи не вдавався до спроб генної терапії, його підхід до використання вірусів як транспортних засобів для доставки генів (векторів, як їх називають науковці) перевернув галузь біології. Експеримент провалився, але його основний принцип надійно підтвердився, і вірусні вектори й досі є одним із найдієвіших відомих нам способів «вбудовувати» гени в клітинний геном, а отже, змінювати генетичний код живих організмів.

Віруси є ефективними в ролі векторів завдяки кільком винятковим рисам. Передусім ці мікроорганізми розвинули в собі надзвичайно дієву здатність проникати в клітини будь-якого типу. Відколи існує життя, організми з усіх царств природи — бактерії, рослини, тварини тощо — боролися з паразитарними вірусами, чия єдина мета полягала в тому, щоб захопити клітини, вбудувати в них власну ДНК і, ошукавши їх, змусити виробляти більше копій самого вірусу. За мільярди років віруси навчилися використовувати практично всі слабкі місця в захисній системі клітини й удосконалили стратегії закидання власної генетичної інформації всередину неї. Як знаряддя вірусні вектори дивовижно надійні: дослідники, що працюють із ними, можуть доставити гени в обрані клітини з майже стовідсотковою ефективністю. Але для науковців, які першими досліджували їхнє терапевтичне використання, вірусні вектори виявилися справжнім троянським конем.

Віруси знають не лише як доставити власну ДНК всередину клітини, а й як закріпити нову генетичну інформацію. У 1920-х і 1930-х, на початку генетичних досліджень, зосереджених на бактеріях, науковців спантеличувала здатність бактеріальних вірусів з’являтися, здавалося б, нізвідки та спричиняти інфекції. Подальші дослідження показали, що насправді ці віруси можуть вбудовувати свій геном у бактеріальну хромосому і зачаїтися там непоміченими, аж доки умови не будуть сприятливими для початку агресивного інфікування. Ретровіруси — великий клас вірусів, серед яких і вірус імунодефіциту людини (ВІЛ), — те саме роблять із людьми, вбудовуючи свій генетичний матеріал у геном заражених клітин. Через цю їхню здатність позбутися ретровірусів дуже складно, аж настільки, що вони лишили глибокий слід у нашому виді. Цілих вісім відсотків людського генома — більше 250 мільйонів літер ДНК — це залишки давніх ретровірусів, які вражали наших предків тисячоліття тому.

Після перших спроб генної терапії в 1960-х, ця галузь інтенсивно розвинулася завдяки рекомбінантній ДНК — збірний термін для позначення генетичного коду, створеного в лабораторії, а не природою. За допомогою біотехнологічних інструментів і нових біохімічних методів, у 1970-х і 1980-х науковці розробили способи вирізання й вставки сегментів ДНК у геноми та ізолювання окремих генетичних послідовностей. Це дало змогу вбудувати лікувальні гени у віруси й видалити небезпечні, щоб вони більше не шкодили зараженим клітинам. По суті, науковці перетворили ці віруси на милосердні ракети, запрограмовані доставляти свій генетичний вантаж до бажаної цілі, але це ще не все.

Наприкінці 1980-х, після того, як переозброєні ретровіруси успішно використали для того, щоб вбудувати створені в лабораторії гени в мишей, далі на черзі було випробування генної терапії в лікарні. У той час я була в Гарварді, саме писала докторську з біохімії. Пригадую, як обговорювала зі співробітниками з лабораторії новини про те, що Френч Андерсон разом із колегами з Національного інституту охорони здоров’я США фінішував першим. Вони створили перспективний вектор, нашпигований здоровою копією гена аденозин-дезамінази (ADA), мутованого в пацієнтів, які страждали від ADA-SCID (важкого комбінованого імунодефіциту). Мета дослідників полягала в тому, щоб використати генну терапію для постійного вбудовування немутованого гена ADA в клітини крові пацієнтів, хворих на ADA-SCID, даючи їм змогу виробляти білок, якого бракувало. Андерсон і його колеги сподівалися, що цей крок вилікує захворювання. На жаль, результати такого передового клінічного випробування виявилися не надто вдалими: переозброєний вірус не нашкодив жодному з двох одержувачів, але й ефективність його визначити було важко. Наприклад, після процедур в обох пацієнтів підвищився рівень важливих імунних клітин, але це покращення можна списати на інші методи лікування, які застосовувалися до хворих паралельно. Ба більше: оскільки насправді на здоровий ген ADA відреагувала лише незначна частина клітин пацієнтів, складалося враження, що вірус міг бути не таким ефективним у вбудовуванні генів, як сподівалися науковці.

Проте від часу того раннього непереконливого випробування, здійсненого майже три десятиліття тому, генна терапія зробила колосальний крок уперед. Удосконалення в розробці вірусних векторів і методів, які використовуються для їх доставки, сприяли появі дуже обнадійливих результатів у генній терапії ADA для десятків пацієнтів зі SCID, тож цілком імовірно, що невдовзі її комерційно доступна версія Strimvelis отримає схвалення. До того ж під час майже двох тисяч випробувань генної терапії, завершених або розпочатих до 2016 року, перелік захворювань, які можна вилікувати в такий спосіб, значно розширився й тепер охоплює й інші моногенні спадкові хвороби, як-от кістозний фіброз, м’язову дистрофію Дюшенна, гемофілію, деякі форми сліпоти й дедалі більшу кількість серцево-судинних і неврологічних хвороб. Тим часом галузь імунотерапії раку, під час якої клітини, що борються з пухлиною, завантажують генами, що спрямовують молекули виключно до пухлин, славиться як один із найперспективніших напрямів у лікуванні цієї жахливої хвороби та є доказом того, що генна терапія все ще може зробити значний внесок у медицину.

Але попри пожвавлення, генна терапія не стала панацеєю, як на це сподівалися науковці й лікарі. Насправді часом видається, що вона більше шкодить, аніж приносить користь. Галузь добряче трусонуло в 1999-му, коли пацієнт помер унаслідок важкої імунної реакції на високу дозу вірусного вектора. Тоді я працювала в Єльському університеті й брала активну участь у проектах, щоб визначити, як молекули вірусної РНК захоплюють у клітинах механізми, що синтезують білок. Хоча моя сфера дослідження була досить віддаленою від генної терапії, новини про цей катастрофічний результат водночас і засмутили мене, і спонукали ще наполегливіше працювати над глибшим розумінням вірусів і клітин.

Тоді, на початку 2000-х, у п’ятьох пацієнтів, які брали участь у випробуваннях генної терапії X-зчепленого важкого комбінованого імунодефіциту, виникла лейкемія — рак кісткового мозку. Причиною стало те, що ретровірус мимовільно активував онкоген, унаслідок чого клітини почали безконтрольно ділитися. Цей випадок підкреслив невід’ємні ризики введення пацієнтам великих доз чужорідного агента й випадкового втискання кількох тисяч літер ДНК в їхні геноми. Пригадую, як подумала тоді, що цей напрям клінічних досліджень, теоретично такий захопливий, здається занадто ризикованим за своєю суттю.

Генна терапія буває неефективною для цілої низки станів, причиною яких є не дефектний або відсутній ген, а щось інше. Такі стани не можна виправити, просто доставивши нові гени в клітини. Візьмімо, наприклад, хворобу Гантінгтона: змінений ген виробляє аномальний білок, який повністю пригнічує вплив іншої, здорової копії гена. Оскільки мутований ген домінує над здоровим, звичайна генна терапія — додавання ще однієї нормальної копії гена за допомогою переозброєного вірусу — ніяк не впливатиме на перебіг хвороби Гантінгтона чи на інші домінантні стани.

Насправді для цих і багатьох інших важковиліковних генетичних захворювань лікарі мали знайти спосіб виправляти проблемні гени, а не лише витісняти їх. Якби науковцям удалося відредагувати дефектний код, що й був причиною проблем, це дало б змогу націлитися як на рецесивні, так і на домінантні хвороби, навіть не переймаючись можливими наслідками вбудовування гена в неправильному місці.

Ця можливість не давала мені спокою ще від початку кар’єри. У 1990-х, здобувши докторський ступінь у Гарварді, цю ж таки ідею я обговорювала впродовж багатьох вечорів у лабораторії Колорадського університету в Боулдері, де працювала на посаді постдока. У ті часи ми з Брюсом Салленджером, моїм другом і колегою по лабораторії, дискутували про все, починаючи від президентських виборів 1992 року (мені подобався Пол Цонгас, а Брюсу — Білл Клінтон) до різноманітних стратегій генної терапії. Одна з тих думок, навколо яких ми чубилися, стосувалася ймовірності того, що молекули РНК, які є посередниками між ДНК і білками в клітинах, можна редагувати, щоб виправляти мутації, які вони переносять із ДНК. Насправді це була тема дослідницького проекту Брюса.

Зрідка ми також обговорювали іншу можливість — редагування джерела коду такої дефектної РНК, тобто самої ДНК генома. Ми зійшлися на тому, що це був би переломний момент. Питання було ось у чому: чи стане це колись чимось більшим за недосяжну мрію?

Упродовж 1980-х, коли одні дослідники вдосконалювали методи лікування, засновані на перенесенні генів за допомогою вірусів, інші наполегливо працювали над простішими методами видозміни клітин ссавців за допомогою ДНК, синтезованої в лабораторії. Ці базові методики здебільшого мали на меті саме дослідження, але згодом науковці почали вивчати і їхній лікувальний потенціал у людських клітинах.

Ці підходи мали кілька основних переваг над складнішими технологіями перенесення генів. По-перше, вони були значно швидшими, адже замість того, щоб розв’язувати всі ці складнощі з укладанням генів усередину перебудованих вірусів, науковці могли ввести свою лабораторну ДНК безпосередньо в клітини або дати змогу клітинам увібрати її мимовільно, зануривши їх у спеціально підготовлену суміш ДНК і фосфату кальцію. По-друге, хоча ці простіші методи не передбачали вбудовування генів у геном клітин за допомогою вірусів, клітини мали здатність поєднувати чужу ДНК із власною, хоча й недосконало.

Першими піддослідними для цих технологій найчастіше ставали миші, і науковців приголомшило те, якими ефективними виявилися ці методи для крихітних створінь. Увівши ДНК у запліднені мишачі яйцеклітини, а потім підсадивши їх самиці, дослідники з’ясували, що можуть назавжди вбудувати чужорідну ДНК в наступні покоління, спричинивши прояв видимих ознак у тварин, що розвинуться із цих ембріонів. Такий поступ означав, що будь-який ген, який науковці спроможні виділити й клонувати в лабораторії, можна випробувати й дослідити, а додаючи ген до клітин, учені матимуть змогу спостерігати за його впливом і краще збагнути функціонування генів загалом. Попри те що моє тогочасне дослідження стосувалося визначення форми й функції молекул РНК, я могла вповні оцінити, яке величезне значення мало це відкриття.

Питання полягало в тому, як саме ДНК знаходила своє місце в геномі? Маріо Капеккі, професор Університету Юти, наполегливо працював над цим питанням на початку 1980-х після того, як зробив бентежне спостереження, що коли в геном вставляли багато копій гена, то схема інтеграції виявлялася протилежною до випадковості, як того можна було очікувати. Капеккі помітив, що замість того, щоб випадково проникати в різні хромосоми генома, гени завжди гуртуються разом в одній чи кількох ділянках, де багато копій накладаються одна на одну так, немовби їх зібрали навмисно. Науковець був переконаний, що насправді саме так і сталося13.

Капеккі спостерігав за наслідками процесу так званої гомологічної рекомбінації — добре відомого на той час явища, проте аж ніяк не очікував помітити його під час цього експерименту. Найчастіше гомологічна рекомбінація відбувається в процесі формування яйцеклітин і сперматозоїдів, коли два набори хромосом, які ми успадковуємо від батьків, скорочуються до одного, щоб поєднатися з іншим набором під час статевого розмноження. Тоді клітини обирають поєднання батьківських і материнських хромосом. Кожна пара хромосом поєднується лише в межах своєї статі, обмінюючись великими ланцюжками ДНК у такий спосіб, щоб це збільшувало генетичне різноманіття. Попри вражаючу складність змішування, зіставлення й перегрупування мільйонів літер ДНК, клітині вдається впоратися з цим бездоганно завдяки гомологічній рекомбінації. Такий самий процес відбувається і в усіх інших царствах живих організмів. Наприклад, за допомогою гомологічної рекомбінації бактерії обмінюються генетичною інформацією, а біологи вже роками використовують її для здійснення експериментів.

Але відкриття Капеккі, що вирощені в лабораторії клітини ссавців також здійснюють гомологічну рекомбінацію, мало виняткове значення. Дослідник згадував наприкінці своєї статті 1982 року: «Буде цікаво з’ясувати, чи зможемо ми використовувати [залучені ферменти], щоб за допомогою гомологічної рекомбінації спрямувати ген до визначеного місця в хромосомі»14. Інакше кажучи, гомологічна рекомбінація могла дати науковцям змогу вбудовувати гени в точно визначені ділянки генома — украй важливе вдосконалення на противагу випадковому вставлянню генів вірусами. Навіть краще: так науковці змогли б переписувати дефектні гени, просто приєднавши здорову заміну безпосередньо до місця мутації.

Така можливість стала реальністю лише через три роки після дослідження Капеккі, коли вийшла друком стаття Олівера Смітіза та його колег. Працюючи з людськими клітинами, похідними від пухлини сечового міхура, науковці планували замінити в клітинах їхню «домашню» копію гена бета-глобіну на штучну, рекомбінантну версію, вирощену в лабораторії. Неймовірно, але це спрацювало15. Дослідникам навіть не знадобилося вдаватися до якихось хитрощів — вони буквально змішали ДНК із фосфатом кальцію і випорснули цю суміш на клітини. Кілька клітин засвоїли чужу ДНК, поєднавши ланцюжок ДНК, синтезований у лабораторії, із власним відповідним ланцюжком ДНК у геномі, а тоді здійснили певні молекулярні видозміни, щоб відокремити старий і замінити його новим.

Складалося враження, що клітини здатні самотужки виконати більшість важкої роботи з модифікування власного генома. Це означало, що науковці можуть доставляти гени делікатніше, не застосовуючи віруси для того, щоб утиснути нову ДНК у геном. Змусивши клітину вважати, що рекомбінантна ДНК — це просто додаткова хромосома, якій потрібно знайти пару з відповідним геном, уже наявним у геномі, дослідники могли гарантувати, що нова ДНК поєднається з рідним генетичним кодом завдяки гомологічній рекомбінації.

Науковці охрестили цей новий підхід до генетичних маніпуляцій таргетуванням генів. Нині ми знаємо його під іншою назвою — редагування генів.

Потенціал такої технології для генетичних досліджень був колосальним. Але Смітіз знав, що гомологічну рекомбінацію також можна використовувати і як метод лікування. Якби науковцям удалося здійснити таке таргетування генів у стовбурових клітинах крові пацієнта, який страждав на серпоподібноклітинну анемію, мутований ген бета-глобіну можна було б замінити нормальним, здоровим ланцюжком. Це відкриття, хоча воно й досі вважається експериментальним підходом, колись можна буде використати для лікування захворювань.

Інші лабораторії намагалися вдосконалити цю технологію таргетування генів. Одна з них — лабораторія Капеккі. У 1986 році, коли я навчалася на другому курсі університету, цей науковець продемонстрував, що гомологічна рекомбінація була достатньо точною для того, щоб виправляти окремі мутації16 в геномі та корегувати нестачу ферменту в клітинах. Через два роки Капеккі презентував універсальну стратегію для таргетування будь-якого гена в геномі за умови, що нам була відома його основна послідовність. Учений також припустив, що гомологічну рекомбінацію можна використовувати не лише для виправлення чи відновлення генів, а й також для того, щоб деактивувати їх із дослідницькою метою17. «Вимикаючи» гени та спостерігаючи за результатами, науковці змогли б визначити їхні функції.

До кінця 1980-х, коли я здобула докторський ступінь, таргетування генів повсюдно використовувалося для редагування ДНК у культурах клітин людини та мишей і навіть у живих мишах. Плідна робота в лабораторії Мартіна Еванса показала, що, таргетуючи гени в ембріональних стовбурових клітинах мишей, а потім уводячи ці модифіковані клітини назад у мишачі ембріони, науковцям удалося вивести живу мишу зі змодельованими змінами. Зрештою, у 2007 році досягнення Капеккі, Смітіза та Еванса вшанували Нобелівською премією з фізіології або медицини.

Однак, попри колосальне значення, на ранньому етапі розвитку редагування генів розглядалося переважно як інструмент для фундаментальних досліджень, а не як метод лікування людей. Для генетиків, які вивчали ссавців і намагалися дослідити функції різних генів, таргетування стало проривною технологією. Але медики-дослідники остерігалися застосовувати її на людях, бо попри неабияку перспективність, коли справа дійшла до лікування, гомологічна рекомбінація абсолютно не виправдала їхніх очікувань.

Певно, що найбільшою перешкодою стала негомологічна, або ж незаконна, рекомбінація, унаслідок якої нова ДНК навмання вбудовувалася в геном, хоча мала б дістатися точнісінько до наміченої послідовності. Складалося враження, що незаконна рекомбінація фактично переважала над гомологічною з імовірністю сто до одного. Очевидно, що терапевтичне застосування цієї методики не могло бути перспективним, якщо за допомогою редагування генів мутований ген удавалося виправити лише в одному відсотку видозмінених клітин, натомість у решті 99 відсотках відбувалося випадкове вбудовування ДНК. Щоб упоратися з цією проблемою в клітинних культурах, науковці розробили складні обхідні шляхи, не втрачаючи надії в майбутньому застосувати цю технологію в медицині. Як зауважив Капеккі на початку 1990-х, «зрештою, гомологічна рекомбінація для генної терапії людей — це лише напрям»18. Але на той час здавалося, що редагування генів просто не було достатньо досконалим, щоб використовувати його на людях.

На початку 1980-х, коли чимало науковців розмірковували про таргетування генів у людських клітинах, Джек Шостак вивчав процес поділу клітин дріжджів. Професор Гарвардської медичної школи (а згодом керівник моєї докторської дисертації), Шостак працював над розв’язанням фундаментальної проблеми, пов’язаної з тим, як узагалі таргетування генів і гомологічна рекомбінація стали можливими. Особливо він хотів зрозуміти, у який спосіб дві нитки ДНК із однієї хромосоми можуть об’єднуватися з двома відповідними нитками ДНК з іншої, обмінюючись інформацією під час проміжного етапу злиття, а потім знову роз’єднуватися, щоб після поділу клітин утворити нові хромосоми.

У 1983 році, коли я ще була першокурсницею Помона-коледжу на іншому кінці країни, Шостаку здалося, що він знайшов відповідь. На основі результатів генетичних експериментів із дріжджами він разом із аспірантом Террі Орр-Вівером і професорами Родні Ротштейном і Франком Шталєм опублікували зухвалу модель19, згідно з якою провокаційним чинником — тривожним сигналом, який запускає початок процесу гомологічної рекомбінації, — було розрізання однієї із хромосом, унаслідок чого утворювався дволанцюговий розрив ДНК. У цій моделі дволанцюговий розрив і вільні кінці ДНК у ділянці розрізу ставали особливо схильні до злиття із фланкуючими послідовностями, найімовірніше, для того, щоб долучитися до обміну генетичною інформацією з відповідною хромосомою (або ж, у разі редагування гена, — із відповідною ДНК, яку надавав дослідник).

До того часу, як я опинилася в лабораторії Шостака в 1986 році, він уже змінив фокус своїх досліджень на роль молекул РНК у ранній еволюції життя. Але в лабораторії ми з колегами обговорювали модель дволанцюгового розпаду, її чіткість, а також відвертий скепсис, із яким її сприйняли в науковій спільноті. Та пізніше стало зрозуміло, що ця модель узгоджувалася з широкими експериментальними даними. Механізм репарації дволанцюгових розривів важливий не лише для гомологічної рекомбінації під час формування яйцеклітин і сперматозоїдів, але й також для рекомбінації, що здійснюється при відновленні пошкоджень ДНК. Чинники, що пошкоджують ДНК, як-от рентгенівське випромінювання й канцерогени, діють на всі клітини, проте вони надзвичайно ефективно відновлюють такі розриви, не втрачаючи водночас генетичної інформації. Згідно з моделлю Шостака, процес їхнього відновлення залежить від здатності хромосоми знаходити відповідну ділянку в іншій хромосомі при гомологічній рекомбінації, що могло б пояснити, чому наявність двох копій хромосом стала вигіднішою еволюційною стратегією. Будь-які пошкодження в одній хромосомі можна виправити, просто скопіювавши відповідну послідовність з іншої.

Якби модель дволанцюгового розриву була правильною, а висновки досліджень із дріжджами — справедливими й для ссавців, то ми мали б очевидну можливість покращити ефективність редагування генів: розрізати геном точнісінько там, де повинно відбуватися редагування. Якби ви захотіли замінити дефектний ген у геномі правильною копією, синтезованою в лабораторії, то передусім мали б з’ясувати, як розрізати дефектний ген, спричиняючи локальний дволанцюговий розрив у ДНК, а потім надати правильну копію гена. Зіткнувшись із розривом, клітина намагалася б відновити пошкоджені ділянки, шукаючи відповідну хромосому, щоб скопіювати її, і саме на цьому етапі знаходила б синтетичний ген. По суті, ви змушували б клітину «думати», що вона постраждала внаслідок природного джерела пошкодження ДНК, і надали б їй нову ділянку ДНК, замасковану під іншу хромосому, щоб клітина використала її для відновлення пошкодженої ділянки.

Дослідники в лабораторії Марії Ясін у Меморіальному онкологічному центрі імені Слоуна — Кеттерінга були першими, хто вдався до гри з обманом клітин ссавців у 1994 році, — крок уперед, про який я читала з неабияким інтересом, коли жила неподалік у Нью-Гейвені, куди щойно переїхала, закінчивши дослідження після здобуття докторського ступеня в Боулдері. Було неймовірно захопливо дізнатися про цю новаторську роботу, що спиралася на модель дволанцюгового розриву, побудовану моїм науковим керівником, до того ж здійснювала дослідження ще одна науковиця, яка поділяла моє зачарування молекулярним життям.

Експеримент Ясін із редагуванням генів був оригінальним і винахідливим. Її стратегія полягала в тому, щоб увести в мишачі клітини фермент, який розрізав геном, спричиняючи дволанцюговий розрив. Водночас Ясін додала до клітин шматок синтетичної ДНК — шаблон для відновлення, який відповідав розрізаній послідовності ДНК. Пізніше вона перевіряла, чи мишачі клітини відновили пошкоджену ДНК за допомогою шаблону. Здійснивши той самий експеримент із додаванням ферменту й без нього, науковиця змогла перевірити свою гіпотезу, що штучно спричинений дволанцюговий розрив покращує ефективність гомологічної рекомбінації.

Труднощі виникли із повнофункціональним ферментом, який розрізав би геном в одному чітко визначеному місці серед мільярдів можливих варіантів. Щоб розв’язати цю проблему, Ясін майстерно поцупила частину молекулярної структури в дріжджів, а саме ендонуклеазу I-SceI.

Нуклеази — це ферменти, які розщеплюють нуклеїнові кислоти; деякі з них розщеплюють РНК, а інші — ДНК. Ендонуклеази розщеплюють РНК або ДНК десь усередині ланцюгів, на противагу екзонуклеазам, які роблять це винятково з кінців. Одні ендонуклеази дуже токсичні для клітин, адже розщеплюють будь-яку знайдену ділянку ДНК, незалежно від її послідовності. Інші є дуже вибірковими й розщеплюють лише певні послідовності, причому тих ендонуклеаз, які діють десь посередині, значно більше.

Ендонуклеаза I-SceI, яку обрала Ясін, була найспецифічнішою з-поміж усіх відомих на той час і вимагала ідеального збігу вісімнадцяти послідовних літер ДНК, щоб розрізати їх у певній ділянці. Обрати високоспецифічну ендонуклеазу було дуже важливо, адже якби Ясін використала надто нерозбірливий фермент, то він розрізав би геном повсюдно, що не лише значно ускладнило б тлумачення результатів, а й потенційно пошкодило б клітину-господаря. Проте з вибірковістю вісімнадцяти літер поспіль, I-SceI розрізала б лише одну послідовність ДНК із більш ніж п’ятдесяти мільярдів можливих комбінацій. (Іронічно, але в геномі миші не було відповідної послідовності з вісімнадцяти літер, тож Ясін довелося вбудувати її в геном, щоб фермент мав де розрізати).

Результати експерименту Ясін були приголомшливі20. За допомогою гомологічної рекомбінації їй удалося стимулювати до точного відтворення мутованого гена аж десять відсотків клітин. Нині ця позначка успіху видається низькою, але такий результат у сотні разів перевершував усе те, чого науковцям удавалося досягнути раніше. Це був найбільш обнадійливий доказ того, що завдяки цьому процесу дослідники матимуть змогу переписувати геном без ризику незаконної рекомбінації або випадкового вбудовування в разі ретровірусних векторів. Варто лише зробити дволанцюговий розрив у правильному місці, і майже всю роботу клітини виконають самі.

Утім, була одна проблема. Щоб такий підхід став успішним, науковцям потрібно було мати змогу розрізати геном у конкретних ділянках. В експерименті Ясін, який мав довести здійсненність задуму, послідовність, яку розпізнавала I-SceI, штучно вбудували в геном до введення нуклеази, однак послідовності багатьох генів, які спричиняють захворювання, уже «вбудовані» в ДНК і їх не можна видозмінити так, щоб на них реагувала розбірлива ендонуклеаза. Пошкоджений геном дуже ефективно починає відновлюватися і вбудовувати нову генетичну інформацію, тому завдання полягало в тому, щоб з’ясувати, як його можна пошкодити в потрібному місці.

Із середини 1990-х і надалі, доки я заглиблювалася у вивчення молекулярних структур РНК та їхньої унікальної біохімічної поведінки, дослідники квапилися розробити нову систему, яка подібно до I-SceI могла б точно націлюватися на специфічні послідовності ДНК. Якби науковцям удалося розв’язати цю проблему, вони змогли б розблокувати весь потенціал редагування генів.

Ці новітні системи редагування генів мали відповідати трьом важливим вимогам: вони мусили розпізнавати специфічну, бажану послідовність ДНК, мати змогу розрізати її, а також бути податливими до перепрограмування для того, щоб упізнавати й розрізати різні послідовності ДНК. Перші два критерії необхідні для провокування дволанцюгового розриву, а третій — для можливості широкого застосування. I-SceI чудово задовольняла перші дві вимоги, але страшенно хибила з третьою. Біоінженери з’ясували, що для створення програмованої системи розрізання ДНК їм потрібно або переоснащувати I-SceI так, щоб вона впізнавала й розрізала нові типи послідовностей, або знайти зовсім інший фермент, який уже мав здатність розрізати різні послідовності ДНК.

Зусилля науковців, спрямовані на переробку I-SceI, невдовзі провалилися (що й не дивно, зважаючи на абсолютну молекулярну складність білкових ферментів), і швидко стало зрозуміло, що дослідження природи інших нуклеаз було значно перспективнішим підходом. Насправді ж, ще до того, як Ясін почала працювати з I-SceI, дослідники вже встигли відібрати з широкого спектра організмів десятки нуклеаз і визначили точні послідовності ДНК, які ті впізнавали. Але тут поставала величезна проблема: переважна більшість цих ферментів розпізнавала послідовності з лише шести чи восьми літер — занадто короткі, щоб це могло бути корисним. У геномі людини такі послідовності трапляються десятки тисяч або й сотні тисяч разів, а отже, навіть якщо нуклеаза й змогла б стимулювати гомологічну рекомбінацію в одному гені, то пошматувала б у процесі замалим не весь геном. Клітина загинула б ще до того, як скористалася шансом почати відновлювати ДНК.

Дослідники не могли покладатися на будь-яку з раніше відкритих нуклеаз, а шукати нові ферменти на зразок I-SceI щоразу, коли ціллю ставав інший ген, було неможливо. Якби редагування генів із лікувальною метою стало практичним методом корегування мутацій, що спричиняють хвороби, лікарі не змогли б чекати, доки науковці випадково знайдуть нуклеазу, яка впізнає та зв’язує конкретну ділянку певного гена, де в пацієнта згубна мутація. Дослідники повинні мати змогу взяти правильну нуклеазу з полиці чи принаймні вміти створити її за потреби.

Хоча тоді я про це й не знала, у 1996 році було здійснене революційне дослідження, яке продемонструвало розв’язання цієї проблеми. Шрінівасан Чандрасегаран, професор Університету Джонса Гопкінса, збагнув, що замість того, щоб поспіхом створювати нові нуклеази, шукати інші варіанти в природі чи переробляти I-SceI, він міг використати метод комбінування, відібравши ділянки білків, які існували в природі, та поєднавши їх в одне ціле. Такі химерні нуклеази задовольняли б перші дві вимоги, необхідні для редагування генів, адже могли б розпізнавати й розрізати специфічні послідовності ДНК.

Чандрасегаран узявся до створення цієї химерної нуклеази, використовуючи ділянки з двох природних білків, які пристосовував відповідно до впізнавання, зв’язування та розрізання послідовностей ДНК. Для розрізання дослідник відібрав елемент із бактеріальної нуклеази під назвою FokI, яка могла ініціювати розриви в ДНК, але не мала конкретних уподобань до послідовностей. Для розпізнавання та зв’язування послідовностей він приборкав родину поширених природних білків, відомих як «цинкові пальці» — свою назву вони отримали завдяки тому, що розпізнають ДНК за допомогою схожих на пальці відгалужень, зібраних докупи іонами цинку та впорядкованих одне біля одного, немов пальці на руці. Завдяки тому, що «цинкові пальці» складалися із численних повторюваних сегментів, причому кожен з них розпізнавав специфічні послідовності ДНК із трьох літер, видавалося цілком імовірним, що науковці зможуть переконструювати білки, поєднавши сегменти так, щоб ті розпізнавали різні послідовності ДНК.

Неймовірно, але, схоже, химерна нуклеаза Чандрасегарана запрацювала21. Після поєднання елемента розрізання, узятого з FokI, з елементом розпізнавання ДНК і взятого з білка «цинкового пальця», дослідницька команда продемонструвала, що розроблена нуклеаза розпізнає й розрізає саме ту ділянку ДНК, яку науковці й планували, навіть попри те, що вони змішали два білкові компоненти, узяті з абсолютно різних джерел.

Невдовзі після цього Чандрасегаран об’єднався з професоркою Університету Юти Даною Керролл, щоб знайти цим новим нуклеазам «цинкового пальця», або ж по-іншому ZFN, практичне застосування. Разом вони показали, що ZFN також працює і в жаб’ячій ікрі22 (популярна модельна система для біологів) і що спровоковане ZFN розрізання ДНК стимулювало гомологічну рекомбінацію. Далі, працюючи із фруктовими мухами, лабораторія Керролл запрограмувала нову ZFN розпізнавати ген, відповідальний за жовту пігментацію тіла, і показала, що ця нова стратегія може дати точну генетичну видозміну в усьому організмі23. Для редагування генів це було дуже вагоме відкриття, і не лише тому, що ZFN виявилася досить практичною для застосування на тваринах. Що важливіше, її можна було переробляти, щоб розпізнавати нові гени.

Широка наукова спільнота швидко стрибнула на борт, і дослідники почали розробляти ZFN для власних індивідуальних завдань, розпізнаючи та зв’язуючи нею нові гени та працюючи з новими модельними організмами. У 2003 році Метью Портеус і Девід Балтімор першими продемонстрували24, що ген у клітинах людини можна точно редагувати за допомогою спеціально розробленої ZFN. Невдовзі після цього Федір Урнов із колегами відкорегували мутацію25, що спричиняє Х-зчеплене SCID у людських клітинах. Можливість застосування стратегії редагування генів, направлених на генетичні захворювання ще ніколи не була реальнішою, ніж зараз.

Тим часом ZFN також використовували лабораторії, які цікавилися редагуванням генів, маючи на те геть інші підстави, як-от створення точно спроектованих рослинних чи тваринних моделей. Наприкінці 2000-х технологію успішно застосували до різушки Таля, тютюнових рослин і зернових культур, продемонструвавши, що дволанцюговий розрив ДНК сприяв вищій ефективності гомологічної рекомбінації в багатьох типах клітин, а не лише в клітинах ссавців. Одночасно з цим у пресі почали ширитися чутки, що ZFN використовують для модифікації генів даніо-реріо, черв’яків, щурів і мишей. Ця робота була захоплива й привернула мою увагу в публікаціях і на конференціях через свій імовірний потенціал.

Але попри обіцянки, ZFN-нуклеаза так і не здобула повсюдного застосування за межами жменьки лабораторій. Дослідники, які її використовували, мали значний досвід у розробці білків і співпрацювали з кількома лабораторіями, у яких уже був подібний досвід або ж глибокі кишені, щоб добряче заплатити за розроблені нуклеази. Теоретично розробити ZFN було легко: достатньо лише поєднати різні сегменти «цинкового пальця» так, щоб вони розпізнавали послідовність ДНК, яку ви хотіли відредагувати. А от на практиці це зробити дуже важко. Значна частина нещодавно створених ZFN просто не розпізнавала послідовності ДНК, а інші були надто нерозбірливі й реагували на будь-що, хоча б віддалено пов’язане з їхніми цілями, убиваючи клітини, які мали б редагувати. У решті випадків елемент «цинкового пальця» мав непогану здатність розпізнавати ДНК, а от елемент нуклеази його не розрізав.

Із тих самих причин, чому переналаштування I-SceI уважалося непосильним завданням, ставало зрозумілим, що ZFN просто була недостатньо податлива для програмування, щоб стати корисною в ролі багатопрофільного знаряддя для редагування генома. Якщо точніше, результати експериментів із ZFN дали переконливі докази того, що розроблення нуклеази було напрямом, а редагування генома — ціллю, але галузь усе ще чекала на появу нового типу технологій, надійніших і простіших у використанні.

Таку технологію (принаймні її першу версію) відкрили в 2009 році, і зародилася вона з вивчення нових типів білків, знайдених у Xanthomonas — патогенній бактерії, яка вражає рослини. Їх називають білки-ефектори, схожі на активатори транскрипції, або ж TALE, і за будовою вони дуже подібні до білків «цинковий палець», бо складаються із численних повторюваних сегментів, причому кожний сегмент розпізнає задану ділянку ДНК. Але дещо відрізнялося: якщо кожний «палець» білків групи «цинкових пальців» розпізнавав послідовність ДНК із трьох літер, то кожен сегмент TALE — лише одну-єдину літеру ДНК. Ця різниця дозволила науковцям без жодних труднощів розшифрувати код, згідно з яким сегмент розпізнавав задану літеру ДНК, а тоді вчені просто впорядковували ці сегменти, один за одним, аби мати змогу розпізнавати довші послідовності ДНК всередині гена. Із ZFN усе видавалося простим, але з TALE саме так і було.

Науковці швидко взялися до опанування цього останнього кроку. Невдовзі після розшифрування коду три лабораторії об’єднали TALE із ДНК-розрізальним сегментом, що й у випадку із ZFN, і створили TALE-нуклеази, або по-іншому TALEN. Останні виявилися надзвичайно ефективними в ініціюванні редагування генів усередині клітини, а після того, як дослідники трохи вдосконалили свою розробку й процес створення, здавалося, TALEN мали б стати значно легшими у створенні й використанні в клітинах, аніж ZFN.

«Бідолашні TALEN»26, — написала Дана Керролл у статті, де розповідала історію зародження редагування генів. Науковці тільки-но відкрили й удосконалили TALEN для редагування генів, аж раптом їх витіснило наступне, чи не найважливіше відкриття в цій галузі. Технологія отримала назву CRISPR, і саме на цьому етапі моя історія перетинається з редагуванням генів і накладається на довгий шлях розвитку наукової історії, яка саме наближалася до нового, приголомшливого повороту.

1 D. H. McDermott et al., “Chromothriptic Cure of WHIM Syndrome,” Cell 160 (2015): 686–99.

2 Синдром WHIM отримав назву від чотирьох симптоматичних проявів: warts (бородавки), hypogammaglobulinemia (гіпогаммаглобулінемія — дефіцит імуноглобуліну), infections (інфекції) та myelokathexis (мієлокахексія — дефіцит певних типів лейкоцитів).

3 P. J. Stephens et al., “Massive Genomic Rearrangement Acquired in a Single Catastrophic Event During Cancer Development,” Cell 144 (2011): 27–40.

4 R. Hirschhorn, “In Vivo Reversion to Normal of Inherited Mutations in Humans,” Journal of Medical Genetics 40 (2003): 721–728.

5 . Hirschhorn et al., “Somatic Mosaicism for a Newly Identified Splice-Site Mutation in a Patient with Adenosine Deaminase-Deficient Immunodeficiency and Spontaneous Clinical Recovery,” American Journal of Human Genetics 55 (1994): 59–68.

6 B. R. Davis and F. Candotti,“Revertant Somatic Mosaicism in the Wiskott-Aldrich Syndrome,” Immunologic Research 44 (2009): 127–131.

7 E. A. Kvittingen et al., “Self-Induced Correction of the Genetic Defect in Tyrosinemia Type I,” Journal of Clinical Investigation 94 (1994): 1657–1661.

8 K. A. Choate et al., “Mitotic Recombination in Patients with Ichthyosis Causes Reversion of Dominant Mutations in KRT10,” Science 330 (2010): 94–97.

9 J. Lederberg, “’Ome Sweet ’Omics — A Genealogical Treasury of Words,” Scientist, April 2, 2001.

10 S. Rogers, “Reflections on Issues Posed by Recombinant DNA Molecule Technology. II,” Annals of the New York Academy of Sciences 265 (1976): 66–70.

11 T. Friedmann and R. Roblin, “Gene Therapy for Human Genetic Disease?”, Science 175 (1972): 949–955.

12 T. Friedmann, “Stanfield Rogers:Insights into Virus Vectors and Failure of an Early Gene Therapy Model,” MolecularTherapy 4 (2001): 285–288.

13 K. R. Folger et al., “Patterns of Integration of DNA Microinjected into Cultured Mammalian Cells: Evidence for Homologous Recombination Between Injected Plasmid DNA Molecules,” Molecular and Cellular Biology 2 (1982): 1372–1387.

14 Там само.

15 O. Smithies et al., “Insertion of DNA Sequences into the Human Chromosomal Beta-Globin Locus by Homologous Recombination,” Nature 317 (1985): 230–234.

16 K. R. Thomas, K. R. Folger, and M. R. Capecchi, “High Frequency Targeting of Genes to Specific Sites in the Mammalian Genome,” Cell 44 (1986): 419–428.

17 S. L. Mansour, K. R. Thomas, and M. R. Capecchi, “Disruption of the Proto-Oncogene Int-2 in Mouse Embryo-Derived Stem Cells: A General Strategy for Targeting Mutations to Non-Selectable Genes,” Nature 336 (1988): 348–352.

18 J. Lyon and Peter Gorner, Altered Fates: Gene Therapy and the Retooling of Human Life (New York: Norton, 1995): 556.

19 J. W. Szostak et al., “The Double-Strand-Break Repair Model for Recombination,” Cell 33 (1983): 25–35.

20 P. Rouet, F. Smih, and M. Jasin, “Introduction of Double-Strand Breaks into the Genome of Mouse Cells by Expression of a Rare-Cutting Endonuclease,” Molecular and Cellular Biology 14 (1994): 8096–8106.

21 Y. G. Kim, J. Cha, and S. Chandrasegaran, “Hybrid Restriction Enzymes: Zinc Finger Fusions to Fok I Cleavage Domain,” Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 93 (1996): 1156–1160.

22 M. Bibikova et al., “Stimulation of Homologous Recombination Through Targeted Cleavage by Chimeric Nucleases,” Molecular and Cellular Biology 21 (2001): 289–297.

23 M. Bibikova et al., “Targeted Chromosomal Cleavage and Mutagenesis in Drosophila Using Zinc-Finger Nucleases,” Genetics 161 (2002): 1169–1175.

24 M. H. Porteus and D. Baltimore, “Chimeric Nucleases Stimulate Gene Targeting in Human Cells,” Science 300 (2003): 763.

25 F. D. Urnov et al., “Highly Efficient Endogenous Human Gene Correction Using Designed Zinc-Finger Nucleases,” Nature 435 (2005): 646–651.

26 S. Chandrasegaran and D. Carroll, “Origins of Programmable Nucleases for Genome Engineering,” Journal of Molecular Biology 428 (2016): 963–989.

Розділ 2

Новий захист

У 2014-му двадцяту річницю нашої дослідної лабораторії, що дивним чином збіглася з моїм п’ятдесятиріччям, я вирішила відсвяткувати, організувавши виїзд колег на свою батьківщину — Гаваї. Майже всім присутнім було вже за тридцять (студенти, аспіранти, постдоки, співробітники лабораторії та інші важливі особи, зокрема й мій син Ендрю). Ми винайняли три будинки неподалік від містечка Кона на західному узбережжі «Великого острова», лише в п’ятнадцяти хвилинах від пляжу та в кількох годинах їзди від Хіло, де я виросла. За ці дні ми встигли влаштувати пікнік, прогулятися Національним парком «Гавайські вулкани», виїхати до найближчих пляжів і ринків, а також пірнути з аквалангом серед недоторканих рифів, що оточують острів. А один чудовий вечір присвятили тому, щоб насолодитися приголомшливим видовищем містичного червоного сяйва, яке виникало завдяки природним потокам лави в кратері Халемаумау, і кілька ночей спілкувалися за піцою й пивом в орендованих будинках, дозволяючи собі розслабитися й спонтанно влаштовуючи танці чи караоке.

Звісно, як і на будь-якому науковому зібранні, ми також виділили час і для презентації. За чотири дні ми провели стільки ж міні-симпозіумів, на яких кожний учасник виголошував п’ятнадцятихвилинну промову на самостійно обрану тему, починаючи від історії самої лабораторії й завершуючи тонкощами структури РНК.

На четвертий день Росс Вілсон, постдок, який опікувався організацією значної частини матеріально-технічного забезпечення виїзду, підвівся, щоб виголосити останню промову. Принаймні мені здавалося, що то буде спіч. Натомість Росс здивував усіх коротким фільмом зі змонтованих докупи уривків відео зі мною, узятих зі старих VHS-касет, які — про що я й гадки не мала — назбиралися за всі ці роки, ставши вже навіть якоюсь традицією.

Гості рівною мірою й аплодували, і кепкували з мене, коли на екрані один за одним з’являлися ті фрагменти: відео з промови, яку я виголосила на церемонії нагородження Національного наукового фонду в 1999 році, кадр, де тримаю лічильник Гейгера в журналі Vogue у 2000-му, та уривок із документального фільму, який Фредерік Вайзман знімав у моїй лабораторії, що нині переїхала з Єльського до Каліфорнійського університету в Берклі.

Серед цих нарізок були й фрагменти двох телевізійних випусків новин, у яких мене показували, причому обидва висвітлювали перше вагоме відкриття, що вийшло з моєї лабораторії в Єльському університеті в 1996 році. Я пам’ятала про їхнє існування, але подробиць пригадати не могла. Раптова увага до моєї лабораторії була водночас і захопливою, і дещо бентежною, особливо для молодої дослідниці, яка більшість часу проводила відірваною від світу біля лабораторного столу.

З-поміж усіх фрагментів відео Росса були й ті, що викликали найгучніші вигуки присутніх. Ці уривки видавалися такими старими: керівниця лабораторії, якій ще не було й тридцяти, старомодний тон диктора й шумні, нині вже застарілі комп’ютери, що на той час були найновішим обладнанням.

Розсміявшись і собі, думками я повернулася до тих ранніх років своєї роботи в Єльському університеті й пригадала всі сподівання й страхи, із якими зіткнулася, коли взялася за нову ризиковану галузь досліджень — проект, що, як застерігали мене чимало науковців, ніколи не матиме успіху.

Спостерігаючи за тим, як у молодшої мене беруть інтерв’ю для цих сюжетів новин, я знов пережила інтенсивне радісне збудження й водночас відчуття значної втрати, що забарвили ці роки. Зафільмовані коментарі також виявилися несподівано пророчими стосовно того, що сталося значно пізніше, коли моє дослідження почало розвиватися в нових напрямах.

Коли брали те інтерв’ю, моя лабораторія тільки-но визначила тривимірну структуру — точне розміщення кожного атома молекули рибонуклеїнової кислоти, або РНК, яка утворювала частину більшої молекули під назвою рибозим зі здатністю до автосплайсингу. У 1980-х Том Чек — науковий керівник мого аспірантського дослідження в Колорадському університеті в Боулдері, отримав Нобелівську премію за відкриття рибозимів, здатних до автосплайсингу. Його відкриття було проривом, оскільки існування цих рибозимів наштовхувало на припущення, що життя на Землі розвинулося з молекули РНК, яка могла водночас і розкодовувати генетичну інформацію, і копіювати її в примітивних клітинах. Коли я починала в лабораторії Єльського університету в 1994 році, то ставила собі за мету, відштовхнувшись від прориву Тома, вивчати структуру рибозимів, щоб краще зрозуміти, як вони працюють. Я хотіла з’ясувати, яким чином РНК — молекула, дуже споріднена з ДНК, — може функціонувати водночас у ролі і сховища генетичних указівок, і хімічно активної молекули, здатної змінювати свою форму та біологічну поведінку. Ці зусилля сягнули свого піку в надзвичайно захопливому відкритті, що РНК може вибудовуватися в тривимірні структури, дуже відмінні від вишукано простої подвійної спіралі ДНК.

Але моя радість від визначення структури рибозимів — робота, яку я здійснила разом з аспірантом Джеймі Кейтом, — супроводжувалася особистою трагедією. Тієї осені батько зателефонував мені в Єль, щоб повідомити жахливі новини: йому діагностували меланому. Упродовж останніх трьох місяців його життя я тричі літала на Гаваї з Нью-Гейвена й проводила нелегкі дні та ночі, тримаючи батька за руку, читаючи йому улюблені уривки з «Волдена» Генрі Девіда Торо, слухаючи Моцарта, обговорюючи, як діють різні знеболювальні препарати, і розмірковуючи про те, що стається з нами після смерті. Тато завжди цікавився моїми дослідженнями й постійно розпитував про останні результати з лабораторії. На якомусь етапі я показала йому зображення молекули рибозима, намальоване зеленим чорнилом. «Схоже на зелену пасту фетучіні!» — вигукнув він. Через три тижні його не стало.

Сумуючи через смерть батька, але прагнучи відволіктися, я з головою занурилася в роботу, утішаючи себе думкою, що завдяки нашому дослідженню колись удасться врятувати життя інших людей чи принаймні покращити його. Вивчення рибозимів, як і більшість наукових проектів, мало дві основні мети: пролити світло на недосліджений природний феномен і застосувати ці знання на практиці. Ще коли я вирішила визначити молекулярну структуру рибозимів, чимало біологів вважали, що цей тип молекули може дати альтернативний метод лікування захворювань. Метод, заснований на рибозимах, як передбачали на той час, відрізнявся б і від генної терапії (яка мала на меті виправити генетичні помилки через додавання здорових генів), і від редагування генів (головна мета якого — виправити самі дефектні гени). Це дозволило б медикам лікувати пацієнтів, виправляючи дефектні молекули РНК — тих носіїв інформації, які наші клітини використовують для перетворення ДНК у білок.

Я була в такому захваті від прориву з рибозимами, що під час телеінтерв’ю припустила, що колись ці молекули можуть стати інструментами для редагування ДНК, адже ми вже мали свідчення того, що рибозими здатні спричиняти в ДНК хімічні зміни. Переглядаючи відео майже двадцятирічної давнини, я побачила молодшу версію себе, яка окреслила найкоротший шлях для такого застосування. «Цілком імовірно, — сказала я тоді, — що ми зможемо повністю або частково вилікувати людей із генетичними захворюваннями... Ми сподіваємося, що [це відкриття] дасть нам якісь підказки стосовно того, як можна вдосконалити рибозими, щоб вони могли виступати в ролі молекулярного комплекту для ремонту й полагодити дефектні гени».

Як виявилося, саме цього відкриття так і не відбулося — принаймні поки що. Попри те що зрештою деякі методи лікування на основі рибозимів таки дійшли до клінічних випробувань, жоден із них не довів своєї ефективності в лікуванні генетичних захворювань. Але цим неочікуваним зв’язком із моїм поточним дослідженням те інтерв’ю змусило мене повернутися до сьогодення.

Перебуваючи в орендованому будинку на Гаваях, я звернула увагу на те, як сказане в тому інтерв’ю відображало несподіваний поворот у моїй роботі. Коли я описувала наше дослідження рибозимів з погляду їхнього потенціалу для відновлення генів, то й гадки не мала, що майже через два десятиліття редагування генома визначатиме мій професійний шлях.

Десь через п’ятнадцять років після трансляції тих випусків новин я брала участь у дослідженні, терапевтична перспективність якого була значно вищою за будь-що інше, що спадало мені на думку як новій викладачці університету в 1996 році. Коли це відбулося, я саме вивчала ще одну біологічну систему — імунітет бактерії, у якому РНК відігравала головну роль. Але на відміну від проекту рибозимів, який зосереджувався на темі, що вже опинилася в центрі уваги завдяки її першовідкривачу, відзначеному Нобелівською премією, ця мандрівка розпочалася з незвіданого. Усе починалося як розвага, але переросло в низку малоймовірних зустрічей і несподівану співпрацю. Я сиділа там, на Гаваях, поруч із родиною та колегами, і дивилася на себе молодшу на екрані телевізора, розмірковуючи над тим, як основна ідея редагування дефектних генів червоною ниткою проходила через увесь мій професійний шлях.

Я ніколи не забуду, як уперше почула термін CRISPR.

То був 2006 рік, і я сиділа у своєму кабінеті на восьмому поверсі в Стенлі Гол у Каліфорнійському університеті в Берклі, аж раптом задзвонив телефон. На лінії була Джилліан Бенфілд, колега-професорка з факультетів землезнавства й планетології та екології, політики й управління.

Я не знала Джилл особисто, лише чула про неї, а вона так само мало знала про мене й пояснила, що веб-сторінку моєї лабораторії змогла знайти лише завдяки швидкому пошуку в Google. Як геомікробіологиня, Джилл зосереджувалася переважно на взаємодії між мікроорганізмами та їхнім навколишнім середовищем і тепер шукала колег-науковців у Берклі, що досліджували б РНК-інтерференцію — молекулярну систему, яку клітини рослин і тварин використовують для придушення експресії окремих генів і яку організми також застосовують під час імунних реакцій. У цій темі моя лабораторія мала значний досвід.

Джилл розповіла, що її лабораторія вивчає те, що я почула як crisper. Бенфілд не розшифрувала і навіть не вимовила термін по буквах, згадавши лише, що він з’являвся в деяких даних, які аналізувала її лабораторія, і що вона хотіла б розширити своє дослідження за допомогою інструментів із галузі генетики й біохімії — двох наборів навичок, які могла запропонувати моя лабораторія. Зокрема Джилл уважала, що можуть існувати певні паралелі між «crisper» і РНК-інтерференцією. А ще запитала, чи не проти я зустрітися й обговорити це.

Наполегливість Джилл мене заінтригувала, хоча я й сумнівалася щодо її пропозиції, адже зрештою й гадки не мала, що Бенфілд вивчала. Але її захват був відчутний навіть у телефонній розмові, тож я погодилася зустрітися наступного тижня за кавою.

Після тієї розмови я побіжно проглянула наукову літературу й знайшла жменьку статей на тему, яка так захопила Джилл. Для порівняння, про РНК-інтерференцію, дослідження якої тривало десь років вісім, уже зібралося більше чотирьох тисяч посилань. (Увага сягнула свого апогею, коли першовідкривачі Ендрю Фаєр і Крейґ Мелло одержали Нобелівську премію трохи згодом того самого року). Через відносно незначну кількість публікацій на тему Джилл її було важко оцінити, але це ще більше розпалило мою допитливість.

Я переглянула декілька загальних статей, читаючи якраз удосталь, щоб збагнути, що це явище — CRISPR — пов’язане з ділянкою бактеріальної ДНК і що за абревіатурою стоїть термін «короткі паліндромні повтори, регулярно розташовані групами». Далі я вже не читала, бо, спіткнувшись об специфічну термінологію, припустила, що Джилл уведе мене в курс справ під час зустрічі.

Самотужки погугливши, я зрозуміла лише, якою кваліфікованою науковицею була Джилл. Майстерно й творчо досліджуючи чимало різних галузей науки, вона публікувала статті під заголовками на зразок: «Мінералогічні біомаркери та пошук життя на Марсі» або «Геофізична візуалізація стимульованої мікробної біомінералізації». Її дослідження передбачало збирання та вивчення зразків із широкого кола джерел: із біосфери, розташованої глибоко під землею в Японії, у гіпермінералізованих озерах в Австралії та в кислих шахтних водах у Північній Каліфорнії. Ці екзотичні проекти помітно контрастували з моїми, адже за винятком необхідних постійних відряджень до прискорювача рентгенівського випромінювання в Національній лабораторії імені Лоуренса в Берклі, моя робота відбувалася здебільшого в тестових пробірках.

Частково тому, що я була така вражена її дослідженнями, а частково з власних наукових причин мені дедалі більше кортіло познайомитися з Джилл. За чотири роки до цього я переїхала до Берклі з Єльського університету разом зі своїм нинішнім чоловіком Джеймі Кейтом і нашим новонародженим сином Ендрю. Хоча мої безперервні дослідження рухалися в нових напрямах, я сподівалася розширити лабораторію й узятися за додаткові проекти, водночас почавши розвивати співпрацю з новими колегами. Це могло стати саме тим приводом, якого я шукала.

Ми з Джилл зустрілися наступного тижня у Free Speech Movement Café неподалік від входу до однієї з університетських бібліотек для студентів останнього курсу. То був чудовий весняний день, і коли я прийшла, Джилл уже сиділа за кам’яним столиком у внутрішньому дворі, а поруч лежав записник і стос паперів. Після того як ми трохи погомоніли, вона взяла до рук записника й перейшла до справи.

Джилл нашвидкуруч схематично намалювала CRISPR. Спершу накреслила великий овал на позначення бактеріальної клітини. Тоді намалювала коло всередині овалу — бактеріальну хромосому й додала низку поперемінних ромбів і квадратів вздовж одного боку кола, щоб показати ділянку ДНК. Вочевидь, ця ділянка й була CRISPR.

Джилл заштрихувала ромби й зауважила, що всі вони були однаковими ділянками тієї самої ДНК, яка складалася з тридцяти літер. Потім пронумерувала квадрати, послідовно почавши з одиниці, і пояснила, що кожний з них заміщує унікальну послідовність ДНК.

Нарешті слова, які ховалися за абревіатурою, — короткі паліндромні повтори, регулярно розташовані групами — почали набувати для мене значення. Ромби були короткими повторами, квадрати — групами, проміжні послідовності, які регулярно переривали повтори й ці групи ромбів і квадратів, збиралися лише в одній ділянці хромосоми, а не випадково розподілялися скрізь. (Коли, повернувшись до кабінету, я детальніше розглянула повторення послідовностей ДНК, літера P в абревіатурі, яка позначала слово «паліндромні», також стала зрозумілою: послідовність була майже однаковою, незалежно від того, чи читати її справа наліво, чи зліва направо — зовсім як паліндроми на зразок «кит на морі романтик».

Основна ідея, що клітини могли містити повторювані послідовності ДНК, була не такою вже й несподіваною, адже більше половини людського генома (з-поміж більше одного мільярда літер) становлять різні типи повторюваних груп, деякі з них мають мільйони копій. Хоча в порівняно меншому бактеріальному геномі кількість таких груп значно нижча, я розуміла, що в них теж трапляються повторювані послідовності, причому до деяких застосовувалися ті самі терміни, що й до CRISPR, як-от екстрагенні паліндромні послідовності, що повторюються (REP), та бактеріальні інтерсперсні мозаїчні елементи (BIME). Але я ніколи не чула, щоб ДНК повторювалася з такою точністю та одноманітністю, де кожний повтор справді був ідентичним і завжди відокремлювався від сусідніх однаковими за розміром випадковими послідовностями-спейсерами.

Мені було цікаво дізнатися більше про ці дивні ділянки бактеріальної ДНК, тому я запитала Джилл про їхні біологічні функції й була розчарована почути, що їй вони невідомі. Але лабораторія Джилл знайшла важливу підказку27: послідовності ДНК із природних бактеріальних популяцій показали, що, по суті, кожна клітина має різний ланцюжок CRISPR завдяки унікальним послідовностям, утиснутим у проміжки між повторами. Це було абсолютно нечуваним, адже всі інші частини ДНК були майже ідентичними в кожній із цих клітин. Джилл визнала, що, імовірно, CRISPR — це ділянки генома, які розвивалися найшвидше, що узгоджувалося з їхньою функцією, яка полягала в тому, щоб змінюватися або швидко пристосовуватися у відповідь на щось, із чим клітини стикалися в довкіллі.

Кількома роками раніше у своїх новаторських працях Франциско Мохіка28, професор з Іспанії, виявив такі самі повтори в численних, ніяк не пов’язаних між собою видах, зокрема в археях — одноклітинних організмах, у яких, як і в бактеріях, немає ядра. (Бактерії, археї (їх зараховують до прокаріотів) та еукаріоти складають три основні групи живих організмів на Землі). За словами Джилл, CRISPR знайшли в майже половині всіх бактеріальних геномів, послідовність яких на той час уже встановили, і майже в кожному геномі археїв. Здавалося, що саме в родині останніх повторювані послідовності ДНК траплялися найчастіше з-поміж усіх прокаріотів.

Ця інформація, хай навіть і неповна, зацікавила мене настільки, що по спині пробіг морозець, адже якщо CRISPR траплялися в стількох різних видах, то цілком імовірно, що природа використовувала їх для чогось важливого.

Я уважно слухала, коли Джилл витягла зі свого стосу паперів три наукові публікації, усі датовані 2005 роком29, і схвильовано підсумувала результати. Працюючи незалежно одна від одної, три дослідні лабораторії, зокрема й та, яку очолював Мохіка, з’ясували, що багато спейсерів CRISPR — тих фрагментів ДНК, які відігравали роль прошарків між повторюваними послідовностями — ідеально збігалися з ДНК відомих бактеріальних вірусів. Та що цікавіше, складалося враження, що між кількістю послідовностей ДНК у бактеріальних CRISPR, що збігалися з вірусною ДНК та кількістю вірусів, якими могли заразитися бактерії, існував зворотний взаємозв’язок: що більше було збігів, то менша загроза інфікування. Джилл здійснила власне новаторське дослідження30, у якому геноми з цілих мікробних колоній відтворювалися через секвенування менших, частково збіжних, ділянок ДНК та їхнє зіставлення. Експеримент також показав, що багато проміжних послідовностей у ланцюжку CRISPR збігалися з послідовностями вірусної ДНК у довкіллі.

Разом ці відкриття надали значну підказку про роль, яку CRISPR відігравали в бактеріях і археях. Команди дослідників знайшли докази, на основі яких можна було припустити, що, імовірно, CRISPR були частиною імунної системи архей і бактерій, пристосуванням, завдяки якому мікроби долали віруси.

І насамкінець, немовби витрушуючи останні хлібні крихти, Джилл показала мені найновішу статтю про CRISPR. Її опублікувала команда Національного інституту охорони здоров’я США під керівництвом Кіри Макарової та Євгена Куніна31. Заголовок «Імовірна імунна система прокаріотів, заснована на РНК-інтерференції» відразу ж привернув мою увагу. Хоча цій статті, як і трьом попереднім, бракувало переконливих експериментальних даних, її автори виконали неабияку роботу, аналізуючи доступну інформацію про CRISPR. Поєднавши результати більш ранніх досліджень з експертним аналізом поширеності CRISPR у різних видах, науковці створили нову гіпотезу, згідно з якою РНК була основним складником імунної системи одноклітинних організмів на зразок бактерій, і ця система могла функціонувати подібно до тієї, навколо якої здійснювалося моє дослідження, тобто РНК-інтерференції.

Кращої наживки, щоб спокусити мене приєднатися до дослідження, Джилл годі було й шукати. І не лише тому, що я присвятила всю свою кар’єру вивченню молекул РНК, а через те, що дедалі більше зосереджувалася на процесі РНК-інтерференції в клітинах людини. Отже, Макарова й Кунін припустили, що CRISPR були бактеріальним відповідником РНК-інтерференції. Якби це й дійсно виявилося правдою, то моя лабораторія ідеально підходила б, щоб узятися за вивчення цієї нової загадкової біологічної функції. Перспективи були більш ніж захопливими, бо ж хоч інші науковці висували чимало гіпотез стосовно CRISPR, ще ніхто не здійснював експериментів, щоб довести або спростувати ці теорії. Для біохіміків, як я, годі було й шукати кращого часу, щоб стрибнути у вир подій і почати з’ясовувати, як працюють CRISPR.

Прощаючись із Джилл, я подякувала їй і пообіцяла залишатися на зв’язку. Мені потрібно було переварити всю цю інформацію та обміркувати плюси й мінуси того, щоб додати дослідження CRISPR до навантаження своєї лабораторії. Якби я таки вирішила йти далі, то мусила б знайти науковця, який керував би програмою на щоденній основі, бо ж я була надто заклопотана управлінням лабораторією, щоб самостійно взятися за новий проект.

А ще мені довелося б трохи повчитися, щоб освіжити в пам’яті знання про світ бактерій і вірусів, які їх уражають. Я опублікувала чимало журнальних статей про вірус гепатиту С, який вивчала разом зі своїм новим постдоком, і знала, що функції РНК-інтерференції тісно пов’язані з противірусним захистом рослин і тварин. Але я ніколи не вивчала бактеріальних вірусів, ба навіть не надто й зважала на них. Якщо я хотіла приєднатися до Джилл у її мандрівці, то мала це надолужити.

Фредерік Творт, британський бактеріолог початку ХХ століття, був першим науковцем, який задокументував наслідки впливу бактеріальних вірусів. Досить іронічно, але спочатку він узявся досліджувати не бактерії, а віруси, які вражали тварин і рослин та вже давно були відкриті до нього. Намагаючись розмножити ці віруси за допомогою матеріалів на зразок гною чи сіна, Творт наштовхнувся на специфічний різновид бактерій із роду Micrococcus.32 Зразок виявився хворим, і замість того, щоб розростатися в поживному середовищі чашок Петрі компактними колоніями, як це робила більшість бактерій, ті культури видавалися водянистими й прозорими. Якщо дослідник підселяв ці водянисті Micrococci до здорових, то вони набували такого самого тьмяного вигляду, немовби інфікувалися чимось. Творт написав статтю, припускаючи, що агентом інфікування міг бути вірус, але на той час сама думка про те, що вірус уражав бактерію, була нечуваною. Однак інших можливих пояснень такої зміни не було. Творт не міг упевнено сказати, від чого ж страждала здорова культура.

Через два роки після виходу статті Творта, у 1917-му, бактеріальні віруси наново відкрив канадський лікар Фелікс Д’Ерелль. Під час Першої світової війни він мешкав у Франції й узявся досліджувати спалах дизентерії, яка спустошувала тамтешній кавалерійський ескадрон. Намірившись з’ясувати, чому одні пацієнти одужували, а інші — ні, Д’Ерелль узяв зразки фекалій хворих і скрупульозно, хай навіть дещо й недосконало, проаналізував їх. Спочатку він пропустив криваві випорожнення пацієнтів через дрібнозернистий фільтр, щоб вилучити зі зразків будь-які тверді рештки — включно з бактеріями. Потім розподілив відфільтровану рідину поверх культур бактерій Shigella, які і є збудником дизентерії. Наступного дня Д’Ерелль був уражений, побачивши, що інфіковані бактеріальні культури під одним зі зразків рідини «розчинилися, немовби цукор у воді», майже повністю зникнувши33. Та що важливіше, заквапившись до лікарні, щоб дізнатися долю пацієнта, який надав саме цей зразок випорожнень, дослідник дізнався, що стан чоловіка помітно покращився. Склавши одне з іншим, Д’Ерелль дійшов висновку, що паразит, якого він назвав бактеріофагом, або «пожирателем бактерій», — форма життя, достатньо мала, щоб пройти крізь фільтр, — знищив бактерію Shigella. Складалося враження, що цей бактеріофаг уражав бактерію майже так само, як вірус — рослини й тварин.

Упродовж наступних років після експерименту Д’Ерелля вченим удалося відкрити ще більше бактеріофагів, або скорочено фагів, причому кожний знайдений націлювався на окремий вид бактерії. Оскільки кількість відомих науці фагів продовжувала збільшуватися, зростало й захоплення навколо того, що почали називати фаговою терапією, тобто переконання, що бактеріофаги можна використовувати для лікування бактеріальних інфекцій. Хоча деякі науковці були аж ніяк не в захваті від думки про те, щоб уводити живі віруси хворим людям, насправді здавалося, що бактеріофаги ігнорували геть усі людські клітини, і коли терапію перевіряли під час клінічних випробувань, у пацієнтів не виникло жодних побічних ефектів. У 1923 році Д’Ерелль допоміг радянським науковцям заснувати інститут у Тбілісі (нині це територія Грузії), присвячений дослідженню бактеріофагів, і в часи розквіту в тому закладі налічувалося більше тисячі співробітників, які продукували тонни фагів на рік34 для клінічного використання. У деяких частинах світу фагова терапія існує й донині. Приблизно 20 відсотків бактеріальних інфекцій у Грузії в наш час лікують фагами35, але після відкриття антибіотиків і їх удосконалення в 1930-х і 1940-х це лікування швидко втратило популярність, особливо на Заході.

Як метод лікування бактеріофаги мали обмежене застосування, але вони стали справжньою знахідкою для генетичних досліджень. До того часу, як у 1940-х і 1950-х роках дослідники змогли вперше поглянути на фаги за допомогою електронних мікроскопів із високим збільшенням, ці бактеріальні віруси разом із бактеріями, на які були націлені, уже стали доказом на підтримку дарвінівської теорії природного добору. Вони допомогли довести, що ДНК, а не білки була спадковою молекулою клітини. За допомогою фагів удалося продемонструвати, що генетичний код існує у вигляді триплетів, де кожну амінокислоту білка визначають три літери ДНК. Окрім цього, експерименти з фагами також допомогли з’ясувати, як гени «вмикаються» та «вимикаються» всередині клітини. Навіть відкриття Джошуа Ледерберга, що віруси можуть переносити чужі гени в інфіковані клітини, — перші натхненні думки про редагування генів, — відбулося завдяки діям бактеріофага, характерного для сальмонели. Саме ці експерименти з бактеріальними вірусами заклали підвалини для молекулярної генетики.

У 1970-х вивчення фагів також дало поштовх до революції в молекулярній біології. Досліджуючи імунні системи, які бактерія використовує, щоб подолати інфікування фагами, науковці визначили клас ферментів під назвою ендонуклеази рестрикції, які можна було застосувати, щоб розрізати фрагменти синтетичної ДНК у простих лабораторних експериментах. Поєднавши їх з іншими ферментами, виділеними з інфікованої фагами клітини, дослідники змогли спроектувати й клонувати в лабораторії молекули штучної ДНК. Водночас геноми фагів стали чудовою ціллю для нещодавно відкритих технологій секвенування ДНК. У 1977 році Фреду Сенґеру та його колегам удалося визначити послідовність усієї ДНК генома фага під назвою ΦX174. Через двадцять п’ять років той самий фаг знову прославився: його геном став першим, який удалося повністю відтворити з нуля36.

Однак бактеріофаги — це не лише популярні лабораторні улюбленці, а й найбільш розповсюджені біологічні організми на нашій планеті, а це неабиякий перелік. Вони так само поширені у світі природи, як світло та ґрунт, і їх можна знайти в землі, воді, нашому кишківнику, гарячих джерелах, крижаних кернах і взагалі скрізь, де є життя. За приблизними підрахунками науковців, на землі існує 1031 бактеріофагів, а це десять мільйонів трильйонів трильйонів або одиниця з тридцять одним нулем після неї. У звичайній чайній ложці вміщується вп’ятеро більше фагів, аніж людей у Нью-Йорку. Неймовірно, але на Землі значно більше фагів, аніж бактерій, які вони можуть уражати. Фаги так само поширені, як і бактерії, проте переважають останні в кількісному співвідношенні десять до одного. Щосекунди вони спричиняють майже трильйон трильйонів заражень на суходолі, а в самому лише океані приблизно 40 відсотків усіх бактерій щодня гинуть унаслідок смертоносного зараження фагами37.

Ці віруси смертельні за своєю суттю: за мільярди років вони еволюціонували так, щоб із жорстокою точністю інфікувати бактерії. Усі фаги складаються зі стійкої білкової оболонки під назвою капсид, усередині якої міститься генетичний матеріал. Фагові капсиди бувають десятків різних форм, але всі вони максимально пристосовані до того, щоб захищати вірусний геном і дієво доставляти генетичний матеріал у бактеріальні клітини, де його можна розмножити й поширити. Одні фаги мають витончену ікосаедричну (двадцятигранну) форму, інші — сферичні капсиди з довгими хвостами. Ниткоподібні фаги — циліндричні. Можливо, найстрашнішим з-поміж усіх цих вірусів є той, що скидається на інопланетний космічний корабель, із ніжками, якими чіпляється за зовнішню поверхню клітини, голівкою, де зберігається ДНК, і помпою, якою впорскує цю ДНК в клітину після свого «приземлення».

Почерки вірусів різняться, як і їхній зовнішній вигляд, але всі вони незмінно й безжалісно точні. Деякі вірусні геноми так сильно стиснуті в капсидах, що тільки-но білкова оболонка руйнується, генетичний матеріал виривається в клітину, вивільняючись під тиском, немовби відкоркована пляшка шампанського. Щойно геном знаходить шлях усередину клітини, він може захопити її двома способами. Використовуючи паразитичний, або ж лізогенний, шлях, вірусний геном непомітно вбудовується в геном клітини-господаря, де може ховатися впродовж багатьох поколінь, чекаючи слушного моменту для нападу. На противагу цьому, застосувавши інфекційний, або ж літичний, шлях, геном одразу підкорює собі клітину, змушуючи виробляти вірусні білки замість бактеріальних, і багато разів поспіль відтворює вірусний геном, аж доки клітину практично не розриває зсередини від дедалі більшого тиску, унаслідок чого відбувається розсіювання нових фагів, що інфікують сусідні клітини. За допомогою такого циклу клітинного вторгнення, захоплення, відтворення й поширення один-єдиний фаг за лічені години здатний знищити всю популяцію бактерій.

Але в цій споконвічній війні бактерії зовсім не беззахисні. Так само, як рослини й тварини, за мільярди років еволюції вони розвинули приголомшливі стратегії захисту. На час нашої розмови з Джилл науковцям удалося встановити чотири головні захисні бактеріальні системи38. У найдієвішій з них бактерії маркували власні геноми унікальними мітками, які ледь помітно змінювали хімічний вигляд ДНК, не впливаючи на експресію генетичної інформації. Окрім цього, бактерії вивільняли ферменти під назвою ендонуклеази рестрикції, щоб подрібнювати ДНК, якій бракувало такого маркування, дієво знищуючи різноманітні фагові гени, які спромоглися проникнути крізь клітинну оболонку. Бактерії також здатні запобігати проникненню ДНК фагів у клітину, закупорюючи зроблені вірусами отвори, щоб ті не могли впорснути свою ДНК, або ж маскуючи білкові молекули на зовнішній поверхні клітини, на яку чіпляються фаги. Бактеріальні клітини навіть розвинули здатність відчувати майбутнє зараження й самознищуватися до того, як воно матиме шанс прогресувати — самовідданий спосіб захисту більшої колонії бактерій.

Чи могли CRISPR бути ще одним противірусним засобом захисту? Що більше я читала про «гонку озброєнь» між бактеріями й бактеріофагами, то сильніше переконувалася, що це була ще одна зброя, яка чекала, доки її знайдуть.

Ба більше: читаючи про CRISPR, я починала розуміти, куди спрямую лабораторні зусилля, якщо ми таки погодимося прийняти виклик Джилл. Порівняльний аналіз Руда Янсена та його колег у Нідерландах39 — тієї самої команди, яка ще у 2002 році першою запровадила використання абревіатури CRISPR, — виявив набір генів, що майже завжди прикривали з флангів ділянки CRISPR у бактеріальних хромосомах. Це були не повторювані послідовності чи спейсери всередині самої ДНК CRISPR, а окремі набори генів.

Навіть попри те, що ми знали про них так небагато, CRISPR-асоційовані гени, або ж cas-гени, видавалися надзвичайно перспективними. Порівняння з відомими генами наштовхувало на думку, що cas-гени кодують спеціальні ферменти, функцією яких могло бути розведення дволанцюгової структури ДНК на окремі нитки або розрізання молекул РНК чи ДНК, подібно до функції, яку мають ендонуклеази рестрикції.

Зважаючи на те, яким корисним стало відкриття ендонуклеаз рестрикції для технології рекомбінантної ДНК у 1970-х, здавалося цілком імовірним, що, копнувши глибше в цих та інших особливостях CRISPR, ми могли знайти коштовний скарб нових ферментів, які могли б мати значний біотехнологічний потенціал.

От і все. Я вже була на гачку.

Дослідників штовхає вперед авантюризм, допитливість, інстинкт і мужність, але окрім цих величних рис ми потребували ще й здорового відчуття практичності. Слід було обміркувати банальні речі на зразок фінансування та чималої кількості управлінських нормативів. Тим із нас, хто керував власними лабораторіями, потрібно було делегувати іншим науковцям чимало завдань, які нас учили виконувати самотужки. Часто це означало необхідність покладати відповідальність на правильну людину щоразу, коли ми вступали в нову галузь дослідження.

Мені пощастило мати відчутну фінансову підтримку для лабораторій у Берклі, але коли Джилл уперше розповіла про CRISPR, у моїй команді не було нікого, хто мав би потрібну кваліфікацію, щоб узятися за цей непередбачуваний і потенційно ризикований новий проект. Але потім, на щастя, до нас на співбесіду завітав Блейк Віденгефт, щоб спробувати свої сили на посаді постдока в моїй лабораторії. Коли я запитала молодого кандидата, над чим він хотів би працювати, то щиро зраділа, почувши, як той сам поставив мені запитання у відповідь: «Чи чули ви коли-небудь про CRISPR?». Я взяла Блейка на цю посаду. За кілька місяців по тому він затишно влаштувався в Берклі й невтомно працював над тим, щоб запустити наш проект CRISPR.

Запальний і товариський уродженець Монтани з жилкою суперництва, запозиченою з любові до спорту на свіжому повітрі, Блейк перебрався до Берклі з Бозмена, де закінчив основний курс навчання та здобув учений ступінь в університеті штату. На відміну від більшості науковців, яких я наймала до нього, людей із досвідом у біохімії чи структурній біології, Блейк був затятим мікробіологом. Як і Джилл, він провів одну частину своєї кар’єри в лабораторії, а іншу присвятив польовим дослідженням, збираючи зразки. Для написання докторської дисертації Блейк побував і в Єллоустонському національному парку, і на Камчатці в Росії, де відкрив невідомі раніше віруси, що ховалися в кислотних водах гарячих джерел, неушкоджені й заразні попри температуру, яка сягала вище 77 °С. Ці віруси були відомі тим, що вражали архей — одноклітинні мікроорганізми, подібні до бактерій, у геномі яких CRISPR виявилися найпоширенішими. Після секвенування геномів двох знайдених вірусів Блейк з’ясував, що вони мають значний обсяг однакової ДНК, а це означало, що, попри величезну географічну відстань між Єллоустоном і Камчаткою, у них мав бути спільний предок. Геноми також містили натяки на те, як віруси вражали своїх господарів. Проаналізувавши специфічні вірусні гени, Блейк виокремив один фермент, який, за припущеннями дослідника, давав вірусам змогу вбудовувати свої геноми в ДНК господарів, що про це навіть не підозрювали.

Саме такий вид пошукової роботи ми й мали застосувати до CRISPR, от тільки в зворотному напрямку. Замість того щоб зосереджуватися на вірусних генах, які відповідали за зараження, потрібно було відстежити гени бактерії, які це зараження блокували, тобто були CRISPR-асоційовані. Чи радше бактеріальні гени, які, на нашу думку, блокували інфікування. Ми все ще не були впевнені, що в цьому полягала функція cas-генів чи й самих CRISPR.

На ранньому етапі більшість наших роздумів зосереджувалася навколо спокусливої гіпотези, що CRISPR і cas-гени були частинами однієї противірусної імунної системи й що РНК у ній мала відстежувати віруси. Але гіпотеза — це лише перший крок у будь-якому скрупульозному науковому процесі. Ми мали перевірити її й зібрати докази, що або підтвердили б, або спростували б нашу теорію.

Під час зустрічей із Джилл і жменькою зацікавлених науковців у Національній лабораторії імені Лоуренса в Берклі, що неподалік від мого офісу, ми з Блейком обговорювали, як спланувати експерименти. Велике питання було в тому, який піддослідний організм нам варто використовувати. На думку одних, це мав бути Sulfolobus solfataricus — архейний мікроорганізм, уперше знайдений у гарячих джерелах вулкана Сольфатара неподалік від Неаполя в Італії. Ми знали, що цей архей містить CRISPR і що він також сприйнятливий до вірусів з Єллоустона, а це було зручно, адже Блейк їх добре знав. Інші вважали, що треба взяти бактерію під назвою Escherichia coli40, повсюдно відому як E. coli. Безперечно, це був один із найкраще вивчених бактеріальних видів у мікробіології, до того ж чутливий до зараження десятками так само добре вивчених фагів, чимало з яких можна просто придбати онлайн. (E. coli вирізнялася ще й тим, що була першою бактерією, у якій виявили послідовності CRISPR).41 Також Блейк запропонував Pseudomonas aeruginosa42 — хвороботворну бактерію, відому завдяки стійкості до багатьох антибіотиків, яка теж мала CRISPR. Ми знали, що могли впливати на P. aeruginosa за допомогою генетичних інструментів, а ще те, що вона вразлива до різних фагів. (Якийсь час Блейк полював на нові фаги Pseudomonas, однак уже не в екзотичних місцях, як-от Єллоустон, а в місцевих станціях очищення стічних вод у затоці Сан-Франциско).

Блейк чітко дав зрозуміти, що, перебуваючи в моїй лабораторії, хотів зосередитися на вивченні біохімії та структурної біології, а також що прагнув просуватися в новому науковому напрямі. Щоб почати працювати над CRISPR, він очистив білки Cas, закодовані в геномі P. Aeruginosa, і почав перевіряти їх на здатність якимось чином розпізнавати або ж руйнувати вірусну ДНК, розпочавши з найпоширенішого Cas1. У 2007-му, приблизно саме тоді, коли Блейк почав працювати в моїй лабораторії, ми отримали повідомлення від Джилл про захопливу статтю, яку невдовзі мали опублікувати науковці з Danisco — данської біокомпанії та одного з найбільших світових виробників продуктів харчування. Їхнє дослідження із застосуванням генетики показало, що CRISPR і справді були бактеріальною імунною системою43, хоча подробиці цього й досі лишалися невідомі.

Предметом вивчення Danisco була кисломолочна бактерія під назвою Streptococcus thermophilus44 — один з основних пробіотиків, який бере участь у виготовленні йогурту, моцарели та багатьох інших молочних продуктів. Люди споживають більше мільярда трильйонів живих клітин S. thermophilus на рік, і річна ринкова вартість культур цієї бактерії оцінюється більш ніж у сорок мільярдів доларів.45 Не дивно, що таке значне капіталовкладення в молочну промисловість постійно під загрозою через можливість зараження фагами, адже це найпоширеніша причина виробничих збитків і неповної ферментації. В одній лише краплі сирого молока міститься від десяти до тисячі вірусних частинок, через що повністю позбутися фагів просто неможливо. Компанії на зразок Danisco намагалися боротися з бактеріофагами, покращуючи санітарні умови, розробляючи нові проекти заводів, а також удаючись до інших тактик, однак це не принесло бажаного результату46.

Працюючи з Філіппом Горватом і його командою в Danisco France, група дослідників під керівництвом Родольфа Барранґо з Danisco USA вивчала S. thermophilus, прагнучи знайти інші способи розв’язання проблеми. Родольф і Філіпп розмірковували над тим, завдяки чому певні штами цієї бактерії стійкіші до зараження фагами, ніж інші. Молочна промисловість уже використовувала деякі мутовані штами бактерій, які були менш уразливими до бактеріофагів, але Родольф і Філіпп підозрювали, що ділянки CRISPR у геномі S. thermophilus могли відігравати роль імунітету, можливо, навіть потужнішого за випадкові мутації.

Родольф і Філіпп знали про те, що послідовності CRISPR у геномі S. thermophilus мали дуже цікаві риси, які науковці могли використати для свого дослідження. Александр Болотін відкрив деякі з них, коли секвенував бактеріальний геном, і згодом, зосередившись конкретно на ДНК CRISPR, розширив свій аналіз, щоб охопити ще більше двадцяти різних штамів. У процесі дослідження він помітив, що хоча повторювані послідовності CRISPR (заштриховані ромби на замальовці Джилл) завжди були однакові, спейсерні ділянки (пронумеровані квадрати) дуже відрізнялися в різних штамах. До того ж чимало з тих спейсерів ідеально збігалися з частинами геномів фагів, послідовність яких нещодавно встановили. (Відкриття Болотіна підсумовувалося в одній із трьох статей 2005 року, які Джилл показала мені у Free Speech Movement Café). Найцікавішим у публікації Болотіна стало те, що штами S. Thermophilus, де таких спейсерів було найбільше, видавалися найстійкішими до пошкодження фагами. Хоча ми ще до кінця не розуміли, що це означало, складалося враження, що бактерії якимось чином видозмінили свою ДНК CRISPR, щоб віддзеркалювати геноми деяких фагів, тим самим удосконаливши власну імунну систему (якщо припустити, що саме цим і були CRISPR), щоб ефективніше боротися з тими вірусами.

На основі праці Болотіна Родольф і Філіпп здійснили низку експериментів, щоб перевірити цю гіпотезу. Чи й справді штами S. thermophilus могли зробити себе стійкішими до певних бактеріофагів, вбудувавши у власні ділянки CRISPR нову ДНК, що збігалася з послідовностями ДНК, знайденими у вірусів?

У своїх експериментах дослідники Danisco зосередилися на штамі S. thermophilus, який повсюдно використовували в молочній промисловості, та на двох вірулентних фагах, знайдених у промислових зразках йогуртів. Узявши за приклад один із найпростіших генетичних експериментів із тих, що здійснювали ще з початку ХХ століття, науковці поєднали бактеріальний штам із двома фагами в різних тестових пробірках і лишили на 24 години, а потім перевірили, чи зосталася живою якась бактерія, перенісши культури на чашки Петрі й дозволивши зростати ще ніч. Дослідники виявили, що хоча фаги знищили замалим не 99,9 відсотка бактерій, але схоже, що дев’ять мутованих штамів S. thermophilus виявилися невразливими до них.

Аж до цього моменту в експерименті Danisco не було нічого принципово нового, бо ж інші науковці використовували такі самі методи, щоб виокремити штами S. thermophilus, стійкі до зараження фагами. Але Родольф і Філіпп на цьому не зупинилися. Вони спробували визначити генетичні причини такого очевидного імунітету.

Родольф і Філіпп здогадувалися, завдяки якій ділянці бактеріального генома ці мутовані штами S. thermophilus стали стійкими до вірусів. Вони припустили, що це були CRISPR, і висунули гіпотезу, що ділянки CRISPR у цих дев’яти нових мутованих штамах відрізнятимуться від CRISPR в оригінальному штамі. І справді, після виокремлення геномної ДНК усіх мутованих штамів дослідники виявили, що кожна окрема ділянка CRISPR розширилася, щоб охопити новий фрагмент ДНК, вбудований між повторами. Ба більше, ці нові спейсери ідеально збігалися з ДНК фагів, до яких штам тепер був невразливим. Така очевидна несприйнятливість була дуже винятковою ще й тому, що всі зміни фізично вбудовувалися в ДНК CRISPR бактерій, і ця нова стійкість виявилася спадковою та передавалася щоразу, коли бактеріальні клітини розмножувалися.

Дослідники Danisco виявили ще один спосіб, за допомогою якого бактерії боролися з вірусами — п’яту охоронну систему. Тепер ми знали, що, окрім раніше відкритих методів захисту, бактерії мали у вигляді CRISPR винятково дієву форму адаптивного імунітету, який дозволяв бактеріальному геному красти фрагменти ДНК фагів під час інфікування й використовувати їх для посилення майбутньої захисної реакції. Як зазначив Блейк, CRISPR функціонували як молекулярна карта щеплень: накопичуючи пам’ять про минулі зараження фагами у блоках із спейсерної ДНК (укладеної)між повторюваними послідовностями, бактерії могли використовувати цю інформацію для розпізнавання й знищення тих самих ворожих фагів під час майбутнього інфікування.

Публікація дослідження Danisco почала привертати увагу до маловідомої природи CRISPR, а також прискорила першу нараду, присвячену цій темі, що відбулася в Каліфорнійському університеті в Берклі у 2008 році. Її організаторами стали Джилл Бенфілд і Родольф Барранґо. Однак, як це завжди буває в науці, щойно зламавши одні двері, дослідники наштовхнулися на інші. Оскільки імунна відповідь CRISPR вимагала ідеального збігу послідовності ДНК у бактеріальному геномі та геномі фагів, стало зрозуміло, що ця імунна система впізнавала генетичний матеріал фагів, щоб знищити його, але як? Яка частина клітини відповідала за це впізнавання?

Невдовзі почала вимальовуватися відповідь і на це питання. Стен Броунс, постдок лабораторії Джона ван дер Ооста у Ваґенінґенському університеті в Нідерландах, невдовзі надав неспростовні свідчення того, що молекули РНК брали участь у противірусному захисті CRISPR47. Стен спирався на попереднє дослідження, що виявило молекули РНК, які точно збігалися з послідовностями ДНК CRISPR усередині клітин різних видів археїв, зокрема й штамів вулканічних Sulfolobus, які вивчав Блейк. Це підвело нас до роздумів, що РНК може координувати такі етапи відповіді бактерій на зараження вірусом, як упізнавання, зв’язування та знищення. Отож Стен, експериментуючи з E. coli, доповнив ці спостереження, підтвердивши, що РНК відіграє саме цю роль у захисній системі CRISPR різних видів мікроорганізмів — гарний доказ того, що РНК була необхідна для всіх імунних систем, пов’язаних із CRISPR.

Стен також продемонстрував, як молекули РНК CRISPR утворювалися всередині клітини. Спочатку бактеріальна клітина перетворювала всю послідовність CRISPR на довгі ланцюги РНК, які точно збігалися з послідовностями ДНК CRISPR, літера за літерою. (Не забувайте, що РНК — це молекулярна родичка ДНК, що складається практично з тих самих літер, за винятком того, що T у ДНК замінюється U в РНК). Щойно клітина створювала ці довгі ланцюги РНК, похідної від CRISPR, ферменти з хірургічною точністю розрізали їх на коротші РНК однакової довжини, які відрізнялися лише послідовністю спейсерів. Унаслідок цього процесу довгі ділянки повторів ДНК перетворювалися на колекцію коротших молекул РНК, кожна з яких містила окрему послідовність, похідну від конкретного фага.

Ці знахідки натякали на основну роль, яку РНК CRISPR відігравала в імунній системі бактерій, — роль, що стала можливою завдяки базовим функціям самої РНК. Оскільки РНК хімічно так схожа на ДНК, вона самотужки здатна створювати подвійні спіралі, використовуючи взаємодію комплементарних пар, — той самий процес, завдяки якому утворюється славнозвісна подвійна спіраль ДНК. Комплементарні ланцюги РНК можуть поєднуватися один з одним, формуючи подвійну спіраль РНК-РНК, але ланцюг РНК може також утворювати пару з відповідним окремим ланцюгом ДНК, формуючи подвійну спіраль РНК-ДНК. Така універсальність і розмаїтість різних послідовностей, знайдених у РНК CRISPR, наштовхнули науковців на захопливий здогад. Видавалося цілком імовірним, що ці молекули РНК CRISPR могли захищати молекули й ДНК, і РНК від атак загарбницьких фагів під час інфікування, утворюючи пару з будь-якою комплементарною до них і провокуючи в клітині певну імунну відповідь.

Якби РНК дійсно допомагала в такий спосіб упізнавати й зв’язувати вірусний генетичний матеріал, то CRISPR насправді могли бути подібними до РНК-інтерференції, яку досліджувала моя лабораторія — саме так, як зазначалося в тій статті, що й спокусила мене долучитися до вивчення CRISPR ще від початку! У РНК-інтерференції тваринні й рослинні клітини утворюють подвійні спіралі РНК-РНК, щоб знищувати загарбницькі віруси. Дуже подібно до цього молекули РНК CRISPR могли розпізнавати РНК фагів під час імунної відповіді за допомогою подвійних спіралей РНК-РНК. Я була в захваті ще й від додаткової можливості, що, на відміну від РНК-інтерференції, РНК CRISPR могли мати здатність розпізнавати й відповідну ДНК, що дало б змогу цим захисним системам атакувати вірусний геном з обох фронтів.

Невдовзі після відкриття Стена двоє дослідників із Північно-Західного університету, Лучано Марраффіні та його наставник Ерік Зонтгаймер, знайомий мені ще з його студентських часів у Єлі, з’ясували, що РНК CRISPR і справді здатна керувати знищенням ДНК. Працюючи зі ще одним мікроорганізмом під назвою Staphylococcus epidermidis48, відносно нешкідливою бактерією, що мешкає на шкірі людини (але споріднена з небезпечним, стійким до медикаментів штамом Staphylococcus aureus49), Лучано здійснив низку простих експериментів, щоб довести, що РНК CRISPR упізнає та зв’язує ДНК генетичних паразитів, що атакують бактерію50. Він також продемонстрував, що, імовірно, це впізнавання відбувається на основі утворення комплементарних пар — єдиного процесу, якому притаманна точність, із якою CRISPR вистежували свою жертву.

Від темпу й наполегливості цих досліджень перехоплювало подих. Лише за декілька років після того, як я дізналася про CRISPR, із невеликої купки цікавих, але бездоказових припущень розвинулася широка уніфікована теорія про внутрішнє функціонування мікробної адаптивної імунної системи. Ця теорія ґрунтувалася на дедалі більшій кількості експериментальних досліджень, але оскільки багато з них опублікували наприкінці 2000-х, було зрозуміло, що до того, як ми зможемо по-справжньому осягнути цю складну захисну систему бактерій, попереду чекало ще багато роботи.

Ми починали розуміти, що складність CRISPR була значно більшою, ніж будь-хто міг собі уявити можливим для простого одноклітинного організму. У певному значенні, відкриття цієї частини імунної системи бактерій поставило їх в один ряд із людьми, показавши, що й ми, і вони маємо надзвичайно складні клітинні реакції на інфекції. Однак тоді ніхто з нас ще не усвідомлював, яке значення цей бактеріальний захист може мати для нашого виду.

27 G. W. Tyson and J. F. Banfield, “Rapidly Evolving CRISPRs Implicated in Acquired Resistance of Microorganisms to Viruses,” Environmental Microbiology 10 (2008): 200–207.

28 F. J. Mojica et al., “Biological Significance of a Family of Regularly Spaced Repeats in the Genomes of Archaea,Bacteria and Mitochondria,” Molecular Microbiology 36 (2000): 244–246.

29 F. J. Mojica et al., “Intervening Sequences of Regularly Spaced Prokaryotic Repeats Derive from Foreign Genetic Elements,” Journal of Molecular Evolution 60 (2005): 174–182; C. Pourcel, G. Salvignol, and G. Vergnaud, “CRISPR Elements in Yersinia pestis Acquire New Repeats by Preferential Uptake of Bacteriophage DNA, and Provide Additional Tools for Evolutionary Studies,” Microbiology 151 (2005): 653–663; A. Bolotin et al., “Clustered Regularly Interspaced Short Palindrome Repeats (CRISPRs) Have Spacers of Extrachromosomal Origin,” Microbiology 151 (2005): 2551–2561.

30 A. F. Andersson and J. F. Banfield, “Virus Population Dynamics and Acquired Virus Resistance in Natural Microbial Communities,” Science 320 (2008): 1047–1050.

31 K. S. Makarova et al., “A Putative RNA-Interference-Based Immune System in Prokaryotes:Computational Analysis of the Predicted Enzymatic Machinery, Functional Analogies with Eukaryotic RNAi, and Hypothetical Mechanisms of Action,” Biology Direct 1 (2006): 7.

32 Мікрококи. — Прим. пер.

33 D. H. Duckworth, “Who Discovered Bacteriophage?,” Bacteriological Reviews 40 (1976): 793–802.

34 C. Zimmer, A Planet of Viruses (Chicago: University of Chicago Press, 2011).

35 G. Naik, “To Fight Growing Threat from Germs, Scientists Try Old-fashioned Killer,” Wall Street Journal, January 22, 2016.

36 G.P.C. Salmond and P. C. Fineran, “A Century of the Phage: Past, Present and Future,” Nature Reviews Microbiology 13 (2015): 777–786.

37 F. Rohwer et al., Life in Our Phage World (San Diego: Wholon, 2014).

38 S. J. Labrie, J. E. Samson, and S. Moineau, “Bacteriophage Resistance Mechanisms,” Nature Reviews Microbiology 8 (2010): 317–327.

39 R. Jansen et al., “Identification of Genes That Are Associated with DNA Repeats in Prokaryotes,” Molecular Microbiology 43 (2002): 1565–1575.

40 Кишкова паличка. — Прим. пер.

41 Y. Ishino et al., “Nucleotide Sequence of the Iap Gene, Responsible for Alkaline Phosphatase Isozyme Conversion in Escherichia coli, and Identification of the Gene Product,” Journal of Bacteriology 169 (1987): 5429–5433.

42 Синьогнійна паличка. — Прим. пер.

43 R. Barrangou et al., “CRISPR Provides Acquired Resistance Against Viruses in Prokaryotes,” Science 315 (2007): 1709–1712.

44 Термофільний стрептокок. — Прим. пер.

45 A. Bolotin et al., “Complete Sequence and Comparative Genome Analysis of the Dairy Bacterium Streptococcus thermophilus,” Nature Biotechnology 22 (2004): 1554–1558.

46 M. B. Marcó, S. Moineau, and A. Quiberoni, “Bacteriophages and Dairy Fermentations,” Bacteriophage 2 (2012): 149–158.

47 S.J.J. Brouns et al., “Small CRISPR RNAs Guide Antiviral Defense in Prokaryotes,” Science 321 (2008): 960–964.

48 Епідермальний стафілокок. — Прим. пер.

49 Золотистий стафілокок. — Прим. пер.

50 L. A. Marraffini and E. J. Sontheimer, “CRISPR Interference Limits Horizontal Gene Transfer in Staphylococci by Targeting DNA,” Science 322 (2008): 1843–1845.

Розділ 3

Зламати код

Пам’ятаю, як уперше зайшла до професійної дослідної лабораторії — звуки, запахи й відчуття нових можливостей, повільного розгадування таємниць природи. То був 1982 рік, і, закінчивши перший курс коледжу, я повернулася додому на Гаваї. Мій батько, професор англійської мови в Гавайському університеті, домовився, щоб я провела декілька тижнів у лабораторії його колеги, професора біології Дона Геммеса. Разом із двома іншими студентами я мала досліджувати, як грибок Phytophthora palmivora вражає папаю. Цей грибок створював чимало проблем для виробників фруктів, але для нас він виявився надзвичайно цікавим об’єктом для вивчення. Його можна було легко та швидко виростити в лабораторії, а також зафіксувати на різних етапах розвитку, завдяки чому ми мали змогу відстежувати хімічні зміни, що відбувалися під час його росту. Того літа я дізналася, як заливати зразки грибків смолою й нарізати тонкі пластинки, щоб дослідити їх за допомогою електронного мікроскопа. І хоча я працювала над проектом недовго, у процесі роботи нам удалося з’ясувати про цей грибок дещо важливе: вирішальну роль у його розвитку відігравали іони кальцію, адже саме вони сигналізували грибковим клітинам про необхідність рости, реагуючи на поживні речовини. Я вперше пережила захват наукового відкриття — відчуття, про яке так багато читала, — і відтоді спрагло хотіла цього знову.

Спокійна й тиха зосередженість, притаманна невеличкій дослідницькій команді Дона Геммеса, зачаровувала мене, але з роками я збагнула, що стала частиною значно більшої спільноти науковців, де кожен по-своєму прагнув пізнати природні істини. Здавалося, що з усяким крихітним кроком уперед ми віднаходили ще один шматочок величезної головоломки, у якій робота кожного з нас спиралася на працю інших, доповнюючи загальну картину.

Проект CRISPR став утіленням цього: декілька дослідників по всьому світу ткали полотно того, що зрештою стало величезним гобеленом галузі CRISPR, з усіма її застосуваннями й наслідками. Наша маленька команда, як і чимало інших, прагнула більше дізнатися про CRISPR, і цими пориваннями керувало те ж таки відчуття співпраці, спільного захоплення й допитливості, яке ще на початку приваблювало мене у світі наукових досліджень.

На ранньому етапі досліджень нас із Блейком до дій спонукала праця колег із Danisco, Північно-Західного та Ваґенінґенського університетів і водночас неабияк спантеличував той факт, що чимало фундаментальних питань, пов’язаних із CRISPR, так і лишалися без відповіді. Хоча біологи й розібралися з тим, що CRISPR надавали бактеріям і археям адаптивний імунітет проти фагів і що послідовності фагової ДНК, які збігалися з РНК CRISPR, якимось чином ставали ціллю для руйнування, але насправді ніхто не знав, як саме все це працювало. Ми хотіли дізнатися, у який спосіб різні молекули, з яких складалася така система, діяли разом, щоб знищити вірусну ДНК, і що саме відбувалося під час фаз упізнавання й знищення в межах імунної відповіді.

Та варто було детальніше зосередитися на цих запитаннях, як одразу ж виникали труднощі. Нам потрібно було з’ясувати, як бактерії могли викрадати короткі сегменти ДНК із генома фагів під час зараження й точно вбудовувати їх у вже наявні ланцюжки CRISPR, щоб захисна система клітини мала змогу впізнати і зв’язати генетичний матеріал вірусу.

А ще ми мали визначити, як молекули РНК CRISPR виникали всередині клітини, а потім із довгих ланцюгів перетворювалися на значно коротші ділянки, у кожній із яких містилася послідовність, що збігалася з якимось окремим вірусом. І, мабуть, найважливіше, ми мусили з’ясувати, як шматочки РНК могли утворювати пару з комплементарною ділянкою фагової ДНК і спричиняти її руйнування. У цьому й полягала основна таємниця нової захисної системи, і ми не змогли б до кінця осягнути CRISPR, не розібравшись із цими процесами.

Очевидно, що для того, щоб відповісти на ці запитання, ми мусили піти далі генетичних досліджень і вдатися радше до біохімічного підходу, який дав би змогу виокремити складники молекули й вивчити їхню поведінку.

А ще потрібно було розширити нашу увагу й досліджувати не лише самі CRISPR, а й усі CRISPR-асоційовані гени, або ж cas-гени, які прикривали ділянки CRISPR у бактеріальному геномі з боків і, схоже, кодували особливий тип білків — ферментів. Загалом цей клас білкових молекул відповідає за каталіз усіх видів молекулярних реакцій усередині клітин. Існувала ймовірність, що якби вдалося з’ясувати, яку функцію виконували ферменти Cas-білків, то ми значно наблизилися б до розуміння того, як працюють CRISPR.

* * *

Науковці можуть чимало дізнатися про функціонування генів, лише поглянувши на їхній хімічний склад. Ділянки ДНК, які утворюють кожний ген, містять усю інформацію, потрібну клітині для побудови білків із амінокислот. Завдяки тому, що ми знаємо генетичний код, який клітини використовують для трансляції чотирьох літер ДНК у двадцять літер білка, біологи можуть визначити послідовність амінокислот білка, яку вироблятиме ген, лише глянувши на оригінальну послідовність ДНК. Далі, порівнявши ту послідовність амінокислоти з іншими спорідненими білками, які вже добре вивчені, науковці можуть зробити обґрунтовані припущення щодо функцій багатьох різних генів.

Використовуючи такі здогадки, фахівці з порівняльної біології вже з’ясували хімічний склад сотень різних cas-генів, які незмінно співіснують із ділянками CRISPR. Неважливо, які організми ви досліджували, якщо їхній геном містив ДНК CRISPR, то десь поруч неодмінно були й cas-гени. Складалося враження, що CRISPR еволюціонували разом із cas-генами, немовби існування одного без іншого було неможливим.

Ми розмірковували, що білки, закодовані цими cas-генами, мали б працювати пліч-о-пліч із молекулами ДНК CRISPR або, можливо, РНК CRISPR, чи й навіть фаговою ДНК. Лише одне ми знали напевно: щоб мати змогу осягнути імунну систему CRISPR загалом, потрібно було з’ясувати, як працювали ці гени, і розібратися з біохімічними функціями білків, які вони виробляли.

Для початку Блейк обрав два види бактерій: Escherichia coli та Pseudomonas aeruginosa, які містили відмінні типи систем CRISPR. Бактерію E. coli вважають найкращим другом біохіміка. Досліджуючи ген мікроба, рослини, жаби чи людини, науковці часто починають із клонування цього гена в синтетичну міні-хромосому під назвою плазміда, а потім створюють особливий штам E. coli, який прийняв би її як частину власного генома. Поєднавши потрібний ген із синтетичною ДНК, біохіміки можуть обманути E. coli й не лише змусити її синтезувати десятки копій тієї плазміди в кожній клітині, але також витратити більшість своїх ресурсів на перетворення потрібного гена на тисячі копій білка, який він кодує. У такий спосіб біохіміки зводять роль E. coli не більш ніж до мікроскопічного промислового біореактора, запрограмованого виробляти специфічні білки в масовому масштабі.

Блейк швидко впорався з окремими CRISPR-асоційованими генами, які скопіював із геномів E. coli та P. aeruginosa. Накопичивши десятки штамів E. coli, призначених, щоб вбудувати ці плазміди як частину їхнього генетичного матеріалу, Блейк почав вирощувати літри культур кожного зі створених штамів, щоб виробити вдосталь Cas-білків для експериментів. Він лишив бактерії на всю ніч рости, а потім вилив склянки з культурами у великі пляшки й відділив клітини від рідкого бульйону за допомогою великих центрифуг із високою швидкістю обертання, де вони опинилися під впливом сил, у чотири тисячі разів сильніших за гравітацію, яку відчуваємо ми. Далі, працюючи з кожним штамом окремо, Блейк змішував клітини з невеликою кількістю сольового розчину й піддавав цю суміш впливу потужних звукових хвиль, які жорстоко розривали клітини, вивільняючи їхній вміст, включно з утвореними Cas-білками.

Позбувшись решток — пошкоджених мембран, в’язкої ДНК, а також іншого клітинного непотребу, Блейк отримав кілька тисяч клітинних білків, з-поміж яких йому потрібен був лише один — Cas-білок. Але завдяки оригінальній будові плазміди, Cas-білок містив особливий хімічний ярлик, або ж додаток, що вирізняв його з-поміж тисяч усіх інших. Використавши стратегію очищення, що полягала у виділенні цього ярлика з наступними додатковими очистками, Блейк зміг отримати чисті, висококонцентровані зразки кожного з Cas-білків, які були потрібні нам для вивчення.

Маючи Cas-білки, Блейк нарешті міг перейти до здійснення різноманітних експериментів із метою визначити, що саме робили ці ферменти. Перший внесок у дослідження CRISPR ми зробили, опублікувавши своє відкриття, що білковий фермент під назвою Cas1 мав здатність розрізати ДНК51 у такий спосіб, що це могло б допомогти вставляти нові фрагменти фагової ДНК у ділянку CRISPR під час етапу формування пам’яті імунної системи. Це на крок наблизило нас до розуміння того, як CRISPR викрадали частинки ДНК у фагів, що їх атакували, і переробляли цю генетичну інформацію на власну, створюючи підґрунтя для фаз упізнавання, зв’язування й знищення в межах імунної відповіді.

Приблизно саме тоді Блейк залучив до роботи над проектом нову аспірантку на ім’я Рейчел Гаурвіц, і разом вони зробили ще одне відкриття. Працюючи з іншим білковим ферментом Cas6, Рейчел і Блейк з’ясували, що так само, як і Cas1, він виконував функцію хімічного леза52. Однак у випадку з Cas6 його завдання полягало у вибірковому й методичному розрізанні довгих молекул РНК CRISPR на коротші ланцюжки, які можна було б використати для впізнавання та зв’язування фагової ДНК.

Коли ми склали ці фрагменти головоломки CRISPR, хоча й повільно, але картинка все-таки почала вимальовуватися. У ній ми вже могли розгледіти відповіді на запитання, які ставили на початку проекту. Та схоже, що функцій Cas-білків, які нам ще треба було з’ясувати, теж не бракувало. У процесі дослідження ми відкривали дедалі більше Cas-білків, які виявлялися ферментами, що розрізали ДНК або РНК, тож складалося враження, що вони відігравали в імунній відповіді CRISPR ту саму роль, що й Cas1 і Cas6.

У 2010 році проект CRISPR розширився, і до нього приєдналися ще декілька нових учасників, включно з моїм співавтором Семом Стернберґом, тож атмосфера в лабораторії наелектризувалася від хвилювання. Через кожні тиждень чи два ми дедалі краще починали розуміти CRISPR, а досліджувані ферменти мали чимало цікавих, незвичайних властивостей, зокрема й тих, які, на нашу думку, могли застосовуватися на практиці. Наприклад, ми почали працювати над ідеєю перетворити ферменти, які розрізали ДНК, на щось на зразок діагностичного інструмента для виявлення характерних вірусам людини молекул РНК, зокрема гарячки Денге та жовтої лихоманки. Ми навіть отримали гроші від Фонду Білла і Мелінди Ґейтсів на втілення цього задуму в життя. Невдовзі ми почали співпрацювати з біоінженерною лабораторією в Берклі, щоб поєднати цю технологію з їхньою інноваційною системою використання крихітних об’ємів рідини, аби виявляти віруси в крові чи слині.

Потім, у 2011 році, ми з Рейчел заснували компанію під назвою Caribou Biosciences, щоб налагодити потокове виробництво Cas-білків. Тоді нам хотілося створювати прості набори, які науковці чи й навіть лікарі змогли б використовувати для виявлення вірусної чи бактеріальної РНК у рідинах тіла. Цей відступ від академічного світу привів нас із Рейчел у захопливу нову галузь. Здобувши докторський ступінь навесні наступного року, Рейчел стала президенткою молодої компанії та її генеральною директоркою, а я отримала посаду наукової радниці, що дало змогу долучитися до діяльності Caribou, не полишаючи своєї роботи в університеті. Зрештою, Caribou прославилася завдяки значно потужнішій технології, пов’язаній із CRISPR.

У той час увага Блейка та моя зацікавленість перемістилися з ферментів, залучених до розрізання молекул бактеріальної ДНК і РНК CRISPR, до білків, що виконували відповідальне завдання — розрізали вірусну ДНК, руйнуючи її в процесі шукай-та-знищуй діяльності CRISPRу. Ми припускали, що тільки-но РНК CRISPR знаходила вірусну ДНК й утворювала з нею пару, особливі ферменти атакували цей чужорідний генетичний матеріал, розрізали його на шматки й виводили з ладу. Цікавим свідченням на підтримку цієї гіпотези стало дослідження інших наших колег у галузі, зокрема Сільвейна Моно з Університету Лаваля в Канаді, а також Вірґініюса Шикшниса з Вільнюського університету в Литві. Дослідження Сільвейна показало, що розріз фагової ДНК, яку впізнає та зв’язує система CRISPR, відбувається в послідовності, яка збігається з РНК CRISPR53. Вірґініюс з’ясував, що знищення фага в бактерії залежить від наявності особливих cas-генів54. Збагнувши, у який спосіб генетичний матеріал знищувався під час імунної відповіді, ми фактично дісталися б самого серця механізму дії CRISPR.

У процесі спільного дослідження Блейк і наші колеги з лабораторії Джона ван дер Ооста почали відкривати, яким складним був процес знищення вірусу насправді. У E. coli та P. aeruginosa, двох бактеріальних системах, які ми вивчали, для того щоб розпізнати, зв’язати й знищити вірусну ДНК, клітини потребували величезної кількості Cas-білків. До того ж скоординована атака генетичного матеріалу фагів здійснювалася двома окремими фазами. Спочатку молекула РНК CRISPR навантажувалася значно більшим скупченням із приблизно десяти чи одинадцяти різних Cas-білків, як це продемонструвала лабораторія ван дер Ооста. Цей молекулярний механізм — лабораторія Джона присвоїла йому цікаву назву Cascade (ще одна біологічна абревіатура, що розшифровується як CRISPR-асоційований комплекс противірусного захисту, CRISPR-associated complex for antiviral defense) — виступав у ролі GPS-координат, визначаючи точну послідовність вірусної ДНК, яку потрібно було знищити. Під час другої фази, після того, як Cascade визначив місцезнаходження й помітив відповідну послідовність ДНК для знищення, білковий фермент під назвою Cas3 — ще одна нуклеаза та справжня зброя для нападу — стрімко атакував, щоб розрізати намічену ДНК.

Коли ми здійснили експерименти для низки статей, опублікованих у 2011-му та 2012-му, механізм цього процесу став ще зрозумілішим. Тісно співпрацюючи з Євою Ноґалес, професоркою з Берклі, та Ґабріелем Ландером, її помічником-постдоком, за допомогою потужних променів електронного мікроскопа ми отримали перші високоякісні зображення механізму Cascade55. Ці картинки відкрили спіральну будову Cas-білків і молекул РНК CRISPR, а також продемонстрували, як мікроскопічний механізм міцно огортав вірусну ДНК, немов пітон, що обвивався навколо газелі. Затамувавши подих, ми спостерігали за його тривимірною структурою — дивовижним продуктом еволюції, що точно підходить для виконання своєї функції: знайти ДНК. Ми також відкрили важливість комплементарної взаємодії, яка давала змогу літерам РНК CRISPR розпізнавати відповідні літери вірусної ДНК, та з’ясували, що Cascade мав виняткову здатність фіксуватися лише на тих намічених ділянках вірусної ДНК, які ідеально або майже ідеально збігалися з РНК CRISPR. Ця здатність надзвичайно точного розпізнавання давала змогу уникати випадкового впізнавання та зв’язування власної бактеріальної ДНК і її руйнування — катастрофічної автоімунної дії, яка спричинила б стрімку загибель клітини.

Додаткові дослідження з лабораторії Вірґініюса Шикшниса в Литві продемонстрували, як фермент Cas3 знищував вірусну ДНК, помічену Cascade56. На відміну від простіших нуклеаз, Cas3 розрізав ДНК не один раз, а шаткував її на сотні шматочків. Щойно Cascade спрямовував Cas3 на місце збігу РНК CRISPR і вірусної ДНК, Cas3 рухався вздовж генома фагів зі швидкістю більше трьохсот комплементарних пар за секунду, нарізаючи ДНК і лишаючи від довжелезного генома фага купу решток. Якщо простіші нуклеази більше скидалися на садові ножиці, то Cas3 був радше парою моторизованих газонокосарок. Його швидкість та ефективність вражали.

Оскільки наші колеги-дослідники здійснили такі дивовижні відкриття, а моя лабораторія й надалі продовжувала робити свій внесок у вигляді біохімічних і структурних даних, раніше незрозумілий внутрішній принцип роботи CRISPR почав об’єднуватися в неоднорідний набір часток, які виконували кожна свою функцію. Однак водночас ми починали розуміти, що імунна система CRISPR була дуже мінливою й існувала не в єдиному варіанті, а мала безліч різновидів, як і прогнозували науковці, зокрема Євген Кунін і Кіра Макарова, відштовхуючись від порівняння різних наборів cas-генів, що прикривали ланцюжки CRISPR із флангів. Ми виявили це завдяки значному зростанню кількості геномів бактерій і архей, які дослідники змогли секвенувати, отримавши доступ до кращих інструментів. Як виявилося, імунна система CRISPR була дуже різноманітною і її можна було розподілити на багато різних категорій, кожна з яких мала свій унікальний комплект cas-генів і Cas-білків.

Ми були приголомшені, побачивши, якими різноманітними насправді були CRISPR. У 2005 році дослідники визначили дев’ять різних типів імунних систем CRISPR57. У 2011-му ця кількість зменшилася до трьох, але в межах цих основних типів могло нараховуватися до десяти підтипів58. А в 2015-му класифікація змінилася знову, і тепер у ній виокремлювали два широкі класи, які складалися з шести типів і дев’ятнадцяти підтипів59.

Ці відкриття дали змогу об’єктивно поглянути на дослідження й прояснили, якою обмеженою досі була наша робота. Отримані результати для E. coli та P. aeruginosa були справедливими лише для цих двох підтипів систем CRISPR, які самі виявилися частиною того, що ми тепер знали як імунну систему CRISPR-Cas типу І. І хоча чимало висновків нашого дослідження можна застосувати й до інших підтипів CRISPR, було надзвичайно важко порівнювати здобуті нами дані з бактеріями із системами типу ІІ, як-от S. Thermophilus — йогуртовою бактерією, на якій уперше продемонстрували імунітет, що ґрунтується на CRISPR.

Були також й інші химерні відмінності в тому, як різні системи CRISPR-Cas знищували ДНК фагів. У системах типу І на зразок E. coli та P. aeruginosa фермент Cas3, ота моторизована газонокосарка, подрібнював ДНК на шматки. Неможливо було відстежити процес руйнування ДНК, оскільки цей крихітний механізм перемелював її дуже швидко, і хоча ми й намагалися спостерігати за реакцією під час лабораторного експерименту, змогли розгледіти лише молекулярний хаос із великими довгими плямами ДНК, зруйнованої по всьому геномі фага. Натомість система типу ІІ, виявлена в S. thermophilus, була більш стриманою і точною. Канадські дослідники Сільвейн Моно та Жозіана Ґарно працювали з командою Danisco, і їм удалося виокремити геном фагів із заражених клітин у момент їхнього руйнування імунною системою CRISPR. Під час типового для простіших нуклеаз процесу кожний розріз у S. thermophilus більше нагадував дію пари ножиць, які роз’єднували ДНК точнісінько там, де літери вірусного генома збігалися з літерами РНК CRISPR.

Хірургічна точність ферментів Cas у S. thermophilus не могла не вражати, але про ферменти системи типу ІІ ми не знали й половини того, що було відомо про ферменти системи типу І. У системі типу ІІ в S. thermophilus не знайшли жодного білка, відповідального за впізнавання та зв’язування ДНК, як у системі CRISPR типу І в E. coli або в механізмі Cascade, який вивчали ми з Блейком. До того ж ми навіть не були впевнені, як ферменти типу ІІ працювали разом із РНК CRISPR, щоб визначати, де розрізати вірусну ДНК.

Який фермент був вістрям списа в системі типу ІІ, якщо не Cas3? Що ж тоді в цій системі виконувало функцію впізнавання ДНК? РНК CRISPR разом з іншими елементами? Відповівши на ці запитання, ми змогли б збагнути, як природі вдалося розв’язати одну й ту саму молекулярну проблему — знищення вірусної ДНК — різними способами. Це також допомогло б зрозуміти чи, можливо, навіть приборкати новий могутній тип бактеріальної імунної системи.

Ця природна загадкова система захисту дивним чином мала подібні риси із синтезованими нуклеазами, запрограмованими для розрізання ДНК ферментами, які дедалі частіше використовували для провокування точних змін у ДНК клітин під час процесу, відомого як редагування генів. Хоча здавалося, що імунна система CRISPR типу ІІ у S. thermophilus радше руйнувала фагову ДНК, а не редагувала її, притаманна їй здатність знаходити й розрізати специфічні послідовності ДНК нічим не відрізнялася (принаймні принципово) від функцій уже наявних інструментів для редагування генів: ZFN і TALEN. Але також були й важливі відмінності, тож особливу увагу дослідників CRISPR привертали два запитання: які ферменти розрізали ДНК у цій системі типу ІІ і як це відбувалося?

Оскільки я все ще зосереджувалася на системах типу І, то не змогла б приєднатися до цієї нової лінії дослідження, якби випадково не зіткнулася з колегою, чия лабораторія розміщувалася мало не на іншому кінці планети й про чию роботу я тільки читала. Наша несподівана зустріч надихнула мене спрямувати зусилля на те, щоб переосмислити CRISPR під новим кутом зору, і переросла в доленосну співпрацю, що відкрила такі властивості цієї дивовижної системи, які ніхто не міг навіть собі уявити.

Навесні 2011 року я поїхала з Берклі до Пуерто-Рико, щоб відвідати щорічне зібрання Американського товариства мікробіології. Такі конференції — це чудовий спосіб для науковців познайомитися з новими колегами, бути в курсі нещодавніх відкриттів у конкретно їхній галузі та перепочити від щоденної рутини в лабораторії. Хоча зустрічі, присвячені мікробіології, не належать до тих, які я зазвичай відвідую, мене запросили презентувати лабораторні дослідження, пов’язані з CRISPR, і я знала, що там мав бути присутній Джон ван дер Оост — мій друг, а зрідка ще й колега по дослідженнях. Я була в захваті від самої думки поспілкуватися з ним особисто, а також побачити Пуерто-Рико. Колись я вже бувала на цьому острові, ще під час навчання в аспірантурі, і пам’ятала, як сильно прекрасні тропічні ліси й океанські краєвиди нагадували мою батьківщину на Гаваях.

Увечері другого дня конференції ми з Джоном заскочили в кафе, щоб випити кави перед тим, як іти до аудиторії, де відбувалася наступна сесія презентацій. У куточку сиділа стильна молода жінка. Джон підвів мене до неї й познайомив нас, але щойно він назвав її ім’я — Еммануель Шарпентьє, — мене немовби осяяло.

Студенти в лабораторії розповідали про захопливу промову, яку Еммануель виголосила на невеликій нараді, присвячений CRISPR, у Ваґенінґені минулого року. Я не змогла бути присутня, але мої співробітники, які були там, казали, що презентація Еммануель стосувалася імунної системи CRISPR типу ІІ в бактерії під назвою Streptococcus pyogenes60. Склавши одне з іншим, я збагнула, що стаття Еммануель на цю тему, нещодавно опублікована в журналі Nature61, викликала хвилю збурення в моїй лабораторії. До появи тієї публікації всі в нашому світі вважали, що існував лише один вид молекул РНК, причетних до функціонування CRISPR. Але Еммануель та її колега Йорґ Фоґель, чия лабораторія вже давно досліджувала функції РНК малих бактерій, випадково відкрили другу молекулу РНК, яка в деяких випадках була необхідною для утворення РНК CRISPR. Це відкриття схвилювало дослідників, що вивчали CRISPR, оскільки наочно демонструвало дивовижне розмаїття бактеріального імунітету, наштовхуючи на думку, що еволюція створила фактично швейцарський складаний ніж для боротьби з вірусами.

У нашій короткій розмові Еммануель здалася тихою й сором’язливою, але водночас мала добре почуття гумору й була приємно-безтурботною. Вона відразу сподобалася мені. Назавтра після ранкових промов ми мали вільний день. Я планувала посидіти у внутрішньому дворику й трохи попрацювати за комп’ютером, однак Еммануель запросила мене разом оглянути Старий Сан-Хуан, і я не змогла встояти. Без поспіху прогулюючись брукованими вулицями, які, за словами самої Еммануель, нагадували їй про домівку дитинства в Парижі, ми гомоніли про нещодавні поїздки, порівнювали нотатки про університетські системи в Берклі та Швеції (куди зовсім недавно переїхала її лабораторія) й переглядали промови, які вже прослухали на конференції. Зрештою наша розмова торкнулася наукового дослідження, і Еммануель сказала, що якийсь час подумувала зателефонувати мені з пропозицією співпраці.

Еммануель захопилася думкою визначити, як система CRISPR типу ІІ в заразній бактерії, яку вона вивчала, себто в Streptococcus pyogenes, розрізала вірусну ДНК. Її науково-дослідна робота разом із попередніми генетичними дослідженнями Сільвейна Моно, Вірґініюса Шикшниса та їхніх колег дедалі більшою мірою стосувалася принаймні одного гена під назвою csn1, який, імовірно, брав участь у цьому процесі. Моя співрозмовниця запропонувала подумати над тим, щоб об’єднати наші зусилля та використати мій лабораторний досвід у біохімії, щоб допомогти з’ясувати функцію білка, закодованого геном csn1. Коли ми спустилися вузькою вуличкою до мерехтливого блакитного океану, Еммануель повернулася до мене й сказала: «Я переконана, що, працюючи разом, ми зможемо розібратися з діяльністю загадкового Csn1». Обмірковуючи можливості цього проекту, я відчула, як від емоційного піднесення спиною пробігся морозець.

Мене захоплювала можливість попрацювати із системами CRISPR типу ІІ, у яких не було Cascade і білків Cas3. І якщо цей загадковий білок Csn1 і справді брав участь у процесі розрізання ДНК в системах типу ІІ, то співпраця з Еммануель могла дати моїй лабораторії шанс зробити свій внесок у дослідження цього механізму CRISPR.

А ще мені не давала спокою ця нова бактерія. Як предмет дослідження S. pyogenes мала деякі цікаві схожі й відмінні риси зі S. thermophilus — йогуртовою бактерією, що до того часу вже стала одним із найпопулярніших організмів для вивчення CRISPR. По-перше, обидві належали до одного виду Streptococcus, а імунна система CRISPR у S. pyogenes була дуже подібною до відповідної системи S. thermophilus. Хоча кожна бактерія розпізнавала унікальний набір фагів, у них обох містилися однакові основні молекулярні компоненти й ті самі гени, завдяки чому можна було легко переходити від вивчення однієї до іншої.

Однак S. pyogenes відіграє в нашому житті зовсім іншу роль, ніж S. thermophilus. У дослідженні S. thermophilus є економічна цінність, оскільки бактерію повсюдно використовують у молочній промисловості для вироблення сиру та йогурту. Що важливо, S. thermophilus — це єдиний бактеріальний штам виду Streptococcus, який зазвичай уважають безпечним для людей та інших ссавців. S. pyogenes і практично всі інші представники виду Streptococcus відомі як патогенні мікроорганізми щодо свого господаря з-поміж ссавців, зокрема й щодо людей. Неймовірна кількість людських захворювань пов’язана саме з цією конкретною бактерією. S. pyogenes належить до десятка найпоширеніших збудників смертельних інфекційних захворювань нашого виду й щороку спричиняє більш ніж півмільйона смертей62.

Серед хвороб, які можна приписати S. pyogenes, — синдром токсичного шоку, скарлатина, ангіна та особливо страхітливе захворювання під назвою некротичний фасциїт, якому S. pyogenes завдячує своїм неприємним епітетом «м’ясоїдна бактерія». Тож робота над S. pyogenes має виняткове значення для медицини, а тому є привабливішою для дослідників. Насправді саме бажання Еммануель збагнути патогенність S. pyogenes і спонукало її вивчати CRISPR. Дослідниця сподівалася, що система CRISPR зможе дати нам нові способи боротьби зі стрептококовими інфекціями, а отже, врятує незліченну кількість життів.

На щастя для дослідників, цю небезпечну бактерію можна вивчати, звівши до мінімуму її згубний вплив. Коли Еммануель звернулася до мене з пропозицією співпраці, стало зрозуміло, що моя лабораторія розглядатиме S. pyogenes винятково in vitro (з латини «у склі», тобто в пробірці) на противагу in vivo (з латини «в живому», тобто всередині організму або на живих тканинах). Ми здійснювали б лабораторні дослідження з очищеними білками й молекулами РНК або ДНК замість того, щоб експериментувати з живими клітинами і фагами. Нам не потрібно було вирощувати культури S. pyogenes у чашках Петрі, здобрених овечою кров’ю, чи працювати в герметичних лабораторіях, щоб гарантувати стримування цього смертельного хвороботворного мікроорганізму. Ми також змогли б використати E. coli, нашу лабораторну конячку-важковоза, для масового виробництва генів і протеїнів, виокремлених із S. pyogenes, не наражаючи себе на небезпеку й не ризикуючи заразити людей, які працювали б над цим.

Під час повернення літаком до Каліфорнії після конференції в Пуерто-Рико я думала про запропоновану співпрацю й розмірковувала, кого з працівників своєї лабораторії могла б попросити очолити цей проект. У 2011 році дослідження CRISPR у моїй лабораторії помітно набрали обертів, і тепер я мала декілька постдоків, аспірантів і наукових співробітників, які працювали над різними особливостями біології CRISPR і також розробляли інструменти. Але майже всі вони мали власні проекти, і я була змушена нав’язати комусь цю нову роботу.

А потім мене осяяло, що я таки мала ідеального кандидата — надзвичайно талановитого й працьовитого постдока з Чеської Республіки, якому лишалося провести в моїй лабораторії не так багато часу. Він уже відвідав декілька співбесід на посаду викладача й нещодавно згадував, що шукав новий об’єкт дослідження для свого останнього року в Берклі.

Мартін Їнек багато в чому був повною протилежністю Блейка. Якщо Блейк був товариським і дружелюбним, то Мартін — стриманим і заглибленим у себе. Стикнувшись із перепонами в процесі експерименту або з незнайомою технікою, Блейк відразу знайшов би когось, хто міг би йому допомогти, а Мартін обклався б книжками й розібрався б з усім самотужки. Якщо, звісно, у нього вже не було на це готової відповіді. Мартін мав енциклопедичні знання з біології та біохімії, що доводили не лише об’ємний перелік і престижність публікацій, а й також розмаїття галузей, у яких він працював. Та що важливіше, Їнек розумівся на CRISPR. Приєднавшись до моєї лабораторії, щоб вивчати РНК-інтерференцію в людей, він також тісно співпрацював із Блейком і Рейчел, щоб допомогти завершити декілька проектів, пов’язаних із CRISPR.

Коли я озвучила Мартіну ідею про співпрацю з Еммануель, він відреагував на неї з неабияким захватом. Їнек також залучив до роботи Майкла (Мічі) Гауера, студента-магістранта з Німеччини, який мав приїхати в мою лабораторію влітку. Я погодилася, адже зайві руки ніколи не завадять. Що більше я дізнавалася про загадковий білок Еммануель, то сильніше переконувалася, що в ньому й справді було щось особливе — щось, що могло розкрити найглибші таємниці CRISPR.

Фермент Csn1 мав чимало різних назв, доки нарешті, влітку 2011-го, до нього не приклеїлась одна — Cas9. Але хай як важко було відстежувати його мінливі імена, поринувши в наявні дослідження про Cas9, я знала, що важливість цього білка не викликає сумнівів. Дослідження Родольфа й Філіппа у 2007 році показали, що деактивація гена, який кодував білок Cas9, позбавляла S. thermophilus здатності захищатися від атаки вірусів. Ба більше, коли Жозіана та Сільвейн виявили, що геном фагів розрізався під час імунної відповіді CRISPR, вони також продемонстрували, що деактивація гена, який кодував Cas9, запобігає руйнуванню вірусної ДНК унаслідок дії CRISPR. В експериментах Еммануель із S. pyogenes мутації в гені, що кодував Cas9, також спричиняли збої в утворенні молекул РНК CRISPR і ослаблювали всю імунну систему. І нарешті, у дослідженні лабораторії Вірґініюса Шикшниса восени 2011 року, яке представили Родольф і Філіпп у Danisco, висувалося припущення, що cas9 — це єдиний відомий cas-ген, який виробляв білок у системі CRISPR у S. thermophilus, що був абсолютно необхідним для противірусної відповіді.

Що більше я читала, то зрозумілішим ставало, що білок Cas9, імовірно, був основним гравцем у фазі руйнування ДНК під час імунної відповіді систем CRISPR типу ІІ. Принаймні здавалося, що він був необхідним у бактеріях, які належали до виду Streptococcus, але це наштовхувало на думку, що будь-який основний компонент в одній групі систем типу ІІ був так само важливим для всіх інших. Однак яку саме роль відігравав Cas9, визначити так і не вдалося.

Разом із Мартіном ми поговорили по скайпу з Еммануель, щоб почати розробляти детальний план експериментів із Cas9. Узгодити час для цього дзвінка виявилося ще тим завданням, і це ще більше акцентувало на організаційних складнощах нашої співпраці. Еммануель перебувала в Університеті Умео на півночі Швеції, на десять годин випереджаючи північний тихоокеанський час, а аспірант, який очолював проект CRISPR від її лабораторії, — Кшиштоф Хилінскі — працював у Віденському університеті, де раніше розміщувалася лабораторія Еммануель. Тож загалом ми були досить-таки інтернаціональною групою: професорка-француженка у Швеції, студент-поляк у Австрії, студент-німець, постдок-чех і професорка-американка в Берклі.

Спромігшись нарешті знайти час, який задовольняв усіх, ми почали окреслювати приблизний план проекту. Початкове завдання для моєї лабораторії було доволі простим: з’ясувати, як виділити й очистити білок Cas9, що не вдалося зробити лабораторії Еммануель. Маючи його, ми змогли б почати здійснювати біохімічні експерименти, щоб визначити, чи взаємодіє Cas9 із РНК CRISPR, як і припускали, і яку функцію він виконує під час противірусної імунної відповіді.

Кшиштоф, аспірант Еммануель, переслав нам синтетичну хромосому, яка містила ген cas9 із S. pyogenes, і під ретельним наглядом Мартіна Мічі почав працювати над очищенням білка. Спочатку Гауер уводив синтетичну ДНК в різні штами E. coli, а потім, варіюючи умови росту й типи поживної рідини, систематично тестував десятки різних параметрів, щоб знайти єдиний протокол, за допомогою якого можна було домогтися найвищого рівня утворення білка Cas9. Це схоже на те, як садівник перевіряє різні ґрунти й поєднання добрив, щоб визначити оптимальні умови зростання для нової квітки. Далі за допомогою хроматографії — техніки, запозиченої з хімії, Мічі випробовував різні способи розкриття клітин і відділення Cas9 від решти клітинних білків. І нарешті, він перевіряв стабільність очищеного білка Cas9. Одні білки примхливіші й «псуються» після першого ж використання, зазвичай склеюючись або утворюючи осад, зовсім як мікроскопічні сніжинки, унаслідок чого прозорий білковий розчин у пробірці перетворюється на молочно-білий. Інші ж демонструють чудову стійкість і придатні до неодноразового заморожування й розморожування. Нам пощастило: Cas9 належав до останньої категорії.

Нарешті настав час починати перші біохімічні експерименти. Коли Мічі з Мартіном очистили та виокремили білок Cas9, ми припустили, що будь-які властивості розрізання ДНК, що були притаманні цьому білку, залежали від наявності РНК CRISPR. У системах CRISPR типу І, які ми досліджували в лабораторії, РНК CRISPR поєднувалася з великою кількістю білків Cas, утворюючи молекулярну машинерію обвивання та розрізання ДНК. Ми припустили, що Cas9 міг працювати з РНК CRISPR приблизно за такою самою схемою. Порівняльний аналіз послідовності амінокислот Cas9 показав імовірну присутність у ферменті не однієї, а навіть двох окремих одиниць (нуклеаз), що розрізали нуклеїнові кислоти. Можливо, одна з них або ж обидві мали здатність розрізати фагову ДНК.

Час перебування Мічі в моїй лабораторії вичерпувався, адже на нього чекали в Німеччині, де він мав закінчити свою магістерську наукову роботу й уже навіть забронював квиток, але вони з Мартіном були сповнені рішучості перевірити, чи міг очищений фермент Cas9 розрізати ДНК. Синтезувавши функціональну молекулу РНК CRISPR, яку вдалося визначити завдяки роботі Еммануель над S. pyogenes, Мічі з Мартіном змішали РНК CRISPR, білок Cas9, а також зразок ДНК. Що важливо, у використаній для цього експерименту ДНК містилася послідовність літер, яка збігалася з послідовністю на одному кінці РНК CRISPR.

І як часто трапляється в процесі наукового дослідження, цей експеримент закінчився розчаруванням. У ДНК не відбулося жодних помітних змін: після того як на неї спробували вплинути за допомогою Cas9 і відповідної РНК CRISPR, вона лишилася такою самою, як і до цього. Або ж Мічі не спланував експеримент як слід, або ж Cas9 узагалі не міг розрізати ДНК. Мічі презентував свої результати співробітникам лабораторії й дещо пригнічений вирушив додому, розмірковуючи над тим, що ціле літо важкої роботи задля виокремлення, очищення й вивчення Cas9 було витрачене намарно.

Коли наш із Кшиштофом та Еммануель спільний проект зрушив з мертвої точки, Мартін тісно співпрацював із Мічі, виступаючи в лабораторії в ролі його наставника, однак водночас думки Їнека були прикуті до безперервних намагань отримати посаду викладача. Щоб пройти співбесіди, він облетів мало не півсвіту, зокрема побував і в Швейцарії, де його зрештою таки взяли на посаду помічника професора в Цюрихському університеті. Однак, на щастя для нас, розклад подорожей Мартіна до від’їзду Мічі значно скоротився, тож Їнек зміг підхопити справу там, де Гауер її лишив, і повністю присвятити свою увагу Cas9, щоб відповісти, у чому ж насправді могла полягати функція цього білка.

Зусилля Мічі й Мартіна начебто показали, що Cas9 не мав здатності розрізати ДНК, але чи не могло щось піти не так під час самого експерименту? Існувало достобіса ймовірних причин — від буденних (наприклад, білок міг деградувати в пробірці) до незвичних (для реакції могло бракувати якогось потрібного компонента). Щоб дослідити останній варіант, Мартін і Кшиштоф почали випробовувати різні способи здійснення експерименту з розрізання ДНК. За щасливим збігом, невдовзі вони з’ясували, що дорослішали по різні боки одного кордону. Кшиштоф мешкав у Польщі, а Мартін — у тодішній Чехословаччині, і обоє володіли польською, а це значно полегшувало дедалі частіше спілкування скайпом, коли вони мізкували стосовно своїх експериментів.

Зрештою, Кшиштоф і Мартін здійснили експерименти не лише з РНК CRISPR, а й також із іншим типом РНК під назвою tracrРНК, що, як з’ясувала лабораторія Еммануель, був необхідний для утворення РНК CRISPR у S. pyogenes. Результат був простим, але для нас він виявився бентежним: ДНК, що мала ідеальний збіг двадцяти літер із молекулою РНК CRISPR, явно була розрізана. Експерименти, які здійснювалися паралельно з основними (їх ще називають контрольними), показали, що збіг між РНК CRISPR і послідовністю ДНК був необхідним так само, як і наявність білка Cas9 і tracrРНК.

По суті, ці результати симулювали те, що відбувалося в клітині під час імунної відповіді CRISPR, але з мінімальною кількістю складників: без жодних інших молекул клітини, окрім Cas9, і двох молекул РНК, дуже схожих на ті, що містилися в Streptococcus pyogenes, а також молекули ДНК, що відігравала роль фагового генома. Надзвичайно важливим було те, що двадцять із літер ДНК, які збігалися з РНК CRISPR, означали, що РНК CRISPR та одна з двох ниток ДНК повинні були мати здатність утворювати власну подвійну спіраль на основі комплементарних пар. Така подвійна спіраль РНК-ДНК могла бути ключем до специфічності функції Cas9 у розрізанні ДНК.

Для відстежування цієї реакції розрізання ДНК ми потребували чутливого методу виявлення, оскільки побачити такий процес було неможливо. Подвійна спіраль ДНК завдовжки в п’ятдесят літер була за розміром лише сімнадцять нанометрів, або ж сімнадцять мільярдних метра, тобто, грубо кажучи, дорівнювала одній тисячній від товщини людської волосини. Цього не зміг би показати навіть найпотужніший мікроскоп, тож Кшиштоф використав два улюблені біохімічні інструменти для вивчення нуклеїнової кислоти: радіоактивний фосфор і гель-електрофорез. Для цих експериментів атоми радіоактивного фосфору приєднували до кінців молекул ДНК, завдяки чому вони підсвічувалися на рентгенівській плівці. Потім за допомогою електричного струму високої напруги всю ДНК проштовхували через великий шматок желеподібного матеріалу, що відігравав роль молекулярного сита, відділяючи молекули залежно від їхнього розміру. На рентгенівській плівці, відзнятій із гелю, проявлялися декілька ділянок, або смужок, указуючи на те, чи розрізав Cas9 ДНК. Одна смужка означала повнорозмірну ДНК, а інша — ДНК, яку розрізали на дві частини.

Згодом Мартін продемонстрував, що білок Cas9 розрізав обидва ланцюги ДНК залежно від місця розташування РНК CRISPR. Що важливо, молекули РНК CRISPR і tracrРНК залишалися незмінними впродовж усього експерименту, тож білок Cas9 міг використати їх ще раз для визначення послідовності ДНК, яку потрібно було розрізати.

Глянувши на ці результати, ми збагнули, що визначили складники, необхідні для механізму розрізання ДНК, який давав змогу S. pyogenes і S. thermophilus, а також будь-якій іншій бактерії, що належала до того самого типу системи CRISPR, не лише націлюватися на специфічні послідовності ДНК фагів, а й знищувати їх. Основними компонентами для розрізання ДНК були фермент Cas9, РНК CRISPR і tracrРНК.

Ці результати надихнули мене, але я ніяк не могла припинити думати про міріади нових запитань, на які кортіло знайти відповіді. Щоб точно збагнути, як саме фермент Cas9 міг розрізати ДНК під керівництвом РНК, ми мали чітко визначити частину білка, що відповідала за функцію розрізання. Аби довести, що розрізання ДНК було точним і вимагало збігу між РНК CRISPR і послідовністю ДНК, потрібно було змінити послідовність літер ДНК і показати, що в разі неповного збігу РНК-ДНК розрізання виявлялося хибним. Щоб продемонструвати, як працювали молекули РНК CRISPR і tracrРНК, ми мали планомірно вкорочувати обидві молекули РНК і з’ясувати, які її частини насправді були необхідні.

Мартін і Кшиштоф невтомно працювали, щоб знайти відповіді на ці запитання, і невдовзі почала вимальовуватися неймовірна картина. Дослідники з’ясували, що Cas9 міг чіплятися за подвійну спіраль ДНК, відділяти її ланцюги один від одного, щоб утворити нову подвійну спіраль між РНК CRISPR та одним ланцюгом ДНК, а тоді використати дві свої ділянки з нуклеазною активністю, щоб одночасно розрізати обидві нитки ДНК, спричиняючи двонитковий розрив. Залежно від послідовності пов’язаної з ним молекули РНК, Cas9 міг відстежувати й розрізати практично будь-яку відповідну послідовність ДНК. Отже, молекула РНК CRISPR виступала в ролі GPS-координат, направляючи Cas9 до конкретної точки доволі довгої молекули ДНК, відповідно до літер, що збігалися між РНК CRISPR і ДНК. Це й справді була програмована нуклеаза, здатна націлюватися на будь-яку випадкову послідовність ДНК за допомогою тієї самої комплементарності: A стає напроти T, G — напроти C і так далі. Для будь-якої послідовності з двадцяти однієї літери, що містилася в РНК, Cas9 знаходив відповідник у ДНК, а тоді розрізав її.

У війні, що ведеться між бактеріями й вірусами, функція Cas9 видається цілком виправданою. Озброївшись запасом молекул РНК, похідних від CRISPR, між повторами яких зберігалися уривки фагової ДНК, Cas9 міг легко перепрограмовуватися, щоб розрізати аналогічні місця у вірусних геномах. Це була ідеальна бактеріологічна зброя — ракета із самонаведенням на віруси, яка могла завдавати швидкого та ще й надзвичайно точного удару.

Тепер, маючи результати Мартіна й Кшиштофа, ми були готові зіткнутися з наступним запитанням. Якщо бактерія здатна програмувати Cas9, щоб розрізати специфічні послідовності вірусної ДНК, то чи могли б ми, дослідники, програмувати Cas9, щоб розрізати інші послідовності ДНК (вірусні або ж ні), як і припускали? Ми з Мартіном уважно стежили за відкриттями в галузі редагування генів і знали про перспективи, однак і серйозні обмеження програмованих нуклеаз ZFN і TALEN. Ми усвідомили з неабияким благоговінням, що знайшли систему, яку можна перетворити на значно простішу технологію редагування генів, ніж будь-яка інша відкрита чи розроблена досі.

Щоб перетворити цей крихітний молекулярний механізм на потужний інструмент редагування генів, нам лишалося зробити ще один крок. Ми вже звели складну імунну відповідь до простого набору складників, які можна відокремити, удосконалити й поєднати різними способами.

Ба більше, за допомогою ретельних біохімічних експериментів ми відстежили молекулярні правила, які керували функціонуванням цих різних частин. Далі ми хотіли переконатися, що спроможні переробити Cas9 і молекули РНК, аби вони впізнавали й розрізали будь-які обрані нами послідовності ДНК. Цей експеримент продемонстрував би повну силу CRISPR.

Насправді цей крок — програмування механізму CRISPR-Cas9 — складався з двох менших: формулювання задуму, а потім здійснення експерименту.

Спочатку з’явився задум. Як завжди скрупульозний, Мартін систематично видозмінював обидві молекули РНК — РНК CRISPR, що відповідала за знаходження, а також tracrРНК, яка утримувала її вкупі з Cas9, — для того щоб визначити, як кожна літера в РНК впливала на її функціонування. Використовуючи ці знання, ми з Мартіном мізкували над тим, як перетворити дві молекули РНК на одну. Якби ми приєднали хвіст однієї до голови іншої, то отримали б химерну РНК, і якби вона виявилася функціональною, це спростило б наш придатний до програмування механізм розрізання ДНК. Ми більше не мусили б поєднувати Cas9 з обома молекулами РНК — гідовою РНК, що впізнає мішень (РНК CRISPR), і допоміжною (tracrРНК), — а натомість змогли б приєднати фермент у пару з однією — гідовою РНК, яка виконала б обидві функції. Аби перетворити CRISPR на інструмент для редагування генів, потрібно було пройти ще довгий шлях, щоб спростити систему та підвищити її зручність у використанні.

На основі цієї ідеї ми й розробили експеримент. Ми мали випробувати цю єдину, склеєну молекулу РНК і визначити, чи не втратила вона здатності скеровувати Cas9, щоб той розрізав потрібні послідовності ДНК. Окрім того, наш експеримент мав показати, чи й справді Cas9 можна програмувати для розрізання будь-якої бажаної послідовності ДНК, як ми припускали, а не лише ділянок фагової ДНК, які CRISPR природно відібрали в процесі еволюції бактерій.

Керовані радше зручністю, аніж уподобаннями — на цьому етапі ми вже розуміли, що зробили великий крок уперед і не хотіли відкладати експеримент, обравши ген, якого не було в лабораторному морозильнику — ми вирішили використати ген медузи під назвою зелений флуоресцентний білок, або GFP. (Його повсюдно використовують у лабораторіях світу, щоб мати змогу побачити клітини та їхні білки. GFP став таким важливим біотехнологічним інструментом, що у 2008 році приніс Мартіну Чалфі, Осаму Сімомурі та Роджеру Цяню Нобелівську премію з хімії). Мартін Їнек обрав у межах наміченого гена п’ять послідовностей, кожна з яких складалася з двадцяти літер, а потім створив п’ять химерних молекул РНК, які точно збігалися з ними. Щойно нові одинарні гідові молекули РНК були готові, ми помістили їх разом із Cas9 і ДНК медузи, щоб здійснити той самий ДНК-розрізальний аналіз, який нині став для нас уже буденним, а потім просто чекали результатів.

Коли Мартін ознайомлював мене з даними експерименту з GFP, ми стояли біля одного з комп’ютерів у лабораторії і я побачила скановане зображення гелю. Воно було прекрасним. Усі нитки ДНК GFP були розрізані в потрібних місцях. Кожна молекула одинарної гідової РНК спрацювала саме так, як і мала, обравши точнісінько те місце в ДНК медузи, яке ми хотіли розрізати, й утворила пару з Cas9, щоб спровокувати розрив у визначеному місці.

Ми це зробили. За короткий час ми розробили й підтвердили нову технологію, яка на основі досліджень, здійснених із білками ZFN і TALEN, могла редагувати геном — будь-який геном, а не лише той, що належить бактеріальному вірусу. Із цієї п’ятої системи захисту бактерії ми створили спосіб переписування коду життя.

Того вечора я стояла на кухні, готуючи вечерю, а в думках витанцьовували образи цього крихітного механізму: Cas9 і його гідова РНК кружляли навколо бактеріальної клітини, вистежуючи відповідні послідовності ДНК. Раптом я спіймала себе на тому, що засміялася вголос. Як же це дивовижно, що бактерії знайшли спосіб програмувати войовничий білок шукати та знищувати вірусну ДНК! І як чудесно, яке це везіння, що нам удалося переробити цю фундаментальну властивість для зовсім іншої мети. То була коштовна мить абсолютного щастя, захвату відкриття — відчуття, яке я пережила в лабораторії доктора Геммеса стільки років тому.

У червні 2012-го Еммануель і Кшиштоф приїхали до Берклі на конференцію, і ми з Мартіном отримали нагоду нарешті зустрітися з ними особисто. Неймовірно, але попри те, який значний науковий шлях ми подолали разом, досі все наше спілкування було майже виключно віртуальним. Після незліченної кількості телефонних дзвінків, обговорень скайпом і електронного листування ми всі сиділи в моєму кабінеті в Берклі, відчуваючи захват від результатів короткої, але напруженої співпраці.

Еммануель і Кшиштоф приїхали в місто заради п’ятої щорічної конференції, присвяченої CRISPR. У 2012 році вона зібрала співробітників двадцяти чи тридцяти лабораторій, які вивчали захисну систему бактерій. Більшість із тих дослідників працювала в галузі харчових технологій і мікробіології. Ширша наукова спільнота поки не помітила CRISPR, і про цей механізм було лише дві сотні статей, опублікованих за попереднє десятиліття. Але ми знали, що вже скоро це зміниться.

Для цієї конференції не могло бути кращого часу — або гіршого. З одного боку, ми мали змогу порівняти свою роботу з напрацюваннями колег. А з іншого, попередні два тижні бути цілковито, безжально несамовитими й усі ми прагнули трохи перепочити.

Після експерименту із GFP ми вирішили якомога швидше довести проект до кінця й описати його в дослідницькій статті. Ще до того, як Мартін і Кшиштоф завершили всі свої експерименти, і перед тим, як наші іноземні колеги спакували речі для поїздки в Берклі, ми з Еммануель почали писати.

Ця стаття зосереджувалася переважно на тому, як наша робота пояснювала функціонування CRISPR у противірусному захисті S. pyogenes, але водночас ми хотіли наголосити на важливості здобутих результатів. В анотацію до статті ми додали твердження, наголошуючи на корисності програмованого ферменту, здатного розрізати ДНК, для редагування генома. Окрім цього, ми підсумували статтю короткими, проте відчутними натяками на можливість використання CRISPR поза межами бактерії, зокрема й у інших типах клітин. Згадавши ZFN і TALEN, у заключному реченні ми написали: «Пропонуємо альтернативну методологію, засновану на Cas9 із програмованою РНК, яка може мати значний потенціал для розпізнавання та зв’язування генів та застосування у сфері редагування генома»63.

8 червня 2012 року, сонячної п’ятниці, я натиснула на комп’ютері кнопку «Підтвердити», офіційно відправивши нашу статтю на розгляд до журналу Science. Її опублікували 28 червня — лише через двадцять днів по тому, і відтоді все змінилося назавжди — для мене, моїх колег і біологічних наук загалом. Проте тієї миті радість від досягнення цієї віхи була приглушена. Ще жодного разу за все своє життя я не почувалася такою виснаженою.

Було таке відчуття, немовби я просиділа за робочим столом цілі тижні. Тож я підвелася й, злегка хитаючись, побрела зі Стенлі Голл у зелену широчінь університетської території в Берклі. Галявина навколо круглого дзеркального басейну перед будівлею була аж надто безлюдною. Весняний семестр закінчився вже майже місяць тому, і університет, зазвичай метушливий, видавався моторошно тихим.

Тепер я розумію, що то було затишшя перед бурею.

51 B. Wiedenheft et al., “Structural Basis for DNase Activity of a Conserved Protein Implicated in CRISPR-Mediated Genome Defense,” Structure 17 (2009): 904–912.

52 R. E. Haurwitz et al., “Sequence- and Structure-Specific RNA Processing by a CRISPR Endonuclease,” Science 329 (2010): 1355–1358.

53 J. E. Garneau et al., “The CRISPR/Cas Bacterial Immune System Cleaves Bacteriophage and Plasmid DNA,” Nature 468 (2010): 67–71.

54 R. Sapranauskas et al., “The Streptococcus thermophilus CRISPR/Cas System Provides Immunity in Escherichia coli,” Nucleic Acids Research 39 (2011): 9275–9282.

55 B. Wiedenheft et al., “Structures of the RNA-Guided Surveillance Complex from a Bacterial Immune System,” Nature 477 (2011): 486–489.

56 T. Sinkunas et al., “In Vitro Reconstitution of Cascade-Mediated CRISPR Immunity in Streptococcus thermophilus,” EMBO Journal 32 (2013): 385–394.

57 D. H. Haft et al., “A Guild of 45 CRISPR-Associated (Cas) Protein Families and Multiple CRISPR/Cas Subtypes Exist in Prokaryotic Genomes,” PLoS Computational Biology 1 (2005): e60.

58 K. S. Makarova et al., “Evolution and Classification of the CRISPR-Cas Systems,” Nature Reviews Microbiology 9 (2011): 467–477.

59 K. S. Makarova et al., “An Updated Evolutionary Classification of CRISPR-Cas Systems,” Nature Reviews Microbiology 13 (2015): 722–736; S. Shmakov et al., “Discovery and functional Characterization of Diverse Class 2 CRISPR-Cas Systems,” Molecular Cell 60 (2015): 385–397.

60 Піогенний стрептокок. — Прим. пер.

61 E. Deltcheva et al., “CRISPR RNA Maturation by Trans-Encoded Small RNA and Host Factor RNase III,” Nature 471 (2011): 602–607.

62 A. P. Ralph and J. R. Carapetis, “Group A Streptococcal Diseases and Their Global Burden,” Current Topics in Microbiology and Immunology 368 (2013): 1–27.

63 M. Jinek et al., “A Programmable Dual-RNA-Guided DNA Endonuclease in Adaptive Bacterial Immunity,” Science 337 (2012): 816–821.

Розділ 4

Командування та контроль

Приблизно через рік після того, як нашу статтю опублікували в Science, мене занесло аж до Кембриджа, штат Массачусетс, на першу зустріч, яка започаткувала низку подорожей по всій країні впродовж цілого місяця з метою обговорити це відкриття.

То був початок червня 2013 року, і я поїхала до Гарвардського університету, щоб зустрітися з науковцем факультету стовбурових клітин і регенеративної біології. Кабінет професора Кірана Мусунуру розташовувався в корпусі імені Шермана Фейрчайлда, куди я ще аспіранткою в 1980-х ходила на лекції з біохімії. За тридцять років зовні будівля майже не змінилася. А от усередині її повністю оновили. Зникли старомодні лекційні зали й застарілі біохімічні лабораторії, а на їхньому місці з’явилося біле, просторе, гарно освітлене приміщення із сучасним обладнанням. У день мого приїзду цей простір переповнювали десятки дослідників, які об’єднали зусилля, щоб розгадати найглибші таємниці розвитку клітин і тканин.

У певному сенсі, перетворення корпусу Ферчайлда — особливо зміщення фокусу з основ біохімії до прикладної біології — відбивало концептуальні зміни в моєму інтелекті й роботі. Минулий рік видався шаленим. Дослідники з усього світу — значно більше, ніж могла вмістити одна лабораторія — стрімко почали використовувати наші відкриття, пов’язані з біохімічними властивостями CRISPR-Cas9. Вони вже застосували це нове знання, щоб працювати з ДНК безлічі організмів, а також генетичним матеріалом у клітинах людини. І науковці, і лікарі поставилися до CRISPR немовби до заповітної мрії генної інженерії: швидкого, легкого й точного способу виправляти недоліки в генетичному коді. Я почувалася так, наче раптом перенеслася з галузі вивчення бактерій і механізму CRISPR-Cas до світу біології людини й медицини. Для таких вузькоспеціалізованих науковців, як я, то був квантовий стрибок, немовби я заснула в Берклі, а прокинулася на Марсі.

Зустріч із Кіраном чудово демонструвала хвилювання, яке виникло довкола цієї нової технології. Я прибула до Гарварду, щоб обговорити застосування CRISPR у ролі терапевтичного інструмента, однак Кіран уже на крок мене випередив. Доки ми ще не влаштувалися в його кабінеті, він попросив пройти за ним до лабораторії. Дорогою Кіран досить яскраво окреслив безліч способів використання CRISPR, до яких удається його дослідницька команда, щоб розробити лікування генетичних захворювань.

Кіран пояснив, що одним із об’єктів дослідження його команди була серпоподібноклітинна анемія — стан, під час якого через єдину мутацію ДНК еритроцити втрачають здатність розносити кисень організмом. Співробітники його лабораторії використовували CRISPR, щоб розпізнати та розрізати мутований ген бета-глобіну, спровокувавши заміну помилкової літери A в 17-й позиції правильною літерою T. Якби їм удалося вдосконалити цю техніку в справжніх людських клітинах у лабораторії, то були б усі підстави вважати, що колись це саме вдасться зробити й для пацієнтів, заклавши основи методу лікування, який усував би причину такого генетичного захворювання.

Я пройшла за Кіраном до робочого комп’ютера, де зліва направо на екрані відображалися довгі ланцюги послідовностей ДНК, розташовані одна над одною. Науковець указав на дві послідовності згори й пояснив, що то були літери ДНК бета-глобіну з клітин крові, узятих у двох пацієнтів: одного здорового, а іншого хворого на серпоподібноклітинну анемію. Звісно ж, у здорової людини в сімнадцятій позиції літера T, а у хворого на цьому самому місці літера A.

Потім Кіран скерував мене до найнижчої послідовності. То також була послідовність ДНК, яку взяли з клітин пацієнта, хворого на серпоподібноклітинну анемію, але вже після того, як її змішали з трьома спорідненими з CRISPR складниками. Першим був набір генетичних інструкцій для утворення білка Cas9 із Streptococcus pyogenes. Другим — похідна від CRISPR молекула РНК, розроблена для того, щоб розпізнати точне місце мутації в гені бета-глобіну. Третім елементом була синтетична ДНК — уривок здорової послідовності бета-глобіну, яку клітини мали скопіювати для відновлення гена після того, як за роботу візьметься Cas9 і розріже його. Кіран застосовував систему CRISPR-Cas9, або скорочено CRISPR, не лише щоб знаходити потрібне місце генома й розрізати його, але й щоб позначити його для репарації. Далі клітина замінювала послідовність із помилкою правильною.

Поглянувши на нижню частину комп’ютерного екрана, я була в захваті від побаченого, адже саме так усе й відбулося: послідовність ДНК із клітин хворого пацієнта тепер нічим не відрізнялася від послідовності з клітин здорового. За допомогою CRISPR команда Кірана прибрала хвороботворну літеру А, замінивши її нормальною літерою Т, не пошкодивши решту генома. Здійснивши один простий експеримент із використанням клітин крові пацієнтів, дослідники продемонстрували, що система CRISPR-Cas9 була здатна лікувати жахливі захворювання, від яких страждають мільйони людей по всьому світу.

Того вечора я вийшла на пробіжку вздовж річки Чарльз. Ще аспіранткою я багато разів бігала цим маршрутом і тепер, поруч зі знайомими водами, що стрімко рвалися вперед, почувалася так, немовби знову повернулася в студентські часи. Я неквапливо бігла, а в думках спалахували спогади розмов про виправлення ДНК, які відбулися ще в аспірантські роки, обговорення опублікованих досліджень Джека Шостака моїм консультантом і його аспірантом Террі Орр-Вівером. Тоді багато науковців були спантеличені їхньою моделлю, що описувала, як клітини відновлюють пошкодження подвійної спіралі ДНК. Однак ще більше їх бентежила ідея Марії Ясін із Меморіального онкологічного центру імені Слоуна — Кеттерінга та інших, яка полягала в тому, що дослідники могли опанувати цей спосіб відновлення, щоб змінювати окремі послідовності ДНК. Але ця стратегія непогано працювала й із попередніми технологіями на зразок ферментів ZFN і TALEN, а тепер ми були свідками того, як ця сама стратегія працює з CRISPR. До того ж метод редагування генів, заснований на CRISPR, був значно легшим у застосуванні. Та чи витіснять CRISPR ці старіші технології, як це сталося з компакт-дисками, що з’явилися на зміну плівковим касетам (а касети свого часу замінили вінілові платівки)? Роздуми не полишали мене впродовж усього шляху від Гарвардської площі до мосту Лонгфелло й назад. Міські пейзажі, що пропливали повз, видавалися дещо розмитими через думки про CRISPR, які сновигали в моїй голові.

Та по-справжньому мене захоплювала думка, що підхід лабораторії Кірана можна буде застосувати для подолання інших генетичних хвороб. Якби науковцям удалося безпечно й результативно доставити CRISPR у людське тіло, щоб редагування генів на пацієнтах спрацювало так само, як у вирощених у лабораторії клітинах, тоді можливості для перевороту в медицині видавалися б безмежними. Однак для того, щоб скористатися цією перспективою, знадобилися б кошти та людські ресурси, яких не могла надати жодна наукова лабораторія. Саме тому ми з деякими колегами обмірковували заснування компанії для розвитку методів лікування на основі CRISPR. Власне, у цьому й полягала основна мета моєї подорожі до Кембриджа. Ми мріяли використовувати CRISPR для лікування генетичних хвороб так, як це раніше видавалося неможливим.

На час марафону зустрічей улітку та восени 2013 року до команди цієї гіпотетичної компанії мали увійти я та четверо інших науковців: Джордж Черч, Кіт Чон, Девід Ліу та Фен Чжан. У листопаді 2013 року ми заснували Editas Medicine, отримавши 43 мільйони доларів фінансування від трьох фірм венчурного капіталу. Уже через півроку Еммануель стала співзасновницею іншої компанії під назвою CRISPR Therapeutics, маючи для початку 25 мільйонів доларів, а в листопаді 2014-го до нас приєдналася третя компанія — Intellia Therapeutics із 15 мільйонами доларів інвестування серії А. До кінця 2015 року ці три компанії отримали ще більш ніж півмільярда доларів на дослідження та розробку методів лікування численних розладів, починаючи від кістозних фіброзів і серпоподібноклітинної анемії й закінчуючи м’язовою дистрофією Дюшенна та вродженими формами сліпоти, за допомогою технології CRISPR, яку вперше виявили й описали ми з Еммануель.

Хоч би якими захопливими були медичні можливості, для того щоб CRISPR проторували собі шлях до клінічних випробувань, усе одно знадобилися роки. Тим часом технологія швидко поширювалася в міжнародній науковій спільноті, оскільки з’явилися чутки, що редагування генів усередині живих клітин тепер можна легко здійснити за лічені дні. Чимало експертів передбачали, що технологія CRISPR утілить мрії дослідників-біологів, завдяки чому стануть можливими ті експерименти, які раніше можна було лише уявляти. Я припускала, що це демократизує технологію, яка колись була привілеєм для обраних. У часи, що передували CRISPR, редагування генів вимагало складних протоколів, значного наукового досвіду та відчутних фінансових ресурсів. і здійснити його було можливо лише на кількох модельних організмах. Однак на час мого першого візиту до Гарварду цю технологію використовували навіть лабораторії, що не мали попереднього досвіду в галузі редагування генів.

Давно минули ті часи, коли згадка про CRISPR на семінарі чи науковій конференції викликала здебільшого байдужі погляди. Тепер здавалося, що CRISPR обговорювали всі, кому не ліньки, і згадували про цю технологію чи не в кожній розмові. Але все одно то була лише верхівка айсберга.

Коли після першої поїздки до Кембриджа я сідала на літак, щоб повернутися до Сан-Франциско, то бачила, як на горизонті жевріє нова ера генетичного командування та контролю — ера, у якій технологія CRISPR видозмінить спільний набір інструментів біологів, щоб наділити їх силою практично переписувати геном так, як тільки захочеться. Замість того щоб лишатися громіздким, незрозумілим документом, геном став так само податливим до впливу, як і уривок художньої прози — до червоного чорнила редактора. Коли я задумалася про ці широкі можливості, то заледве могла повірити в те, як швидко все еволюціонувало, відколи Мартін і Кшиштоф уперше успішно запрограмували CRISPR, щоб розрізати ДНК у пробірці. Отже, наукова спільнота стояла в плямі світла, яка стрімко збільшувалася, щоб відкрити неймовірні нові здогади про те, як працює технологія CRISPR і як її колись можна буде використати для покращення людського здоров’я.

У своїх експериментах, результати яких були опубліковані в нашій статті в Science у 2012 році, Мартін і Кшиштоф продемонстрували дещо новаторське. Для того щоб знайти та зв’язати відповідні послідовності ДНК із двадцяти літер і розрізати їх, виділений із м’ясоїдної бактерії CRISPR-асоційований білок під назвою Cas9 співпрацював із двома молекулами РНК. Ця РНК відігравала роль гіда, диктуючи GPS-координати для атаки, а Cas9 був зброєю, що мала знищити ціль. У заражених вірусом бактеріях цей механізм CRISPR мобілізувався, щоб розрізати та знищити специфічні молекули вірусної ДНК у межах адаптивної імунної відповіді.

Спільно з колегами Вірґініюс Шикшнис восени 2012 року опублікував схожу статтю64, описавши функції білка Cas9, знайденого в йогуртових бактеріях, які належать до того ж таки виду Streptococci. Як і ми, автори тієї публікації з’ясували, що Cas9 розрізає послідовність ДНК, яка збігається з літерами РНК CRISPR. Але їм не вдалося розгадати вирішальну роль іншої РНК (під назвою tracrРНК), яка — і ми це довели — була необхідним компонентом для реакції впізнавання й розрізання ДНК.

У своїй статті ми напрочуд детально описали молекулярні вимоги до цієї захисної системи й продемонстрували, як легко й просто було розробити нові версії CRISPR, щоб розрізати будь-яку бажану ДНК. Ми пішли на крок уперед і вдосконалили гідову РНК, що складалася з двох окремих молекул РНК у бактерії (РНК CRISPR і tracrРНК), створивши одну гідову молекулу РНК, яка все одно давала змогу Cas9 знаходити й розрізати окремі послідовності ДНК. Ми також припустили, що цю захисну систему можна було застосувати для виконання й інших функцій усередині клітини — не лише для знищення вірусної ДНК, а й для точного редагування генів. Якби ми змінили код ДНК, що складався з двадцяти літер, аби він збігався з послідовністю певного людського гена, а тоді внесли б Cas9 і нову гідову РНК у людські клітини, механізм CRISPR виконав би хірургічно точний розріз у потрібному гені, позначаючи це місце для репарації. Розрізаючи ДНК, CRISPR виконували роль сигналу бойової готовності, який запускав у клітині процес відновлення пошкоджень, так, щоб ми могли це контролювати.

Запропоноване використання CRISPR у людських клітинах підтвердило б потужність цього нового способу редагування генів. До того ж були чималі підстави сподіватися на успіх. Наше дослідження виявило, що білок Cas9 і його гідова РНК були дуже вимогливими одне до одного і міцно склеювалися докупи, указуючи, що в них не виникатиме проблем із тим, щоб знайти одне одного всередині людської клітини. А щоб направити їх у клітинне ядро, де зберігається ДНК, ми могли б дати їм хімічний маркер, упізнавши який клітина сама все зробила б за нас. Чимало лабораторій уже успішно переносили білки й молекули РНК від бактерій у людські клітини, і у своєму арсеналі ми мали багато молекулярних інструментів, які могли використати, щоб допомогти CRISPR ефективно працювати за межами свого природного середовища.

Нам лишалося тільки показати, що все працює так, як і передбачалося.

Мартін почав переносити бактеріальну ДНК, яка кодувала Cas9 і CRISPR-асоційовану РНК у дві плазміди — маленькі кільця ДНК, створені нами, що поводяться як міні-хромосоми. У першій плазміді містилася генетична інформація для гідової РНК, а також окремі інструкції, які спонукали людські клітини виробляти потрібний матеріал у величезній кількості. Друга плазміда містила ген cas9, але «олюднений» так, щоб його могли зрозуміти фабрики синтезу білків у людських клітинах. Мартін також приєднав ген cas9 до ще двох популярних серед біологів генів, які кодували інші білки: крихітний, під назвою сигнал ядерної локалізації, що спрямовує білок до клітинних ядер, і зелений флуоресцентний білок, який спонукав будь-які людські клітини, що успішно виробляли Cas9, підсвічуватися зеленим під дією ультрафіолетового світла.

Поєднавши всі ці молекулярні частини, ми з Мартіном намірилися перетворити людські клітини на фабрики, що виробляли б CRISPR, мимовільно продукуючи велику кількість молекул, запрограмованих упізнавати й розрізати власний геном. Однак ми знали, що механізм CRISPR не зруйнує людські клітини, розрізавши їхню ДНК, подібно до знищення вірусів у бактеріях, шматуючи ворожу ДНК. Люди (як і всі еукаріотичні організми) постійно переживають пошкодження ДНК. Таке трапляється, коли ми стикаємося, наприклад, із канцерогенами, ультрафіолетом чи рентгенівськими променями. Аби відновити пошкоджену ДНК, клітини залучають складні системи репарації, здатні лагодити дволанцюгові розриви. Тож за базовим сценарієм, якби CRISPR удалося розрізати ген, клітина відреагувала б на це, просто склеївши ДНК, немовби сплавляючи докупи два шматки металевої труби. Науковці називають цей процес негомологічним з’єднанням кінців, оскільки, на відміну від гомологічної рекомбінації, сплавлення не передбачає комплементарного шаблону відновлення. (Термін «гомологічний» походить від грецького homologos, що в перекладі означає «відповідний, подібний»).

Головна особливість цього процесу відновлення полягає в притаманній йому недбалості. Так само, як зварювальник перед тим, як стати до роботи, мусить переконатися, що обидва краї труби, яку він має з’єднати докупи, гладенькі, так і клітини перед тим, як склеїти кінці пошкодженої ДНК, мають упевнитися у відсутності виступаючих частин. А для цього іноді потрібно видалити або ж уставити декілька літер ДНК, унаслідок чого після завершення процесу відновлення виникають стійкі генетичні зміни. Це означає, що після того, як механізм CRISPR знайде ген, розріже його, а клітина згодом полагодить, найімовірніше, такий ген назавжди видозміниться. Завдяки цьому безладному, схильному до помилок відновленню ми з Мартіном отримали простий спосіб визначення вдалого редагування генів. Зосереджуючись на певних генах та літера за літерою аналізуючи їхню послідовність ДНК до і після застосування CRISPR, ми могли виявити будь-які ознаки недбалого відновлення, а отже, довести, що механізм CRISPR знайшов і розрізав свою ціль.

Ми з Мартіном вирішили запрограмувати CRISPR для розпізнавання гена людини під назвою «легкий ланцюг клатрину А», або ж CLTA, що бере участь в ендоцитозі — процесі, завдяки якому клітина поглинає поживні речовини й гормони. Ми не вивчали ендоцитоз, але ген CLTA уже вдалося відредагувати за допомогою старішої технології ZFN у лабораторії професора Девіда Друбіна, що також розташовувалася в Берклі. Тож ми знали, що редагування цього гена можливе, і якби протестували CRISPR паралельно із ZFN, це дало б нам змогу порівняти їх і знайти відмінності. Звісно ж, для створення інструмента ZFN, призначеного редагувати CLTA, було потрібно декілька місяців, а також украй важлива співпраця з компанією, яка безкоштовно надала ZFN команді Девіда (тогочасна вартість ZFN становила 25 000 доларів і була непомірно високою). Це різко контрастувало з тим, що Мартіну знадобилося лише декілька хвилин за комп’ютером, щоб розробити аналогічну версію CRISPR, а створити її можна було за декілька десятків доларів. Зрештою, це була одна з найбільших переваг CRISPR — фантастична легкість, із якою цей механізм можна було підлаштувати під конкретні гени.

Потрібно лише обрати для редагування бажану послідовність ДНК із двадцяти літер, а потім перетворити її на відповідний двадцятилітерний код РНК. Щойно опинившись у клітині, РНК утворила б пару з відповідною ДНК за принципом комплементарності, а Cas9 розрізав би ДНК.

Фактичним полігоном нашого першого тесту з редагування генів мала стати клітинна лінія, отримана з клітин нирки ембріона людини під назвою HEK 293. Уперше отримані в 1973 році з ниркових клітин абортованих ембріонів, HEK 293 здобули популярність серед клітинних біологів завдяки тому, як легко їх можна було вести в лабораторії і як охоче вони приймали чужу ДНК. Коли ми змішали дві плазміди (одна з них містила генетичні інструкції виробити Cas9, а інша — гідову РНК) у мильному розчині молекул під назвою ліпіди, міні-хромосоми (плазміди) спонтанно поглиналися мікроскопічними кульками жирів, схожими на маслянисті крапельки на поверхні курячого бульйону. Після додавання цієї суміші до HEK 293 жирові кульки зливалися з клітинною мембраною й закидали ДНК усередину. Щойно ДНК опинялася в клітині, її копіювали, транскрибували й транслювали, синтезуючи білок Cas9 і специфічну для CLTA гідову РНК. Далі всередині ядра, де знаходиться намічена послідовність ДНК, мав спрацювати механізм її розрізання. Після чого потрібно було знайти й розрізати правильну послідовність ДНК із двадцяти літер. А клітина відновлювала би пошкоджену ДНК так, щоб ми могли це відстежити.

Експеримент Мартіна відразу ж продемонстрував, що міні-хромосоми й справді давали змогу клітинам нирки людини синтезувати компоненти CRISPR. Коли Мартін розглядав їх під мікроскопом, то побачив великий відсоток клітин, підсвічених зеленим, що сталося б лише внаслідок вироблення Cas9, сплавленого із зеленим флуоресцентним білком. Зібравши порцію клітин і подрібнивши їх, щоб проаналізувати різні молекули РНК всередині, Мартін виявив, що ниркові клітини також виробили велику кількість гідової РНК.

Перенесення CRISPR із бактеріальних клітин у людські спрацювало саме так, як ми й очікували, лишивши нам останнє очевидне запитання: а чи й справді механізм CRISPR редагує ДНК людини?

Разом із Александрою Іст-Селецькі, молодшою студенткою, яка нещодавно приєдналася до проекту, Мартін подрібнив ще трохи клітин, виокремив ДНК і проаналізував ген CLTA. Помилки бути не могло: ген було відредаговано точно в тому самому місці, яке збігалося з послідовністю РНК CRISPR. Для непідготовленого ока результати могли видатися незначними — купка темних смужок на тонкій пластинці желеподібного матеріалу. Утім, значення цього відкриття було величезним.

За допомогою кількох простих і рутинних кроків ми з Мартіном обрали довільну послідовність ДНК з-поміж 3,2 мільярда літер людського генома, розробили версію CRISPR для її редагування й спостерігали за тим, як крихітний молекулярний механізм виконує свою нову програму — і все це всередині живих клітин людини. Досягнувши такого успіху, ми підтвердили нашу нову технологію, яка давала науковцям виняткову здатність із хірургічною точністю та приголомшливою простотою переписувати код життя. Не встигли ми й оком змигнути, як технологія CRISPR наздогнала дослідження й розробку інших інструментів редагування генів, що тривали майже два десятиліття.

Практично повторюючи поспіх піврічної давнини, щоб опублікувати дослідження з Кшиштофом і Еммануель, ми описали свої найновіші результати. І якщо в першому викладі 2012 року містилася чітка вказівка на застосування CRISPR у клітинах як новаторської платформи редагування генів, то другий був наочною демонстрацією й підтвердженням сили нововідкритої системи.

Наприкінці 2012-го мені видалося дуже іронічним, що журнал Science, який лише півроку тому опублікував нашу попередню статтю про CRISPR, назвав редагування генома другим за величиною відкриттям (перше місце дісталося бозону Гіґґса), але наголосивши на старішій технології TALEN, відкритій якраз перед оприлюдненням нашої роботи про CRISPR. Я розмірковувала над тим, що ще технологія CRISPR могла приберегти для наукової спільноти.

Перші декілька тижнів 2013 року видалися для мене особливо радісними, адже в цей час опублікували ще п’ять неперевершених статей про CRISPR65, окрім нашої, і всі вони описували схожі експерименти із застосуванням системи для редагування генів у клітинах, як ми й прогнозували у 2012-му. Зі мною зв’язалися професор Массачусетського технологічного інституту Фен Чжан і професор із Гарварду Джордж Черч, щоб попередити про майбутні публікації. Статті Чжана і Черча в журналі Science з’явилися онлайн на початку січня, і трохи пізніше того самого місяця вийшли наша з Мартіном стаття й ще три інші публікації від лабораторій професорів Джин Су Кіма із Сеульського національного університету, Лучано Марраффіні з Рокфеллерського університету й Кіта Чона з Гарвардської школи медицини.

То був бурхливий час. Я дуже тішилася тим, що наша з Еммануель робота, опублікована минулого літа, надихнула інших почати експериментальні дослідження, схожі на ті, що здійснювали ми. Незабаром зміст і дати виходу цих публікацій ретельно вивчатимуть на підтримку аргументів у суперечці щодо патентних прав на CRISPR — прикрий поворот того, що починалося як обопільний вплив та щире спільне захоплення результатами досліджень.

Порівнявши шість статей, я збагнула, що науковцям удалося відредагувати більше десятка різних генів. Утім, цікавішим за розмаїття відредагованих генів виявилася різноманітність типів клітин, у яких відбувалося це редагування. Окрім редагування генів у клітинах нирки ембріона, CRISPR запрограмували розрізати ДНК у лейкозних і стовбурових клітинах людини, клітинах нейробластоми миші, бактеріальних клітинах і навіть в одноклітинному ембріоні даніо-реріо — популярний модельний організм для генетичних досліджень. Технологія CRISPR демонструвала не просто натяки на успіх. Це були свідчення її неймовірної універсальності. Маючи білок Cas9 і гідову РНК, двадцятилітерний код якої збігався з двадцятьма літерами коду ДНК, здавалося, що будь-який ген у будь-якій клітині можна розпізнати, розрізати його й відредагувати.

Хвилювання навколо CRISPR посилилося в травні, коли лабораторія Рудольфа Яніша в Массачусетському технологічному інституті офіційно повідомила про покоління мишей, геном яких було відредаговано за допомогою CRISPR66. Лише за шість років до цього декількох науковців нагородили Нобелівською премією із фізіології або медицини за розробку методу редагування генетичних змін у мишах — найбільш розповсюдженій модельній тварині для вивчення генетики ссавців. Упродовж більш ніж двох десятиліть цей ефективний, однак обтяжливий метод лишався найкращим варіантом — а насправді єдиним — відтворення в мишах мутацій, здатних спричиняти генетичні або онкологічні захворювання. Ще в 1974 році сам Яніш уперше створив трансгенну мишу, яка містила чужорідний генетичний матеріал, а через п’ятнадцять років після цього науковець знову потрапив у заголовки як перший, хто застосував метод, удостоєний Нобелівської премії. Але тепер успіх Яніша із CRISPR привернув увагу до нової технології, яка не лише витісняла старий підхід, а й пропонувала легший спосіб редагування генома тварин.

У попередньому методі таргетування генів були необхідні ембріональні стовбурові клітини, отримані внаслідок частих зворотних й міжпородних схрещувань у багатьох поколінь мишей. Часто траплялося й так, що вся докторська дисертація була побудована на основі створення й опису лише одного генетично модифікованого виду мишей. Команда Яніша застосувала CRISPR і досягла такого самого результату лише за місяць, використовуючи простий, чітко налагоджений протокол: мікровведення компонентів CRISPR безпосередньо в одноклітинні ембріони та згодом підсаджування ембріонів із відредагованим геномом у матки самок. Ба більше, дослідники показали, що CRISPR можна програмувати не лише з однією гідовою РНК, а й з багатьма різними, які спрямовували Cas9 розрізати й редагувати одночасно декілька послідовностей ДНК в ембріонах миші. Такий різновид одночасного, паралельного редагування генів на мишах ніколи не практикували.

Але найбільш захопливим (принаймні для генетиків, які працювали з іншими тваринами, а не лише з мишами) у дослідженні Яніша було те, що воно відкривало спосіб без зусиль редагувати гени мало не в кожному організмі. Якщо первісну техніку з використанням стовбурових клітин застосовували виключно на мишах, то схоже, CRISPR можна було ввести в статеві клітини будь-якого виду (яйцеклітини чи сперматозоїди) або ж в ембріони й отримати генетичні зміни, які точно будуть скопійовані в усі клітини й назавжди передадуться майбутнім поколінням. Тоді я ще не передбачала, що сфера застосування CRISPR охопить і людські ембріони, а також що це породить одну з найбільших дискусій навколо CRISPR — ту, до якої невдовзі долучусь і я.

Улітку 2013 року мене приголомшили темпи поширення технології CRISPR, і я почала вести перелік усіх типів клітин та організмів, чиї геноми вдалося відредагувати з її допомогою. Спочатку цей перелік був контрольованим і з січня по лютий складався з даніо-реріо, культур бактерій, а також людських клітин, потім додалися дріжджі, миші, фруктові мухи й мікроскопічні хробаки. Наприкінці того самого року мій перелік поповнився пацюками, жабами й шовкопрядами. До кінця 2014-го я ще додала кролів, свиней, кіз, асцидій і мавп, а потім, як зізналася перед відвідувачами семінарів, де ділилася своїми спостереженнями, і справді збилася з ліку. Спостерігати, як молекули білка та РНК, що виступають, по суті, противірусним захистом у бактеріях, використовували для розрізання й точного редагування послідовності ДНК по всьому царстві тварин, було дивовижно.

І йшлося не лише про тварин. Ботаніки, хоча й трохи відстали на початку, відкривали для себе дивовижний потенціал CRISPR у редагуванні ДНК злакових культур та інших видів рослин. Восени 2013-го вийшла низка статей, у яких повідомлялося про вдале використання CRISPR у редагуванні генів таких культур, як рис, сорго й пшениця, а вже за рік перелік рослин розширився й поповнився соєвими бобами, томатами, апельсинами та кукурудзою.

Перелік рослин і тварин, що зазнали дії CRISPR, продовжував збільшуватися. До 2016-го науковці відредагували ДНК у всьому, починаючи від капусти, огірків, картоплі й грибів і закінчуючи собаками, тхорами, тарганами й метеликами. Навіть геноми вірусів, біологічне існування яких — на межі між живим і неживим (бо ж їм бракує здатності автономно відтворюватися за допомогою клітинного поділу, проте вони володіють генетичним матеріалом), були переписані за допомогою CRISPR — тієї самої бактеріальної системи, яка мала б їх знищувати.

Попри те що дорослі Homo sapiens належать до останніх істот, на яких застосовуватимуть CRISPR, людські клітини використовували для редагування генів частіше, ніж клітини будь-якого іншого організму. Науковці застосовували CRISPR у легеневих клітинах, щоб виправити генетичну мутацію, яка спричиняла кістозний фіброз і бета-таласемію, а також у м’язових клітинах, щоб виправити мутації, які спричиняють м’язову дистрофію Дюшенна. Дослідники використовували CRISPR для редагування й виправлення мутацій у стовбурових клітинах, які згодом можна було змусити перетворитися на практично будь-яку клітину або тип тканини в тілі. Науковці також застосовували CRISPR для редагування тисяч генів у ракових клітинах людини, намагаючись виявити нову ціль для створення нових ліків і нових методів лікування.

Та якщо й існувало щось цікавіше за те, щоб спостерігати, як CRISPR використовують практично в будь-яких мислимих завданнях, то це бачити, як самі межі редагування генів розтягуються й розширюються. Ще в 1980-х науковці раділи, якщо вдавалося відредагувати чиїсь гени з результативністю лише в частки відсотка. Але на початку 2000-х точність зросла до одиничних відсотків, а також з’явилася можливість змінювати гени декількома новими способами. Однак із появою CRISPR редагування генів стало таким потужним і універсальним, що його часто називали генною інженерією, яка втілювала найвищу владу, що науковці отримали над генетичним матеріалом усередині живих клітин.

У процесі застосування CRISPR у різних організмах науковці виробили численні тактики редагування ДНК. Окрім того, щоб просто розрізати ДНК і вставляти нові послідовності в дослідний геном, тепер вони також могли вимикати гени, міняти послідовність генетичного коду й виправляти навіть однолітерні помилки, як це продемонстрував Кіран Мусунуру під час мого візиту до його лабораторії. З іншого боку, ці переваги дозволили науковцям здійснювати нові типи експериментів у рослинному й тваринному царствах, включно з нашим видом. Тож перед тим, як іти ще далі у сфері застосування редагування генів, важливо зрозуміти чимало потенційних методів використання цього надзвичайно різнобічного інструмента.

Навесні 2014-го вчитель природничих наук мого сина-шестикласника Ендрю попросив мене прийти в клас і пояснити учням, що ж таке CRISPR. Було дуже приємно, але водночас я хвилювалася, адже мала пояснити редагування генів купці дітей із лише базовим уявленням про ДНК.

Я вирішила принести надруковану на 3D-принтері модель білка Cas9 і його гідової РНК, приєднаних до ДНК. Ця модель стала головним предметом у моєму кабінеті: яскраво-помаранчева РНК і насичено-синя ДНК, переплетена із сніжно-білим білком у моделі розміром із футбольний м’яч, з’єднаній докупи магнітами. Здавалося, що заглиблюватися в молекулярні деталі було б зайвим для дітей, тож я думала, що просто передам модель, щоб вони по черзі могли роздивитися її ближче.

Я недооцінила допитливість учнів. Щойно я передала їм модель, як майже відразу вони збагнули, як розірвати ДНК там, де її розрізає Cas9, і як уставляти й видаляти ДНК зі скупчення CRISPR. А скільки було хвилювань щодо пояснення цієї складної ідеї!..

Як я пояснила класу, технологію CRISPR можна було назвати парою конструкторських молекулярних ножиць завдяки її основній функції — знаходити особливу послідовність ДНК із двадцяти літер і перерізати обидві нитки подвійної спіралі. Однак за допомогою цієї технології науковці можуть досягти надзвичайно різноманітних результатів у редагуванні генів. Саме тому краще описувати CRISPR не як ножиці, а як складний швейцарський ніж — інструмент із багатьма функціями, в основі яких лежить єдиний молекулярний механізм.

Найпростіше використання CRISPR є водночас і одним із найбільш розповсюджених: розрізати потрібний ген, а потім дозволити клітині відновитися, наново поєднавши ланцюги. Цей недосконалий, схильний до помилок процес лишає по собі промовисті натяки — короткі вставки або випадання ДНК (відомі як INDEL — від англ. insertion-deletion, тобто вставка-випадання), які оточують послідовність, розрізану CRISPR. Навіть попри те, що науковці не можуть контролювати, як саме ДНК відновиться під час конкретного застосування CRISPR, вони збагнули, яким корисним цей тип редагування генів міг бути.

Зрештою, гени — лише носії інформації, вони схожі на креслення будинку. Мета редагування генів полягає не лише в тому, щоб змінити це креслення, а й у зміненні форми структури, яку ці гени створюють. У багатьох випадках це означає зміну білків, які гени кодують, а клітини синтезують під час експресії генів.

Експресія генів — це процес, у якому літери ДНК транслюються у функціональні білки відповідно до центральної догми молекулярної біології. По-перше, тимчасова копія ДНК, яка називається матричною РНК (або мРНК), утворюється в клітинному ядрі. Як і нитка ДНК, мРНК — це ланцюжок літер, і його послідовність збігається з послідовністю ДНК, яку він копіює (окрім одного вагомого винятку: літеру T заміщує U). Коли мРНК виходить із клітинного ядра, її доставляють до фабрики синтезу білків під назвою рибосома, яка перекладає чотирилітерну мову РНК (A, G, C і U) на двадцятилітерну мову білків (двадцять амінокислот). Ця трансляція відбувається відповідно до генетичного коду — шифру, де кожне поєднання трьох літер РНК, що називається кодон, дає вказівку рибосомі додавати одну специфічну амінокислоту. (Існує 64 можливі кодони, але лише двадцять амінокислот, бо багато кодонів кодують одну й ту саму амінокислоту, а три з них відіграють роль сигналу для завершення білкового синтезу). Рибосома починає з одного кінця мРНК і почергово читає кодони один за одним, додаючи відповідні амінокислоти до дедалі довшого білкового ланцюжка, аж доки не досягне іншого кінця мРНК. Цей процес чимось нагадує будівництво автівки на конвеєрній лінії. Надзвичайна риса цієї системи в тому, що рибосома мусить дотримуватися правильного шаблону прочитання послідовності з трьох літер, адже навіть найменший відступ може кардинально й згубно вплинути на всю трансляцію.

Щоб краще це збагнути, уявіть наслідки пропускання першої літери в реченні «Собака вкусив листоношу за ногу» за умови збереження кількості літер у всіх його словах. Так ви отримаєте беззмістовне речення «Обакав кусивл истоношуз ан огу». Якщо рибосома припускається такої помилки під час читання генетичного коду, унаслідок викривленого повідомлення виробиться спотворений білок із абсолютно неправильною послідовністю амінокислот. До того ж, якщо викривлене повідомлення містить один із трьох кодонів зупинки, процес трансляції завершиться передчасно. Експресія гена буде порушена.

Ось тут і ховається основна сила технології CRISPR: вона може позбавити ген здатності виробляти функціональний білок. Якщо CRISPR редагує ген, утворюючи вставки або делеції, відповідна мРНК також буде пошкоджена. Здебільшого ці додаткові літери або ті, яких бракує, порушують суворе трилітерне групування генетичного коду, тож білки синтезуватимуться абсолютно зміненими або ж, як це трапляється частіше, не вироблятимуться взагалі. Так чи інакше білок не зможе виконувати свою звичну функцію. Генетики називають це явище нокаутом гена, зовсім як у боксі, оскільки функціонування гена практично припиняється.

Коли фахівці з генетики тварин почали використовувати CRISPR, вони прагнули створити генні нокаути, які можна було побачити неозброєним оком. Однією з їхніх улюблених цілей став ген під назвою TYR. Він з’явився більш ніж півмільярда років тому й дуже поширений серед тварин, рослин і грибів. Ген TYR виробляє білок під назвою тирозиназа, який бере участь у синтезі важливого пігменту — меланіну. Мутації гена TYR у людей призводять до дефіциту тирозинази і є причиною альбінізму І типу — генетичного стану, пов’язаного з вадами зовнішності, як-от бліда шкіра, недостатня пігментація та червоні очі. А якби CRISPR запрограмували, щоб перепрограмувати мишачу версію гена TYR, то чи спричинило б це альбінізм у мишей? У 2014 році команда дослідників із Техаського університету67 створила механізм CRISPR, націлений на двадцятилітерну послідовність у гені TYR, і ввела його в запліднені яйцеклітини. Потомство, народжене внаслідок цих маніпуляцій, приголомшувало: попри те що батьки всіх мишенят мали звичайне темне забарвлення хутра, чимало з малят виявилися бездоганно білими й із червоними очима. Пояснити такі результати можна було лише мутацією ДНК, що зашкодила правильному розшифруванню гена TYR. Про таку очевидну й відчутну зміну кольору шкіри, хутра й очей можна було тільки мріяти.

Дані, отримані завдяки секвенуванню ДНК, підтвердили, що редагування генів таки відбулося, але перевагою роботи з геном TYR було те, що дослідники могли неозброєним оком побачити результат. Прості підрахунки того, скільки було чорних мишенят (тих, у яких редагування гена не відбулося), а скільки — білих (тих, у яких редагування генів відбулося), дали змогу досить точно оцінити ефективність CRISPR. Також можна було відстежити, як ця ефективність змінювалася з часом, оскільки різні лабораторії вдосконалювали дизайн елементів CRISPR і методи його проведення. У техаському дослідженні лише 11 відсотків мишачого потомства були повністю альбіносами, і на фотографіях приплід здавався крапчастою купкою маленьких мишенят, у якій переважна більшість була чорною. Десь через рік після того японська команда дослідників повторила той самий експеримент, але з кількома незначними змінами й досягла ефективності в 97 відсотків: у тридцяти дев’яти з-поміж сорока малят мишей проявилися яскраві однорідні зовнішні ознаки, притаманні альбіносам. За лічені тижні команді вдалося внести точні й стійкі генетичні зміни в ціле покоління тварин (а також усіх їхніх нащадків) у зовсім не звичний для природи спосіб.

Нокаут генів — це лише одна з численних стратегій редагування генома, яку дослідники вдосконалили за допомогою CRISPR. Але часто фахівці з генної інженерії мають досягти чогось більшого, ніж безладно мутований ген із випадковими вставками чи делеціями ДНК. Зрештою, головна мета редагування генів, принаймні з погляду медичного застосування, полягає в лікуванні генетичних захворювань, значна більшість яких виникає внаслідок спадкових мутацій, що деактивують важливі гени. У таких випадках нокаут генів не принесе користі, адже пацієнти вже страждають від нефункціональних генів. Науковці мали відшукати спосіб знаходити помилки в ДНК, які складалися з однієї літери, редагувати й виправляти їх.

На щастя, клітина має механізм для здійснення іншого типу репарації, точнішого й більш контрольованого, аніж просто склеювання докупи пошкодженої ДНК. Замість того щоб з’єднувати неспоріднені ділянки ДНК в одне ціле, альтернативний шлях, яким часто користувалися дослідники раннього редагування генів — вибірково обирати фрагмент для об’єднання, подібний послідовності ДНК. Таку розбірливість пояснює назва цього процесу: гомологічна рекомбінація.

Гомологічна рекомбінація відбувається подібно до того, як фотограф монтує панораму пейзажу з трьох частково збіжних світлин. Для правильного припасування потрібно сумістити зовнішні краї середньої фотографії та внутрішні краї зовнішніх фотографій. Якщо середня частина панорами вирізана або ж пошкоджена, можна взяти її копію й скористатися тим самим принципом, щоб відтворити картинку загалом. А в разі змін у реальному пейзажі — скажімо, якщо там з’явиться нова вежа або два великі дерева впадуть — у такий спосіб можна осучаснити панораму, уставивши нову картинку за допомогою того самого методу.

Як з’ясувалося, ферменти в клітині виконують аналогічні операції з вирізанням і вставкою, от тільки роль панорами відіграє ДНК. Уже згаданий варіант репарації — схильне до помилок з’єднання кінців — застосовується тоді, коли клітина стикається з пошкодженою хромосомою й навмання поєднує обрізані кінці, так само як фотограф монтує панораму, у якій бракує елемента пейзажу. Але коли клітина стикається з пошкодженою хромосомою та іншим фрагментом ДНК, який збігається з двома пошкодженими кінцями — шаблон для відновлення, за яким фотограф використовує копію світлини — вона вдається до кращого варіанта репарації: уставляє фрагмент ДНК у пошкоджену хромосому, дотримуючись ідеального накладання відповідних кінців. Ця стратегія означає, що згубні генетичні мутації в місці розпізнавання CRISPR або поруч із ним можна замінити здоровою новою послідовністю ДНК. Якщо дослідники поєднають CRISPR із шаблоном для репарації, який збігатиметься з пошкодженим геном, клітина охоче підхопить заміну й використає її, щоб полагодити пошкодження.

Окрім впливу на гени за допомогою схильної до помилок (негомологічної) або ж точної (гомологічної) репарації, дослідники навчилися застосовувати CRISPR, щоб вирізати або ж перевертати великі ланцюжки ДНК, що дає змогу змінювати значно більші ділянки генома. Цей метод на повну використовує особливість клітин, які зроблять усе можливе, щоб зберегти цілісність хромосоми. Озброївши Cas9 двома різними гідовими РНК, дослідники можуть запрограмувати CRISPR розрізати хромосому по двох суміжних генах. Клітина виживе після такого завдяки тому, що з’єднає хромосому за допомогою одного з трьох способів.

Якщо клітина зіштовхується з подвійною кількістю пошкоджених кінців ДНК, вона може застосовувати перший спосіб репарації, що полягає у швидкому з’єднанні кінців і відновленні обох пошкоджених місць одночасно, просто склеївши все докупи. Однак часто «вікно можливостей» для такого способу репарації дуже вузьке, зважаючи на постійний безладний рух молекул у клітині. Якщо фрагмент ДНК між двома розрізами відходить убік, клітина вдається до другого способу, у якому проміжний сегмент просто ігнорується, а віддалені кінці розрізу склеюють докупи. Цей спосіб відновлення можна порівняти з тим, як у старі часи монтажери вирізали сцени з кіноплівки: вони просто перерізали її у двох місцях — на початку й наприкінці епізоду, забирали вирізані кадри й склеювали нові кінці.

Третій спосіб репарації передбачає інверсію проміжного сегмента ДНК. У цьому разі вирізана ділянка ДНК лишається там, де й має бути, але перевертається так, що її перший кінець опиняється на місці другого і навпаки. Ті ж самі ферменти, які сприяють репарації через з’єднання кінців, наосліп приєднують утрачений шматок, не зважаючи на його положення.

Існує ще один спосіб застосування CRISPR, який жодним чином не пов’язаний із редагуванням генів. Замість того щоб використовувати здатність CRISPR розрізати ДНК, науковці фактично зіпсували цей інструмент — зумисне. Цілком свідомо пошкодивши молекулярні ножиці, вони отримали змогу віддалено керувати геномом — не через внесення спадкових виправлень у ДНК, а змінюючи процес її інтерпретації, трансляції та експресії. Так само, як невидимі нитки дають ляльковику майже повний контроль над рухами маріонетки, ця версія CRISPR, позбавлена здатності розрізати, дає змогу науковцям керувати процесами в клітині та їхніми наслідками.

Насправді основу для цієї маріонеткової функції заклали ще в ранніх дослідженнях CRISPR-Cas9, здійснених у моїй лабораторії. Білки зазвичай складаються із сотень або й тисяч цеглинок у вигляді амінокислот. Переважна більшість призначена для того, щоб визначати загальну тривимірну структуру білка, і лише декілька амінокислот розташовують свої хімічні групи так, щоб фермент міг каталізувати певні реакції. Уперше описуючи біохімічну функцію Cas9, Мартін Їнек продемонстрував, які амінокислоти ферменту розрізають кожну нитку подвійної спіралі ДНК. Спровокувавши мутації цих амінокислот, він створив версію Cas9, яка повністю втратила здатність розрізати ДНК, але, що винятково, усе ще могла взаємодіяти з гідовою РНК і міцно прикріплювалася до відповідних послідовностей ДНК. Ми позбавили білок каталітичної дії, однак деактивований Cas9 усе ж виконував частину своїх функцій: він вистежував і знаходив специфічні послідовності ДНК у геномі, от тільки не міг їх розрізати. Вірґініюс Шикшнис і його колеги опублікували результати схожого дослідження68.

А неподалік від нас доктор філософії Стенлі Ци заснував власну лабораторію в Каліфорнійському університеті в Сан-Франциско. Працюючи з Джонатаном Вейсманом і Венделлом Лімом (обидва — професори Каліфорнійського університету), Стенлі продемонстрував, що деактивована версія CRISPR може бути використана для маніпулювання геномом. Замість того щоб спричиняти стійкі генетичні зміни через редагування ДНК, деактивована CRISPR давала змогу науковцям вносити тимчасові зміни, які не впливали на генетичну інформацію клітини, а змінювали її експресію. Фактично Стенлі перетворив CRISPR на перемикач експресії генів, який умикав їх, вимикав, налагоджував зв’язок або ж перешкоджав йому подібно до того, як регулятор керує рівнем освітлення.

Деактивована система CRISPR стає молекулярною робочою конячкою. Замість того щоб розпізнавати специфічні гени з метою розрізати ДНК, науковці поєднують Cas9 або гідову РНК із білковим вантажем, а тоді програмують CRISPR доставляти його до окремих генів у клітині. Білковий вантаж містить у собі молекули, які впливають на експресію генів або ж «підсвічуючи», або ж «затемнюючи» їхню продуктивність.

Контроль за експресією генів — складними чинниками, які керують тим, коли й як довго генетична інформація у формі ДНК перетворюватиметься на білок, — безперечно, так само важливий для біології, як і власне генетична інформація. Майже всі клітини людського тіла — приблизно п’ятдесят трильйонів — містять однаковий геном, і все одно ці надзвичайно різноманітні типи клітин мають унікальні форми й розміри, а також утворюють складні органи з різними характеристиками та функціями. Одні клітини атакують хвороботворні мікроорганізми в крові, інші розширюються й стискаються, щоб качати кров у тілі, а деякі зберігають інформацію у центральній нервовій системі. Єдине, що відрізняє імунні, серцеві й мозкові клітини, — це точний шаблон експресії гена, який їх створив. Ба більше, генетичні мутації, які спричиняють рак та інші хвороби, часто мають власні жахливі наслідки не тому, що роблять ген повністю неактивним, а через те, що змушують гени неправильно експресуватися.

Здатність активувати ген або втручатися в його експресію — це майже таке саме потужне вміння, як і редагування генів. Уявіть, що клітина — це найчисельніший симфонічний оркестр у світі, який складається з більш ніж двадцяти тисяч різних інструментів. У здоровій клітині, яка нормально функціонує, різні звучання бездоганно збалансовані, а в ракових або інфікованих клітинах цей баланс порушується і деякі інструменти грають занадто голосно, а інші — надзвичайно тихо. Іноді редагування ДНК — це досить грубий підхід для того, щоб повернути симфонію до нормального стану. Це майже те саме, що й негайно прибрати чи замінити деякі інструменти. Деактивована система CRISPR дає змогу налаштувати будь-який інструмент в оркестрі (тобто будь-який ген у геномі) зі значно більшою чутливістю.

Озброєні повним набором інструментів CRISPR, тепер науковці можуть отримати майже повний контроль і над складом генома, і над його функціонуванням. Незалежно від того, чи робиться це за допомогою недосконалого з’єднання кінців, чи точної гомологічної рекомбінації, одного розрізу чи декількох, чи й навіть узагалі без них, перелік можливостей безмежний. І темпи подальшого вдосконалення цього інструмента не сповільнюються. Генні інженери створили флуоресцентні версії CRISPR, щоб тривимірне розташування генів можна було побачити всередині клітини, а також версії, які розпізнають мРНК замість ДНК, даруючи унікальний генетичний контроль, версії, що вписують у геном штрих-коди, завдяки чому дослідники можуть фіксувати історію клітини безпосередньо мовою ДНК, і так далі.

Часто складається враження, що використання генної інженерії, яке стало можливим завдяки CRISPR, обмежується лише нашою колективною уявою. Гадаю, що у світлі цього неймовірного різноманіття можна впевнено сказати, що CRISPR дедалі більше перетворюється на інструмент, придатний для всіх біологів, незалежно від сфери їхньої діяльності.

То дуже п’янке відчуття — бачити, як усі ці неймовірні технологічні можливості приносять плоди завдяки зусиллям лише кількох десятків науковців на початку, а згодом сотень і навіть тисяч, бо дедалі більше дослідників починають використовувати інструменти CRISPR. Знайоме будь-якому винахіднику чи новатору відчуття задоволення, коли нове відкриття переймають інші, не можна порівняти ні з чим. Повсюдне застосування — це також найшвидший спосіб для стрімкого поліпшення й переосмислення технології.

Несподіваний вибух досліджень у галузі CRISPR частково відбувся внаслідок розмаїтих можливостей цієї технології, а частково — через величезну кількість сфер її застосування. Із розширенням набору інструментів CRISPR стало можливим дістатися до кожної літери в геномі, до будь-якого гена чи комбінації генів. Як я поясню в наступних розділах, використання цієї сили в людському організмі дарує надію на переосмислення лікування раку й генетичних хвороб, а її застосування в рослинах і тваринах дає можливість покращити виробництво їжі, зменшити кількість окремих патогенів і навіть відродити вимерлі види. Тож не дивно, що вже за декілька місяців вийшли друком дослідження з редагування генів за допомогою CRISPR, і за прогнозом журналу Forbes це мало назавжди змінити галузь біотехнології69.

Але справжня причина того, чому CRISPR так стрімко й енергійно вийшли на біотехнологічну сцену, крилася в низькій вартості й простоті використання цього інструмента. Технологія CRISPR нарешті зробила редагування генів доступним для всіх науковців. Попередні інструменти — головним чином ZFN і TALEN — було важко розробити, та й по кишені вони виявилися далеко не всім. Саме тому чимало лабораторій, зокрема й моя теж, не воліли приймати виклики, які перед нами ставило дослідження сфери застосування редагування генів.

Однак із CRISPR науковці могли легко створити версію, налаштовану на будь-який ген, що їх цікавив, підготувати необхідний білок Cas9 і гідову РНК та самотужки здійснити експерименти, застосовуючи стандартні техніки, — і все це за лічені дні та без залучення сторонньої допомоги. Щоб почати, потрібна була лише копія штучної хромосоми або плазміди, що кодувала б CRISPR. Цю потребу легко та у великих масштабах задовольняла неприбуткова організація Addgene — дуже успішний репозиторій плазмід, який постійно розширювався, а також служба їхньої доставки.

Addgene — це як Netflix, тільки для плазмід. Щойно ми з Мартіном подали статтю з описом CRISPR на розгляд, то відразу ж надіслали його плазміди до Addgene на зберігання, так само як кіностудії надають ліцензію на свої фільми Netflix. Чимало інших дослідних лабораторій, що виробляли плазміди CRISPR, зробили так само. Addgene ретельно відстежувала, які плазміди мала в себе, рекламувала їх та їхні точні характеристики на веб-сайті й створювала тисячі точних копій, які могла доставити всім охочим. У 2016 році вартість для наукових лабораторій становила всього п’ять доларів за одну плазміду. Полегшуючи життя виробникам плазмід і задовольняючи запити від покупців, Addgene також допомагала гарантувати, що будь-яка наукова або ж неприбуткова лабораторія у світі зможе отримати дослідні матеріали, зокрема й ті, що були потрібні для застосування технології CRISPR, для своїх виняткових експериментальних потреб. Лише у 2015 році Addgene доставила приблизно шістдесят тисяч CRISPR-асоційованих плазмід дослідникам у більш ніж вісімдесят різних країн70.

Завдяки комп’ютерам редагування генів також стало легшим, ніж будь-коли раніше. Використовуючи розвинуті алгоритми, які об’єднують усі доречні принципи розробки, включно з емпіричними даними з наукової літератури стосовно того, які типи цільових послідовностей працюють краще за інші, різноманітні пакети програмного забезпечення дають дослідникам автоматизований, одноетапний метод створення найкращої версії CRISPR для редагування потрібного гена. Задумані зовсім не для того, щоб науковці розлінилися, ці алгоритми дозволяють здійснювати найскладніші й найхимерніші на сьогодні експерименти з редагування генома — дизайн і сканування всього генома, у якому планується використання CRISPR, щоб редагувати кожний окремий ген.

Нині завдяки цим особливостям CRISPR навіть науковці з базовою підготовкою за бажання можуть досягти такого рівня майстерності, який ще декілька років тому видавався немислимим. Ця технологія стала тим, що в нашій молодій галузі вбачали попередники: те, для чого раніше потрібні були роки роботи у складній біологічній лабораторії, тепер міг здійснити за лічені дні навіть студент. Деякі експерти припускали, що з нинішніми інструментами будь-хто може заснувати CRISPR-лабораторію, маючи лише дві тисячі доларів71. Інші передбачають появу біохакерів-самоучок, спраглих технологічних ентузіастів, які сподіватимуться долучитися до редагування генів за допомогою CRISPR у себе вдома. Технологія CRISPR навіть стала зіркою спільнокошту, завдяки якому вдалося зібрати більше п’ятдесяти тисяч доларів на створення та розповсюдження наборів для редагування гена самому. За 130 доларів спонсори одержували «все необхідне для точного редагування генома бактерії в домашніх умовах»72.

Технологія CRISPR зробила генне редагування доступним для загалу і, найімовірніше, перетворить цю колись езотеричну практику на хобі чи ремесло, зовсім як виготовлення домашнього пива. (Насправді редагування генома дріжджів для того, щоб надати нових присмаків пиву73 — це ще один із багатьох цікавих і неочікуваних варіантів застосування CRISPR, на які я наштовхнулася). Із різних поглядів це захопливо, але також є й дещо бентежне в такому стрімкому поширенні цього потужного інструмента.

Демократизація CRISPR пришвидшить процес дослідження й розвитку, який я описала в цьому розділі, але також призведе до використання цієї технології людьми, що до неї не готові, і наслідки цього вийдуть за стіни лабораторії. Науковці по всьому світу вже почали використовувати механізм CRISPR на інших видах, як навіть і не мріялося, і мине не так багато часу, доки те саме не трапиться і з людським геномом.

Як нам хоча б почати порівнювати недоліки й переваги втручання у власний генетичний код? Чи зможемо ми порозумітися щодо правильного використання технології CRISPR і не допустити зловживання нею?

Коли здобуваєш владу над кодом життя, то разом із цим приходить і певний рівень відповідальності, до якої ми — і як окремі особистості, і як вид — страшенно не готові. У наступній частині цієї книжки я розгляну деякі з дилем, що виникли внаслідок революції CRISPR, а також дивовижні можливості задля добра, які вона подарувала. Зважування ризиків, що криються в технології на зразок CRISPR, супроти відповідальності використовувати її силу на користь людству й планеті стане небаченим досі випробуванням. І все одно ми мусимо його пройти. Зважаючи на ставки, у нас просто немає іншого вибору.

64 G. Gasiunas et al., “Cas9-crRNA Ribonucleoprotein Complex Mediates Specific DNA Cleavage for Adaptive Immunity in Bacteria,” Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 109 (2012): 86

65 L. Cong et al., “Multiplex Genome Engineering Using CRISPR/Cas Systems,” Science 339 (2013): 819–823; P. Mali et al.,“RNA-guided Human Genome Engineering via Cas9,” Science 339 (2013): 823–826; M. Jinek et al., “RNA-programmed Genome Editing in Human Cells,” eLife 2 (2013): e00471; W. Y. Hwang et al., “Efficient Genome Editing in Zebrafish Using a CRISPR-Cas System,” Nature Biotechnology 31 (2013): 227–229; S. W. Cho, S. Kim, J. M. Kim and J.-S. Kim, “Targeted Genome Engineering in Human Cells with the Cas9 RNA-guided Endonuclease,” Nature Biotechnology 31 (2013): 230–232; W. Jiang et al., “RNA-guided Editing of Bacterial Genomes Using CRISPR-Cas Systems,” Nature Biotechnology 31 (2013): 233–239.

66 H. Wang et al., “One-Step Generation of Mice Carrying Mutations in Multiple Genes by CRISPR/Cas-Mediated Genome Engineering,” Cell 153 (2013): 910–918.

67 S.-T. Yen et al., “Somatic Mosaicism and Allele Complexity Induced by CRISPR/Cas9 RNA Injections in Mouse Zygotes,” Developmental Biology 393 (2014): 3–9.

68 Gasiunas et al.,“Cas9-crRNA Ribonucleoprotein Complex Mediates Specific DNA Cleavage.”109 deactivated version of CRISPR had its own uses for manipulating the genome: L. S. Qi et al., “Repurposing CRISPR as an RNA-Guided Platform for Sequence-Specific Controlof Gene Expression,” Cell 152 (2013): 1173–1183; L. A. Gilbert et al., “CRISPR-Mediated Modular RNA-Guided Regulation of Transcription in Eukaryotes,” Cell 154 (2013): 442–451.

69 M. Herper, “This Protein Could Change Biotech Forever,” Forbes, March 19, 2013, www.forbes.com/sites/matthewherper/2013/03/19/the-protein-that-could-change-biotech-forever/#7001200f473b

70 H. Ledford, “CRISPR: Gene Editing Is Just the Beginning,” Nature News, March 7, 2016.

71 K. Loria, “The Process Used to Edit the Genes of Human Embryos Is So Easy You Could Do It in a Community Bio-Hacker Space,” Business Insider, May 1, 2015.

72 J. Zayner, “DIY CRISPR Kits, Learn Modern Science by Doing,” www.indiegogo.com/projects/diy-crispr-kits-learn-modern-science-by-doing#/

73 E. Callaway, “Tapping Genetics for Better Beer,” Nature 535 (2016): 484–486.

Частина друга

Завдання

Розділ 5

Звіринець CRISPR

Помідори, що, не псуючись, повільно дозрівають упродовж місяців у коморі. Рослини, здатні краще пристосовуватися до кліматичних змін. Комарі, які не переносять малярії. Супермускулисті собаки, що стануть грізними напарниками для поліції та солдатів. Корови, у яких більше не ростуть роги.

Ці організми можуть видаватися неймовірними, але насправді вони вже існують завдяки редагуванню генома. І це лише початок. Зараз, коли я пишу ці рядки, світ навколо нас докорінно змінюється завдяки CRISPR незалежно від того, чи готові ми до цього, чи ні. Упродовж найближчих років ця нова біотехнологія дасть нам рослинні культури з кращими врожаями, здоровішу худобу й поживніші продукти харчування. Через кілька десятиліть ми запросто зможемо створити генетично спроектованих свиней, здатних стати донорами людських органів, а окрім цього ще й косматих мамутів, крилатих ящерів і єдинорогів. Ні, я не жартую.

Мене вражає розуміння того, що ми стоїмо на порозі нової ери в історії життя на Землі — ери, коли люди здобули нечуваний рівень контролю над генетичним складом видів, що співіснують із ними на цій планеті. Невдовзі технологія CRISPR дасть нам змогу підкорити природу власній волі, про що люди мріяли ще з доісторичних часів. Якщо цей процес спрямувати до чогось конструктивного, результати виявляться фантастичними, але це також може мати небажані чи й навіть згубні наслідки.

Вплив генетично модифікованих рослин і тварин уже відчувається в науковій спільноті. Наприклад, дослідники пристосували CRISPR, щоб створювати в тваринах моделі людських хвороб зі значно більшою точністю та гнучкістю, ніж будь-коли раніше.Мова йде не лише про мишей, а й про всяких тварин, у яких найвиразніше проявиться задана хвороба, як-от: мавпи для аутизму, свині для Паркінсона або ж тхори для грипу. Одна з найцікавіших властивостей технології CRISPR полягає в тому, що цей механізм дає змогу вивчати унікальні для певних організмів риси на зразок регенерації кінцівок у мексиканських саламандр, старіння в карпозубих рибок і розвитку скелета в ракоподібних. Я люблю нотатки й зображення, які колеги надсилають, описуючи свої експерименти з CRISPR: прекрасні зразки крил метеликів, чиї генетичні основи вони вивчають, або ж інфекційні дріжджі, чию здатність захоплювати людські тканини науковці розбирають на рівні окремих генів. Такі експерименти відкривають нові істини про світ природи та генетичні подібності, які об’єднують усі організми. Мені це видається надзвичайно захопливим.

З іншого кінця спектра — застосування редагування генів, яке більше скидається на наукову фантастику, аніж на зміст наукового журналу. Наприклад, я була вражена, дізнавшись, що кілька дослідницьких команд використовують CRISPR, щоб «олюднити» різні гени свиней у надії, що колись проблему нестачі донорських органів, здатних урятувати життя, удасться розв’язати за допомогою ксенотрансплантації — пересадки органів, вирощених у свинях (або інших тваринах), людським реципієнтам. З огляду на естетичні зміни в тваринах, які тепер стали можливими, компанії використовують технології редагування генів для створення нових дизайнерських тварин на зразок генетично модифікованих мікросвиней, що не виростають більшими за невеликого собаку. І ніби втілюючи в життя події, змальовані у відомій екранізації наукової фантастики, деякі лабораторії намагаються здійснити так зване девимирання, тобто не що інше, як відродження вимерлих видів через клонування чи за допомогою генної інженерії. Моя подруга Бет Шапіро, професорка Каліфорнійського університету в Санта-Крусі, із захватом використовує цю стратегію для повернення вимерлих видів птахів з метою дослідити їхню взаємодію із сучасними видами. Так само науковці докладають зусиль, щоб за допомогою CRISPR, часточка за часточкою, перетворити геном слона на геном косматого мамута.

Іронічно, але технологія CRISPR може бути корисною й для протилежної мети — спланованого вимирання небажаних тварин і хвороботворних мікроорганізмів. Так, рано чи пізно, CRISPR можна буде використати для знищення цілого виду, і коли всього десять років тому моя лабораторія вперше ступила в нову галузь дослідження імунної системи бактерій, я й уявити собі не могла такого застосування.

Деякі спроби в цій та інших ділянках світу природи мають величезний потенціал для покращення людського здоров’я й добробуту. Інші ж несерйозні, фантастичні чи навіть відверто небезпечні. Але я дедалі більше розумію потребу в усвідомленні небезпеки редагування генів, особливо з погляду його повсюдного використання.

Технологія CRISPR дарує нам силу радикально й невідворотно змінити біосферу, яку населяємо, даючи змогу переписувати самі молекули життя так, як ми того забажаємо. Не впевнена, що нині відбувається достатньо масштабне обговорення можливостей цієї технології — на краще, але й водночас на гірше. Це захоплива мить у біологічних науках, але ми не можемо дозволити собі просто відійти вбік. Важливо пам’ятати, що технологія CRISPR має величезний і беззаперечний потенціал покращити сучасний світ, однак несерйозне ставлення до редагування генетичних підвалин нашої екосистеми може також призвести до небажаних наслідків. На нас покладено відповідальність обміркувати все й почати глобальне, публічне та всеосяжне обговорення того, як найкраще використовувати редагування генів у світі природи, доки ще не стало запізно.

У 2004 році команда європейських науковців розгадала давню загадку, з якою зіткнулися селекціонери ячменю. Дослідники виявили мутації генів, які робили цю рослину стійкою до шкідливих грибків, що спричиняють хворобу, відому під назвою борошниста роса74 — захворювання, яке вже давно дошкуляло фермерам на елітних ячмінних полях по всій Європі. Мутований, стійкий до грибків ячмінь удалося відстежити до насіння, узятого із зерносховищ у південно-західній Ефіопії під час німецьких експедицій наприкінці 1930-х. Там, через якийсь період після одомашнення ячменю (приблизно 10 000 років тому), несподівано з’явився різновид із мутованою версією гена Mlo, і фермери, що прагнули вирощувати лише найздоровіші та найурожайніші сорти, саме його обрали для розведення.

Цей еволюційний процес під впливом людини — після природної мутації зазвичай відбувається штучний відбір — ілюструє те, як землеробство розвивалося тисячоліттями.

Як зауважив у своїй промові в 1901 році селекціонер-новатор Лютер Бербанк, види не є стійкими й незмінними, вони радше «так само пластичні в наших руках, як глина в руках гончара75 чи кольори на полотні митця, і їх можна легко видозмінити на прекрасніші форми й кольори, як порівняти з тими, що будь-який художник чи скульптор міг сподіватися створити». Насправді вперше захисну мутацію гена Mlo в ячмені виявили в німецькому сорті, який у 1942 році піддали дії рентгенівських променів76. Науковці з’ясували, що, піддавши зерна впливу радіації (наприклад, рентгенівських чи гамма-променів) або ж зануривши їх у хімікати, що спричиняють спорадичні нові мутації в геномі, можна вивести рослини з бажаними рисами.

Мутовані сорти, створені за допомогою цих методів, видозмінювалися невідомим чином у сотнях чи навіть тисячах різних генів. Якщо серед цих випадкових генетичних видозмін у сортах відбувалися схожі мутації, як і в гені Mlo, отримані рослини могли мати бажану властивість — у цьому разі ячмінь, стійкий до грибків77. У 2004 році, через десятиліття після виявлення захисної мутації гена Mlo в ячмені, порушення в тому самому гені пов’язали зі стійкістю до борошнистої роси в декількох інших рослин. Це породило захопливу можливість, що ще більше сільськогосподарських культур можна наділити цією корисною рисою, змінивши ген Mlo.

У цьому й полягає перспектива редагування генів. Порівняно зі звичайними методами селекції — включно з природним мутагенезом, спровокованим рентгенівськими променями або хімічними речовинами, і схрещенням різних видів, унаслідок чого геном наповнюється тисячами нових генів, — технологія CRISPR та похідні від неї дають науковцям нечуваний рівень контролю над геномом. Можливості цієї технології в галузі землеробства спали мені на думку ще у 2014 році, коли вчені з Китайської академії наук використали інструменти редагування генів, і CRISPR зокрема, щоб змінити шість копій гена Mlo в Triticum aestivum, тобто в пшениці — одній із найважливіших сільськогосподарських культур. Рослини, які мали всі шість мутованих генів Mlo, виявилися стійкими до борошнистої роси. Це фантастичний результат. Крім того, науковці більше не мусили перейматися шкідливими чи небажаними наслідками будь-якої з цих мутацій, оскільки лише гени Mlo були відредаговані. Незалежно від того, чи бажані зміни є наслідками нокауту генів (як у випадку з Mlo) або невеликої зміни, вставки чи делеції певних ділянок, дослідники можуть змінювати геном із нечуваною досі точністю до однієї літери й виконати це практично з будь-яким геном і будь-якою послідовністю ДНК.

Борошниста роса — це лише один із прикладів сільськогосподарських проблем, які можна розв’язати за допомогою CRISPR. За кілька років від часу своєї появи CRISPR уже налаштували для того, щоб відредагувати гени рису й зробити його невразливим до бактеріальної гнилі, а також щоб надати кукурудзі, соєвим бобам і картоплі природної стійкості до гербіцидів і щоб вирощувати гриби, не схильні до потемніння й передчасного псування78. Науковці використали CRISPR для редагування генома солодких апельсинів79, а команда каліфорнійських дослідників нині намагається застосувати цю технологію для порятунку цитрусової промисловості США від бактеріальної хвороби рослин, відомої як huanglongbing80 — китайська назва, що перекладається як «хвороба жовтого дракона». Вона спустошила частину Азії і тепер загрожує фруктовим садам у Флориді, Техасі й Каліфорнії. У Південній Кореї науковець Джин Су Кім і його колеги сподіваються, що редагування генів у бананах зможе допомогти зберегти цінний сорт Кавендіш від вимирання81, яке загрожує йому внаслідок поширення згубного ґрунтового грибка. А ще десь дослідники вивчають можливість уставити в сільськогосподарські рослини всю бактеріальну систему CRISPR, перепрограмовану розрізати рослинні віруси, забезпечивши їх зовсім новою противірусною імунною системою82.

Особливо мене захоплюють можливості використання редагування генів для виробництва корисніших продуктів харчування. Два приклади є винятковими. Перший стосується соєвих бобів, які щороку дають приблизно п’ятдесят тонн соєвої олії. На жаль, вона містить шкідливий рівень трансжирів, які пов’язані з високим рівнем холестерину в крові та серцевими захворюваннями. Нещодавно науковці, що вивчають продукти харчування в компанії під назвою Calyxt із Міннесоти, використали технологію редагування генів TALEN, щоб змінити два гени соєвих бобів, створивши насіння зі значно нижчим рівнем шкідливих жирних кислот і загальним складом жирів, наближеним до оливкової олії83. Їм удалося здійснити це, не спровокувавши жодних побічних мутацій і не вживлюючи в геном чужої ДНК.

Другий приклад пов’язаний із картоплею — третьою за важливістю харчовою культурою у світі після пшениці й рису. Тривале перебування в холодному сховищі, необхідне для подовження терміну зберігання картоплі, може призводити до спричиненого низькою температурою підсолоджування — явища, під час якого крохмаль перетворюється на цукор, як-от глюкоза чи фруктоза. Будь-який спосіб приготування, що передбачає дію високих температур (наприклад, смаження картоплі фрі чи картопляних чипсів), перетворює цей цукор на акриламід — хімічну сполуку, яка є нейротоксином і потенційним канцерогеном. Спричинене холодом підсолоджування також є причиною того, що картопляні чипси темніють і починають гірчити, унаслідок чого виникає величезний обсяг відходів. Саме тому переробні заводи щороку втрачають 15 відсотків своєї картоплі.

За допомогою редагування генів дослідники Calyxt без зайвих зусиль розв’язали цю проблему в картоплі сорту Ranger Russet: вони деактивували той самий ген, що виробляв глюкозу й фруктозу. Як наслідок, рівень акриламіду в картопляних чипсах зменшився на 70 відсотків, картоплини стали більшого розміру й зникла потреба перейматися потемнінням84.

Науковці в галузі харчових технологій у захваті від можливостей редагування генів. Однак усе одно лишається величезне запитання: «А чи ставитимуться виробники й споживачі до культур із точно відредагованим геномом так само, як до тисяч культур, чиї геноми випадково піддавалися мутаціям за допомогою рентгенівських і гамма-променів або хімічних мутагенів?». Чи, може, культури з відредагованими генами спіткає та сама доля, що й ГМО — ще один тип генетично видозмінених продуктів харчування, який зіштовхнувся з неймовірним спротивом на ґрунті хибної поінформованості (хоча тут я можу заперечити), попри значний потенціал на користь для людства?

Із поширенням технології CRISPR харчова політика стала ще однією галуззю, у якій мені довелося взятися за самоосвіту. Розуміючи, що генетично редагованих рослин і тварин неминуче порівнюватимуть із ГМО, передусім я намірилася дізнатися, що уряди різних держав і групи громадських активістів мають на увазі, коли використовують термін генетично модифікований організм.

Міністерство сільського господарства США (USDA) визначає генетичну модифікацію як «створення спадкового вдосконалення в рослинах чи тваринах задля конкретної мети за допомогою генної інженерії чи інших більш традиційних методів»85. Таке розлоге визначення могло охопити новітні технології, як-от редагування генів, а також старіші методи на зразок мутаційної селекції. Насправді ж, згідно з цим визначенням, мало не всю їжу, яку ми споживаємо, окрім хіба що диких грибів та ягід, дичини й риби, можна вважати ГМО.

Поширене визначення ГМО охоплює лише ті організми, чий генетичний матеріал було видозмінено за допомогою технології рекомбінантної ДНК і так званого спайсингу генів, під час якого послідовності чужорідної ДНК вбудовуються в геном. Із 1994 року, коли представили першу комерційно вирощену генетично модифіковану рослину, схвалену для споживання людьми, — різновид томатів, що повільно псуються, відомий як Flavr Savr — у Сполучених Штатах було схвалено для комерційного вирощування більше п’ятдесяти харчових ГМО-культур, зокрема канолу, зернові, бавовну, папаю, рис, соєві боби, гарбуз і багато інших. У 2015 році 92 відсотки всіх зернових, 94 відсотки всієї бавовни та соєвих бобів86, вирощених у Сполучених Штатах, були генетично оброблені саме в такий спосіб.

Видозмінені харчові культури дають значні економічні переваги й корисні для довкілля. Вирощуючи культури з підвищеною стійкістю до шкідників, фермери можуть домогтися вищих урожаїв, зменшивши використання жорстких хімічних пестицидів і гербіцидів. Генна інженерія також урятувала від навали вірусів цілі галузі виробництва, наприклад, гавайської папаї, і вже невдовзі може стати основним чинником у захисті інших фруктів, як-от банани чи сливи, яким загрожують нововідкриті патогенні мікроорганізми.

Попри переваги й той факт, що мільйони людей споживали продукти з ГМО без жодних негативних наслідків, ця їжа лишається мішенню для багатоголосої критики, ретельного громадського вивчення й бурхливих протестів, переважно зовсім не виправданих. Більшість претензій спирається на жменьку досліджень, які повідомляють про виявлення шкідливого впливу на здоров’я споживачів і довкілля, наприклад, стверджуючи, що ГМО-картопля провокує появу раку в щурів, а генетично модифіковані зернові вбивають метеликів монархів. Однак ці заяви спростовані численними подальшими дослідженнями й засуджуються ширшою науковою спільнотою. Насправді ГМО стали об’єктом однієї з найретельніших перевірок регуляторних органів з-поміж усіх продуктів споживання, представлених на ринку, і всі вони дійшли майже одностайної згоди, що генетично модифікована їжа так само безпечна, як і зроблена традиційним способом. ГМО підтримали федеральні регуляторні органи Сполучених Штатів, Американська медична асоціація, Королівське медичне товариство Сполученого Королівства, Європейська комісія та Всесвітня організація охорони здоров’я. А втім, майже 60 відсотків американців уважають ГМО небезпечними87.

Відмінність між науковим висновком і громадською думкою стосовно ГМО щонайменше викликає занепокоєння. Як на мене, частково вона є наслідком прірви в спілкуванні між науковцями й громадськістю. Уже за відносно нетривалий період роботи над CRISPR я відчула, як складно буває підтримувати конструктивний, відкритий діалог між цими двома світами, але водночас зрозуміла й те, наскільки важливим є подібне спілкування для просування наукових відкриттів.

Прикладом цього є думка про те, що ГМО неприродні й неправильні. Майже все, що ми їмо, було змінене людьми, часто через провокування випадкових мутацій у ДНК насіння, яке використовувалося для виведення рослин із бажаними рисами. Тож межа між «природним» і «неприродним» дуже розмита. Червоні грейпфрути, створені за допомогою нейтронного випромінювання, кавуни без насіння, що з’явилися завдяки хімічній сполуці під назвою колхіцин, яблуневі сади, у яких кожне дерево є ідеальним генетичним клоном своїх сусідів — жоден із цих проявів сучасного сільського господарства не є природним. Проте більшість із нас споживає ці продукти без жодного невдоволення.

CRISPR та інші технології, пов’язані з редагуванням генома, ще більше ускладнять обговорення генетично модифікованих продуктів харчування, розмивши лінії між продуктами, зробленими з ГМО та без них. Звичні ГМО містять чужі гени, випадково вставлені в геном. Ці гени продукують нові білки, що наділяють організм корисними рисами, яких він раніше не мав. На противагу цьому, генетично редаговані організми містять лише крихітні видозміни у вже наявних генах, що наділяють їх корисними рисами, впливаючи на рівень білків, які вже були від початку, не додаючи чужої ДНК. Із цього погляду генетично редаговані організми часто не відрізняються від тих, що були створені за допомогою мутагенних хімічних сполук і радіації. Крім того, науковці використовували методи, які дали змогу не лишати жодних слідів CRISPR у рослинному геномі після завершення процесу редагування. Наприклад, молекули CRISPR можна виробляти, очищати й збирати в лабораторії (як ми це продемонстрували в статті у 2012 році), а тоді доставляти в рослинну клітину вже у вигляді засобу швидкої дії88, щоб той негайно ж почав працювати над геномом. За лічені години Cas9 і гідова РНК відредагують потрібний ген, а тоді будуть зруйновані під час природного процесу переробки всіх молекул у клітині. Сподіваюся, що згодом цей тип безшовного редагування генів зможе здобути прихильність громадськості до харчових культур та інших рослин, удосконалених за допомогою таких точних методів.

Утім, суперечки довкола генетично редагованих організмів поволі наростають. Деякі з перших протестів відбулися навесні 2016-го89. Активісти, що раніше зосереджувалися на ГМО, навіть погрожували дослідникам CRISPR.

Одна з найбільших проблем, із якими зіткнулися сільськогосподарські компанії, фермери, споживачі, а особливо урядовці, пов’язана з тим, як класифікувати та контролювати генетично редаговані харчові культури. Чимало фахівців зараховують їх до нових методів селекції, або ж NBT90, тоді як протестувальникам здається, що генетично редаговані культури — не що інше, як приховані ГМО, і що науковці намагаються проштовхнути ці продукти до крамниць обхідним шляхом. Проблеми здебільшого зводяться до протиставлення результату й процесу. Правила для новостворених харчових культур чинні лише для остаточного продукту чи їх також потрібно застосовувати до процесу, під час якого цей продукт розробили? Повернімося до прикладу з борошнистою росою. Чи потрібно брати до уваги вдосконалену форму редагування генів, яку використали для того, щоб зробити пшеницю стійкою до цієї хвороби, навіть якщо отриманий сорт нічим не відрізняється від того, який теоретично можна було б створити за допомогою природних чи спровокованих мутацій?

Сьогодні нові генетично модифіковані харчові культури зіткнулися з цілою низкою заплутаних регуляторних перешкод, що належать до юрисдикції Управління продовольства й медикаментів, Управління з охорони довкілля США та Міністерства сільського господарства США. Процес схвалення водночас і довгий, і дорогий, а також передбачає перелік вимог, які можна вважати несправедливими й обтяжливими. Чимало менших компаній не змогли приєднатися до галузі ГМО через надмірно високі витрати, унаслідок чого великі агропромислові компанії отримали змогу монополізувати ринок. Мене неабияк здивувало відкриття, що навіть у науковців через значні обмеження виникають труднощі з вивченням генетично модифікованих харчових культур у процесі польових випробувань.

Та, на щастя, ситуація починає змінюватися. Міністерство сільського господарства США потроху інформує компанії, що нове покоління генетично редагованих харчових культур не вимагатиме його схвалення, хоча дозвіл Управління продовольства й медикаментів усе одно треба буде отримати. Стійка до гербіцидів канола, створена за допомогою генетичного редагування, була схвалена для використання в Канаді й уважається такою, що не підпадає під сферу компетенції Міністерства сільського господарства США. Нормативи останнього також задовольняють і генетично редаговані соєві боби та картоплю, вирощені науковцями Calyxt із використанням TALEN, і ще приблизно тридцять інших типів генетично модифікованих рослин91.

І хоча CRISPR — відносно новий гравець на полі, DuPont Pioneer передбачає, що рослинні продукти, створені на основі цієї технології, вийдуть на ринок уже до кінця десятиліття92.

У 2015 році Управління науково-технічної політики Білого дому оголосило, що перегляне обов’язкові постанови стосовно генетично змінених харчових культур і тварин93, зважаючи на нові технологічні відкриття й той факт, що його політика не оновлювалася ще з 1992 року. Постійно змінюється й продаж генетично змінених продуктів, що пов’язано із федеральним законом, ухваленим у 2016 році, який вимагає маркування товарів94, що містять генетично модифіковані складники.

Такі зміни в офіційних розпорядженнях важливі, але якщо разом з ними не зміниться ставлення громадськості до генетично вдосконаленої їжі, ми як суспільство не зможемо вповні скористуватися потенціалом CRISPR. Біотехнологи здатні допомогти нам зміцнити харчову безпеку, подолати недоїдання, пристосуватися до кліматичних змін і запобігти деградації довкілля по всьому світу. Утім, усе назване лишатиметься недосяжним, доки науковці, компанії, уряди та громадськість загалом не почнуть працювати разом, щоб утілити це в життя. Кожен з нас може зробити свій внесок до цього партнерства дуже просто. Усе починається з відкритого розуму.

Агробізнес цікавиться CRISPR не лише через харчові рослинні культури, адже в найближчому майбутньому повсюдно редагуватимуть і гени домашньої худоби. Зважаючи на значні перешкоди, з якими зіткнулися ГМО-рослини, генетично редаговані тварини, найімовірніше, зіткнуться з тими самими регуляторними труднощами та навіть сильнішим спротивом. І тут ми також можемо дуже багато здобути й, можливо, ще більше втратити.

Перша генетично змінена тварина, схвалена для споживання в Сполучених Штатах, — різновид генно-модифікованого лосося під назвою AquAdvantage, що вирізнявся швидкими темпами росту, — опинилася на ринку лише після двадцятирічної війни з інспекторами Управління продовольства й медикаментів і обійшлася своєму розробнику в більш ніж вісімдесят мільйонів доларів95. Модифікований лосось містить додатковий ген гормона росту. Завдяки цьому риба опиняється на ринку вдвічі швидше, як порівняти з лососем, вирощеним у звичайних умовах, її поживний склад ніяк не змінюється, як і ризики для здоров’я самої риби та людини, що її споживає96. Прибічники обстоюють думку, що високопродуктивний лосось, вирощений у розпліднику, сприятиме охороні довкілля, адже це дасть змогу зменшити виснажування запасів дикої риби, скоротити обсяг імпортованого лосося в Сполучені Штати (нині цей показник становить 95 відсотків) і поставляти на ринок рибу із вуглецевим слідом, приблизно в двадцять п’ять разів меншим, ніж для звичайного лосося97. Та все одно, як і з ГМО-рослинами, негативна реакція на генетично модифікованого лосося виявилася відчутною. Противники навіть охрестили його «франкенрибою» і заявили, що такий лосось наражає на небезпеку й здоров’я самих споживачів, і екосистеми дикої риби. У 2013 році опитування, здійснене New York Times, виявило, що 75 відсотків респондентів воліли б не їсти ГМО-рибу98. Думка споживачів призвела до того, що більше шістдесяти продуктових мереж по всій території Сполучених Штатів, включно з роздрібними гігантами на зразок Whole Foods, Safeway, Target і Trader Joe’s, пообіцяли не продавати цей різновид лосося99.

Лосось AquAdvantage не перша генетично модифікована тварина, яку науковці створили для споживання людиною. На початку 2000-х японська команда вивела свиней із геном шпинату, який змінював процес засвоєння тваринами жирних кислот. Трансгенні свині мали корисніший вміст жирів, однак роботу науковців повсюдно засудили й тварини так і не вийшли за межі лабораторії100. Приблизно тоді канадська команда створила Enviropig — екологічно чисту трансгенну свиню з геном E. coli, завдяки якому тварини могли краще перетравлювати сполуку з умістом фосфору під назвою фітинова кислота101. Перегній від звичайних свиней містить високий рівень фосфору, який потрапляє в джерела й річки, спричиняючи цвітіння водоростей, загибель водних мешканців та утворення парникових газів. А перегній від Enviropig містив на 75 відсотків менше фосфору, що могло б стати величезною перевагою для планети загалом і людей, які жили й працювали неподалік від свиноферм. Однак, попри це, а також не беручи до уваги обнадійливу інформацію стосовно безпеки, споживачі відкрито засуджували Enviropig, унаслідок чого спонсори проекту припинили фінансування. Зрештою, нову породу приспали у 2012 році102.

Зважаючи на обставини таких випадків, перспективи для інших генетично модифікованих тварин теж видаються похмурими. Але знову ж таки, усе залежить від того, як регуляторні органи й громадськість визначають термін генетично модифікований. Лосось AquAdvantage удосконалили за допомогою гена гормона росту з лосося Chinook, а також короткої ділянки ДНК океанічної тріски, щоб увімкнути цей ген. А раптом замість цього науковці якось змогли б відредагувати геном лосося, щоб збільшити виробництво його власного гормона росту, не додаючи жодної чужої ДНК? Чи споживачі та інспектори все одно вважали б такого лосося генетично модифікованим?

Зважаючи на стрімкий темп досліджень і відкриттів у галузі редагування генів тварин, зокрема домашньої худоби, це запитання неодмінно постане вже в найближчому майбутньому. У лабораторіях уже вивели перших генетично змінених тварин, і згодом вони з’являться на порозі інспекторів. Як і у випадку з лососем AquAdvantage, деякі з цих перших тварин матимуть генетичні модифікації, що спонукатимуть їхній ріст. Але на відміну від лосося, вони не просто ростимуть швидше — вони ще й ростимуть більшими.

Використовуючи нові можливості для точного редагування генів (CRISPR і споріднені технології), науковці створили генетично редагованих корів, свиней, овець і кіз. Ці тварини сильніші та більш мускулисті, ніж середньостатистичні, мають м’язову статуру, немов у бодібілдерів — цю рису часто називають подвійною мускулатурою. І це зовсім не химерна, вигадана в лабораторії риса, адже на таку мутацію надихнула сама природа — так само як і на стійкий до борошнистої роси ячмінь.

Скотарі знали про подвійну мускулатуру задовго до цього завдяки її високій частотності у двох популярних породах великої рогатої худоби: бельгійській блакитно-білій і п’ємонтській (п’ємонтез). Ці корови мають на 20 відсотків більше м’язів, ніж звичайні, вище співвідношення м’яса до кісток, менше жиру та вищий відсоток бажаних шматків м’яса, і саме тому вони стали омріяними для виробників яловичини103. У 1997 році три лабораторії з’ясували, що за цю виняткову форму м’язового розвитку відповідає один ген — міостатин. Він виконує функцію природного гальма у виробництві організмом м’язової тканини. Дві породи великої рогатої худоби, які ці лабораторії вивчали, мали різні види мутацій. Коровам бельгійської блакитно-білої породи бракувало одинадцяти літер ДНК, тоді як корови п’ємонтської мали мутацію лише однієї літери, але в обох випадках виробництво білка геном міостатин відбувалося не так, як мало б. У певному значенні природа віддзеркалила попередні генетичні експерименти, здійснені на мишах104, де внаслідок нокауту гена міостатин з’являлися мускулисті істоти, що важили вдвічі або й утричі більше, ніж зазвичай — причому винятково завдяки м’язовій масі, а не жиру.

Корови не єдині тварини, які мають уроджену рису подвійної мускулатури. Вівці Texel — популярна данська порода105, яку цінують за пісне м’ясо та дуже м’язисту статуру — також мають мутацію в гені міостатин. Як і віппети — порода собак, виведених від хортів, яку часто використовують у перегонах, оскільки вони не лише здатні розвивати найбільшу швидкість проти всіх інших порід у своїй вазі, а й мають найбільше прискорення з-поміж усіх собак у світі. Віппети «грізного» різновиду мають широкі спини, масивні лапи й розвинену мускулатуру на шиї, що є наслідком випадання двох літер ДНК у гені міостатин. Деякі віппети мають нормальний ген міостатин, натомість інші вважаються гетерозиготними106, оскільки в них є і нормальна, і мутована копії двох батьківських хромосом. (Дослідження Національного інституту охорони здоров’я США виявило, що насправді найшвидшими віппетами є гетерозиготні, оскільки вони мають певну кількість додаткових м’язів, однак не надто багато — така собі генетична золота середина).

Прикладом виникнення подвійної мускулатури можуть стати й деякі люди. У 2004 році команда лікарів із Берліна опублікувала виняткове дослідження107, у якому описала хлопчика, що вже від народження виявився дуже мускулистим і мав чітко виражені стегнові й плечові м’язи. У дитини продовжувала розвиватися нетипово виражена мускулатура аж до чотирьох років, і хлопчик міг виконувати неймовірні силові вправи — наприклад, витягнути руки, тримаючи в кожній по трикілограмовій гантелі. Зважаючи на подібність стану хлопчика до подвійної мускулатури в корів і мишей, а також на притаманну його предкам незвичайну силу, лікарі запідозрили, що пояснення фізичних даних малюка могло критися в генетиці. Здійснивши невеличке молекулярне дослідження, вони виявили, що обидві копії гена міостатин містили нокаутові мутації й що мати хлопчика, колишня професійна атлетка, була гетерозиготною та мала лише один мутований ген. Хоча м’язова гіпертрофія, як лікарі називають стан подвійної мускулатури, для людей є надзвичайно рідкісним явищем, відомо принаймні про ще один випадок, який трапився в мічиганській родині.

Тепер дослідники вивчають, чи відтворення цього стану зумисними мутаціями — через стимулювання м’язового росту завдяки деактивації гена міостатин — може бути дієвим методом лікування захворювань, пов’язаних зі слабкістю м’язів, як-от м’язова дистрофія. Деякі письменники навіть почали фантазувати про редагування гена міостатин у нормальних індивідуумів, щоб вивільнити збільшену, надлюдську силу108, хоча, як ми обговоримо це в наступних розділах, на мою думку, наслідки такого необов’язкового редагування генів у людях можуть виявитися дуже тривожними.

На відміну від людей, редагування генів худоби для створення нових порід із корисними рисами є виправданим. По-перше, незначні покращення тваринного генома можуть дати помітне зростання виробництва продуктів харчування. Науковці вже використали редагування генів, щоб вивести нові породи корів, овець, свиней, кіз і кролів із подвійною мускулатурою. Не важко уявити, яке значення мали б ці тварини для харчування людини, якби стали доступними для фермерів. Широке виробництво пісного м’яса вкупі з низьким рівнем жиру в організмі були головною ціллю в розведенні худоби в скотарстві, а редагування генів дає легкий спосіб її досягнути. Повідомлялося, що генетично редаговані свині мають на десять відсотків більше пісного м’яса, ніж їхні родичі без генетичних змін109, а також значно нижчий загальний вміст жиру та ніжніше м’ясо. Водночас харчова цінність м’яса, а також розвиток, раціон і загальний стан здоров’я тварин лишаються незмінними. Оскільки у редагованому геномі свиней не міститься слідів трансгенів, виробники сподіваються, що до цих тварин будуть застосовуватися ті самі правила, що й до бельгійських блакитно-білих корів, у яких подвійна мускулатура розвинулася внаслідок природних мутацій.

Оскільки завдяки CRISPR стало можливим паралельне редагування генів, це дає змогу отримати одночасно декілька нових рис. Наприклад, китайські науковці працюють із козами, зосередившись як на гені міостатин, так і на гені, який відповідає за контролювання довжини вовни. У людей природні мутації в цьому гені спричиняють стан, характерною рисою якого є надзвичайно довгі вії. Такі мутації пов’язані з довжиною шерсті в котів, собак і навіть віслюків. Науковці відредагували ген у породі кіз під назвою Shannbei110, виведеній і заради м’яса, і заради вовняних волокон, які використовують для виробництва кашеміру найвищої якості. Дослідники створили 862 ембріони й підсадили 416 із них самицям. Народилося 93 козенят, і десять із них мали мутації в обох генах. Тепер удосконалені кози можуть слугувати відправною точкою для нових порід, які даватимуть фермерам більшу продуктивність у виробництві і м’яса, і кашеміру.

Інші науковці використовують інструменти редагування генів для впливу на репродуктивну функцію із різною метою: щоб потомство в курей складалося виключно з курочок111 (на фермах, що виробляють яйця, півників зазвичай відбраковують упродовж дня після вилуплення), риба в розплідниках була стерильна (і не схрещувалася з дикою), а яловичина вироблялася лише із самців (оскільки самки значно менш ефективно перетворюють їжу на мускули). Геном великої рогатої худоби змінювали, щоб тварини були невразливими до паразита, який спричиняє сонну хворобу. Геном свиней змінили так, щоб тварини могли бути жирнішими, споживаючи менше їжі112. В Австралії команда дослідників намагається змінити курячий ген, який виробляє один із найпоширеніших білків, що спричиняє алергію на курячі яйця. Таку саму стратегію запропонували використати для того, щоб видалити алергени з коров’ячого молока113.

Гени тварин можна відредагувати, щоб створити здоровіших і стійкіших до хвороб істот, і це переконливо довели нещодавні експерименти на свинях. Збудником однієї з головних хвороб, із якими стикається свинарство, є вірус під назвою PRRSV114, який після виявлення в Сполучених Штатах наприкінці 1980-х стрімко поширився на території Північної Америки, Європи та Азії. Щорічно вірус завдає виробникам свинини в США збитків на суму більш ніж 500 мільйонів доларів і знижує виробництво на 15 відсотків. Окрім цього, нелегко доводиться й самим тваринам115: інфіковані свині страждають від цілої низки симптомів, зокрема анорексії, лихоманки та підвищення частотності народження недоношених або муміфікованих поросят, а також від серйозних проблем із диханням. Дотепер програми вакцинації не мали успіху, і, щоб запобігти вторинній бактеріальній інфекції, доводилося вводити чималі дози антибіотиків, бо це один із небагатьох способів лікування тварин.

Надихнувшись теоріями, що конкретний свинячий ген CD163 дає змогу вірусам захоплювати клітини цих тварин, команда Міссурійського університету прагнула вивести невразливих до вірусу свиней, деактивувавши проблемний ген (така стратегія чимось схожа на заміну замків у будинку, щоб злодій із украденим ключем не зміг до нього потрапити). Після використання CRISPR для створення свиней із вимкненим геном116 дослідники Міссурійського університету відправили тварин до Університету штату Канзас, а разом з ними й поросят з нередагованим геномом як контрольний зразок, щоб перевірити сприйнятливість до зараження вірусом. Там свиней піддали впливу приблизно сотні тисяч вірусних частинок і постійно спостерігали за їхнім станом. Дивовижно, але генетично редаговані свині лишилися повністю здоровими й у них не виявили жодних слідів вірусу117.

Ця стратегія — порятунок свиней від вірусу через вимикання генів, від яких ці віруси залежать — була настільки ефективною, що її вже перейняли інші дослідники, щоб зменшити збитки в різних сферах м’ясної галузі. Наприклад, група науковців зі Сполученого Королівства здобула схожу перемогу в боротьбі проти іншого вірусу. Він спричиняє хворобу, відому під назвою африканська чума свиней, яка також уражає домашніх тварин. Як і PRRSV, цей вірус дуже заразний і проти нього не існує вакцини. Африканський вірус ще більш смертоносний, ніж PRRSV, і деякі його штами мають майже стовідсоткову смертність118, причиною якої зазвичай уже за тиждень після інфікування стає інтенсивна кровотеча. Прикро, але хвороба забирає життя тварин не лише в такий спосіб, адже коли вірус сягнув Східної Європи, фермери почали масово вирізати свиней, у деяких випадках — усе поголів’я, щоб хоч спробувати зупинити спалах епідемії.

Помітивши, що види свиней, які спочатку водилися в Африці, включно з бородавочником, здавалися невразливими до вірусу, команда дослідників зі Сполученого Королівства зосередилася на одному гені, що мав би пояснити їхню виняткову стійкість119. Версія гена бородавочника відрізнялася від гена домашніх свиней лише декількома літерами, тож науковці відповідно відредагували гени останніх120, не змінюючи інші частини генома. Час покаже, чи матимуть редаговані свині такий самий імунітет, як бородавочники, і, що ще важливіше, чи сприйме громадськість нових генетично модифікованих тварин. Принаймні дослідники переконані, що для споживачів не стане проблемою незначне вдосконалення, яке зрештою дає змогу вирощувати здоровіших тварин121, а надто беручи до уваги те, що ця зміна вже існує в природі.

Ще один приклад редагування генів худоби пов’язаний із компанією Recombinetics, розташованою в штаті Міннесота, яка досягла значних успіхів у генетичній модифікації корів, аби запобігти появі в них рогів.

Мета компанії полягала в тому, щоб уникнути жорстокої, однак розповсюдженої практики видалення рогів у худоби — звичної процедури в молочній промисловості США та Європи. Через роги догляд за тваринами в обмеженому просторі може бути небезпечним для працівників ферм, а також вони можуть травмувати й самих корів. Зазвичай виробники продуктів харчування видаляють роги тваринам ще в юному віці, випалюючи їхні зачатки розпеченим залізом, унаслідок чого тканини пошкоджуються, а травмовані телята зазнають значного болю та стресу122. Лише в Сполучених Штатах щороку позбавляють рогів тринадцять мільйонів корів.

Утім роги є не в усіх корів. Насправді чимало порід, зокрема й популярна абердино-ангуська, від природи їх не мають. У 2012 році команда німецьких дослідників установила точну генетичну причину123, яка полягає в складній мутації, унаслідок якої відбулося випадання десяти й уставка 212 літер ДНК у хромосомі 1. Надихнувшись цим знанням, науковці в Recombinetics використали редагування генів, щоб скопіювати такі самі зміни124 в геном високопродуктивних молочних корів, створивши безрогу худобу, але не зашкодивши цінній генетиці, що сформувалася завдяки століттям селекційного виведення для оптимального виробництва молока. Перші дві такі тварини — безрогі телята, яких назвали Спотіджі та Барі125, — ніколи не зазнають страхіття видалення зачатків рогів.

Надалі регулятори й споживачі, які розглядають таку генетично редаговану худобу, муситимуть вирішити, що важливіше: результати чи засоби їхнього досягнення, продукт чи процес, унаслідок якого його створено. Безрогу худобу можна вивести за роки звичайного розведення. Генетичне редагування просто дає змогу значно ефективніше цього досягти. Якщо CRISPR і споріднені технології можуть зменшити застосування негуманних практик, як-от позбавлення рогів, скоротити використання антибіотиків і захистити худобу від смертельних інфекцій, то чи можемо ми дозволити собі їх ігнорувати?

Скотарі й науковці, які вивчають продукти харчування, не єдині, хто редагує геноми тварин. Це практикують і біомедики — чоловіки й жінки, чия основна ціль — покращувати життя людей за допомогою методів, які випробовують на генетично редагованих тваринах, а іноді й розробляють за їхньою допомогою.

Вивчення тварин є невід’ємною частиною дослідження людських хвороб незалежно від того, чи його використовують з метою підтвердження генетичних причин певних розладів, доклінічне тестування потенційних ліків, чи ж для випробування дієвості медичних утручань на зразок хірургії чи клітинної терапії. Надзвичайно важлива відправна точка — наявність генетичної моделі, тварини, чий стан точно відтворює захворювання групи пацієнтів з однаковими фізичними проявами й прихованими генетичними причинами. Технологія CRISPR дає ефективний і раціональний підхід до досягнення цієї мети.

Ще з початку ХХ століття для біомедичних досліджень ссавців найчастіше за модель організму обирали звичайних мишей хатніх (Mus musculus), адже 99 відсотків їхніх генів збігаються з людським геномом. Окрім генетичної спорідненості з нами, миші мають й інші очевидні переваги. У мишей і людей однакові фізіологічні особливості, як-от наявність імунної, нервової, серцево-судинної, опорно-рухової та інших систем. Мишей можна розводити в неволі, і їх легко та дешево утримувати завдяки невеликому розміру, покірності й плодючості. Їхня пришвидшена тривалість життя — один мишачий рік дорівнює приблизно тридцяти людським — означає, що весь цикл життя можна дослідити за декілька років у лабораторії. І, можливо, найважливіше те, що мишей можна генетично змінювати за допомогою різноманітних підходів (технологія CRISPR стала найпотужнішою і найновішою), щоб імітувати величезну кількість людських захворювань і станів. Щороку мільйони мишей розводять і доставляють дослідникам по всьому світу. Нині існує більше тридцяти тисяч унікальних порід цих гризунів126, які використовують для вивчення всього, починаючи від раку та серцево-судинних захворювань і закінчуючи сліпотою й остеопорозом.

Утім, миші як моделі також мають обмеження, оскільки багато людських хвороб, зокрема кістозний фіброз, хвороба Паркінсона, Альцґеймера й Гантінгтона, у них проявляються не так, як у людини, або ж тварини нетипово реагують на потенційне лікування. Ці недосконалості створили прогалину в переході від теорії до практики, тобто від дослідження відкриттів у лабораторії до медичного лікування в клініці.

Технологія CRISPR допоможе перекинути місток через цю прірву, зробивши моделювання захворювань в інших тваринах так само доступним, яким воно було з мишами. Це відкриття вже можна побачити на прикладі нелюдиноподібних приматів127. Трансгенних мавп уперше створили на початку 2000-х, коли дослідники використали віруси для того, щоб вставити чужі гени в мавпячий геном, утім генетично редагованих мавп до появи технології CRISPR отримати так і не вдалося. Це змінилося на початку 2014-го, коли китайська команда створила генетично редагованих макак, увівши CRISPR в одноклітинні ембріони, зовсім так само, як цей метод застосували на мишах за рік до того. У цьому дослідженні науковці запрограмували CRISPR для одночасного виявлення двох генів: один пов’язаний із важким комбінованим імунодефіцитом у людей, а інший — з ожирінням, причому обидва мали очевидний вплив на здоров’я людини. Відтоді інші дослідники створили макак зі змінами в гені, який мутує в більш ніж 50 відсотках випадків людських онкологічних захворювань128, а також макак-резус, що були носіями мутацій, які спричиняли м’язову дистрофію Дюшенна129. До редагування також удаються, аби змінити гени, причетні до нервових розладів, користуючись тим фактом, що модель мавп бездоганно підходить для вивчення поведінкових і когнітивних відхилень у людей130. Хоча з одного боку мені стає ніяково від думки, що мавп використовують у такий спосіб, я також чудово усвідомлюю нагальну потребу в розробці методів лікування й медикаментів для хвороб, щоб зменшити страждання людей. Ці генетично редаговані мавпи можуть слугувати надійними дублерами пацієнтів-людей, даючи змогу науковцям шукати ліки, не наражаючи на загрозу людські життя.

Завдяки технології CRISPR свині стали ще однією популярною тваринною моделлю людських захворювань. І все через їхні анатомічні подібності з людьми, відносно короткий період вагітності та значну кількість потомства. З погляду норм сприйняття мені здається, що використовувати сільськогосподарських тварин для здійснення біомедичних досліджень є більш прийнятним, аніж тварин-компаньйонів на зразок приматів. Насправді ж генетично редагованих свиней уже використовували для моделювання пігментаційних дефектів, синдромів глухоти, хвороби Паркінсона та імунологічних розладів, і цей перелік збільшуватиметься й надалі.

Багато науковців розглядають свиней як потенційне джерело лікування. Колись у майбутньому ми зможемо використовувати цих тварин у ролі біореакторів для вироблення коштовних ліків — наприклад, лікувальних людських білків, які занадто складні, щоб синтезувати їх із нуля, і які можуть утворюватися лише в живих клітинах. Науковці вже розглядали інших трансгенних тварин, які могли б виробляти біологічні препарати. Перші такі ліки, схвалені Управлінням продовольства й медикаментів, називалися антитромбін, і виробляли їх із молока генетично модифікованих кіз. Ще один схвалений препарат був виготовлений із молока трансгенних кролів, а у 2015 році Управління продовольства й медикаментів США дало зелене світло лікам, отриманим із яєчних білків трансгенних курей131.

Існує чимало переваг синтезу ліків у трансгенних тваринах132, порівняно зі штучно виведеними клітинами, зокрема вища продуктивність, легше пропорційне збільшення та нижча вартість. Технологія CRISPR обіцяє розвинути фармацевтичне виробництво, давши науковцям значно кращий генетичний контроль над створенням передусім трансгенних тварин. Наприклад, експерименти на свинях показали, що механізм CRISPR дає змогу безпосередньо замінити свинячі гени людськими відповідниками133, що збільшує виробництво генетично кодованих білків із лікувальними властивостями. Якщо ви задумаєтеся над тим, що значна кількість найпопулярніших препаратів виготовлена на основі білків, то стане зрозумілим, що потенціал для генетичного редагування в цій конкретній сфері медицини просто безмежний.

Деякі науковці сподіваються, що свині можуть дати навіть більше — стати широким, відновлюваним джерелом цілих органів для ксенотрансплантації реципієнтам-людям. Ідея не нова, адже свиней уже давно розглядають на цю роль із майже тих самих причин, чому й обирають як моделі захворювань. Цих тварин легко розводити, вони швидко розмножуються, а ще їхні органи винятково схожі за розміром з людськими. Але поки що ця мрія видається недосяжною. Низка імунологічних механізмів захисту в людському тілі атакує донорські органи, що є великою проблемою для лікарів і пацієнтів, навіть коли трансплантація здійснюється від людини до людини. Існує лише декілька цінних прикладів успішної довгострокової ксенотрансплантації.

Ніколи ще у світі не було більшої потреби в нових органах. Лише в Сполучених Штатах Америки понад 124 000 пацієнтів нині в черзі на пересадку134, хоча щорічно здійснюється приблизно 28 000 таких операцій. Було підраховано, що нові особи додаються до національної черги на пересадку органів кожні десять хвилин135 і що в середньому двадцять дві людини на день помирають, не дочекавшись донорських органів, або ж стають настільки хворими, що вже не здатні їх отримати. Нестача донорських органів — найбільша причина цієї нескінченної трагедії.

Нові технології, включно з CRISPR, дають змогу створювати свиней з органами, що підходять для пересадки людям. Попередні вдосконалення зосереджувалися на перенесенні людських генів у геном свині, щоб тваринні органи могли уникнути гострого імунного відторгнення, ризик якого є під час будь-якої ксенотрансплантації. Нині редагування генома пристосовують для вимкнення генів свиней, які могли б спровокувати імунну відповідь людини, і зменшення ризику того, що віруси, які містяться в геномі свині136, можуть активуватися й заразити людей під час трансплантації. Нарешті технології клонування дають можливість безшовно поєднати різні генетичні зміни в одній тварині. Як заявив генеральний директор відомої в цій галузі компанії, мета полягає в тому, щоб надати «необмежену кількість органів для трансплантації»137, які можна було б виробляти на замовлення.

Нині ці зусилля лише на етапі зародження, але вже є приголомшливі повідомлення про використання свиней, які були «олюднені» за допомогою генної інженерії. Пересаджена нирка протрималася більше шести місяців у реципієнта-бабуїна, а свиняче серце прижилося в тілі бабуїна на два з половиною роки. На майбутні дослідження було виділено десять мільйонів доларів, і компанія під назвою Revivicor уже окреслила плани стосовно виведення тисячі свиней на рік у новітніх виробничих об’єктах із хірургічними залами та злітно-посадковими майданчиками для того, щоб доставляти свіжі органи туди, де вони будуть потрібні. Схоже, що все тепер залежить від часу. У найближчому майбутньому ксенотрансплантація проторує собі шлях до клінічних випробувань, а технологія CRISPR відчинить двері для пацієнтів, що прагнуть отримати нові органи та новітні методи лікування.

Я росла в оточенні рослин і тварин життєдайної гавайської екосистеми, а тому мене водночас і зачаровують, і, треба визнати, трохи тривожать усі ті способи, якими CRISPR починають використовувати для генетичної модифікації тварин. Сподіваюся, що завдяки генетично редагованій худобі сільське господарство стане гуманнішим і безпечнішим для довкілля, а не лише прибутковішим. За допомогою генетично редагованих тварин — наприклад, мишей чи мавп — ми зуміємо краще дослідити людські хвороби, а генетично редаговані свині можуть стати майбутніми донорами органів. Утім я сподіваюся, що спільна повага до добробуту тварин стримає ці та інші схожі поривання.

Однак із поширенням редагування генів, яке стало можливим завдяки CRISPR, здається неминучим, що хтось таки редагуватиме гени тварин без будь-якої медичної мети й не намагаючись зробити тваринництво більш продуктивним чи гуманним. Візьмімо, наприклад, нову породу мініатюрних свиней, так званих мікропігів138. Цих тваринок створили за допомогою редагування генів у Пекінському інституті геноміки (BGI) в Китаї й уперше показали під час біотехнологічного саміту, де вони приголомшили всіх. Дорослі мікропігі важать трохи менше чотирнадцяти кілограмів, приблизно стільки ж, як і собака середнього розміру. Натомість вага фермерських свиней часто сягає більше дев’яноста кілограмів. Первісно Пекінський інститут геноміки створив мікропігів із дослідницькою метою, оскільки значний розмір звичайних свиней може зробити їх тягарем для співробітників лабораторії. Розрізавши та деактивувавши ген, відповідальний за гормон росту, науковці вивели низькорослих свиней, які в усьому іншому розвивалися цілком нормально. І хоча мікропігі лишаються корисними для дослідників — китайська група нещодавно використала CRISPR у цих тваринах, щоб створити з них модель людської хвороби Паркінсона139, — Пекінський інститут геноміки також почав пропонувати їх як домашніх улюбленців, попри те, що ціна на них становить приблизно 15 000 доларів за свиню. Колись споживачі матимуть змогу навіть обирати бажані риси тварин, як-от забарвлення або візерунок на шерсті — і все це завдяки редагуванню генів.

Деякі фахівці з біоетики, як-от Жантін Лунсгоф із Гарвардської школи медицини, стурбовані тим, що генетичні маніпуляції використали «виключно задля задоволення своєрідних уподобань людини»140. Та все одно я не впевнена, що це варто вважати поганим. Зрештою, у будь-якому звичайному собачому парку можна знайти двокілограмового чихуахуа, що гратиметься поруч із дев’яностокілограмовим великим данцем, і вони обидва є представниками одного виду. Чи таке виведення порід не ще один інструмент генетичного маніпулювання, як і CRISPR, от тільки менш передбачливий і ефективний? Є навіть підстави вважати, що генетичні маніпуляції кращі за виведення. На відміну від мікропігів, чиє здоров’я не відрізняється від їхніх родичів нормального розміру, дуже велика кількість виведених собак страждає від жахливих наслідків для свого фізичного стану. Лабрадори мають схильність приблизно до тридцяти генетичних захворювань, 60 відсотків золотистих ретриверів помирають від раку, біглів нерідко вражає епілепсія, а кінг чарльз спанієлі страждають від нападів і постійного болю внаслідок деформованого черепа141. Навіть зважаючи на ці гострі медичні проблеми, люди все одно не припинили дозволяти смакам диктувати генотипи й фенотипи домашніх улюбленців.

Хай би що там про них думали, генетично редаговані коти й собаки, створені за допомогою біотехнологій, з’являться уже в найближчому майбутньому. Наприкінці 2015-го науковці з Гуачжоу, що в Китаї, повідомили про перше застосування CRISPR на біглях, використавши цю технологію для збільшення м’язової маси собак, вимкнувши знайомий нам ген міостатин, пов’язаний із подвійною мускулатурою віппетів і бельгійських блакитно-білих корів. Двоє цуценят із бажаними мутаціями отримали клички Геркулес і Тяньгоу142 — на честь героя з надлюдською силою в грецькій міфології та небесного собаки в китайській. Хоча один із провідних науковців стверджував, що біглів із додатковими м’язами не будуть розводити як домашніх улюбленців, а натомість використовуватимуть для біомедичних досліджень, він зауважив потенційні переваги таких надсильних собак для поліції та військових. Команда підсумувала своє дослідження, зазначивши, що технологія CRISPR може «також сприяти створенню нових порід собак із бажаними рисами, призначених для інших цілей»143.

Безперечно, маючи зручний у роботі метод редагування генів, уже невдовзі споживачі зможуть замовляти бажані поліпшення для будь-якої породи собак. Куди ще заведе нас уява? Якщо завдяки генетичним маніпуляціям ученим удається позбавити корів рогів, то чому б не скористатися такою технологією, щоб зумисне наділити рогом коней? А якщо ми вже думаємо про додаткові відростки, то навіщо ж зупинятися на цьому? Дослідники з Каліфорнійського університету в Берклі використовують технологію CRISPR для створення цілої низки химерних тілесних трансформацій у ракоподібних144: зябра, що ростуть там, де не мали б, клішні, які стають ногами, щелепи, що перетворюються на вусики, а плавники — на ніжки. Науковці та журналісти вже почали мріяти, що CRISPR можна використати для створення міфічних істот на зразок крилатих драконів145, відредагувавши гени комодського варана. У провідному журналі з біоетики було зазначено, що хоча основи фізики не дозволять цим відредагованим тваринам дихати вогнем, «дуже велика рептилія, що принаймні чимось скидатиметься на європейського чи азіатського дракона146 (нехай навіть із не придатними до польотів крилами), може стати чиєюсь імовірною ціллю».

Доки одні науковці мріють опанувати CRISPR для створення досі не бачених мутантів, інші застосовують цю технологію для відродження справжніх видів тварин, яких більше не існує. Це прагнення відповідно отримало назву девимирання. Такий задум з’явився на кілька десятиліть раніше, ніж відкриття CRISPR, і редагування генів — лише один із методів, завдяки яким науковці сподіваються втілити його в життя. У тих випадках, коли риси вимерлих видів збігаються із сучасними нащадками, дослідники можуть перетворити останніх на предків за допомогою селекційного розведення, створюючи тварин, що скидатимуться на вже вимерлих істот. До цієї стратегії вдалися в Європі, щоб відродити турів147 — диких биків, які вимерли на початку ХVІІ століття, а також на Галапагоських островах, щоб відродити вид слонової черепахи з острова Пінта, остання представниця якого померла у 2012 році. У тих випадках, коли тканини вимерлих тварин удалося ретельно зберегти, ще однією можливістю може бути клонування. Так сталося з піренейським козерогом — диким козлом, що вимер у 1999 році, однак кріогенна консервація зразків шкіри, узятих в останнього живого представника цього виду, дозволила науковцям підсадити його генетичний матеріал у яйцеклітину домашньої кози. (Ту саму процедуру використали для клонування вівці Доллі в 1996 році). Добившись народження живого маляти, ученим удалося вперше за всю історію людства відродити вимерлу тварину148, хоча, на превеликий жаль, козеня померло лише за декілька хвилин після появи на світ. До такого самого підходу нині вдаються науковці з Росії та Південної Кореї, які сподіваються використати тканини мамута, знайдені в східній Росії, щоб відродити косматих мамутів149.

Технологія CRISPR дає ще один спосіб повернути до життя зниклі види, який не так уже й відрізняється від художнього зображення відродження динозаврів у книзі «Парк юрського періоду» та її голлівудській екранізації 1993 року. У цій надзвичайно цікавій науковій фантастиці вчені втиснули в ДНК жаби гени вимерлих динозаврів, знайдені в скам’янілих комарах, що застигли в бурштині. На жаль (чи може й на щастя — залежно від того, як ви ставитеся до динозаврів), хімічний зв’язок у ДНК надто нестабільний, щоб лишатися непошкодженим упродовж 65 мільйонів років. Утім, автор книжки Майкл Крайтон був не надто й далеко від правди.

Схожу стратегію з косматими мамутами намагається втілити в життя команда гарвардських дослідників під керівництвом Джорджа Черча. Найважливіша відправна точка — це високоякісний геном із повною послідовністю, отриманий від двох представників косматих мамутів, які загинули приблизно від двадцяти до шістдесяти тисяч років тому. Ці геноми дали змогу науковцям ретельно проаналізувати всі відмінності між ДНК мамутів і сучасних слонів, їхніх найближчих родичів. Зважаючи на вкрай холодні ареали проживання косматих мамутів, не дивно, що дослідники виявили між цими двома геномами 1668 відмінних генів150, що кодували білки, основна функція яких була пов’язана з відчуттям температури, поліпшенням шкіри й шерсті та виробленням жирових тканин. У 2015 році, працюючи з клітинами слонів, команда Черча використала CRISPR, щоб перетворити чотирнадцять генів зі слонячого варіанта на відповідні гени косматих мамутів151. За допомогою послідовного редагування генів теоретично можна було зробити те саме й з рештою.

Для того щоб повністю перетворити геном слонів на геном косматих мамутів, потрібно змінити більше 1,5 мільйона літер ДНК, адже саме скільки відмінностей існує між ними. До того ж немає жодних гарантій, що редаговані клітини слонів можна буде використати для створення справжньої вагітності. Навіть якби це й удалося здійснити, невже малюк, народжений слоном і позбавлений відповідного природного середовища та соціальної культури, і справді виявився б тим самим косматим мамутом? Чи це був би просто слон із новими рисами, списаними з генетики тих давніх істот152?

Ще коли я вперше почула про такі експерименти, то ніяк не могла вирішити, чи вони прекрасні, чи сумні, чи щось середнє. На мою думку, а також на думку більшості людей у ширшій науковій спільноті, відповідей на ці запитання досі немає. Очевидним видається тільки одне: деякі з варіантів застосування технології CRISPR, що використовують у царстві тварин, благородніші за інші, і щоразу намагаючись визначитися, що ж я відчуваю стосовно конкретного випадку, ловлю себе на тому, що заглиблююся в нетрі аргументів і контраргументів.

То чи має сенс узагалі відроджувати косматих мамутів чи будь-який інший вимерлий вид? Однією з причин міг бути подив — зачудування та захват можливостями, які раніше були доступні лише природі, але тепер відкрилися й нам. Дехто юрбиться в зоопарках чи вирушає на сафарі, щоб зблизька побачити левів чи жирафів. Уявіть, як чарівно й хвилююче було б стояти поруч із живим мамутом. Серед інших спонукань для редагування генома слона з метою наблизити його до генома косматого мамута — порятунок азіатського слона, якому загрожує вимирання, а також зменшення вивільнення вуглецю в тундрі.

На користь девимирання також свідчить і етичний аргумент. Якщо люди стали причиною вимирання деяких видів і тепер мають силу повернути їх до життя, то хіба не зобов’язані ми це зробити? Long Now Foundation — одна з організацій, що керує рухом на підтримку девимирання, уважає саме так. Її місія полягає в тому, щоб «збільшити біорізноманіття через генетичний порятунок вимерлих видів чи тих, яким загрожує вимирання»153 за допомогою інструментів генної інженерії та природоохоронної біології. Зусилля цієї компанії спрямовані водночас і на девимирання, і на запобігання зникненню видів. У її переліку кандидатів на відродження — мандрівні голуби, яких винищили в процесі полювання в ХІХ столітті, безкрила гагара, популяція якої стрімко зменшилася в ХVІ столітті внаслідок винищення заради пуху, а також шлунко-виводкові жаби, яких убив приблизно в 1980 році згубний грибок, що в їхнє природне середовище принесли люди.

Та це ще зовсім не означає, що відроджені види гостинно привітають у сучасному світі або що їхня повторна поява не потягне за собою небезпеку й для них, і для нас. Так само як сучасні види, випущені в чужому для них середовищі, можуть спричинити справжній екологічний безлад у новій домівці, так і відновлені види здатні підірвати екосистеми, у які їх могли б поселити. Крім того, оскільки ми ніколи не мали змоги повертати вимерлі види, ніхто не знає, якими значними виявляться наслідки їхньої повторної появи й чим вони можуть закінчитися.

Існують також й інші переконливі підстави виступати проти використання технології CRISPR для відродження вимерлих видів, чимось схожі на аргументи проти застосування її для створення дизайнерських домашніх улюбленців. Ми мусимо обміркувати моральність цього та зважати на добробут тварин. Скільки страждань тварин, як-от каліцтво та передчасну загибель, звичні для процесу виробництва одягу, можна виправдати здійсненням наукових досліджень, які майже точно ніколи не вплинуть на здоров’я людей і не покращать його? Чи не відволікатиме нас зосередження на девимиранні та дизайнерських домашніх улюбленцях від захисту видів, що опинилися під загрозою вимирання, або від поганого ставлення до наших тварин-компаньйонів і нехтування ними? І на фундаментальному рівні: якщо ми можемо запобігти тому, щоб змінювати природу більше, ніж уже змінили, то чи не варто нам хоча б спробувати це?

Технологія CRISPR змушує нас зіткнутися з важкими запитаннями на зразок вищезгаданих, на які, можливо, немає відповідей, адже всі вони зводяться до таємниць у стосунках між людьми й природою. Люди змінювали генетичний склад рослин і тварин ще задовго до появи генної інженерії.

Чи варто нам повторювати вплив на довкілля з цими новими інструментами, попри те, що в минулому ми не проявили такої стриманості? Як порівняти з тим, що ми вже зробили з нашою планетою, — байдуже, зумисне або ні, — чи є редагування генів за допомогою CRISPR менш природним або ще шкідливішим? Легких відповідей на ці запитання немає.

Існує принаймні один спосіб, за якого спроможність редагувати гени інших видів може стати небезпечнішою за будь-які зміни на планеті, спричинені людиною. Я маю на увазі революційну технологію, знану як генний драйв. Вона отримала свою назву тому, що дає біоінженерам змогу з небувалою швидкістю «запускати» нові гени, а також пов’язані з ними риси, у дикі популяції — щось на зразок невпинної, каскадної ланцюгової реакції.

Із генним драйвом, як і з іншими відкриттями в галузі редагування генів, що невпинно розвивається, наука рухається так швидко, що важко встигати за нею. Лише через рік після того, як було опубліковано першу теоретичну статтю про цю технологію, генний драйв CRISPR довів свою ефективність спочатку на фруктових мухах, а тоді на комарах. Генні драйви підкорили силу особливого різновиду шаблону спадковості, що визначає, як генетична інформація передається між поколіннями.

Під час нормального статевого розмноження між видами, які мають дві копії кожної хромосоми, нащадки успадковують лише одну з них від кожного з батьків. Це означає, що будь-який конкретний варіант гена має 50-відсоткову ймовірність бути успадкованим. Утім є певні послідовності ДНК (їх ще називають егоїстичними генами), які можуть підвищувати свою частоту в геномі з кожним поколінням навіть без будь-яких доречних переваг для нащадків.

У 2003 році еволюційний біолог Остін Берт запропонував спосіб опанування егоїстичних генів154 для ефективнішого поширення благородних рис і гарантування, що нащадки матимуть стовідсоткову ймовірність успадкування певної ділянки ДНК. Але його ідея ґрунтувалася на технології, якої насправді на той час ще не існувало. Ідеться про легкопрограмовані ферменти, здатні розрізати ДНК, які зробили б можливим просте редагування генів.

З’являється технологія CRISPR. Улітку 2014 року команда Джорджа Черча в Гарварді, очолювана Кевіном Есвельтом, запропонувала спосіб розробки та реалізації генних драйвів за допомогою ефективного редагування генів155. По суті, ідея ґрунтувалася на вмиканні генів, під час якого науковці використовували CRISPR, щоб розрізати ДНК у конкретному місці й вставляти в прогалину нову послідовність літер. Та в генного драйву є одна значна відмінність: частина нової ДНК, що додавалася, містила генетичну інформацію, яка кодувала самі CRISPR. Зовсім як у науково-фантастичному сюжеті про механізм самовідтворення, генний драйв CRISPR може самостійно копіювати себе в нові хромосоми, дозволяючи в геометричній прогресії збільшуватися в популяції. Поєднавши CRISPR із різноманітними генетичними вантажами (наприклад, із генами, стійкими до хвороботворних мікроорганізмів), Есвельт припустив, що теоретично науковці могли б запрограмувати CRISPR копіювати не лише себе, а й будь-яку іншу бажану послідовність ДНК.

Виявляється, генні драйви можуть бути винятково ефективними, як і передбачала ця теорія. На початку 2015 року Ітан Бір і його студент Валентіно Ґанц із Каліфорнійського університету в Сан-Дієго повідомили про першу успішну демонстрацію генного драйву CRISPR156 у звичайній фруктовій мусі, використавши його, щоб вставити в геном дефектний ген, який відповідав за пігментацію. Результат експерименту: 97 відсотків редагованих мух набули нового, світло-жовтого забарвлення замість звичного для цього виду жовто-коричневого. Через півроку ця сама команда розширила свої перші доказові результати до багатообіцяльних випробувань із комарами. Утім, замість того щоб просто змінювати колір комах, цей новий генний драйв поширював ген, що робив нащадків невразливими до Plasmodium falciparum157 — паразита, який щорічно спричиняє сотні мільйонів заражень малярією. Показник успіху в диких комарів, на яких дослідники випробували цей новий генний драйв, був навіть ще вищим — 99,5 відсотка.

Якщо перші з таких генних драйвів (для пігментації) видаються безпечними, а другі (для невразливості до малярії) — корисними, обміркуйте третій приклад. Працюючи незалежно від каліфорнійських науковців, британська команда дослідників, зокрема й Остін Берт (біолог, який запропонував ідею генного драйву), створила генні драйви CRISPR із високою спадковістю, що поширювали гени для стерильності самок158. Оскільки риса стерильності рецесивна, гени швидко поширювалися по всій популяції, нарощуючи свою частотність, аж доки достатня кількість самок не отримувала дві копії, й на цьому етапі популяція раптово гинула. Замість того щоб викорінити малярію генетично видозміненими комарами, які не переносять захворювання, ця стратегія унаочнює грубий інструмент, здатний знищити цілу популяцію, перешкоджаючи її розмноженню. Унаслідок тривалого впливу на популяції диких комарів, зрештою ця стратегія може призвести до повного винищення цілих видів таких комах.

Це не вперше науковці використовують генну інженерію для зменшення популяцій комах. Розповсюджена практика, до якої вдаються вже не одне десятиліття, передбачає випускання в довкілля стерилізованих самців. Основна мета цієї техніки полягає в зменшенні використання певних сільськогосподарських пестицидів на території Північної та Центральної Америки159. Ще один підхід, розроблений британською компанією під назвою Oxitec, передбачав вставку смертоносного гена в геном комара. Польові випробування вже здійснені в Малайзії, Бразилії та Панамі160. Однак ці стратегії мають певні обмеження в спадковості, бо генетичні зміни стрімко усуваються через природний добір, і єдиний спосіб вплинути на популяції комарів — це безперервно випускати величезну кількість модифікованих комах.

Генні драйви CRISPR автономні, оскільки, схоже, спадковість у цьому разі не залежить від природного добору і модифіковані комахи розмножуються, безкінечно передаючи свої дефектні риси. Ця досконалість і робить генні драйви такими потужними й водночас тривожними. Було підраховано, що якби фруктова муха втекла з лабораторії Сан-Дієго під час першого експерименту з драйвами, то поширила б гени, закодовані CRISPR разом із рисою жовтого забарвлення161, приблизно від 20 до 50 відсоткам фруктових мух по всьому світу.

Науковці, що вивчають генні драйви CRISPR, відверто говорять про потребу ретельно зважувати ризики перед тим, як здійснювати подальші експерименти, а також про важливість створення нормативів, що гарантуватимуть безпеку майбутніх досліджень162. Можливо, найбільш очевидний запобіжник, щоб не допустити випадкового потрапляння генного драйву в довкілля, — це суворі обмеження, як-от фізичні бар’єри, що відділятимуть організми від навколишнього середовища, та екологічні бар’єри між ареалом існування тварин і географічним розташуванням лабораторії. На нещодавній конференції під час презентації свого дослідження Ітан Бір продемонстрував присутнім зображення значних стримувальних процедур на місцях, щоб запобігти випадковому випущенню тестових комах. Але в разі невдачі науковці запропонували різноманітні стратегії, які теоретично можуть деактивувати генні драйви, що вийшли з-під контролю. Одна з них — це так званий зворотний драйв163, що по суті функціонує як антидот до переписування будь-яких змін у геномі, створених справжнім генним драйвом.

Навіть маючи найретельніші розробки та планування експериментів, ми не здатні передбачити всі впливи на довкілля, які може мати генний драйв, тому не повинні повністю виключати ймовірність того, що він може вийти з-під контролю й порушити хиткий баланс екосистеми. Ці небезпеки описані в нещодавній доповіді Національної академії науки, інженерії та медицини164 США, у якій схвалили здійснення досліджень та обмеження польових випробувань, але не рекомендували випускати генні драйви в довкілля.

Також немає жодних гарантій, що цей неймовірно потужний інструмент не опиниться в руках людей, які не завдаватимуть собі клопоту роздумами про згубний вплив генних драйвів і яких, можливо, насправді й приваблюватиме саме ця мета. ETC Group — біотехнологічна наглядова організація, яка непокоїться, що генні драйви, які вона називає «генними бомбами», можуть використати у воєнних конфліктах і перетворити на зброю165, налаштувавши на людський мікробіом або ж на основні джерела їжі.

Але хоч би якими жахливими були генні драйви, ми можемо так і не знайти виправдання, щоб замкнути їх у лабораторії. Остін Берт зауважив: «Зрозуміло, що описана тут технологія не повинна бути легкодоступною. Водночас, зважаючи на страждання, які спричиняють деякі види, її не можна ігнорувати»166. Генні драйви можуть допомогти розв’язати глобальні проблеми в сільському господарстві, охороні довкілля та здоров’я людей значно точніше, ніж дозволяли попередні підходи. Серед запропонованих застосувань — усунення стійкості до гербіцидів і пестицидів — поширеного явища серед організмів, яке загрожує сільському господарству, підвищення біорізноманіття через контролювання й навіть знищення популяцій загарбницьких видів, як-от азійського коропа, очеретяної жаби та мишей, а також викорінення інфекційних хвороб на зразок хвороби Лайма, бактерію-збудник якої переносять кліщі167, і шистосомозу, спричиненого паразитом із класу плоских червів, якого переносять водні молюски. Але, безперечно, найвизначнішим є поштовх до використання генних драйвів, націлених на комарів.

Комарі завдають людині більших страждань, ніж будь-яка інша істота на землі. Хвороби, які вони переносять — малярія, вірус денге, гарячка Західного Нілу, жовта лихоманка, вірус Чікунгунья, Зіка та багато інших, — щороку забирають до одного мільйона життів168. Генні драйви на основі CRISPR можуть стати нашою найкращою зброєю проти цієї повсюдної загрози, і байдуже, чи використаємо ми її для того, щоб комарі не переносили специфічних хвороботворних мікроорганізмів, чи щоб зовсім звести цих комах зі світу. На додачу до всього, генетичні стратегії на зразок CRISPR можуть бути безпечнішими за токсичні пестициди й дати натяк на розв’язання біологічних проблем за допомогою науки.

Але коли раптом ми позбудемося крилатих шкідників, які населяли землю більше сотні мільйонів років, для людства це стане благословенням чи прокляттям?

Доволі неймовірно, але не схоже, щоб науковці аж надто переймалися світом без комарів. Як зауважив один ентомолог, «якщо ми вже завтра їх знищимо, екосистеми, у яких ці комахи активні, гикнуть, а тоді продовжать жити далі»169. Якщо він має рацію й люди здатні звільнити світ від спустошення через хвороби, які переносять комарі, то чи можемо ми виправдати рішення не ризикувати?

Я ставлю ці запитання тому, що також шукаю на них відповіді. Ставки досить високі, тож це стало найважчими науковими проблемами, із якими ми нині зіткнулися. Дуже важливо, щоб ми добре обміркували, як варто використовувати цю нову біотехнологію в царстві рослин і тварин. Сподіваюся, що з відповідними знаннями й критичним аналізом своїх дій ми зуміємо дати відповідь на це запитання: яку користь люди зможуть здобути від генетично редагованої флори й фауни, уникнувши найбільших небезпек?

Та все одно, як і чимало інших науковців, іноді я можу лише спостерігати за вже виконаною роботою з рослинами й тваринами, що є марною для кінцевої мети редагування генів. Звісно, я говорю про те, що ми з Еммануель мали на думці, уперше споглядаючи результати нашого спільного дослідження. Мрію, що колись ці зусилля допоможуть переписати ДНК в людських пацієнтах, щоб вилікувати їхні хвороби.

74 P. Piffanelli et al., “A Barley Cultivation-Associated Polymorphism Conveys Resistance to Powdery Mildew,” Nature 430 (2004): 887–891.

75 N. V. Federoff and N. M. Brown, Mendel in the Kitchen: A Scientist’s View of Genetically Modified Foods (Washington, DC: Joseph Henry Press, 2004), 54.

76 J. H. Jørgensen, “Discovery, Characterization and Exploitation of Mlo Powdery Mildew Resistance in Barley,” Euphytica 63 (1992): 141–152.

77 R. Büschges et al., “The Barley Mlo Gene: A Novel Control Element of Plant Pathogen Resistance,” Cell 88 (1997): 695–705.

78 W. Jiang et al., “Demonstration of CRISPR/Cas9/sgRNA-Mediated Targeted Gene Modification in Arabidopsis, Tobacco, Sorghum and Rice,” Nucleic Acids Research 41 (2013): e188; N. M. Butler et al., “Generation and Inheritance of Targeted Mutations in Potato (Solanum Tuberosum L.) Using the CRISPR/Cas System,” PLoS ONE 10 (2015): e0144591; S. S. Hall, “Editing the Mushroom,” Scientific American 314 (2016): 56–63.

79 H. Jia and N. Wang, “Targeted Genome Editing of Sweet Orange Using Cas9/sgRNA,” PLoS ONE 9 (2014): e93806.

80 S. Nealon, “Uncoding a Citrus Tree Killer,” UCR Today, February 9, 2016.

81 D. Cyranoski, “CRISPR Tweak May Help Gene-Edited Crops Bypass Biosafety Regulation,” Nature News, October 19, 2015.

82 A. Chaparro-Garcia, S. Kamoun, and V. Nekrasov, “Boosting Plant Immunity with CRISPR/Cas,” Genome Biology 16 (2015): 254–257.

83 W. Haun et al., “Improved Soybean Oil Quality by Targeted Mutagenesis of the Fatty Acid Desaturase 2 Gene Family,” Plant Biotechnology Journal 12 (2014): 934–940.

84 B. M. Clasen et al., “Improving Cold Storage and Processing Traits in Potato Through Targeted Gene Knockout,” Plant Biotechnology Journal 14 (2016): 169–176.

85 United States Department of Agriculture, “Glossary of Agricultural Biotechnology Terms,” last modified February 27, 2013, www.usda.gov/wps/portal/usda/usdahome?navid=BIOTECH_GLOSS&navtype=RT&parentnav=BIOTECH.

86 USDA Economic Research Service, “Adoption of Genetically Engineered Crops in the U.S.,” last modified July 14, 2016, www.ers.usda.gov/data-products/adoption-of-genetically-engineered-crops-in-the-us.aspx.

87 Pew Research Center, “Eating Genetically Modified Foods,” www.pewinternet.org/2015/01/29/public-and-scientists-views-on-science-and-society/pi_2015–01–29_science-and-society-03–02/.

88 J. W. Woo et al., “DNA-Free Genome Editing in Plants with Preassembled CRISPR-Cas9 Ribonucleoproteins,” Nature Biotechnology 33 (2015): 1162–1164.

89 “Breeding Controls,” Nature 532 (2016): 147.

90 NBT — абревіатура від англ. new breeding techniques (нові методи розведення). — Прим. ред.

91 H. Ledford, “Gene-Editing Surges as US Rethinks Regulations,” Nature News, April 12, 2016.

92 A. Regalado, “DuPont Predicts CRISPR Plants on Dinner Plates in Five Years,” MIT Technology Review, October 8, 2015.

93 E. Waltz, “A Face-Lift for Biotech Rules Begins,” Nature Biotechnology 33 (2015): 1221–1122.

94 M. C. Jalonick, “Obama Signs Bill Requiring Labeling of GMO Foods,” Washington Post, July 29, 2016.

95 C. Harrison, “Going Swimmingly: AquaBounty’s GM Salmon Approved for Consumption After 19 Years,” SynBioBeta, November 23, 2015, synbiobeta.com/news/aquabounty-gm-salmon/.

96 A. Pollack, “Genetically Engineered Salmon Approved for Consumption,” New York Times, November 19, 2015.

97 W. Saletan, “Don’t Fear the Frankenfish,” Slate, November 20, 2015, www.slate.com/articles/health_and_science/science/2015/11/genetically_engineered_aquabounty_salmon_safe_fda_decides.html.

98 A. Kopicki, “Strong Support for Labeling Modified Foods,” New York Times, July 27, 2013.

99 Friends of the Earth, “FDA’s Approval of GMO Salmon Denounced,” foe.org/news/2015-11-fdas-approval-of-gmo-salmon-denounced/.

100 K. Saeki et al., “Functional Expression of a Delta12 Fatty Acid Desaturase Gene from Spinach in Transgenic Pigs,” Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 101 (2004): 6361–6366.

101 S. P. Golovan et al.,“Pigs Expressing Salivary Phytase Produce Low-Phosphorus Manure,” Nature Biotechnology 19 (2001): 741–745.

102 C. Perkel, “University of Guelph ‘Enviropigs’ Put Down, Critics Blast ‘Callous’ Killing,” Huffington Post Canada, June 21, 2012.

103 R. Kambadur et al., “Mutations in Myostatin (GDF8) in Double-Muscled Belgian Blue and Piedmontese Cattle,” Genome Research 7 (1997): 910–916.

104 A. C. McPherron, A. M. Lawler, and S. J. Lee, “Regulation of Skeletal Muscle Mass in Mice by a New TGF-β Superfamily Member,” Nature 387 (1997): 83–90.

105 A. Clop et al., “A Mutation Creating a Potential Illegitimate microRNA Target Site in the Myostatin Gene Affects Muscularity in Sheep,” Nature Genetics 38 (2006): 813–818.

106 D. S. Mosher et al., “A Mutation in the Myostatin Gene Increases Muscle Mass and Enhances Racing Performance in Heterozygote Dogs,” PLoS Genetics 3 (2007): e79.

107 M. Schuelke et al.,“Myostatin Mutation Associated with Gross Muscle Hypertrophy in a Child,” New England Journal of Medicine 350 (2004): 2682–2688.

108 E. P. Zehr, “The Man of Steel, Myostatin, and Super Strength,” Scientific American, June 14, 2013.

109 L. Qian et al., “Targeted Mutations in Myostatin by Zinc-Finger Nucleases Result in Double-Muscled Phenotype in Meishan Pigs,” Scientific Reports 5 (2015): 14435.

110 X. Wang et al., “Generation of Gene-Modified Goats Targeting MSTN and FGF5 via Zygote Injection of CRISPR/Cas9 System,” Scientific Reports 5 (2015): 13878.

111 S. Reardon, “Welcome to the CRISPR Zoo,” Nature News, March 9, 2016.

112 A. Harmon, “Open Season Is Seen in Gene Editing of Animals,” New York Times, November 26, 2015.

113 C. Whitelaw et al., “Genetically Engineering Milk,” Journal of Dairy Research 83 (2016): 3–11.

114 Вірус репродуктивного та респіраторного синдрому свиней. — Прим. пер.

115 D. J. Holtkamp et al., “Assessment of the Economic Impact of Porcine Reproductive and Respiratory Syndrome Virus on United States Pork Producers,” Journal of Swine Health and Production 21 (2013): 72–84.

116 K. M. Whitworth et al., “Use of the CRISPR/Cas9 System to Produce Genetically Engineered Pigs from In Vitro–Derived Oocytes and Embryos,” Biology of Reproduction 91 (2014): 1–13.

117 K. M. Whitworth et al., “Gene-Edited Pigs Are Protected from Porcine Reproductive and Respiratory Syndrome Virus,” Nature Biotechnology 34 (2016): 20–22.

118 Center for Food Security and Public Health, “African Swine Fever,” www.cfsph.iastate.edu/Factsheets/pdfs/african_swine_fever.pdf.

119 C. J. Palgrave et al., “Species-Specific Variation in RELA Underlies Differences in NF-κB Activity: A Potential Role in African Swine Fever Pathogenesis,” Journal of Virology 85 (2011): 6008–6014.

120 S. G. Lillico et al., “Mammalian Interspecies Substitution of Immune Modulatory Alleles by Genome Editing,” Scientific Reports 6 (2016): 21645.

121 H. Devlin, “Could These Piglets Become Britain’s First Commercially Viable GM Animals?,” Guardian, June 23, 2015.

122 B. Graf and M. Senn, “Behavioural and Physiological Responses of Calves to Dehorning by Heat Cauterization with or Without Local Anaesthesia,” Applied Animal Behaviour Science 62 (1999): 153–171.

123 I. Medugorac et al., “Bovine Polledness — an Autosomal Dominant Trait with Allelic Heterogeneity,” PLoS ONE 7 (2012): e39477.

124 D. F. Carlson et al., “Production of Hornless Dairy Cattle from Genome-Edited Cell Lines,” Nature Biotechnology 34 (2016): 479–481.

125 K. Grens, “GM Calves Move to University,” Scientist, December 21, 2015.

126 N. Rosenthal and Steve Brown, “The Mouse Ascending: Perspectives for Human-Disease Models,” Nature Cell Biology 9 (2007): 993–999; www.findmice.org/repository.

127 B. Shen et al., “Generation of Gene-Modified Cynomolgus Monkey via Cas9/RNA-Mediated Gene Targeting in One-Cell Embryos,” Cell 156 (2014): 836–843.

128 H. Wan et al., “One-Step Generation of p53 Gene Biallelic Mutant Cynomolgus Monkey via the CRISPR/CasSystem,” Cell Research 25 (2015): 258–261.

129 Y. Chen et al., “Functional Disruption of the Dystrophin Gene in Rhesus Monkey Using CRISPR/Cas9,” Human Molecular Genetics 24 (2015): 3764–3774.

130 Z. Tu et al., “CRISPR/Cas9: A Powerful Genetic Engineering Tool for Establishing Large Animal Models of Neurodegenerative Diseases,” Molecular Neurodegeneration 10 (2015): 35–42; Z. Liu et al., “Generation of a Monkey with MECP2 Mutations by TALEN-Based Gene Targeting,” Neuroscience Bulletin 30 (2014): 381–386.

131 C. Sheridan, “FDA Approves ‘Farmaceutical’ Drug from Transgenic Chickens,” Nature Biotechnology 34 (2016): 117–119.

132 L. R. Bertolini et al., “The Transgenic Animal Platform for Biopharmaceutical Production,” Transgenic Research 25 (2016): 329–343.

133 J. Peng et al., “Production of Human Albumin in Pigs Through CRISPR/Cas9-Mediated Knockin of Human cDNA into Swine Albumin Locus in the Zygotes,” Scientific Reports 5 (2015): 16705.

134 D. Cooper et al., “The Role of Genetically Engineered Pigs in Xenotransplantation Research,” Journal of Pathology 238 (2016): 288–299.

135 U.S. Department of Health and Human Services, “The Need Is Real: Data,” www.organdonor.gov/about/data.html.

136 L. Yang et al., “Genome-Wide Inactivation of Porcine Endogenous Retroviruses (PERVs),” Science 350 (2015): 1101–1104.

137 A. Regalado, “Surgeons Smash Records with Pig-to-Primate Organ Transplants,” MIT Technology Review, August 12, 2015.

138 D. Cyranoski, “GeneEdited ‘Micropigs’ to Be Sold as Pets at Chinese Institute,” Nature News, September 29, 2015.

139 X. Wang et al., “One-Step Generation of Triple Gene-Targeted Pigs Using CRISPR/Cas9 System,” Scientific Reports 6 (2016): 20620.

140 Cyranoski, “Gene-Edited ‘Micropigs.

141 C. Maldarelli, “Although Purebred Dogs Can Be Best in Show, Are They Worst in Health?,” Scientific American, February 21, 2014.

142 Q. Zou et al., “Generation of Gene-Target Dogs Using CRISPR/Cas9 System,” Journal of Molecular Cell Biology 7 (2015): 580–583.

143 A. Regalado, “First Gene-Edited Dogs Reported in China,” MIT Technology Review, October 19, 2015.

144 A. Martin et al., “CRISPR/Cas9 Mutagenesis Reveals Versatile Roles of Hox Genes in Crustacean Limb Specification and Evolution,” Current Biology 26 (2016): 14–26.

145 M. Evans, “Could Scientists Create Dragons Using CRISPR Gene Editing?,” BBC News, January 3, 2016.

146 R. A. Charo and H. T. Greely, “CRISPR Critters and CRISPR Cracks,” American Journal of Bioethics 15 (2015): 11–17.

147 B. Switek, “How to Resurrect Lost Species,” National Geographic News, March 11, 2013; S. Blakeslee, “Scientists Hope to Bring a Galápagos Tortoise Species Back to Life,” New York Times, December 14, 2015.

148 J. Folch et al.,“First Birth of an Animal from an Extinct Subspecies (Capra pyrenaica pyrenaica) by Cloning,” Theriogenology 71 (2009): 1026–1034.

149 K. Loria and D. Baer, “Korea’s Radical Cloning Lab Told Us About Its Breathtaking Plan to Bring Back the Mammoth,” Tech Insider, September 10, 2015.

150 V. J. Lynch et al., “Elephantid Genomes Reveal the Molecular Bases of Woolly Mammoth Adaptations to the Arctic,” Cell Reports 12 (2015): 217–228.

151 J. Leake, “Science Close to Creating a Mammoth,” Sunday Times, March 22, 2015.

152 B. Shapiro, “Mammoth 2.0: Will Genome Engineering Resurrect Extinct Species?”, Genome Biology 16 (2015): 228–230.

153 Long Now Foundation, “What We Do,” reviverestore.org/what-we-do/.

154 A. Burt, “SiteSpecific Selfish Genes as Tools for the Control and Genetic Engineering of Natural Populations,” Proceedings of the Royal Society of London B 270 (2003): 921–928.

155 K. M. Esvelt et al., “Concerning RNA-Guided Gene Drives for the Alteration of Wild Populations,” eLife 3 (2014): e03401.

156 V. M. Gantz and E. Bier, “The Mutagenic Chain Reaction: A Method for Converting Heterozygous to Homozygous Mutations,” Science 348 (2015): 442–444.

157 V. M. Gantz et al., “Highly Efficient Cas9-Mediated Gene Drive for Population Modification of the Malaria Vector Mosquito Anopheles stephensi,” Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 112 (2015): E6736–43.

158 A. Hammond et al., “A CRISPR-Cas9 Gene Drive System Targeting Female Reproduction in the Malaria Mosquito Vector Anopheles gambiae,” Nature Biotechnology 34 (2016): 78–83.

159 L. Alphey et al., “Sterile-Insect Methods for Control of Mosquito-Borne Diseases: An Analysis,” Vector Borne and Zoonotic Diseases 10 (2010): 295–311.

160 L. Alvarez, “A Mosquito Solution (More Mosquitoes) Raises Heat in Florida Keys,” New York Times, February 19, 2015.

161 “Gene Intelligence,” Nature 531 (2016): 140.

162 O. S. Akbari et al., “Biosafety: Safeguarding Gene Drive Experiments in the Laboratory,” Science 349 (2015): 927–929.

163 J. E. DiCarlo et al., “Safeguarding CRISPRCas9 Gene Drives in Yeast,” Nature Biotechnology 33 (2015): 1250–1255.

164 National Academies of Sciences, Engineering, and Medicine, “Gene Drives on the Horizon: Advancing Science, Navigating Uncertainty, and Aligning Research with Public Values,” nas-sites.org/gene-drives/.

165 ETC Group, “Stop the Gene Bomb! ETC Group Comment on NAS Report on Gene Drives,” June 8, 2016, www.etcgroup.org/content/stop-gene-bomb-etc-group-comment-nas-report-gene-drives.

166 A. Burt, “Site-Specific Selfish Genes as Tools for the Control and Genetic Engineering of Natural Populations,” Proceedings of the Royal Society of London B 270 (2003): 921–928.

167 B. J. King, “Are Genetically Engineered Mice the Answer to Combating Lyme Disease?,” NPR, June 16, 2016.

168 American Mosquito Control Association, “Mosquito-Borne Diseases,” www.mosquito.org/page/diseases.

169 J. Fang, “Ecology: A World Without Mosquitoes,” Nature 466 (2010): 432–434.

Розділ 6

Зцілити хворих

Наприкінці 2015-го я завершувала звичні справи, пов’язані із закінченням семестру: виставляла оцінки студентам і розробляла проектні бюджети й дослідницькі цілі на наступний рік. Водночас готувалася до зовсім іншого завдання — презентації, яку невдовзі мала показати віце-президенту Джо Байдену на щорічному зібранні Всесвітнього економічного форуму в Давосі в січні 2016 року.

Запрошення виступити разом із віце-президентом було найостаннішим вотумом довіри до потенційного використання технології CRISPR як медичного інструмента. Мені вже випадала нагода планувати поїздку до Давоса, де щозими збиралися лідери громадського й приватного сектору, щоб обговорити нагальні питання світової ваги. Це вдруге я мала побувати на такій зустрічі, і під час нинішнього візиту, як і під час попереднього, мене попросили розповісти про технологію CRISPR та її глобальний вплив на економіку й суспільство, зокрема як вона може вплинути на медичну галузь.

Але запрошення віце-президента Байдена було, мабуть, найпереконливішим підтвердженням важливості цієї технології у сфері охорони здоров’я. Підстави для запрошення були так само вагомими, як і результати досліджень CRISPR: Байден планував провести прес-конференцію, під час якої разом із науковцями та клінічними лікарями мав урочисто оприлюднити ініціативу президента Обами, спрямовану на координування зусиль для лікування раку. У кращих традиціях американської космічної програми, яка намірилася — і невдовзі таки це зробила — відправити людей на Місяць, цей «запуск ракової ракети» мав на меті об’єднати найкращі й найвидатніші світила країни, щоб знайти лікування для всіх проявів онкологічних захворювань. А зважаючи на те, що Бо, син Байдена, нещодавно помер після багаторічної боротьби з раком мозку, подія видавалася ще серйознішою й нагадувала про людську трагедію та невимовний біль, якого рак завдав стільком родинам.

І хоча довелося схитрувати, але я таки вмовила колег підмінити мене на моїх січневих заняттях і завчасно поїхала до Давоса, щоб узяти участь у зустрічі з Байденом, яка виявилася однаково чарівною й зворушливою. Я багато чого навчилася в знайомих учасників форуму, чимало з яких були науковцями та здійснювали пов’язані з раком дослідження, розробляли ліки й практикували в клініках. Коли вони розповідали про останні відкриття в цій величезній частині медичного світу, завдяки їхнім одкровенням я збагнула, як далеко ми зайшли в лікуванні раку за роки, що минули після такої нетривалої боротьби мого батька з меланомою в 1995-му. Це також прояснило відстань, яку нам ще потрібно здолати, щоб знайти ефективні методи лікування, уже не кажучи про ліки, і ще раз нагадало мені, як технологія CRISPR могла пришвидшити цей процес.

На прес-конференції, коли я обговорювала технологію CRISPR і значення цього інструмента для лікування раку, то пильно дивилася в об’єктиви купи телекамер і натовп присутніх журналістів. Раптом виникло таке відчуття, немовби я бачила подію очима репортерів, дивуючись, чому вчена-біохімік, що досліджувала РНК, сидить поруч із медиками, які присвятили своє професійне життя пошукам ліків від раку. Для мене дуже почесно бути тут, але водночас я ніяковіла від думки, як далеко зайшла й у буквальному, й у метафоричному сенсі, адже обговорювала такі важливі питання в галузі охорони здоров’я разом із віце-президентом Сполучених Штатів.

Серед політиків і науковців, а надто серед загалу дедалі більше ширилося розуміння того, наскільки важливу роль може відігравати редагування генома в розробці нових методів лікування чи навіть самих ліків. На додачу до федеральної підтримки такої терапії у формі грантів для наукових дослідників до справи також долучався й приватний сектор. Науковці, зокрема й ми з Еммануель, стали співзасновниками трьох терапевтичних компаній-стартапів170 — двох у Кембриджі, штат Массачусетс, та однієї в швейцарському місті Базель — і отримали сотні мільйонів доларів венчурного капіталу підтримки. На момент написання цих рядків усі три стали публічними акціонерними компаніями. Пенсильванський університет здійснює перші клінічні випробування на основі CRISPR для здобуття схвалення в Сполучених Штатах171, маючи фінансову підтримку інтернет-мільярдера Шона Паркера. Новий біотехнічний інститут у Сан-Франциско172 спільно з Каліфорнійським університетом у Берклі та Сан-Франциско й зі Стенфордським університетом користуються щедрим внеском на суму майже півмільярда доларів від засновника Facebook Марка Цукерберґа та його дружини — педіатрині Прісцилли Чан. А я здобула право створити в районі затоки Сан-Франциско Інноваційний інститут геноміки173, мета якого полягає в опануванні технологій на зразок CRISPR, щоб здійснити революцію в генній інженерії та подолати хвороби.

Якщо ці недавні приклади можна вважати показовими, то, здається, майбутнє медицини буде тісно пов’язане з технологією CRISPR і новими об’єднаннями та співпрацею громадського й приватного секторів. Але щоб побачити силу CRISPR у запобіганні хворобам, нам не треба чекати. Докази простісінько в нас перед носом.

Доклінічне дослідження на тваринних моделях уже продемонструвало неймовірну здатність технології CRISPR виявляти та відновлювати мутовані гени всередині живого організму. У грудні 2013-го, менш ніж через рік після того, як декілька лабораторій, зокрема й моя, повідомили про успішне використання бактеріальних молекул CRISPR у людських клітинах із метою редагування генів, команда китайських дослідників запрограмувала ті самі молекули для виявлення й відновлення мутації однієї літери серед 2,8 мільярда літер ДНК у геномі миші. У процесі дослідження науковці вперше застосували на живій тварині безпосереднє лікування генетичної хвороби на основі CRISPR174.

Ці новини вразили мене, хоча не можу сказати, що здивували, зважаючи на таке стрімке запровадження нової технології. Та все одно досягнення дослідників були вкрай важливими, адже цей метод став першим у новому поколінні винятково точних генотерапій і, схоже, ознаменував початок нової ери в медицині. Тепер завдяки універсальному молекулярному інструменту можна вилікувати принаймні одне з-поміж понад шести тисяч генетичних захворювань людини, причиною яких є встановлена мутація певного гена.

У процесі експериментальних досліджень, здійснених у Китаї, мишу вдалося вилікувати від вродженої катаракти — розладу, під час якого дефектний ген спричиняє помутніння й зниження якості зору. Упродовж наступних кількох років науковці використовували CRISPR для лікування в мишей м’язової дистрофії (важкої атрофії м’язів), а також численних розладів обміну речовин, що вражають печінку. Тим часом, працюючи з культурами клітин людини, які часто вирощували зі зразків тканин пацієнтів, сотні дослідників застосовували CRISPR для виправлення щораз більшої кількості мутацій ДНК, пов’язаних із деякими найстрашнішими генетичними захворюваннями — від серпоподібноклітинної анемії та гемофілії до кістозних фіброзів і важкого комбінованого імунодефіциту. У чому не крилася б проблема — у хибних літерах, делеціях або вставках зайвих літер у ДНК чи навіть у значних хромосомних аномаліях, — здавалося, що не існує жодної одногенної помилки, яка була б технології CRISPR не до снаги.

Потенційна корисність терапевтичного редагування генома простягається значно далі простого відновлення мутованих генів до їхнього нормального стану. Деякі науковці використовують CRISPR у людських клітинах, щоб блокувати вірусні інфекції відповідно до того, як ця молекулярна захисна система функціонує в бактеріях. Насправді перші клінічні випробування застосування в медицині редагування генів були скеровані на лікування ВІЛ/СНІДу через видозміну власних імунних клітин пацієнта, щоб вірус не міг їх захопити. У процесі ще однієї визначної роботи вдалося врятувати перше людське життя завдяки поєднанню редагування генів з іншим новітнім відкриттям у медицині — раковою імунотерапією, під час якої власна імунна система тіла навчається вистежувати й знищувати злоякісні клітини.

Легко піддатися захвату. Той факт, що редагування генів може назавжди обертати перебіг хвороби в зворотному напрямку завдяки виправленню її генетичної першопричини, видається досить бентежним. Утім більше приголомшує те, що технологію CRISPR можна переозброїти, щоб націлити її на нові послідовності ДНК, а отже, на інші хвороби. Зважаючи на величезний потенціал цієї технології, за останні кілька років я дедалі більше звикаю до того, що до мене звертаються фармацевтичні компанії з проханнями допомогти розібратися з нею й із тим, як її можна використати в розробці нових методів лікування.

Проте терапевтичне редагування генів ще досі на стадії становлення — насправді клінічні випробування тільки-но розпочалися — і досі є чимало важливих запитань стосовно того, як усе розвиватиметься надалі. Боротьба, що тривала не одне десятиліття, за те, щоб скористатися перспективами генної терапії, має нагадувати нам, що поступ у медицині завжди складніший, ніж може здаватися. І для технології CRISPR шлях із лабораторії до лікарні також буде довгим і тернистим.

Рішення, на які типи клітин націлюватися, — це одна з багатьох дилем, із якими стикаються дослідники. Науковцям варто редагувати соматичні клітини (від грецького soma, що в перекладі означає «тіло») чи гермінативні (від латинського germen, що перекладається як «зачаток» чи «паросток»)? Розмежування між цими двома класами клітин є предметом одного з найбільш запальних і важливих обговорень у сучасному медичному світі.

Гермінативні, або ж клітини зародкової лінії — це будь-які клітини, чий геном може бути успадкований наступними поколіннями. Отже, із них розвиваються статеві клітини — потік генетичного матеріалу, який передається від одного покоління до іншого. Хоча яйцеклітини та сперматозоїд — це найочевидніші гермінативні клітини людей, сюди ще зараховують стовбурові клітини та клітини, які стануть статевими (вони виокремлюються на ранніх етапах розвитку ембріона людини).

Соматичні клітини — це практично всі інші клітини в організмі: серцеві, м’язові, мозкові, епітеліальні, печінкові — будь-які, чия ДНК не може передаватися нащадкам.

Генетики, що вивчають мишей (і селекціонери загалом), ухопилися за можливість видозмінити гермінативні клітини за допомогою CRISPR. Це тому, що редагування ембріона — найпростіший спосіб продемонструвати цілющу силу технології. Зазвичай коли миша з хвороботворною генетичною мутацією сягає дорослого віку, стає занадто пізно виправляти помилку, адже хиба в одній заплідненій яйцеклітині вже успадкована мільярдами інших, а тому неможливо позбутися всіх слідів хвороби. (Уявіть собі намагання виправити помилки в новинній статті після того, як газети надрукували її й рознесли по всьому світу, на противагу тому, коли стаття все ще існує як текстовий файл на комп’ютері редактора). Зосередившись на ембріоні, науковці можуть відправити CRISPR в ембріон на ранній стадії розвитку й виправити мутацію в єдиній клітині. Коли ембріон розвивається в дорослий організм, полагоджена ДНК, на щастя, копіюється в усі дочірні клітини, включно із гермінативними, які зрештою передадуть цей геном наступним поколінням.

Якщо редагування гермінативних клітин було корисним як інструмент дослідження на лабораторних мишах, його використання на людях порушує важливі питання, пов’язані з безпекою та етикою. Чи й справді нам варто впливати на геном ненароджених індивідуумів і змінювати генофонд Homo sapiens, беручи до уваги те, що ці зміни не вдасться так просто скасувати? Чи ми готові до того, щоб контролювати еволюцію власного виду (і брати на себе відповідальність за це), зумисне видозмінюючи свій геном замість того, щоб лишити такі дії на волю випадку? Це величезні, важкі питання. Я повернуся до них і детально розгляну в останніх двох розділах цієї книжки.

З етичного погляду редагування соматичних клітин при лікуванні генетичних захворювань значно простіше, ніж редагування гермінативних, оскільки ці зміни не передадуться нащадкам пацієнта. Утім на практиці все складніше. Виправити хвороботворну мутацію в одній гермінативній клітині людини значно простіше, ніж намагатися зробити те саме всередині приблизно п’ятдесяти трильйонів соматичних клітин, із яких складається людське тіло. Щоб упоратися з цим, науковці мають розв’язати купу нових проблем, із якими ми мусимо розібратися, якщо хочемо допомогти багатьом чоловікам, жінкам і дітям, що страждають від генетичних захворювань. У цих випадках редагування гермінативних клітин ніяк не допоможе полегшити їхні страждання. Для цього занадто пізно. Редагування соматичних клітин — єдиний спосіб.

Мабуть, важко уявити, що редагування генів може обернути в зворотному напрямку перебіг хвороби в будь-якої людини. А якщо взяти дорослого, що жив із недугою все своє життя? Захворювання вже міцно вкоренилося в організмі, тож зміна ДНК пацієнта може не позбавити його від накопиченого впливу хибного генетичного коду.

Якщо точніше, то існують обмеження в тому, чого ми можемо досягти, застосовуючи технологію CRISPR із цією метою. Одні хвороби не мають чітко окреслених генетичних причин, а в інших станів, як-от шизофренії чи ожиріння, генетика відіграє складну роль, адже причина криється в багатьох генах, кожен із яких лише додає свій невеличкий внесок, призводячи до захворювання загалом. Зважаючи на те, як важко буде використовувати CRISPR для безпечного та ефективного одногенного редагування в людському тілі, малоймовірно, що в найближчому майбутньому ми почнемо редагувати багато генів водночас.

Найбільшу надію технологія CRISPR дає на лікування моногенних генетичних захворювань, причиною яких є один мутований ген. На базовому рівні ці хвороби проявляються тоді, коли цей ген виробляє дефектний білок або ж не виробляє його зовсім. Якщо внаслідок редагування генів удасться відновити нормальний синтез здорового білка до того, як мутація завдасть непоправної шкоди організму, то вистачить і одноразового втручання, лікувальний ефект якого триватиме впродовж решти життя пацієнта. Це контрастує з наявними методами лікування генетичних захворювань, які часто покладаються на тимчасові рішення, що передбачають пересадку органів або ж повторювані курси прийому лікарських препаратів. Що важливо, для того щоб вилікувати генетичне захворювання, медикам не знадобиться редагувати кожну клітину в тілі пацієнта. Навіть попри те, що всі клітини мають хвороботворну мутацію ДНК, симптоми часто проявляються лише в тих тканинах, де нормальне функціонування мутованого гена найважливіше. Наприклад, імунодефіцити вражають переважно лейкоцити, хвороба Гантігтона здебільшого впливає на нейрони в мозку, а серпоподібноклітинна анемія — лише на еритроцити, які переносять гемоглобін; кістозний фіброз найбільше шкодить клітинам у легенях. Оскільки наслідки генетичних захворювань найчастіше локалізовані саме в такий спосіб, то для лікування знадобиться зцілити клітини в найбільш уражених частинах тіла.

Навіть доставити CRISPR до цих місць — зовсім не просте завдання, уже не кажучи про те, щоб дати їм змогу проникнути всередину самих клітин. Проблема з доставкою лише одна з найбільших труднощів, із якими доведеться зіткнутися технологіям редагування генів у соматичних клітинах.

Наявні стратегії доставки можна розділити на дві основні категорії: генне редагування in vivo (у перекладі з латини «всередині живого») та генне редагування ex vivo (у перекладі з латини «за межами живого»). У першому разі CRISPR надсилають безпосередньо в тіло пацієнта, щоб вони виконали свою роботу на місці; у другому — клітини пацієнта редагують за межами його тіла, а потім повертають назад. Метод ex vivo значно простіший, а оскільки науковці вже опанували редагування клітин у лабораторії, ми на крок ближчі до цього способу лікування, ніж до in vivo. Ще одна перевага генного редагування ex vivo в тому, що генетично редаговані клітини можна ретельно протестувати на якість до того, як оглянути пацієнта.

Завдяки тому, що в разі генного редагування ex vivo лікарі спершу мусять узяти пошкоджені клітини з тіла, цей метод є ідеальним для лікування захворювань крові. За допомогою поєднання редагування генів, донорства крові та технік переливання лікарі можуть виділити хворі клітини крові з тіла пацієнта, відредагувати їх за допомогою CRISPR і повернути до кровоносної системи.

Дві найбільш імовірні цілі для лікування за допомогою CRISPR ex vivo — це серпоподібноклітинна анемія й бета-таласемія. Обидві хвороби досить поширені й виникають унаслідок молекулярних дефектів у гемоглобіні — найважливішому білковому компоненті еритроцитів, який переносить кисень із легенів до всіх тканин тіла. Джерелом цих молекулярних дефектів є мутації ДНК у гені бета-глобін, який кодує один із двох унікальних білкових ланцюжків, що утворюють молекулу гемоглобіну.

Фактично серпоподібноклітинну анемію й бета-таласемію можна вилікувати за допомогою пересадки кісткового мозку. Коли лікарі пересаджують його від здорової особи хворому, велика кількість стовбурових клітин упродовж решти життя пацієнта виробляє вдосталь нових здорових еритроцитів. Однак проблема з такими пересадками кісткового мозку в тому, що бракує донорів, які підходили б реципієнту з імунологічного погляду та виявляли бажання пройти інвазивну процедуру. Навіть якщо відповідного донора знаходять і тіло хворого приймає пересаджені клітини, процедура все одно ризикована, адже в багатьох пацієнтів розвивається хвороба відторгнення трансплантату — різновид зворотної імунологічної реакції, яка може стати фатальною.

Редагування генів може розв’язати цю проблему, давши змогу пацієнтам бути водночас і реципієнтом, і донором стовбурових клітин. Якщо лікарі зуміють виділити стовбурові клітини з кісткового мозку пацієнта, виправити мутовані гени бета-глобіну в них за допомогою CRISPR, а потім повернуть ці відредаговані клітини хворому, їм не потрібно буде перейматися доступністю донора чи ризиком імунологічного конфлікту між тілом реципієнта й пересадженими клітинами. Численні лабораторії вже переконливо продемонстрували, що клітини пацієнта можна точно виправити й що потім ці клітини виробляють значну кількість здорового гемоглобіну. Дослідники навіть показали, що відредаговані людські клітини можуть функціонувати всередині миші з пригніченим імунітетом. Численні групи науковців, а також комерційні компанії нині працюють над тим, щоб зробити цю процедуру доступною для пацієнтів-людей.

Є непогані підстави бути оптимістами щодо клінічних випробувань із застосуванням редагування генів ex vivo, зважаючи на нещодавні відкриття в споріднених із генною терапією галузях. (Пригадайте, що редагування виправляє мутовані гени безпосередньо в геномі, натомість генна терапія вбудовує в геном нові, здорові гени). Біотехнологічна компанія Bluebird Bio розробила продукт, який лікує бета-таласемію й серпоподібноклітинну анемію, уставляючи нові гени бета-глобіну в стовбурові клітини крові, а GlaxoSmithKline створила ефективний препарат генної терапії, що допомагає при важкому комбінованому імунодефіциті (SCID), уставляючи в геном гени, яких там бракує. В обох випадках загальна стратегія втручання однакова: узяти клітини пацієнта, виправити їх у пробірці, а тоді повернути хворому. Однак редагування генів, найімовірніше, стане безпечнішим методом, оскільки значно меншою мірою вторгається в геном.

Перше клінічне випробування, здійснене, щоб продемонструвати редагування генів ex vivo на людині, показало, якою багатообіцяльною й потужною може бути ця процедура. Іронічно, що ціллю було зовсім не генетичне захворювання, а вірус імунодефіциту людини (ВІЛ). І хоча ці клінічні випробування були розроблені ще до появи CRISPR — для них використали технологію нуклеази «цинковий палець» (ZFN), описану в розділі 1, — їхній успіх є передвісником майбутнього використання редагування генів для боротьби з цією пандемією, а також для лікування багатьох генетичних захворювань.

Вірите чи ні, але деякі щасливчики мають вроджену невразливість до ВІЛу. Цим людям бракує 32 літер ДНК у гені, який відповідає за білок під назвою CCR5, що розташований на поверхні лейкоцитів — клітин, які є основою імунної системи тіла. Білки CCR5 — це одне з тих місць на поверхні клітин, до якого на початковому етапі зараження прикріплюється ВІЛ. Унаслідок випадання 32 літер білок CCR5 стає урізаним і втрачає здатність виходити на поверхню клітини. Без молекул білків CCR5 вірусу ВІЛу нікуди прикріплюватися, і він не може інфікувати клітину.

У вихідців із Африки та Азії випадання 32 літер гена CCR5 практично не трапляється, однак воно дуже розповсюджене серед європеоїдної раси. Від десяти до двадцяти відсотків європейців наділені однією копією мутованого гена, а гомозиготні індивіди — ті, хто має дві копії, — повністю не вразливі до ВІЛу. Щасливцями із цією рисою є приблизно від одного до двох відсотків європейців по всьому світу175 (більшість із них мешкає в Північно-Східній Європі). Індивіди, яким бракує CCR5, є повністю здоровими й навіть менше ризикують занедужати на деякі запальні захворювання176, тож відсутність білка не тягне за собою жодних згубних наслідків. Єдиний відомий ризик у тому, щоб не мати білка CCR5, полягає в імовірно вищій сприйнятливості таких людей до вірусу Західного Нілу177.

Воно й не дивно, що фармацевтична індустрія віддає чимало ресурсів на розробку ліків, які руйнують взаємодію між ВІЛом і CCR5, у надії захистити людей, яким не пощастило мати дві копії гена з делецією 32 літер у своїх геномах. Але нещодавні дослідження переконливо продемонстрували, що ми можемо домогтися того самого, тобто запобігти прикріпленню ВІЛу на білок CCR5, редагувавши сам ген CCR5. Численні лабораторії вже почали це робити за допомогою технології CRISPR, принаймні в клітинах на чашках Петрі. Але першим успіхом у редагуванні гена CCR5 на людині ми завдячуємо технології ZFN і каліфорнійській компанії під назвою Sangamo Therapeutics.

Працюючи з лікарями в Пенсильванському університеті, дослідники Sangamo здійснили клінічне випробування178, використавши препарат, здатний редагувати гени, щоб вимкнути CCR5. Перша фаза випробування була спрямована передусім на те, щоб перевірити безпечність препарату: дослідники хотіли знати, чи приймуть тіла пацієнтів відредаговані клітини, чию ДНК видозмінили в лабораторії, без побічних ефектів. Та як виявилося, дослідження продемонструвало ще й те, яким ефективним може бути редагування генів у процесі змінювання перебігу хвороби в зворотному напрямку.

Усі дванадцятеро ВІЛ-позитивних пацієнтів, що брали участь у дослідженні Sangamo, спочатку мали дати зразок лейкоцитів, які виокремили з їхньої крові. Ці лейкоцити очистили в лабораторії та відредагували за допомогою нуклеази ZFN, яку націлили вирізати 155-ту літеру в гені CCR5. Завдяки тому, що розрізаний ген відновився за допомогою схильного до помилок з’єднання кінців, отриманих змін стало досить для того, щоб деактивувати ген і запобігти утворенню функціонального білка CCR5. Далі редагованим клітинам дали змогу розмножитися в лабораторії. І нарешті, кожному пацієнту підсадили його редаговані клітини, а тоді спостерігали за хворими впродовж майже дев’яти місяців.

Науковці, які здійснювали випробування, дійшли висновку, що введення в кровотік імунних клітин із модифікованим геном CCR5 «є безпечним у межах цього дослідження»179. Можливо, не надто приголомшливе відкриття, утім підбадьорливий знак, що редагування генів можна використовувати з лікувальною метою на пацієнтах, принаймні ex vivo, культивуючи та обробляючи клітини в лабораторії. А заглибившись у розділ дослідження з описом результатів, можна отримати більш обнадійливі дані. Лікарі з’ясували, що відредаговані клітини не лише продемонстрували довгострокову живучість у тілі (судячи з того, що пересаджені клітини чудово прижилися й розмножувалися), а й уповільнили повернення до високих рівнів ВІЛу, проти того, як це відбувалося зазвичай під час тимчасової перерви в антиретровірусній терапії. Інакше кажучи, це була чітка ознака того, що лікування ZFN успішно пригнічувало інфекції, але не як звичайні лікарські препарати, а за допомогою однолітерних змін у геномах пацієнтів.

Хоча технологія ZFN стартувала першою, CRISPR уже використали для вивчення кількох можливих методів лікування, спрямованих на викорінення ВІЛу. Один із підходів передбачає програмування CRISPR на генетичний матеріал ВІЛу, рятуючи клітини пацієнта від вірусу, фактично викидаючи ДНК паразита із їхніх геномів. А от іншому методу краще пасує опис «уразити й убити», адже він використовує деактивовану форму CRISPR для навмисного пробудження сплячого вірусу, щоб його могли розпізнати наявні ліки.

Стало зрозуміло, що клінічні можливості для редагування генів ex vivo величезні незалежно від того, чи його використовують для лікування генетичних захворювань, чи вірусних інфекцій. Але, звісно, не всі хвороби ховаються в крові. Для лікування захворювань, які вражають тканини тіла, лікарі не можуть використовувати терапію, що передбачає добір хворих клітин і їх виправлення, адже для здійснення таких процедур потрібно значне втручання, тому вони надто ризиковані. І хоча нам лишається пройти ще чималий шлях перед тим, як мати змогу пропонувати цю терапію пацієнтам, однак поступ, здійснений у цій галузі, є найдивовижнішим відкриттям у медицині, яке я коли-небудь бачила.

До того як медики зможуть лікувати пацієнтів методами редагування генів in vivo, науковцям потрібно розв’язати численні проблеми, яких удалося уникнути, застосовуючи підхід ex vivo. Лікарі повинні з’ясувати, як доставляти CRISPR до найбільш уражених хворобою тканин. До того ж це треба зробити так, щоб не спровокувати імунну відповідь у тілі пацієнта. Крім того, Cas9 і його гідова РНК мають бути достатньо стабільними, щоб вижити всередині тіла, аж доки редагування не завершиться.

Щоб подолати ці труднощі, деякі дослідники CRISPR звертаються до одного з улюблених способів доставки — вірусів. Останні надзвичайно майстерно відшукують генетичний матеріал усередині клітини-господаря, бо ж, зрештою, мали мільйони років еволюції, щоб відточити свою майстерність. Віруси вузькоспеціалізовані на ураженні конкретних типів тканин і органів, але деякі з них стали відносно безпечними для використання. Завдяки десятиліттям генної інженерії спеціалізація вірусів була повністю переозброєна, тож вони й досі можуть доставляти ДНК до тіла — або системно, або ж до окремих органів, — але не здатні інфікувати свого господаря нічим, окрім лікувального вантажу, який їм дали дослідники.

Один вектор (загальний науковий термін на позначення носія генетичної інформації) був особливо великою перевагою для дослідників, які розробляли методи лікування, засновані на редагуванні генів in vivo. Це нешкідливий вірус людини, відомий як AAV (аденоасоційований вірус). Він спричиняє лише незначну імунну відповідь і не призводить до жодної людської хвороби. Цей вірусний вектор можна легко оснастити лікувальними генами, які кодують білок Cas9 і його гідову РНК, і він дуже ефективно доставляє генетичний матеріал до клітини-господаря. Крім того, AAV можна переробити так, щоб він не вбудовував свою ДНК у людський геном назавжди, як це роблять інші віруси. Ця риса допомагає уникнути помилкового вставляння ДНК у чутливі ділянки генома — явище, яке зводило нанівець попередні спроби знайти методи лікування.

Ще однією позитивною рисою AAV є його широка природна різноманітність. Виділивши різні ділянки вірусу, а тоді змішавши їх і склавши в іншій послідовності, дослідники можуть зібрати родину векторів AAV, які здатні проникати в клітини будь-яких типів тканин. Один штам AAV може підходити для того, щоб доставити CRISPR у клітини печінки, тоді як інший — якнайкраще спрацювати в центральній нервовій системі, легенях, очах, серцевих чи скелетних м’язах.

Саме м’язи слугують для нас найпершою та найяскравішою демонстрацією того, що технологія CRISPR може in vivo зарадити пошкодженням, яких завдали генетичні захворювання. Якщо цей метод був результативним на мишачій моделі, то є всі підстави вважати, що він виявиться ефективним і для людини — зокрема тому що, на жаль, генетична хвороба, на прикладі якої здійснювалося лікування, розповсюджена й у нашому виді.

Фатальна атрофія м’язів, відома як м’язова дистрофія Дюшенна (DMD) — це найпоширеніший тип м’язової дистрофії у світі, що успадковується одним із кожних 3600 народжених хлопчиків. У пацієнтів із такою хворобою симптоми не проявляються при народженні, але недуга з’являється і прогресує зі страшенною швидкістю, починаючи з чотирирічного віку. Пацієнти страждають від важкого ослаблення м’язів і зазвичай уже в десять років прикуті до інвалідного візка. Більшість не доживає до двадцяти п’яти років унаслідок ускладнень із диханням та ослабленням найважливішого м’яза — серця.

М’язова дистрофія Дюшенна може виникнути через будь-яку з кількох мутації гена DMD — найдовшого відомого гена людини, що кодує білок під назвою дистрофін. Останній допомагає м’язовим клітинам скорочуватися, тож основною проблемою пацієнтів із м’язовою дистрофією Дюшенна є нестача функціонального білка дистрофіну. Здебільшого ця хвороба вражає чоловіків: ген DMD виявили в Х-хромосомі, а в чоловіків вона одна (у парі з успадкованою від батька Y-хромосомою), тож єдина мутована копія DMD повністю позбавляє їх здорового дистрофіну. Жінки мають дві Х-хромосоми, а отже, дві копії гена DMD, і якщо одна з них здорова, то здатна пригнічувати страшні симптоми цього захворювання. Однак попри те, що такі жінки не хворіють, вони переносять захворювання й передадуть мутований ген DMD приблизно половині своїх нащадків чоловічої статі. (Такий шаблон спадковості робить м’язову дистрофію Дюшенна прикладом рецесивного генетичного захворювання, пов’язаного з X-хромосомою).

Чи зможе технологія CRISPR виправити наслідки м’язової дистрофії Дюшенна? Поки що невідомо, адже нам знадобляться роки досліджень і клінічних випробувань, щоб упевнено відповісти на це запитання. Однак, якщо нещодавні експерименти на мишах можна вважати передвісниками, то є всі підстави сподіватися, що за допомогою терапії in vivo нам це стане до снаги. До кінця 2015 року щонайменше чотири незалежні лабораторії ввели CRISPR дорослим мишам, хворим на м’язову дистрофію, і продемонстрували, що шкоду, завдану захворюванням, можна виправити180. Запакувавши генетичні вказівки для CRISPR у вектори AAV, дослідники полагодили клітини скелетних і серцевих м’язів, упорснувши навантажені віруси в м’язи мишей або ж доставивши їх до потрібних тканин через кровоносну систему. Науковцям удалося ввімкнути здорові гени дистрофіну, і після лікування в мишей навіть спостерігали стійке збільшення сили м’язів.

Я побувала на презентації цих результатів, яку здійснив Ерік Олсон, професор Південно-Західного медичного центру Техаського університету, і була в захваті від прогресу у використанні CRISPR-терапії in vivo. Ця робота дає надію, що колись ми зможемо лікувати й інші генетичні захворювання, а не лише м’язову дистрофію Дюшенна. Наприклад, за допомогою версії CRISPR, запрограмованої на редагування різних генів, та варіанта вектора AAV, який доставляє це все в печінку, команда Массачусетського технологічного інституту використала редагування генів для лікування мишей від генетичної мутації, що спричиняла стан, відомий під назвою тирозинемія181. У людей це захворювання може бути причиною накопичення токсичних метаболітів і значних пошкоджень печінки. Без лікування пацієнти зазвичай помирають, не доживаючи й до десятирічного віку. Однак у мишей технологія CRISPR виправляла пошкоджений ген і обертала перебіг захворювання в зворотному напрямку.

AAV також доставляли CRISPR у мозок дорослих мишей, у легені та клітини сітківки, і кожна з цих дій зрештою може перерости в методи лікування генетичних розладів на зразок хвороби Гантінгтона, кістозного фіброзу та вродженої сліпоти. У першому лікарському препараті на основі генної терапії, схваленому для комерційного використання на Заході, застосували вектор AAV, і цілком імовірно, що в перших ліках на основі редагування генів за допомогою CRISPR, що передбачатимуть їхню доставку in vivo, використають той самий підхід.

Утім, AAV — це лише одна з багатьох стратегій доставки, які були розроблені для транспортування CRISPR у живі клітини. Лише в межах царства вірусів існує безмежна кількість вірусів, які можна використати в ролі «троянського коня», і кожний із них має унікальний набір переваг і недоліків182. Один із прикладів — аденовірус, який серед інших хвороб спричиняє й звичайну застуду (і допомагає аденоасоційованим вірусам під час інфікування, унаслідок чого вони й отримали свою назву AAV). Випатравши ці аденовіруси й видаливши хвороботворні гени, дослідники можуть уставити в них більший обсяг лікувальної ДНК, ніж це було можливо з векторами AAV. Лентивіруси, найяскравішим представником яких є ВІЛ, також роззброюють у лабораторії й перетворюють на ефективні засоби доставки. Їхні можливості подібні до AAV, але лентивіруси мають здатність назавжди вбудовувати свій генетичний матеріал у геном клітини, у яку вторгаються. Ця риса є дуже корисною для рутинних досліджень у лабораторії, але для терапії in vivo науковці можуть вимикати цю функцію.

Крім цього, є ще стратегії доставки in vivo без застосування вірусів. Користуючись перевагами нанотехнології — науки створення надмікроскопічних структур, — дослідники вивчають застосування ліпідних наночастинок для транспортування CRISPR у тілі. Стійкі до руйнування й легкі у виробництві, ці транспортні засоби також мають переваги в тому, що вивільняють білок Cas9 і його гідову РНК у тілі пацієнта дуже організовано. Віруси (навантажені CRISPR) здатні зберігатися в клітинах упродовж тривалого часу, що (як я поясню далі) може створювати проблеми в процесі редагування, а ліпідні наночастинки доставляють CRISPR так швидко, що вантаж починає діяти до того, як його розкладуть природні переробні фабрики всередині клітини.

Окрім спрямування на лікування певних генетичних розладів, існує ще один спосіб, завдяки якому CRISPR мають усі шанси здійснити справжню революцію в галузі охорони здоров’я. Ця біотехнологія також має доленосний вплив у вивченні та лікуванні однієї з найстрашніших хвороб, відомих людству, — раку.

Причиною раку є мутації ДНК. Одні з них успадковуються, а інші набуваються людиною впродовж життя. Здається очевидним, що редагування генів може допомогти вилікувати рак чи навіть запобігти його розвитку, викорінивши мутації до того, як вони матимуть змогу завдати непоправної шкоди. Але це не зовсім та сфера, де CRISPR можуть прислужитися найбільше, принаймні поки що.

Сама технологія CRISPR — це не форма лікування, а радше інструмент і допоміжна система для вже наявної терапії. Вона розширює наше розуміння біології раку, а також пришвидшує лікування за допомогою імунотерапії, що спонукає імунну систему пацієнта боротися з хворобою. На обох цих фронтах технологія CRISPR продемонструвала себе ще однією вартісною зброєю — однією з найпотужніших — у нашому арсеналі для споконвічної війни проти цієї страшної хвороби, який поки що тільки поповнюється.

З-поміж усіх внесків CRISPR для медицини це саме той, на який я покладаю найбільші особисті сподівання. Навіть якщо ви самі й не стикалися з раком, існує висока ймовірність того, що ви знаєте когось, чиє життя зламала чи обірвала ця хвороба. Для моєї родини смерть батька від меланоми стала дуже болісним досвідом, який підкреслив чимало труднощів, пов’язаних із цією складною хворобою. Рак — це одна з найпоширеніших причин смерті в Сполучених Штатах, він на другому місці після захворювань серця. І хоча розвиток ранньої діагностики та вдосконалення методів лікування підвищили показники виживання хворих, причому помітно за останні десятиліття, смертність від раку й досі є спустошливою частиною повсякденного життя. Лише в Сполучених Штатах щорічно діагностують більше півмільйона нових випадків захворювання, а ще півмільйона людей щороку помирають від раку 183. Це приблизно дві тисячі смертей на день.

Пов’язані з раком мутації ДНК часто є спадковими, а також можуть з’являтися раптово або ж бути спровокованими вживанням тютюну чи впливом інших канцерогенів. За останнє десятиліття відбувся значний поштовх до використання секвенування ДНК для каталогізації багатьох мутацій, які відрізняють ракові клітини від нормальних, здорових. Логічно, що коли ці мутації можна визначити, то можна й розробити ліки, які боротимуться з усіма аномальними генами, що спонукають розростання злоякісних клітин. Але в цьому-то й проблема: у нас просто забагато інформації. Основні мутації, що є причиною раку, ховаються в цілому морі допоміжних мутацій, які не впливають безпосередньо на розвиток хвороби. Одна з ознак раку — це збільшення кількості мутацій, що закрадаються в геном, ускладнюючи визначення генетичних змін, які є основною причиною утворення пухлин.

До появи CRISPR арсенал інструментів для вивчення мутацій, що спричиняють розвиток раку, був доволі обмеженим. Науковці могли виявити й діагностувати їх у зразках біопсії пацієнтів, а також вивчати незначну кількість окремих мутацій у мишачій моделі. Але тепер, коли вчені отримали спосіб для точного відтворення мутацій, які спричиняють розвиток раку (однієї чи декількох одночасно), дослідження цієї хвороби на порозі значного прориву. Замість того щоб стражденно відбирати правильно мутовані клітини (важке випробування, зважаючи на ефективність один до мільйона), або ж виводити бажану модель мишей упродовж багатьох поколінь (на що знадобилися б роки), науковці можуть використати CRISPR і єдиним порухом отримати потрібні мутації. Цей інструмент дав змогу вченим збагнути точні генетичні чинники, унаслідок яких клітини перестають реагувати на сигнали, що зазвичай регулюють їхній ріст.

Наприклад, в одному з досліджень Гарвардської школи медицини команда Бенджаміна Еберта хотіла зрозуміти генетичні причини гострої мієлоїдної лейкемії184 — раку лейкоцитів. Запрограмувавши CRISPR для редагування різних генів (використовуючи різну гідову РНК для кожного з них), дослідники нокаутувати вісьмох генів-кандидатів. Раніше такий тип багатопрофільного редагування генів був нечуваним, однак із технологією CRISPR став простим завданням. Відредагувавши стовбурові клітини крові в різних комбінаціях, а потім упорснувши їх назад до кровоносної системи живих мишей, науковці спостерігали, які тварини захворіють на гостру лейкемію (різновид зворотного застосування ex vivo). Далі, порівнявши симптоми цих тварин із генами, що були деактивовані CRISPR, команда Еберта зробила висновок стосовно точного поєднання генних мутацій, які є необхідними й достатніми для розвитку лейкемії. Такі експерименти неоціненні в розвитку досліджень цієї хвороби.

Здатність редагувати декілька генів одразу — одна з найбільших переваг CRISPR. На відміну від попередніх технологій редагування генів, процес дизайну CRISPR для знаходження послідовності з двадцяти літер у геномі є достатньо простим, щоб із ним упорався навіть студент. Ба більше: для цього можна запрограмувати комп’ютер. Нині науковці використовують комп’ютерні алгоритми для полегшення процедури редагування генів. Завдяки цьому можна проаналізувати всю глибину генома в пошуках ще не відомих генів, пов’язаних з раком.

Технічні подробиці складні, але формально такий комплексний підхід дає змогу дослідникам редагувати й вимикати будь-який ген у геномі — і все це в одному експерименті. Девід Сабатіні, професор Массачусетського технологічного інституту, став одним із перших, хто випробував такий загальногеномний аналіз нокаутів185. Але замість того, щоб намагатися дізнатися, які генні мутації спричиняють рак (як це зробила команда Еберта), група Сабатіні хотіла виявити генні мутації, які перешкоджали б розвитку раку. Інакше кажучи, дослідники спробували виявити гени, від яких повністю залежала патогенність ракових клітин і без яких вони просто не вижили б. Завдяки титанічним зусиллям команда Сабатіні знайшла відповіді на це запитання для чотирьох різних видів раку крові, а також виявила цілу купу нових генів, які, здавалося, були необхідними для розростання злоякісних клітин. Установивши нові генетичні властивості лейкемії та лімфоми, експерименти Сабатіні відкрили нові перспективні цілі для хіміотерапії.

Подальші дослідження різних лабораторій виявили слабкі місця інших типів раку, зокрема прямої кишки, шийки матки, яєчників, меланоми і гліобластоми (особливо агресивного раку мозку). Дослідники навіть використали загальногеномні аналізи нокаутів, щоб установити нові генетичні чинники, які дають раковим клітинам смертоносну здатність циркулювати в кровоносній системі та захоплювати інші тканини (цей процес ще називають метастазуванням).

Можливо, поступ у нашому розумінні основ раку й не одразу надає корисну інформацію та конкретні методи лікування, однак важливість таких досліджень важко переоцінити. Оскільки медицина стає дедалі більше персоналізованою, науковці й лікарі стикаються зі значним обсягом інформації, яка може вирізняти рак однієї людини від раку іншої, завдяки чому ми знаходимо підказки, що сприяють підбиранню лікування відповідно до особливостей кожної окремої хвороби. Інструменти редагування генів допоможуть прояснити цю інформацію, виявивши, які мутації є найчастішими передвісниками раку, а які можуть робити його більш або менш чутливим до різних лікарських препаратів.

І хоча редагування генів робить вагомий внесок у здобування інформації, потрібної в цій війні з раком, є всі підстави вважати, що водночас воно допоможе боротися з такою страшною хворобою. Із цього погляду найбільш обнадійлива роль редагування генів — бути допоміжною системою для створення лікування, яке останнім часом привернуло неабияку увагу, — імунотерапії.

Імунотерапія — революційний метод лікування раку, який відступає від трьох основних методів (хірургічного втручання, опромінення й хіміотерапії), до яких лікарі вдаються вже давно. На відміну від цих старіших підходів, імунотерапія спрямована на використання імунної системи пацієнта для вистежування та знищення небезпечних клітин. Повністю змінюючи підхід, імунотерапія націлюється не на рак, а на саме тіло пацієнта, даючи йому силу самотужки побороти хворобу.

Основна ідея імунотерапії раку, — спонукати до дій імунну систему людини, а особливо Т-лімфоцити — її головну піхоту. Перенацілюючи ці клітини для розпізнавання молекулярних маркерів раку, науковці можуть допомогти їм спровокувати імунну відповідь, щоб зменшити кількість ракових клітин. Складність полягає в тому, щоб з’ясувати, як вивільнити повний потенціал Т-лімфоцитів.

Одне перспективне відкриття стосується інгібіторів контрольних точок — ліків, які вимикають гальма, що зазвичай перешкоджають розвитку імунної відповіді проти ракових клітин. Інша стратегія передбачає вироблення генетично змінених Т-лімфоцитів, що розпізнають унікальний тип раку конкретного пацієнта. Цей процес — ще один приклад терапії ex vivo, введення «навчених» клітин (АСТ), і саме в такому різновиді імунотерапії застосовують редагування генів.

Основна мета АСТ полягає в тому, щоб допомогти Т-лімфоцитам краще розпізнавати ракові клітини. До Т-лімфоцитів додають новий ген, що виробляє білок під назвою рецептор, який налаштований на розпізнавання молекулярних маркерів раку та їх зв’язування. Але є одна проблема: Т-лімфоцити вже мають природний ген рецептора, а одночасна наявність кількох таких генів спричиняє молекулярний хаос. Але тепер дослідники мають змогу розібратися з цим, використавши CRISPR для нокауту первісного гена рецептора та вивільнення простору для гена рецептора, націленого на рак. Потім можна додати інші модифікації, використавши інструмент генетичного редагування, завдяки чому видозмінені Т-лімфоцити стануть ще могутнішими.

Здається, редагування генів піде ще на крок уперед і перетворить імунотерапію на стандартизоване лікування, у межах якого один тип покращених Т-лімфоцитів, розроблених для якогось конкретного виду раку, можна буде призначати як універсальний засіб для всіх пацієнтів, що страждають від цієї патології. Поки що клінічні випробування вже за крок до того, щоб перевірити ефективність введення таких клітин, і зворушлива історія, що відбулася наприкінці 2015 року, натякає на його дивовижний потенціал. Героїня тієї історії Лейла Річардс — перша людина, чиє життя вдалося врятувати завдяки терапевтичному редагуванню генів186.

Лейла була однорічною лондонською пацієнткою, що страждала від гострої лімфобластичної лейкемії — найпоширенішого типу дитячого раку. Лікарі мусили визнати, що в неї була найагресивніша лейкемія, яку вони коли-небудь бачили. Хоча приблизно 98 відсотків дітей після початку лікування входять у ремісію, стан Лейли не покращився попри хіміотерапію187, пересадку кісткового мозку та фармацевтичні препарати на основі антитіл. Уведення власних змінених Т-лімфоцитів у тіло Лейли теж не розглядалося як варіант. Імунна система дівчинки була так ослаблена лейкемією — зрештою, ця хвороба вражає лейкоцити, потрібні для здорової імунної системи, — що в неї вже не лишилося достатньої кількості Т-лімфоцитів, які лікарі могли б узяти.

Ситуація Лейли видавалася дуже похмурою, і лікарі навіть пропонували паліативну допомогу для полегшення її смерті. Але потім, останньої миті, з’явився ще один варіант.

У тій самій лікарні, де перебувала Лейла, розташовувалася установа, що редагувала Т-лімфоцити за допомогою TALEN — однієї з технологій, які передували CRISPR. Клітини підготувала французька біотехнологічна компанія під назвою Cellectis, щоб використати їх для АСТ під час клінічних випробувань. Отримавши згоду батьків і Cellectis, лікарі Лейли вперше в історії випробували ці неперевірені клітини на пацієнті-людині, за умовами так званого співчутливого застосування.

Т-лімфоцити, які отримала Лейла, були особливими з декількох причин. По-перше, вони містили новий ген-рецептор, спеціально розроблений для розпізнавання будь-яких клітин з молекулярним підписом лейкемії. По-друге, Т-лімфоцити були генетично редаговані, аби запобігти появі імунної відповіді на клітини Лейли, що інакше неминуче б сталося (донор і реципієнт у цьому разі виявилися несумісними). І по-третє, Т-лімфоцити містили правки й у іншому гені, який наділяв їх чимось на зразок мантії-невидимки, щоб ці клітини могли якнайдовше вижити в тілі Лейли.

За декілька тижнів після введення клітин у однорічної дівчинки відбулися дивовижні зміни: її лейкемія почала реагувати на редаговані Т-лімфоцити. Коли стан здоров’я достатньо покращився, Лейла перенесла ще одну пересадку кісткового мозку, і за декілька місяців рак був у повній ремісії. Те, що спочатку було дуже ризикованим — спроба лікування, яке на тому етапі було протестоване лише на мишах, — закінчилося приголомшливим успіхом і значними сподіваннями на використання редагування генів в імунотерапії.

Завдяки випадку Лейли та інших компанії, спеціалізовані на CRISPR, уже уклали значні угоди з великими компаніями, що здійснюють імунотерапію раку, для поєднання своїх відповідних платформ. Editas Medicine має ексклюзивну багатомільйонну ліцензію з Juno Therapeutics на розробку методів лікування на основі Т-лімфоцитів, а Intellia Therapeutics співпрацює з великою оздоровчою фірмою Novartis, також прагнучи вдосконалити імунотерапію раку. Національний інститут охорони здоров’я схвалив перші в США клінічні випробування з використанням клітин, редагованих за допомогою CRISPR, здійснені дослідниками з Пенсильванського університету, а в жовтні 2016-го група китайських науковців у Сичуанському університеті стала першою, що ввела пацієнту-людині клітини, модифіковані за допомогою CRISPR188. Ці похвальні звершення допоможуть удосконалити редагування генів для пацієнтів, які його потребуватимуть.

Я щиро сподіваюся, що колись історія Лейли буде вже не винятковою, а лише одним із багатьох прикладів того, коли людське життя було врятоване завдяки новітнім відкриттям у редагуванні генів. Безперечно, ми повільно наближаємося до цього щасливого майбутнього. Однак, щоб дістатися туди, мусимо знайти розв’язання однієї головної проблеми з редагуванням генів. Доки ми цього не зробимо, не розберемося з точністю правок CRISPR, історії на зразок тієї, що трапилася з Лейлою, лишатимуться радше винятком, аніж правилом.

CRISPR — принаймні оригінальна бактеріальна версія, — не зовсім безпомилковий метод знаходження та розрізання ДНК. Це стало очевидним уже з найперших експериментів, які ми здійснили в моїй лабораторії.

З’ясувавши основні функції CRISPR, Мартін поставив собі за мету визначити точність розрізання ДНК за допомогою ферменту Cas9 і його гідової РНК. Здавалося, що ця крихітна ракета із самонаведенням здатна знаходити й атакувати будь-які послідовності ДНК, що збігалися з її гідовою РНК, відстежуючи їх із дивовижною точністю. Але чи були обмеження в правильності цих дій? Чи й справді механізм CRISPR міг відрізнити одну двадцятилітерну послідовність, що збігалася з РНК, від інших, відмінних лише в одній чи двох літерах ДНК? Якщо ми хотіли мати бодай якусь надію на перетворення цієї бактеріальної системи захисту на інструмент редагування генів, достатньо безпечний, щоб застосовувати його на людях, то спочатку мусили знайти відповідь на це запитання.

Мартін з’ясував, що, націлюючи CRISPR на послідовності ДНК, у яких навмисне були зроблені помилки, щоб певні літери більше не збігалися з РНК, у деяких випадках фермент Cas9 усе одно розрізав їх189. На відміну від точності пошукової функції на комп’ютері, де запит на слово афект ніколи не видасть результатів, пов’язаних із ефектом, здавалося, що зрідка механізм CRISPR міг помилятися й сплутувати одну літеру ДНК з іншою.

Пізніше моя лабораторія повторила ці експерименти, але вже значно більше заглиблюючись у проблему, разом із командою Гарвардського університету під керівництвом Девіда Ліу190. Ми всебічно випробовували різні мутації ДНК, щоб визначити, які типи нецільових послідовностей (тобто тих, що не збігалися з гідовою РНК) були достатньо подібними до заданих, які збігалися з гідовою РНК (тобто цільових), щоб механізм CRISPR усе одно їх розпізнав і розрізав. Інші лабораторії також здійснювали схожі експерименти всередині клітин191, щоб продемонструвати, як помилкове розрізання CRISPR може призвести до внесення постійних правок у незапланованих місцях.

Безперечно, практично всі медичні препарати мають деякі нецільові прояви, але доки бажана цільова користь переважає ці ризики, лікарі й інспектори зазвичай досить поблажливо ставляться до них. Наприклад, антибіотики вбивають і хвороботворні мікроорганізми, і корисні бактерії, а хіміотерапія знищує і ракові клітини, і здорові. Зрештою, складність завдання полягала в тому, що нам потрібно було розробити ліки, які настільки точно досягали б поставленої мети, що декілька атомів, розташованих не на своєму місці, послабили б взаємодію достатньо для того, аби запобігти небажаним наслідкам.

Зазвичай неможливо повністю уникнути нецільового впливу, і саме тому кожний лікарський препарат на ринку має застереження про побічну дію, але коли йдеться про редагування генів, небажані наслідки можуть бути особливо небезпечними. Як правило, коли пацієнт припиняє вживати ліки, усі побічні дії медикаментів зникають. Однак у випадку з редагуванням генів будь-яка нецільова послідовність ДНК одразу ж після редагування зазнає незворотних змін. Незаплановані виправлення в ДНК не лише стають постійними, а й також копіюються в кожну клітину, яка є нащадком тієї першої. І хоча існує дуже невелика ймовірність, що більшість випадкових виправлень нашкодить клітині, якщо ми й навчилися чогось на прикладі окремих хвороб і раку, то це того, що навіть єдиної мутації може стати достатньо для спровокування в організмі хаосу.

На щастя, незаплановані виправлення, внесені CRISPR або іншими технологіями редагування генів, схильні до об’єктивної передбачливості, оскільки впливають лише на ті послідовності ДНК, які найбільше схожі на відповідну гідову РНК. Якщо CRISPR запрограмувати розпізнати двадцятилітерну послідовність у гені Х, а ген Y має схожу послідовність ДНК, що відрізняється лише однією літерою, то існує незначна ймовірність того, що механізм CRISPR видозмінить обидва гени. Що менше дві послідовності схожі одна на одну, то нижча ймовірність незапланованих мутацій.

Дослідники вже почали шукати способи, як обійти ці потенційні проблеми. Багато лабораторій розробили комп’ютерні алгоритми, що автоматично аналізуватимуть людський геном, який складається з трьох мільярдів літер, щоб перевірити, у скількох ще ділянках містяться послідовності, схожі на ту, яку науковці хочуть відредагувати. Якщо кількість потенційних нецільових послідовностей ДНК надто висока, озброївшись алгоритмом, дослідники зможуть просто обрати нову ділянку для редагування. (У багатьох випадках науковці здатні редагувати ген, обираючи з декількох послідовностей ДНК, розташованих із невеличкими інтервалами). Утім, проблема в цьому підході полягає в тому, що комп’ютерний алгоритм (неважливо, як добре він розроблений) незавжди успішно передбачає нецільові правки.

Ці «відомі невідомі» спонукали дослідників звернутися до іншої стратегії — вдати, ніби вони нічого не знають. Науковці припустили, що кожна версія CRISPR неминуче матиме непередбачуваний побічний вплив і що єдиний спосіб виявити його — це просто спробувати спочатку здійснити експеримент, а вже тоді відстежувати нові мутації на місцях, де їх не повинно бути. Замість комп’ютерного прогнозування ця стратегія застосовувала просте емпіричне тестування. Ще до вибору в пацієнтів послідовностей ДНК для редагування науковці всебічно випробовуватимуть купу споріднених послідовностей ДНК на культурах клітин, визначаючи, які з них мають найменшу кількість нецільових дій, і щойно матимуть переможця, лише тоді переходитимуть до клінічних випробувань.

Існує також і третя стратегія уникнення потенційних нецільових мутацій — одна з тих, яку науковці вже достатньо розвинули. Це створення CRISPR із більшою вибірковістю в розпізнаванні цільової ДНК. Наприклад, дослідники успішно розширили послідовність ДНК, яку має розпізнавати механізм CRISPR, звівши до мінімуму ймовірність невдалого вибору (стратегія, чимось схожа на збільшення довжини комп’ютерного пароля, щоб зменшити ймовірність того, що його хтось угадає). Просто видозмінивши в декількох місцях природний білок Cas9 (замінивши одну амінокислоту іншою), науковці, зокрема Кіт Чон із Гарвардської школи медицини та Фен Чжан із Массачусетського технологічного інституту, розробили точніші версії CRISPR, що є менш схильними до нецільового редагування192, аніж версії, які використовує сама природа.

Нарешті, на ймовірність того, чи зазнає геном небажаних мутацій, впливає доза CRISPR. Загалом що більше Cas9 і гідової РНК отримують клітини й що довше ці молекули зберігаються, то вища ймовірність того, що механізм CRISPR знайде трохи схожі, але не ті послідовності й здійснить нецільове редагування. Хитрість у тому, щоб доставити в клітини саме ту кількість CRISPR, якої вистачить для редагування цільових послідовностей ДНК, але не більше.

Добре відточивши ці тактики в лабораторії, дослідники продовжують працювати над тим, щоб гарантувати, що технологію CRISPR можна буде використовувати безпечно для пацієнтів. Якщо вдасться, то вже невдовзі точності цієї молекулярної машини стане достатньо, щоб дозволити їй перебратися з лабораторії до клініки.

Технологія CRISPR з’явилася лише декілька років тому, але стає дедалі важче знайти захворювання, для лікування якого її не пропонували б використати. Окрім раку, ВІЛу та генетичних хвороб, про які ми вже говорили, побіжний перегляд наукової літератури відкриває дедалі більший перелік захворювань, для яких уже розробили потенційне генетичне лікування за допомогою CRISPR: ахондроплазія (карликовість), хронічна гранулематозна хвороба, вроджена глухота, хвороба Альцгеймера, бічний аміотрофічний склероз (ALS), високий рівень холестерину, діабет, хвороба Тея—Сакса, дерматози, синдром ламкої Х-хромосоми та навіть безпліддя. Практично у всіх випадках, де специфічну мутацію або дефектну послідовність ДНК можна зв’язати з патологією, технологія CRISPR здатна повністю виправити помилку або ж замінити пошкоджений ген здоровою послідовністю.

Завдяки легкості, із якою технологія CRISPR може відшукати й полагодити будь-яку послідовність ДНК, її часто називають проривом, який нарешті здатен здолати хвороби. Ще ніколи все не було так просто. Утім існує чимало типів порушень — від аутизму до серцевих захворювань, — які не мають вираженої генетичної обумовленості або ж їхньою причиною є складне поєднання генетичних варіантів та екологічних чинників. У цих випадках редагування генів обмеженіше в застосуванні. І хоча воно здатне відновлювати ДНК в клітинних лініях, минуть роки, доки його дієвість (або недієвість) продемонструють на пацієнтах. Кілька клінічних успіхів, яких уже вдалося досягти з імунотерапією раку чи ВІЛу, можуть бути (або й ні) переконливими передвісниками нових звершень.

Попередні технології редагування генів, включно з генною терапією та РНК-інтерференцією, так само возвеличували як значний прорив, здатний повністю змінити медицину, хоча сотні клінічних випробувань трохи остудили запал ентузіастів. Ідеться не про те, що ми на шляху до такого самого прикрого розчарування з редагуванням генів, просто дуже важливо стримувати захват реалістичними очікуваннями, методологічним дослідженням і ретельними клінічними випробуваннями. Лише тоді ми можемо бути впевнені, що перша хвиля лікування на основі CRISPR матиме найкращі шанси на успіх і найменший ризик небезпечних побічних ефектів.

На час написання цих рядків галузь лікування на основі редагування генів розширюється семимильними кроками і в науковому, і в комерційному світах. У середньому за день з’являється більше п’яти нових досліджень, а інвестори вклали понад мільярд доларів у різноманітні компанії-стартапи, які розробляють біотехнологічні інструменти на основі CRISPR і медичних терапій.

Я надзвичайно схвильована й захоплена практично всіма проявами феноменального прогресу, якого вдалося досягти завдяки технології CRISPR, окрім удосконалення в одній галузі. Гадаю, нам варто утриматися від використання CRISPR для внесення стійких змін у геноми майбутніх поколінь людей, принаймні доки ми краще не обміркуємо проблеми, які порушує редагування гермінативних клітин. Доки ми вповні не осягнемо всі супутні ризики та етичні проблеми й доки не матимемо змоги долучити до обговорення ширше коло зацікавлених сторін, науковці повинні докласти всіх зусиль, щоб лишити ембріони в спокої. Ніхто не знає, чи матимемо ми колись інтелектуальну та моральну спроможність керувати власною генетичною долею. Це одне з тих запитань, які не дають спокою, відколи я почала розуміти, на що здатна технологія CRISPR. Саме тому, а також і з інших причин я хочу чітко розмежувати процедури, описані в цьому розділі, і ті, що використовуються для редагування ембріонів. Ми мусимо двічі подумати перед тим, як перетнути цю межу. А тоді нам варто подумати ще раз.

170 Цими трьома компаніями були Editas Medicine, Intellia Therapeutics і CRISPR Therapeutics.

171 S. Reardon, “First CRISPR Clinical Trial Gets Green Light from US Panel,” Nature News, June 22, 2016.

172 Y. Anwar, “UC Berkeley to Partner in $600M Chan Zuckerberg Science ‘Biohub,’” Berkeley News, September 21, 2016.

173 R. Sanders, “New DNA-Editing Technology Spawns Bold UC Initiative,” Berkeley News, March 18, 2014.

174 Y. Wu et al., “Correction of a Genetic Disease in Mouse via Use of CRISPR-Cas9,” Cell Stem Cell 13 (2013): 659–662.

175 K. Allers and T. Schneider, “CCR5Δ32 Mutation and HIV Infection: Basis for Curative HIV Therapy,” Current Opinion in Virology 14 (2015): 24–29.

176 S. G. Deeks and J. M. McCune, “Can HIV Be Cured with Stem Cell Therapy?”, Nature Biotechnology 28 (2010): 807–810.

177 W. G. Glass et al., “CCR5 Deficiency Increases Risk of Symptomatic West Nile Virus Infection,” Journal of Experimental Medicine 203 (2006): 35–40.

178 P. Tebas et al., “Gene Editing of CCR5 in Autologous CD4 T Cells of Persons Infected with HIV,” New England Journal of Medicine 370 (2014): 901–910.

179 Там само.

180 N. Wade, “Gene Editing Offers Hope for Treating Duchenne Muscular Dystrophy, Studies Find,” New York Times, December 31, 2015.

181 H. Yin et al., “Therapeutic Genome Editing by Combined Viral and Non-Viral Delivery of CRISPR System Components in Vivo,” Nature Biotechnology 34 (2016): 328–333.

182 X. Chen and M.A.F.V. Gonçalves, “Engineered Viruses as Genome Editing Devices,” Molecular Therapy 24 (2015): 447–457.

183 American Cancer Society, Cancer Facts and Figures 2016 (Atlanta: American Cancer Society, 2016).

184 D. Heckl et al., “Generation of Mouse Models of Myeloid Malignancy with Combinatorial Genetic Lesions Using CRISPR-Cas9 Genome Editing,” Nature Biotechnology 32 (2014): 941–946.

185 T. Wang et al., “Identification and Characterization of Essential Genes in the Human Genome,” Science 350 (2015): 1096–1101.

186 S. Begley, “Medical First: Gene-Editing Tool Used to Treat Girl’s Cancer,” STAT News, November 5, 2015; A. Pollack, “A Cell Therapy Untested in Humans Saves a Baby with Cancer,” New York Times, November 5, 2015.

187 W. Qasim et al., “First Clinical Application of TALEN Engineered Universal CAR19 T Cells in B-ALL”. Статтю представили на щорічному зібранні Американського товариства гематології, що відбулося 5–8 грудня 2015 року в Орландо, штат Флорида.

188 D. Cyranoski, “CRISPR Gene-Editing Tested in a Person for the First Time,” Nature News, November 15, 2016.

189 M. Jinek et al., “A Programmable Dual-RNA-Guided DNA Endonuclease in Adaptive Bacterial Immunity,” Science 337 (2012): 816–821.

190 V. Pattanayak et al., “High-Throughput Profiling of Off-Target DNA Cleavage Reveals RNA-Programmed Cas9 Nuclease Specificity,” Nature Biotechnology 31 (2013): 839–843.

191 Y. Fu et al., “High-Frequency Off-Target Mutagenesis Induced by CRISPR-Cas Nucleases in Human Cells,” Nature Biotechnology 31 (2013): 822–826; P. D. Hsu et al., “DNA Targeting Specificity of RNA-Guided Cas9 Nucleases,” Nature Biotechnology 31 (2013): 827–832.

192 F. Urnov, “Genome Editing: The Domestication of Cas9,” Nature 529 (2016): 468–469.

Розділ 7

Розплата

Навесні 2014-го, десь за рік до моєї першої поїздки на форум у Давосі, я відчула на собі те, що вже невдовзі переросло в міжнародні спроби окреслити майбутнє технології CRISPR.

Від часу публікації нашої статті в Science із описом того, як CRISPR можна використати для редагування генів минуло менше двох років, однак новини про цю технологію вже розлетілися по всій науковій спільноті й навіть вийшли за її межі. Починав зростати повсюдний захват механізмом CRISPR, а все завдяки описам дослідження редагування генів у популярних засобах масової інформації. І хоча кількість досліджень із використанням CRISPR зростала, чимало науковців намагалися й надалі зосереджуватися на лабораторній роботі, розвиваючи методи редагування генів, а також застосовуючи їх по-новому — не надто заглиблюючись у ширше громадське обговорення.

Так само як і колеги, я продовжувала вивчати й розвивати технологію CRISPR, працюючи у своїй лабораторії в Берклі, але дедалі більше часу приділяла тому, щоб краще зрозуміти проблеми використання редагування генів у терапії людей. Над цим працювали чимало наукових лабораторій, а також декілька біотехнологічних компаній-стартапів. Бути частиною того, що видавалося колосальними колективними зусиллями, спрямованими на з’ясування функціонування технології CRISPR і вивільнення її значного потенціалу для маніпулювання генетичною інформацією всередині клітини, — то дуже п’янке відчуття. Понад усе я була схвильована й сподівалася, що наші зусилля сприятимуть позитивним відкриттям у різноманітних галузях, починаючи від сільського господарства й закінчуючи медициною. Але зрідка ловила себе на тому, що цілими годинами лежала вночі без сну, розмірковуючи про людей за межами наукового світу, які також дуже цікавилися цією новою галуззю й незавжди з найкращими намірами.

Приблизно в той час співавтор цієї книжки Сем Стернберґ, тоді ще аспірант у моїй лабораторії, отримав електронний лист від підприємиці, яку я називатиму Крістіною. Вона хотіла дізнатися, чи не зацікавить Сема пропозиція долучитися до її нової команди, що якимсь чином пов’язана з CRISPR, і попросила про зустріч із ним, щоб поділитися своїм бізнесовим задумом.

На перший погляд, повідомлення Крістіни не було несподіванкою. Зважаючи на темпи, з якими розвивалася й поширювалася технологія CRISPR, а також на її дедалі очевидніший потенціал для здійснення прориву в стількох секторах біотехнологічного ринку, мало не щотижня з’являлися новини про ще одну нову компанію, продукт або ж ліцензійну угоду, пов’язану з редагуванням генів. Але як Сем дізнався пізніше, підприємство Крістіни відрізнялося від усіх інших, причому дуже сильно.

Зустрівшись із Крістіною за вечерею в хорошому ресторані неподалік від університету, Сем не надто розумів, чого йому очікувати, утім, ця розмова все одно застала його зненацька. Лист Крістіни був туманним, але під час особистої зустрічі вона відверто говорила про те, чого сподівається досягти завдяки технології, яку Сем мав допомогти розробити.

Під час палкої розмови за коктейлями Крістіна розповіла Сему, що збирається запропонувати деяким щасливим подружжям перше здорове «CRISPR-немовля». Вона пояснила, що дитину створюватимуть у лабораторії за допомогою запліднення in vitro, однак із певними винятковими рисами — замовленими мутаціями ДНК, виконаними за допомогою механізму CRISPR, щоб повністю усунути ймовірність генетичного захворювання. Намагаючись умовити Сема приєднатися до правління як науковця, Крістіна запевнила, що її компанія планувала здійснювати лише профілактичні генетичні модифікації в людських ембріонах. Якби він вирішив долучитися до справи, то йому не варто було б перейматися внесенням інших мутацій, не обов’язкових для гарантування здоров’я ненародженої дитини.

Крістіні не знадобилося пояснювати Сему, як працювала б ця процедура і якою легкою була б. Щоб відредагувати людський геном так, як підприємиця пропонувала, клінічному лікареві знадобилися б лише ті технології, які вже були добре вивчені й зрозумілі: створення ембріона in vitro з яйцеклітини та сперматозоїда майбутніх батьків, уведення молекул CRISPR, налаштованих на певні послідовності, для редагування генома ембріона й підсадка відредагованого ембріона до матки матері. Про решту подбала б природа.

Сем перепросив ще до десерту, адже вже почув достатньо. Попри запевняння Крістіни, після їхньої розмови він не на жарт схвилювався. Сем відчув, що та жінка була одержима силою й можливостями технології CRISPR. Як сказав мені пізніше, він побачив відблиск іскри Прометея в її очах і запідозрив, що на думці Крістіна мала інші, серйозніші генетичні вдосконалення, а не лише описані зміни, зроблені з найкращих міркувань.

Якби ця розмова відбулася на декілька років раніше, ми із Семом відмахнулися б від пропозиції Крістіни, сприйнявши її за чисту вигадку. Звісно, генетично модифіковані люди з’являлися на сторінках видатної наукової фантастики й були багатою темою для філософських та етичних роздумів про можливість людської самоеволюції. Існувала дуже мала ймовірність того, що хтось найближчим часом утілив би на практиці такі франкенштейнівські схеми, хіба тільки геном Homo sapiens раптом став би так само легким для маніпулювання, як і геном лабораторних бактерій на зразок E. coli.

Але тепер такі думки вже не викликали в нас сміху, адже зробити людський геном настільки ж податливим до маніпулювання, як і геном бактерій, — це саме те, чого досягла технологія CRISPR. Лише за місяць до зустрічі Сема з Крістіною народилися перші мавпи з геномами, переписаними за допомогою точного редагування генів. Це проторувало надійну стежку дослідженням CRISPR простісінько до парадного входу еволюції Homo sapiens193. Зважаючи на ці досягнення з приматами та кількість CRISPR-модифікованих видів тварин — від черв’яків до кіз, — що їм передували, рано чи пізно людей додадуть до щораз більшого переліку істот, чиї геноми доопрацювали.

Я добре усвідомлюю цю можливість, і вона мене дуже непокоїть. Хоча я не можу заперечити чимало приголомшливих позитивних впливів, які редагування генів спроможне дати нашому світу, — краще зрозуміти людську генетику, стабільніше виробляти продукти харчування та лікувати жертв страшних генетичних захворювань, — мене дедалі більше починають тривожити інші застосування CRISPR, які цілком імовірно цій технології можуть знайти. Чи не стало редагування генів завдяки CRISPR аж занадто легким? Чи не дуже стрімко науковці кинулися до нових досліджень, не зупинившись, щоб подумати, чи виправдані ці експерименти або якими можуть бути їхні наслідки? Чи можна технологію CRISPR використати неправильно або зловживати нею, особливо в тому, що стосується людського генома?

Мене починає надзвичайно непокоїти, чи раптом у найближчому майбутньому науковці не спробують видозмінити людський геном так, щоб ці зміни передалися нащадкам — не для того, щоб вилікувати певного пацієнта, а з метою усунення можливості розвитку хвороби в дитині, яка ще не народилася чи навіть не була зачата. Зрештою, саме це Крістіна й пропонувала Сему. І навіть якщо їй це не вдалося, де гарантія, що це не стане до снаги комусь іншому?

Ця ймовірність не дає мені спокою. Ніколи раніше люди не мали такого інструмента, як CRISPR, і це відкриття здатне перетворити геноми не лише сучасних людей, а й наступних поколінь у колективний палімпсест, на якому всяку частину генетичного коду можна буде стерти й поверх нього записати інший залежно від забаганок покоління, що здійснюватиме редагування. Ба більше, зустрічі, як та, що відбулася в Сема з Крістіною, змусили мене визнати, що не всі поділяють мою тривогу стосовно ймовірності того, що науковці переписуватимуть ДНК майбутніх поколінь, не обміркувавши як слід наслідки. Хтось неминуче використає CRISPR у людських ембріонах — або заради того, щоб прибрати схильність до серпоподібноклітинної анемії в гермінативних клітинах окремої родини, або ж щоб унести немедичні покращення, і в довгостроковій перспективі це може змінити перебіг історії нашого виду так, що неможливо й передбачити.

Запитання, яке я почала усвідомлювати, полягає не в тому, якщо редагування генів використовуватимуть, щоб змінити ДНК у гермінативних клітинах, а радше в тому, коли і як це робитимуть. Я також зрозуміла, що коли хочу висловитися стосовно того, коли і як CRISPR використовуватимуть для видозміни генетики майбутніх поколінь, то маю спершу точно збагнути, наскільки ця технологія відрізняється від попередніх наукових досягнень у редагуванні гермінативних клітин. Які типи втручання в людські ембріони вже здійснювали і як їх сприйняли? З якою метою робилися ці перші втручання? Що мої попередники, зокрема наукові світила старших поколінь, говорили про маніпуляції з гермінативними клітинами людини — перспективу, яка мене так тривожить?

* * *

Не можна сказати, що обговорення модифікування ДНК гермінативних клітин людини почалося лише з появою технології CRISPR. Це сталося задовго до неї. Ще коли з’явилися найперші натяки на редагування генів, лікарі в репродуктивній медицині вже обирали певні ембріони з-поміж інших для створення вагітностей, у такий спосіб вирішуючи, які гени будуть передаватися наступним поколінням. І навіть задовго до того лікарі-практики та науковці-спостерігачі були схвильовані думкою, що колись люди зможуть стати головними авторами власного генома.

Щойно була доведена роль ДНК у кодуванні генетичної інформації, дослідники почали високо оцінювати можливість розважливого маніпулювання генетичним кодом, навіть попри те, що інструментів для цього ще не існувало. Маршалл Ніренберг — один із біологів, який розшифрував генетичний код у 1960-х (за це досягнення його нагородили Нобелівською премією в галузі фізіології або медицини), у 1967-му писав про людську «силу формувати власне біологічне призначення»194. «Таку силу, — зауважив він, — можна використовувати мудро або немудро, на користь або ж на шкоду людству». Розуміючи, що це вміння не повинно лишатися в руках самих тільки науковців, Ніренберг продовжив: «Остаточне рішення щодо застосування цього знання має ухвалити суспільство, і лише обізнане суспільство здатне ухвалити таке рішення мудро».

Не всі науковці були такими поміркованими. Лише через декілька років по тому Роберт Сіншаймер, тодішній професор біофізики в Каліфорнійському технологічному інституті, описував у журналі American Scientist генетичні модифікації людей як «потенційно один із найважливіших концептів, що з’явилися за всю історію людства... Уперше за весь час живі створіння розуміють своє походження й можуть сформувати власне майбутнє» 195. Сіншаймер глузував із критиків, які обстоювали думку, що генна інженерія була просто сучасною версією позачасової, але даремної мрії вдосконалити людство: «Очевидно, що людина — це дуже небездоганна, недосконала істота. Зважаючи на її еволюцію, малоймовірно, що могло бути інакше... Тепер ми побачили інший шлях — можливість послабити наші недоліки й безпосередньо виправити внутрішні вади, — щоб рухати далі й свідомо вдосконалювати, як нам поки що й не снилося, цей винятковий продукт еволюції, що тривала протягом двох мільярдів років».

За два десятиліття після публікації Сіншаймера науковці стрімко торували шлях до бездоганності, про яку наприкінці 1960-х він міг мати лише загальне уявлення. На початку 1990-х випробування генної терапії вже здійснювалися на пацієнтах-людях, і хоча було зрозуміло, що точне маніпулювання з людськими гермінативними клітинами неможливе навіть із такою порівняно новітньою технологією, це не завадило дослідникам заламувати руки від хвилювання через таку ймовірність. Френч Андерсон, науковець, який здійснив перші клінічні випробування, відверто говорив про ризики й етичні аргументи проти використання генної терапії з метою вдосконалення, незалежно від того, чи в соматичних клітинах, чи в гермінативних. Понад усе вчений ставив під сумнів, чи хтось із дослідників зможе відповідально опанувати цю новознайдену силу, чи натомість «скидатиметься на мале хлоп’я, якому подобається все ламати. Малюк може бути достатньо кмітливий для того, щоб розібрати годинник, і можливо, навіть щоб зібрати його знову так, аби той працював. Але раптом він спробує “покращити” цю річ? Можливо, уставити більші стрілки, щоб час було легше визначити. Але якщо стрілки виявляться занадто важкими для механізму, годинник рухатиметься повільно, безладно чи й зовсім зупиниться... Найімовірніше, спроби хлопчика покращити годинник лише нашкодять останньому».

Попри застороги провідних науковців на зразок Андерсона, думка змінити або вдосконалити наш геном і надалі не давала спокою деяким біологам упродовж останнього десятиліття ХХ століття. Захоплення цих жінок і чоловіків підігрівалося безперервними дослідженнями та відкриттями в генній терапії людини, а також новаторським поступом у трьох основних галузях: репродуктивних дослідженнях, вивченні тварин і генетиці людини.

Ще тоді мало не кожен науковець мріяв про вдосконалення генофонду людства, і натхнення йому потрібно було шукати не далі нещодавніх відкриттів у лікуванні безпліддя. Народження у 1978 році Луїзи Браун — першої у світі «дитини з пробірки» — стало переламним моментом для репродуктивної біології, довівши, що розмноження людини можна спростити до звичайних лабораторних процедур: поєднання очищених яйцеклітини та сперматозоїда в чашці Петрі, виходжування зиготи, доки вона не розвинеться до багатоклітинного ембріона, та підсадження його в жіночу матку. Запліднення in vitro, або штучне запліднення, дало змогу батькам із різними формами безпліддя народити генетично споріднену дитину, а також дозволило й інші маніпуляції, які згодом можна було б здійснити на ранньому етапі розвитку ембріона, доки він зростає в лабораторії. Зрештою, якщо людське життя тепер можна створити в чашці Петрі — тому самому стерильному оточенні, де почали розробляти технології редагування генів, було очевидно, що колись ці два методи перетнуться. Дослідники, які ставили собі за мету розв’язати проблему безпліддя, мимоволі вдосконалили процедуру, що стала невід’ємною частиною майбутніх обговорень маніпуляцій із ДНК гермінативних клітин.

Дослідження тварин також підбадьорювало науковців, які вважали, що редагування людських ембріонів уже не за горами. Упродовж останніх десятиліть ХХ століття вчені відкривали дедалі винахідливіші способи змінювання тваринних геномів, починаючи від клонування й закінчуючи додаванням генів за допомогою вірусів під час найперших застосувань точного редагування генів. До 1990-х створення мишачих моделей людських захворювань завдяки зміні окремих генів у гермінативних клітинах тварин стало цілковито буденним явищем. Хоча ту саму процедуру на людях застосовувати не можна, вона заклала підвалини для відкриттів на зразок ZFN і CRISPR, що замінили попередні жорсткі методи редагування генів у гермінативних клітинах миші на чіткий, точний, високооптимізований метод, більше придатний для людей. Це десятиліття також стало свідком першого успішного клонування ссавця завдяки славнозвісному народженню вівці Доллі в 1996-му. Перемістивши ядро соматичної клітини (з усією його ДНК), узятої в дорослої вівці, у яйцеклітину реципієнта з видаленим ядром, стимулювавши гібридну клітину до ділення, а потім підсадивши отриманий ембріон сурогатній матері, Ян Вільмут із колегами в Шотландії створили вівцю, чий геном був точною копією донора.

Штучне запліднення та клонування стали величезними технологічними проривами, які допомогли підготувати фундамент для редагування ембріонів. Вони не лише показали, що науковці спроможні створити в лабораторії життєздатний ембріон, поєднавши яйцеклітину й сперматозоїд, а й також відкрили, що ембріони можна виробляти за допомогою генетичної інформації однієї тварини. Цей подвиг змусив регуляторні органи по всьому світу квапливо затверджувати законодавчі акти, які забороняли б репродуктивне клонування людей. Як виявилося, клонування ссавців було таким важким із технічного погляду, що лише декілька лабораторій по всьому світу могли спробувати здійснити його. Отже, на відміну від CRISPR, технологія перенесення ядра соматичної клітини виявилася досить обмеженою, зважаючи на те, що вимагала значної кваліфікації.

І нарешті, захоплення внесенням змін до ДНК майбутніх поколінь було природним наслідком проривів у генетиці, зокрема секвенування генома людини. Це неймовірне відкриття змусило багатьох уважати, що науковці невдовзі зможуть з’ясувати причини колись загадкових хвороб, а також знайти генетичний код для значно ширшого кола фенотипових рис людини — від фізичних до когнітивних. Щойно ми повністю осягнули б генетичні чинники, які визначають здоров’я людини та її працездатність, то змогли б обирати — чи навіть створювати — ембріони з генетичним складом, відмінним від їхніх батьків. Кращі за їхніх батьків.

Принаймні деякі науковці на це сподівалися. От я, наприклад, скептично ставилася до того, що до появи технології CRISPR видавалося сліпим оптимізмом, приправленим надмірними зітханнями стосовно можливостей змін у ДНК гермінативних клітин, навіть не замислюючись над наслідками цих дій. Чи й справді така процедура зможе безпечно позбавити всіх нащадків людини від генетичних захворювань, а чи матиме побічні ефекти, яких ми не в змозі передбачити? Навіть здійснити експерименти, які надали б відповіді на ці запитання, видавалося неможливим. І якби ми й змогли безпечно це здійснити, то чи обмежилися б лікарі та їхні пацієнти медичними потребами, чи, може, перетнули б межу, реалізувавши необов’язкові вдосконалення? Хоча тоді я й не надто переймалася цими запитаннями, утім вони мучили мене щоразу, коли порушувалася тема ембріонів.

У 1998 році дедалі більше захоплення (чи тривога, залежно від того, де в цій низці подій опинилися ви) стосовно модифікації гермінативної ДНК спонукало двох науковців — Джона Кемпбелла та Грегорі Стока — організувати в Каліфорнійському університеті в Лос-Анджелесі один із перших симпозіумів, присвячених цій темі. Конференція під назвою «Інженерія гермінативних клітин людини» відзначилася промовами провідних дослідників у цій галузі, зокрема Френча Андерсона — першовідкривача генної терапії, Маріо Капеккі — одного з творців раннього редагування генів і Джеймса Ватсона — одного з відкривачів структури ДНК. Попри те що мене не було серед присутніх — на той час у центрі мого дослідження все ще були питання на зразок того, як крихітні молекули РНК формують складні тривимірні структури, — роки по тому записи конференції допомогли переконатися, що не лише я переймалася втручанням у людські ембріони й що мої тривоги були зовсім не новими196.

На тій конференції в Каліфорнійському університеті її учасників непокоїли чимало тих самих питань щодо редагування в гермінативних клітинах, які випливли на поверхню за останні роки після появи CRISPR, як-от дозвіл, нерівність, доступність і непередбачені наслідки для майбутніх поколінь. Як і чимало стурбованих науковців у наші дні, ті дослідники зіткнулися з важкими запитаннями: чи не порушать вони закони природи й вищих сил, змінюючи цей тип ДНК, і чи такі спроби не започаткують євгенічний рух — помилкові вірування й практики початку ХХ століття, які звичайна наука категорично відкидає?

Але на додачу до вагомих етичних міркувань чи, можливо, попри це, учасників конференції 1998 року вочевидь переповнював невимовний оптимізм стосовно можливості використання останніх наукових відкриттів для вдосконалення людства. У процесі панельних дискусій, присвячених таким темам, як подолання хвороб, уникнення серйозних генетичних вад і загальне вдосконалення природного напрямку еволюції, учасники зійшлися на тому, що деякі з названих проявів бувають настільки безжальними, що певне втручання може бути виправданим.

Доповідь Американської асоціації сприяння розвитку науки197, написана декілька років по тому на тему спадкових генетичних модифікацій людини, була значно стриманішою. Робоча група дійшла висновку, що втручання в ДНК гермінативних клітин людини (поки що) не можна здійснити безпечно чи помірковано, що етичні тривоги були серйозними й що особливо проблемними виявилися небезпеки модифікації гермінативних клітин із метою їхнього вдосконалення. Ще через декілька років Центр генетики й громадської політики дійшов схожих висновків198, хоча й припускаючи, що попит споживачів на окреме застосування, імовірно, таки з’явиться, якщо науковці розроблять життєздатні процедури.

Окрім цих конференцій і доповідей ще одна подія провіщала певні цілі — і суперечності — модифікації гермінативних клітин, які набудуть актуальності після відкриття CRISPR. Ідеться про появу медичної процедури, що дозволила батькам обирати, хоча й зі значними обмеженнями, генетичний матеріал, який успадкують їхні діти.

Щойно техніка запліднення in vitro перетворила зачаття на досить просту лабораторну процедуру, стало можливим проаналізувати послідовність ДНК людського ембріона на ранньому етапі розвитку — так само, як і будь-якого іншого біологічного зразка. Оскільки кожний із батьків передає лише 50 відсотків своєї ДНК нащадку, специфічне поєднання хромосом і генів, яке успадковує дитина, по суті є випадковим. Але здатність створювати в лабораторії велику кількість ембріонів за допомогою численних яйцеклітин і сперматозоїдів докорінно все змінила. Замість того щоб підсаджувати матері випадкові ембріони, репродуктологи отримали змогу спершу проаналізувати ДНК ембріонів-кандидатів, аби переконатися, що обирають той, який має найздоровіший геном. Ця практика отримала назву передімплантаційної генетичної діагностики (ПГД).

Звісно, для ембріонів, які були зачаті завдяки статевому розмноженню, також існує внутрішньоутробне генетичне тестування, і в наші дні до нього вдаються дедалі частіше. Амніоцентез чи й просто зразок крові, узятий у матері (у ньому містяться залишкові сліди ДНК плоду), може виявити хромосомні аномалії, як-от синдром Дауна, чи навіть специфічні генетичні мутації, що спричиняють захворювання. Але все одно існують етичні питання, які потрібно обміркувати. Зрештою, якщо внутрішньоутробне тестування показує, що плід має згубні генетичні відхилення, то зазвичай лишається два варіанти: продовжити вагітність або ж перервати її. Зважаючи на суперечки навколо вибіркового передчасного переривання вагітності, зовсім не дивно, що використання такого тестування стало приводом для палких обговорень.

Передімплантаційна генетична діагностика уникає таких важких питань завдяки тому, що дає змогу обрати ембріон ще до настання вагітності (хоча й також вимагає того, щоб запліднення відбувалося in vitro, а це передбачає високу вартість та інвазивне взяття яйцеклітин у матері). І попри те, що ПГД усе одно стикається з технічними труднощами, загалом вона є ефективним засобом запобігання народженню дітей із певними генетичними станами й стає привабливим варіантом для батьків, які вже обмірковують штучне запліднення через проблеми з безпліддям. Хоча ця техніка уникає етичних питань передчасного переривання вагітності, усе-таки вона має власний важкий філософський тягар.

Під час перших застосувань передімплантаційну генетичну діагностику використовували для статевого відбору, хай навіть із медичних причин, адже хвороб, пов’язаних із мутаціями Х-хромосоми, відомих як Х-зчеплені захворювання, можна було уникнути, обравши жіночий ембріон. Але попри гарні наміри науковців, чимало спостерігачів і регуляторних органів просто не могли змиритися з думкою, що ПГД дозволяла батькам вирішувати, народжувати хлопчика чи дівчинку, особливо беручи до уваги те, що в деяких країнах доньки вважаються менш бажаними, ніж сини. Нині використання передімплантаційної генетичної діагностики для статевого відбору незаконне в багатьох країнах (зокрема, в Індії та Китаї) або ж дозволене лише для того, щоб уникнути Х-зчеплених захворювань (як у Великій Британії). Але це законно в Сполучених Штатах Америки, де чимало репродуктивних клінік пропонують ПГД як доступний варіант для батьків без нагальної медичної потреби.

Передімплантаційну генетичну діагностику також використовували й для інших суперечливих цілей, як-от народження так званих рятівних братів чи сестер для донорства, яким від моменту імплантації судилося не лише жити власним життям, а й також слугувати донорами органів або клітин для своїх хворих братів чи сестер. А в майбутньому батькам можуть дати можливість не лише обирати сприйнятливість до захворювань або стать дитини, а й перейти до таких особливостей, як її поведінка, зовнішність і навіть розумові здібності. Перелік відомих зв’язків між певними варіантами генів і різноманітними рисами продовжує зростати, а оскільки технологія ПГД удосконалюється й надалі, хіба щось заважатиме репродуктивним клінікам використати цю генетичну інформацію, щоб, коли справа дійде до вибору найбажаніших чи найкращих ембріонів, запропонувати своїм клієнтам ширший вибір?

Такі генетичні тестування є надзвичайно важливими, але це не найновіші чи найрозвинутіші технології в допоміжній репродукції. Цю нішу займає терапія мітохондріального заміщення, більше відома як штучне запліднення від трьох батьків. Парадокс у тому, що всі немовлята, які народжуються внаслідок цієї процедури, мають ДНК не від двох, а від трьох батьків: одного тата й двох матерів. Ця терапія, що передбачає перенесення ядра однієї яйцеклітини в іншу з видаленим ядром, спрямована на те, щоб урятувати дитину від інакше неминучого класу генетичних станів під назвою мітохондріальні захворювання. Друга яйцеклітина не має ядра, але містить мітохондрії, у яких є незначна частка людського генома, тож ця процедура створює людину, генетично споріднену з трьома батьками: матір’ю, яка дала ядерний геном (і яка, імовірно, і виховуватиме дитину), матір’ю, що дала яйцеклітину, позбавлену ядра, та свій мітохондріальний геном (невелику, але важливу кількість генів), і батьком, який надав сперматозоїд і другу копію ядерного генома.

Терапія мітохондріального заміщення довела свою ефективність на мишах і нелюдиноподібних мавпах і вже здійснювалася на людських яйцеклітинах. Ще й досі точаться певні суперечки стосовно безпечності цього методу, але клінічне використання вже не за горами. Консультативний комітет, який наглядає за репродуктивними дослідженнями й методами лікування в Сполученому Королівстві, схвалив терапію мітохондріального заміщення в доповіді 2014 року, і після затвердження парламентом у 2015-му Велика Британія стала першою країною у світі, яка ухвалила розпорядження, що дозволяло клінічне використання цього методу199. Сполучені Штати теж не надто відстали: на початку 2016 року Національна академія наук, техніки та медицини США так само порекомендувала, щоб Управління продовольства й медикаментів схвалило майбутні випробування штучного запліднення від трьох батьків200.

Процедури на зразок ПГД і штучного запліднення від трьох батьків демонструють прагнення наукової та медичної спільноти подолати етичні обмеження, щоб дати змогу людям мати здорову дитину. Навіть штучне запліднення від трьох батьків, яке в чомусь технічно є дуже подібним до репродуктивного клонування, зіткнулося з відносно незначним філософським і регуляторним вивченням, як порівняти з іншими, суперечливішими техніками. Такий спосіб запліднення назавжди змінює людський геном, адже всі зміни, унесені в гермінативні клітини, передаються майбутнім поколінням. А втім, регуляторні органи дали зелене світло цій репродуктивній терапії.

Читаючи про ці випадки, я запитувала себе: «А чи так само спокійно регуляторні органи й дослідники ставитимуться до використання технології CRISPR із метою внесення спадкових змін у людський геном, зважаючи на її значно більшу потужність, ніж у попередніх технологій? Коли репродуктологи нарешті збагнуть, що мають змогу покращувати геноми ембріонів значно більшою кількістю варіантів генів, наданих будь-яким складом батьків, чи й справді вони зупиняться, щоб обміркувати можливі наслідки? Чи, навпаки, поквапляться скористатися цією новою силою, наосліп хапаючись за генетичний інструмент, який, якщо орудувати ним у темряві, не можна повністю контролювати?

Як професорка й дослідниця-біохімік я не ставила собі таких запитань у щоденному житті. Хоча пригадую, що писала в заяві на вступ до аспірантури, що цікавилася науковим спілкуванням, але насправді значно більше мені подобалося працювати в лабораторії, випробовувати нові експерименти, щоб обміркувати теоретичне довгострокове значення свого дослідження й намагатися пояснити його людям, далеким від науки. І що глибше я занурювалася у свою галузь, то більше часу проводила за розмовами з фахівцями та менше спілкувалася з людьми за межами безпосереднього кола експертів. Так я потрапила в розповсюджену пастку: науковці, як і будь-хто інший, почуваються значно затишніше серед таких самих людей, як і вони, — тих, хто говорить тією самою мовою й кого непокоять ті самі проблеми, великі та малі.

Однак через два роки після того, як ми з колегами опублікували статтю, у якій описали CRISPR як нову платформу для редагування генів, я збагнула, що більше не можу ігнорувати ці масштабні запитання й лишатися всередині знайомої наукової бульбашки. Оскільки фахівці використовують CRISPR, щоб редагувати гени дедалі більшої кількості тварин, і продовжують розширювати можливості цього інструмента, я усвідомила, що недовго лишилося й до тієї миті, коли дослідники в якомусь куточку світу застосують таку технологію на людських яйцеклітинах, сперматозоїдах та ембріонах, поставивши собі за мету назавжди переписати геном майбутніх поколінь. У це важко повірити, але таку ймовірність ніхто не обговорює. Натомість революція в редагуванні генів розгортається за спинами тих, на кого вона вплине. Навіть коли відбувся прорив, пов’язаний із відкриттям CRISPR, здавалося, що ніхто поза межами кола моїх колег не знав або не розумів, що насувається. Зрештою, це породило глибокий розрив між моїм професійним і особистим життям. Удень я порівнювала записи з фахівцями, а після роботи вечеряла з сусідами й спілкувалася з представниками батьківського комітету, а заразом дивувалася, як мало мешканці цих двох світів знали один про одного. Тож доки представники влади в Сполученому Королівстві відкрито розглядали терапію мітохондріального заміщення, я самотужки боролася з тим, чи зможу уникнути етичного збурення навколо технології, яку сама ж допомогла створити.

Не те щоб я категорично виступала проти думки, що науковці та лікарі можуть використовувати редагування генів для внесення спадкових змін у людський геном. Насправді існувало безліч філософських, практичних і пов’язаних із безпекою проблем (про більшість із них я розкажу в наступному розділі), що заслуговували глибшого обговорення та запеклих дебатів, але жодна з них не була підставою для цілковитої заборони застосування нової технології з цією метою. Я значно більше переймалася іншими двома конкретними небезпеками. По-перше, попри низку необачних, погано спланованих експериментів, науковці передчасно застосовували CRISPR без належного зважування чи обмірковування ризиків, а по-друге, завдяки тому, що ця технологія була настільки ефективною й простою у використанні, нею могли зловживати або застосовувати зі злочинними намірами.

Складно було зрозуміти, якими могли виявитися ці зловживання і хто міг до них удаватися. Навесні 2014 року, перед тим, як я змогла глибоко вивчити ці питання, підсвідомість підкидала мені відповіді у вигляді нічних жахіть — на одне з них я й натякала у вступі до цієї книжки.

У тому конкретному сні до мене підійшов колега й запитав, чи не бажаю я розповісти декому, як працює технологія редагування генів. Я пройшла за ним до кімнати, щоб зустрітися з цією людиною, і була приголомшена, побачивши Адольфа Гітлера, із плоті й крові, який сидів переді мною. У нього було свиняче обличчя (можливо, тому що я витратила забагато часу на роздуми про олюднення свинячого генома, який саме тоді переписували за допомогою CRISPR), і він ретельно підготувався до нашої зустрічі, навіть мав ручку й папір, щоб записувати. Не відводячи від мене зацікавленого погляду, Гітлер сказав: «Я хочу зрозуміти використання й значення цієї дивовижної технології, яку ви створили»201.

Його страхітливого вигляду та лиховісного прохання стало достатньо для того, щоб прокинутися. Я лежала в темряві, серце шалено калатало в грудях. Не могла позбутися страшного передчуття, яке по собі лишив той сон. Здатність переробляти людський геном — це й справді неймовірна сила, із тих, які можуть мати спустошливі наслідки, якщо потраплять не в ті руки. Думка налякала мене ще більше, бо на цьому етапі технологія CRISPR повсюдно розходилася до користувачів по всьому світу. Десятки тисяч інструментів на основі CRISPR уже доставили до різних країн202, і знання та протоколи, потрібні для створення запланованих мутацій у ссавцях203 (принаймні в мишах і мавпах), досить детально були описані в численних опублікованих статтях. Ситуація погіршувалася ще й від того, що CRISPR застосовували не лише в сотнях наукових і комерційних дослідних лабораторій по всьому світу. Цю технологію також продавали онлайн будь-якому покупцеві, що мав сотню доларів204. Звісно, набори із серії «CRISPR: зроби сам» розроблені для видозміни лише бактеріального генома та генів дріжджів, але техніка була доволі простою і наукові експерименти з тваринним геномом стали такими буденними, що неважко уявити й біохакерів, які гралися б зі значно складнішими генетичними системами205 — аж до власного генома.

Що ж ми накоїли? Мені з Еммануель і нашим колегам технологія CRISPR уявлялася як здатна рятувати життя, допомагаючи лікувати генетичні захворювання. Та навіть коли я думаю про це зараз, то заледве здатна осягнути всі способи, якими можна спаплюжити нашу важку роботу.

Приголомшена тим, як швидко все рухається і як стрімко пішло не за планом, я починаю почуватися докторкою Франкенштейн. Невже я створила монстра?

І ніби мало цих неспокійних думок, я ловлю себе на тому, що непокоюся про ще одну ймовірність. А що, як науковці не здійснюватимуть свої дослідження відкрито? Зрештою, наука не існує у вакуумі. А надто це стосується прикладних наук, у яких відкриття часто впливають безпосередньо на суспільство. Я глибоко переконана, що науковці, які працюють у цій галузі, повинні відкрито здійснювати дослідження, розповідати громадськості про власну роботу й залучати людей до колективного обговорення ймовірних ризиків, переваг і наслідків своїх експериментів до виконання будь-якого з тих, що, так би мовити, можуть стати вирішальними, тобто до того, як перейти рубікон.

У випадку з CRISPR зрозуміло, що публічне обговорення значно відстало від небезпечного темпу наукових досліджень. Я розмірковувала: раптом спроби експериментів на людях відбудуться до того, як ми відкрито розглянемо редагування генів? Чи не викличе це зворотну реакцію? І цілком імовірно, що негативне сприйняття може нашкодити нагальним і не таким суперечливим терапевтичним застосуванням CRISPR, як-от лікування генетичних захворювань у дорослих пацієнтів, чи й затримати їх загалом. Дедалі більше стривожена такими перспективами, я намагалася знайти підказки щодо того, як рухатися далі.

Приблизно саме тоді я спіймала себе на думці про аналогію з ядерною зброєю — галуззю, у якій наука розвивалася таємно й без належного обговорення того, як же варто використовувати відкриття науковців. А надто це стосується періоду Другої світової війни.

Роберт Оппенгеймер, колишній професор фізики в Берклі та один із творців атомної бомби, детально висвітлив цю думку в низці таємних повоєнних слухань після того, як його відкриті заклики покласти край гонці ядерних озброєнь (уже не згадуючи про зв’язки з комуністами) не на жарт розлютили політиків. Коментуючи реакцію Америки на перші випробування атомної бомби в Радянському Союзі та подальші обговорення щодо того, чи варто прагнути створити ще потужніші водневі бомби, Оппенгеймер сказав: «Стосовно цього я вважаю, що коли ви бачите щось технічно привабливе, то прямуєте до нього, і сперечаєтеся, що з цим робити, лише після того, як досягнете технічного успіху. Саме так і сталося з атомною бомбою. Не думаю, що хтось виступав проти її створення, адже обговорення стосовно того, що з нею робити, відбулися вже після того, як її виготовили»206.

Слова Оппенгеймера тільки ще більше підбурили мої докори сумління. Можливо, колись ми те саме будемо говорити про технологію CRISPR і генетично модифікованих людей. І хоча редагування людських генів майже точно ніколи не матиме таких катастрофічних наслідків, як вибухи ядерних бомб, дуже ймовірно, що надмірний поспіх у дослідженнях усе одно міг завдати шкоди, підірвавши довіру суспільства до цієї нової форми біотехнології, якщо не гірше. Насправді, зважаючи на повсюдне занепокоєння й навіть несприйняття певних форм генної інженерії в сільському господарстві, дедалі більше я тривожуся через недостатню кількість інформації (чи поширення неправдивої) про редагування гермінативних клітин, що може загнати в глухий кут наші спроби використати CRISPR у значно безпечніший і важливіший спосіб.

Подумки я постійно прокручувала можливі варіанти розвитку подій і почала розмірковувати над тим, як можна запобігти появі проблем. Я хотіла знайти спосіб ужити попереджувальних заходів та ініціювати відверте й відкрите громадське обговорення технології, яку допомогла створити. Чи могла я разом з іншими стурбованими науковцями врятувати технологію CRISPR від неї самої не постфактум, як це трапилося з ядерною зброєю, а до того, як станеться біда?

Я шукала відповідей в іншому надзвичайно важливому моменті в історії розвитку біотехнологій — у події, коли заклики проявити обачність лунали по всій науковій спільноті й за її межами. Як і тепер, тоді причиною занепокоєння став прорив у генній інженерії. У тому ранньому прикладі ним була поява рекомбінантної ДНК. І тоді науковці вдалися до активних дій (і зрештою досягли успіху), аби не допустити, щоб їхня робота мимовільно комусь зашкодила.

На початку 1970-х науковці здійснили чималий поступ у новому мистецтві сплайсингу генів — хімічному злитті або ж рекомбінації очищених шматочків генетичного матеріалу з різних організмів із метою створення небачених доти синтетичних молекул ДНК. Пол Берг — біохімік із Стенфорда, а згодом лауреат Нобелівської премії, першим досяг цієї перемоги, поєднавши ДНК із трьох джерел207: бактеріального вірусу, відомого як фаг лямбда, бактерії E. coli та мавпячого вірусу під назвою SV40. Тільки-но поєднавши вірусну й бактеріальну ДНК, Берг планував уживити ці гібридні міні-хромосоми в клітини, щоб мати змогу дослідити функції окремих генів у незвичному для них середовищі.

Згодом Берг та інші науковці збагнули, що експерименти з модифікованим генетичним матеріалом могли мати безліч непередбачених і потенційно небезпечних наслідків. Можливо, найтривожнішою була думка про те, що могло би трапитися, коли синтетичну ДНК не зберігали б як годиться і вона якимось чином вибралася б із лабораторії. Початковий план Берга полягав у тому, щоб перемістити генетичний матеріал у лабораторний штам бактерії E. coli, але оскільки в травній системі людини природно містяться мільярди нешкідливих E. coli, то видавалося цілком імовірним, що генетично модифіковані бактерії могли заразити людей і нашкодити їм. Ба більше, оскільки науковці знали, що вірус SV40 міг спричиняти появу пухлин у мишей, існувала ймовірність того, що фрагмент ДНК із SV40 був здатний створити новий канцерогенний патоген. Якби останній опинився в довкіллі, то міг посіяти справжній хаос, поширюючи гени, здатні спричиняти розвиток раку або стійкість до антибіотиків у людей чи інших видів.

Через ці побоювання Берг і його команда відмовилися від спроб здійснити експеримент. Натомість науковець уперше закликав до того, що зрештою стало двома конференціями, які відбулися в мальовничому комплексі Асіломар, розташованому в Пасіфік-Ґроув, штат Каліфорнія, на західній верхівці півострова Монтерей. До того, як дослідження Берга просунулися б далі, він хотів залучити колег-науковців до наскрізного аналізу переваг і потенційних ризиків.

Конференція в 1973 році, що згодом стала відома як Асіломар І, стосувалася передусім ракових вірусів та їхньої небезпеки, і на ній не обговорювали безпосередньо нові експерименти з рекомбінантною ДНК, які обмірковував Берг. Однак того самого року науковці провели другу конференцію, присвячену саме сплайсингу генів. Озвучені на цій зустрічі побоювання спонукали дослідників звернутися до Національної академії наук США з проханням заснувати комітет для офіційного вивчення нової технології. Берг очолив цю групу — Комітет із рекомбінантної ДНК, який зібрався в Массачусетському технологічному інституті в 1974 році. Невдовзі після засідання науковці оприлюднили визначну доповідь під заголовком «Потенційна біологічна небезпека молекул рекомбінантної ДНК»208.

«Лист Берга», як його часто називають, завершувався безпрецедентними вимогами повсюдної заборони експериментів, які комітет уважав найбільш небезпечними — тобто тих, що були спрямовані на створення стійкості до антибіотиків у нових видах бактерій, а також гібридної ДНК із тваринними вірусами, які спричиняють розвиток онкологічних захворювань. Це був один із перших випадків, коли науковці добровільно утрималися від здійснення цілої низки експериментів за відсутності будь-яких регуляторних чи урядових заборон.

«Лист Берга» також містив ще три рекомендації: по-перше, щоб науковці були дуже обачними з будь-якими експериментами, розробленими для того, щоб поєднати тваринну й бактеріальну ДНК; по-друге, щоб Національний інститут охорони здоров’я США заснував дорадчий комітет, аби передбачити майбутні проблеми, пов’язані з рекомбінантною ДНК; і по-третє, скликати міжнародну конференцію, щоб науковці з усього світу могли ознайомитися з нещодавніми відкриттями в галузі й порівняти записи стосовно того, як поводитися з потенційними небезпеками. Наслідком цієї останньої рекомендації став Міжнародний конгрес, присвячений вивченню молекул рекомбінантної ДНК, який відбувся в лютому 1975 року в Асіломарі.

Про Асіломар ІІ написано чимало209. На ньому побували майже 150 людей — переважна більшість науковців, але були й юристи, урядові чиновники та представники преси. Часто обговорення ставали палкими, коли навіть фахівці з біології не могли дійти згоди стосовно відносних небезпек здійснення експериментів із використанням рекомбінантної ДНК. Дехто виступав проти передчасного зняття мораторію, бо вважав, що окремі експерименти треба й надалі заборонити, аж доки не стане відомо більше про їхні небезпеки. Інші вважали, що небезпек узагалі не існує чи принаймні вони дуже незначні й точно не варті того, щоб вимагати таких запобіжних заходів. Зрештою, Берг і його колеги вирішили, що більшість експериментів варто продовжувати210, але з відповідними застереженнями, тобто біологічними та фізичними бар’єрами, які б утримували генетично модифіковані організми.

Безперечно, такі наміри були дуже важливими, однак Асіломар ІІ виявився не менш важливим для зв’язку між науковцями й громадськістю. Представники преси, що побували на конгресі, розповіли своїй аудиторії про рішення науковців. Замість того щоб здійняти галас чи надати спотворену й обмежену інформацію, як того побоювалися деякі вчені, така прозорість зрештою зросла до злагодженості, що дала змогу дослідникам продовжити рухатися далі, маючи підтримку громадськості211.

Утім критика теж не оминула Асіломар ІІ. Узяти участь у конференції можна було тільки за запрошенням, і серед присутніх лише жменька не належала до науковців, тому дехто обстоював думку, що організаторам не вдалося охопити достатньо широку аудиторію за межами наукової спільноти212. Інші ж лишилися невдоволені відсутністю в програмі таких тем, як біологічна безпека й етика213. Та, мабуть, найбільшою причиною критики стало розуміння, що фахівці мали кращий доступ до оцінювання небезпек, переваг і етичних труднощів, які супроводжували цю нову технологію, а отже, саме вони визначали межі обговорення. Як зауважив Бенджамін Гурлбут, історик науки з Університету штату Аризона, «цей підхід хибно потрактував демократію. Об’єктом демократично сформульованих уявлень про бажане майбутнє мають бути наші технології, а не навпаки. Наука й технології часто заявляють, що є слугами суспільства, і їм варто серйозніше ставитися до цієї обіцянки. Роздуми про те, що є правильним і прийнятним для нашого світу, а що загрожує його моральним підвалинам — це завдання демократії, а не науки»214.

Я повністю згодна, що вирішувати, як використовувати ту чи іншу технологію, має суспільство загалом, а не окремі науковці або навіть групи. Але тут є одна заувага, бо ж суспільство не може ухвалювати рішення стосовно технологій, яких не розуміє або про які взагалі нічого не знає. Саме фахівці мають привертати увагу громадськості до наукових відкриттів, як це й зробили Берг і його колеги. Ученим треба розповідати про свої технічні досягнення й розвіювати міфи про них, щоб громадськість могла зрозуміти їхнє значення й вирішити, як саме їх використовувати. Адже зрештою, коли відкрили сплайсинг генів, більшість біологів про це навіть не знала. Обговорення неодмінно мусить починатися в межах спільноти фахівців, які розуміють, що це за технологія та які експерименти є можливими з її використанням. Рекламуючи ці обговорення та запрошуючи пресу для подальшого пояснення технології в такий спосіб, щоб її могли збагнути звичайні люди, Берг із колегами допомогли зруйнувати стіну між науковцями й громадськістю, а також проторувати шлях до створення урядового органу, відомого як Консультативний комітет із питань рекомбінантної ДНК215, що брав безпосередню участь у контролі подальших її досліджень і клінічних застосувань.

Приблизно через сорок років, на початку 2014-го, я вирішила, що нам потрібно вдатися до такого самого підходу й не лише з технологією CRISPR, а й із загальною практикою редагування генів. Технологія вже поширилася у світовій науковій спільноті, наче нестримна пожежа, і за недовгий період існування точне редагування генів уже застосували на розмаїтому переліку тварин, який лише збільшувався, тож були всі підстави вважати, що терапевтичне використання на соматичних клітинах людини теж не за горами. Але, схоже, науковці й громадськість не брали до уваги реальну можливість, що цю ж таки технологію невдовзі можуть почати застосовувати на людських ембріонах, і, вочевидь, не замислювалися над значенням такого редагування для гермінативних клітин.

Безперечно, треба було негайно ініціювати відкрите та відверте обговорення редагування гермінативних клітин, і я відчувала, що маю допомогти почати цю дискусію. Так само, як Берг із колегами забили на сполох, коли стала очевидною потенційна небезпека їхньої роботи з рекомбінантною ДНК, я мусила вийти із зони комфорту своєї лабораторії й допомогти поширити інформацію про значення нашого дослідження. Лише в такий спосіб люди, на чиї життя невдовзі вплинула б технологія CRISPR, могли до кінця її збагнути. Я сподівалася, що тільки так нам удасться запобігти найгіршим наслідкам цього відкриття.

Для такого науковця, як я, одна справа — організувати академічну нараду на тему з моєї фахової галузі. Та зовсім інша — узяти на себе обговорення ширшого використання свого ж дослідження — обговорення, що стосується не лише звичних запитань про динаміку реакцій, біофізичний механізм чи структурно-функціональні особливості, а й політичних, етичних і регуляторних проблем. Раніше мені ніколи не доводилося бути в такій ролі, і спочатку вона видалася мені надзвичайно страшною.

На щастя, я не мусила нести цей тягар самотужки. Нещодавно я заснувала в затоці Сан-Франциско Інноваційний інститут геноміки (IGI), маючи на меті розвиток технологій редагування генів, і тепер збагнула, що він мав ідеальне розташування для того, щоб прийняти конференцію на зразок тієї, яку Берг організував в Асіломарі. Однак я знала, що ми мусимо дозволити обговоренню розгортатися природно й не намагатися розігнати його з нуля до шістдесяти, негайно влаштувавши тривалу конференцію. Я вирішила, що ми маємо організувати невеличкий одноденний форум і запросити десь зо два десятки гостей. Безпосередню ціль я вбачала в тому, щоб створити офіційний інформаційний документ — звіт із пропозицією подальшого шляху розвитку для галузі та закликом до більшої кількості зацікавлених сторін обміркувати проблему редагування генів. Я сподівалася, що, як і нарада Берга в 1974 році, проведена в Массачусетському технологічному інституті, ця перша зустріч, яку ми згодом назвали Форумом біоетики Інноваційного інституту геноміки, стане прелюдією до значно ширшої, різноплановішої конференції.

Ми призначили форум на січень 2015 року й місцем зустрічі обрали готель Carneros у долині Напа — відомому виноградарському районі, лише в годині їзди на північ від Берклі. З організацією форуму нам допомагали Джонатан Вейсман — мій близький колега з Каліфорнійського університету в Сан-Франциско й співдиректор IGI, Майк Ботчан — колега з Берклі та адміністративний директор IGI, Джейкоб Корн — науковий директор IGI та Ед Пенот — заслужений професор у Берклі й співзасновник біотехнологічної фірми Chiron. Одне з перших запрошень ми відправили самому Полу Бергу (заслуженому професору в Стенфорді), і я була в захваті, коли він його прийняв. Також у списку гостей був Девід Балтімор — лауреат Нобелівської премії, біолог у Каліфорнійському технологічному інституті та колега Берга. Балтімор не лише побував на зустрічі в Массачусетському технологічному інституті в 1974-му, а й також став співавтором підсумкового документа, що закликав до запровадження мораторію на дослідження рекомбінантної ДНК і відіграв основну роль в обговоренні на конференції Асіломар ІІ. Присутність Пола й Девіда означала, що наш форум матиме безпосередній зв’язок із подіями, з яких я й почерпнула натхнення. Та що важливіше, їхній досвід без сумніву мав допомогти подолати важкий шлях, що чекав на нас попереду.

Серед підтверджених гостей були також Альта Чаро — професорка права та біоетики Університету Вісконсін-Медісон, Дана Керролл — одна з першовідкривачок редагування генів ще до появи CRISPR, Джордж Дейлі — фахівець зі стовбурових клітин із Бостонської дитячої лікарні, Марша Феннер — програмна директорка IGI, Генк Ґрілі — директор Центру права та біологічних наук Стенфордського університету, Стівен Мартін — заслужений професор і колишній декан факультету біологічних наук Каліфорнійського університету в Берклі, Дженніфер Пак — професорка педіатрії Каліфорнійського університету в Сан-Франциско, Джон Рубін — кінопродюсер і режисер, Сем Стернберґ — мій співавтор і на той час аспірант, а також Кіт Ямамото — професор Каліфорнійського університету в Сан-Франциско та адміністративний директор IGI. Ми запросили ще декількох науковців, але вони відхилили запрошення. (Джордж Черч і Мартін Їнек — двоє науковців, які не були присутні на форумі, але підписали статтю, що вийшла згодом).

Ми провели цю зустріч 24 січня 2015 року, і її характерною особливістю стали палкі обговорення широкого кола тем. Присутні — усього сімнадцятеро осіб — виступили з офіційними презентаціями на тему генної терапії та вдосконалення гермінативних клітин, а також чинних регуляторних постанов, що контролюють використання генетично модифікованих продуктів, і найважливіших властивостей CRISPR. Та ще цікавішими за презентації для мене виявилися групові відкриті обговорення майбутнього технології редагування генів. Ці розмови були захопливими й творчими, а також торкалися тем, із якими раніше я боролася самотужки.

Коли ми перейшли до обговорення написання офіційного документа з викладом своїх висновків, то сперечалися стосовно того, якою ж має бути його цільова аудиторія і якого результату сподівалися досягти. Чи варто нам розглядати всі наслідки використання технології CRISPR, зокрема й нові види ГМО, і навіть дизайнерські організми, а не лише її потенційну роль у редагуванні гермінативних клітин? Чи й справді ця технологія порушувала нові проблеми, пов’язані з модифікацією гермінативної ДНК, і чи відмінності між нею та попередніми технологіями полягали лише в мірі втручання? І чи наша маленька група принципово виступатиме проти редагування гермінативних клітин, чи ж ми лишимо відкритою можливість для такої дії за певних обставин?

Під час цих розмов повільно почала вимальовуватися злагодженість. Ми вирішили, що основною темою нашого офіційного документа має стати використання редагування генів саме в гермінативних клітинах людини. Уперше генну терапію застосували на соматичних клітинах пацієнтів уже більше двох десятиліть тому, а ранні технології редагування генів також уже використовували на людських соматичних клітинах у процесі клінічних випробувань. Було зрозуміло, що редагування гермінативних клітин належало до тих галузей, до яких мало хто наважувався долучитися, але щодо яких потреба в громадському обговоренні була найбільш нагальною. Значною мірою тому, що, на нашу думку, механізм CRISPR відчутно зменшив технічні обмеження, через які редагування гермінативних клітин людини колись було дуже важким чи навіть нездійсненним завданням. Попри чималий обсяг уже написаного про модифікацію гермінативних клітин, конференцію в Каліфорнійському університеті в Лос-Анджелесі в 1998 році й похмурі сценарії, розглянуті за ці роки авторами наукової фантастики, до появи CRISPR лишалося неможливим відредагувати цей тип клітин людини з бодай якимось ступенем точності. Звісно, тепер усе зовсім інакше. Цю думку обстоював один із учасників форуму, який розповів нам, що наукова праця з описами експериментів із редагування людських ембріонів за допомогою CRISPR уже передається з рук у руки поміж відомими журналістами. Це дослідження, якщо воно й справді існувало, було першим випадком, коли науковці свідомо змінювали окремі послідовності ДНК у геномі потенційної майбутньої людини.

Якщо колись і мав настати час, щоб заговорити, то це була саме та мить. Але якою мала бути наша позиція? Чимало з нас були не впевнені стосовно того, чи стане колись безпечним уносити спадкові зміни в людський геном, зважаючи на те, що будь-які помилки могли виявитися катастрофічними як для окремої людини, так і для майбутніх поколінь загалом. А от чи можна було виправдати ці зміни з етичного погляду — це зовсім інше питання. Наша розмова затягнулася на цілий день, і ми обмірковували проблеми соціальної справедливості й репродуктивної свободи, а також відверто висловлювали побоювання щодо євгеніки. Деякі учасники переймалися, що наука рухається саме в цьому напрямку, натомість інші зауважували, що не вбачають проблеми в редагуванні гермінативних клітин, принаймні в теорії. На їхню думку, якщо можна буде довести безпечність та ефективність цього процесу і якщо переваги помітно переважатимуть ризики, хіба ми можемо застосовувати до цього виду терапії вищі стандарти, ніж до будь-якого іншого способу лікування?

Зрештою стало зрозуміло, що обговорювати це маємо зовсім не ми. Не нам, сімнадцятьом людям у кімнаті, було вирішувати, як громадськість поставиться до редагування людських гермінативних клітин. Ми відчували, що тепер на нас лежала подвійна відповідальність. По-перше, ми мали розповісти загалу про те, що редагування гермінативних клітин було новим соціальним питанням, із яким потрібно зіткнутися, вивчити й обговорити його. По-друге, треба було спонукати наукову спільноту — тих людей, які вже знали технологію CRISPR та агресивно просували її в нових напрямках, — утриматися від вивчення цього боку досліджень. Ми знали, що дуже важливо переконати колег не кидатися стрімголов у абияку дослідницьку роботу, облишити будь-які клінічні застосування редагування генів, що передбачали видозміну людського генома. По суті, ми хотіли, щоб наукова спільнота натиснула на кнопку паузи, доки суспільні, етичні й філософські наслідки редагування генів не будуть ретельно й детально обговорені — в ідеалі на світовому рівні.

Ми розмірковували, як найкраще досягти визначених цілей. Чи варто подати на розгляд передову статтю у велику газету? Організувати прес-конференцію? Викласти свої погляди в науковому журналі? Порадившись, ми вирішили зупинитися на останньому варіанті, аргументувавши вибір тим, що існувала значно вища ймовірність того, що таку публікацію помітять активні дослідники або підхопить популярна преса, як це часто траплялося з резонансними статтями у великих журналах. А зважаючи на те, що наша зустріч стосувалася однієї з найгарячіших тем у всіх біологічних науках, ми знали, що ця публікація викличе справжній вибух емоцій і думок.

Ми підсумували зустріч, окресливши основні тези статті, яку планували відправити в журнал Science. За загальною згодою, її мета полягала в тому, щоб привернути увагу до проблеми, не надто заглиблюючись у саму галузь. Звісно ж, лишалося ще чимало неоднозначних питань, однак ці перші кроки точно не видавалися слушною нагодою для їхнього обговорення. Ми просто хотіли запустити процес і вирішили відкласти подальшу дискусію до наступних зустрічей, коли більше людей зможуть бути присутніми й долучитися до розмови.

Нарешті наші сили вичерпалися, і ми з колегами перемістилися до Angèle — французького ресторану, розташованого високо над річкою Напа. Із пагорбів неподалік долітав прохолодний вітерець, а ми сиділи за довгим овальним столом, потягували місцеве вино й ласували закусками, насолоджуючись безтурботними розмовами про роботу, родину й подорожі. Ми радо облишили важкі теми, якими переймалися весь ранок і день. Та все одно у мене в голові роїлася купа думок.

Чи справді я зробила правильно, ступивши на цю арену? Думка про те, щоб винести на публічне обговорення наукові проблеми, — байдуже, наскільки важливі, — видавалася мені чужою, майже грішною. Було незрозуміло, чи наші погляди матимуть тривалий вплив і чи зможемо ми досягнути задуманого. Навіть якщо все пройде добре, цього могло бути замало й запізно. Мені не давала спокою праця, описана нашим колегою, що вже розглядалася до друку великими науковими журналами. Тієї самої миті могли здійснюватися й інші схожі експерименти або ж такі спроби могли статися в найближчому майбутньому. Чи не опублікують їх до того, як ми матимемо шанс оголосити про свої висновки?

Одне я знала напевне: тепер, коли ступила на цей шлях, то мусила рухатися швидко. Того вечора, ще до повернення додому в Берклі, я вже почала впорядковувати свої нотатки й продумувати приблизний план. Як виявилося, написання реальної статті стало для мене неабияким викликом, але через декілька тижнів я відправила перший чорновик учасникам форуму, і ми почали спільний процес його редагування. 19 березня 2015 року статтю опублікували онлайн під заголовком «Розсудливий поступ для геномної інженерії та модифікації генів у гермінативних клітинах»216.

Стаття завдовжки лише декілька сторінок пояснювала нову технологію й висвітлювала наші побоювання стосовно неї. Розповівши про CRISPR, ідею редагування генів і застосування, яких уже вдалося домогтися, ми перейшли до редагування ДНК гермінативних клітин. Щодо цієї теми ми виклали чотири конкретні рекомендації. По-перше, попросили фахівців із наукової та біоетичної спільнот створити форуми, які дали б змогу зацікавленим представникам громадськості отримати доступ до надійної інформації про технології редагування генів, їхні потенційні ризики й переваги і пов’язані з ними етичні, соціальні та юридичні наслідки. По-друге, закликали дослідників продовжувати випробовувати та розвивати технологію CRISPR на культурах клітин людини і тваринних моделях, щоб перед будь-якими клінічними застосуваннями мати змогу краще зрозуміти її профіль безпеки. По-третє, звернулися з пропозицією організувати міжнародну конференцію, щоб гарантувати відкрите й прозоре обговорення всіх доречних питань безпеки та етичних підтекстів, причому не лише серед науковців і біоетиків, а й за участі численних зацікавлених сторін, які точно захочуть вплинути на процес: релігійних лідерів, захисників прав пацієнтів та осіб з інвалідністю, соціологів, регуляторних та урядових агентств тощо.

І останнє, але, напевно, найважливіше. Ми попросили науковців утриматися від спроб унесення спадкових змін до людського генома. Ми хотіли, щоб дослідники «притримали коней», навіть у країнах зі слабким контролем, аж доки уряди й суспільства по всьому світу не матимуть змоги обміркувати цю проблему. І хоча ми все-таки намагалися уникати слова заборона чи мораторій, послання було зрозумілим: поки що такі клінічні застосування мають бути заборонені.

Щойно наші погляди опублікували, усі мої страхи стосовно сприйняття та безпосереднього впливу цієї статті розвіялися. У наступні дні колеги зверталися до нас, щоб подякувати, що ми порушили цю тему, і дізнатися подробиці майбутньої конференції. Чи виступатимуть професійні спільноти або національні академії її розпорядниками? Як ми плануємо залучати інші країни, окрім Сполучених Штатів Америки? Чи повернемося до Асіломара, щоб провести ще одну історичну конференцію, чи оберемо інше місце? Чимало повідомлень надходило й від журналістів і представників громади, переважно завдяки увазі преси, яку викликала наша публікація. New York Times опублікувала передову статтю217, що зібрала сотні коментарів від читачів, а нашу публікацію також підхопили ЗМІ: від Національного громадського радіо та газети Boston Globe до численних блогів і веб-сайтів218. Безперечно, допомогли й заклики заборонити редагування гермінативних клітин від команди журналу Nature219, які з’явилися лише за декілька днів до того, як це зробили ми, а також нещодавно опублікована захоплива замітка від MIT Technology Review220.

Здавалося, що ця тема раптом стала надзвичайно популярною. Не встигли ми й оком змигнути, як механізм CRISPR перетворився з революційної, але відносно езотеричної технології на тему для сімейних обговорень. Отже, надзвичайне значення цієї технології для майбутнього людства вийшло з тіні, і я дозволила собі сподіватися, що ми зможемо провести широке, відверте обговорення про редагування гермінативних клітин: коли (якщо це взагалі станеться) ми будемо схвалювати використання цієї технології, як регулюватимемо і з якими наслідками готові миритися, а з якими — ні. Нарешті ми почали процес публічного обговорення технології CRISPR, і від цього перехоплювало подих, але в нас попереду був ще довгий шлях.

193 B. Shen et al., “Generation of Gene-Modified Cynomolgus Monkey via Cas9/RNA-Mediated Gene Targeting in One-Cell Embryos,” Cell 156.

194 M. W. Nirenberg, “Will Society Be Prepared?,” Science 157 (1967): 633.

195 R. L. Sinsheimer, “The Prospect for Designed Genetic Change,” American Scientist 57 (1969): 134–142.

196 G. Stock and J. Campbell, eds., Engineering the Human Germline: An Exploration of the Science and Ethics of Altering the Genes We Pass to Our Children (Oxford: Oxford University Press, 2000).

197 M. S. Frankel and A. R. Chapman, Human Inheritable Genetic Modifications: Assessing Scientific, Ethical, Religious, and Policy Issues (Washington, DC: American Association for the Advancement of Science, 2000).

198 S. Baruch, Human Germline Genetic Modification: Issues and Options for Policymakers (Washington, DC: Genetics and Public Policy Center, 2005).

199 J. Schandera and T. K. Mackey, “Mitochondrial Replacement Techniques: Divergence in Global Policy,” Trends in Genetics 32 (2016): 385–390.

200 S. Reardon, “US Panel Greenlights Creation of Male ‘Three-Person’ Embryos,” Nature News, February 3, 2016.

201 Уперше я розповіла про цей сон в інтерв’ю з Майклом Спектером, і він написав про нього в листопаді 2015-го в статті, присвяченій CRISPR, для New Yorker.

202 J. K. Joung, D. F. Voytas, and J. Kamens, “Accelerating Research Through Reagent Repositories: The Genome Editing Example,” Genome Biology 16 (2015): 255–258.

203 Shen, “Generation of Gene-Modified Cynomolgus Monkey”.

204 J. Zayner, “DIY CRISPR Kits, Learn Modern Science by Doing,” www.indiegogo.com/projects/diy-crispr-kits-learn-modern-science-by-doing#/.

205 P. Skerrett, “Is Do-It-Yourself CRISPR as Scary as It Sounds?,” STAT News, March 14, 2016.

206 United States Atomic Energy Commission, In the Matter of J. Robert Oppenheimer: Transcript of Hearing Before Personnel Security Board, vol. 2 (Washington, DC: GPO, 1954), www.osti.gov/includes/opennet/includes/Oppenheimer%20hearings/Vol%20II%20Oppenheimer.pdf.

207 D. A. Jackson, R. H. Symons, and P. Berg, “Biochemical Method for Inserting New Genetic Information into DNA of Simian Virus 40: Circular SV40 DNA Molecules Containing Lambda Phage Genes and the Galactose Operon of Escherichia coli,” Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 69 (1972): 2904–2909.

208 P. Berg et al., “Letter: Potential Biohazards of Recombinant DNA Molecules,” Science 185 (1974): 303.

209 Institute of Medicine (US) Committee to Study Decision Making; K. E. Hanna, ed., Biomedical Politics (Washington, DC: National Academies Press, 1991); M. Rogers, Biohazard (New York: Knopf, 1977); P. Berg and M. F. Singer, “The Recombinant DNA Controversy: Twenty Years Later, Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 92 (1995): 9011–9013.

210 P. Berg et al., “Asilomar Conference on Recombinant DNA Molecules,” Science 188 (1975): 991–994.

211 P. Berg, “Meetings That Changed the World: Asilomar 1975: DNA Modification Secured,” Nature 455 (2008): 290–291.

212 “After Asilomar,” Nature 526 (2015): 293–294.

213 S. Jasanoff, J. B. Hurlbut, and K. Saha, “CRISPR Democracy: Gene Editing and the Need for Inclusive Deliberation,” Issues in Science and Technology 32 (2015).

214 J. B. Hurlbut, “Limits of Responsibility: Genome Editing, Asilomar, and the Politics of Deliberation,” Hastings Center Report 45 (2015): 11–14.

215 N. A. Wivel, “Historical Perspectives Pertaining to the NIH Recombinant DNA Advisory Committee,” Human Gene Therapy 25 (2014): 19–24.

216 D. Baltimore et al., “Biotechnology: A Prudent Path Forward for Genomic Engineering and Germline Gene Modification,” Science 348 (2015): 36–38.

217 N. Wade, “Scientists Seek Ban on Method of Editing the Human Genome,” New York Times, March 19, 2015.

218 “Scientists Urge Temporary Moratorium on Human Genome Edits,” All Things Considered, NPR, March 20, 2015; “Scientists Right to Pause for Genetic Editing Discussion,” Boston Globe, March 23, 2015.

219 E. Lanphier et al., “Don’t Edit the Human Germline,” Nature 519 (2015): 410–411.

220 A. Regalado, “Engineering the Perfect Baby,” MIT Technology Review, March 5, 2015.

Розділ 8

Що попереду

Коли на форумі в долині Напа один із моїх колег розповів, що технологію CRISPR уже використовують для експериментів із геномами людських ембріонів, десь глибоко в моїй душі зародилося погане передчуття. Згодом до мене дійшли ще чутки про дослідження та статтю, що їх описувала, але мені лишалося тільки розмірковувати про деталі й навіть достовірність цієї інформації. А раптом ті чутки були безпідставними, роздутими побоюваннями схожих на мене людей, яким здавалося, що ці дослідження не варто здійснювати без обмежень?

Що більше я про це думала, то тривожнішими видавалися наслідки будь-яких досліджень, що передбачали редагування гермінативних клітин людини. Навіть якби ембріони й не використали для створення живої істоти (чого точно не сталося б, сказала я собі, зважаючи на значну негативну реакцію загалу, яку це спричинило б), редагування цих клітин за допомогою CRISPR усе одно було б визначною науковою віхою — першим випадком використання ДНК ненародженої людини для редагування генів. Цей експеримент не лише відчинив би двері, які ми ніколи не змогли б зачинити, але й також міг звести нанівець конструктивний діалог, який ми з колегами намагалися почати.

Оголосивши, що їхнє дослідження вже випередило громадське обговорення, науковці, які стояли за цим експериментом, точно привернули б неабияку увагу і, можливо, викликали б значне обурення. Найбільше я переймалася тим, що вони могли мимовільно налаштувати багатьох представників громадськості проти цієї нової технології, попри її величезний потенціал на користь людству.

Та вже невдовзі я дізналася подробиці тих експериментів. 18 квітня 2015 року — лише за місяць після того, як ми з колегами опублікували своє звернення до науковців із проханням утриматися від клінічного використання редагування людських гермінативних клітин, вийшла наукова стаття, про яку й ходили чутки. Попри те що описані в ній експерименти були розроблені не для створення ембріонів, яких можна було б підсадити в матку людини та виносити повний термін, однак дослідження привернуло значну увагу.

Стаття, опублікована в журналі Protein&Cell, описувала експерименти лабораторії Цзюньцзю Хуана з Університету Сунь Ятсена в Гуанчжоу, Китай221. Хуан із колегами ввели CRISPR у 86 людських ембріонів. Мета цього дослідження полягала в тому, щоб виявити гени, відповідальні за виробництво бета-глобіну — частини білка гемоглобін, який розносить кисень у тілі. У людей із порушеннями в цьому гені розвивається важке захворювання крові, відоме як бета-таласемія. Мета Хуана полягала в точному редагуванні гена, відповідального за бета-глобін, у 86 ембріонах, щоб надати наочні докази, що хворобу можна зупинити ще до її початку.

Намагаючись здобути ці докази, команда Хуана вводила ембріонам олюднені генетичні вказівки для виробництва необхідних молекул CRISPR: молекули РНК, яка визначала точні GPS-координати в геномі, та білка Cas9, щоб розрізати ген у потрібному місці. Також сюди додавалася ділянка синтетичної ДНК, якою мали полагодити пошкоджений ген, а ще ген медузи, що кодував зелений флуоресцентний білок. Цей останній складник давав дослідникам змогу аналізувати ембріони, що продовжували розвиватися й рости після редагування генів, — лишалося тільки відстежувати клітини, які світилися в темряві.

Якщо користуватися суто науковими термінами, то результати експерименту Хуана були суперечливі. Вивчаючи гени бета-глобіну в тестових ембріонах, дослідники виявили, що лише чотири ембріони з-поміж 86 мали заплановані мутації, тобто ефективність редагування становила лише п’ять відсотків. Були й інші проблеми. Метод виявився неточним. У деяких ембріонах механізм CRISPR відредагував нецільові послідовності ДНК, тобто не ті гени, і всіяв геном ембріонів незапланованими мутаціями. В інших ембріонах інструмент CRISPR правильно розрізав намічену послідовність ДНК у гені бета-глобіну, але клітини не змогли належно відновитися й замість того, щоб використати шаблон, наданий дослідниками, полагодили пошкоджений ген бета-глобіну за допомогою послідовностей зі спорідненого гена під назвою дельта-глобін. І на додачу до всіх вад деякі з ембріонів, що розвивалися, були мозаїчними, а це означає, що їхні клітини містили мішанину різних редагованих версій гена бета-глобіну. В одному прикладі ембріон мав щонайменше чотири різні редаговані послідовності ДНК, і лише одна з них була правильною. Замість того щоб відредагувати ген бета-глобіну на одноклітинному етапі, а отже, виправити єдину вихідну копію генома ембріона, механізм CRISPR діяв занадто повільно й почав працювати лише після того, як запліднена яйцеклітина поділилася на численні дочірні клітини.

Саме ці небезпеки використання технології CRISPR спонукали мене звернутися до загалу із закликом зупинити експерименти, які призведуть до клінічного застосування редагування генів у гермінативних клітинах. Варто зазначити, що команда Хуана усвідомила, що техніка була аж ніяк не довершеною, наголосивши на «нагальній потребі подальшого вдосконалення точності та специфіки платформи CRISPR/Cas9»222 перед будь-якими спробами клінічного застосування. Однак це не змінювало того факту, що ми переступили межу. Тепер, коли редагування гермінативних клітин застосували на людських ембріонах у лабораторії, я розуміла, що рано чи пізно з’являться спроби клінічного використання.

Але принаймні цього разу Хуан подбав про те, щоб унаслідок його експериментів не народилося жодне CRISPR-немовля, і використав триплоїдні людські ембріони. Свою назву вони отримали завдяки трьом наборам із 23 хромосом (загалом 69) замість нормальних двох (загалом 46), тому були нежиттєздатними. Під час процедури штучного запліднення лікарі можуть легко визначити триплоїдні ембріони та відбракувати їх ще до підсаджування в матку.

Хуан уважав ці нежиттєздатні ембріони ідеальною моделлю для перевірки ефективності технології CRISPR. Для досягнення поставленої мети цих експериментів триплоїдні ембріони підходили, бо не надто відрізнялися від звичайних, життєздатних. Використовуючи гермінативні клітини, яким усе одно судилося бути знищеними, Хуан і його колеги могли обережно обійти неминуче обурення тим, що знищили потенційні людські життя. А ще дослідники мали докладний дозвіл пацієнтів, які надали ембріони, отримали гарантоване схвалення комісії з етики та повністю дотримувалися встановлених у Китаї норм223. Я знала, що експерименти також були законними й у Сполучених Штатах.

Цю статтю я прочитала у своєму офісі в Берклі. Закінчивши, визирнула на затоку Сан-Франциско, повністю занурившись у роздуми. Я відчувала благоговіння, утім, мені стало трохи лячно. І хоча щосили намагалася про це не думати, стало зрозуміло, що моя робота з Еммануель, яка задумувалася із зовсім іншою метою, поклала початок дослідженням Хуана. Які ще науковці та поки що не здійснені експерименти стосуватимуться нас?

Досить швидко стало очевидним, що багато інших представників наукової спільноти поділяли мою стурбованість експериментами Хуана навіть попри те, що для них це не було чимось особистим. Я дізналася, що престижні журнали Nature та Science одноголосно відхилили рукопис Хуана, частково тому, що мали етичні заперечення проти експериментів, описаних у ньому224. Чимало науковців сходилися на думці, що дослідження було передчасним, а інші розмірковували, які мотиви ховалися за ним. Гарвардський дослідник Джордж Дейлі розповів New York Times, що увага науковців, яку редагування гермінативних клітин людини неминуче привернуло б, могла стати «дещо ненормальною мотивацією, яка іноді спонукає людей на певні вчинки»225.

Реакція на статтю Хуана в багатьох наукових та урядових агентствах була негайною й одностайною. Американське товариство генної та клітинної терапії — основна професійна організація для медицини на основі ДНК — знову підтвердило, що підтримує «непохитний спротив редагуванню генів або ж їхній видозміні в людських клітинах для створення життєздатних [запліднених яйцеклітин] зі спадковими модифікаціями гермінативних клітин»226. Міжнародне товариство дослідження стовбурових клітин відлунням повторило це твердження, а його президент підтримав думку, що «мораторій на будь-яке клінічне застосування редагування генів у людських ембріонах є надзвичайно важливим»227. У справу втрутилася навіть адміністрація президента Барака Обами. У дописі в блозі під заголовком «Замітки про редагування генома» Джон Голдрен — директор Управління Білого дому з питань науково-технічної політики — заявив: «Адміністрація переконана, що видозміна гермінативних клітин людини із клінічною метою — це межа, яку поки що не можна переступати»228. Френсіс Коллінз — директор Національного інституту охорони здоров’я США, обстоює таку саму позицію, сказавши, що не надаватиме урядового фінансування будь-яким дослідженням, що передбачають редагування генів людських ембріонів229.

Схоже, що американські розвідувальні агентства також були не в захваті від цих експериментів. Мене шокувало, коли в наступній «Оцінці світових загроз»230 — щорічному звіті, який розвідувальна спільнота США презентує Комітету Сенату зі збройних сил — автори описали редагування генома як один із шести видів зброї масового знищення, яку незалежні держави можуть спробувати розробити, що становить для Америки значну загрозу. (Серед інших видів були російські крилаті ракети, сирійська й іракська хімічна зброя та ядерні програми Ірану, Китаю й Північної Кореї). «Біологічні та хімічні матеріали й технології майже завжди мають подвійне призначення й легко рухаються в глобалізованій економіці», — писали автори доповіді. Подвійне призначення — спеціальний термін на позначення технологій, які можуть бути використанні й задля миру, і задля війни. Останні відкриття в біологічних науках швидко поширюються земною кулею. Не пояснивши детально, у який спосіб редагування генома можна використати як зброю, автори звіту зазначали, що «дослідження редагування генома, які здійснюються країнами з відмінними від західних країн нормативними чи етичними стандартами, імовірно, підвищують ризики створення потенційно згубних біологічних агентів чи продуктів. Зважаючи на широку розповсюдженість, низьку ціну та дедалі швидший темп розвитку цієї технології з подвійним використанням, зумисне або ж мимовільне неправильне застосування може призвести до далекосяжних наслідків для економіки та національної безпеки». Аби не лишалося будь-яких сумнівів щодо безпосереднього джерела їхнього занепокоєння, автори зумисне згадали, що «розвиток редагування генома у 2015 році, здійснений групами кваліфікованих американських та європейських біологів, ставить під сумнів нерегульоване редагування людських гермінативних клітин» — очевидне посилання на статтю Хуана та наш погляд щодо цього.

Я була рада дізнатися, що лідери стількох галузей поділяють нашу стривоженість проблемою редагування гермінативних клітин, але водночас вражена застереженнями на зразок тих, що озвучив Джеймс Клеппер у звіті про ймовірну загрозу. Самотужки прораховуючи можливі зловживання CRISPR, я уявляла, що недоброчесні науковці можуть зробити за допомогою цієї технології, і мені навіть снилися нічні жахіття про те, як цей інструмент потрапляє до рук Гітлеру. А раптом живі диктатори чи терористи спробують використати CRISPR для своїх потворних цілей? Як ми можемо їх зупинити? І як я зможу жити, знаючи, що моє дослідження, зароджене з бажання зрозуміти світ природи й покращити життя людей, натомість використають, щоб їм зашкодити?

А ще я зауважила той факт, що реакції на перші випробування CRISPR на людських ембріонах не були одностайно негативними. У липні 2015-го в статті в тому самому науковому журналі, який опублікував дослідження Хуана на декілька місяців раніше, Джуліан Савулеску — видатний філософ і біоетик — заявив, що це наш моральний обов’язок — наполегливо продовжувати просуватися тим шляхом експериментування. Зазначивши (з помітним спрощенням), що редагування генів могло «буквально викорінити генетичні вроджені вади» й помітно зменшити шкоду, яку спричиняють хронічні захворювання, Савулеску та його співавтори обстоювали думку, що «зумисне утримання від здійснення досліджень, здатних урятувати життя, тягне за собою моральну відповідальність за передчасну загибель тих, кому нові технології, імовірно, допомогли б, адже цих смертей можна було уникнути». Вивчення редагування генів — це не вибір, а моральна необхідність»231. За місяць після цього Стівен Пінкер — прославлений гарвардський учений — виплеснув своє розчарування занадто стривоженими реакціями на біотехнологічні відкриття на зразок CRISPR в оглядовій статті в Boston Globe. На його думку, замість того, щоб створювати обмеження чи запроваджувати регуляторні заборони, «основну моральну мету для нинішньої біоетики можна було підсумувати одним реченням. Забирайся з дороги»232.

Інші лідери думок із захватом підтримували експерименти з редагування генів в ембріонах, однак чітко розмежовували дослідження й клінічне застосування. Наприклад, у своєму висловлюванні стосовно генетичних модифікацій людських гермінативних клітин Hinxton Group233 — усесвітня мережа фахівців з етики, науковців, юристів і політологів — возвеличувала перспективу редагування генів для здоров’я людини та радила, щоб основні дослідження й надалі тривали без перешкод, використовуючи й нежиттєздатні, і життєздатні ембріони. І хоча Hinxton Group визнала, що не може поки дозволити клінічне застосування редагування генів, однак зауважила, що «коли будуть виконані всі урядові вимоги до безпеки й дієвості, то використання цієї технології для людської репродукції може бути морально прийнятним, хоча й вимагатиме подальших ґрунтовних обговорень і дискусій».

Якщо коротко, стаття Хуана відчинила шлюз, вивільняючи хвилю громадської думки, яка знищила будь-які надії на те, що ми досягнемо швидкої повсюдної згоди.

Стурбовані науковці, чиновники та представники громадськості мали швидко щось робити, щоб ініціювати всесвітнє обговорення, до якого закликала я та мої співавтори з долини Напа. Ми заледве встигли видати свою статтю перед появою публікації Хуана, і обговорення довкола редагування гермінативних клітин стрімко посилилося. До загального збурення додавалися ще й чутки, що численні китайські групи дослідників уже спланували й здійснили власні експерименти із застосуванням CRISPR у людських ембріонах234. І не лише вони. У вересні 2015-го ми дізналися, що науковці престижного Інституту Френсіса Кріка в Лондоні235 звернулися за регуляторним дозволом зробити те саме. Було очевидно, що галузь не збиралася чекати, доки науковці чи громадськість досягнуть ефемерної згоди.

На щастя, уже було запущено механізм організації першого міжнародного саміту, присвяченого редагуванню генів. Наприкінці весни й на початку літа ми з колегами узгоджували основні деталі, зокрема де й коли його буде проведено, під чиїм керівництвом і за чийого сприяння. Зрештою, Національна академія наук, техніки й медицини США погодилася прийняти саміт у Вашингтоні, округ Колумбія, у грудні того самого року. Цей результат мене неабияк потішив, оскільки підтримка такої шанованої організації, безперечно, додавала цій події переконливості. Я була навіть у ще більшому захваті, коли й Китайська академія наук, і Лондонське королівське товариство (головна наукова організація в Сполученому Королівстві) погодилися приєднатися до нас як співорганізатори. Чимало з передових дослідників у сфері редагування генів мешкали в США, Сполученому Королівстві чи Китаї, тож участь організацій кожної з цих країн посилала потужний сигнал решті світу, що редагування гермінативних клітин — це тема, яка нині на часі, і вона заслуговує на міжнародне обговорення. Водночас ставало зрозуміло, що це значно масштабніша проблема, щоб розв’язувати її частинами, окремо в межах кожної країни чи організації.

Розібравшись із цими деталями, ми з одинадцятьма членами організаційного комітету силувалися скласти програму саміту. Наші головні цілі полягали в тому, щоб розповісти присутнім про науку редагування генів, обговорити соціальне значення цієї нової технологічної сили та розібратися з проблемами, пов’язаними з рівністю, расовою належністю та правами осіб з інвалідністю. Цей широкий спектр тем можна було згрупувати на три основні категорії: обговорення безпеки, етичне та регуляторне обговорення.

Також ми мали обговорити, чи вдасться принаймні колись довести, що редагування генів у гермінативних клітинах є достатньо безпечним, щоб дозволити його клінічне застосування. Зрештою, потенційна користь могла переважити ймовірні ризики, зокрема й ті, що чітко проявилися в дослідженні Хуана. Але потрібно було розглянути мимовільні наслідки та способи, якими їх можна контролювати. До того ж я не була впевнена, що наша колективна обізнаність у сфері генетики людини колись стане настільки розвиненою, щоб ми могли передбачити найгірші з негативних впливів і уникнути їх.

А ще ми мали зіткнутися з неприємними етичними питаннями, чимало з яких супроводжували аналітичні дебати щодо інших суперечливих тем, як-от аборти, репродуктивне клонування та біологія стовбурових клітин. Хіба не було за своєю суттю неправильним експериментувати над ембріонами незалежно від того, чи планувалася вагітність, чи ні? Редагування гермінативних клітин могло завчасно визначити генетичний стан майбутніх дітей або спричинити подальше ізолювання людей із певними генетичними розладами? А в разі зловживань, чи могло воно відродити жахливі євгенічні практики, які впродовж минулого століття вже неодноразово плямували наукову історію?

І нарешті, потрібно було обговорити законодавчі межі, щоб контролювати цю потужну нову технологію. Зокрема, треба переглянути ролі, які уряди та наукові спільноти відігравали б у регулюванні редагування гермінативних клітин. Деякі застосування редагування генів у цих клітинах могли вважатися прийнятними, натомість інші (як-от генетичне вдосконалення) могли заборонити. І чимало людей, а серед них і я, розмірковували, наскільки важливим було досягти міжнародної згоди й що трапилося б, якби нам цього не вдалося.

Ми звернулися до фахівців із цілої низки різноманітних галузей236, аби вони допомогли опрацювати ці складні питання. Серед запрошених були Марія Ясін і Дана Керролл — дві першовідкривачки застосування ферментів, що розрізали ДНК для редагування генів, Еммануель Шарпентьє — моя колега по технології CRISPR, Фен Чжан і Джордж Черч — новатори у сфері технологій редагування генів, Федір Урнов — розробник перших ліків на основі редагування генів, які досягли етапу клінічних випробувань, Деніел Кевлес — експерт з історії євгеніки, Джон Гарріс — філософ і прибічник удосконалення людини, Марсі Дарновскі — виконавча директорка Центру генетики та суспільства, Кетрін Блісс — фахівчиня з гендерних питань і Руга Бенджамін — науковиця, що досліджувала расову належність, охорону здоров’я та біотехнології. Уряд і законодавчі інтереси представляли конгресмен Білл Фостер (округ Іллінойс), науковий радник Білого дому Джон Голдрен, юрисконсульти Альта Чаро, Пілар Оссоріо, Барбара Еванс і Генк Ґрілі. Також були присутніми й представники з Китаю, Франції, Німеччини, Індії, Ізраїля, Південної Африки, Південної Кореї та інших країн з усього світу.

Як і конференція в долині Напа, Міжнародний саміт із питань редагування генів людини мав на меті розширити обговорення редагування гермінативних клітин, а не підсумувати його. Насправді ж, наприкінці зібрання, що відбулося в перші дні грудня 2015 року, я з’ясувала, що в мене лишилося стільки ж запитань, як і на початку, коли не більше. Але водночас відчувала глибоку вдячність за логічно обґрунтовані коментарі наших опонентів під час дебатів, чимало з яких палко відстоювали свою думку й допомогли мені викристалізувати власне ставлення до проблеми редагування гермінативних клітин.

Навіть в одній книжці неможливо вмістити всі розмови й думки, уже не говорячи про окремий розділ, тож я обмежуся лише однією позицією — власною. На наступних сторінках я поясню, як змінилися мої переконання в процесі цих обговорень і завдяки дослідженням і роздумам, до яких долучилася від часу саміту у Вашингтоні. Я докладу всіх зусиль, щоб висвітлити різні погляди на проблему та розглянути плюси й мінуси кожного. І хоча я не можу стверджувати, що маю всі відповіді, міркування наштовхнули мене на певні висновки стосовно того, як механізм CRISPR можуть колись використати для редагування геномів ненароджених людей, щоб це було безпечно та етично, а також щодо того, де насправді ховаються найбільші небезпеки редагування гермінативних клітин. А ще мені довелося зіткнутися з деякими холодними, важкими фактами стосовно державної політики та її недоліками на сучасному етапі, зокрема й із тим, наскільки далеко нам знадобиться пройти як громадянському суспільству, щоб зробити технологію CRISPR корисним інструментом, яким, на моє переконання, вона таки може бути. Сподіваюся, ці роздуми сприятимуть розвитку обговорення редагування гермінативних клітин і допоможуть вирішити, чи будемо ми і як саме втручатися в еволюційну мандрівку свого виду.

Редагування гермінативних клітин напевно стане достатньо безпечним для клінічного використання. Мікрохірургічні операції на яйцеклітинах та ембріонах, як-от запліднення введенням сперматозоїдів та взяття зразків біопсії для передімплантаційної генетичної діагностики, вже стали буденними для репродуктивних клінік. Доставку CRISPR також оптимізували в тваринних ембріонах і в багатьох видах людських клітин. Можливо, найважче буде досягти точності самої технології CRISPR. Але судячи з останніх досліджень, схоже, що навіть цей виклик — як зробити систему редагування генів досить досконалою, щоб вона видозмінювала лише цільовий ген і точно в запланованому місці — невдовзі вдасться подолати.

Наскільки точною має стати технологія CRISPR, щоб її можна було безпечно використовувати в гермінативних клітинах людини? Очевидно, ми маємо відмовитися від будь-яких процедур, що можуть запустити редагування ДНК у незапланованих місцях, як це інколи трапляється з CRISPR та іншими генно-інженерними технологіями. Але правда в тому, що впродовж усього нашого життя існує ризик таких випадкових генетичних змін і загроза від них є значно вищою, ніж та, яку несе механізм CRISPR.

Наша ДНК постійно змінюється, випадково перемішується й мутує. Ці природні мутації є рушійною силою еволюції, але саме в них і криється причина появи спадкових генетичних захворювань. Щоразу, коли наші клітини копіюють власну ДНК під час поділу, у геном пробирається від двох до десяти нових мутацій237. Кожна людина переживає приблизно мільйон мутацій238 по всьому тілу за секунду, а в органах, що швидко відновлюються, як-от кишковий епітелій, окрема літера генома в кожній клітині мутує принаймні один раз239 до того, як людині виповниться шістдесят років. Ці мутаційні процеси починаються з моменту запліднення й поділу одноклітинної зиготи на дві клітини, потім на чотири, далі на вісім в ембріоні, що розвивається. Ці нові набуті мутації неминуче копіюватимуться в геном кожної дочірньої клітини в тілі майбутньої людини. Навіть статеві клітини, які створюють ембріон, — материнська яйцеклітина й батьківський сперматозоїд, — мають убудовані нові мутації, яких ніколи не існувало в жодній гермінативній клітині їхніх предків. Як наслідок, кожен із нас починає життя, маючи від п’ятдесяти до ста випадкових мутацій, які з’явилися de novo («наново») в батьківських гермінативних клітинах.

Будь-яка мутація, що виникне внаслідок дії механізму CRISPR (зумисна або ні), майже точно лишиться непоміченою на тлі генетичної бурі, що бушує всередині кожного з нас від народження й до смерті. Як зауважив один письменник, «генетичне редагування стане краплею у вирі, який природно перемішує геноми»240. Якщо технологія CRISPR зможе з високою точністю усувати в ембріоні мутації, які спричиняють хвороби, і єдиний незначний ризик полягатиме в створенні ще якоїсь іншої незапланованої мутації, потенційна користь може значно переважити небезпеку.

Та ще більше обнадіює те, що ми маємо інструменти, аби запобігти цим нецільовим впливам — принаймні в тому, що стосується редагування гермінативних клітин. Один із таких інструментів — це передімплантаційна генетична діагностика, завдяки якій ми можемо виявляти рідкісні небажані мутації після того, як технологія CRISPR відредагувала геном, але до того, як ембріон, що розвивається, підсаджують у матку. Ще один варіант, який може стати цілком реальним у найближчому майбутньому, полягає в тому, що, редагуючи первинні яйцеклітини й сперматозоїди замість запліднених ембріонів, ми зможемо повністю уникнути небажаних мутацій. І хоча ця технологія все ще на ранньому етапі свого розвитку, дослідження на мишах показали, що яйцеклітини й сперматозоїди можна виростити в лабораторії зі стовбурових клітин і використати для створення вагітності241. Усунувши за допомогою CRISPR хвороботворні мутації, а також ретельно все перевіривши, щоб виявити нецільові зміни до моменту запліднення, науковці змогли б гарантувати, що для репродукції використовуватимуться лише статеві клітини з бажаними геномами. І хоча ми поки не маємо засобів, щоб здійснити цю процедуру на людях, видається цілком імовірним, що завдяки розвитку досліджень упродовж найближчого десятиліття, вона стане доступною й для нас.

Коли йдеться про оцінювання точності редагування гермінативних клітин, то тут потрібно обміркувати багато питань, однак передова наука припускає, що лише деякі з них, якщо такі взагалі знайдуться, стануть справжніми перешкодами. Зважаючи на швидкість, із якою дослідники вже вдосконалили процедуру на мишах і мавпах, а також беручи до уваги, як близько ми підійшли до того, щоб прибрати решту технічних перешкод, видається неспростовним, що редагування гермінативних клітин у тій чи іншій формі стане достатньо надійним, щоб здійснювати його на людях, чи принаймні нестиме не більшу загрозу, ніж розмноження природним способом.

Звісно, якщо ми збираємося пропонувати внесення спадкових змін у гермінативні клітини людини, то мусимо обміркувати не лише те, чи точно працює технологія, але й також чи будуть наслідки цих змін саме такими, як ми й планували? Відомо, що певні виправлення в генах, які науковці розглядають для клінічного застосування, мають побічні ефекти. Наприклад, редагування гена CCR5 в ембріоні може зробити людину стійкою до ВІЛу, але заразом посилить її сприйнятливість до вірусу Західного Нілу242. Якщо виправити дві мутовані копії гена бета-глобіну в людей, що страждають від серпоподібноклітинної анемії, це врятує їх від захворювання, однак водночас позбавить мутації, що захищає від малярії243. Це далеко не єдині виправлення генів, які мають водночас і позитивний, і негативний ефекти. Нині дослідники припускають, що люди, які є носіями однієї копії мутованого гена, що спричиняє кістозний фіброз244 (для цієї хвороби потрібні дві копії), мають підвищений захист проти туберкульозу — інфекційного захворювання, яке за приблизними підрахунками стало причиною 20 відсотків усіх смертей європейців у період із 1600-го по 1900-й. Навіть варіанти генів, причетних до нейродегенеративних захворювань, як-от хвороба Альцгеймера, можуть мати свої переваги245, наприклад, підвищену когнітивну функцію та кращу епізодичну й робочу пам’ять у молоді.

Редагування якогось окремого гена завжди тягне за собою ризик непередбачених наслідків, і це факт. Утім, не варто відмовлятися від цієї технології загалом лише тому, що ми не знаємо, яким може бути побічний ефект. Джордж Черч, знаменитий гарвардський генетик, зауважив: «Думка, що для здійснення клінічних випробувань редагування генома, яке успадковуватиметься, нам потрібне вичерпне знання, здається, суперечить медичній реальності»246. Упродовж майже чотирьох століть, які знадобилися для того, щоб викорінити віспу, ми знали дуже мало про імунну систему людини. Ба більше, наголосив Черч, коли ми намагаємося виправити небезпечні мутації, то «кожне виправлення змінює ДНК із хворої версії на здорову, якою наділені мільярди людей. І тут ми маємо значно більшу впевненість, ніж у випадку з абсолютно новим препаратом, який ніколи раніше не випробовували на людях».

Ці тези видаються беззаперечними. Медики розробили безліч способів лікування ще до того, як змогли до кінця їх осягнути, то чому ж ми мусимо встановлювати для технології CRISPR вищий стандарт безпеки? І доки ми виправлятимемо генетичні мутації, повертаючи нормальну версію гена, а не створюючи якесь цілковито нове вдосконалення, не притаманне середньостатистичному людському геному, то, найімовірніше, лишатимемося на правильному боці. Якщо життя людини висить на волосині, потенційна користь таких обмежених процедур може бути варта того, щоб ризикнути.

Якби ми могли оцінювати редагування гермінативних клітин лише з погляду безпеки, то я свідомо стала б на його захист, однак це далеко не єдиний критерій для розгляду. Перспектива редагування ДНК ненародженої людини змушує нас зіткнутися з різноманітними етичними проблемами. Коли я вперше ознайомилася з ними, деякі видалися достатньо тривожними, аби закликати до тимчасової відмови від редагування генів ембріонів, щоб ми мали змогу розглянути ці питання детальніше.

Лише тому, що ми можемо редагувати людські гермінативні клітини, чи означає це, що нам варто так робити? Це запитання я ставила собі знову й знову. Якщо технологія CRISPR і справді може допомогти окремим батькам мати не обтяжену хворобами дитину, коли жодних інших варіантів просто не існує, а також за умови, що це можна зробити безпечно, чи зобов’язані ми використати цей інструмент?

Трапляються рідкісні ситуації, коли редагування гермінативних клітин — це єдиний спосіб гарантувати, що дитина народиться без генетичної хвороби. Наприклад, у разі, коли обоє батьків страждають від того самого рецесивного генетичного розладу (станів на зразок кістозного фіброзу, серпоподібноклітинної анемії, альбінізму чи анемії Фанконі), кожна дитина, яку вони народять природним способом, буде приречена також мати цю хворобу. Оскільки мутації генів, які спричиняють захворювання, наявні в кожній копії обох батьківських хромосом, дитина неминуче успадкує дві мутовані копії. За схожим сценарієм події розвиваються й у разі домінантних генетичних розладів (станів на зразок хвороби Гантінгтона, сімейної форми ранньої хвороби Альцгеймера та синдрому Марфана), під час яких однієї копії мутованого гена достатньо для того, щоб спричинити захворювання — байдуже, від кого воно: від батька чи від матері.

Хоча ці хвороби все одно можна лікувати терапевтичним редагуванням генів у соматичних клітинах, редагування гермінативних клітин не допустить початкового розвитку недуги в дитини, а отже, зможе вберегти її від страждань. За таких сценаріїв редагування ембріонів насправді видається виправданим з погляду медичної потреби, але, як я вже сказала, вони є рідкістю. Значно поширенішими є випадки, коли генетичне захворювання — це ризик, а не впевненість. Чи можна вважати редагування гермінативних клітин виправданим у таких ситуаціях? І якщо ми зважимо обидва типи сценаріїв на шальках терезів, то редагування гермінативних клітин виявиться добрим чи поганим? Чи полегшить ця технологія більше страждань, ніж може завдати?

Запитання «Варто чи ні?» непокоїть і науковців, і звичайних людей. Можливо, вам це й не здасться дивним, але Америка вже давно намагається знайти на нього відповідь. Опитування Pew Research, здійснене у 2016 році, показало, що 50 відсотків дорослих у США виступають проти зниження ризику захворювань за допомогою редагування гермінативних клітин247 на противагу 48 відсоткам тих, хто його підтримує. (Стосовно необов’язкових удосконалень генома немовлят ми виявили значно більшу злагодженість: лише 15 відсотків опитаних підтримали цю ідею). В основі цих відповідей лежали різні міркування.

Релігія — це один із очевидних моральних компасів, якими користуються люди, коли стикаються із суперечливими важкими запитаннями на зразок наведеного вище, хоча погляди можуть дуже різнитися. Коли йдеться про експерименти з використанням людських гермінативних клітин, чимало християнських спільнот виступають проти них, оскільки вважають ембріон особистістю з моменту зачаття. Натомість єврейська та мусульманська традиції поступливіші в цьому, бо не вважають ембріони, створені in vitro, людьми. І якщо деякі релігії вбачають у будь-якому втручанні в гермінативні клітини претендування на роль Бога в існуванні людства, то інші схвалюють причетність людини до роботи природи, доки метою цього є щось добре, як-от покращене здоров’я чи здатність народжувати248.

Інший моральний вказівний стовп є цілковито внутрішнім — природна передбачувана реакція на думку про використання CRISPR для стійкого редагування генів майбутніх дітей. Для багатьох людей вже сама ідея цього видається штучною і в певному розумінні неправильною, і коли я вперше замислилася над проблемою редагування людських гермінативних клітин, то була однією з них. Люди тисячоліттями розвивалися за допомогою лише мутацій ДНК, що з’являлися природно, і думка про те, щоб почати розсудливо спрямовувати цей процес (наче ботаніки, що змогли вивести генетично модифіковані харчові культури), на перший погляд видається нам майже порочною.

Директор Національного інституту охорони здоров’я США Френсіс Коллінз зауважив: «Еволюція працювала над оптимізацією людського генома 3,85 мільярда років. Невже ви й справді вважаєте, що невеличка групка геномних ремісників зможе впоратися з цим краще та ще й уникнувши різноманітних незапланованих наслідків?»249.

І хоча я теж поділяла загальне занепокоєння щодо контролювання людьми еволюції власного виду, утім не заходила аж так далеко, щоб стверджувати, що природа якимось чином точно відрегулювала наш генетичний склад. Очевидно, що еволюція не оптимізувала людський геном для потреб сучасності, адже нинішні продукти харчування, комп’ютери та високошвидкісні перевезення докорінно змінили наш спосіб життя. І якщо ми озирнемося на перебіг еволюції, який привів до цього моменту, то побачимо, що минуле завалене організмами, яким мутаційний хаос точно не пішов на користь. Виявляється, що природа радше ремісник, аніж інженер, та ще й доволі неакуратний. Її недбалість можна побачити неозброєним оком на прикладі тих людей, кому не пощастило успадкувати неефективні генетичні мутації.

Так само аргумент, що редагування гермінативних клітин якимось чином неприродне, більше не є для мене надто вагомим. Коли йдеться про людські справи, а особливо у світі медицини, межа між природним і штучним розмивається так сильно, що майже зникає. Ми не називаємо кораловий риф неприродним, але можемо використати цей термін для мегаполісів на зразок Токіо. Мірилом є те, чи створили це люди, чи ні? На мою думку, розподіл на природне й штучне є хибною дихотомією, а коли це ще й не дозволяє полегшити людські страждання, то до того ж і небезпечною.

Мені випало чимало нагод познайомитися з людьми, які або самі мали генетичні захворювання, або ж у них хворів хтось із родини. Їхні історії були дуже зворушливими. Якось на конференції після обговорення технології CRISPR мене відвела вбік одна жінка, щоб поділитися особистою історією. Її сестра страждала від рідкісного страшного генетичного захворювання, яке вразило фізичне та психічне здоров’я тієї жінки й завдало невимовних прикрощів усій родині. «Якби я могла за допомогою редагування гермінативних клітин викорінити цю мутацію в усього населення планети, щоб більше ніхто не страждав так, як моя сестра, то негайно зробила б це!» — сказала співрозмовниця з повними сліз очима. Іншого разу до мене в Берклі прийшов чоловік і пояснив, що його батько та дідусь померли від хвороби Гантінгтона й що троє з його сестер отримали позитивні результати аналізів на наявність дефектного гена. Він хотів зробити все можливе для розвитку досліджень, націлених на пошук методів лікування або ще краще — запобігання цій жахливій хворобі. Мені забракло мужності запитати, чи цей чоловік теж був носієм мутованого гена. Якщо так, то вже невдовзі хвороба позбавила б його здатності рухатися й він передчасно помер би. Бачити, як згасають кохані, — страшний вирок, уже не говорячи про те, щоб самому бути приреченим.

Такі історії підкреслюють страшенну ціну, яку платить людство за генетичні захворювання та вагання, відсутність рішучості протистояти їм. Якщо в нас є інструменти, здатні одного дня допомогти лікарям безпечно й ефективно виправляти мутації — байдуже, чи до, чи після запліднення, — я вважаю, що ми маємо виправдання для їхнього використання.

Не всі поділяють такі погляди. Доволі часто можна почути, як люди говорять про свій геном так, наче він частина коштовного еволюційного спадку, чогось, що варто плекати й берегти. Наприклад, у Загальній декларації про людський геном і права людини, затвердженій у 1997 році Організацією Об’єднаних Націй з питань освіти, науки і культури (ЮНЕСКО), зазначено, що «геном людини підтримує фундаментальну єдність усіх членів людства, а також усвідомлення їхньої спадкової гідності й своєрідності. Із символічного погляду, це спадщина людства»250. У світлі нещодавніх відкриттів у галузі редагуванні генів ЮНЕСКО й надалі обстоює думку, що хоча технології на зразок CRISPR і треба використовувати для запобігання захворюванням, що ставлять під загрозу життя, утім, якщо їхнє застосування впливатиме на нащадків, це «поставить під загрозу невід’ємну, а отже, рівну гідність усіх людських істот і відновить євгеніку, замасковану під реалізацію прагнення кращого, удосконаленого життя»251. Дехто з фахівців-біоетиків озвучує схожі побоювання252, припускаючи, що редагування гермінативних клітин змінить саму суть того, що означає бути людиною, і що видозміна генофонду може згубно змінити саме людство.

Такі філософські заперечення варті ретельного розгляду. Але коли я думаю про біль, якого генетичні хвороби завдають родинам, ставки занадто високі, щоб відкидати ймовірність, що редагування гермінативних клітин усе-таки використовуватимуть у майбутньому.

Окрім слушності чи помилковості редагування гермінативних клітин, мене не полишали ще два етичні питання. Обидва обговорювалися на міжнародному саміті, присвяченому редагуванню генів, утім жодне так і не вдалося розв’язати. Перше стосується того, чи здатен хтось проконтролювати застосування редагування гермінативних клітин, щойно лікарі почнуть використовувати його для порятунку людських життів. Друге пов’язане з питаннями соціальної справедливості й тим, як технологія CRISPR вплине на людство.

Що ж до першого, то якщо ми погодимося використовувати CRISPR у гермінативних клітинах, щоб викорінити генетичні захворювання, то муситимемо визнати, що цю технологію також можуть застосувати й для створення генетичних удосконалень — змін, під час яких ДНК модифікують не для того, щоб виправити згубний варіант гена, а з метою надати їй певний тип генетичної переваги.

Звісно, у тому, які покращення можливо чи безпечно спробувати реалізувати, існують певні обмеження. Чимало видів удосконалень, що спадають на думку, — наприклад, високий інтелект, музична обдарованість, математична майстерність, розвинена статура, атлетичні навички чи приголомшлива врода, — не мають чітко визначених генетичних чинників. Не можна сказати, що вони не спадкові, просто через свою складність ці риси можуть бути поза межами дії інструментів на зразок CRISPR.

Але багатьох інших генетичних удосконалень можна домогтися за допомогою простих мутацій, які з технологією CRISPR цілком реально відтворити. Наприклад, мутації в гені EPOR, що реагує на еритропоетичний гормон (відомий допінговий препарат, який використовував Ленс Армстронг і безліч інших атлетів), надають виняткову витривалість. Завдяки мутаціям у гені під назвою LRP5 людина отримує надміцні кістки. Мутації в гені MSTN (тому самому гені міостатин, який редагували науковці, щоб створити супермускулистих свиней і собак) сприяють розвитку м’язових тканин і збільшенню м’язової маси. Мутації в гені під назвою ABCC11 пов’язані зі слабшим неприємним запахом під пахвами (і, що дивно, типом вушної сірки в деяких людей), а мутації в гені DEC2 — із меншою потребою в щоденному сні.

Іронічно, але якщо дозволити використовувати редагування гермінативних клітин у тих випадках, коли воно запобігатиме розвитку захворювання, це може стати першим кроком униз слизьким схилом, який веде до зовсім не медичних удосконалень. Це відбудеться тому, що для кожного прикладу немедичного генетичного покращення існує більш двозначний.

Один із таких граничних прикладів редагування генів стосується гена PCSK9, який виробляє білок, що регулює рівень ліпопротеїнів низької щільності («поганого» холестерину), унаслідок чого цей ген є найперспективнішою фармацевтичною ціллю для запобігання серцевим хворобам — одній із основних причин смертності в усьому світі. Механізм CRISPR можна запрограмувати, щоб послабити цей ген і врятувати ненароджених людей від високого рівня холестерину. Це варто кваліфікувати як терапевтичне редагування гермінативних клітин чи редагування генів із метою вдосконалення? Зрештою, бажана мета полягає в тому, щоб запобігти хворобі, але це також наділить дитину вигідною генетичною рисою, якої не матиме більшість інших.

Чимало інших потенційних застосувань редагування гермінативних клітин розмивають межу між лікуванням і вдосконаленням. Редагування CCR5 за допомогою CRISPR може подарувати пожиттєву несприйнятливість до ВІЛу, редагування гена APOE — знизити ризик розвитку в людини хвороби Альцгеймера, зміна послідовностей ДНК у генах IFIH1 та SLC30A8 — зменшити ризик розвитку діабету першого та другого типів, а зміни в гені GHR — знизити ризик розвитку раку. У всіх цих випадках основна мета в тому, щоб урятувати людину від хвороби, але науковці досягають цього, наділяючи її внутрішнім захистом, який виходить далеко за межі середньостатистичного людського генофонду.

Це наштовхує мене на інший привід для занепокоєння. Коли йдеться про редагування ембріонів, збагнути, де перетнемо межу, так само важко, як і усвідомити, чи вчиняємо ми справедливо, тобто чи покращуємо здоров’я людей повсюдно, а не лише в межах певних груп.

Багатші родини зможуть отримати більший зиск від редагування гермінативних клітин, ніж інші, принаймні на початку, і це зовсім не перебільшення. Нещодавні генні терапії, які увірвалися на ринок, коштували приблизно мільйон доларів253, і, найімовірніше, перші терапії на основі редагування генів нічим їм у цьому не поступатимуться.

Звісно, ми не мусимо відмовлятися від нових технологій лише тому, що вони дорогі. Персональні комп’ютери, мобільні телефони, секвенування ДНК на замовлення споживачів можуть стати чудовим прикладом того, як нові технології згодом зазвичай дешевшають завдяки вдосконаленням, що робить їх доступнішими. Ба більше, існує ймовірність, що редагування гермінативних клітин, як і інші методи лікування, колись може субсидуватися медичним страхуванням. Для Сполучених Штатів Америки це видається віддаленою можливістю, оскільки репродуктивні процедури, як-от штучне запліднення чи ПГД, які зазвичай вартують десятки тисяч доларів, страховка покриває рідко. Але в таких місцях, як Франція, Ізраїль і Швеція, — країнах, чиї національні плани на оздоровлення покривають допоміжні репродуктивні технології, цілком імовірно, що економіка спонукає уряди зробити редагування гермінативних клітин доступним для пацієнтів, які його потребуватимуть. Зрештою, надавати пожиттєве лікування людині з генетичним захворюванням може бути значно дорожчим, ніж профілактичне втручання в ембріон за допомогою редагування генів. Але навіть у країнах зі складними системами охорони здоров’я, де люди з усіх суспільних прошарків могли б користатися перевагами редагування гермінативних клітин, існує ризик, що це призведе до непередбаченої нині генетичної нерівності, створивши нову «генну прірву», яка згодом лише збільшуватиметься. Оскільки заможна людина зможе частіше дозволяти собі процедуру, а вигідні генетичні зміни, унесені в ембріон, передаватимуться всім нащадкам цієї особи, взаємозалежність між класом і генетикою неминуче посилюватиметься з кожним наступним поколінням — байдуже, наскільки малою може бути нерівність у доступі. Подумайте, які наслідки це матиме для соціально-економічної структури суспільства. Якщо ви вважаєте, що наш світ нерівноправний зараз, лише уявіть, як він розшарується вздовж соціально-економічної та генетичної меж. Уявіть собі майбутнє, у якому люди з більшими статками проживатимуть довше й здоровіше життя завдяки привілейованому набору генів. Це схоже на сюжет із царини наукової фантастики, але якщо редагування гермінативних клітин стане буденністю, така історія перетвориться на реальність.

Редагування гермінативних клітин може мимовільно відобразити фінансову нерівність у суспільстві в генетичному коді людей або створити інший тип несправедливості. Як зазначають захисники прав осіб з інвалідністю254, використання редагування генів для того, щоб «виправити» глухоту чи ожиріння, може сформувати менш толерантне суспільство, яке тиснутиме на кожного в прагненні зробити всіх однаковими — а можливо, навіть спонукатиме до більшої дискримінації людей із обмеженими можливостями замість того, щоб шанувати нашу природну несхожість. Зрештою, людський геном — це не просто програмне забезпечення з хибами, які ми маємо категорично викорінити. Частина з них робить наш вид унікальним, а суспільство — таким сильним у його різноманітті. Якщо деякі хвороботворні мутації генів виробляють недосконалі або аномальні білки на біохімічному рівні, люди, що вражені цими недугами, безумовно, не є недосконалими чи аномальними. Вони також можуть жити абсолютно щасливо й не відчувати потреби «лагодити» гени.

Страх, що редагування генів загострить упередження проти людей, які відрізняються від вузького діапазону генетичних норм, підкреслює паралель, яку чимало письменників провели між редагуванням генів і євгенікою. Нині ця ідея найбільше відома завдяки популярності в нацистській Німеччині, де прагнення створити ідеальну расу сягнуло своєї жахливої кульмінації, що вилилася в примусову стерилізацію сотень тисяч людей і повсюдне винищування мільйонів євреїв, гомосексуалістів, душевнохворих та інших осіб, яких уважали не вартими життя. Прикро, але схожі євгенічні практики стали звичними для Сполучених Штатів Америки ще задовго до приходу Гітлера до влади. Обов’язкова стерилізація здійснювалася в багатьох штатах аж до 1970-х. Зважаючи на сумний досвід людства, коли справа доходила до програм, спрямованих на покращення генофонду нашого виду, можливо, не дивно, що потенційна здатність технології CRISPR наділяти окремих осіб здоровішими генами стала причиною порівнянь із цими трагічними сторінками нашого минулого.

І хоча ототожнення редагування генів із цими похмурими прецедентами, безперечно, і привертає увагу, ретельне вивчення не підтверджує слушність такого порівняння. З технічного погляду, використання CRISPR в ембріонах для подолання захворювань людини й справді буде євгенічною практикою, як і передімплантаційна генетична діагностика, ультразвукова технологія, внутрішньоутробні вітаміни й навіть відмова матері від уживання алкоголю впродовж вагітності. Це тому, що євгеніка, за її оригінальним визначенням, із грецької перекладається як «із гарного роду»255, і цей термін можна застосувати до будь-якої дії, спрямованої на сприяння народженню здорової дитини. Наше нинішнє вільне трактування терміна відбиває переконання й практики, які з’явилися наприкінці ХІХ століття й у першій половині ХХ-го та були спрямовані на покращення генетичних якостей усього населення, спонукаючи схрещення між людьми з бажаними характеристиками й перешкоджаючи чи запобігаючи народженню дітей тими, кого визнали небажаними.

Безперечно, євгеніка, як нині її пам’ятає більшість людей, варта осуду, однак малоймовірно, що ми побачимо, як дещо схоже відбуватиметься й із редагуванням генів. Уряди не збираються починати змушувати батьків редагувати гени своїх дітей. (Із того, що ми побачимо в наступному підрозділі, процедура досі є незаконною в багатьох місцях). Якщо тільки ми не почнемо говорити про примусовий урядовий контроль над репродуктивною свободою громадян, редагування гермінативних клітин лишатиметься особистим рішенням окремих батьків, яке вони ухвалюватимуть для власних дітей, а не рішенням бюрократів для населення загалом.

Мої погляди на етику редагування гермінативних клітин продовжують розвиватися, але водночас я ловлю себе на тому, що знову й знову повертаюся до проблеми вибору. Понад усе ми маємо поважати свободу людей обирати власне генетичне призначення й докладати зусиль для здоровішого, щасливішого життя. Якщо людям дадуть цю свободу вибору, вони робитимуть із нею те, що особисто вважатимуть правильним, незалежно від того, яким буде їхнє рішення. Як зауважує Чарльз Сабін, жертва хвороби Гантінгтона, «кожного, хто по-справжньому зіткнувся з реальністю однієї з цих хвороб, не мучитимуть докори сумління й роздуми стосовно того, чи взагалі в цьому є якась моральна проблема»256. Хто ми такі, щоб переконувати його у зворотному?

Я не вірю, що є якесь етичне виправдання відвертої заборони модифікації гермінативних клітин, так само не вважаю, що можна не дозволяти батькам використовувати технологію CRISPR, щоб покращити свої шанси народити здорову, генетично споріднену дитину, доки методи є безпечними й пропонуються на рівних умовах. Однак не розумію й того, як ми можемо дозволити вдаватися до редагування гермінативних клітин, свідомо не спробувавши підтримати вибір батьків народити дитину старомодним способом і не подвоївши власних зусиль, щоб створити суспільство, у якому всіх людей шануватимуть і ставитимуться до них однаково попри їхній генетичний склад. Якщо ми зуміємо знайти золоту середину між забороною CRISPR із метою не зашкодити здоров’ю окремої людини та зловживаннями цією технологією, унаслідок яких можуть зруйнуватися суспільні цінності, то зможемо використовувати новий інструмент редагування генів лише задля добра.

Тож як ми можемо гарантувати, що це трапиться? Розпочати обговорення етики й безпеки — це одне, а дійти згоди — зовсім інше. Зробити ще один крок уперед і діяти відповідно до рішення, якщо ми таки зуміємо його ухвалити, може видаватися віддаленою перспективою, про яку взагалі заледве варто говорити. Але якщо ми не почнемо планувати узгоджених міжнародних інструкцій щодо використання редагування ембріонів зараз, то іншого шансу може й не бути.

Уряди мусять узяти участь у контролюванні та регуляції методів, що змінюють гермінативні клітини людини, і тут не повинно лишатися жодних сумнівів. Але для цього доведеться чимало зробити, адже нинішні постанови урядів, пов’язані з цією темою, непостійні, їм часто бракує жорсткості257. Наприклад, у довгому переліку країн, до якого належить Канада, Франція, Німеччина, Бразилія та Австралія, клінічне втручання в гермінативні клітини людини чітко заборонене й передбачає кримінальну відповідальність: від штрафів до тривалих термінів ув’язнення. В інших країнах, як-от Китай, Індія та Японія, ці втручання заборонені, але не законодавчими актами, які, відповідно, не обов’язкові для виконання. Нинішню політику Сполучених Штатів Америки в цьому питанні можна вважати обмеженою: прямої заборони не існує, але урядові установи виступили проти клінічного використання редагування генів у гермінативних клітинах, а для будь-яких клінічних випробувань потрібно одержати регуляторне схвалення Управління продовольста й медикаментів. (Утім тут є цікава заувага: чимало інших репродуктивних технологій — передімплантаційна генетична діагностика, метод ICSI, тобто введення сперматозоїда в цитоплазму ооцита, і навіть сама практика запліднення in vitro — ніколи не підпадали під перелік офіційних клінічних випробувань чи розгляд Управління продовольства й медикаментів).

Невідповідними є навіть постанови про дослідження редагування гермінативних клітин людини, хоча й значно менше, ніж правила створення нових людей із редагованих ембріонів. У Китаї, де відбулися перші експерименти з використання CRISPR в гермінативних клітинах, такі дослідження можуть здійснюватися під належним контролем інституційних наглядових рад. Ці експерименти технічно не обмежені й федеральним урядом США (хоча деякі штати їх таки заборонили), але білль, ухвалений у Сполучених Штатах у 1996-му (так звана поправка Дікі — Вікера), забороняє уряду фінансувати будь-які дослідження, що передбачають створення чи знищення людських ембріонів. Зрозуміло, що ця заборона стосується й експериментів із CRISPR. Утім жоден закон Сполучених Штатів не забороняє здійснювати в цій галузі дослідження, фінансовані приватними особами. Дослідження редагування гермінативних клітин дозволені в Сполученому Королівстві, але для них потрібне схвалення організації, відомої як Комітет із питань запліднення людини та ембріології. І нарешті, є уряди, що забороняють будь-які дослідження з використанням людських ембріонів або ж мають нечітке законодавство, яке лишає помітну невизначеність у розмежуванні клінічного та дослідного застосування.

Ще більше проблема нормативності ускладнюється внаслідок розпливчастої мови, яку використовують для викладу урядових стратегій стосовно редагування гермінативних клітин. Наприклад, нещодавно ухвалений документ, який регулює клінічні експерименти в Європейському Союзі, забороняє «клінічні випробування генної терапії... наслідком якої є модифікація генетичної самобутності гермінативних клітин людини»258. Незрозуміло, як визначається «генетична самобутність», а також чи поняття «генної терапії» охоплює редагування генів за допомогою CRISPR. У Франції дії, що «порушують цілісність людського виду», заборонені, як і будь-які «євгенічні практики, спрямовані на організацію відбору людей». Водночас передімплантаційна генетична діагностика — процедура, що підпадає під буквальне визначення євгеніки — пропонується у французьких клініках, тож ці регуляторні постанови занадто розмиті, щоб бути корисними. Натомість у Мексиці інструкції щодо маніпуляцій із людськими гермінативними клітинами обмежуються лише метою: усі цілі, окрім «викорінення серйозних захворювань чи вад або полегшення перебігу хвороб», заборонені. Але хто вирішує, що вважати серйозним захворюванням або вадою? Уряд? Лікарі? Батьки?

Конгрес США донедавна не бажав чи не міг навіть розглянути петиції стосовно клінічного використання CRISPR у людських ембріонах — законодавчий підхід, рівноцінний тому, якби наші обрані лідери просто ховали голови в пісок. У 2015-му фінансовий законопроект Палати й Сенату США містив доповнення, яке забороняло Управлінню продовольства й медикаментів використовувати фонди Конгресу для розгляду будь-якого застосування медикаментів чи біологічних продуктів, «у яких людські ембріони були зумисне створені чи модифіковані для внесення спадкових генетичних змін»259. Інакше кажучи, члени Конгресу фактично заборонили застосування технології CRISPR у гермінативних клітинах, але замість того, щоб закріпити рішення чинним законодавством, зробили це, зв’язавши руки Управлінню продовольства й медикаментів. (За іронією долі, така обхідна стратегія мало не призвела до протилежних наслідків, оскільки в межах нинішнього регуляторного процесу звернення щодо вивчення нових медикаментів автоматично схвалюється через тридцять днів, якщо Управління продовольства й медикаментів його відкрито не відхиляє. Розв’язання цієї проблеми знайшли у 2016 році, наказавши ставитися до таких заяв, немовби їх ніколи й не отримували).

Відмову хоча б розглянути дослідження про редагування гермінативних клітин заледве можна назвати найкращим способом контролювати практику. Просто заборонити експерименти чи клінічне використання редагування ембріонів також не ліпший шлях. Як зауважували інші автори, будь-яка заборона редагування генів гермінативних клітин у Сполучених Штатах фактично передасть пальму першості в цій галузі іншим націям — те, що американці, без сумніву, уже зробили, зважаючи на чинні заборони федерального фінансування дослідження редагування ембріонів.

Також існує ризик того, що надмірно обмежувальні політики в деяких країнах спонукають розвиток так званого CRISPR-туризму. Пацієнти з недугами можуть подорожувати до місць, де регуляторні нормативи поблажливіші або й зовсім відсутні. Медичні туристи вже витрачають мільйони доларів на отримання нерегульованого лікування стовбуровими клітинами. Окрім цього, за кордон також їдуть і за лікуванням на основі генної терапії, спрямованим на підвищення м’язової маси та подовження тривалості життя260. Розв’язання для цих небезпечних і навіть неетичних практик не в тому, щоб суверенні нації просто заборонили застосування ризикованих, неперевірених методів на своїх територіях. Як і не в тому, щоб накладати відчутні обмеження на дослідження, оскільки це може призвести до того, що науковці продовжуватимуть свої експерименти за зачиненими дверима — безперечно, це один із найгірших можливих результатів. Натомість нації мають підтримати нормативні бази, які будуть достатньо м’якими, щоб дозволити дослідження та клінічні використання, але й досить суворими, щоб запобігти найгіршим зловживанням.

Дослідники й законотворці повинні знайти золоту середину між нормативами та свободою. Науковці мають розробити стандартизовані, погоджені інструкції, які визначать найбезпечніші методи доставки CRISPR, віддадуть перевагу в дослідженнях хвороботворним генам і встановлять стандарти контролю якості для оцінювання втручання з метою редагування генів. А представники уряду (особливо в Сполучених Штатах Америки) мусять відігравати активнішу роль, ніж донині, домогтися сильного законодавства, але й зважати на думки своїх виборців та заохочувати участь громадськості, як намагалися це зробити ми з колегами за допомогою саміту 2015 року, проведеного у Вашингтоні, округ Колумбія. Звісно ж, малоймовірно, що колись з’явиться одностайне рішення щодо того, чи варто використовувати редагування гермінативних клітин і як саме це здійснювати, утім уряди мають зробити все можливе, щоб ухвалити закони, що водночас і приборкають потенціал генної інженерії, і представлятимуть волю громади.

Та навіть попри всі ці зусилля навряд чи ми побачимо щось схоже на логічну міжнародну реакцію на виклики, кинуті технологією CRISPR. Різні суспільства неминуче підходитимуть до теми редагування ембріонів залежно від своїх унікальних поглядів, історії та культурних цінностей. Деякі автори припускають, що редагування людських гермінативних клітин261, особливо для їх генетичного вдосконалення, уперше застосують в азійських країнах, як-от Китай, Японія та Індія. Китай — особливо родюча земля для досліджень і розвитку методів редагування ембріонів, оскільки там науковці вже відірвалися вперед у використанні технології CRISPR у декількох галузях, зокрема вперше застосувавши її на мавпах, нежиттєздатних людських гермінативних клітинах та пацієнтах-людях.

Але хай якою ефемерною була б міжнародна угода стосовно редагування гермінативних клітин, ми мусимо спробувати. Бо хоч небезпека, що редагування генів розколе людське суспільство, здається проблемою майбутніх поколінь, утім, зважаючи на події в минулому, вона може бути й менш віддаленою.

Щойно світові стає відомо про новітню технологію, її вже неможливо стримати. Надмірний поспіх у гонитві за новинками вже сам по собі створює проблеми. Наприклад, наслідком суперництва за перевагу в ядерних технологіях стали титанічні науково-дослідні зусилля, які докорінно видозмінили світову політичну систему й багато сфер людського життя, часто в такий спосіб, що ми стали менш захищеними. На відміну від ядерних технологій, із редагуванням генів ми маємо шанс провести інформоване публічне обговорення стосовно того, як хочемо використовувати найбільш далекосяжну силу CRISPR — здатність контролювати майбутнє життя. Але якщо ми занадто довго чекатимемо, то рано чи пізно можемо усвідомити, що вже нічого не контролюємо.

Одна з виняткових рис нашого виду — це його прагнення досліджувати, постійно розширювати межі відомого й можливого. Розвиток ракетної науки та космічні подорожі дають нам змогу вивчати інші планети, а просування у фізиці елементарних частинок пояснює фундаментальні основи буття. Так само й відкриття в галузі редагування генів дарують нам можливість переписати саму мову життя, а також дедалі більше наближають до здобуття майже повного контролю над власним генетичним призначенням. Разом ми можемо вирішити, як найкраще приборкати цю технологію. Не існує способу забути це нове знання, тож лишається тільки осягнути його. Але ми мусимо зробити це обережно й із найвищою повагою до неймовірної сили, яку воно нам дарує.

Упродовж більшої частини історії нашого виду люди були підвладні повільним, часто непомітним еволюційним тискам, що йшли від світу природи. Тепер ми опинилися на позиції, з якої можемо контролювати націленість та інтенсивність цих тисків. Віднині все розвиватиметься значно швидше, ніж звикли люди й наша планета. Важко передбачити, який вигляд матиме людський геном уже через декілька десятиліть. Хто може сказати, на що скидатиметься наш вид чи світ за кілька сотень років? А за декілька тисячоліть?..

Олдос Гакслі чудово описав уявне майбутнє генетичних каст у приголомшливому романі «Який чудесний світ новий!»262, і коли тема редагування генів гермінативних клітин з’являється в медіа в наш час, то рідко обходиться без прямої чи опосередкованої згадки про цю книжку. Але події дистопії Гакслі відбуваються у 2540 році. Малоймовірно, що для появи генетичної нерівності (якщо вона стане наслідком редагування гермінативних клітин) знадобиться стільки часу. Лише подумайте про всі інші способи, якими технології на зразок CRISPR можуть по-новому перерозподілити наше суспільство через півтисячоліття. Ця вправа принаймні змусить нас опам’ятатися.

Чимало цих змін однозначно будуть на краще. Технологія CRISPR має неймовірний потенціал для поліпшення нашого світу. Уявіть використання редагування генів для подолання більшості страшних генетичних захворювань — подібно до того, як вакцинація поклала край віспі й може скоро покінчити з поліомієлітом. Намалюйте подумки картину, як тисячі науковців використовують CRISPR для вивчення напастей на зразок раку й знаходять нові методи лікування та навіть зцілення. І уявіть фермерів, скотарів і світових лідерів, які нарешті знищують голод по всьому світу за допомогою харчових культур, створених завдяки технології CRISPR і здатних краще пристосуватися до мінливого клімату. Ці сценарії можуть бути досяжними або ж ні, залежно від вибору, який ми зробимо в наступні роки.

Небагато технологій за своєю суттю погані чи добрі, адже значно важливіше те, як ми їх використовуємо. І коли йдеться про CRISPR, можливості цієї нової технології — на користь чи на шкоду — обмежуються лише нашою уявою. Я непохитно вірю в те, що ми можемо використати її для першого, а не для другого, але також розумію, що для цього маємо проявити рішучість — особисту й колективну. Як вид люди ніколи раніше не робили нічого подібного, але знову ж таки, ми й ніколи не мали інструментів для цього.

Сила контролювати генетичне майбутнє нашого виду дивовижна й страхітлива. Рішення, як поводитися з нею, може бути найбільшим викликом, із яким ми коли-небудь стикалися. Я сподіваюся — я вірю, що ми впораємося з цим завданням.

221 Protein and Cell: P. Liang et al., “CRISPR/Cas9-Mediated Gene Editing in Human Tripronuclear Zygotes,” Protein and Cell 6 (2015): 363–372.

222 Там само.

223 X. Zhai, V. Ng, and R. Lie, “No Ethical Divide Between China and the West in Human Embryo Research,” Developing World Bioethics 16 (2016): 116–120.

224 D. Cyranoski and S. Reardon, “Chinese Scientists Genetically Modify Human Embryos,” Nature News, April 22, 2015.

225 G. Kolata, “Chinese Scientists Edit Genes of Human Embryos, Raising Concerns,” New York Times, April 23, 2015.

226 T. Friedmann et al., “ASGCT and JSGT Joint Position Statement on Human Genomic Editing,” Molecular Therapy 23 (2015): 1282.

227 R. Jaenisch, “A Moratorium on Human Gene Editing to Treat Disease Is Critical,” Time, April 23, 2015.

228 J. Holdren, “A Note on Genome Editing,” May 26, 2015, www.whitehouse.gov/blog/2015/05/26/note-genome-editing.

229 Francis S. Collins, “Statement on NIH Funding of Research Using Gene-Editing Technologies in Human Embryos,” April 29, 2015, www.nih.gov/about-nih/who-we-are/nih-director/statements/statement-nih-funding-research-using-gene-editing-technologies-human-embryos.

230 J. R. Clapper, “Worldwide Threat Assessment of the US Intelligence Community,” February 9, 2016, www.dni.gov/files/documents/SASC_Unclassified_2016_ATA_SFR_FINAL.pdf.

231 “The Moral Imperative to Continue Gene Editing Research on Human Embryos,” Protein and Cell 6 (2015): 476–479.

232 S. Pinker, “The Moral Imperative for Bioethics,” Boston Globe, August 1, 2015.

233 Hinxton Group, “Statement on Genome Editing Technologies and Human Germline Genetic Modification,” September 3, 2015, www.hinxtongroup.org/Hinxton2015_Statement.pdf.

234 Cyranoski and Reardon, “Chinese Scientists”.

235 D. Cressey, A. Abbott, and H. Ledford, “UK Scientists Apply for License to Edit Genes in Human Embryos,” Nature News, September 18, 2015.

236 Повний перелік шукайте тут: National Academies of Sciences, Engineering, and Medicine, “International Summit on Human Gene Editing,” December 1–3, 2015, www.nationalacademies.org/gene-editing/Gene-Edit-Summit/index.htm.

237 I. Martincorena and P. J. Campbell, “Somatic Mutation in Cancer and Normal Cells,” Science 34 (2015): 1483–1489.

238 M. Porteus, “Therapeutic Genome Editing of Hematopoietic Cells,” Presentation at Inserm Workshop 239, CRISPR-Cas9: Breakthroughs and Challenges, Bordeaux, France, April 6–8, 2016.

239 M. Lynch, “Rate, Molecular Spectrum, and Consequences of Human Mutation,” Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 107 (2010): 961–968.

240 S. Pinker in P. Skerrett, “Experts Debate: Are We Playing with Fire When We Edit Human Genes?”, STAT News, November 17, 2015.

241 Q. Zhou et al., “Complete Meiosis from Embryonic Stem Cell-Derived Germ Cells In Vitro,” Cell Stem Cell 18 (2016): 330–340; K. Morohaku et al., “Complete In Vitro Generation of Fertile Oocytes from Mouse Primordial Germ Cells,” Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 113 (2016): 9021–9026.

242 J. K. Lim et al., “CCR5 Deficiency Is a Risk Factor for Early Clinical Manifestations of West Nile Virus Infection but Not for Viral Transmission,” Journal of Infectious Diseases 201 (2010): 178–185.

243 M. Aidoo et al., “Protective Effects of the Sickle Cell Gene Against Malaria Morbidity and Mortality,” Lancet 359 (2002): 1311–1312.

244 E. M. Poolman and A. P. Galvani, “Evaluating Candidate Agents of Selective Pressure for Cystic Fibrosis,” Journal of the Royal Society 4 (2007): 91–98.

245 E. S. Lander, “Brave New Genome,” New England Journal of Medicine 373 (2015): 5–8.

246 G. Church, “Should Heritable Gene Editing Be Used on Humans?”, Wall Street Journal, April 10, 2016.

247 C. Funk, B. Kennedy, and E. P. Sciupac, U.S. Public Opinion on the Future Use of Gene Editing (Washington, DC: Pew Research Center, 2016); “Genetic Modifications for Babies,” Pew Research Center, January 28, 2015, www.pewinternet.org/2015/01/29/public-and-scientists-views-on-science-and-society/pi_2015–01–29_science-and-society-03–25.

248 D. Carroll and R. A. Charo, “The Societal Opportunities and Challenges of Genome Editing,” Genome Biology 16 (2015): 242–250.

249 Skerrett, “Experts Debate.”

250 United Nations Educational, Scientific and Cultural Organization, “Universal Declaration on the Human Genome and Human Rights,” November 11, 1997, www.unesco.org/new/en/social-and-human-sciences/themes/bioethics/human-genome-and-human-rights/.

251 United Nations Educational, Scientific and Cultural Organization, “Report of the IBC on Updating Its Reflection on the Human Genome and Human Rights,” October 2, 2015, unesdoc.unesco.org/images/0023/002332/233258E.pdf.

252 G. Annas, “Viewpoint: Scientists Should Not Edit Genomes of Human Embryos,” April 30, 2015, www.bu.edu/sph/2015/04/30/scientists-should-not-edit-genomes-of-human-embryos/.

253 E. C. Hayden, “Promising Gene Therapies Pose Million-Dollar Conundrum,” Nature News, June 15, 2016; S. H. Orkin and P. Reilly, “Medicine: Paying for Future Success in Gene Therapy,” Science 352 (2016): 1059–1061.

254 T. Shakespeare, “Gene Editing: Heed Disability Views,” Nature 527 (2015): 446.

255 C. J. Epstein, “Is Modern Genetics the New Eugenics?”, Genetics in Medicine 5 (2003): 469–475.

256 E. C. Hayden, “Should You Edit Your Children’s Genes?,” Nature News, February 23, 2016.

257 M. Araki and T. Ishii, “International Regulatory Landscape and Integration of Corrective Genome Editing into In Vitro Fertilization,” Reproductive Biology and Endocrinology 12 (2014): 108–119.

258 R. Isasi, E. Kleiderman, and B. M. Knoppers, “Editing Policy to Fit the Genome?”, Science 351 (2016): 337–339.

259 I. G. Cohen and E. Y. Adashi, “The FDA Is Prohibited from Going Germline,” Science 353 (2016): 545–546; D.B.H. Mathews et al., “CRISPR: A Path Through the Thicket,” Nature 527 (2015): 159–161.

260 A. Regalado, “A Tale of Do-It-Yourself Gene Therapy,” MIT Technology Review, October 14, 2015.

261 G. O. Schaefer, “The Future of Genetic Enhancement Is Not in the West,” Conversation, August 1, 2016.

262 Книжка Олдоса Гакслі «Який чудесний світ новий!» вийшла друком у «Видавництві Старого Лева» 2016 року. — Прим. пер.

Епілог

Початок

Я пишу ці рядки, прямуючи додому з нью-йоркської лабораторії Cold Spring Harbor, де побувала на другій щорічній конференції, присвяченій революції редагування генів, що почалася з CRISPR. У ноутбуці в мене відкритий збірник анотацій матеріалів конференції, що містить короткий виклад усіх презентованих досліджень, а також мої нотатки з численних обговорень, у яких я була задіяна під час зустрічей з учасниками. Серед гостей (загалом десь 415 осіб) були не лише дослідники з наукових чи корпоративних лабораторій, а й також медики, журналісти, редактори, інвестори та люди з генетичними розладами. Схоже товариство я бачила на багатьох своїх семінарах, які проводила в університетах і фондах упродовж останніх п’яти років. Ці групи є поперечним перетином зацікавлених сторін, на які вплинуть технології редагування генів і які допоможуть сформувати їхнє майбутнє застосування.

Коли була в Cold Spring Harbor, студентка — помітно вагітна — представилася мені й попросила, чи не могла б я підсумувати свій шлях як науковиці й матері, що живе в розпал революції CRISPR. Уявивши пройдену метафоричну відстань, я засміялася. А тоді спробувала.

Усе це більше скидалося на поїздку на американських гірках, із поворотами й перекрутами, які я й уявити собі не могла на початку. Я пережила щиру радість чи, за визначенням фізика Річарда Фейнмана263, «задоволення здійснювати відкриття». Захоплювалася разом із сином тим, як бактерії програмують білки, щоб ті відігравали роль озброєних охоронців, які розпізнають і знищують загарбницькі віруси. Знову відчула задоволення бути студенткою, вивчаючи розвиток людини та медичні, соціальні, політичні й етичні проблеми, пов’язані з репродуктивною функцією нашого виду. Заново відкрила для себе, за якого особливого чоловіка вийшла заміж — мудрого, здатного підтримати й майстерного в усьому, починаючи від управління дослідною лабораторією світового рівня й закінчуючи допомогою нашому синові з його останніми спробами в ракетобудуванні, аби розтлумачити юридичні документи, подані у Відомство з патентів і товарних знаків США. А ще він готує посередню грибну кесадилью та має відмінний смак у к’янті.

За останні чотири роки (а насправді впродовж усієї кар’єри) я мала привілей і честь працювати з найкращими та найдивовижнішими науковцями у світі. У своїй лабораторії мені неймовірно пощастило користуватися наполегливою працею та відданістю безлічі студентів, постдоків, штатних наукових співробітників, близьких по духу людей, як-от Блейк Віденгефт, Рейчел Гаурвіц, Мартін Їнек і мій співавтор Сем Стернберґ які насправді керували щоденними експериментами. За межами лабораторії я насолоджувалася можливістю працювати з такими світилами науки, як Пол Берг і Девід Балтімор, що допомогли спрямувати наші пошуки до початку публічного обговорення з метою усвідомити значення редагування генів, а також із фантастичними колегами — Джилл Бенфілд та Еммануель Шарпентьє, які спонукали мене піти новими стежками досліджень.

Звісно, якщо колеги змащують колеса наукового дослідження, то конкуренція часто є тією іскрою, що запускає двигун. Здорове суперництво — це природна частина наукового процесу, і саме воно стало поштовхом для багатьох найвидатніших відкриттів людства.

Але часом для мене буває неабиякою несподіванкою те, яким конкурентним може виявитися вивчення та використання технології CRISPR, як сильно воно змінилося з роками, ставши всесвітньо відомою галуззю, що торкнулася практично кожного дослідника, який вивчає біологію.

Ці два полюси науки — конкуренція та співпраця — визначили мою кар’єру й сформували мене як особистість. Зокрема за останні п’ять років я пережила цілу гаму людських стосунків: від глибокої дружби до болісних зрад. Завдяки несподіваним зустрічам я пізнала себе, і вони показали, що люди мусять обирати, або ж самі контролюватимуть власні прагнення, або їхні прагнення керуватимуть ними.

А ще я усвідомила важливість виходу із зони комфорту й обговорювання науки з людьми поза межами мого кола фахівців. Громадськість ставиться до науковців із дедалі більшою недовірою й досить скептично налаштована стосовно їхнього внеску в розвиток суспільства, причому цей скепсис поширюється й на спроможність науки описувати й покращувати світ. Коли люди не бажають визнавати кліматичні зміни, відмовляються від програм вакцинації для дітей або ж наполягають, що генетично модифіковані організми не придатні для споживання, це вказує не лише на їхню неосвіченість, але також і на відсутність порозуміння між науковцями й громадськістю.

Те саме стосується й рухів протесту проти технології CRISPR, які вже виникли у Франції та Швейцарії, щоб відкрито засудити перспективу появи «генетично модифікованих немовлят»264. Якщо ми не порозуміємося з цими людьми та зі схожими на них, недовіра поширюватиметься.

Частина відповідальності за таку відсутність порозуміння лежить на науковцях. Мені було дуже важко витягнути себе з лабораторії, щоб поговорити про значення CRISPR. Іноді я шкодую, що не зробила цього раніше. Я глибоко переконана, що ми, практики науки, зобов’язані брати активну участь в обговореннях її застосування. Ми живемо у світі, де наука є глобальною, де матеріали та реагенти надаються великими постачальниками й де отримати доступ до опублікованих даних легше, ніж коли-небудь раніше. Ми мусимо бути впевнені, що знання між науковцями й громадськістю циркулюють так само вільно, як і між дослідниками.

Зважаючи на те, яким радикальним є значення редагування генів для нашого виду й планети загалом, постійний зв’язок між наукою та громадськістю ще ніколи не був настільки важливим, як зараз. Минули ті дні, коли життя формували виключно повільні сили природної еволюції. Ми стоїмо на порозі нової доби — однієї з тих, що матимуть першорядну владу над генетичним складом життя й усіма його яскравими та різноплановими проявами. Насправді ми вже витісняємо глухі, німі та сліпі системи, що формували генетичний матеріал на нашій планеті мільярди років, і замінюємо їх поміркованими, свідомими системами еволюції, якими керує людина.

Не сумніваюся, що до такої колосальної відповідальності ми абсолютно не готові. Але нам не вдасться уникнути її. Якщо думка про контроль над власною генетичною долею вас лякає, тоді поміркуйте про наслідки того, щоб мати цю силу й не спромогтися опанувати її. Ось що по-справжньому жахливе та немислиме.

Ми мусимо зламати стіни, які раніше розділяли науку й громадськість та спричиняли поширення недовіри й необізнаності. Коли щось і перешкоджає людству прийняти нинішній виклик, то це саме такі бар’єри.

Я палко сподіваюся, що зможу мотивувати наступне покоління науковців глибше та відкритіше взаємодіяти з громадськістю, ніж це зазвичай робили ми, і що коли справа дійде до ухвалення рішення, як мають розвиватися наука й технології, вони дотримуватимуться принципу «обговорення без диктату». У такий спосіб фахівці зможуть відновити довіру громадськості.

Є певні свідчення успіху. Останніми роками рух на підтримку відкритого доступу до знань викликав появу багатьох наукових статей, якими читачі можуть безперешкодно скористатися, а поступ у напрямку створення онлайн-курсів підвищив доступність освіти для студентів будь-якого віку по всьому світу. Це позитивні зрушення, однак нам лишається ще чимало роботи. Освітні установи мають проаналізувати, як навчаються студенти та як вони застосовують здобуті знання для розв’язування соціологічних проблем. Я працюю над тим, щоб спонукати свій навчальний заклад — один з найкращих державних університетів у світі — організовувати міждисциплінарні зустрічі, курси та дослідницькі проекти. Створюючи можливості для науковців, письменників, лікарів, істориків, політологів, етиків, економістів та інших працювати разом над реальними проблемами сучасного світу, ми підвищуємо нашу колективну здатність пояснити свою роботу звичайним людям. Гадаю, що це своєю чергою спонукає студентів до ширшого осмислення власних галузей і навчить застосовувати знання для розв’язання проблем. Реалізовувати ідеї завжди важче, ніж формулювати їх, але я відчуваю дедалі більшу зацікавленість у таких міждисциплінарних ініціативах серед моїх колег. І що прикметно, технологія CRISPR може допомогти цьому, зважаючи на кількість галузей, до яких вона дотична: природничі науки, етика, економіка, соціологія, екологія та еволюція.

Усі науковці, незалежно від спеціалізації, мають бути готові зіткнутися з ширшими наслідками своєї роботи, але ми також маємо детальніше обговорити її особливості. Про це мені нагадали за нещодавнім ланчем, на якому я побувала в товаристві найвидатніших гуру технологій Кремнієвої долини. Один із них сказав: «Дайте мені від десяти до двадцяти мільйонів доларів і команду розумних людей, і ми зможемо розв’язати практично будь-яку інженерну проблему». Ця людина, очевидно, щось знала про розв’язання технологічних проблем (про це свідчила ціла низка перемог), але іронія в тому, що не такий підхід створив технологію редагування генів на основі CRISPR, яка надихнула дослідників, керованих допитливістю, заглибитися в цей природний феномен. Для розробки технології, яку ми створили, не знадобилося від десяти до двадцяти мільйонів доларів, але вона таки справді вимагає досконалого розуміння хімії та біології бактеріального адаптивного імунітету — теми, яка може здаватися зовсім не спорідненою з редагуванням генів. Це лише один приклад важливості фундаментального дослідження — прагнення науки осягнути світ природи — та обґрунтованості для розробки нових технологій. Зрештою, природа мала значно більше часу на здійснення експериментів, ніж люди!

І якщо є певна загальна ідея, яку, я сподіваюся, ви почерпнете з цієї книжки, — то це те, що людям потрібно продовжувати вивчати світ навколо нас за допомогою необмежених наукових досліджень. Александер Флемінг ніколи не відкрив би дива пеніциліну, якби не здійснював простих експериментів із бактерією Staphylococci. Дослідження рекомбінантної ДНК — основа сучасної молекулярної біології — стали можливими лише завдяки виокремленню з кишкових і теплолюбивих бактерій ферментів, які розрізають і копіюють ДНК. Для стрімкого секвенування ДНК знадобилися експерименти з використанням дивовижних властивостей бактерій із гарячих джерел. А ми з колегами ніколи не створили б потужного інструмента редагування генів, якби не зосередилися на значно ґрунтовнішому питанні про те, як бактерія бореться з вірусною інфекцією.

Історія CRISPR — це нагадування, що відкриття можуть трапитися там, де їх зовсім не очікуєш, а тому важливо дозволити бажанню зрозуміти природу диктувати подальший шлях. Утім, це також і нагадування про те, що вчені, як і звичайні люди, несуть тягар величезної відповідальності за науковий процес і його наслідки. Ми мусимо й надалі підтримувати нові відкриття у всіх галузях науки, а також щиро намагатися осягнути їх і старанно відточувати контроль над цими винаходами. Як це чітко видно з історії, те, що ми не готові до наукового прогресу, не означає, що його не відбудеться. Щоразу, коли ми розгадуємо якусь таємницю природи, це вказує на завершення одного експерименту й початок багатьох інших.

Дженніфер Дудна, вересень 2016-го

263 Книжка Річарда Фейнмана «Та ви жартуєте, містере Фейнман! Пригоди допитливого дивака» вийшла друком у видавництві «Наш формат» 2018 року. — Прим. пер.

264 Alliance Vita, “Stop Bébé GM: Une Campagne Citoyenne D’alerte sur CRISPR-Cas9,” www.alliancevita.org/2016/05/stop-bebe-ogm-une-campagne-citoyenne-dalerte-sur-crispr-cas9/; P. Knoepfler, “First Anti-CRISPR Political Campaign Is Born in Europe,” The Niche (blog), June 2, 2016, www.ipscell.com/2016/06/first-anti-crispr-political-campaign-is-born-in-europe/.

Подяки

Дженніфер і Сем

Написання цієї книжки стало захопливим і спонукальним досвідом для нас обох, але він був би неможливий без щедрої допомоги й підтримки, яку ми одержували від колег, друзів і родин.

Ми в боргу перед нашим агентом Максом Брокманом за просування книжки та енергійну підтримку проекту ще від початку. Висловлюємо величезну подяку Александеру Літтлфілду — нашому невтомному редактору в Houghton Mifflin Harcourt (HMH), за поліпшення довгих (і надмірно технічних) перших чорновиків розділів і за творчі ідеї стосовно того, як найкраще організувати й структурувати матеріал.

Працювати з ним було справжнім задоволенням. Дякуємо всім іншим співробітникам HMH, які відіграли свою роль у виданні та рекламуванні нашої книжки, особливо Пілар Ґарсії-Браун, Лаурі Бреді, Стефані Кім і Мішель Тріант. Трейсі Ро виконала фантастичну роботу, редакційно опрацьовуючи наш рукопис (і редагуючи нас у кращих традиціях Chicago Manual of Style), але водночас милостиво мирячись зі змінами, які ми вносили останньої миті. Нам неймовірно пощастило здобути фантастичного ілюстратора для книжки, і ми вдячні за всю важку роботу, яку виконав Джефф Метісон, утілюючи в життя деякі хитромудрі наукові ідеї у вигляді прекрасних чорнильних замальовок.

Дякуємо Мартіну Їнеку, Блейку Віденгефту та Джилліан Бенфілд за читання й відгуки на окремі розділи рукопису. Меган Хочстрассер надала неоціненні послуги, вичитуючи його фінальну версію. Ми також вдячні всім іншим людям, які долучилися до написання книжки через особисті обговорення та проникливі коментарі.

Прикро (насправді це притаманне всім науковим дисциплінам), що ніхто не здатен ушанувати імена безлічі постатей, які зробили свій внесок в окрему галузь досліджень. Ми скромно долучилися до розвитку біології CRISPR-Cas і редагування генів на основі CRISPR — галузей, що налічують чимало першокласних науковців. Це й першовідкривачі таргетування генів та генної терапії, і сміливці, що торували шлях біології CRISPR, і сучасні геномні інженери, які нас мотивували й продовжують надихати неймовірною роботою, що кипить навколо, і ще багато інших. Ми сподіваємося, що читачі скористаються можливістю розділити наше захоплення, поцікавившись деякими з численних доповідей, статей і книжок про CRISPR і редагування генів.

Дженніфер

Я в глибокому боргу перед своїм дивовижним чоловіком Джеймі Кейтом і сином Ендрю за їхню любов, підбадьорювання та гарне почуття гумору впродовж усього проекту й після його закінчення. Я не змогла б завершити цю роботу без їхньої підтримки. Хоча жоден із моїх батьків не зможе дізнатися про працю, описану в цій книжці, я ніколи не стала б науковцем без їхньої віри в мене та мою пристрасть до відкриттів. Мої сестри, Еллен і Сара, також завжди мене підтримували, і я перед ними в боргу. Я вдячна Рейчел Гаурвіц — видатній науковиці, яка допомогла з основними частинами проекту. Двоє інших науковиць — Еммануель Шарпентьє та Джилліан Бенфілд стали незамінними для ранніх етапів роботи, описаних у книзі, і я дякую їм обом за можливість працювати разом. Я також надзвичайно вдячна своїм помічницям Джулі Андерсон, Лізі Дойч і Моллі Йорґенсен за підтримку 24/7, а також за те, що допомогли мені розподілити інші завдання й зобов’язання, аби я могла знайти час на написання цієї книжки. І нарешті, хочу подякувати співавтору Сему за те, що присвятив рік свого професійного життя цьому проекту, який ніколи не став би можливим без його майстерного письма, наукових відкриттів і зацікавленості ширшим значенням трансформаційної технології.

Сем

Я висловлюю величезну подяку Дженніфер за впевненість у мені й довіру в тому, щоб здійснити цю мандрівку разом. Езґі Хаджи Сулейман став для мене допоміжним «резонатором» і підтримкою, коли я тільки-но обмірковував проект. Блейк Віденгефт, Ребекка Бездін, Аннабелль Клейст, Мітчелл О’Коннел і Бенджамін Оукс надали цінні відгуки про перші версії проекту цієї книжки. Дякую Ноаму Прівзу за численні мозкові штурми телефоном і Сандрі Флак за те, що була сповнена захвату стосовно проекту й за читання перших чорновиків. Кетрін Кванстром була постійним джерелом дружби та підтримки й часто давала раду моїм скаргам, коли все йшло не за планом. Нофар Гефес підтримував мене впродовж усього року написання й надав дивовижне місце для роботи. І наостанок скажу, що я у величезному боргу перед своїм братом Максом і батьками, Робертом Стернберґом і Сюзанн Німмріхтер, адже без них я не зміг би дістатися туди, де є зараз. Відколи я тільки-но почав мріяти про створення цієї книжки під час відпочинку з ними на Гаваях і до останнього речення, яке написав перед тим, як здати рукопис, вони підбадьорювали мене пройти крізь усе, і я можу впевнено сказати, що цей проект не був би можливим без їхньої безмежної любові та підтримки.