Природа функционирует по определенным правилам. В том числе, и ее часть — человек. Сможет ли наука изменить его базовые настройки и что уже достигнуто в борьбе с законами природы?
Генетика и эпигенетика — шанс будущего
Самые фантастические перспективы в искусственном создании организмов открывает генетика. А в подмогу в ней выступает эпигенетика (от греч. «эпи» ― над, в дополнение) — ее «дочерняя» наука, изучающая не сами гены, как таковые, а влияющие на их структуры вокруг.
В будущем именно эти две науки обещают создавать живые существа по намеченным «чертежам», отбирая гены, редактируя и собирая, как пазл.
Уже сегодня генетика модифицирует гены организмов для получения у них каких-то полезных свойств (ГМО) и с тем же успехом меняет гены человека для лечения у него заболеваний. Также она просто отбирает полезные гены, как некогда делала это селекция, скрещивая только морозоустойчивые ростки пшеницы. Генетика даже клонирует организмы, создавая точные копии их генотипов, хоть и не личностей. А эпигенетика скромно берет на себя роль пульта, «включая» одни и «выключая» другие гены.
Генетическое моделирование вырастет в один из ключевых рынков XXI века и перейдет в XXII век уже как инфраструктура отбора, репродукции и биополитики. Самый острый конфликт развернется вокруг права проектировать следующее поколение. В этот момент ДНК станет активом и предметом конкуренции, а социальный статус начнет наследоваться через биологическую конструкцию человека.
ГМО — организмы с генетическими модификациями на помощь другим
Ученые уже создают организмы с заданными генетическими свойствами — ГМО, или генномодифицированные организмы. Например, ГМ-бактерии, созданные в 1973 году, которые синтезируют инсулин. Или целый ряд микроорганизмов, которые очищают воду или воздух, поглощая углекислый газ.
Для человека самый яркий исторический пример — производство инсулина. Был взят ген человека, отвечающий за выработку этого гормона, и внедрен в ДНК бактерии. В результате бактерия стала биофабрикой, спасающей жизни миллионов диабетиков.
ГМО вызывают опасения по поводу безопасности для человека и естественного биоразнообразия, но большинство исследований доказывает, что модификация в генах не предоставляет угроз для окружающих организмов. В частности, исследование Национальной академии наук, техники и медицины США, проанализировавшее почти одну тысячу статей на тему ГМО, не выявило корреляции этих организмов с аллергией, заболеваниями почек и ЖКТ или онкологией. Тем не менее, любое вмешательство в ДНК может оказаться непредсказуемым и требует качественных исследований.
Генетика — ГМО-человек и исправление генетических ошибок
Вопрос создания ГМО-человека с конкретно заданными свойствами выходит уже в плоскость не только биологических, но и этических проблем.
Скандальным экспериментом стало рождение в мире первых детей с измененной по зародышевой линии ДНК. Его провел китайский ученый Хэ Цзянькуй. Девочки-близняшки, Лулу и Нана, родились в октябре 2018 г., а в ноябре автора эксперимента уже приговорили к 3 годам заключения по обвинению в нарушении этических норм. Судебный прецедент стал причиной полного запрета в стране незаконного редактирования генов и клонирования людей.
ГМО в агросекторе давно стало частью производственной нормы. Репродуктивная генетика быстро движется следом. История с Хэ Цзянькуем в Китае показала: технологический барьер был пройден уже в 2019 году, когда появились первые попытки создания детей с нелегально отредактированным геномом. С тех пор прошло семь лет, и за это время вопрос сместился из зоны шока в зону постепенной рыночной нормализации. Дальше скорость задают уже цена доступа, регуляторный режим и готовность элит покупать биологическое преимущество для своих детей.
Первым ГМО-человеком стала американская исследовательница, Элизабет Перриш. Она работала по другой, молекулярной технологии. Женщина ввела себе запрещенную инъекцию теломеразы в борьбе со старением. Ее биологический возраст действительно снизился (сначала он вырос до 62, когда ей было 44, но уже через 5 лет, после второго курса инъекций, упал до 25), но риск онкологии сохранился.
Ключевой же технологией в генном редактировании (в частности, в эксперименте Хэ Цзянькуя) становится CRISPR-Cas9, или «генетические ножницы». Его разработали французские и американские микробиологи — Эммануэль Шарпантье и Дженнифер Дудна, — за что в 2012 году получили Нобелевскую премию.
Специальная молекула, обнаруженная у бактерий, буквально вырезает поврежденные участки ДНК и вставляет на их место новые, которые принесла с собой. Такая технология не только помогает бороться со старением, но и исправляет генетические мутации, что правда все еще оставляет риск уже других, опухолевых мутаций после вмешательства в ДНК. С другой стороны, именно отредактированные Т-лимфоциты пытаются использовать в борьбе с раком легких. И именно генная терапия сегодня помогает в лечении спинальной мышечной атрофии (Zolgensma), наследственной слепоты по причине нарушений в генах (Luxturna) и серповидной анемии (Casgevy).
Если говорить о будущем медицины, то синтез ДНК — это основа генной терапии. Когда у пациента есть нарушенный ген, в лаборатории можно синтезировать правильную копию этого гена, упаковать ее в вирусный вектор и доставить в клетки пациента. Такие препараты уже существуют и успешно применяются, например, для лечения спинальной мышечной атрофии.
Однако пока рано говорить о генетической регуляции стеснительности или таких обширных заболеваний, как инсульт и шизофрения.
«В отличие от моногенных заболеваний (где мутации в одном гене ведет к болезни), инсульт, шизофрения или личностные качества человека зависят от десятков и сотен взаимодействующих между собой генов, которые работают в разных клетках, тканях и органах. На сегодняшний день существует колоссальная проблема как таргетной доставки, так и возможности безопасно изменять работу такого огромного множества генов в разных тканях одновременно. Технических решений для перепрограммирования организма на таком сложном системном уровне пока не разработано», — пояснил Владимир Волобуев.
«Здесь логика очень простая: когда семья, клиника или государство получают инструмент снижения вероятности болезни, они быстро переходят к инструменту повышения желательных качеств. В этой точке медицина срастается с рынком статуса», — рассмотрел по другим углом Руслан Юсуфов.
И китайские генетики, несмотря на запреты, работают в этом направлении. С помощью ГМО они планируют повысить интеллект всего будущего поколения. Ученые собирают образцы ДНК людей с высоким IQ и анализируют их в сравнении с данными обычных людей, чтобы вычислить те гены, которые способствуют развитию того или иного таланта и внедрить их затем в эмбрионы, из которых и вырастут вундеркинды. Пока неизвестно, считают ли новые организмы «гениальную» информацию, но эпигенетика поможет ситуации в случае блокирования «слишком умных» данных.
Главный драйвер ближайших десятилетий — цена. Пока генная терапия стоит миллионы долларов, технология работает как привилегия узкого слоя. Когда стоимость начнет падать, генетическое моделирование станет механизмом новой стратификации. По мере удешевления технологии генетическое моделирование начнет встраиваться в социальную стратификацию, закрепляя разницу в здоровье, продолжительности жизни, когнитивных навыках, устойчивости к болезням и качестве стартовых возможностей еще до рождения.
Эпигенетика — режим «on-off» для генов
Инновации в эпигенетике же подключаются к попытке исправить законы природы своими методами, — и отключает те гены, которые должны «спать», когда они «просыпаются» и активируют заболевания.
Например, генетические метки — ретротранспозоны. От природы они прочно заблокированы, но с возрастом могут просыпаться и нарушать структуру ДНК, перепрыгивая со своих мест на рандомные участки цепи. В результате, последовательность генетического кода меняется, что привод более чем к ста заболеваниям. Впрочем, блокировка может затронуть и полезные гены, что сопровождает технологию, как и многие другие, уже риском.
Селекция ДНК — изменения без вмешательств
Даже без вмешательства в ДНК, которое так или иначе всегда сопряжено с риском, генетика способна регулировать свойства организмов ― простым отбором и культивацией хороших генов.
Владимир Волобуев пояснил, что в определенном смысле геномная селекция уже широко используется и включена в стандарты медицинского обслуживания. Речь идет об известной технологии преимплантационного генетического тестирования (ПГТ) при процедуре ЭКО.
Если оба родителя являются скрытыми носителями тяжелого наследственного заболевания (например, муковисцидоза), эмбрионы проверяются на наличие этой мутации. Для имплантации выбираются только те эмбрионы, у которых патология отсутствует. Это так называемая негативная селекция — отсеивание тяжелых болезней. Но опять-таки, этот метод применим исключительно для конкретных генетических заболеваний. Он не работает для мультифакторных признаков, таких как интеллект человека, особенности его характера или физические способности.
Так, в мечте над рождением гениальных детей пытаются не только подселить чужие гены, но и отобрать их среди родительских. Уже известно, что около 50−80% IQ передается от родителей. Поэтому ученые работают над тем, чтобы заранее отбирать те гены, которые получит ребенок. Так будущие родители смогут выбрать лучшие из десяти или пятидесяти возможных своих потомков.
Клонирование — реальность на генетическом уровне
Клонирование звучит как нечто из рода фантастики, но биологическая точная копия организма уже не вымысел. Только на генетическом уровне. Полная идентичность клона личности оригинала непосильна одной только генетике, оставаясь также под властью воспитания и среды.
И хотя генетическая копия выглядит достижимой в разрезе времени, реальная копия человека уводит разговор в нейробиологию. Личность держится не только на ДНК, но и на памяти, конфигурации нейронных связей, истории развития, травмах, языке, среде, накопленном опыте. Настоящий рубеж — создание существа, которое воспроизводит человеческую личность достаточно точно, чтобы общество принимало его за оригинал.
Известные на сегодня примеры клонирования были основаны на генетических технологиях. На основе ДНК погибшего животного было клонировано первое млекопитающее — овечка Долли. Генетическая информация была передана через пересадку ядра соматической клетки в цитоплазму чужой яйцеклетки, гены которой были намеренно заранее удалены. Из замороженных клеток был воссоздан и исчезнувший вид лошади Пржевальского. За большие деньги уже клонируют домашних животных. Возможно, когда-то смогут возродить и динозавров, ведь для сенсации не хватает лишь их ДНК, которое однажды может быть найдено.
Чисто технически сегодня доступно и клонирование человека, которое в технологии универсально для всех видов. Однако этические воззрения пока не позволяют создавать людей со своими судьбами, но с генетической копией других.
Узкое место лежит в другой плоскости, эта тема остается табуированной зоной исследований, а значит, главный барьер здесь политический и этический.
Регенеративная медицина: вырастить человеческие органы
На пути к регулированию биологически заложенных в организме наука, скорее, станет выращивать человеческие органы и части тела. Заменить изношенные зубы или сердце, вырастить трагически утраченную конечность, словно хвост у ящерицы, — вот ближайшее будущее медицины.
«Наиболее быстрый выход в массовое применение произойдет в сфере тканей, органоидов и полноценных органов, потому что здесь огромный медицинский спрос. Персонализированная регенеративная медицина, выращивание органов для трансплантации, восстановление поврежденных тканей — это понятная экономическая и гуманитарная логика. Именно этот сектор первым войдет в режим масштабирования», — сказал Руслан Юсуфов.
Что же касается синтеза целых организмов, то выращивание органов подготовит для него почву, но не станет пропускным билетом.
Выращивание целого человека лежит в другой плоскости. Здесь задача уже давно выходит за рамки биологии и упирается в этику, право и законодательство. Как только технология станет достаточно надежной, вопрос сразу сместится к статусу такого человека, к правам, к наследованию, к использованию в репродукции, к военным и корпоративным сценариям. Поэтому главный тормоз здесь связан с социальным устройством, а не с одной только лабораторной сложностью.
Сегодня же ученые уже приближаются к созданию живых органов, которые придут взамен искусственным имплантам, лишь имитирующим работу естественных механизмов.
Вырастить новые зубы
Например, с сентября 2024 года японские ученые ведут испытания препарата для выращивания зубов. Им удалось найти белок USAG-1, который останавливает их рост после смены молочных на постоянные. Новый препарат, созданный с фокусированием на этом белке, блокирует его и снова запускает процесс роста зубной ткани.
В первом этапе эксперимента участвовало 30 мужчин в возрасте от 30 до 64 лет с хотя бы одним отсутствующим коренным зубом. Во втором — дети с редким заболеванием, при котором в принципе отсутствует часть постоянных зубов. Эффективность была подтверждена уже на более ранних опытах на мышах и хорьках.
В будущем такая технология, наконец, заменит дорогостоящую и болезненную имплантацию и поможет людям, потерявших зубы из-за кариеса и травм.
Технологию планируют сделать общедоступной к 2030 году. Над регенерацией зубов команда японских молекулярных биологов работает с 2005 года.
Вернуть зрение
Другим нерешенным вопросом медицины остается борьба со слепотой. Ученые пытаются найти путь к прозрению разными способами, и один из них ― искусственное выращивание структур глаза.
Отечественные ученые из Сеченовского университета работают над выращиванием искусственной роговицы глаза. Специалисты добиваются не только соответствия всем необходимым оптическим свойствам, но и максимальной совместимости с человеком.
В Сеченовском Университете мы разработали искусственную роговицу на основе коллагена — одного из основных структурных белков соединительной ткани. В качестве исходного материала используется очищенный животный коллаген, из которого формируется прозрачная биополимерная матрица. Благодаря специальной технологии обработки и формования нам удалось получить имплант с высокой светопропускающей способностью — около 90%. При этом материал полностью биосовместим и постепенно интегрируется в ткань глаза.
Как рассказали в университете, имплант также научились регулировать. В зависимости от заболевания исследователи могут менять его толщину и степень набухания.
«Это важно, поскольку при кератоконусе, травмах или ожогах роговицы могут требоваться разные механические характеристики материала», ― пояснил Артем Антошин.
Роговица ― тонкая оболочка на передней поверхности глаза, которая отвечает за правильное прохождение света. Даже если она немного повреждается, резко ухудшает все зрение. Поэтому нарушения роговицы ― прогрессирующие заболевания, которые приводят только ко все большему размытию зрения, что в конечном итоге требует трансплантации.
Проблема в том, что сегодня для операций практически всегда используют донорскую ткань. А донорских роговиц во всем мире катастрофически не хватает: по оценкам, трансплантацию получает лишь один из нескольких десятков пациентов, которым она необходима. Поэтому ученые во многих странах пытаются создать искусственные аналоги роговицы, которые могли бы заменить донорскую ткань.
Пока разработка находится на доклинических испытаниях. Эксперименты уже провели на животных и к оценке перешла финальная версия импланта. После успешных результатов будет возможным испытать его уже на человеке.
«Наша задача — убедиться, что он сохраняет прозрачность с течением времени, не вызывает воспалительной реакции и правильно взаимодействует с окружающими тканями. Мы рассчитываем, что при благоприятном развитии событий такой имплант может появиться в клинической практике в течение ближайших нескольких лет», ― заключает Артем Антошин.
Но глаз ― очень сложная структура, и куда более серьезными причинами к потере зрения становятся поражения зрительного нерва и сетчатки. Для восстановления сетчатки американские ученые используют и другой механизм, известный как «фактор Яманаки». Он был открыт японским ученым Синье Яманаки, который боролся со старением превращая старые клетки в стволовые. Теперь погибшие клетки сетчатки превращают в стволовые, таким образом доводя их до эмбрионального состояния. А потом эти стволовые клетки, которые по своей природе могут стать абсолютно любой клеткой, превращаются в клетки сетчатки. Так уже восстановили сетчатку мышам. В перспективе подобную технологию будет можно использовать и на человеке.
Вырастить искусственное сердце
Однако более сложные органы, такие как сердце или почки, остаются пока далеки от регенерации. Они становятся теми самыми «более сложными биологическими конструкциями» на втором этапе развития синтетической медицины.
Вероятно, сначала человечество нормализует выращивание частей тела как медицинский стандарт, затем двинется к более сложным биологическим конструкциям, а полный цикл выращивания человека станет возможным в тот момент, когда общество решит, кто получает право запускать такую форму производства жизни.
Тем не менее, уже создан аналог желудочка сердца длиной 1 мм, который не только бьется, но и качает кровь. Также органы пытаются вырасти в теле животных, чтобы затем пересадить человеку. Например, человеческую почку — в теле свиньи. Животному внедряются клетки человека, вырастает новый орган, но вопрос совместимости такого органа остается открытым. Поэтому на первых этапах искусственные почки попытались пересадить в тело уже мертвого человека, в котором поддерживали некое подобие жизни с искусственным дыханием и бьющимся сердцем, но мертвым мозгом.
Биопринтинг: напечатать ткани и органы
Альтернативным направлением искусственного «ремонта» человека становится биопринтинг, или технология трехмерной биопечати живых органов. Биопринтинг использует собственные клетки организма и решает проблему биосовместимости.
Сегодня российские ученые уже напечатали имплант ушной раковины и тканевой пистолет для восстановления кожи. А китайские коллеги даже пришили напечатанные на принтере уши детям, родившимся с одним ухом. В Израиле на 3D-принтере уже попытались создать целое сердце и сердечные «заплатки», тогда как в США на печать сердец получили грант, но пока — лишь для имплантации их животным.
3D-моделирование продолжает и мечты генетики о клонировании сразу целого организма. Например, в Китае (где клонирование, вспомним, официально запрещено) ради науки смогли пойти на риск. Так, там создана 3D-модель эмбриона, на основе которой, возможно, появится и ее «печатная» версия.
Именно поэтому полное клонирование с высокой вероятностью появится сначала в закрытом периметре. Им может заняться государственный актор, военная программа, частная лаборатория с длинными деньгами или подпольная группа. За последние годы человечество накопило огромный массив биотехнологического знания, а ИИ резко удешевил вход в сложные области, где раньше требовались годы подготовки и дорогая институциональная среда. А если интересуют социальные последствия такой технологии, лучше заранее перечитать Филипа Дика, «Вторую модель» и «Мечтают ли андроиды об электроовцах?»
Но пока недостаток научных разработок и, прежде всего, этические вопросы оставляют, скорее, больше вопросов, чем ответов. Как и в случае с генетическим клонированием, 3D-копии организмов остаются в будущем.
Ранее Наука Mail рассказывала, изменится ли Homo sapiens и социальные нормы в новом веке.
