С 1960-х гг. биологи мечтали использовать силу генного драйва. Благодаря CRISPR эта мечта сбылась, и еще как!
У бактерий, которые, можно сказать, обладают первоначальным патентом на эту технологию, CRISPR функционирует как иммунная система. Бактерии, у которых есть «локус CRISPR», могут включать куски ДНК вирусов в собственные геномы. По этим кускам, как по снимкам с места преступления, они распознают потенциальных агрессоров. Затем они запускают связанные с CRISPR ферменты (Cas-ферменты), которые работают как крошечные ножи. Они разрезают ДНК захватчиков в нужных местах и выводят их из строя.
Генные инженеры приспособили систему CRISPR-Cas, чтобы вырезать практически любую последовательность ДНК, которую пожелают, у любых живых существ. Они также научились заставлять ДНК заменять вырезанный кусочек новым, который ей подсовывают ученые. (Именно так я обманула кишечную палочку и заменила аденин на цитозин.) Поскольку система CRISPR-Cas биологическая по своей природе, она также кодируется ДНК. Поэтому можно создать генный драйв. Вставьте гены CRISPR-Cas в организм, и организм может быть запрограммирован так, что начнет перепрограммировать собственный геном.
В 2015 г. группа ученых из Гарварда объявила, что при помощи этой самоподдерживающейся системы они создали искусственный генный драйв у дрожжей[147]. (Они начали с нескольких дрожжей кремового цвета и нескольких — красного и получили колонии, которые через несколько поколений все были красными.) Через три месяца последовало заявление исследователей из Калифорнийского университета в Сан-Диего о том, что они использовали почти тот же способ для создания искусственного генного драйва у плодовых мушек[148]. (Обычно плодовые мушки коричневые; генный драйв способствовал распространению гена, отвечающего за своего рода альбинизм, в результате чего получилось желтое потомство.) А еще через шесть месяцев третья группа ученых объявила, что они создали комара Anopheles с генным драйвом.
Если CRISPR может «переписывать сами молекулы жизни», то при помощи искусственного генного драйва эта способность возрастает экспоненциально. Предположим, что исследователи в Сан-Диего выпустили своих желтых плодовых мух. Предположим, эти мухи найдут себе пару, роясь вокруг какого-нибудь мусорного контейнера в кампусе, и тогда их потомство тоже будет желтым. И если новые мушки выживут и начнут размножаться, то и их потомки будут желтыми. Этот признак продолжит распространяться от Тихого до Атлантического океана, пока желтые мухи не захватят весь континент[149].
Причем цвет — это не какой-то особенный признак. Практически любой ген любого растения или животного можно — по крайней мере, в принципе — запрограммировать так, чтобы он наследовался чаще других. В том числе и гены, которые сами были модифицированы или заимствованы у других видов. Например, можно создать генный драйв, который будет распространять ген снижения токсичности у жабы-аги. Возможно, в один прекрасный день удастся создать генный драйв для кораллов и подтолкнуть ген, отвечающий за их термоустойчивость.
В мире искусственного генного драйва и без того размытая грань между созданным человеком и естественным, между лабораторным и природным почти исчезает. В таком мире люди не только определяют условия, при которых происходит эволюция, но могут — опять же, в принципе — определять ее результат.
Первым млекопитающим, на котором испытают генный драйв на базе CRISPR, почти наверняка будет мышь. Мыши — это так называемый модельный организм. Они быстро размножаются, их легко выращивать, и их геном хорошо изучен.
Пол Томас — пионер в области генетических исследований мышей. Его лаборатория находится в Аделаиде, в Южно-Австралийском институте здравоохранения и медицинских исследований, в здании, имеющем форму ромба со скругленными углами, стены которого сплошь покрыты заостренными металлическими пластинами. (Жители Аделаиды называют его «теркой»; мне же показалось, что оно больше похоже на анкилозавра.) Как только в 2012 г. была опубликована прорывная статья по CRISPR, Томас понял, что правила игры изменились. «Мы сразу же взялись за дело», — сказал он мне. За год его лаборатория при помощи CRISPR создала мышей, страдающих эпилепсией.
Когда появились первые статьи по синтетическому генному драйву, Томас снова погрузился в работу: «Я всегда интересовался и CRISPR, и генетикой мышей, так что я не мог устоять перед новыми возможностями». Поначалу он просто хотел посмотреть, получится ли вообще заставить эту технологию работать.
— Финансирования почти не было, — сказал он. — Для исследований собрали последние крохи, а ведь эксперименты эти весьма дорогостоящие.
Пока Томас все еще, как он выразился, «баловался» с мышами, с ним связалась группа, которая называет себя GBIRd. Аббревиатура расшифровывается как Genetic Biocontrol of Invasive Rodents (Генетический биоконтроль грызунов-захватчиков), а идею группы можно описать так: доктор Моро вступает в ряды «Друзей Земли».
«Как и вы, мы хотим сохранить мир для будущих поколений, — говорится на сайте GBIRd. — И надежда еще есть»[150]. На сайте красуется фотография птенца альбатроса, который с любовью смотрит на свою мать.
Эта организация хотела, чтобы Томас помог разработать специфический тип генетического драйва у мышей — так называемый подавляющий драйв. Он помогает полностью победить естественный отбор. Его цель — распространить признак, настолько вредный, что может уничтожить всю популяцию. Исследователи в Великобритании уже разработали подавляющий драйв у малярийных комаров Anopheles gambiae. Их конечная цель — выпустить таких комаров в Африке.
Томас рассказал, что есть разные способы подавления популяции мышей, большинство из которых связано с сексом. Особенно ему понравилась идея использования технологии «Х-шредер».
У мышей, как и у других млекопитающих, пол определяют две хромосомы: XX — женский, XY — мужской. В мышином сперматозоиде присутствует только одна из хромосом: либо X, либо Y. Так вот, с помощью метода «Х-шредер» (что можно перевести как измельчитель Х-хромосомы) геном мышей редактируется так, что все сперматозоиды с X-хромосомами оказываются дефектными.
— Половина сперматозоидов просто исключается из гонки, — объяснил Томас. — Эти сперматозоиды перестают развиваться. Остается только сперма с Y-хромосомами, и в результате все потомство будет мужского пола.
Если поместить соответствующие инструкции в Y-хромосому, то получившееся потомство тоже произведет только сыновей и так далее. С каждым поколением половой дисбаланс будет расти, пока не останется ни одной самки, способной к размножению.
Томас объяснил, что работа над генным драйвом у мышей идет медленнее, чем он надеялся. И все же он считает, что к концу десятилетия кто-нибудь его разработает. Может, это будет нейтрализация X-хромосомы или какой-нибудь другой принцип, который еще предстоит придумать. Математическое моделирование показывает, что работающий подавляющий драйв будет чрезвычайно эффективным; сотня мышей с генным драйвом, выпущенных на острове, могла бы за несколько лет полностью уничтожить популяцию из 50 000 обычных мышей[151].
— Это и правда впечатляет, — сказал Томас. — Вот к чему стоит стремиться.
Если самый четкий геологический маркер антропоцена — это резкий рост числа радиоактивных частиц, то его самый четкий биологический маркер — резкий рост числа грызунов. Везде, где селились люди, — а порой и там, где люди ненадолго останавливались, — за ними следовали мыши и крысы, часто с жуткими последствиями.
Малая крыса (Rattus exulans) когда-то жила только в Юго-Восточной Азии. Но примерно 3000 лет назад мореплаватели-полинезийцы начали распространять ее почти по всем островам в Тихом океане. Появление крыс вызвало каскад нарушений, которые уничтожили по меньшей мере тысячу видов островных птиц[152]. Много позже европейские колонисты привезли на те же острова — и на многие другие — черных крыс (Rattus rattus) и запустили новые волны вымирания, которые продолжаются до сих пор. На новозеландском острове Биг-Саут-Кейп черные крысы появились только в 1960-е гг., и натуралисты уже смогли задокументировать результаты. Исчезли три эндемичных для острова вида — одна летучая мышь и две птицы, — несмотря на все усилия по их сохранению[153].
Домовая мышь (Mus musculus) появилась на Индийском субконтиненте; сегодня она встречается повсюду — от тропиков до полярных широт. По словам Ли Силвера, автора книги «Генетика мышей», «только люди умеют приспосабливаться так же хорошо (а кое-кто скажет, что хуже)»[154]. При определенных обстоятельствах мыши могут быть такими же свирепыми, как крысы, и столь же смертоносными. Остров Гоф, расположенный примерно посередине между Африкой и Южной Америкой, — дом для последних 2000 пар тристанских альбатросов. Видеокамеры, установленные на острове, зафиксировали, как стаи мышей нападают на птенцов альбатроса и поедают их живьем. «Работать на острове Гоф — все равно что работать в травмпункте для птиц», — писал Алекс Бонд, британский биолог, занимающийся охраной природы[155].
Последние десятилетия популярным оружием против агрессивных грызунов был бродифакум — антикоагулянт, вызывающий внутреннее кровоизлияние. Его добавляют в приманку и раскладывают по кормушкам, его разносят вручную или даже сбрасывают с воздуха. (Сначала вы развозите грызунов по всему миру, а потом травите их с вертолетов!) Так от мышей и крыс были очищены сотни необитаемых островов, а от вымирания были спасены десятки видов, например кэмпбельский чирок — мелкая нелетающая утка с новозеландского острова Кэмпбелл — и небольшая серая змея