Изобретение без труда поддающихся перепрограммированию РНК-вакцин стало молниеносным триумфом оригинальности мышления человека, но в основе него лежали целые десятилетия подпитываемых жаждой знаний исследований одного из самых базовых аспектов жизни на земле: как гены, закодированные ДНК, транскрибируются в фрагменты РНК, которые сообщают клеткам, какие белки собирать. Подобным образом и технология редактирования генома на базе CRISPR появилась в результате изучения того, как бактерии используют фрагменты РНК, чтобы направлять ферменты к опасным вирусам, которые необходимо разрезать. Великие изобретения рождаются из открытий фундаментальной науки. Этим и прекрасна природа.
Глава 54. Препараты CRISPR
Разработка вакцин – как традиционных, так и задействующих РНК – в конце концов поможет победить пандемию коронавируса. Но вакцины не идеальное решение. Они делают ставку на стимуляцию иммунной системы человека, а это всегда сопряжено с риском. (Большинство смертей от COVID-19 наступило вследствие воспаления органов из-за нежелательной реакции иммунной системы[540].) Как неоднократно убеждались производители вакцин, контролировать многослойную иммунную систему человека очень сложно. В ней таятся загадки. Она не содержит простых переключателей и работает путем взаимодействия сложных молекул, отладить которое непросто[541].
Применение антител, выделенных из плазмы крови выздоравливающих пациентов или искусственно синтезированных в лаборатории, также помогло бороться с COVID. Но подобные методы не идеальны в качестве долгосрочных решений для противодействия каждой следующей волне вируса. Собирать плазму у выздоравливающих доноров в больших количествах проблематично, а синтез моноклональных антител трудоемок.
Надежным решением в борьбе с вирусами станет способ, найденный бактериями, использующими CRISPR, чтобы направлять работающий по принципу ножниц фермент, который разрезает генетический материал вируса, не задействуя при этом иммунную систему пациента. И снова круги Даудны и Чжана вступили в соперничество, стремясь как можно скорее адаптировать CRISPR к решению этой неотложной задачи.
Кэмерон Мирвольд балансирует между мирами компьютерного и генетического программирования, и это неудивительно, учитывая его происхождение и воспитание. Он очень похож на своего отца Натана Мирвольда, настоящего гения, который долгое время был техническим директором Microsoft: у него такой же веселый взгляд, такое же круглое лицо с пухлыми, как у хомяка, щеками, такой же искристый смех и такая же неуемная любознательность. Люди моего поколения восхищались блестящими идеями его отца, проявлявшего себя не только в цифровых технологиях, но также во множестве других сфер, от науки о продуктах питания до расчета движения астероидов и оценки скорости, с которой динозавры могли бить хвостом. Кэмерон, как и отец, хорош в компьютерном программировании, однако, как и многие представители его поколения, проявляет большее внимание к генетическому программированию и чудесам биологии.
Натан и Кэмерон Мирвольд
Он изучал молекулярную и вычислительную биологию в Принстоне, а затем получил докторскую степень, окончив гарвардскую программу по системной, синтетической и количественной биологии, в рамках которой биология объединяется с информатикой. Ему нравилось, что в интеллектуальном отношении эта сфера представляет огромную сложность, но при этом у него возникали опасения, что труды по наноинженерии организмов настолько прогрессивны, что вряд ли могут принести существенную практическую пользу в обозримом будущем[542].
Именно поэтому, получив докторскую степень, он взял отпуск, чтобы пройти по Колорадской тропе. “Я отчаянно пытался понять, куда пойти в научной сфере”, – говорит он. На одном из отрезков пути он встретил парня, который завалил его серьезными вопросами о науке. “В ходе этого разговора, – вспоминает Мирвольд, – мне стало ясно, что я люблю заниматься вопросами, непосредственно связанными со здоровьем людей”.
В результате он решил устроиться постдоком в лабораторию гарвардского биолога Пардис Сабети, которая с помощью компьютерных алгоритмов анализирует эволюцию болезней. Она родилась в Тегеране и еще девочкой вместе с семьей бежала в Америку во время Иранской революции. Работая в Институте Брода, она тесно сотрудничает с Фэном Чжаном. “Я рассудил, что работа в лаборатории Пардис вместе с Фэном Чжаном станет отличной возможностью поучаствовать в борьбе с вирусами”, – говорит Мирвольд. Таким образом он вошел в бостонский круг Чжана и стал одним из участников CRISPR-войн с кругом Дженнифер Даудны из Беркли.
Учась в аспирантуре Гарварда, Мирвольд подружился со студентами Джонатаном Гутенбергом и Омаром Абудайе, которые работали с Чжаном над CRISPR-Cas13. Всякий раз, заглядывая в лабораторию Чжана, чтобы поработать на секвенаторе, он обменивался с ними новыми идеями. “Тогда я понял, что эти парни – особенные, – говорит Мирвольд. – Мы нашли способы использовать Cas13 для обнаружения разных последовательностей РНК, и мне показалось, что это открыло нам классные возможности”.
Когда Мирвольд предложил Сабети начать сотрудничество с лабораторией Чжана, она обрадовалась, поскольку между их исследовательскими группами установилось прекрасное взаимопонимание. В результате сформировалась по-американски многообразная команда мечты: Гутенберг, Абудайе, Чжан, Мирвольд, Сабети.
Они вместе работали над вышедшей в 2017 году статьей Чжана с описанием системы SHERLOCK для обнаружения РНК-содержащих вирусов[543]. На следующий год в другой статье они показали, как дополнительно упростить процесс SHERLOCK[544]. Эта работа вышла в том же номере журнала Science, что и статья лаборатории Даудны с описанием инструмента для обнаружения вирусов, разработанного Чен и Харрингтоном.
Кроме применения CRISPR-Cas13 для выявления вирусов, Мирвольд заинтересовался преобразованием системы в терапевтический препарат, способный избавляться от вирусов. “Существуют сотни вирусов, которые могут заражать людей, но лекарства есть только для нескольких, – говорит он. – Отчасти это объясняется тем, что вирусы сильно отличаются друг от друга. Что, если создать систему, которую можно будет запрограммировать на противодействие разным вирусам?”[545]
Генетическим материалом большинства вирусов, опасных для человека, включая коронавирус, является РНК. “Это именно тот тип вирусов, для которого хочется иметь CRISPR-ассоциированный фермент, нацеленный на РНК, такой как Cas13”, – говорит он. В результате он нашел способ использовать CRISPR-Cas13, чтобы система служила людям так же, как бактериям: находила опасный вирус и разрезала его. Не отступая от традиции, сложившейся в мире CRISPR, он назвал перспективную технику Cas13-assisted restriction of viral expression and readout (“ограничение размножения и передачи информации у вирусов с помощью Cas13”) и предложил использовать аббревиатуру CARVER.
В декабре 2016 года, вскоре после того, как он занял место постдока в лаборатории Сабети, Мирвольд отправил Сабети письмо с отчетом о первых экспериментах, в которых он применил CARVER для уничтожения вируса, вызывающего симптомы менингита или энцефалита. Его данные показывали, что количество вируса при использовании описанной техники значительно снижалось[546].
Сабети получила грант DARPA на изучение системы CARVER как способа уничтожения вирусов в организме человека[547]. Мирвольд и другие сотрудники ее лаборатории провели компьютерный анализ более 350 геномов РНК-содержащих вирусов, представляющих опасность для человека, и выявили так называемые консервативные последовательности, то есть последовательности, которые одинаковы у многих вирусов. Эти последовательности не изменились в ходе эволюции и потому вряд ли мутируют и исчезнут в ближайшем будущем. Команда Мирвольда синтезировала целый арсенал направляющих РНК, нацеленных на эти последовательности. После этого Мирвольд проверил способность Cas13 останавливать три вируса, включая один тип, вызывающий тяжелый грипп. В клеточных культурах в лаборатории система CARVER тоже смогла существенно снизить количество вирусов[548].
Их статья была опубликована онлайн в октябре 2019 года. “Наши результаты показывают, что Cas13 можно нацеливать на широкий спектр однонитевых РНК-содержащих вирусов, – написали они. – Программируемая антивирусная технология позволит организовать быструю разработку антивирусных средств, которые будут уничтожать известные и недавно выявленные патогены”[549].
Через несколько недель после выхода статьи о CARVER в Китае зарегистрировали первые случаи заражения COVID-19. “Это был один из тех моментов, когда понимаешь, что твоя работа может оказаться гораздо важнее, чем ты думал”, – говорит Мирвольд. Он создал на своем компьютере новую папку, которую назвал nCov, или “новый коронавирус”, поскольку официального названия у вируса еще не было.
К концу января они с коллегами уже изучили последовательность генома коронавируса и приступили к разработке на базе CRISPR тестов для его обнаружения. В результате весной 2020 года вышла целая масса статей по совершенствованию созданных на базе CRISPR технологий обнаружения вирусов. Среди них была система CARMEN, разработанная для выявления сразу 169 вирусов[550]