Человек будущего. Как биотехнологическая революция касается каждого из нас?

Глава 1. Когда вы появились на свет

То, что ИМЕННО ВЫ СЕЙЧАС читаете эту книгу, является почти непостижимой математической невероятностью. Приблизительно четыре миллиарда лет совпадений, прошедших с момента появления жизни на Земле до того мгновения, когда встретились ваши мать и отец. Также было маловероятным, что именно тот единственный сперматозоид вашего отца, а не один из других 250 миллионов, найдет путь к той самой яйцеклетке вашей матери. Но мы не можем пройти здесь всю историю Земли. Также большинству из нас комфортнее не слишком задумываться о том, что происходило между мамой и папой, когда мы были зачаты.

Давайте лучше погрузимся в события, произошедшие вскоре после этого, и в тот невероятный механизм, который привел к вашему появлению и к тому, что вы стали именно таким, какой вы есть, поскольку, как, пожалуй, и математическая невероятность, вы являетесь живым доказательством всей сложности биологии. Ведь создание человека – чрезвычайно непростой процесс.

Вы начались с фейерверка. Не с того фейерверка, что освещает ночное небо в Новый год, а с микроскопического фейерверка неорганических ионов металлов. Фитиль зажегся, когда сперматозоид вашего отца проник в яйцеклетку вашей матери, а она, в свою очередь, через несколько секунд выпустила облако цинка. В момент, когда сперматозоид проник в яйцеклетку, по ней прокатилось цунами из кальция. Этот фейерверк был искрой, необходимой для запуска программы деления клеток, которую мы называем развитием эмбриона и целью которой было создать вас.

Ваши первые недели в роли эмбриона были очень насыщенными. Всего за пять дней вы превратились из единственной свободно плавающей клетки в комок из нескольких сотен клеток, цепляющихся за внутреннюю часть матки вашей матери. Уже на этом этапе клеткам были назначены роли, определившие их судьбу: внешний слой клеток должен был стать плацентой, а внутренний сгусток клеток – превратиться в вас. Еще через несколько дней вы состояли из трех разных слоев – почти как матрешка. Внешний слой собирался превратиться в кожу, волосы, ногти и нервную систему. Средний слой намеревался стать отправной точкой для мышц, соединительной ткани, крови и ряда других структур и органов внутри вашего тела. Внутренний слой должен был среди прочего образовать ваши дыхательные пути и кишечник.

Вскоре после этого у вас появились перед и зад, верх и низ, а также правая и левая стороны. В то же время ваши клетки становились все более и более специализированными. Через восемь недель после оплодотворения все жизненно важные системы и органы вашего тела были на своих местах, и вас повысили от эмбриона до плода. Оставшаяся часть беременности в основном была связана с ростом, от размера клубники до размера тыквы.

Процесс развития между зачатием и рождением зависит от постоянного деления, специализации и реорганизации клеток. Инструкция того, как это должно происходить, была заранее запрограммирована в ваших генах. Сценарий жизни записан в ДНК.

Чтобы понять, как работает ваша биология, представьте себе смартфон. В телефоне есть несколько приложений или программ, выполняющих определенные функции. Некоторые из них могут сказать вам, какой будет погода завтра, некоторые могут показать кратчайший путь в город Ставангер, а некоторые позволяют опубликовать фотографии вашего ужина, чтобы им могли восхититься ваши друзья, и т. д. Приложения управляются большим количеством исходного кода, состоящего из нулей и единиц, который программист написал на языке программирования, понятном вашему телефону. Исходный код, таким образом, является основой для приложений, которые, в свою очередь, определяют, для чего вы можете использовать телефон. Мы можем проиллюстрировать эту систему такой простой моделью:

В целом вы функционируете по тому же принципу. Клетки в вашем теле – это своего рода «железо», контролируемое рядом приложений, называемых генами. Эти гены запрограммированы в исходном коде – ДНК. Таким образом, переписав модель выше, мы можем объяснить вашу биологию следующим способом:

Этот принцип применим не только к вам, но и ко всей жизни на Земле. Чтобы понять, как это работает, нам нужно пройти ускоренный курс генетики.

Хотя ДНК – это форма кода, она не содержит нулей и единиц. ДНК состоит из химических оснований аденина, гуанина, цитозина и тимина – сокращенно А, Г, Ц и Т. Вы унаследовали 3 миллиарда пар таких оснований, связанных между собой длинными нитевидными цепями, от каждого из ваших родителей. Результатом стал ваш геном – уникальный исходный код. Это и есть ваш сценарий. У каждой из ваших клеток есть своя копия этого сценария – в целом, огромное множество ДНК. Если растянуть ДНК из одной клетки, длина нити составит около двух метров. Если взять всю ДНК из 37 триллионов клеток, составляющих ваше взрослое тело, и связать в одну длинную нить, эту нить можно обернуть вокруг земного шара 2,5 миллиона раз.

То, что вся эта ДНК тем не менее умещается в ваших клетках, объясняется чрезвычайно эффективной упаковкой. Нити ДНК смотаны в компактные клубки, которые мы на профессиональном языке называем хромосомами. В каждой клетке содержится вся ДНК, а именно – два метра цепи ДНК, представляющей собой двойной набор из 3 миллиардов пар химических оснований, упакованных в 46 клубков. Они расположены внутри ядра клетки, диаметр которого составляет примерно одну десятую часть толщины волоса. Насколько компактно упакована ДНК? Представьте, что вам нужно упаковать всю одежду из 300 до отказа набитых чемоданов среднего размера в багажник универсала Volvo. Даже самые целеустремленные родители младенцев не могут добиться такой компактности, когда необходимо собрать вещи для пятинедельного летнего отдыха на даче.

Таким образом, огромное количество кода ДНК содержит рецепт того, как вы стали именно вами. И приложения, определяющие, как должны вести себя ваши клетки, называются генами. У нас их около 23 000, что, вероятно, немного больше, чем количество приложений в вашем телефоне.

Когда вы нажатием активируете приложение на телефоне, код преобразуется в электрический сигнал, заставляющий телефон реагировать. Ген работает несколько иначе. Когда активируется ген, генетический код используется как инструкция для создания молекул, как правило – белков, влияющих на клетку. Белки выполняют множество функций. Некоторые из белков являются важным строительным материалом, заставляющим клетку принимать определенную форму, например длинных нервных клеток, простирающихся от нижней части позвоночника до больших пальцев ног. Другие белки действуют как сигнальные вещества, например гормоны, заставляющие вас покрываться прыщами в подростковом возрасте или вызывающие эйфорию, если вы недавно влюбились. Третьи важны для биохимических реакций, например для расщепления вашего обеда на питательные вещества, необходимые организму, или для сокращения мышц при подъеме по лестнице.

Это лишь несколько примеров всех комплексных процессов, которыми управляют и на которые влияют ваши гены. Гены контролируют ряд дополнительных функций и особенностей, обеспечивая при этом базовую работу вашего тела и поддержание его в рабочем состоянии. Таким образом, гены делают вас совершенно уникальным индивидуумом и одновременно неразрывно связывают вас со всей остальной жизнью на Земле.

Подавляющее большинство ваших генов управляют базовыми процессами, такими как деление клеток или копирование ДНК. Код в этих ваших так называемых управляющих генах практически идентичен соответствующему коду во всех других живых организмах, от дрожжей и бананов до утконосов и орангутангов. Причиной является то, что ошибки в этих генах часто имеют катастрофические последствия. Если исходный код в приложениях для деления клеток хоть ненамного отклонится от стандарта, организм уже никогда не станет чем-то бо́льшим, чем единственная клетка, и спустя недолгое время погибнет. Без этих генов жизнь на Земле в итоге перестала бы существовать.

Тем не менее то, что вы не дрожжи или банан, объясняется тем, что у вас также есть много генов, делающих вас человеком. То, что у вас есть зрительные нервы и кожа, что вы можете испытывать радость и любовную тоску, является результатом непрерывного обновления программного обеспечения на протяжении миллиардов лет. Эти обновления совершаются из-за того, что в исходном коде постоянно происходят случайные изменения, так называемые мутации в ДНК, среди прочего – от солнечного УФ-излучения или когда нить ДНК запутывается во время деления клетки. Чаще всего такие изменения не имеют большого значения, поскольку существенно не влияют на функцию генов. Иногда ошибки в исходном коде мешают правильной работе генов, так что организм быстро отсеивается в безжалостной борьбе за существование. В любом случае исходная версия программы остается самой распространенной.

Однако кое-где изменения, напротив, дают конкурентное преимущество, повышающее шансы выжить и иметь детей. Возможно, небольшое изменение исходного кода в одном гене приведет к тому, что вы станете более устойчивым к коронавирусу или другим опасным инфекционным заболеваниям, или же сделает вас более привлекательным для потенциального партнера. Тогда эта новая и улучшенная версия программного обеспечения будет передана следующему поколению и будет чаще встречаться у вашего вида по сравнению с предыдущей версией. Это те самые изменения в ДНК, которые заставляют нас развиваться и адаптироваться к окружающей среде. Со временем каждое поколение потомков будет все больше отличаться от предков и родственников с других ветвей генеалогического древа, потому что все они живут в разной среде. Это мы называем эволюцией.

Если посмотреть на ваше генеалогическое древо примерно 75 миллионов лет назад, мы найдем общего предка с мышами. У вас около 90 процентов общих генов с мышами, а их предок – относительно юный парнишка по стандартам эволюции. За 75 миллионов лет гены не успели так уж сильно измениться. Для сравнения: у вас «всего» 50 процентов общих генов с бананами, а возраст почтенного общего предка – 1,5 миллиарда лет. Учитывая эту логику, возможно, неудивительно, что вы генетически более чем на 99,9 процента совпадаете со своим соседом. У вас обоих есть зубы, адаптированные к диете, состоящей как из мяса, так и из растений, и способность плакать, если происходит что-то печальное. Но есть и различия. Может быть, вы – один из тех, кто изо всех сил пытается найти обувь достаточно маленького размера и с трудом дотягивается до багажной полки в поезде, в то время как длинноногий сосед платит за дополнительное пространство для ног, чтобы иметь возможность удобно сидеть. Может быть, вам нравится нежиться в постели до полудня, в то время как сосед заканчивает ежедневную тренировку еще до рассвета. Может быть, вы думаете, что скумбрия в томатном соусе – лучшее, что предлагает норвежская кухня, а ваш сосед едва ли покормит ей кошку. Все люди на Земле практически идентичны с генетической точки зрения, и в то же время все мы совершенно уникальны. Но как могут дети одних и тех же родителей выглядеть совершенно по-разному и что на самом деле происходит, когда вы наследуете улыбку отца и мамину страсть к судоку?

Вам когда-нибудь говорили что-то вроде: «У тебя глаза отца» или «Когда ты улыбаешься, ты точь-в-точь твоя мать»? Объяснение отчасти кроется в генах, которые вы унаследовали от родителей. По некоторым признакам преобладают гены мамы, по другим – папы. Многие из ваших качеств представляют собой своего рода смесь. Но и окружение может многое сказать о том, каким вы станете.

Чтобы проиллюстрировать, насколько сложна биология, мы можем начать со вкуса, но не с того, который определяет вашу манеру одеваться, а с восприятия того, что вы кладете в рот. Вкус определяется множеством различных факторов, как генетических, так и факторов окружающей среды. Начнем с генетики. На вашем языке около 7000 вкусовых луковиц, каждая из которых состоит примерно из 100 клеток. На поверхности каждой из этих клеток находится ряд белков, называемых рецепторами, которые действуют как приемники для молекул вкуса в пище, которую вы едите.

Какими именно рецепторами располагают ваши клетки, как они устроены и сколько их у вас, определяется вашими генами. Если вы считаете, что брокколи и брюссельская капуста отвратительны на вкус, вы, вероятно, унаследовали варианты генов, настраивающих рецепторы на бо́льшую чувствительность к горьким веществам, чем рецепторы того, кому такие овощи кажутся вкусными. Гены также влияют на то, насколько сильно вы любите сладкое, соленое, кислое или умами. Вашей чувствительностью к различным вкусам управляют совместно множество генов. Например, нам известно около тридцати генов, влияющих на восприятие горького вкуса, и, вероятно, их даже больше.

Тот факт, что у вашего брата или сестры могут быть совершенно другие вкусовые предпочтения, чем у вас, может быть связан с тем, что при возникновении половых клеток вашей матери и отца генные карты перетасовались по-другому. Ведь генетическая изменчивость посредством различных случайных комбинаций генов – это способ природы получить как можно больше переменных в великом эксперименте, называемом эволюцией. А с эволюционной точки зрения вкус имеет значение. Например, те, кто был чувствителен к горькому вкусу, имели серьезное преимущество в давние времена. Горькие вещества часто были признаком ядовитости растения. Таким образом, у тех, кто держался от них подальше, было больше шансов выжить и передать свои гены следующему поколению. И следующее поколение уже было избавлено от «горького» опыта, поскольку руководствовалось заранее запрограммированным отвращением к таким растениям.

Предпочтения в отношении других вкусов также имеют эволюционное объяснение, поскольку служат индикаторами того, какие продукты следует выбирать, а каких – избегать. Сладкая еда – хороший источник углеводов, соль связана с содержанием минералов, кислота может быть признаком того, что еда испортилась, а продукты с сильным вкусом умами часто богаты белком. Хотя в современном обществе вкусовые предпочтения не так важны для выживания человеческого вида, перетасовка генов и эксперименты природы все равно будут влиять на то, как мы развиваемся и адаптируемся к нашему окружению. Как мы вскоре увидим, то, что сегодня является преимуществом, завтра может внезапно стать недостатком. Время покажет, кто вытянул длинную спичку – ваши потомки или потомки ваших братьев и сестер.

Однако на вкус влияют не только гены. Факторы окружающей среды также значительно определяют то, какие вкусы вам нравятся, а какие – нет. У вас натянутые отношения с томатным супом из-за того, что вы много ели его, когда болели, или вы любите имбирные пряники, потому что в детстве всегда получали их от бабушки? Это примеры того, как важна для вкуса психология. Психология также позволяет научиться любить вкусы, к которым вы генетически не предрасположены. Вы любитель кофе? Тогда высока вероятность, что вы также чувствительны к горькому вкусу, но научились связывать вкус кофе, изначально запрограммированный на отталкивающие ощущения, с хорошими настроениями, которые кофе вызывает – например, от того, что вы чувствуете бодрость, или кофе-пауза приносит вам ощущение уюта. В этом случае у вас может возникнуть бо́льшая тяга к кофе, чем у тех, кто не так чувствителен к горькому вкусу, потому что вкусовые ощущения – и, следовательно, психологическое вознаграждение – становятся более интенсивными.

Кроме того, факторы окружающей среды могут влиять на ваши гены без изменения исходного кода. Если у вас дефицит углеводов, гены, контролирующие выработку рецепторов сладкого, становятся более активными. В результате вас привлекает сладкая еда. Постепенно, по мере взросления, меняется и состав вкусовых рецепторов. То, что, вероятно, вы были более привередливы в еде в детстве, чем в зрелом возрасте, объясняется тем, что вы постепенно становитесь менее чувствительными к вкусовым ощущениям в целом. Поэтому верный признак старения – это то, что вы начинаете есть гамалуст (острый сыр с плесенью – норвежское национальное блюдо. – Примеч. ред.) и ракфиск (квашеная рыба – также норвежское национальное блюдо – Примеч. ред.), потому что они вам нравятся, а не просто для того, чтобы произвести впечатление. Феномен того, что гены включаются и выключаются с течением времени или в ответ на изменение окружающей среды, примерно как кнопка изменения громкости, называется эпигенетикой. Мы вернемся к этому во второй и третьей частях книги, когда подробнее рассмотрим, что происходит, когда вы стареете, и как преодолеть биологию в середине и в конце жизни.

Большинство ваших качеств определяются многими факторами, как генетическими, так и факторами окружающей среды, способ взаимодействия которых между собой ученые лишь начали понимать. И хотя нашу биологию можно представить как некую компьютерную систему, мы намного более продвинуты, чем телефон или компьютер. Но не безупречны.

Хотя мы, люди, являемся одним из лучших продуктов эволюции, мы несем с собой ряд решений, далеких от оптимальных. Среди прочего у нас есть слепая зона в поле зрения, поскольку зрительный нерв подключен непосредственно к сетчатке глаза, как если бы кабель питания был подключен к центру телеэкрана. К счастью, мы компенсируем это визуальной информацией, полученной вторым глазом. Это пример того, что эволюция, как и типичное самодельное кабельное подключение, спрятанное за тумбой под телевизор, часто работает по принципу «и так сойдет».

Однако эволюции бывает трудно успевать за изменениями вокруг нас. Несколько сотен тысяч лет назад наши предки начали ходить на двух ногах. Это было важным событием в развитии современного человека отчасти потому, что стало возможным использование инструментов. Но позвоночник изначально был приспособлен к жизни на четырех ногах и лазанию по деревьям. Изменение его положения на 90 градусов с одновременной необходимостью в течение долгих лет сохранять баланс постоянно тяжелеющего мозга, венчавшего конструкцию, имело свои последствия. Статистика говорит, что у вас, как и у большинства людей, вероятно, один или несколько раз в жизни возникнут проблемы со спиной.

Эволюционная выгода, которую получали наши предки, избегая ядовитых растений, поскольку ненавидели горький вкус, сегодня также менее очевидна. Люди с чувствительными к горечи рецепторами имеют повышенный риск развития заболеваний, связанных с образом жизни, таких как диабет, потому что они часто избегают полезных горьких овощей, например брокколи. Наша чрезмерная любовь к жирной и сладкой пище, которая раньше была уместна, так как еды было мало, влечет за собой похожие проблемы среди современного изобилия.

Чтобы компенсировать отсутствие генетической адаптации к окружающей среде, мы разработали ряд методов, позволяющих обойти ограничения. Например, наше тело не может производить витамин С само по себе – как следствие генной мутации, произошедшей на ранних этапах эволюции человека. К счастью, мы можем есть цитрусовые и другие продукты, богатые витамином С, или купить синтетический витамин С в виде пищевой добавки в аптеке. Таким образом, можно легко избежать цинги – смертельного заболевания, на протяжении веков уносившего жизни множества моряков и полярных исследователей.

Другой пример – слишком тесные для доношенного плода родовые пути. Это качество быстро было бы искоренено в безжалостной природной борьбе за существование, но сегодня мы обходим его, вынимая плод прямо из живота при кесаревом сечении.

Тем не менее порой даже человеческой изобретательности оказывается недостаточно. Иногда несчастливый билет в генетической лотерее может определить, будет ли у вас вообще шанс передать свои гены следующему поколению. Всего лишь одна опечатка в исходном коде – одна мутация в ДНК – может означать разницу между жизнью и смертью.

Большинство из нас сталкивались с тем, что телефон или компьютер вдруг перестает работать, например когда приложение или программа «зависает». Это может быть связано с ошибкой в исходном коде. Например, если программисты в метеорологическом приложении Yr схалтурили с кодом, вводя новую функцию в прогноз погоды, это может привести к тому, что приложение не будет работать должным образом.

Точно так же наши клетки могут начать вести себя странно, если ДНК написана неправильно, иногда с серьезными биологическими последствиями. Если вы мужчина и в 4531‑й позиции гена DNAH1 у вас будет буква А вместо буквы G, у ваших сперматозоидов появится дисфункциональный хвост и они не смогут нормально передвигаться. Если вы женщина и в 478-й позиции гена PATL2 у вас будет буква T вместо C, ваши яйцеклетки не созреют. В обоих случаях завести детей «обычным» способом будет невозможно.

Другие мутации ДНК имеют еще более серьезные последствия для тех, кого они настигли. Например, если вы получили основание G вместо основания A в 815-й позиции в гене SMN1, создается вариант белка SMN1, свойства которого отличны от положенных ему. Представьте, что в рецепте хлеба, который вы используете, произошла опечатка, так что «мука» превратилась в «молоко». Результат не слишком будет похож на хлеб. Точно так же клетки меняют свой характер, когда состав ингредиентов становится неправильным. SMN1 – это белок, необходимый для поддержания в рабочем состоянии так называемых мотонейронов – нервных клеток, обнаруженных в спинном мозге и в связанных с ним частях головного мозга. Основная функция мотонейронов – передавать от мозга сигналы, заставляющие мышечные клетки сокращаться. Мутация, которая делает белок SMN1 неэффективным, приводит к тому, что мотонейроны перестают работать и постепенно исчезают. Вследствие этого мышцы также разрушаются и умирают. Это состояние называется спинальной мышечной атрофией (СМА). Мы несколько раз будем возвращаться к этому заболеванию на протяжении всей книги.

Дети, рожденные с серьезными формами СМА, никогда не смогут сесть, никогда не перевернутся и никогда не начнут ходить. Часто им приходится получать питание внутривенно из-за проблем с глотанием, и они нуждаются в помощи при дыхании, поскольку мышцы их диафрагмы не работают так, как должны. Редко кто из них живет дольше нескольких лет. СМА – наиболее распространенное генетическое заболевание, приводящее к детской смертности.

Эти дети – несчастные жертвы беспощадной лотереи природы. Каждый раз при создании половых клеток происходит от 100 до 200 новых мутаций, поскольку генные карты мнутся в процессе перетасовки. Ген SMN1 расположен в участке ДНК, особенно подверженном ошибкам. Практически во всех случаях носителями заболевания являются оба родителя ребенка со СМА. Это означает, что в свое время они унаследовали генетический дефект от одного из родителей, то есть от бабушки и дедушки ребенка. Хотя и родители, и старшие родственники больного ребенка также имеют генетический дефект во всех клетках тела, сами они не болеют. Причина в том, что они унаследовали функциональную копию гена SMN1 от другого из своих родителей – резервную копию, следящую за тем, чтобы клетки по-прежнему могли выполнять свою работу. Заболевание возникает только тогда, когда обе копии гена SMN1, а значит и матери, и отца, мутируют. Чаще всего родители не знают, что являются носителями генетического дефекта, пока у них не родится больной ребенок.

Несправедливо, что некоторые из нас вытащили несчастливый билет в жизненной лотерее. В течение почти 4 миллиардов лет эта лотерея проводилась на условиях природы, и у нас было мало возможностей повлиять на нее. Но теперь все изменилось. В последние десятилетия биотехнологии позволили взломать биологию человека: мы можем выращивать клетки в лаборатории. Мы можем перепрограммировать их, чтобы они выполняли задачи, отличные от изначально поставленных. И мы можем читать, писать и редактировать ДНК. Биотехнологии меняют правила жизни.

В следующих главах первой части книги мы подробнее рассмотрим, как вы с помощью биотехнологий можете увеличить вероятность рождения собственных здоровых детей, если по биологическим или социальным причинам у вас не получилось сделать этого самостоятельно.

Глава 2.Когда вам нужна помощь, чтобы родить (здорового) ребенка

ПРЕДСТАВЬТЕ ватагу беззубых и взволнованных шестилеток в первый школьный день 2023 года, с большими рюкзаками и еще бо́льшими надеждами. Предположим, в классе 22 ребенка, нетерпеливо щурящихся под августовским солнцем в ожидании, пока директор назовет их имя (которое, согласно статистике имен в Норвегии, скорее всего, будет Нора или Якоб). В таком обычном классе в среднем один из детей будет зачат с помощью вспомогательных репродуктивных технологий.

В течение всего нескольких десятилетий искусственное оплодотворение превратилось из табу в нечто гораздо более открытое. У нас даже есть собственные выражения для некоторых типов вспомогательных репродуктивных технологий: если вы слышите о незамужней женщине, которая «поехала в Данию, чтобы завести ребенка», вы понимаете, что она, вероятно, не забеременела от очаровательного танцора на пароме по пути в Данию. Нет, она искала клинику, чтобы взломать биологию на раннем этапе зарождения жизни.