Многие из величайших и самых революционных идей, от полетов на Луну до невидимости, были предвосхищены в мифах, легендах и, конечно, в научной фантастике. То же можно сказать и о наших попытках использовать наше понимание программ жизни для передачи цифровых инструкций по построению живого организма или его компонентов из одной точки нашей планеты в другую или даже между планетами, а то и далеко за пределы нашей солнечной системы.
Живучая идея транспортера, разбирающего людей или предметы в одном месте и собирающего их где-то еще, была популяризована Джином Родденберри (1921–1991) в его телесериале 1960-х «Звездный путь» (Star Trek) («Скотти, подними нас лучом»). Транспортер был порожден прозаической проблемой, вставшей перед Родденберри: ему не хватало бюджета, чтобы в каждом еженедельном эпизоде показывать посадку космического корабля. В том же десятилетии британской телевизионной аудитории представили Доктора Кто и его машину TARDIS – синюю клетку вроде «обезьянника» в лондонской полиции, способную переносить находящихся в ней в любую точку времени и пространства во вселенной.
Идея телепортации появилась не со «Звездным путем» или «Доктором Кто», она веками так или иначе присутствовала в литературе. В «Тысяче и одной ночи» (часто называемой «Аравийские ночи»), сборнике историй и народных сказок, составленном в золотой век ислама и опубликованном по-английски в 1706 году, джинны могут мгновенно переносить себя и предметы с места на место. «Дезинтеграционная машина» Артура Конана Дойла, опубликованная в 1929 году, описывает машину, которая может разлагать на атомы и преобразовывать объекты. Тему телепортации использовали многие авторы фэнтези и научной фантастики, в их числе Айзек Азимов («Такой прекрасный день»), Джордж Лангелаан («Муха»), Дж. К. Роулинг (эпопея о Гарри Поттере) и Стивен Гулд («Джампер»). Но все эти описания телепортации – чистый вымысел, а вот понятие «квантовой телепортации» весьма реально. Широкой аудитории оно стало известно в 1999 году из романа Майкла Крайтона «Линия времени», позже экранизированного.
Идея квантовой телепортации гораздо старше: ее истоки восходят, в частности, к интеллектуальным разногласиям между двумя самыми яркими коллегами Шрёдингера по созданию теории атомного мира (квантовой механики): Альбертом Эйнштейном, которому не нравилась странная трактовка реальности этой теорией, и Нильсом Бором (1885–1962), датским отцом атомной физики. В 1935 году в ходе этого спора Эйнштейн, желая подчеркнуть одну непонятную особенность квантовой теории, разработал со своими коллегами Борисом Подольским (1896–1966) и Натаном Розеном (1909–1995) мысленный эксперимент.
Сначала они заметили, что квантовая теория применима не только к отдельным атомам, но и к молекулам, состоящим из групп атомов. Так, например, молекула, содержащая два атома, может быть описана единым математическим выражением, называемым волновой функцией. Эйнштейн понял, что если разделить эти составляющие целое атомы большим расстоянием, даже поместить их в разных концах космоса, они все равно будут описываться той же самой волновой функцией. На жаргоне физиков они называются «запутанные». Больше чем через полвека, в 1993 году, Чарльз Беннетт из IBM и другие авторы теоретически показали, что пары запутанных атомов как бы устанавливают «квантовую телефонную линию», которая может «телепортировать» на любое произвольное расстояние все подробности квантового состояния одной частицы к другой, не зная ее состояния. Это наводит на мысль, что какой-то переносчик может передавать атомные данные. Последовали эксперименты с целью установить, возможно ли это на самом деле. Рекорд дальности для квантовой телепортации на время написания главы принадлежит международной исследовательской команде, использующей Наземную оптическую станцию Европейского космического агентства на Канарских островах, которая воспроизвела характеристики частицы света за 143 км открытого пространства. Эксперимент обнаружил телепортацию состояния световых частиц (фотонов) между островами Ла Пальмой и Тенерифе.
Телепортация открывает также потенциальную возможность создания компьютера нового типа – квантового, способного выполнять операции и решать задачи в миллионы раз быстрее, чем нынешние компьютеры. Группа из Калтеха в 1998 году сообщила о первой экспериментальной демонстрации телепортации квантового состояния света. Явление сначала было показано между отдельными фотонами, между фотоном и веществом, потом между отдельными ионами (заряженными атомами). Затем в 2012 году последовало сообщение о телепортации между макроскопическими объектами – достаточно большими, чтобы их видеть, – между двумя блоками атомов (каждый состоял примерно из ста миллионов атомов рубидия и был около миллиметра в диаметре), связанными 150-метровым оптоволокном. Сообщившая о явлении команда во главе с Цзяньвей Паном из Хэфэйской национальной лаборатории физики микромира в Университете науки и технологий Китая в Хэфэе заявила, что эту технику можно будет использовать для передачи и обмена информацией в будущих квантовых компьютерах и сетях, породив рассуждения о «квантовом интернете».
Как бы ни впечатляли эти продвижения, такая телепортация, как в «Звездном пути», остается делом далекого будущего. В интервью для Scientific American один из авторов первого эксперимента 1998 года, Джефф Кимбл из Калтеха, на вопрос о самом большом заблуждении насчет телепортации ответил: «Представление, что посылается сам объект. Мы не будем рассылать материальное барахло. Если я хочу прислать вам „Боинг-757“, я могу выслать вам все детали, а могу – чертеж всех деталей, и выслать чертеж намного проще. Телепортация – это протокол пересылки из одного места в другое квантового состояния – волновой функции». Чтобы успешно телепортировать человека, вам понадобится примерно 1032 бит информации об атомах.
Но, конечно, можно передавать цифровые инструкции или программу, как предлагает Кимбл. Человеческий геном содержит всего около 6×109 бит информации. Моя команда совершенствует способ посылать оцифрованную версию текста ДНК в виде электромагнитной волны – а потом использовать специфический приемник где-то вдали для воссоздания жизни. Это будет означать переход между двумя важнейшими категориями типов частиц. Вся жизнь, которую мы знаем на Земле, – это химические в своей основе системы, все структурные компоненты которых – ДНК, РНК, белки, липиды и другие молекулы – состоят из отдельных атомов разных химических элементов (углерода, водорода, кислорода, железа и так далее). Атомы и их составные части (например, электроны, окружающие ядро, и кварки, из которых ядро состоит) совокупно называются фермионами. Другая обширная категория частиц – это бозоны, в том числе бозон Хиггса и все частицы, переносящие взаимодействия, а именно глюоны W и Z и фотон – материя электромагнитных волн. Ключевая разница между фермионами и бозонами – это квантовое свойство, называемое «спин». У бозонов по определению спин целый; у кварков, электронов и всех других фермионов спин равен 1/2. Это приводит к огромной разнице в их поведении и, в случае фермионов, делает возможной всю химию и, следовательно, биологию.
Когда мы читали генетический текст, секвенируя геном, мы превращали химический код ДНК в электронный компьютерный код, который можно преобразовать в электромагнитную волну, передаваемую со скоростью света. Мое внимание к тому, что эта процедура означает переход из одного великого царства частиц в другое, привлек Димитар Сасселов, директор гарвардской инициативы «Происхождение жизни»:
Итак, жизнь, как мы ее знаем и как она вроде бы исторически зародилась на нашей планете, есть фермионный феномен – все ее структуры сделаны из фермионов. Информация, записанная в молекуле ДНК, кодирована с помощью фермионов и читается с помощью фермионов. Наша нынешняя способность представлять эту информацию в цифровом виде и передавать ее на расстояние, используя электромагнитные волны (на скорости света!), отмечает переход жизни от чисто фермионной к бозонной {243} .
В Synthetic Genomics, Inc. (SGI) мы можем ввести перекодированный текст ДНК в программу, которая автоматически планирует, как воссоздать эту последовательность в лаборатории. Программа сама создает перекрывающиеся олигонуклеотиды длиной от 50 до 80 пар оснований, добавляет уникальные места рестрикции и «водяные знаки» и затем вводит их в интегрированный синтезатор олигонуклеотидов. Синтезатор быстро производит олигонуклеотиды, которые автоматически сшиваются вместе и собираются с помощью нашего робота для Гибсоновой сборки.
Хотя синтез олигонуклеотидов можно вести значительно точнее, чем сорок лет назад, этот процесс все еще чреват ошибками, в результате которых образуется фракция незапланированных последовательностей ДНК, и эта фракция растет с ростом размера фрагментов синтетической ДНК. Частота ошибок синтеза при сборке стандартных олигонуклеотидов обычно составляет одну ошибку на тысячу пар оснований. При такой частоте получается, что если ошибки в олигонуклеотидах не отсеять на ранней стадии процесса синтеза – например, путем клонирования и секвенирования или с помощью исправляющего ошибки фермента, – то большинство, если не все фрагменты ДНК длиной больше десяти тысяч оснований будут содержать ошибки. Чтобы решить эту фундаментальную проблему, мы предложили новый подход, который должен проложить путь к высокоточному синтезу ДНК.
Теперь мы можем после сборки олигомеров и ПЦР-амплификации удалять любую ДНК, содержащую ошибки, ферментом, который называется эндонуклеаза. Этот специальный биологический робот был открыт при помощи системы программного обеспечения Archetype, разработанной Тоби Ричардсоном и его командой в SGI для хранения, управления и анализа данных по биологическим последовательностям. Процесс «работы над ошибками» начинается с денатурации и ренатурации ДНК, амплифицированной ПЦР, так что она образует двухцепочечные молекулы. Некоторые из этих молекул имеют во всех позициях «правильные», соответствующие друг другу нуклеотиды, и эндонуклеаза их игнорирует. Однако ДНК, в которой случилась замена, выпадение или вставка, тоже объединится в двойную цепочку с правильной ДНК (просто потому, что правильных молекул в реакционной смеси во много раз больше). Тогда в том месте, где в одной из цепочек ошибка, в двойной цепочке окажутся несовпадающие пары оснований. Такая ДНК (она называется гетеродуплексной) распознается и расщепляется эндонуклеазой.
Тот факт, что интактные молекулы амплифицируются эффективнее, чем расщепляемая эндонуклеазой ДНК, означает, что мы можем использовать вторую реакцию ПЦР для повышения доли синтетических фрагментов без ошибок. При таком подходе частота ошибок обычно меньше, чем одна на 15 000 пар оснований, и этот результат может быть еще улучшен, если проводить дополнительные сеансы исправления ошибок. На этом этапе мы получали молекулы ДНК с достаточной точностью, чтобы они могли быть конечным продуктом в полном смысле слова, например ДНК-вакциной (ДНК, вставляемой в клетки тела, чтобы производить вакцинирующий белок). Но потенциал метода неограничен. С синтезированной ДНК в конце концов можно будет создавать любые формы жизни.
Используя бесклеточный синтез белка in vitro, вроде того, что впервые разработал Маршалл Ниренберг в 1960-х, конструкты из синтетической ДНК теперь можно применять для получения белков в автоматизированной системе. ДНК фага или вируса нуждается лишь в попадании в рецептивную бактериальную клетку, где она перехватит механизмы синтеза клеточных белков и ДНК и наделает множество своих копий.
Иногда бывает трудно увидеть за горизонтом сегодняшних возможностей, как технология, подобная «биологическому телепортеру», кристаллизуется из идеи в нечто реальное. Так случилось, конечно, с лазером, который первоначально подавался как решение, нуждающееся в проблеме. Но я думаю, мы уже можем осознать, как повлияет на наше будущее возможность перевести программу жизни в свет. Способность отправить текст ДНК куда угодно по планете за доли секунды включает в себя любые возможности, касающиеся лечения болезней. Эта информация может быть текстом новой вакцины, белкового лекарства (вроде инсулина или гормона роста), фага для борьбы с инфекцией, вызванной устойчивым к антибиотикам бактериальным штаммом, или новой клетки для выработки лекарства, пищи, топлива или чистой воды. В сочетании с домашними синтезаторами эта технология позволит еще и подогнать лечение под всех и каждого, чтобы оно соответствовало генетическим особенностям пациента и в результате давало меньше побочных эффектов.
Самое очевидное и безотлагательное применение этих возможностей – распространение вакцины в случае начала пандемии гриппа. Последняя такая вспышка была объявлена 11 июня 2009 года, когда ВОЗ расценила вирус гриппа H1N1 («свиной грипп») как первый пандемический штамм более чем за сорок лет, запустив международную реакцию на эту крупную угрозу. Результатом стала самая быстрая разработка глобальной вакцины в истории. За шесть месяцев были произведены и распределены по всему миру сотни миллионов доз вакцины, продемонстрировав способность государственных и частных учреждений всего мира к быстрой мобилизации и сотрудничеству.
Реакция была беспрецедентно быстрой – но все же недостаточно быстрой. Значительная часть вакцины оказалась доступной только через два месяца после прохождения вирусной инфекцией пика, оставив большинство населения на милость патогена в разгар его циркуляции. И хотя уровень смертности был относительно низок, множество людей встретились с вирусом. От H1N1 умерло около 250 000 человек, и вследствие природы этого конкретного гриппа большинство жертв было молодыми. Будь этот вирус более патогенным, задержка с доступностью вакцины могла привести к тяжелому кризису в здравоохранении, способному вызвать в пораженных городах конфликты, беспорядки и социальные взрывы.
Век тому назад очень похожий патогенный штамм гриппа обошел планету с опустошительными последствиями. Потери от пандемии 1918–1920 годов – около 50 миллионов жизней по всему миру – были больше, чем от Первой мировой войны. Один врач сказал, что это «был самый жестокий тип пневмонии, какой когда-либо видели». Используя данные по смертности от этой пандемии, команда под руководством Кристофера Мюррея из Гарвардского университета предсказала в Lancet, что, если похожая пандемия случится сегодня, за год умереть могут 62 миллиона человек – 96 % из них в развивающихся странах. Последняя пандемия «свиного гриппа» была призывом к оружию и выявила необходимость быстро доставлять людям вакцины.
SGI и Институт Крейга Вентера анонсировали трехлетнее соглашение о сотрудничестве с компанией Novar-tis об использовании инструментов и технологий синтетической геномики для ускорения производства вакцинных штаммов гриппа. Вакцинный штамм – это стартовая культура вируса, живой эталонный вирус, основа для широкомасштабного выращивания вакцинного вируса. Соглашение, отмеченное наградой от Управления перспективных биомедицинских исследований и развития США (BARDA), может в итоге обеспечить более эффективный ответ и на сезонные, и на пандемические вспышки гриппа.
В настоящее время Novartis и другие компании – производители вакцин в идентификации и раздаче вакцинных вирусов полагаются на ВОЗ. Чтобы ускорить процесс, мы используем метод «обратной вакцинологии», который впервые применил для разработки менингококковой вакцины Рино Раппуоли, ныне работающий в Novartis. Основная идея состоит в том, что весь патогенный геном вируса гриппа можно обследовать при помощи биоинформационного подхода к идентификации и анализу его генов. Далее выбирают конкретные гены, продукт которых может стать хорошей целью для вакцины – например, белки капсулы. Эти белки затем подвергают обычному тестированию на иммунный ответ.
Моя команда секвенировала гены, представляющие разнообразие вирусов гриппа, появлявшихся начиная с 2005 года. Мы секвенировали полные геномы большой коллекции изолятов человеческого гриппа, а также избранных штаммов птичьего и других нечеловеческих гриппов, важных для эволюции вирусов с пандемическим потенциалом, и сделали эту информацию доступной для всех. Штаммы выбирали так, чтобы они представляли много подтипов с широким географическим и хронологическим распределением. В результате нашего сотрудничества Novartis и SGI разработают «банк» искусственно сконструированных вакцинных вирусов, которые можно пускать в производство сразу же, как только ВОЗ установит циркулирующие штаммы гриппа. Эта технология может сократить время на производство вакцины до двух месяцев, что будет существенным выигрышем в случае пандемии.
Стандартное производство вакцины от гриппа занимает много времени. Важный этап, ограничивающий скорость, – это промежуток между выделением штамма (когда ВОЗ и CDC установят циркулирующий штамм(ы) и выпустят глобальную рекомендацию по созданию вакцинного вируса, специфического для данного гриппа) – и собственно производством вакцины. Традиционный метод производства основан на выращивании вируса в оплодотворенных куриных яйцах. В целом на процесс требуется около тридцати пяти дней, куда входят тестирование и распределение эталонного вируса, одновременное заражение яиц стандартными опорными штаммами и изоляция и очистка посевного материала вакцины. Воспользовавшись главными достижениями синтетической биологии и клеточного производства и добавив захватывающую идею цифро-биологического преобразования, мы с Novartis произвели вакцину лучшего качества менее чем за пять дней.
Вакцина основана на белках вирусного конверта – гемагглютинине (HA), который образует шипы, позволяющие вирусу гриппа прикрепляться к клеткам-мишеням, и нейраминидазе (NA), которая образует головки на поверхности вирусных частиц и катализирует их выход из зараженных клеток, позволяя вирусу рассеваться. Когда были получены высокоточные синтетические гены HA и NA, следующим шагом стало «спасение» прототипа вакцины путем комбинирования HA и NA со щепоткой других генов в геном вируса гриппа, который имеет программу для изготовления всего одиннадцати белков. Мы применили обратный генетический подход на новартисовской клеточной линии MDCK (собачья почка Мадин-Дарби), одобренной Управлением по контролю за продуктами питания и лекарствами США (FDA) в 2012 году в качестве замены яиц при производстве вакцины от гриппа. Клетки были заражены линейными синтетическими кассетами, кодирующими вирусные гены. Через 72 часа после трансфекции (изменения клетки вирусной ДНК) в среде клеточной культуры можно было заметить вирусы гриппа и выделить нужный штамм вируса для дальнейшей амплификации и конечного использования как источника вакцины.
Предварительные испытания совершенства и надежности технологии производства синтетических источников вакцин прошли 29 августа 2011 года. За основу были взяты последовательности генов HA и NA низкопатогенного североамериканского штамма птичьего гриппа H7N9, полученного у CDC и предоставленного BARDA. Синтез олигонуклеотидов стартовал в восемь утра. К полудню 2 сентября, ровно через четверо суток и четыре часа от начала процедуры, вакцинный штамм был получен. После завершения этой подтверждающей демонстрации процесс был успешно повторен на множестве других штаммов и подтипов гриппа, в том числе на H1N1, H5N1 и H3N2. Ко времени написания этой главы штаммов, которые нельзя было бы собрать и «спасти» искусственно, больше не осталось.
Проект синтетического гриппа теперь входит в следующую важную фазу развития. Быстрое и эффективное производство материала для вакцин дает возможность гораздо лучше подготовиться к пандемии – в сочетании с пониманием того, как вирус эволюционирует. Вирусы гриппа динамичны и меняются двумя основными способами: антигенный дрейф и антигенный сдвиг. Дрейф, который происходит постоянно, означает небольшие постепенные изменения, которые происходят за счет точечных мутаций в двух генах, кодирующих главные поверхностные белки – упоминавшиеся выше гемагглютинин и нейраминидазу. Антигенный сдвиг означает резкое крупное изменение, приводящее к появлению совершенно нового вируса гриппа – путем прямой передачи его к людям от животных (обычно от свиней или птиц) или через генетическую реассортацию, т. е. смешивание генов человеческого гриппа А с гриппом животных А, в результате чего получается новый подтип человеческого вируса гриппа А. Наблюдая и и анализируя сдвиги штаммов гриппа и вновь возникающие штаммы, мы можем начинать готовиться к наиболее вероятным штаммам, а не только спешно реагировать, когда вспышка уже станет фактом. Для штаммов, которые представляют потенциальную угрозу, вакцинный материал можно делать заранее и хранить в банках вакцинных штаммов, доступных и готовых к использованию, когда понадобятся.
Подготовка к будущей пандемии идет полным ходом. Создается всеобъемлющая база данных, которая будет включать данные секвенирования прошлых гриппов, антигенные вариации и характеристики роста штаммов, и в нее уже внесены почти 66 000 выделенных последовательностей и 33 000 наборов данных по парам антигенов. Разрабатываются продвинутые алгоритмы для предсказания изменений соотношения субпопуляций циркулирующего вируса во времени, чтобы автоматически оценивать, какая вакцина (или кандидат в вакцины) даст наилучшую защиту, и улучшать возможности предсказания отбора штаммов.
Другой критический шаг к продвинутым вакцинам от гриппа на синтетической основе – это наращивание объема синтетического вакцинного материала и включение его в технологический процесс для перехода к коммерческому производству вакцин. Novartis начинает воплощать это в реальность – реальность, чрезвычайно важную для ответа на глобальную пандемию. Скорость, легкость и точность, с которыми синтетические технологии позволяют производить «высокоурожайные» вакцинные штаммы гриппозных вакцин, обещают не только более быстрые ответы на будущие пандемии, но и более надежное снабжение вакцинами от пандемического гриппа.
Хотя вакцины – это лучшие средства предотвращения пандемий, и синтетическая биология помогла нам сделать их более эффективными, мы теперь сталкиваемся с другой большой инфекционной угрозой, поскольку одно из важнейших орудий человечества в борьбе с болезнями, антибиотики, быстро теряют свою эффективность. Мы наслаждались перемирием в исторической войне с микробами с середины прошлого века, после случайного открытия пенициллина британским микробиологом Александром Флемингом (1881–1955) в 1928 году и разработки технологии массового производства этого лекарства австралийцем Ховардом Уолтером Флори (1898–1968) вместе с немцем Эрнстом Борисом Чейном (1906–1979) и английским биохимиком Норманом Хитли (1911–2004). Флори и Чейн разделили с Флемингом Нобелевскую премию за 1945 год по медицине за их далеко идущую работу. В последние восемьдесят лет антибиотики использовались для лечения многих ранее смертельных инфекционных болезней, спасая миллионы жизней, и чрезвычайно расширили применение хирургии – вообразите без них хотя бы попытку удаления аппендикса, не говоря уж об операциях на сердце, почке или бедре.
Хотя это семейство лекарств колоссально повлияло на увеличение продолжительности жизни, с самого начала микробы, на которых оно было нацелено, начали отбиваться. Вскоре после того, как пенициллин применили для лечения солдат на Второй мировой войне, бактерии нашли пути сопротивления этому распространенному антибиотику. Понять, как бактерии могут не обращать внимания на тот или иной антибиотик, помогли элегантные эксперименты, проведенные в Висконсинском университете Джошуа Ледербергом (1925–2008), которого вдохновила на изучение генетики бактерий плодотворная статья 1944 года Эвери, Маклеода и Маккарти, определившая ДНК как «источник трансформации». Работая вместе с женой, Эстер Циммер Ледерберг, он показал, что линии бактерий, устойчивых к пенициллину, существовали до того, как пенициллин стали использовать для лечения, – это было частью важных исследований, за которые он получил Нобелевскую премию.
Чтобы нейтрализовать действие антибиотиков, устойчивые штаммы используют широкий спектр белков. Такие антибиотики, как тетрациклин и стрептомицин, привязываются к особому участку рибосомы, нарушая синтез белка, и один из эволюционных ответов микробов – смастерить такие рибосомы, с которыми антибиотик не сможет связаться. Некоторые микробы развили «откачивающие помпы» – белки, выбрасывающие антибиотик наружу раньше, чем он успеет подействовать. Некоторые устойчивые штаммы закутываются в непроницаемые оболочки. Иные микробы даже «едят» антибиотики. Механизмов устойчивости столько, что кое-кто поговаривает даже о «резистоме».
Поскольку бактерии делятся очень быстро, любые устойчивые штаммы скоро начинают преобладать в популяции. Они используют и другой механизм распространения резистентности: они могут меняться программами ДНК в ходе горизонтального переноса генов. Ледерберг показал один из способов, которым они могут это делать: через межклеточные контакты или формирование цитоплазматических мостиков. На молекулярном уровне они обмениваются плазмидами, которые могут содержать несколько генов устойчивости к антибиотикам. Если эта передача прошла успешно, родился супервозбудитель.
Появление резистентных организмов было неизбежно, но, к сожалению, оно было пришпорено слабым санитарным контролем, в изрядной степени сводившимся к гигиене и мытью рук или отсутствию этого навыка. Рост резистентности также ускорялся неразборчивым применением антибиотиков, особенно на фермах; неправильным употреблением (например, для лечения вирусных инфекций вроде обычной простуды); недоиспользованием, когда курс лечения не завершен; и чрезмерным использованием – в мыле и других хозяйственных средствах. В довершение всех бед нынешние рыночные условия мало стимулируют компании предпринимать тяжкие труды по разработке новейших антибиотиков. В отличие от сердечных лекарств и других средств, антибиотики принимают только неделю или около того. А неуклонный рост резистентности означает, что любой антибиотик обречен довольно скоро стать бесполезным, так что срок жизни нового антибиотика на аптечной полке тоже ограничен.
Это наглядный пример дарвиновской эволюции – правда, с печальной моралью: золотой век антибиотиков может идти к концу. Есть бесчисленные примеры продвижения устойчивости: например, постоянный незваный гость больниц, резистентный к метициллину Staphylococ-cus aureus, приобрел полную резистентность к ванкомицину, который часто подается как лекарство последнего рубежа. В последние годы снова и снова приходится слышать, что нам может предстоять возвращение в доантибиотиковую эру, когда главной причиной смертности были бактериальные инфекции, а местные больницы были рассадниками заразы, местом, где вы меньше всего хотели бы оказаться, если действительно хотели выздороветь.
Геномика может сильно помочь. Мы можем картировать распространение супервозбудителя, узнать, как он противостоит антибиотику, и найти новые цели для лекарств. Мы можем также привлечь синтетическую геномику для разработки альтернатив антибиотикам. Подход, которому следуем мы, – это возврат к антибактериальному лечению, именуемому фаготерапией, в которой для того, чтобы убить микроба, используются бактериофаги, специфичные для данной линии бактерий. Каждые несколько дней фаги убивают половину бактерий на Земле. Можем ли мы рассчитывать на их помощь в борьбе с супервозбудителями?
Бактериофаги, которых в десять раз больше, чем бактерий, были открыты – возможно, независимо двумя учеными – около ста лет назад. Первым их идентифицировал в 1915 году англичанин Фредерик Туорт (1877–1950), эксцентричный эрудит, который делал скрипки, радиоприемники и много чего еще, а также пытался вывести самый крупный душистый горошек в Англии. Франко-канадский микробиолог Феликс д’Эрель (1873–1949) появляется в истории фагов в 1917 году и первым применяет к ним термин «бактериофаги» («пожиратели бактерий»). Он утверждал, что феномен, описанный Туортом, был чем-то совсем другим. Размышляя о роли, которую играли бактериофаги в выздоровлении от дизентерии, д’Эрель осознал их потенциал в борьбе с инфекциями и в 1919 году провел первый клинический опыт. Д’Эрель и его коллеги приняли внутрь большие дозы препарата фага. Убедившись таким образом в его безопасности, д’Эрель назначил разбавленный препарат фага двенадцатилетнему мальчику с тяжелой дизентерией. Через несколько дней мальчик выздоровел.
Работы д’Эреля помогли объяснить загадочный факт: что такое присутствует в полных нечистот водах Ганга и реки Ямуна в Индии, что обеспечивает защиту от холеры? Теперь ответ был ясен. Капля речной воды или канализационных стоков кишит миллионами фагов. К 1930 году коктейли с фагами производились компаниями в Европе и Америке для лечения многих инфекций. Самыми известными были две лаборатории: одна – д’Эреля во Франции, а другая – созданная при его участии в 1923 году в Тбилиси, в советской Грузии. Ныне это учреждение называется Институт бактериофагов, микробиологии и вирусологии имени Элиава – в честь другого ее сооснователя, грузинского исследователя фагов Георгия Элиава (1892–1937), пользовавшегося покровительством советского диктатора Иосифа Сталина. Отчасти из-за сотрудничества с иностранными учеными, в том числе д’Эрелем, а в основном из-за ухаживания за женщиной, на которую также имел виды Лаврентий Берия, сталинский шеф тайной полиции, Элиава был объявлен «врагом народа» и в 1937-м расстрелян. Институт Элиава пережил своего основателя и стал одним из крупнейших центров производства лечебных фагов, на пике производившим несколько тонн препаратов в день. В 1989 году Горбачев восстановил имя Элиава в ходе реабилитации жертв Большого террора.
Надежды и рекламные обещания, что фаговая терапия покончит с бактериальными болезнями, к середине 1930-х не смогли воплотиться, а все свидетельства ее действенности были скомпрометированы недостаточной стандартизованностью материалов. В это десятилетие Американская медицинская ассоциация выступала с уничтожающей критикой этого метода, но фаги, дежащие на границе живого и неживого, продолжали манить фундаментальных исследователей. В знак важности этой работы Альфред Херши и Сальвадор Лурия, сосредоточившись на основах биологической репликации и тем самым на наследственности, даже учредили вместе с Максом Дельбрюком «Церковь Фага».
Во время Второй мировой войны фаготерапия использовалась в армиях Советского Союза и Германии, но с окончанием войны и бумом антибиотиков она, как и все «коммунистические штучки», стала выглядеть на Западе чем-то подозрительным. Один из адептов дельбрюковской «церкви» Гюнтер Штент писал в 1963 году, что «странная глава в истории медицины о терапии бактериофагами теперь может с полным основанием считаться завершенной. Но почему бактериофаги, столь смертоносные для бактерий in vitro, оказались такими бессильными in vivo, так и не было адекватно объяснено».
Одна причина в том, что история фаготерапии – как в значительной мере и история почти чего угодно, что бы вы ни взяли, – «полна политики, личной вражды и негласных конфликтов». Но более важная причина в том, что ей, чтобы стать по-настоящему действенной терапией, пришлось ждать пришествия современных научных методов. К счастью, к тому времени, как в 1991 году развалился СССР, институт Элиава все еще поставлял фагов обретшей независимость Грузии, и значительная работа была проделана в Институте иммунологии и экспериментальной терапии Людвика Хиршфельда в польском городе Вроцлаве. Сегодня, когда микробы продолжают обходить нас в гонке вооружений, очень много исследователей – включая мою команду – по-новому оценивают пользу фагов в борьбе с инфекциями.
В отличие от обычных антибиотиков, способных причинять побочный вред, убивая в наших телах множество «дружественных» бактерий, помогающих переваривать пищу, фаги, словно молекулярные «умные бомбы», нацелены только на один или на небольшое число линий или штаммов бактерий. Мы теперь знаем в подробностях, как эти машины убийства микробов могут с хирургической точностью атаковать один вид бактерий. Возьмем для примера фаг T4, который изучали многие пионеры этой области, от Макса Дельбрюка и Сальвадора Лурия до Джеймса Уотсона и Фрэнсиса Крика. 169 000 оснований его генома содержат все необходимые инструкции для заражения и разрушения микроба E. coli.
По сравнению с другими фагами фаг T4 – крупный (около 90 нанометров в ширину и 200 в длину) и выглядит как крохотный космический спускаемый аппарат, с «ножками», которые прикрепляются к специфическим рецепторам на поверхности клетки E. coli, и с пустотелым хвостом, который может впрыскивать свою программу в бактерию. (Только недавно было открыто, что T4 может пронзать клеточную мембрану шипом с железным наконечником.) Хотя впрыснутая ДНК сильно отличается от хозяйской, ее текст написан на том же самом языке, так что бактерия-мишень выполняет инструкции по постройке фага, по ходу дела убивая себя. После изготовления сотни-полутора фагов бактерия взрывается, выпуская орду новеньких фагов в окружающую среду.
Как и в случае с антибиотиками, клетки могут мутировать и в результате выживать и приобретать резистентность к фагам. Кроме того, человек быстро избавляется от фагов в кровяном русле. Но фаги в самом деле могут стать интересной альтернативой антибиотикам. Все те фаги, которые использовались в терапии до сего дня, были выделены из окружающей среды, в том числе из нечистот, и наука была ограничена спектром природных фагов. Однако с нашими новыми инструментами синтеза и сборки ДНК мы могли бы конструировать и синтезировать три сотни новых фагов в день или синтезировать более пяти тысяч новых вариаций на тему любой последовательности. Эти уникальные возможности позволяют нам проверить и реализовать мечту д’Эреля.
Эти технологии сделают возможным полный и быстрый цикл создания бактериофага: выделение, характеристику, перекомпоновку и эволюционную доводку. В перспективе это позволит собрать библиотеки оптимизированных терапевтических фагов для клинического использования в борьбе с супервозбудителями. Как мы показали на phi X 174, отбор на заразность – когда бактерия-мишень услужливо множит наиболее подходящих для ее заражения фагов – это очень мощный инструмент, который позволяет легко и с высокой пропускной способностью отбирать новосинтезированные фаги на желательные признаки широкого или сфокусированного спектра действия.
Возможно, в будущем мы сможем секвенировать инфекционный агент от каждого пациента, чтобы идентифицировать микроба-мишень и быстро разработать индивидуальную фаговую терапию. Новый фаг может быть тут же отправлен пациенту или в лечебное учреждение с помощью телепортационной технологии, которую я описывал. Синтетические фаги также могут быть устроены так, чтобы быть максимально эффективными. Например, они могут быть сконструированы так, чтобы поражать белки и генетические схемы супервозбудителей иным образом, нежели традиционные лекарства, и применяться как отдельно, так и в сочетании с антибиотиками. Мы уверены, что сможем сделать более мощные версии могучей антибактериальной машины убийства, называемой эндолизином, который помогает фагу вырываться из зараженной клетки. Один эндолизин, именуемый PlyC (стрептококковый C1 фаговый эндолизин) и убивающий бактерий быстрее, чем хлорка, состоит из девяти белковых частей, собранных в форму, похожую на летающую тарелку, которая сцепляется с оболочкой бактерии, используя восемь отдельных участков прикрепления, расположенных на одной стороне тарелки. Две «боеголовки» PlyC прогрызают клеточную стенку, убивая бактерию и выпуская фага. Таким образом эндолизины управляются со многими грам-положительными патогенами, такими как S. aureus, S. pneumoniae, E. faecalis, E. faecium, B. anthracis и стрептококки группы B.
Кроме того, высочайшая специфичность фагов позволяет ожидать, что они будут безопасны. В августе 2006 года FDA одобрила опрыскивание мяса созданным компанией Intralytix препаратом фага, нацеленного на Listeria monocytogenes. В следующем году в Королевском национальном отоларингологическом госпитале в Лондоне были завершены предварительные клинические испытания лечения ушных инфекций (отитов), вызываемых Pseudomonas aeruginosa, и результаты были обнадеживающими.
Благодаря ускоряющемуся развитию синтетической геномики и технологии по почти немедленной передаче генетической информации мы, вероятно, сможем реализовать потенциальную ценность новых синтетических фагов для лечения лекарственно-устойчивых инфекций. Но нам еще понадобится строгость современных методов, чтобы вытащить фаготерапию из ее псевдонаучного прошлого. Такие терапии могут быть спорными, поскольку в них применяется коктейль из вирусов, способных размножаться и эволюционировать. В конце концов, они могут содействовать болезням, вооружая бактерий новыми генами (вроде гена дифтерийного токсина), так что потребуется некоторая тщательная работа по проверке безопасности. Тем не менее я подозреваю, что эти сомнения будут быстро отброшены, когда этот подход начнет демонстрировать успехи, например, в ветеринарии или в лечении распространенных неприятностей – например, угрей (акне).
Для помощи в обуздании инфекционных болезней моя команда уже тестирует методы передачи и получения программ ДНК. НАСА финансирует наши эксперименты на своем полигоне в пустыне Мохаве, простирающейся по Калифорнии, Неваде, Юте и Аризоне. Мы будем использовать нашу институтскую мобильную лабораторию, которая оснащена оборудованием для взятия образцов почвы, выделения ДНК и ее секвенирования, чтобы документировать и проверять все требуемые действия для автономного выделения микробов из почвы, секвенирования их ДНК и затем передачу информации в облако посредством того, что мы называем «передатчик оцифрованной жизни».
Я не сомневаюсь, что эта технология будет работать. В прошлом десятилетии мы уже применяли более примитивный вариант метода удаленного взятия образцов по всей планете – в основном в ходе экспедиции на Sorcerer II, яхте, которую я использовал для похода по мировым океанам. Мы прошли по морю более восьмидесяти тысяч миль, беря образцы каждые двести миль, и если бы у нас было что-то вроде технологии, описанной выше, то можно было бы секвенировать материал, пока мы плыли. Вместо этого из-за тогдашней хрупкости лабораторных секвенаторов нам приходилось полагаться на «ФедЭкспресс» и UPS для доставки образцов в наши лаборатории.
В дополнение к созданию передатчика оцифрованной жизни мы создаем приемный блок, где присланная ДНК может быть произведена заново. Это устройство сейчас носит несколько имен, в том числе «цифровой биологический конвертер», «биологический телепортер» и – как предпочитал это называть бывший главный редактор Wired Крис Андерсон – «репликатор жизни». Сотворение жизни со скоростью света – это часть новой индустриальной революции, которая увидит, как производство сдвигается от централизованных фабрик прошлого к распределенному, одомашненному производственному будущему, благодаря 3D-принтерам. Эта технология уже применялась для сборки эмбриональных стволовых клеток в ткани, ращения костей и строительства самолетов или даже целых зданий способом «бетонной печати». Зачем набивать склады запчастями, когда в виртуальных компьютерных запасниках теперь можно хранить целые конструкции, которые можно печатать на месте и по мере надобности? Мы можем однажды прийти к тому, что каждый сможет сам изготавливать всю продукцию, какую захочет, от дверных ручек до смартфонов, в том числе следующее поколение 3D-принтеров. Скоро вы сможете сделать фото сломавшейся части посудомоечной машины, телевизора или любого другого прибора вашим смартфоном, а затем заплатить за лицензию на допечатку замены у себя дома. В результате краеугольные камни культуры потребления – огромный гипермаркет и фабрика – постепенно станут ненужными.
Ключевыми экономическими факторами в этом сценарии станут сырье и цена интеллектуальной собственности. Что же до возможной пользы, я думаю, что самым революционным могло бы стать применение специальных принтеров для биологического производства. На данный момент мы ограничены изготовлением белковых молекул, вирусов, фагов и отдельных микробных клеток, но дело чрезвычайно быстро движется к более сложным живым системам. Уже есть домашние версии 3D-принтеров, и разные группы уже ищут, как использовать переделанные струйные принтеры для печати клеток и органов. Эта завораживающая технология работает, выкладывая слоями живые клетки на структурную матрицу в форме кровеносного сосуда или человеческого органа. Как бы мы ни назвали в итоге эти устройства, я уверен, что в грядущие годы мы сможем конвертировать цифровую информацию в живые клетки, которые станут сложными многоклеточными организмами, или их можно будет «напечатать», чтобы сформировать трехмерные функционирующие ткани. Возможность напечатать организм остается еще довольно отдаленной, но достаточно скоро станет доступной. Мы движемся к миру без границ, в котором электроны и электромагнитные волны понесут оцифованную информацию туда, сюда и повсюду. Рожденная этими волнами информации жизнь будет двигаться со скоростью света.