Эпоха открытий. Возможности и угрозы второго Ренессанса - Крис Кутарна

Это более многочисленное и плотное научное сообщество снова изменилось после возникновения новых, более эффективных инструментов и методов работы. Одним из самых больших затруднений сравнительного метода было секвенирование ДНК. После того как была проделана трудная работа по обнаружению гена, отвечающего за муковисцидоз (в нашей седьмой хромосоме), началось настоящее испытание: нужно было выписать фактическую последовательность A, C, G и T в этом фрагменте. Это была трудоемкая и технически непростая лабораторная работа, в процессе которой ученые проводили долгие часы над пробирками, центрифугами и электронными микроскопами. Исследователь, не имеющий больше никаких заданий, мог бы секвенировать 100 тысяч символов в год. В таком случае, для того чтобы секвенировать геном человека целиком, потребовалось бы 30–50 тысяч человеко-лет. Поэтому никто и не пытался это сделать. Понимая, что у них никогда не будет достаточно времени или денег, чтобы выполнить эту работу, ученые ничего не предпринимали, пока у них не появлялось по-настоящему существенное предположение, почему именно этот фрагмент может быть важен. Секвенирование должно было неукоснительно следовать за конкретной гипотезой. В противном случае оно превращалось в черную дыру, которая поглощала карьеру исследователя, не давая ничего взамен.

Но начиная с 1980-х гг. ученые, решившие преодолеть это затруднение, ввели ряд технических новшеств. Машины для секвенирования помогли автоматизировать многие задачи процесса декодирования, которыми ранее занимались лаборанты. Были изобретены машины для копирования ДНК, которые могли взять один интересующий ученых фрагмент ДНК и за одну ночь сделать миллионы копий, что, в свою очередь, ознаменовало появление более быстрых секвенсоров, предназначенных для применения грубой силы к неисчерпаемому источнику материала. Математики разработали новые статистические модели, чтобы разобраться, как соединить любое количество фрагментов в правильном порядке, возник «метод дробовика» (суть этой техники в делении всего генома на десятки тысяч очень коротких фрагментов), позволяющий воспользоваться новой возможностью – «сначала секвенирование, потом упорядочивание». И наконец, программисты разработали более совершенное аппаратное и программное обеспечение, позволяющее отделять, сравнивать и сохранять стремительно возрастающие объемы данных, полученных с помощью этих новых методов.

Резкое возрастание умственных и вычислительных мощностей перевернуло модель исследования в генетике с ног на голову. Старая модель говорила: мы не можем вскипятить океан, поэтому давайте предположим, какая чашка в нем важнее, и вскипятим ее. Новая модель говорит: мы можем вскипятить океан, так давайте сделаем это и посмотрим, что мы найдем. В конечном счете, чтобы полностью секвенировать геном человека, понадобилось не 30 тысяч, а всего 15 лет. Сроки и стоимость секвенирования по-прежнему падают даже быстрее, чем предсказывает закон Мура. Чтобы секвенировать первый геном, понадобилось 15 лет и 3 миллиарда долларов; в 2015 г., чтобы секвенировать другой геном, потребовалось всего 6 часов и 1000 долларов [10].

Стоимость секвенирования 1 генома, 2001–2005

Стоимость секвенирования генома снижается быстрее, чем предсказывает закон Мура.

Kris Wetterstrand (2015). “DNA Sequencing Costs: Data from the NHGRI Genome Sequencing Program (GSP).” National Human Genome Research Institute. По материалам www.genome.gov/sequencingcosts

К 2003 г. генетики покрыли все 10 футбольных полей чертежами человеческого устройства. Хотя это важное событие приобрело огромную известность, его научное значение было ограничено, так как в распоряжении ученых на тот момент не было других образцов генома человека, с которыми можно было бы сравнить полученный результат. Сегодня они появились. К 2015 г. удалось секвенировать более 250 тысяч полных геномов и миллионы частичных [11]. С помощью этих данных, а также вычислительной мощности компьютеров, позволяющих их анализировать, исследователи выявили в общей сложности примерно 20 тысяч генов, отвечающих за кодирование белков, и в большинстве случаев уже установили, какие белки они печатают [12].

Но это не книга

Теперь, когда ученые, изучающие жизнь, имеют дело с целыми геномами, они начали открывать много такого, чего прежде даже не могли заподозрить. ДНК играет в биологии гораздо более сложную роль, чем считалось всего десять лет назад. Наука выяснила, что лишь 1–2 % нашей общей ДНК на самом деле отвечает за кодирование разнообразных белков. Первым делом исследователи подумали, что остальные 98 % просто мусор – эволюционные отбросы, пока еще не отсеянные в процессе естественного отбора. Сейчас они уже не так в этом уверены. По крайней мере, стало известно, что часть «мусора» заключает в себе различные инструкции, касающиеся не штамповки, а более тонкой организации уже полученных белков. Человек устроен гораздо сложнее мушки-дрозофилы, и не только потому, что наши ДНК печатают больше белков, но главным образом еще и потому, что человеческий организм способен гораздо более утонченно манипулировать этими белками. Исследования также обнаружили, что некоторые наследственные черты вообще не кодируются в нашей ДНК. Эта новая научная отрасль называется эпигенетикой, и она так молода, что ученые выработали ее определение только в 2008 г.

А главное, наука теперь просит нас вообще отказаться от мысли, что ДНК представляет собой чертеж или схему. Скорее это склад полезных идей, которые природа накапливала с тех пор, как зародилась жизнь. Да, из ДНК возникают белки, из которых, в свою очередь, возникают клетки, которые, в свою очередь, создают ткани, которые, в свою очередь, создают органы, а вслед за тем целый организм. Но ДНК определяет организм не более, чем склад запчастей определяет, какой автомобиль будет из них собран. Этот автомобиль собирается на территории склада механизмами, которые переносят нужные детали от стеллажей к сборочной линии; его собирают рабочие, обслуживающие конвейер, и роботы, которые запрашивают определенные детали и сваривают их, дизайнеры и инженеры, которые решают, какими качествами должен обладать автомобиль, руководители, принявшие решение выпустить легковой автомобиль, а не грузовик. Каждый уровень системы может общаться с любым другим уровнем, каждый может вызвать новую цепь событий, формирующую любую другую цепь. То же самое происходит в жизни. Примерно с 2000 г. системная биология с помощью этого нового понимания начала разрушать редукционистские детерминированные представления о ДНК [13].

Природа преобразованная

Обратной дороги нет. Последние достижения в области биологии навсегда изменили отношения человека с природой. Самая непосредственная власть, которую они дают, – это познание человеком самого себя. Наши сильные и слабые стороны и склонности, как миролюбивые, так и патологические, имеют под собой физическое основание. То же касается нашего будущего. Вскоре медицина получит возможность моделировать взросление организма с помощью компьютерных программ. Но мы не только увидим проекцию своей внешности в 25 лет: наш виртуальный двойник сможет послужить безопасной лабораторией, в которой будут проверять, как наше тело реагирует на новые лекарства, операции и перемены в образе жизни. Создание новых лекарств шагнет вперед, поскольку возникшая возможность быстро и дешево воспроизвести массовые клинические испытания спишет сегодняшние методы как устаревшие.