Спасти мир, накормить человечество

Академик Евгений Давидович Свердлов — один из самых авторитетных отечественных молекулярных биологов. В 1972–1973 гг. он выдвинул и экспериментально обосновал метод определения последовательности нуклеотидов в ДНК, иными словами, секвенирования; идея получения и разделения фрагментов ДНК разной длины по сути была той же, что применяется и во многих современных секвенаторах. В 1980-е годы лаборатории Е.Д. Свердлова, Ю.А. Овчинникова и Р.Б. Хесина исследовали гены бактериальных РНК-полимераз и обнаружили мутации устойчивости к антибиотику в гене этого фермента у туберкулезной палочки. Свердлов клонировал гены интерферона человека, которые внедрили в бактериальные штаммы для промышленного производства. Рекомбинантный человеческий интерферон — первый отечественный генно-инженерный препарат, используемый в клинике, — применяется и сегодня как противовирусное, противоопухолевое, иммуномодулирующее средство. Позднее он занимался ретровирусами, в том числе их онкогенным действием, а в последние годы всерьез увлекся разработкой противораковых препаратов.

Тем удивительнее было услышать от Евгения Давидовича, что всё, чем он занимался раньше, по важности несопоставимо с нынешним его увлечением.

Надо менять систему. Фотосинтеза

Евгений Давидович, слышала, у вас новое место работы?

Я думал, что уже окончательно стал пенсионером, но тут меня пригласили руководить генетическим центром мирового уровня в НИЦ «Курчатовский институт». В этот центр входит несколько институтов, в том числе в Санкт-Петербурге, Никитский Ботанический сад в Крыму, Институт цитологии и генетики в Новосибирске. И все они занимаются, на мой взгляд, одной из самых актуальных на сегодняшний день проблемой — обеспечить продовольствием все время растущую популяцию земного шара.

Именно на эту тему у вас недавно вышла статья в журнале Plants?

Это моя первая публикация в данной области. По-русски она называется «Сможет ли редактирование геномов быть центральным элементом в решении проблемы прокорма растущей популяции человечества?»

Если коротко — сможет?

Коротко — не сможет. Это очень хорошие методы, и в этом нет никакого сомнения. Они могут быть чрезвычайно полезными в решении отдельных частей этой проблемы. Но не в целом. Потому что это методы, которые позволяют менять в заданном направлении определенные последовательности. Одну или несколько последовательностей. Но те признаки, которые интересуют исследователей и которые могут решить эти проблемы, — это так называемые сложные признаки. Это не один и не два-три отдельных гена, это система взаимодействующих белков, кодируемых разными генами — сложная система.

Но эти гены тоже можно редактировать?

Можно. Но эти системы отличаются тем, что суммарный эффект действия компонентов, которые в них входят, не равен сумме эффектов элементов, входящих в систему. То, что появляется в результате их взаимодействия, называется emergent properties — «возникающие свойства». И эти возникающие свойства непредсказуемы.

Очень наглядный простой пример сложной системы — вода. У вас есть два атома водорода и один атом кислорода, и они объединяются вместе. Никто не мог бы предсказать, исходя из свойств газа водорода и газа кислорода, что образуется Н₂О и что она будет жидкостью, что ее температура кипения будет 100 градусов, 0 градусов — замерзания, что у нее будет определенная вязкость и поверхностное натяжение и прочее.

Например, урожайность — это сложный признак, в нее входят разные гены. И отредактировать один, два или три гена — пустая затея. Во-первых, нельзя выбрать, какие гены редактировать, а во-вторых, нельзя предсказать, как это редактирование скажется на желаемом продукте — на урожайности.

Сейчас принято считать, что одним из важнейших способов повышения урожайности является усовершенствование фотосинтеза. Фотосинтез очень неэффективен. Растение ловит свет, преобразует его в вещества, но от уловленного света в дело идет только несколько процентов, а остальное пропадает.

Гены, участвующие в фотосинтезе, известны, и можно было бы их как-то менять. Что может быть проще? Но попытки менять отдельные гены практически не дают желаемого результата. Теперь надежда на то, что можно не редактировать отдельные компоненты, а одну сложную систему заменить на другую. Допустим, сложную систему фотосинтеза растений заменить на сложную систему фотосинтеза у зеленых водорослей, цианобактерий. Там она гораздо более эффективна. До недавнего времени это было довольно трудно, практически неосуществимо.

Не представляю, как это можно сейчас осуществить.

Специалисты видят, как это осуществить. Ведущую роль здесь будет играть синтетическая биология, появившиеся возможности синтеза очень длинных последовательностей нуклеиновых кислот. С помощью синтетической биологии можно заменять одни длинные элементы в геномах растений на другие длинные элементы, взятые из цианобактерий. Но пока это только стратегическая перспектива, которая, в свою очередь, требует тактический решений.

Что это дает растениям? Они будут лучше расти? Эффективнее плодоносить?

У них будет более эффективный фотосинтез, такой же эффективный, как у цианобактерий. А поскольку именно фотосинтез является узким звеном в продуктивности, в «полезном выходе» растений, которые получают свет, эффективность может повыситься значительно.

Credit: 123rf.com

«Без ГМО»

Помню, надежды возлагались на генно-модифицированные растения. Константин Георгиевич Скрябин говорил о том, что это будущее нашей науки, и именно этими методами можно накормить человечество. А сейчас почему-то про ГМО-растения, животных уже мало говорят. Мода прошла, или оказалось, что это не настолько здорово, как думали вначале?

Существует очень сильная оппозиция. Заходишь в магазин, тебе пишут: «Без ГМО». И это не страхи отдельных людей, а политика государств. Они устроили очень жесткую регуляторную систему.

Опасения, на мой взгляд, необоснованные, уже существует длительный опыт использования генно-модифицированных растений и животных. Но против регуляторных органов, как говорится, не попрешь. Эти органы должны учитывать политический момент, настроение избирателей, которые весьма консервативны и хотят есть натуральное мясо, а не генно-модифицированное. Существуют партии «зеленых», которые сейчас активно выступают и не вникают в научные тонкости этих вещей, не хотят знать правду.

А в чем правда?

Правда в том, что у нас вокруг происходит постоянная генная модификация, все живые организмы постоянно меняются. Чтобы было понятно, у нас с вами около 10¹⁴ клеток. Это очень много, почти невозможно посчитать. Тут приходится рассуждать порядками величин, а не точными величинами. И когда любая из этих клеток разделяется, то в ней возникают две, три, пять мутаций. За одно только деление эти клетки получают две-три мутации, а на протяжении жизни многие клетки проходят гораздо больше делений. С самого начала, как только сперматозоид и яйцеклетка объединяются, начинается деление. Мы получаем при первом же делении две клетки, и они уже отличаются друг от друга. Даже гомозиготные идентичные близнецы отличаются кардинально.

Можем ли мы сказать, что опыты человечества по генной модификации — это мелочь на фоне той огромной генетической модификации, которую устроила природа?

Конечно. И в поле, естественно, выпускают то, что прошло многочисленные испытания. Никто не выпустит вредный продукт.

А в чем разница между генной модификацией и генным редактированием?

Генное редактирование – это тоже генная модификация, один из ее вариантов. Генная модификация, как правило, заключается в том, в геном вставляется большой фрагмент чужеродной ДНК, который придает организму способность синтезировать — если говорить о растениях и животных — какие-то полезные вещества. Или увеличивать синтез какого-то вещества в организме. И этот фрагмент обычно вставляется в геном случайным образом.

А генное редактирование отличается тем, что в последние годы нашли способ строго в определенном месте вводить мутацию. Не длинный фрагмент, хотя с помощью генного редактирования можно и длинные фрагменты встраивать. Но, как правило, это то, что называется точечной мутацией. Если вы знаете, как функционирует данный ген, то у вас появляется орудие осуществления вашей строго направленной идеи.

Как я понимаю, Нобелевка по химии 2020 года получена как раз за такие возможности.

Да. Но мне кажется, что нам важнее говорить не об отдельном генном редактировании, а о чем-то глобальном. Мы не можем дальше расширять площади посевов, потому что существуют пределы, установленные учеными. Нельзя выходить за определенные рамки использования земли. Мы уже подошли к пределу, дальше начинается экологическая катастрофа, когда нам не будет воды, кислорода и так далее.

И что же делать?

Этому вопросу как раз моя статья и посвящена. Один путь я назвал: увеличивать продуктивность растений. Можно увеличить эффективность фотосинтеза, но это только один путь. Можно попытаться увеличить снабжение растений азотом, это очень важно. Азотные удобрения отравляют почву. В то же время существуют растения, главным образом бобовые, у которых на корнях есть клубеньки, в которых обитают бактерии, способные усваивать азот из воздуха. И если гены азотфиксации из этих клубеньков бобовых растений перенести каким-то образом в пшеницу, или создать азотфиксирующие бактериальные симбионты у пшеницы, то мы повысим урожай пшеницы без отравления почвы удобрениями. То же самое можно сказать и о фосфоре.

Credit: 123rf.com

Это возможно практически?

Теоретически возможно. Мы всегда начинаем с проверки гипотезы. Это очень важный элемент в науке — построить гипотезу. А дальше попытаться показать, верна она или нет. Очень часто это не оправдывается, потому что сложные системы нелинейны. А мышление человека устроено абсолютно линейно. Мы не можем представить себе сложное взаимодействие, поэтому мы всегда всё разбиваем на элементы и берем аддитивный эффект.

На то, чтобы создать практически полезный продукт, уходят годы. Вы можете построить очень красивую гипотезу, убедить всех дать вам дать на нее денег, а когда вы начнете над ней работать, она оказывается неверной. В доклинические испытания входят продукты ваших гипотез. На начальном этапе их сотни. А на конечном этапе — десятки, все остальное отбрасывается: они были очень красивыми, работали на мышах, а на человеке не работают.

«Генная хирургия» Алексеенко и Свердлова

Говорю всё это со знанием дела, потому что проходил этот путь. Для меня сейчас настал очень важный момент: после десяти лет работы над одним из первых в России генно-терапевтическим препаратов мы получили разрешение на клинические испытания!

Когда это произошло?

Буквально несколько дней назад. Это генно-терапевтический препарат, который вводит в раковую клетку генетическую систему, превращающую нетоксическое пролекарство в лекарство, токсичное соединение для раковых клеток. Как правило, во всем мире для этих целей пользуются вирусными геномами, в них вводят эти гены, и эта конструкция эффективно проникает в клетку. Но вирусы наращивать в нужных количествах — страшное дело, поэтому вирусные препараты для генной терапии часто не проходят через разрешительную систему. А у нас не вирусный препарат.

Каким образом он транспортируется? Что является носителем?

Это наночастицы, подобные тем, что Moderna и Pfizer использовали для создания вакцины. Они создали наночастицу, внутри которой информационная РНК, кодирующая некие элементы, определяющие структуру поверхностного белка вируса SARS-CoV-2, и это — новация, потому что наночастица маленькая, она легко проникает в клетки. Мы тоже создаем наночастицы, но у нас не РНК, а ДНК. В этой ДНК содержится ген тимидинкиназы вируса простого герпеса.

Как интересно! Он не токсичен?

Нет. Но он синтезирует фермент вируса простого герпеса — тимидинкиназу, которая отличается от тимидинкиназы, работающей в нашем организме. Обычная тимидинкиназа нашего организма способна переносить фосфор на тимидин и превращать его в тимидинмонофосфат, ТМФ. Тимидинкиназа вируса простого герпеса, в отличие от нее, способна также фосфорилировать аналог нуклеотида, который называется ганцикловир. Ганцикловир — это противовирусное средство, после того, как тимидинкиназа вируса герпеса его фосфорилирует, он может быть включен в синтезируемую цепочку ДНК. И как только ганцикловир встраивается в вирусную ДНК, дальнейший ее синтез невозможен, цепочка обрывается.

Так вот, мы этот ген помещаем в раковую опухоль, там начинает синтезироваться тимидинкиназа вируса простого герпеса. И мы даем пациенту ганцикловир. Он фосфорилируется только в раковых клетках, куда мы ввели тимидинкиназу простого герпеса, встраивается в ДНК, и только в раковых клетках начинает обрывать синтез ДНК. Раковые клетки погибают.

Вы это уже проверили на животных?

Да. Мало того: когда раковые клетки погибают, они дают много специфических раковых антигенов, на которые начинает вырабатываться иммунный ответ, и погибают в значительной степени метастазы, что очень важно.

Потрясающе! Я вас поздравляю, это действительно замечательно!

Да, для нас это большое событие. Скоро начинаются клинические исследования. У меня есть ученица, очень целеустремленная и чрезвычайно энергичная, — Ирина Васильевна Алексеенко, сокращенно ИВА. Мы создали фирму «Ива» специально для проведения клинических испытаний, а затем более целеустремленную — «Генная хирургия». Это по условиям Сколково необходимо. Если бы не энергия Ирины, ничего этого не получилось бы. Ее приглашали в фирмы, давали зарплату сразу полмиллиона, а здесь она у меня получает максимум 70 тысяч, и она здесь.

Прекрасно, что вы свои онкологические идеи не забросили и продолжаете этим заниматься. Связано ли это с тем, чем вы увлечены сейчас?

Эти идеи взаимосвязаны тем, что всё это сложные системы. В сложной системе самое важное — взаимодействия между соседями. В раковых клетках сложное взаимодействие осуществляются между собственно раковыми клетками и их окружением, так называемыми стромальными клетками.

Здесь у меня есть определенная идея. Недавно я опубликовал статью на эту тему в журнале BioEssays. Мы знаем синапсы в нервных клетках между нейронами. А есть иммунологические синапсы: клетки иммунной системы образуют с теми клетками, с которыми они взаимодействуют, синаптическую щель. В этой статье я высказывал гипотезу, что между раковыми клетками и клетками окружения тоже должны возникать синапсы.

Почему синапсы важны? Потому что они обеспечивают направленный поток веществ от одной взаимодействующей клетки к другой. Если бы не синапсы, они бы отправляли эти вещества в пространство, и тогда они бы просто растворялись, их концентрация оказывалась бы недостаточной для того, чтобы воздействовать на соседние клетки. А так они образуют прочный контакт, и через этот контакт идет поток веществ. И это один из немногих способов, с помощью которых клетка может влиять на соседнюю клетку.

Евгений Свердлов. Фото: Наталия Лескова

Создать изобилие в тесном мире

Всё это крайне важные вещи, ведь рак — это убийца человечества номер один. Почему же вы говорите, что вся ваша предыдущая работа кажется вам ерундой по сравнению с тем, чем вы занялись сейчас?

Потому что человечество находится на грани катастрофы. Одни предрекают, что планета достигнет критического порога уже к 2030 году, другие — в 2050-м. Эти даты, вписываются в продолжительность жизни многих людей, живущих сегодня. Остается мало времени.

Эта катастрофа будет вызвана безудержным расходованием ресурсов планеты. Сейчас на грани уничтожения миллион видов, в последние годы идет резкое потепление, начинаются климатические катастрофы — лесные пожары, реки затопляются тающими льдами, вечная мерзлота тает. А в Сибири есть захоронения, например, сибирской язвы, и не только. Там лежат в вечной мерзлоте древние микробы, с которыми мы никогда не сталкивались. А если они выскочат наружу? Сейчас организации, представляющие 45 миллионов врачей всего мира, обращаются к правительствам с призывом принять срочные меры, связанные с тем, что климатические изменения резко сказываются на здоровье людей. И если дальше так пойдет, то начнут гибнуть люди, животные. Начнется всемирный потоп…

Звучит пугающе. Но как это связано с вашей продовольственной программой?

Очень просто. Во введении я излагаю, что ввиду надвигающейся катастрофы нам нужно срочно думать над этими проблемами. Нужно резко сокращать выбросы, нужно предпринимать срочные меры, увеличивать эффективность продовольственной продукции. И я всем этим в комплексе хотел бы сейчас напоследок заняться. Я вдруг понял, что ничего важнее нет. Что сейчас, в принципе, все ученые должны на этом сосредоточиться. Это острие самого существования человечества. Выжить! И не просто выжить, а сохранить качество жизни.

Мой любимый ученый нобелевский лауреат Сидней Бреннер в 2006 году предсказывал, что мы, несомненно, потерпим катастрофу, но некоторые из нас все же выживут, и тогда они дадут начало новой популяции, в которой биологические законы будут превалировать над законами культурными. У нас сейчас превалируют культурные законы, мы забыли про законы биологические. Сейчас мы пожинаем последствия такой забывчивости. И дальше он сказал: «Тогда начнет работать эволюция, и в ней победят люди с малым размером тела, достаточным для того, чтобы обеспечивать работу головного мозга». Многие предупреждали. Мальтус еще в XVIII веке предупреждал о том, что скорость роста популяции будет превышать скорость роста производства ресурсов.

Но тут я попадаю в некоторое противоречие: с одной стороны, мы лечим больных и тем самым идем против эволюции. С другой стороны, мы хотим сохранить популяцию в безопасности.

Но как же отказаться от возможности лечить людей?

Это нравственная катастрофа. Она заключается в том, что, конечно, с точки зрения отдельного человека и всех принятых на сегодняшний день культурных установок мы должны пытаться спасать всех. Но с точки зрения человечества, как вида, это как раз негуманно. И в той статье заключение начинается со слова Шекспира: «Чтоб добрым быть, я должен быть жесток». Там как раз обсуждается, что вопросы популяционные — это очень тонкие вопросы. Очень болезненные. Но сейчас нам надо над ними задумываться.

Почему вы именно в этом журнале опубликовали эту статью, а не отдали в более крутой журнал, например, в Nature?

Дело в том, что Plants – это специализированный журнал. Процесс публикации очень сложный, и то, что я там высказал, на самом деле вещи непопулярные. Надо было с чего-то начинать.

Давайте скажем несколько слов о ваших соавторах.

Антон Буздин — мой ученик. Он занимается онкологическими проблемами с биоинформационной точки зрения, разрабатывает программы, которые позволяют осуществлять поиск раковых генов. Максим Владимирович Патрушев — биоинформатик, трудится в Курчатовском институте, руководит геномным центром. Он специализируется, в частности, на создании баз данных по растениям. Он мне очень сильно помогал в работе именно в этой части.

Евгений Давидович, вы хотите накормить человечество. Как думаете, получится эти идеи внедрить в практику?

Если мы все не помрем, а сейчас это очень вероятно, то надеюсь, что получится. Сейчас выдвинут принцип «Think globally, act locally» — «Думай глобально, действуй локально». Для того чтобы достигнуть глобального эффекта, каждое государство должно сделать все возможное для того чтобы ограничить безумные траты энергии. Мы вообще непозволительно много тратим. Я не считаю, например, что каждый человек должен иметь машину. Когда я рос и учился, машины давали передовикам производства, космонавтам. Я получил право приобрести машину, только избравшись членом-корреспондентом Академии наук.

Но и передовиком вы были. Знаю, когда-то вы не прошли на физфак МГУ и стали рабочим высокого разряда…

Я был слесарем-трубопроводчиком. Поступил учеником слесаря третьего разряда (мой наставник, слесарь, говорил мне: «Женька, все надо делать хорошо. Плохо само получается». Я это навсегда усвоил). Потом сам стал слесарем третьего разряда, а под конец сдал экзамен на слесаря четвертого разряда. Там еще есть пятый и шестой, а седьмой — это уже мастер.

То есть было куда расти. Мне очень понравилось, как про вас написано в Википедии: «Получил четвертый разряд, но, несмотря на это, опять пошел поступать в МГУ, уже на химфак».

Вот вы смеетесь, а я часто думаю: какой же я был дурак! Как хорошо быть слесарем — он всем нужен. Все готовы тебе поставить бутылку или заплатить какие-то деньги, чтобы ты пришел. И главное: ты закончил работу — и свободен! А я работаю круглосуточно, мозг трудится совершенно независимо от меня. Идеи появляются абсолютно неожиданно. Я встаю иногда рано утром, и первое, что делаю — бросаюсь к компьютеру и записываю. С этого часто начинается мой рабочий день.

Думаете, если не пошли бы в МГУ, то смогли бы работать слесарем, и вас бы это никак не беспокоило?

Кто знает. Бытие определяет сознание. Это правда.

Но раз уж вы не слесарь, а академик, будем надеяться, что какая-то из ваших идей сработает, и человечество будет спасено.

Поздно! Поздно с разных сторон: и мне поздно, к сожалению, поэтому я очень жалею, что не занялся этим раньше. Да и для человечества, возможно, поздновато. Но попробовать все-таки надо.