Homo modificans. Часть вторая: Серпом по крыльям
АрхивВ фокусеПредложение разобрать по косточкам мечты о летающих или дышащих жабрами людях, которым заканчивалась статья "Клыки и когти из стволовых клеток", некоторые читатели явно поняли буквально.
Предложение разобрать по косточкам мечты о летающих, дышащих жабрами или фотосинтезирующих людях, которым заканчивалась статья "Клыки и когти из стволовых клеток", некоторые читатели явно поняли буквально. И прислали абсолютно фантастические предложения, не дав себе труда подумать, зачем это вообще надо, каких усилий потребует от будущих генных инженеров и главное - что получится, если их идеи, несмотря на невообразимые трудности, все же удастся реализовать.
Лопух, парящий на крыльях ночи
Первый приз за необузданно необдуманную задумку я бы отдал читателю, предложившему "...возможность обретения человеком способности к эхолокации, подобно летучим мышам... Понятно, что на этом пути много проблем - надо изменить строение голосовых связок, чтобы научиться издавать высокочастотные звуки, а также усовершенствовать слуховой аппарат". Пищать и слышать ультразвук - это даже не четверть проблемы. Представляете, какие симпатичные личико и ушки понадобятся таким бэтменам?
На втором месте - не дающий покоя прожектерам вопрос: "Почему бы не встроить в человека фотосинтез? Полностью о хлебе забыть, конечно, не удастся, но если хотя бы на 10% снизятся расходы на питание - это уже большое достижение".
Не помешали бы и крылья, как у летучей мыши, - для увеличения фотосинтезирующей поверхности. Представляете себе этот серо-зеленый ужас, летящий на работу с портфелем в лапках? А смелой мечте придется отказать по двум причинам: полной неосуществимости и, даже в случае осуществления, - полнейшей нерентабельности.
Наверное, можно вставить в клетку животного ген, кодирующий хлорофилл. Возможно, несчастные жертвы горе-экспериментаторов - мышки (или мушки и червячки-нематоды: с ними проще работать) сумеют избавляться от этого чужеродного вещества, выживут и даже чуть-чуть позеленеют. Но пользы им от этого точно не будет.
Фотосинтез - это не только хлорофилл. Превращение воды, углекислого газа и солнечного света в углеводы обеспечивают многие сотни белков и кодирующих их генов. Это столь сложный процесс, что я не буду и пытаться его описывать и разбирать по пунктам, какие хлоропласты, тилакоиды и прочие субклеточные структуры нужно понавстраивать в клетки человеческой кожи и какие совершенно чуждые для животного биохимические и анатомические пути придется проложить по всему организму. Да еще так, чтобы не повредить старые. На обеспечение собственно фотосинтеза работает, пожалуй, половина генома растения, а размер его - примерно как у нас с вами. И все эти гены, а главное - закодированные в них белки, процессы и структуры придется разместить в и без того плотно заполненных человеческих хромосомах, клетках и органах.
Совместный труд для пользы
И хлоропласты, и митохондрии миллиарды лет назад были бактериями, которые приспособились жить в клетках других организмов, но не как паразиты, а как полноправные участники симбиоза. Хлоропласты используют солнечную энергию для синтеза АТФ - аденозинтрифосфорной кислоты, универсального клеточного топлива. Энергия, образующаяся при обратном отщеплении от нее фосфорного остатка (с образованием АДФ - аденозиндифосфорной кислоты), идет на синтез глюкозы. Из нее в хлоропласте (тоже за счет энергии, запасенной в АТФ) днем образуется глюкоза, а из нее - крахмал (он нужен только для того, чтобы хлоропласт и клетка в целом не лопнули из-за осмотического давления, вызванного растворимыми моно- и дисахарами). Ночью крахмал снова разлагается до глюкозы, из которой образуется сахароза (димер глюкозы и фруктозы - а ее тоже надо синтезировать, потратив энергию). Сахароза за счет осмотического градиента удаляется из клетки и по сосудам попадает в запасающие органы (их-то мы с вами и едим). Освободившись от накопленного, клетка способна снова приступить к утреннему фотосинтезу. Использовать АТФ напрямую для собственных нужд растительная клетка не может: хлоропласты выпускают в цитоплазму не АТФ, а сахарозу. Специальные ферменты разлагают ее обратно в глюкозу, которая поступает в митохондрии. В них глюкоза окисляется до CO2 и H2O, из которых образовалась, а высвобождающаяся энергия снова тратится на синтез АТФ, которую клетка использует ночью, в жару и в другие периоды прекращения или замедления фотосинтеза. А на рост в высоту и толщину, образование запасов крахмала, белков и жиров в клубнях и семенах и прочие "налоги", то есть нужды организма в целом, остается только то, что не потратят внутриклеточные посредники, перечисляя друг другу энергию в разных материальных валютах (да еще и с учетом НДС - затрат энергии на каждом из этапов). Чтобы шелестеть листьями на ветру, энергии фотосинтеза хватит, а вот в футбол играть и тем более думать...
Например, для обеспечения синтеза хлорофилла нужно много азота и магния. Будем принимать таблетки минеральных удобрений? Для начала вам обеспечен непрерывный понос (соли магния, в том числе всем известная английская, или горькая, соль, - прекрасное слабительное). Нитраты и нитриты в крови разрушают гемоглобин, а в кишечнике под действием желчных кислот превращаются в канцерогенные нитрозамины. Значит, в пищеварительном тракте нужно обеспечить быстрое связывание минеральных солей в нейтральные соединения, их направленный транспорт к коже и высвобождение в хлоропластах (и на все это понадобится дополнительный расход энергии). А кишечник придется радикально перестроить - может быть, вырастить в нем небольшие корешки?
И остальную анатомию придется менять. В частности, на коже придется понаделать устьиц. Это такие сложно устроенные дырочки, через которые растения ночью дышат (совсем как мы - поглощают кислород и выделяют углекислый газ), а днем - и дышат (так же, как ночью), и поглощают необходимый для фотосинтеза углекислый газ, выводят выделяющийся при этом кислород и испаряют воду, чтобы отвести избыток тепла. Солнце не только освещает, но и перегревает растения, плюс при возбуждении молекулы хлорофилла квантом света происходит локальное повышение температуры на несколько десятков градусов. Воду этот гуманоид будет пить ведрами и на яркое солнце не высовываться - иначе сработают те же механизмы, которые у растений прекращают фотосинтез при нехватке влаги, перегреве и избыточном освещении. Кстати, придется перестроить и весь водно-солевой обмен, включая строение почек. Потовые железы - убрать: пот зальет устьица, да еще и сработает как линзы, сжигающие клетки (на солнцепеке растения, как известно, не поливают). А для компенсации в жару мы будем часто-часто дышать, высунув язык - как собаки. И так далее.
Но предположим, какая-то сверхцивилизация все же создаст таких зеленых человечков. Да над ними ж вся Галактика смеяться будет! Тут не нужно ни биологии, ни даже калькулятора: посчитать результат можно на пальцах. Предположим, эти чуды-юды будут проводить весь световой день на открытом воздухе и голыми. Поверхность тела мы им увеличим за счет ушей-зонтиков или крыльев (хотя сделать гуманоида еще и летающим - отдельная и не менее сложная задача). В результате несчастный уродец нафотосинтезирует в год столько же запасов калорий, что и грядка пшеницы или кукурузы той же площади - примерно как в одном-двух батонах. И на сколько же процентов снизятся расходы на его питание? Да они еще и повысятся! Хотя бы потому, что голый организм требует повышенного расхода энергии для обогрева (а кожу при этом надо охлаждать до температуры, оптимальной для фотосинтеза, - 12–20 градусов). Приятного фотосинтеза, фантазеры!
Цели и средства
Единственная в мире генетически модифицированная обезьяна родилась в 2001 году в Орегонском региональном центре изучения приматов. При этом "потери" были примерно такими же, как при модификации других животных:
- ген зеленого флуоресцирующего белка, который часто используют как маркер - для проверки, внедрился ли в хромосому целевой ген (или, как в этом случае, просто для отработки методики) ввели в 224 обезьяньи яйцеклетки;
- после оплодотворения "в пробирке" 126 из них начали развиваться в зародыши;
- суррогатных матерей-мартышек у исследователей оказалось только двадцать, и в их матки ввели сорок эмбрионов;
- полноценная беременность наступила только у пяти самок - у остальных эмбрионы не прижились;
- живых детенышей родилось всего трое;
- и только у одной обезьянки проявился желаемый признак: ее шерстка в ультрафиолете светилась зеленым.
Об этической стороне аналогичных экспериментов на людях говорить не будем - рассмотрим чисто техническую часть.
Чтобы перенести один-единственный целевой ген в организм одного-единственного животного, нужны огромные деньги и многолетний труд коллектива квалифицированных специалистов. Удаление или добавление даже одного гена может изменить очень многое (об этом - позже). Но создание на базе Homo sapiens летающих или водоплавающих гуманоидов потребует принципиально других подходов.
От наших кузенов шимпанзе нас отличает всего 4–5% генома, и большая часть различий не имеет существенного значения. Чтобы получить Адама и Еву альтернативной версии Человека Разумного, взяв за основу пару яйцеклеток какого-нибудь дрио- или австралопитека, все той же гипотетической сверхцивилизации потребовалось бы убрать, добавить и заменить в человекообразном геноме всего несколько сотен генов. Для радикальных изменений человеческой биохимии, физиологии и анатомии порядок величин будет примерно таким же. Но количество здесь перейдет в качество настолько, что ограничиваться надстройкой флигеля к старому зданию человеческого организма просто глупо: при таких возможностях можно выполнить и капитальный ремонт.
Для начала придется перевести все 3 млрд. букв человеческого генома в связный текст, понять смысл каждого слова, каждого предложения и главы, да еще и разобраться с многочисленными гиперссылками - например, пятью тысячами генов, дирижирующих развитием зародыша. Считается, что около 30 тысяч работающих генов (структурных - кодирующих белки, и регуляторных - управляющих работой других генов) занимают 5% нашего генома. Остальную ДНК называют "мусорной" - очень условно: кроме явно ненужных участков, в ней есть и множество таких, которые хоть и не кодируют ни белков, ни РНК, но выполняют другие важные функции - например, обеспечивают сворачивание нитей ДНК в спирали первого, второго и третьего порядков. Чтобы провести "чистку и дефрагментацию диска", следует разобраться не только в функциях каждого гена, но и в деталях их взаимодействия и регуляции их активности на всех уровнях - от молекул до целого организма, от зачатия до смерти. Простейший пример: все клетки организма содержат абсолютно одинаковый набор генов, но нейроны не производят соляную кислоту, а клеткам слизистой желудка не нужны медиаторы для передачи нервных импульсов.
Двадцать четвертая пара
Искусственные хромосомы дрожжей уже давно стали обычным инструментом для исследований в молекулярной биологии. Чаще всего их применяют для клонирования генов других эукариотических организмов - например, для создания геномных библиотек. В мае текущего года ученые Университета штата Миссури разработали метод создания полноценных мини-хромосом растений, несущих функционирующие гены.
Первые искусственные мини-хромосомы человека создали в 1997 году ученые из компании Athersys и Кливлендского университета (штат Огайо). Такая хромосома состоит только из служебных элементов: центромеры (структуры, к которым при делении клетки прикрепляются нити, растягивающие парные хромосомы), точки инициации репликации (удвоения хромосом) и теломер (концевых участков, играющих важную роль в репликации ДНК). На эту чистую болванку можно поместить сколько угодно генов и ввести дополнительную пару хромосом в стволовые клетки, а их - в организм больного. Когда технология создания мини-хромосом человека будет отработана до конца, ее можно будет применять для генотерапии - например, чтобы обеспечить синтез белка, ген которого у больного не работает из-за мутации. Возможно, когда-нибудь с помощью дополнительных хромосом будут создавать новые породы и даже виды животных. А насчет людей с лишней парой хромосом поговорим лет через пятьдесят.
В начале нынешнего месяца знаменитый Крейг Вентер подал патентную заявку на "рукотворный" микроорганизм Mycoplasma laboratorium. Целому холдингу исследовательских институтов понадобилось почти десять лет на осуществление проекта "Минимальный геном" и синтез хромосомы микроба, содержащего около четырехсот генов, - ничего лишнего, только то, что необходимо для жизни в тепличных лабораторных условиях. В такую минимальную хромосому можно будет добавлять нужные гены, конструируя микробы с нужными свойствами (см. также стр. 13. - Л.Л.-М.). Аналогичная задача для многоклеточного организма на много порядков сложнее, но предположим, что и она решена: создан минимальный геном Homo sapiens, содержащий все необходимое и ничего лишнего. После этого можно будет добавить в него гены, необходимые для формирования крыльев, жабр и слоновьих ушей с хлорофиллом. Но зачем?
Человек тем и отличается от животных, что не подстраивает свой организм под условия среды, выращивая в пустыне горбы и уши-лопухи для отвода тепла, впадая в зимнюю спячку на севере, а формирует среду своего обитания - надевает одежду, строит пещеру с очагом или включает кондиционер. Любое животное специализировано для определенной экологической ниши, и ихтиандры никогда не смогут летать, а икары - нырять. А Гомо сапиенс, не имеющий ничего специального - ни быстрых ног с копытами, ни крыльев, ни способности нырять на километр, обладает собственными эволюционными преимуществами - разумом и руками. Не лучше ли пользоваться мотоциклом, дельтапланом, аквалангом и т. д., чем выводить рукокрылые и водоплавающие породы людей?
Предположим, что ради бессмысленной цели родить одного Гомо акватикуса или Гомо крылатикуса сотни женщин рискнут выкидышем на разных стадиях и будут любить, как своих, человекодельфинчиков и человекодубочков - кто его знает, как изменится мораль через сто или тысячу лет. Фантазировать - так по полной: давайте построим биореактор, заменяющий человеческую матку вместе с необходимыми для ее жизнедеятельности органами. А для чего? Чтобы показывать монстров на ярмарках? Или поставить производство модифицированных гуманоидов на поток и создать цивилизацию монстров - и будет она сосуществовать с прародительской или заменит ее? А чем вам не нравятся просто люди?
Кстати, а согласитесь ли вы сочетаться законным браком даже не с крылатым или жабродышащим, а с вполне человекообразным существом, у которого глотательное отверстие находится на животе, прикрытом (как и горло) черепаховым щитком, на руках - по лишнему большому пальцу, на затылке - третий глаз, коленные суставы размером с голову... что вы там еще понапредлагали? И представьте, каких детишек вы нарожаете? Желтых гладких и зеленых морщинистых, как менделевские горошины?
Тему геномодификации человека хорошо проработали фантасты. Лично мне больше всего нравится подход Сергея Лукьяненко: в смоделированном им будущем родители могут заказать любой, в более-менее разумных пределах, набор качеств будущего ребенка, вроде повышенной сообразительности, силы, скорости, инфракрасного зрения и т. д. А прирожденных дворников с руками до пола и сантехников с пальцами, при которых не нужен гаечный ключ, автор, по-моему, упоминает специально для того, чтобы напомнить читателю: это всего лишь фантастика!
О ненужных и несбыточных мечтах мы поговорили, пожалуй, даже слишком подробно. О менее фантастичных, но более приближенных к реальности вариантах Человека Усовершенствованного читайте в заключительной части статьи.
Продолжение следует.
- Из журнала "Компьютерра"
