Именно поэтому мне так хотелось попасть в Рослинский институт и побеседовать с исследователями, узнав их мнение относительно генной инженерии, а также поговорить о новейших методах, применяемых в данной области. Ведь они пионеры, они работают на научном фронте. Они лучше, чем кто бы то ни было, разбираются в науке, равно как и в путанице, возникающей из-за особенностей человеческого восприятия, предубеждений и здравых опасений. Кроме того, эти ученые знают все о генах курицы – первого домашнего животного, геном которого был полностью расшифрован, произошло это в 2004 году. Адам Балик рассказал мне о генетических технологиях и возможности их применения, Хелен Сэнг поведала о научной отрасли в целом и о кипящих вокруг нее страстях, а Майк Макгру представил удивительные инновации, а также поделился своим видением того, как эта технология работает на пользу мира.
Меня встретил Адам и проводил в свой залитый светом кабинет на втором этаже здания с фасадом из стали, стекла и меди, в котором базируются рослинские ученые. Стены помещения украшали плакаты, изображающие стадии эмбрионального развития цыпленка. Мы сели за стол, и Адам показал мне серию изображений на мониторах, занимавших большую часть его рабочего места. Я увидела острова ярко-зеленого цвета на темном фоне. Это были фотографии, сделанные при помощи микроскопа и изображающие развивающийся куриный эмбрион. Мы рассматривали фотографию его шеи, и зеленые области соответствовали определенному типу ткани – лимфоидной ткани, той самой, из которой состоят и наши с вами лимфоузлы. На самом деле обычно эта ткань не светится зеленым, но Адам модифицировал эмбрион, вставив в геном цыпленка репортерный ген, кодирующий флуоресцентный белок, вызывающий зеленое свечение в местах развития лимфоидной ткани.
Данное изменение в ДНК эмбриона Адам внес традиционным методом: эта технология применяется для модификации генов кур уже по крайней мере лет двенадцать. Фактически всю работу выполнили вирусы. Многие вирусы действуют за счет внедрения своей ДНК в геном организма носителя, и данным механизмом можно воспользоваться, чтобы ввести в клетку другого организма необходимый ген. Такие вирусные векторы изначально были разработаны для использования в генной терапии человека, но они отлично действуют и для кур. Несмотря на то что в основном направить вирус именно к определенному месту в геноме невозможно, сами вирусы достаточно точно определяют участки для внедрения генов там, где этот ген будет читаться клеткой, или экспрессироваться.
Адам использовал этот проверенный на практике метод, чтобы заставить лимфоидные клетки куриных эмбрионов светиться. Сначала он определил белок, который обычно продуцируется этими клетками и который отсутствует в других типах клеток, а затем нашел «переключатель», то есть регуляторную последовательность, расположенную непосредственно перед геном, кодирующим данный белок. После этого Адам сконструировал новый фрагмент ДНК, состоящий из найденного «переключателя» и заранее выделенного у медузы гена, кодирующего зеленый флуоресцентный белок. Используя вирусный вектор, Адам мог поместить созданную им структуру – переключатель и ген медузы – в куриный эмбрион. Тогда во всех клетках лимфоидной ткани при «включении» гена, кодирующего нормальный белок, также активировался ген, кодирующий флуоресцентный белок. Генетически модифицированный эмбрион окрашивался соответствующим образом, давая исследователям возможность видеть точное расположение лимфоидной ткани в ультрафиолетовом свете под микроскопом.
«Это не просто картинки. Благодаря этим фотографиям мы можем вести определенные подсчеты», – объяснил Адам. Снимки указывают точное месторасположение в эмбрионе развивающейся лимфоидной ткани, связанной с иммунной системой. Адам исследовал развитие иммунной системы цыпленка, и эти невероятные кадры служили ключом к пониманию того, как формируются клетки и ткани данной системы организма. Так ученые могут видеть, как создаются защитные механизмы птичьего организма: это все равно что отмечать на старинной карте укрепления, пытаясь понять, каков будет ход битвы. Иммунная система птиц совершенно не похожа на иммунную систему млекопитающих – настолько, что ученые задаются вопросом: как птицы смогли выжить, не имея тех средств защиты, что развились у млекопитающих?
«Практически все, что нам удалось узнать о млекопитающих, говорит о том, что птицы просто не должны существовать, – признался Адам, – но они живут в той же самой среде и справляются с теми же самыми патогенами своими способами». Зачастую путь науки заключается именно в том, чтобы отмечать подобные различия и пытаться понять их причину. Лимфатические узлы играют важнейшую роль в организме млекопитающих, в том числе человека. У птиц есть скопления лимфоидной ткани, но по степени дифференциации они далеки от лимфатических узлов, и тем не менее пернатые прекрасно живут без них. Любопытная загадка. Лимфатические узлы имеют довольно сложное строение. Почему же они развились у млекопитающих и отсутствуют у птиц? Если нам удастся понять, как птицы противостоят инфекциям с помощью своей необычной иммунной системы, то мы будем больше знать и о работе защитных механизмов организма человека.
Помимо прочего, генетическая модификация позволила ученым проследить процесс развития эмбриона с беспрецедентной точностью, и, без всякого сомнения, это важный инструмент в рамках подобных фундаментальных исследований. Но что насчет применения данной технологии за пределами лаборатории, по отношению к курам, выращиваемым на мясо? Исследователи из Рослинского института изучили проблему и под этим углом, предложив использовать сочетание «причуд» эмбрионального развития с удивительно точной новой технологией редактирования генов.
Для распространения определенного варианта гена в поголовье кур необходимо поместить этот ген в клетки, из которых потом образуются гаметы (гаметы – это яйцеклетки и сперматозоиды). Такие клетки, расположенные в половых железах кур (и людей), называются первичными половыми клетками. По сути, речь идет о бессмертных клетках, которые постоянно делятся, и часть их «потомков» превращается в яйцеклетки или сперматозоиды, в зависимости от пола животного, а часть остаются первичными половыми клетками, готовыми продолжать деление, производя все новые яйцеклетки и сперматозоиды и заменяя родительские клетки. Обычный способ, благодаря которому необходимый ген оказывается в первичных половых клетках, – это селективное разведение, косвенный путь, успех которого зависит от чистой случайности. Определяют кур, обладающих необходимым признаком, скрещивают их, и ученым остается лишь надеяться, что ген, отвечающий за интересующий их признак, находится в гаметах и передастся некоторым особям нового поколения. Распространение признака во всем поголовье требует нескольких поколений. Но представьте, что этот процесс можно было бы ускорить, снабдив все яйцеклетки курицы или все сперматозоиды петуха нужным геном, – тогда можно быть уверенным, что после скрещивания у всех потомков будет иметься этот ген и проявится желаемый признак. Именно это и позволяет сделать новая технология редактирования генов. И, по счастливой случайности, изъять первичные половые клетки из куриного эмбриона для их последующего изменения достаточно просто.
Куры вызывают у эмбриологов глубокий интерес еще со времен Аристотеля, который три недели наблюдал за развитием цыплят в яйце. Можно удалить часть скорлупы, чтобы следить за процессом роста эмбриона – и даже взаимодействовать с ним, – не причиняя ему вреда. Цыпленок развивается с одной стороны яйца – с его строением, полагаю, все мы знакомы. До того как яйцо покрывается белком, а затем скорлупой, оно представляет собой желтый сгусток, в котором большую часть пространства занимает крупный желток.
Куриное яйцо после овуляции достигает 2,5 см в диаметре, а человеческая яйцеклетка – всего 0,14 мм. На самом деле, по сравнению с другими клетками нашего организма, это очень крупная клетка. В ней содержится достаточное количество цитоплазмы – внутренней среды клетки, – чтобы обеспечить развитие эмбриона после оплодотворения. Оплодотворенная человеческая яйцеклетка делится, превращаясь в шар из клеток, при этом ее размер не меняется. А вот неоплодотворенное куриное яйцо огромного размера. Его диаметр примерно соответствует диаметру желтка в яйце, которое мы едим, и большая часть неоплодотворенного яйца из него и состоит. Это одна крупная клетка, напичканная питательными веществами желтка для обеспечения развития эмбриона, и совсем-совсем крошечное количество цитоплазмы на одном конце – все это можно разглядеть за завтраком, если захотите. В цитоплазме находится ядро с хромосомами – генетическим материалом, который новый организм получит от матери. Отцовский генетический материал в яйцеклетку доставляет сперматозоид. И вот тогда-то и начинается самое интересное. Если оплодотворенные яйцеклетки млекопитающих делятся медленно – первое клеточное деление (на две клетки) происходит примерно через двадцать четыре часа после оплодотворения, то оплодотворенное куриное яйцо так долго не ждет. К моменту, когда курица откладывает яйца, то есть примерно через двадцать четыре часа после оплодотворения, в яйце уже сформировался зародышевый диск (бластодиск), из почти 20 000 клеток. Если сразу же вскрыть скорлупу яйца, легко заметить этот белый диск на поверхности желтка. Если отложенное оплодотворенное яйцо содержится в тепле, зародышевый диск – те самые 20 000 клеток – продолжает расти, делиться и формировать куриный эмбрион.
