Мечтааать! Надо мечтать
Детям орлиного племени!
Старая песня

Статья «Клыки и когти из стволовых клеток» заканчивалась предложением читателям присылать на разбор по косточкам свои мечты о летающих, дышащих жабрами или фотосинтезирующих людях. Поскольку статья была опубликована в журнале «Компьютерра», в пришедших письмах оказалось немало идей о вживлении в человеческий организм разных технических устройств. Об этом читайте в предыдущей части – Homo modificans: апгрейдинг и киборгизация человека.

О совершенствовании человека с помощью генной инженерии многие читатели 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, всё 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 нужны будут таким бэтменам?

На втором месте – не дающий покоя прожектёрам 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».

В комплект не помешали бы крылья, как у летучей мыши – для увеличения фотосинтезирующей поверхности. Представляете себе этот зеленый ужас, летящий на работу с портфелем в лапках? А в мечте придется отказать по двум причинам: полной неосуществимости и, в случае осуществления – абсолютной 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 настолько 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 моей 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 клетки не ее, 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.

На рост в высоту и толщину, образование запасов крахмала, белков и жиров в клубнях и семенах и прочие «налоги» – 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 т.ч. 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. Избыток необходимого растениям и калия ударит в первую очередь по нервным и мышечным клеткам, фосфора – по костям… Значит, в пищеварительном тракте необходимо обеспечить быстрое связывание минеральных солей в нейтральные соединения, направленный транспорт их к коже и высвобождение в хлоропластах (и на всё это понадобятся дополнительные расходы энергии). Кишечник придется радикально перестроить – например, вырастить в нем небольшие корешки.

От соединений азота, образующихся при разложении белков и нуклеиновых кислот, организм животных активно избавляется – может быть, вместо приема азотных удобрений приделаем к мочеточникам патрубки? По ним и далее по системе канальцев в кожу будет поступать, среди прочего, мочевина – но в меру, иначе кожа пожелтеет и осыплется.

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). В компенсацию в жару мы будем часто-часто дышать, высунув язык – как собаки, у которых тоже нет потовых желез. 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, фантазёры!

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 обезьяньих яйцеклетки;
– после оплодотворения «в пробирке» 126 из них начали развиваться в зародыши;
– суррогатных матерей-мартышек у исследователей оказалось только 20, и в их матки ввели 40 эмбрионов;
– полноценная беременность наступила только 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 светом.

Plug & pray

Чтобы доставить нужные гены в хромосомы клеток животных, используют безвредные или надежно обезвреженные вирусы. При этом чем лучше вирус встраивается в хромосому, тем меньше его «грузоподъемность», а многие гены намного длиннее, чем те 30-40 000 пар нуклеотидов, которые может перенести лучший вирусный вектор. (Размер самого большого из генов человека – белка дистрофина, поломка которого является причиной часто встречающейся и смертельной наследственной болезни, миодистрофии Дюшенна – 2,4 миллиона пар оснований.) Вирусы встраиваются в хромосомы наугад и могут вставить целевой ген прямо в середину другого – в результате в клетке перестанет синтезироваться соответствующий белок. Вирусы могут не заразить клетку вообще или заразить ее несколько раз, введя в нее несколько копий целевого гена. Из-за этих и многих других проблем «выход» трансгенных животных составляет доли процента от обработанных яйцеклеток.

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, всё 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 будет просто глупо: при таких возможностях можно выполнить и капитальный ремонт.

Для начала придется перевести все три миллиарда букв человеческого генома в связный текст, понять смысл каждого слова, каждого предложения и главы, да еще и разобраться с многочисленными гиперссылками – например, примерно пятью тысячами генов, дирижирующих развитием зародыша. Считается, что около 30 тысяч работающих генов (структурных – кодирующих белки, и регуляторных – управляющих работой других генов) занимают около 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», необходимо разобраться не только в функциях каждого гена, но и в деталях их взаимодействия между собой 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 (получения множества копий) генов других эукариотических организмов – например, для создания геномных библиотек. В мае 2007 г. ученые университета штата Миссури разработали метод создания полноценных мини-хромосом растений, несущих функционирующие гены.

Первые искусственные мини-хромосомы человека создали в 1997 г. ученые из компании Athersys и Кливлендского университета (штат Огайо). Такая хромосома состоит только из служебных элементов: центромеры (структуры, к которой 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 июня 2007 г. знаменитый Крейг Вентер подал патентную заявку на «рукотворный» микроорганизм Mycoplasma laboratorium. Целому холдингу исследовательских институтов понадобилось почти 10 лет на осуществление проекта «Минимальный геном» и синтез хромосомы микроба, содержащего около 400 генов – ничего лишнего, только то, что необходимо для жизни в тепличных лабораторных условиях. В такую минимальную хромосому можно будет добавлять нужные гены, конструируя микробов с нужными свойствами. Аналогичная задача для многоклеточного организма на много порядков сложнее, но предположим, что и она решена: создан минимальный геном Homo sapiens, содержащий всё 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 и т.д., 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 имеющей 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 своих человекодельфинчиков и человекодубочков – кто знает, как изменится мораль через 100 или 1000 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 Cергея Лукьяненко: в смоделированном в романе «Геном» будущем родители могут заказать любой, в более-менее разумных пределах, набор свойств 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.

Александр Чубенко
Интернет-журнал «Коммерческая биотехнология» http://www.cbio.ru/

Статья опубликована в журнале «Компьютерра» № 692 от 26.06.2007