Как диабет спровоцировал развитие биотехнологий в XX веке? Ученый и sci-футуристка — о синтетическом инсулине, взломе ДНК и важности вирусов

Первые попытки остановить шаг диабета II типа по планете

В том, что он развивается у самых разных людей, исследователи винят факторы, связанные с окружающей средой, среди которых ожирение, гиподинамия, употребление в пищу слишком большого количества сладкого, а также предрасположенность к этому заболеванию. Существуют теории, объясняющие, что именно может пойти не так: порой, например, иммунная система организма, которая борется с вредными вирусами и бактериями, сбивается и по ошибке начинает уничтожать вырабатывающие инсулин клетки. Приверженцы других подходов винят вызывающий диабет вирус или называют эту болезнь побочным эффектом, проявляющимся в результате тихой атаки вирусом защитных систем организма.

Как мы продвинулись от перемалывания коровьей поджелудочной железы и извлечения из нее инсулина до высокотехнологичной помпы и синтетического инсулина человека? Вскоре после того, как Бантинг и Бест (врачи-первооткрыватели инсулина — Прим.ред.) доказали пригодность бычьего инсулина, фармацевтическая компания Eli Lilly запустила его производство; однако в 1923 г. технологический процесс шел медленно, был дорогостоящим и обернулся непредвиденной проблемой в цепи поставок — список очередников, нуждающихся в инсулине, существенно превышал возможности фермеров по выращиванию и забою скота.

[...]Незадолго до своей кончины в 1977 г. Илай Лилли — младший, внук основателя предприятия, выдвинул стратегическую инициативу по решению проблемы. Если можно было использовать коров и свиней, то наверняка на эту роль годилось и множество других животных. Он заключил соглашения с несколькими университетами, включая Гарвардский и Калифорнийский университет в Сан-Франциско, о разработке новых типов инсулина животного происхождения. Все университетские исследователи начали работать с крысами. 

[...]Другая группа ученых вынашивала для будущего совершенно иную идею, вообще не предполагавшую заготовку органов. При отсутствии лекарства от диабета в условиях продолжающегося увеличения числа диабетиков компании Eli Lilly, не говоря уже о других фармацевтических гигантах, предстояло столкнуться с другой трудностью — организацией поставок.

Таким образом, требовали решения две проблемы, перекрывающие более продолжительный временной горизонт. Первая из них — проблема с поставками — могла быть решена путем клонирования клеток и получения синтетического инсулина, а не выращиванием скота и извлечением инсулина из животных. Решение второй проблемы заключалось в перепрограммировании «плохих генов» на правильное их поведение.

Как союз ДНК человека и бактерии перевернул медицину

Исследователи, о которых идет речь, работали в стартапе Genentech; он на тот момент существовал всего год и разрабатывал новую, неоднозначно воспринимаемую технологию рекомбинантной ДНК. Если известные университеты и фармацевтические компании со множеством титулованных биомедиков занимались совершенствованием традиционных методов, то в Genentech пытались достичь цели, действуя на молекулярном уровне: брали две разные нити ДНК и рекомбинировали их в единое целое.

Хотя к 1977 г. компания Genentech уже получила первые успешные результаты, исследовательское сообщество не воспринимало их всерьез. На то было несколько причин. Во-первых, синтез был аналогичен клонированию генетического материала, а это вело к возникновению рисков на последующих этапах, таких как генетические манипуляции. Учитывая прогресс, достигнутый в другой вызывавшей полемику технологии — экстракорпоральном оплодотворении (ЭКО), некоторые критики предсказывали, что в будущем люди начнут создавать детей на заказ: с желаемым цветом волос и глаз, мускулатурой и другими признаками. На том этапе присутствовали лишь бредовые мрачные предположения и стойкое сопротивление переменам.

В результате технологию рекомбинантной ДНК компании Genentech признали слишком неординарной и подлежащей дополнительному изучению. К тому же биологические исследования Genentech финансировались не федеральными властями, а малоизвестными венчурными инвесторами, что послужило еще одним тревожным сигналом для влиятельных чиновников. 

[...]Примерно в то же время, когда Стив Джобс и Стив Возняк собирали в гараже компьютеры, группа ученых из Genentech в неприглядной промзоне на южной окраине Сан-Франциско, в помещении грузового склада для авиаперевозок, приступила к оборудованию биохимической лаборатории. Используя технологию рекомбинантной ДНК, Genentech добилась первых успехов. В лабораториях компании был синтезирован соматостатин — гормон поджелудочной железы, который помогает регулировать работу эндокринной системы.

Когда стало известно, что компания Eli Lilly объявила свой инсулиновый конкурс, в Genentech подумали, что у них есть жизнеспособное, хоть и совершенно невероятное решение проблемы с поставками. Поскольку метод рекомбинантной ДНК, применяемый Genentech, бросал вызов общепринятым представлениям, среди университетских научных центров нашлось совсем немного желающих предложить фирме партнерство или предоставить лаборатории для проведения работ. [...] Eli Lilly интересовала только та команда, которая создаст безопасный масштабируемый продукт. Перед Genentech стояла задача обойти соперников и получить контракт, в противном случае, несмотря на проделанный колоссальный труд, команда осталась бы с пустыми руками.

Главное достижение Genentech

Проблема, с которой столкнулась компания Genentech при синтезе молекулы инсулина, заключается в том, что эта молекула состоит из длинных цепей аминокислот — их в этой молекуле 51 [...]. Для сотрудников Genentech белки, выступающие катализаторами большинства химических реакций в живых клетках и контролирующие практически все клеточные процессы, были ключом к получению инсулина.

Но даже если бы ученым удалось выстроить 51 аминокислоту — комбинацию молекул, составляющих белок, — точно по порядку, то для производства инсулина их все равно нужно было бы воссоздавать. Для этого необходимо правильно выполнить химическое соединение фрагментов ДНК, сшить их и пересадить в бактерии. И это лишь половина дела. Вдобавок требуется взломать структуру бактерий и заставить их вырабатывать синтезированные цепи инсулина, что не так-то просто. Если все сделано правильно, далее предстоит заняться очисткой цепей инсулина, объединить их в полную молекулу, а затем надеяться, что она идентична молекуле, которую вырабатывает поджелудочная железа человека. Эта была невероятная по дерзости идея конструирования на клеточном уровне, которую стремился осуществить страдающий от хронического недофинансирования крошечный коллектив ученых, чьи представления о будущем одним казались мистическими, а другим попросту опасными.

Сложность задачи и масштабы конкуренции вынуждали команду Genentech работать втайне от домашних, пропадая в лабораториях и на заброшенном складе, вдали от благословенных залов Гарварда и Калифорнийского университета, в условиях сильнейшего стресса и жестких сроков.

• Прежде всего предстояло создать синтетический ген с правильной последовательностью ДНК, которая послужила бы инструкцией белку.
• Затем этот ген нужно было перенести в правильное место организма (в качестве которого выбрали бактерию E. coli, кишечную палочку), способного прочитать инструкции и выработать желаемый белок — в данном случае инсулин. Ученые старательно смешивали химические вещества, вновь и вновь проверяли различные комбинации, добиваясь верной последовательности в нитях ДНК.
• Кроме того, нужно было работать с самой бактерией, чтобы понять, в каком именно месте сращивать кишечную палочку с синтетическим геном для производства требуемого белка. Этот процесс напоминает конкурс кондитеров. Представьте, что члены жюри дают вам одну коробку с ингредиентами, вторую коробку с утварью и посудой, а еще духовку и ставят задачу в предельно сжатый срок без всяких подсказок испечь на допотопной кухне шоколадный торт из 12 коржей. 

Тем не менее ранним утром 21 августа 1978 г. — гораздо раньше своих конкурентов и к огромному всеобщему (в том числе и собственному) удивлению — они достали из духовки идеальный торт. Специалистам Genentech удалось подобрать точную последовательность ДНК, научить организм выполнять команды и производить инсулин человека. Это событие положило начало биотехнологии и ознаменовало появление новой области науки, получившей название «синтетическая биология». Компания Eli Lilly подписала с Genentech многомиллионный двадцатилетний контракт на разработку и продвижение на рынке первого в мире продукта биотехнологии, хумулина, в 1982 г. получившего одобрение Федерального управления по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов (FDA).

Что дальше

Поистине удивительное достижение компании Genentech открыло человеческому обществу новые перспективы на будущее. Мы впервые вмешались в биологический процесс, чтобы путем манипуляций с клетками и молекулами изменить то, что организм делал бы естественным образом.

У здоровых людей клетки напоминают футуристическую автоматизированную, компьютеризированную фабрику высочайшего уровня эффективности. Представьте себе сети слаженно работающих современных роботов, 3D-принтеры, по требованию выпускающие все необходимое в любом количестве, цепочку поставок и систему логистики, оптимизированную для максимальной производительности, операционную систему с кодом в миллиарды строк, которая действует безостановочно. За всю историю человечества нам не удалось построить столь технологичную и совершенную машину или фабрики.

[...] Если клетка — это футуристическая фабрика, то геном можно представить в виде футуристической операционной системы, в которой гены могут быть включены или выключены. У двух организмов может быть один и тот же ген, связанный с определенным признаком, но, если этот ген не включен, проявляться он не будет.

Контроль над тем, какие гены включены, а какие выключены и в какой степени они активны, сложен и регламентирован. В нем участвуют не кодирующие белок последовательности, такие как промоторы и энхансеры, а также различные белковые факторы транскрипции. Это с трудом поддается изучению, поскольку указанные факторы трудно измерить в реальном времени, но вот пример из дикой фауны: большой зимний скат — представитель вида хрящевых рыб плоской формы — автоматически включает гены, дабы, изменив структуру тела, адаптироваться к повышению температуры воды в зимнее время, вызванному изменением климата.

В отличие от традиционного завода или традиционного компьютера, где логика и структурные механизмы существуют отдельно друг от друга, операционная система для жизни требует полного взаимодействия — и мы только начинаем разбираться, как все это работает вместе. В традиционных компьютерах, таких как ваш ноутбук или смартфон, логика и структурные механизмы автономны. Допустим, на новом компьютере установлена последняя версия Windows, однако игры и программы для повышения производительности нужно покупать отдельно и загружать потом в устройство.

В биологии, где машина глубоко взаимосвязана с информацией, все иначе. Современные электронные компьютеры всё еще представляют собой улучшенную версию калькуляторов. Они так же потребляют энергию, такие же непрочные, не могут сами себя ремонтировать или воспроизводить и без подключения к принтеру не способны произвести ничего осязаемого. Клетки — устройства, которыми мечтали бы стать традиционные компьютеры, умей они мечтать: клетки сами себя воспроизводят, ремонтируют и работают практически от любого источника энергии.

Вот почему новаторская работа Genentech имела принципиальное значение, и вот почему в будущем синтетическая биология изменит жизнь. Когда мы научимся говорить на языке биологии и управлять им, у нас появится возможность влиять на то, что происходит в клетках. Не просто читать код и редактировать его — клонировать инсулин или вносить мелкие исправления, — а писать новые инструкции, обеспечивать их доставку по назначению и производить новые биологические продукты на той, клеточной, стороне.