Взломавшая код. Дженнифер Даудна, редактирование генома и будущее человечества Айзексон Уолтер

Глава 48. К оружию!

Институт инновационной геномики

В конце февраля 2020 года Даудна должна была прилететь из Беркли в Хьюстон на семинар. Наступающая пандемия коронавируса еще не нарушила повседневную жизнь США. Пока не было официально зарегистрировано ни одного смертельного исхода. Но уже раздавались тревожные звоночки. Число смертей в Китае уже достигло 2835, и это начало оказывать влияние на рынок акций. Индекс Доу Джонса 27 февраля упал более чем на тысячу пунктов. “Я нервничала, – вспоминает Даудна. – Я спрашивала у Джейми, стоит ли мне ехать. Но в то время все мои знакомые жили как обычно, поэтому я отправилась в Хьюстон”. Она взяла с собой побольше влажных салфеток.

По возвращении она принялась думать, что ей и ее коллегам стоит предпринять для борьбы с пандемией. Превратив CRISPR в инструмент редактирования генома, она прекрасно разбиралась в молекулярных механизмах, с помощью которых люди могут выявлять и уничтожать вирусы. Более того, она стала настоящим мастером совместной работы. Ей стало очевидно, что в борьбе с коронавирусом потребуются команды, состоящие из профессионалов множества специальностей.

К счастью, у нее была база для такой работы. Она заняла пост исполнительного директора Института инновационной геномики (IGI), совместного исследовательского проекта Беркли и Калифорнийского университета в Сан-Франциско. Институт занимал просторное пятиэтажное современное здание в северо-западном углу кампуса Беркли. (Его планировалось назвать Центром генной инженерии, но в университете возникли опасения, что такое название может не понравиться общественности[485].) Один из главных принципов института – поддерживать сотрудничество между разными областями науки, и поэтому в его здании работают специалисты по ботанике, микробиологии и биомедицине. Среди ученых, руководящих лабораториями в институте, муж Даудны Джейми, ее первый партнер по исследованию CRISPR Джиллиан Бэнфилд, ее бывший постдок Росс Уилсон, а также биохимик Дэйв Сэвидж, который применял CRISPR к живущим в закрытых водоемах бактериям, чтобы улучшить их систему превращения углекислого газа из атмосферы в органические соединения[486].

Даудна почти год обсуждала с Сэвиджем, занимающим кабинет по соседству с ее офисом, возможность запустить в IGI какой-нибудь проект, который стал бы моделью для кросс-дисциплинарной командной работы. Одну идею предложил ее сын Энди, который летом проходил стажировку в местной биотехнологической компании. Его день там начинался с планерки, на которой руководители разных подразделений рассказывали, чем именно они занимаются в рамках своих проектов. Услышав об этом, Даудна рассмеялась и сказала Энди, что и представить себе не может, как внедрить такую систему в научной лаборатории. “Почему?” – спросил Энди. Она пояснила, что в академической среде исследователям комфортнее работать разобщенно и они яростно оберегают свою независимость. После этого у них дома начался долгий разговор о командах, инновациях и создании рабочей среды, которая стимулирует креативность.

В конце 2019 года Даудна обменялась идеями с Сэвиджем за обедом в японской закусочной в Беркли. Она спросила: как совместить лучшие характеристики корпоративной командной культуры и академической автономности? Они задумались, можно ли найти проект, который объединил бы ученых из разных лабораторий вокруг одной цели. Они решили, что такой мастер-класс по “командной науке” откроет для исследователей возможность работать сообща.

Когда они рассказали о своей идее на пятничном междусобойчике сотрудников института, некоторые студенты встретили ее с энтузиазмом, но профессора остались к ней равнодушны. “В коммерческой сфере все сосредоточены на достижении оговоренных общих целей, – говорит Гэвин Нотт, один из студентов, поддержавших идею. – Но в академической среде каждый работает в своем пузыре. Мы все преследуем собственные исследовательские интересы и сотрудничаем друг с другом только по необходимости”. Идея, у которой не было источников финансирования и которая не встретила поддержки у большинства сотрудников института, повисла в воздухе[487].

Затем в дело вмешался коронавирус. Студенты Сэвиджа начали спрашивать у него, какие шаги предпринимает Беркли, чтобы справиться с кризисом, и он понял, что борьба с вирусом может стать целью командного проекта, который обсуждали они с Даудной. Когда он зашел в кабинет к Даудне, чтобы поделиться своими соображениями, оказалось, что и она думает о том же.

Они решили, что Даудна назначит совещание с коллегами по IGI и другими учеными из Области залива, которым, возможно, захочется присоединиться к коронавирусному проекту. Совещание, описанное во введении к этой книге, состоялось в два часа дня в пятницу, 13 марта, на следующий день после того, как Даудна с мужем в предрассветные часы съездили во Фресно, чтобы забрать сына с конкурса по робототехнике.

SARS-CoV-2

Стремительно распространяющемуся новому коронавирусу к тому времени уже присвоили официальное название: тяжелый острый респираторный синдром коронавирус 2, или SARS-CoV-2. Его назвали именно так из-за схожести симптомов с симптомами вируса SARS, который распространился из Китая в 2003 году и заразил более 8 тысяч человек по всему миру. Болезнь, вызываемую новым вирусом, назвали COVID-19.

Вирусы – это обманчиво простые маленькие капсулы с плохими новостями[488]. Это крохотные фрагменты генетического материала – либо ДНК, либо РНК, – заключенные в белковую оболочку. Проникая в клетку организма, они могут захватывать его механизмы, чтобы воспроизводиться. Генетический материал коронавирусов – это РНК, специальность Даудны. Длина РНК-последовательности SARS-Cov-2 составляет около 29 900 нуклеотидов, в то время как длина человеческой ДНК превышает 3 млрд нуклеотидов. Вирусная последовательность кодирует всего 29 белков[489].

Вот фрагмент буквенной РНК-последовательности коронавируса: CCUCGGCGGGCACGUAGUGUAGCUAGUCAAUCCAUCAUUGCCUACACUAUGUCACUUGGUGCAGAAAAUUC. Представленная здесь последовательность взята из той части, которая кодирует белок, находящийся на внешней оболочке вируса. Этот белок напоминает шип, отчего при рассмотрении под электронным микроскопом вирус напоминает корону, чем и объясняется его название. Зубец сродни ключу, который подходит к конкретным рецепторам на поверхности клеток человека. В частности, первые двенадцать букв в приведенной выше последовательности позволяют зубцу очень крепко прицепиться к одному конкретному рецептору в клетках человека. Такое эволюционное изменение в этой короткой последовательности объясняет, каким образом вирус перешел с летучих мышей на других животных и на людей.

У человека рецептором для SARS-CoV-2 выступает белок АПФ2. Он играет примерно такую же роль, какую для ВИЧ исполняет белок CCR5, вырезанный из генома детей CRISPR безрассудным китайским врачом Хэ Цзянькуем. Поскольку функции белка АПФ2 этим не ограничиваются, вероятно, не стоит вырезать его из генома нашего вида.

Новый коронавирус перекинулся на людей в конце 2019 года. Первая смерть от него была официально зарегистрирована 9 января 2020 года. В тот же день китайские ученые обнародовали полную генетическую последовательность вируса. С помощью криоэлектронной микроскопии, которая позволяет создавать визуализацию, пропуская электроны через белки, замороженные в жидкости, специалисты по структурной биологии смогли построить точную модель коронавируса и его шипов – атом за атомом и нюанс за нюансом. Вооружившись данными секвенирования и структурного анализа, специалисты по молекулярной биологии принялись искать методы лечения болезни и разрабатывать вакцины, которые лишили бы вирус способности прикрепляться к клеткам человека[490].

Боевой порядок

В совещании 13 марта приняло участие гораздо больше ученых, чем ожидали Даудна и Сэвидж. В ту пятницу десяток руководителей ключевых лабораторий и студентов собрались в конференц-зале на первом этаже здания IGI, когда кампус уже начал пустеть из-за грядущего локдауна. Еще пятьдесят исследователей из Области залива присоединились к встрече по зуму. “У нас не было плана, и мы даже не представляли, как в итоге все сложится, – говорит Даудна, – но идея, которая родилась у нас в той японской закусочной, воплотилась в жизнь”[491].

Вскоре Даудна поняла, как полезно работать в таких крупных организациях, как Калифорнийский университет в Беркли и IGI. Инновации часто рождаются в гаражах и студенческих общежитиях, но поддерживают их именно институты. С логистикой комплексных проектов не справиться в отсутствие инфраструктуры. Это особенно верно в период пандемии. “IGI пришелся очень кстати, – говорит Даудна, – поскольку там были сформированы команды людей, которые могли помогать с составлением заявок, настройкой каналов в Slack, рассылкой групповых писем, назначением встреч в зуме и координацией использования оборудования”.

Юристы Беркли разработали стратегию, которая позволяла свободно делиться открытиями с другими исследователями коронавируса, но защищать при этом лежащую в основе этих открытий интеллектуальную собственность. На одной из первых встреч университетский юрист продемонстрировала шаблон для лицензирования без роялти. “Мы разрешим неисключительное бесплатное лицензирование любых результатов этой работы, – сказала она. – Мы все равно намереваемся подавать заявки на патентование любых открытий, но после этого будем делать их доступными для указанных целей”. На втором совещании исследовательской группы, состоявшемся 18 марта, Даудна представила участникам несколько слайдов с изложением этих принципов и лаконично подвела итог своей презентации: “Мы здесь не ради денег”.

Ко второму совещанию Даудна также подготовила слайд со списком из десяти проектов, которыми они решили заняться, и указала на нем, кто возглавит каждую команду. В некоторых из запланированных задач предполагалось задействовать новейшие технологии CRISPR, включая разработку диагностических методик на базе CRISPR и поиск способов безопасно доставлять в легкие человека систему CRISPR, способную находить и уничтожать генетический материал вируса.

Когда посыпались идеи, один из мудрых участников совещания, профессор Роберт Цянь, выступил со здравым предложением. “Давайте разделим задачу на две части, – сказал он. – Можно попытаться изобрести новые вещи, но сначала нужно потушить пожар в своем сарае”. Повисла пауза, но затем Цянь пояснил свою мысль. Им необходимо было решить насущную проблему с массовым тестированием, прежде чем разойтись по лабораториям и заняться созданием биотехнологий будущего. В результате первая сформированная Даудной команда получила задачу преобразовать пространство на первом этаже здания рядом с их конференц-залом в современную высокоскоростную автоматизированную лабораторию для диагностики коронавируса.

Глава 49. Диагностика

Америка проигрывает

Местные организации здравоохранения в США получили первое официальное руководство по диагностике новой коронавирусной инфекции 15 января 2020 года, в ходе конференц-звонка с микробиологом Стивеном Линдстрёмом из Центра по контролю и профилактике заболеваний (CDC). Он сказал, что в CDC разработали тест для выявления новой коронавирусной инфекции, но его не могут предоставить министерствам здравоохранения штатов, пока Управление по контролю качества пищевых продуктов и лекарственных препаратов (FDA) не одобрит его использование. Линдстрём пообещал, что много времени на это не понадобится, но до тех пор врачам придется отправлять пробы на тестирование в CDC в Атланте.

На следующий день врач из Сиэтла отправил в CDC мазок из носа 35-летнего мужчины, который вернулся из Уханя, после чего у него появились симптомы, напоминающие грипп. Он стал первым в США человеком с положительной пробой[492].

Федор Урнов на глазах у Дирка Хоккемейера получает первые образцы тестов от Дори Тью из пожарной части Беркли

Тридцать первого января министр здравоохранения и социальных служб США Алекс Азар, ведомству которого подчиняется FDA, объявил о чрезвычайной ситуации в области общественного здравоохранения. После этого FDA получила право ускорить одобрение коронавирусных тестов. Но это привело к странному непредвиденному последствию. В обычных обстоятельствах больницы и университетские лаборатории могут разрабатывать тесты для своих учреждений, при условии что такие тесты не выводятся на рынок. Но в случае объявления чрезвычайной ситуации в области общественного здравоохранения использование таких тестов запрещается, пока они не получат “разрешение на экстренное применение”. Благодаря этому можно избежать использования непроверенных тестов в разгар кризиса. В результате объявление Азара привело к введению новых ограничений для университетских лабораторий и больниц. Все было бы в порядке, если бы тесты CDC к этому моменту оказались широко доступны. Однако FDA по-прежнему не одобрило их применение.

Одобрение было наконец получено 4 февраля, и на следующий день тесты CDC стали рассылать в местные лаборатории. Тест работает (или должен работать) следующим образом: сначала с помощью длинного тампона из задней части носового канала пациента берется мазок. В лаборатории слизь подвергают воздействию химических составов из набора, чтобы выделить РНК. Далее РНК “обратно транскрибируется” в ДНК. Затем происходит амплификация ДНК, то есть создание миллионов копий нуклеотидных последовательностей в ходе хорошо изученного процесса, который называется полимеразной цепной реакцией (ПЦР) и осваивается большинством студентов-биологов.

Метод ПЦР был изобретен в 1983 году химиком Кэри Муллисом, работавшим в биотехнологической компании. Однажды вечером, сидя за рулем своей машины, Муллис придумал способ помечать последовательность ДНК и при помощи ферментов копировать ее в ходе повторяющихся циклов нагревания и охлаждения, или термоциклирования. “Начав с единственной молекулы ДНК, ПЦР может за день создать 100 миллиардов таких же молекул”, – написал он[493]. Сегодня процесс обычно осуществляется с помощью машины размером с микроволновую печь, которая повышает и понижает температуру смеси. Если в слизи присутствует генетический материал коронавируса, ПЦР амплифицирует его, чтобы его было легче обнаружить.

Когда штаты получили из CDC первые тестовые наборы, их решили испытать на мазках, результат по которым был уже известен. “Утром 8 февраля почтовая служба Federal Express доставила одну из первых посылок с тестами CDC в санитарно-гигиеническую лабораторию в восточной части Манхэттена, – написали в The Washington Post. – Несколько часов лаборанты пытались понять, работают ли тесты”. Тестируя мазки, в которых точно содержался вирус, они получали положительный результат. Это было хорошо. К несчастью, результат был положительным и при тестировании очищенной воды. Один из реагентов в тестах CDC оказался дефектным, поскольку подвергся загрязнению в процессе производства. “Вот черт, – сказала Дженнифер Рейкман, заместитель начальника городского департамента здравоохранения. – И что теперь делать?”[494]

Особенно унизительно было то, что Всемирная организация здравоохранения уже доставила в разные страны 250 тысяч диагностических тестов, работавших как положено. США могли бы получить часть этих тестов или воспроизвести их, но отказались.

Университет приходит на помощь

Вашингтонский университет, расположенный в регионе, где случилась одна из первых вспышек COVID-19 в США, первым бросился на это минное поле. В начале января, ознакомившись со сводками из Китая, Алекс Гренингер, молодой заместитель директора вирусологической лаборатории при университетском медицинском центре, обсудил со своим начальником Китом Джеромом возможность разработки собственного теста. “Вероятно, нам придется впустую потратить часть денег, – сказал Джером. – Вероятно, [этот вирус] до нас не дойдет. Но нужно подготовиться”[495].

Через две недели у Гренингера был работающий тест, который в обычных обстоятельствах университет мог бы использовать в своей больничной системе. Но министр здравоохранения Азар объявил о чрезвычайной ситуации, и нормы ужесточились. Гренингер подал в FDA официальную заявку, чтобы получить “разрешение на экстренное применение” теста. На заполнение всех формуляров у него ушло почти сто часов. Затем произошел восхитительный бюрократический конфуз. 20 февраля FDA сообщило Гренингеру, что, помимо электронной заявки, нужно отправить ее печатную копию, а также копию на компакт-диске (вы еще не забыли, что это такое?) в штаб-квартиру FDA в Мэриленде. Гренингер пожаловался на экстравагантные порядки FDA в письме другу и добавил: “И это в чрезвычайной ситуации!”

Через несколько дней FDA потребовало, чтобы он провел еще несколько испытаний и продемонстрировал, не выявляет ли случайно разработанный им тест вирусы БВРС (ближневосточного респираторного синдрома, MERS) и ТОРС (тяжелого острого респираторного синдрома, SARS), хотя они много лет не проявляли себя и образцов для тестирования у Гренингера не было. Он позвонил в CDC и спросил, может ли получить образец старого вируса ТОРС, но ему ответили отказом. “И тут я подумал: «Хм, возможно, FDA и CDC вообще не обсуждали это друг с другом», – сказал Гренингер репортеру Юлии Иоффе. – Я понял: «Ох, похоже, это надолго»”[496].

С подобными проблемами столкнулись и другие. В клинике Мэйо создали кризисную группу для решения вопросов, связанных с пандемией. Из пятнадцати вошедших в нее человек пять занимались только оформлением документов для FDA. К концу февраля тесты были разработаны в десятках больниц и университетских лабораторий, включая лаборатории Стэнфорда и Института Брода при MIT и Гарварде, но никто не смог получить от FDA разрешение на их использование.

В этот момент в дело вступил Энтони Фаучи, руководитель отдела инфекционных заболеваний в Национальных институтах здоровья, который стал национальной суперзвездой. 27 февраля он обратился к Брайану Харрисону, начальнику сформированного министром здравоохранения Азаром штаба, и подчеркнул, что FDA должна разрешить университетам, больницам и частным лабораториям начать применение собственных тестов до того, как будет получено разрешение на экстренное применение. Харрисон провел конференц-звонок с представителями компетентных организаций и поставил перед ними задачу до конца заседания разработать соответствующий план[497].

FDA наконец пошло на уступки в субботу, 29 февраля, и объявило, что позволит негосударственным лабораториям использовать собственные тесты, пока они ожидают разрешений на экстренное применение. В тот понедельник лаборатория Гренингера взяла анализы у тридцати пациентов. Через несколько недель она тестировала уже более 2500 человек в день.

Институт Брода под руководством Эрика Лэндера тоже вступил в бой. Дебора Ханг, одна из директоров институтской программы по изучению инфекционных болезней, также работала врачом в Женской больнице имени Бригама в Бостоне. Вечером 9 марта, когда количество подтвержденных случаев COVID-19 в штате достигло сорока одного, она поняла, какой серьезный удар нанесет этот вирус. Ханг позвонила своей коллеге Стейси Гэбриел, директору лаборатории секвенирования генома Института Брода, расположенной в нескольких кварталах от главного здания, на бывшем складе, где раньше хранились запасы пива и попкорна для бейсбольного стадиона Фенуэй-Парк. Может ли она переоборудовать лабораторию для проведения тестирования на коронавирус? Гэбриел сказала да, а затем позвонила Лэндеру, чтобы согласовать с ним решение. Лэндер, как всегда, был только рад применить науку в интересах общества и по праву гордился коллегами, которые имели такие же побуждения. “В том звонке не было необходимости, – говорит Лэндер. – Само собой, я согласился бы, но она бы осуществила задуманное в любом случае, как и следовало сделать”. Лаборатория заработала на полную мощность 24 марта и стала получать образцы из больниц, расположенных в окрестностях Бостона[498]. Поскольку администрация Трампа не смогла организовать массовое тестирование, университетские исследовательские лаборатории взяли на себя задачи, которые обычно выполняет государство.

Глава 50. Лаборатория в Беркли

Армия добровольцев

Когда на совещании 13 марта Даудна и ее коллеги из Института инновационной геномики решили организовать собственную лабораторию для диагностики коронавируса, последовала дискуссия о том, какую технологию использовать. Остановиться на описанном ранее трудоемком, но надежном методе амплификации генетического материала из мазков с помощью полимеразной цепной реакции (ПЦР)? Или попробовать изобрести тест нового типа с использованием технологии CRISPR для непосредственного обнаружения РНК вируса?

Они решили, что пойдут обоими путями, но начнут с первого. “Нужно научиться ходить, прежде чем мы сможем бегать, – сказала Даудна в завершение дискуссии. – Пока будем применять существующую технологию, а затем разработаем новую”[499]. Имея собственную диагностическую лабораторию, IGI получал доступ к данным и взятым у пациентов образцам для проверки новых тестов.

После совещания институт опубликовал такой твит:

Институт инновационной геномики @igisci: Мы работаем не покладая рук, чтобы организовать в кампусе @UCBerkley лабораторию для проведения клинических анализов на #COVID19. Мы будем часто обновлять эту страницу, чтобы искать реагенты, оборудование и добровольцев.

Когда в последующие два дня на объявление откликнулось более 860 человек, прием добровольцев пришлось закрыть.

В команде, собранной Даудной, нашло отражение многообразие ее лаборатории и биотехнологической сферы вообще. Командование операцией она доверила Федору Урнову, настоящему волшебнику генной инженерии, который руководил в IGI разработкой доступных методов лечения серповидноклеточной анемии.

Урнов родился в 1968 году в центре Москвы и выучился английскому у своей матери, профессора Юлии Палиевской, и отца, Дмитрия Урнова, уважаемого литературного критика и шекспироведа, почитателя Уильяма Фолкнера и биографа Даниеля Дефо. Я поинтересовался у Федора, стало ли распространение коронавируса поводом к тому, чтобы он расспросил отца, который теперь живет неподалеку от него в Беркли, о романе Дефо “Дневник чумного года”, написанном в 1722 году. “Да, – ответил он. – Я попрошу его связаться в зуме со мной и моей дочерью, которая живет в Париже, и прочесть нам лекцию об этой книге”[500].

Как и Даудна, Урнов лет в тринадцать прочитал “Двойную спираль” Уотсона и решил стать биологом. “Нас с Дженнифер забавляет, что мы прочли «Двойную спираль» примерно в одном возрасте, – говорит он. – Несмотря на весьма существенные личностные недостатки, Уотсон написал превосходную историю, в которой представил поиск механизмов жизни как нечто чрезвычайно увлекательное”.

В восемнадцать лет свободолюбивого Урнова призвали в советскую армию и обрили наголо. “Я остался невредим”, – говорит он. После этого он уехал в США. “В августе 1990 года я приземлился в бостонском аэропорту Логан, поступив в Брауновский университет, а через год мама получила Фулбрайтовскую стипендию и стала приглашенным преподавателем в Вирджинском университете”. Вскоре он с головой ушел в учебу в Брауне и зарылся в пробирки. “Я понял, что в Россию уже не вернусь”.

Урнов принадлежит к тому типу ученых, которые успешно совмещают научную работу с коммерческой деятельностью. Шестнадцать лет он преподавал в Беркли и возглавлял команду исследователей в компании Sangamo Therapeutics, которая преобразует научные открытия в методики лечения. Русские корни и общение с отцом-литературоведом сделали его склонным к драматизму, но в нем живет и любовь к американской деловитости. Когда Даудна назначила его руководителем лаборатории, он разослал всем цитату из “Властелина колец” Толкина:

– Лишь бы теперь этого не случилось! – не сдержался Фродо.

– Мне тоже этого не хотелось бы, – согласился маг, – как не хотелось, уверяю тебя, всем, жившим под угрозой Мрака раньше. Только ведь их желания не спрашивали. Мы не выбираем времена. Мы можем только решать, как жить в те времена, которые выбрали нас[501].

Одним из двух его научных фельдмаршалов стала Дженнифер Хэмилтон, протеже Даудны, которая годом ранее целый день учила меня редактировать человеческий ген с помощью CRISPR. Она выросла в Сиэтле, изучала биохимию и генетику в Вашингтонском университете, а затем работала лаборантом, слушая подкаст “На этой неделе в вирусологии”. Она окончила аспирантуру в медицинском центре Маунт-Синай в Нью-Йорке, где преобразовывала вирусы и вирусоподобные частицы в механизмы для доставки медицинских инструментов, после чего устроилась на позицию постдока в лабораторию Даудны. В 2019 году на конференции в Колд-Спринг-Харбор Даудна с гордостью наблюдала, как Хэмилтон представляет свое исследование по применению вирусоподобных частиц для доставки в организм человека инструментов редактирования генома, созданных на базе CRISPR-Cas9.

Когда в начале марта разразился коронавирусный кризис, Хэмилтон сказала Даудне, что хочет принять участие в его разрешении, как и сотрудники ее альма-матер, Вашингтонского университета. Даудна назначила ее главой технической разработки. “Это было как призыв к оружию, – говорит Хэмилтон. – Я просто не могла не согласиться”. Она и не мечтала, что ее умение оптимизировать выявление РНК окажется столь востребованным навыком в разгар всемирного кризиса. Хэмилтон и ее коллеги-исследователи, имея возможность применить свои знания на пользу обществу, попробовали себя в командной проектной работе. “Я впервые вошла в команду ученых, где такое большое число людей, обладающих разными талантами, объединились в стремлении к общей цели”[502].

Вместе с Хэмилтон организацией диагностической лаборатории занимался Энрике Линь Шао, который родился и вырос в Коста-Рике, в семье тайваньских эмигрантов, бросивших все, чтобы начать жизнь с чистого листа на новом месте. Клонирование овечки Долли в 1996 году пробудило в нем интерес к генетике. Окончив школу, он получил стипендию в Мюнхенском техническом университете, где учился сворачивать ДНК в разные формы, чтобы создавать нанотехнологические биологические инструменты. Далее он отправился в Кембридж и исследовал там, какую роль сворачивание ДНК играет в функционировании клетки. После этого он поступил в аспирантуру Пенсильванского университета, где в ходе своей работы выяснил, каким образом некодирующие части нашего генома, ранее известные как “мусорная ДНК”, могут участвовать в развитии болезней. Иными словами, история успеха Энрике Линя Шао, как и история Фэна Чжана, была типичной для Соединенных Штатов тех времен, когда в страну стекалось множество талантов со всего мира.

Энрике Линь Шао и Дженнифер Хэмилтон

Устроившись на место постдока в лаборатории Даудны, Линь Шао занялся разработкой новых инструментов редактирования генома, которые могли бы вырезать и вставлять длинные последовательности ДНК. В марте 2020 года, сидя дома на самоизоляции и листая твиттер, он увидел опубликованный его коллегами по IGI твит о поиске добровольцев для будущей диагностической лаборатории. “Им важен был опыт в выделении РНК и проведении ПЦР, а эти техники я применяю постоянно, – говорит он. – На следующий день я получил от Дженнифер письмо, в котором она предложила мне стать вторым руководителем технического направления, и я сразу согласился”[503].

Лаборатория

IGI повезло, что на первом этаже здания находилось помещение площадью 230 квадратных метров, превращенное в лабораторию редактирования генома. Команда Даудны принялась переносить туда новые машины и коробки с реагентами, чтобы сделать из нее лабораторию для диагностики коронавируса. Обычно организация лаборатории занимает целые месяцы, но в этот раз хватило и нескольких дней[504].

Исследователи клянчили, заимствовали и реквизировали материалы у других лабораторий кампуса. Однажды, собираясь приступить к эксперименту, они поняли, что им недостает планшетов для одного из ПЦР-аппаратов. Линь Шао и другие ученые прошли по всем лабораториям в здании IGI, а затем и еще в двух зданиях по соседству, и только тогда сумели найти необходимое. “Кампус был по большей части закрыт, и потому нам казалось, что мы ведем настоящую охоту за припасами, – говорит Линь Шао. – Каждый день все менялось очень быстро: рано утром мы сталкивались с новой проблемой, начинали волноваться, но к вечеру находили выход из положения”.

Лаборатория потратила около 550 тысяч долларов на закупку оборудования и материалов[505]. Одним из главных было устройство для автоматизации выделения РНК из взятых у пациентов проб. В аппарате Hamilton STARlet автоматические пипетки набирают понемногу материала из каждой пробы и помещают жидкость на планшеты размером с айфон, имеющие по 96 маленьких углублений. Планшеты перемещаются в специальную камеру аппарата, где к каждой пробе добавляют реагенты для выделения РНК. Перемещения материала из каждой пробы отслеживаются при помощи штрихкодов, чтобы обеспечить конфиденциальность процедуры. Университетским исследователям это было в новинку. “Обычно ученым, которые, как мы, работают в лабораториях, кажется, что их труды оказывают лишь косвенное воздействие на жизнь, и притом не сразу, – отмечает Линь Шао. – Но здесь воздействие прямое и незамедлительное”[506].

Дедушка Хэмилтон работал инженером в NASA и готовил к запуску одну из миссий в рамках программы “Аполлон”. Однажды кто-то из команды Хэмилтон прислал в Slack фрагмент из фильма “Аполлон-13”, где инженеры пытаются понять, как “засунуть граненый штырь в круглую дырку”, чтобы спасти астронавтов. “Каждый день мы сталкиваемся с трудностями, но решаем проблемы по мере их возникновения, ведь мы знаем, что время не ждет, – говорит Хэмилтон. – Этот опыт заставил меня задуматься, не в таких ли условиях в 1960-х годах работал в NASA мой дедушка”. Сравнение было весьма подходящим.

Даудне пришлось выяснить, к какой юридической ответственности могут привлечь университет за проведение анализов для сторонних пациентов. Обычно решение подобных задач растягивалось у юристов на недели, поэтому Даудна позвонила президенту объединения Калифорнийских университетов Джанет Наполитано, которая в прошлом занимала пост министра внутренней безопасности США. За двенадцать часов Наполитано санкционировала проект и согласовала все бюрократические нюансы. Урнов отмечает, что в подобных случаях было очень полезно привлекать к решению вопросов Даудну, которая выступала в качестве тяжелой артиллерии. “Я даже в шутку прозвал ее Крейсером «Даудна»”, – говорит он.

Государство по-прежнему не могло наладить диагностику, а ждать результатов анализов в частных лабораториях приходилось неделю, и спрос на тестирование в Беркли был велик. Начальник городского департамента здравоохранения Лиза Эрнандес попросила Урнова предоставить пять тысяч тестовых наборов, часть из которых предполагалось использовать для взятия анализов у малообеспеченных и бездомных людей. Начальник пожарной охраны Дэвид Брэнниген сказал Урнову, что тридцать пожарных сидят на карантине, потому что никак не могут получить результаты анализов. Даудна и Урнов пообещали, что примут их всех.

“Спасибо, IGI”

Первым делом сотрудникам новой лаборатории нужно было удостовериться, что разработанные ими тесты показывают верный результат. Даудна внимательно следила за ходом испытаний, поскольку со студенческих лет была экспертом по расшифровке данных, содержащих РНК. Получая результаты, ученые выводили их на экран в зум и наблюдали, как Даудна внимательно вглядывается в перевернутые синие треугольники, зеленые треугольники и квадратики, обозначающие различные элементы данных. Порой она просто смотрела на них не шевелясь, и остальные не смели вздохнуть. “Да, здесь все в порядке”, – сказала она как-то в ходе очередного сеанса и навела курсор на одну область в результатах теста на выявление РНК. Затем она изменилась в лице, указала на другую область и пробормотала: “Нет, нет, нет”.

Федор Урнов отражается в стекле, фотографируя записку

Наконец в начале апреля она взглянула на свежие данные, собранные Линем Шао, и признала их “превосходными”. Тесты были готовы к использованию.

В восемь утра в понедельник, 6 апреля, к дверям IGI подъехал фургон пожарной охраны. Офицер Дори Тью привезла ученым ящик с пробами. Надев белые перчатки и синюю маску, Урнов принял у нее пенопластовый холодильник, за передачей которого наблюдал его коллега Дирк Хоккемейер. Исследователи пообещали, что пожарные получат результаты анализов на следующее утро.

Пока велись последние приготовления к пуску лаборатории, Урнов сходил купить обед своим родителям, живущим неподалеку. Вернувшись в здание IGI, он обнаружил на большой стеклянной двери листок бумаги, на котором было написано: “Спасибо, IGI! Искренне благодарные жители Беркли и всего мира”.

Глава 51. Mammoth и Sherlock

CRISPR как средство обнаружения

На совещании 13 марта, которое Даудна организовала для обсуждения ситуации с коронавирусом, она решила, что прежде всего необходимо создать высокоскоростную диагностическую ПЦР-лабораторию. Но в ходе обсуждения Федор Урнов предложил также рассмотреть новаторскую идею: использовать CRISPR для выявления РНК коронавируса, подобно тому как бактерии обнаруживают атакующие их вирусы с помощью своих CRISPR-систем.

– На эту тему только что вышла статья, – отметил один из участников встречи.

Урнов сразу перебил собеседника, поскольку статья была ему прекрасно знакома.

– Да, ее написала Дженис Чен, которая раньше работала в лаборатории Даудны.

На самом деле почти одновременно вышли две схожие статьи. Одну подготовили бывшие сотрудники лаборатории Даудны, основавшие компанию для использования CRISPR в качестве средства обнаружения. Другую, что неудивительно, написал Фэн Чжан из Института Брода. И снова два этих мира вступили в противостояние. На этот раз, однако, они стремились не запатентовать методы редактирования человеческого генома, а помочь спасти человечество от новой коронавирусной инфекции. Теперь они делились своими открытиями бесплатно.

Cas12 и Mammoth

В 2017 году аспиранты Дженис Чен и Лукас Харрингтон работали в лаборатории Даудны, где изучали недавно открытые CRISPR-ассоциированные ферменты. В частности, объектом их исследования был один из них, Cas12a, который обладал особым свойством. Его, как и Cas9, можно было направлять таким образом, чтобы он находил и разрезал нужную последовательность ДНК. Но этим дело не ограничивалось. Сделав двухцепочечный разрез ДНК-мишени, он принимался без разбора резать все однонитевые ДНК в непосредственной близости от себя. “Мы стали замечать, что он ведет себя весьма странно”, – говорит Харрингтон[507].

Однажды за завтраком муж Даудны Джейми Кейт предположил, что описанное свойство можно использовать для создания диагностического инструмента. Такая же идея пришла в голову Чен и Харрингтону. Они совместили систему CRISPR-Cas12 с молекулой-репортером – флуоресцентным сигналом, связанным с фрагментом ДНК. Когда система CRISPR-Cas12 обнаруживала ДНК-мишень, она также разрезала молекулы-репортеры, которые в результате давали светящийся сигнал. С помощью такого диагностического инструмента можно было определить, присутствует ли в организме пациента конкретный вирус, или бактерия, или рак. Чен и Харрингтон назвали его DNA endonuclease targeted CRISPR trans reporter (“ДНК-нацеленная эндонуклеаза CRISPR-трансрепортер”), чтобы создать на основе этой неуклюжей фразы аббревиатуру DETECTR, напоминающую CRISPR.

Когда в ноябре 2017 года Чен, Харрингтон и Даудна отправили статью с описанием своей работы в журнал Science, редакторы попросили, чтобы они уделили больше внимания тому, как сделать на основе этого открытия диагностический тест. Теперь даже традиционные научные журналы проявляли интерес к переносу достижений фундаментальной науки в прикладную сферу. “Если в журнале просят о таком, – говорит Харрингтон, – начинаешь работать с особым усердием”. В рождественские каникулы 2017 года они с Чен в сотрудничестве с ученым из Калифорнийского университета в Сан-Франциско показали, как их инструмент CRISPR-Cas12 может обнаруживать вирус папилломы человека (ВПЧ), передающийся половым путем. “Мы ездили туда-сюда на «убере», таская с собой гигантскую лабораторную установку, чтобы анализировать пробы разных пациентов”, – вспоминает Харрингтон.

Дженис Чен и Лукас Харрингтон

Даудна попросила редакторов Science рассмотреть статью в приоритетном порядке. Ее снова отправили в журнал в январе 2018 года, дополнив данными о выявлении ВПЧ с помощью DETECTR. Работу приняли к публикации и разместили онлайн в феврале.

С тех пор как Уотсон и Крик завершили свою знаменитую статью о ДНК словами: “От нас не укрылось, что представленные пары позволяют предположить, как работает механизм копирования генетического материала”, – ученые взяли в обыкновение заканчивать журнальные статьи сдержанным, но важным замечанием о дальнейшем развитии науки. Чен, Харрингтон и Даудна завершили свою работу, сказав, что система CRISPR-Cas12 “предлагает новую стратегию для повышения скорости, чувствительности и специфичности обнаружения нуклеиновых кислот при проведении диагностики у постели больного”. Иными словами, ее можно использовать для создания простого теста для быстрого выявления вирусных инфекций в больнице и дома[508].

Хотя Харрингтон и Чен еще не получили докторскую степень, Даудна посоветовала им основать компанию. Теперь она твердо верила, что фундаментальные исследования необходимо совмещать с прикладными, перенося открытия из лабораторий к пациентам. “Многие другие технологии, открытые нами, были на всякий случай куплены крупными компаниями, которые не стали их развивать, – говорит Харрингтон. – И потому мы решили основать собственную фирму”. Компания Mammoth Biosciences официально начала работу в апреле 2018 года, и Даудна возглавила ее научно-консультативный совет.

Cas13 и SHERLOCK

Как бывало весьма часто, Даудна с командой соперничала со своим конкурентом с другого конца страны, Фэном Чжаном из Института Брода. Работая с пионером CRISPR Евгением Куниным из Национальных институтов здоровья и применяя техники вычислительной биологии, Чжан рассортировал геномы тысяч микробов. В октябре 2015 года исследователи сообщили об открытии множества новых CRISPR-ассоциированных ферментов. В дополнение к уже известным ферментам Cas9 и Cas12, нацеленным на ДНК, Чжан и Кунин нашли класс ферментов, нацеленных на РНК[509]. Их назвали Cas13.

Cas13 обладал таким же странным свойством, как и Cas12: обнаруживая цель, он срывался с цепи и разрезал не только свою РНК-мишень, но и все остальные РНК в непосредственной близости.

Сначала Чжан решил, что это ошибка. “Мы думали, что Cas13 будет расщеплять РНК точно так же, как Cas9 расщепляет ДНК, – говорит он. – Но всякий раз, когда мы проводили реакцию с Cas13, РНК разрезалась во многих местах”. Чжан спросил у сотрудников своей лаборатории, уверены ли они, что правильно очищают фермент и не подвергают его контаминации. Они тщательно все проверили и удалили все возможные источники контаминации, но беспорядочное разрезание РНК не прекратилось. Чжан предположил, что такой метод появился в ходе эволюции, чтобы у клетки была возможность совершить самоубийство, если атакующий вирус заразит ее слишком сильно, и таким образом не позволить вирусу распространяться с такой скоростью[510].

Далее лаборатория Даудны изучила, как именно работает Cas13. В статье, опубликованной в октябре 2016 года, Даудна с соавторами, в число которых вошли ее муж Джейми Кейт и студентка Александра Ист-Селетски, проводившая часть важнейших экспериментов по применению CRISPR в клетках человека в 2012 году, объяснили, какие функции выполняет Cas13, и отметили его способность без разбора разрезать тысячи других находящихся поблизости РНК после того, как он достигнет цели. Такое поведение позволяет использовать Cas13 в комбинации с флуоресцентными репортерами (как ранее делалось с Cas12) в качестве средства обнаружения определенных последовательностей РНК, например РНК коронавируса[511].

Фэн Чжан и Патрик Хсю

Чжан и его коллеги из Института Брода смогли создать такое средство обнаружения в апреле 2017 года и назвали его specific high sensitivity enzymatic reporter unlocking (“специфичное высокочувствительное ферментативное репортерное разблокирование”), или SHERLOCK. Лед тронулся! Они показали, что SHERLOCK может выявлять определенные штаммы вирусов Зика и лихорадки денге[512]. За следующий год они разработали его версию, в которой совместили Cas13 и Cas12, чтобы обнаруживать несколько целей в ходе одной реакции. Далее они упростили систему и сделали так, что результат показывался на тест-полосках, как результат теста на беременность[513].

Чжан решил основать диагностическую компанию, чтобы коммерциализировать SHERLOCK, как поступили Чен и Харрингтон, учредившие Mammoth. В число ее сооснователей вошли двое аспирантов, которые значились ведущими авторами многих написанных в его лаборатории статей по CRISPR-Cas13, – Омар Абудайе и Джонатан Гутенберг. Гутенберг вспоминает, что, узнав о склонности Cas13 беспорядочно разрезать РНК, они едва не отказались от публикации работы. Это свойство казалось бесполезной причудой природы. Но когда Чжан нашел способ использовать эту причуду для создания технологии обнаружения вирусов, Гутенберг понял, что открытия фундаментальной науки порой находят неожиданное применение в реальном мире. “Знаете, природа хранит целое множество удивительных тайн”, – говорит он[514].

Привлечь средства и запустить Sherlock Biosciences получилось не сразу, поскольку Чжан и аспиранты не желали работать исключительно ради выгоды. Они хотели сделать технологии доступными в развивающемся мире. В итоге компания была организована таким образом, чтобы получать прибыль с инноваций, но практиковать некоммерческий подход в тех регионах, где в этом была большая необходимость.

В отличие от конкуренции Даудны и Чжана за патенты, соперничество диагностических компаний не было особенно ожесточенным. Обе стороны понимали, что технологии способны принести огромную пользу. При каждой следующей эпидемии Mammoth и Sherlock могли быстро перепрограммировать свои диагностические инструменты, делая мишенью новый вирус, и производить тест-наборы. Так, в 2019 году команда Института Брода отправила нескольких специалистов с SHERLOCK в Нигерию, чтобы помочь с проведением диагностики при вспышке лихорадки Ласса, вызываемой вирусом из семейства эболы[515].

В то время применение CRISPR в качестве диагностического инструмента казалось благородным, хотя и не особенно интересным делом. О нем говорили не так часто, как об использовании CRISPR для лечения болезней и редактирования генома человека. Но в начале 2020 года мир неожиданно изменился. Умение без промедления обнаруживать атакующий вирус оказалось чрезвычайно важно. И делать это быстрее и дешевле, чем с помощью традиционных ПЦР-тестов, требующих множества перемешиваний и температурных циклов, позволяло применение РНК-направляемых ферментов, запрограммированных на выявление генетического материала вируса, то есть адаптированной системы CRISPR, которую миллионы лет использовали бактерии.

Глава 52. Тесты на коронавирус

Фэн Чжан

В начале января 2020 года Фэну Чжану начали приходить письма о коронавирусе, написанные на китайском языке. Часть из них присылали знакомые ему китайские ученые, но нашлось и одно неожиданное – от атташе по науке из китайского консульства в Нью-Йорке. “Вы американец и не живете в Китае, – говорилось в нем, – но речь идет о серьезной проблеме, стоящей перед всем человечеством”. Далее цитировалась старинная китайская поговорка: “Когда где-то беда, помощь приходит со всех сторон”. “Мы надеемся, что вы подумаете и скажете, чем можете помочь”, – писал атташе[516].

Чжан почти ничего не знал о новой коронавирусной инфекции и лишь читал о ситуации в Ухане в статье The New York Times, но письма “подсказывали, что положение серьезное”, говорит он. Особенно важной была переписка с китайским консульством. “Обычно я ничего от них не получаю”, – поясняет Чжан, который иммигрировал с родителями в Айову, когда ему было одиннадцать лет.

Я спросил его, не считают ли китайские чиновники, что он китайский ученый. “Похоже, так и есть, – ответил он, немного помедлив. – Они, наверное, считают китайцами всех выходцев из Китая. Но это не имеет значения, поскольку мир сегодня очень взаимосвязан, особенно в пандемию”.

Чжан решил перенастроить средство обнаружения SHERLOCK таким образом, чтобы оно могло обнаруживать новую коронавирусную инфекцию. К несчастью, в его лаборатории не было никого, кто мог бы провести необходимые эксперименты. В результате он занялся этим сам и привлек к работе двух своих бывших аспирантов Омара Абудайе и Джонатана Гутенберга. Они к тому времени уже открыли собственную лабораторию в Институте Макговерна при MIT, расположенном в квартале от Института Брода, и согласились снова поработать вместе с ним.

Фэн Чжан (вверху слева), Омар Абудайе (вверху справа) и Джонатан Гутенберг (по центру справа) на зум-встрече по обнаружению COVID

Сначала у Чжана не было доступа к пробам коронавирусной инфекции, взятым у людей, поэтому он синтезировал ее. Применяя метод SHERLOCK, Чжан с командой разработал диагностический тест, который предполагает всего три шага и может проводиться за час без использования сложного оборудования. Нужно было лишь небольшое устройство, чтобы поддерживать постоянную температуру, пока генетический материал из проб амплифицируется в ходе химического процесса, который был проще, чем ПЦР. Результаты проявлялись на бумажной тест-полоске.

Четырнадцатого февраля, задолго до того, как большая часть США обратила внимание на новую коронавирусную инфекцию, лаборатория Чжана разместила в интернете технический документ с описанием теста и предложила всем лабораториям свободно использовать его или адаптировать процесс. “Сегодня мы делимся протоколом исследования диагностики #coronavirus COVID-19 на базе SHERLOCK и надеемся, что это поможет людям, которые борются с его вспышкой, – твитнул Чжан. – Мы будем обновлять информацию по мере получения новых данных”[517].

Основанная им компания Sherlock Biosciences быстро приступила к преобразованию метода в коммерческий диагностический инструмент, подходящий для применения в больницах и поликлиниках. Директор компании Рахул Дханда сказал своей команде, что хочет, чтобы компания сосредоточилась на COVID, и исследователи вернулись к своим рабочим станциям и принялись за дело. “Это был буквально разворот: ученые развернулись на своих стульях, а компания развернулась к новой цели”, – говорит Дханда. К концу 2020 года компания уже сотрудничала с производственными партнерами, налаживая выпуск маленьких аппаратов, с помощью которых результаты можно было получать менее чем за час[518].

Чен и Харрингтон

Примерно тогда, когда Чжан приступил к разработке своего теста на коронавирус, Дженис Чен позвонил ученый из научно-консультативного совета компании Mammoth Biosciences, которую она основала вместе с Даудной и Лукасом Харрингтоном. “Может, разработать на базе CRISPR новый диагностический тест для обнаружения вируса SARS-CoV-2?” – спросил он. Чен ответила, что попытаться стоит. В результате они с Харрингтоном оказались втянутыми в очередное противостояние кругов Даудны и Чжана, которые работали в разных концах страны[519].

Через две недели команда Mammoth смогла перенастроить свой инструмент DETECTR на базе CRISPR таким образом, чтобы он обнаруживал SARS-CoV-2. Одно из преимуществ совместной работы с Калифорнийским университетом в Сан-Франциско, имевшим собственную больницу, состояло в том, что испытания можно было проводить на пробах, взятых у 36 настоящих пациентов, болеющих COVID, в то время как Институту Брода сначала приходилось довольствоваться синтетическими вирусами.

Тест Mammoth опирался на CRISPR-ассоциированный фермент Cas12, который Чен и Харрингтон изучали в лаборатории Даудны. Он нацелен на ДНК, поэтому может показаться менее подходящим, чем входящий в SHERLOCK Cas13, нацеленный на РНК, генетический материал коронавируса. Но в рамках обоих методов РНК коронавируса необходимо преобразовать в ДНК для амплиикации. В тесте SHERLOCK его затем приходится транскрибировать обратно в РНК, чтобы его можно было обнаружить, и таким образом к процессу добавляется еще один маленький шаг.

Чен и Харрингтон поспешили выложить в интернет технический документ с описанием теста Mammoth. Во многом он напоминал процесс SHERLOCK. Нужны были только термостат, реагенты и бумажные тест-полоски для результатов. Как и Чжан, члены команды Mammoth решили открыть свободный доступ к своей разработке.

Четырнадцатого февраля, собираясь опубликовать свой технический документ, Чен и Харрингтон увидели сообщение, пришедшее в Slack. Кто-то прислал ссылку на только что опубликованный Чжаном твит, в котором тот сообщал о размещении онлайн технического документа об использовании протокола SHERLOCK для обнаружения коронавируса. “Мы подумали: «Вот черт»”, – говорит Чен, вспоминая ту пятницу. Но через несколько минут они поняли, что выгодно выложить документы одновременно. Они добавили к своей статье постскриптум: “Пока мы работали над этим техническим документом, был опубликован другой протокол обнаружения SARS-CoV-2 с помощью диагностического инструмента на базе CRISPR (SHERLOCK, в. 20200214)”. Они также дополнили работу полезной таблицей со сравнительной схемой работы этих методов[520].

Чжан проявил благосклонность, что было довольно просто, ведь он опередил команду Mammoth всего на один день. “Обратите внимание на документ, предоставленный Mammoth, – твитнул он и дал ссылку на публикацию. – Хорошо, что ученые работают вместе и открыто делятся своими находками. #coronavirus”.

В этом твите нашла отражение новая благоприятная тенденция в мире CRISPR. Ожесточенная борьба за патенты и премии привела к замалчиванию исследований и основанию конкурирующих CRISPR-компаний. Но теперь Даудна, Чжан и их коллеги понимали, что победить коронавирус нужно срочно, и потому готовы были работать открыто и делиться результатами своего труда. Конкуренция по-прежнему играла важную и полезную роль: круги Даудны и Чжана, как и прежде, соперничали, стремясь быстрее публиковать статьи и разрабатывать новые тесты на COVID. “Я скажу как есть, – говорит Даудна. – Конкуренция, несомненно, сохраняется. Благодаря этому люди чувствуют насущную необходимость двигаться вперед, потому что в ином случае первыми к финишу придут другие”. Но все же коронавирус несколько смягчил соперничество, поскольку патенты теперь не обладали первостепенной важностью. “В этой ужасной ситуации есть невероятный плюс: опустив вопросы об интеллектуальной собственности, все просто стараются найти решения, – говорит Чен. – Люди сосредоточены на том, чтобы создать работающие инструменты, и не думают о коммерческой стороне дела”.

Домашние тесты

Тесты на базе CRISPR, разработанные Mammoth и Sherlock, дешевле и быстрее привычных ПЦР-тестов. Они также обладают преимуществом тестов на антитела, например теста Abbott Labs, одобренного в августе чумного года. Тесты на базе CRISPR выявляют вирусную РНК сразу после заражения. Но тесты на антитела, которые выявляют наличие белков, существующих на поверхности вируса, достигают максимальной точности лишь после того, как пациент становится заразным для окружающих.

Конечной целью разработки всех этих методов было создание теста на коронавирус на базе CRISPR, который напоминал бы домашний тест на беременность и был бы дешевым, одноразовым, быстрым и простым, чтобы его можно было купить в соседней аптеке и применить, уединившись в собственной ванной.

Харрингтон и Чен из Mammoth представили свой прототип такого теста в мае 2020 года и объявили, что заключили партнерство с базирующейся в Лондоне транснациональной фармацевтической компанией GlaxoSmithKline (производителем солпадеина и терафлю), чтобы наладить его производство. Тест должен был за двадцать минут давать точный результат без применения специального оборудования.

Лаборатория Чжана в тот же месяц нашла способ упростить систему обнаружения SHERLOCK, заменив двухступенчатую реакцию одноступенчатой. Из оборудования при этом нужна была лишь одна емкость, чтобы поддерживать в системе температуру 60°C. Чжан назвал новый метод STOP (SHERLOCK testing in one pot, “диагностика с помощью SHERLOCK в одном резервуаре”)[521]. “Давайте покажу, как это будет выглядеть, – с мальчишеским задором сказал Чжан, листая в зуме слайды и изображения. – Просто помещаете назальную пробу или пробу слюны в этот картридж, вставляете его в устройство, вскрываете один пузырек, чтобы вылить раствор, который выделит вирусную РНК, а затем вскрываете другой пузырек, откуда в амплификационную камеру поступают сублимированные CRISPR для проведения реакции”.

Чжан назвал свое устройство STOP-COVID. Впрочем, эту платформу легко адаптировать для обнаружения любого вируса. “Поэтому мы и выбрали название STOP, к которому можно добавлять название любой цели, – поясняет Чжан. – Мы можем создать STOP-грипп, STOP-ВИЧ и даже задать одной платформе много целей для обнаружения. Устройству все равно какой вирус искать”[522].

Разработанный Mammoth инструмент тоже можно без труда перепрограммировать на обнаружение любого нового вируса. “Прелесть CRISPR в том, что, имея платформу, достаточно просто перестроить химию, чтобы обеспечить обнаружение другого вируса, – говорит Чен. – Ее можно использовать при следующей пандемии и при диагностике любого вируса. Кроме того, с ее помощью можно противостоять бактериям и чему угодно, что имеет генетическую последовательность, даже раку”[523].

Биология приходит домой

Разработка наборов для проведения анализов на дому может не только повлиять на борьбу с COVID, но и привести биологию домой, как персональные компьютеры в 1970-х годах привели в повседневную жизнь и сознание людей цифровые продукты и услуги, а также дали им представление о микросхемах и программном коде.

Персональные компьютеры, а затем смартфоны стали платформами, на которых сменяющие друг друга поколения инноваторов могут создавать прекрасные продукты. Кроме того, они помогли превратить цифровую революцию в нечто личное, и это подтолкнуло людей хотя бы немного разобраться в технологиях.

Когда Чжан был маленьким, его родители подчеркивали, что он должен использовать компьютер как инструмент для разработки проектов. Когда его внимание переключилось с микросхем на микробов, он задумался, почему биология не проникла в будни людей столь же глубоко, как компьютеры. Не существовало ни простых биологических устройств, ни платформ, на которых новаторы могли бы строить новые вещи и которые обычные люди могли бы использовать у себя дома. “Проводя эксперименты по молекулярной биологии, я думал: «Это очень здорово и очень основательно, но почему же это влияет на жизнь людей так же, как компьютерные программы?»”

Он задавался тем же вопросом в аспирантуре. “Как думаете, как мы можем привести молекулярную биологию на кухню или к людям домой?” – спрашивал он у однокурсников. Разрабатывая на базе CRISPR домашние тесты для обнаружения вирусов, он понял, что, возможно, нашел ответ. Наборы для проведения анализов на дому могли стать платформой, операционной системой, конструктивным стандартом, позволяющим нам впустить чудеса молекулярной биологии в повседневную жизнь.

Возможно, наступит день, когда разработчики и предприниматели смогут использовать домашние тест-наборы в качестве платформ для создания различных биомедицинских приложений, помогающих обнаружить вирусы, диагностировать заболевания, исследовать микрофлору, а также проводить онкологические обследования, анализы пищевой ценности и генетические анализы. “Мы можем позволить людям прямо у себя дома проверять, не больны ли они гриппом и даже обычной простудой, – говорит Чжан. – Если у ребенка заболит горло, они смогут определить, не ангина ли это”. И еще, пожалуй, это поможет нам немного лучше понять, как работает молекулярная биология. Внутренняя кухня молекул для большинства людей, вероятно, останется тайной, как и специфика работы микросхем, но все мы хотя бы сможем чуть глубже прочувствовать, насколько красивы и эффективны обе системы.

Дарья Данцева, Джосайя Зайнер и Дэвид Айши вводят себе собственную вакцину

Глава 53. Вакцины

Моя прививка

“Смотрите мне в глаза”, – велела врач, глядя на меня из-за пластикового защитного щитка. Ее глаза были пронзительно голубыми, почти такими же, как и ее маска. И все же я вскоре повернулся к врачу слева, который вводил длинную иглу глубоко в мышцы моего плеча. “Нет! – услышал я от первого врача. – Смотрите на меня!”

Затем она объяснила, в чем дело. Поскольку я принимал участие в двойном слепом клиническом исследовании экспериментальной противокоронавирусной вакцины[524], врачам нужно было удостовериться, что я не имею представления о том, какой получаю препарат – настоящую вакцину или плацебо из физраствора. Мог бы я понять это, если бы просто взглянул на шприц? “Вероятно, нет, – ответила она, – но лучше не рисковать”.

Начался август 2020 года, и меня привлекли к участию в клиническом исследовании вакцины от коронавируса, разрабатываемой Pfizer в партнерстве с немецкой компанией BioNTech. Это была вакцина нового типа, который не использовался никогда прежде. В ней, в отличие от традиционных вакцин, содержались не деактивированные компоненты вируса-мишени, а фрагменты его РНК.

Как вы уже знаете, РНК – это нить, которая тянется сквозь всю карьеру Даудны и эту книгу. В 1990-х годах, пока другие ученые занимались ДНК, Джек Шостак, научный руководитель Даудны из Гарварда, посоветовал ей обратить внимание на менее известную, но более трудолюбивую сестру ДНК, которая отвечает за формирование белков, выступает в качестве направляющей для ферментов, обладает способностью к самовоспроизводству и, вероятно, является основой всей жизни на земле. “Я не перестаю восхищаться тем, что РНК умеет столь многое, – призналась Даудна, когда я рассказал, что участвую в клиническом исследовании РНК-вакцины. – Это генетический материал коронавируса, и он может весьма любопытным образом стать основой для вакцин и лекарственных препаратов”[525].

Традиционные вакцины

Вакцины работают, стимулируя иммунную систему человека. В организм пациента вводится субстанция, напоминающая опасный вирус (или любой другой патоген[526]). Эта субстанция может представлять собой деактивированный вирус, безопасный фрагмент вируса или генетические инструкции для создания этого фрагмента. Задача заключается в том, чтобы подстегнуть иммунную систему человека. Если все получается как надо, организм вырабатывает антитела, которые впоследствии защищают его от инфекции при атаке настоящего вируса, порой даже на протяжении многих лет.

Первые прививки в 1790-х годах предложил английский врач Эдвард Дженнер, заметивший, что многие доярки обладают иммунитетом к оспе. Как выяснилось, они заражались коровьей оспой, которая не опасна для человека. Дженнер предположил, что коровья оспа дала дояркам иммунитет к натуральной. Он взял немного гноя из пузырька, появившегося из-за коровьей оспы, поцарапал руку восьмилетнему сыну своего садовника, втер гной в царапины, а затем (в те годы дискуссии о биоэтике еще не начались) привил мальчику натуральную оспу. Тот не заболел.

Существует целый ряд способов стимулировать работу человеческой иммунной системы с помощью вакцин. Один традиционный подход состоит в том, чтобы ввести в организм ослабленный и безопасный (аттенуированный) вариант вируса. Такие вакцины становятся прекрасными учителями для иммунной системы, поскольку содержащийся в них вариант весьма похож на натуральный. Организм реагирует, вырабатывая антитела для борьбы с вирусом, и иммунитет к нему может сохраняться всю жизнь. В 1950-х годах Альберт Сейбин применил этот подход для создания оральной вакцины от полиомиелита, и теперь мы пользуемся им для борьбы с корью, свинкой, краснухой и ветрянкой. На разработку и подготовку таких вакцин уходит много времени (вирусы приходится инкубировать в куриных яйцах), но некоторые компании в 2020 году взяли этот метод на вооружение в качестве долгосрочного варианта для борьбы с коронавирусом.

Пока Сейбин пытался создать ослабленный вирус полиомиелита для вакцинации, Джонас Солк добился успеха, сделав ставку на несколько более безопасный подход: он решил использовать деактивированный вирус. Вакцина такого типа тоже может научить иммунную систему человека бороться с живым вирусом. Пекинская компания Sinovac применила этот подход для разработки одной из первых противокоронавирусных вакцин.

Другой традиционный подход заключается в том, чтобы ввести в организм фрагмент вируса, например один из белков с его оболочки. Иммунная система запомнит его и позволит организму сформировать быстрый и надежный ответ на случай столкновения с настоящим вирусом. Например, так работает вакцина против вируса гепатита B. Вакцины, использующие лишь фрагмент вируса, безопаснее в использовании и проще в производстве, но обычно они не так хорошо справляются с выработкой долгосрочного иммунитета. Взявшись за создание вакцин в 2020 году, многие компании сделали ставку на этот подход и стали искать способы вводить в клетки человека белок, который формирует шипы на поверхности коронавируса.

Генные вакцины

Скорее всего, печальный 2020 год запомнится как время, когда на смену традиционным стали приходить генные вакцины. Вместо того чтобы вводить в организм человека ослабленный вариант или часть опасного вируса, вакцины нового типа доставляют в клетки человека ген или фрагмент генетического кода, который содержит инструкции для самостоятельного производства компонентов вируса. Цель состоит в том, чтобы эти компоненты стимулировали работу иммунной системы пациента.

Для этого можно взять безвредный вирус и внедрить в него ген, который будет производить необходимый компонент. Как мы все теперь знаем, вирусы мастерски умеют проникать в клетки человека. Именно поэтому безвредные вирусы можно использовать в качестве курьеров, или векторов, для транспортировки материала в клетки пациентов.

Такой подход позволил разработать одну из первых экспериментальных вакцин, созданную в весьма удачно названном Институте Дженнера при Оксфордском университете. Генетически перестроив безвредный вирус – аденовирус, вызывающий простуду у шимпанзе, – ученые добавили в него ген для создания белка-шипа коронавируса. В подобных вакцинах, разработанных в 2020 году другими компаниями, использовался аденовирус человека. Так, в вакцине Johnson & Johnson аденовирус человека доставлял в организм ген, кодирующий инструкции для создания фрагмента белка-шипа. Но оксфордская команда выбрала аденовирус шимпанзе, поскольку пациенты, перенесшие простудные заболевания, могли обладать иммунитетом к аденовирусу человека.

Как оксфордская вакцина, так и вакцина Johnson & Johnson делали ставку на то, что отредактированный аденовирус проникнет в клетки человека и инициирует производство большого количества белков-шипов. Это, в свою очередь, подтолкнет иммунную систему человека к выработке антител, и тогда она окажется подготовлена к тому, чтобы быстро реагировать при атаке настоящего коронавируса.

Ведущим исследователем в Оксфорде была Сара Гилберт[527]. В 1998 году, когда у нее раньше срока родилась тройня, ее муж взял на работе отпуск, чтобы позволить ей вернуться в лабораторию. В 2014 году Гилберт участвовала в разработке вакцины от ближневосточного респираторного синдрома (БВРС), в которой использовался отредактированный аденовирус шимпанзе, куда был добавлен ген белка-шипа. Тогда эпидемия сошла на нет, прежде чем ее вакцину ввели в оборот, но это дало Гилберт фору при появлении нового коронавируса. Она знала, что аденовирус шимпанзе прекрасно справлялся с доставкой в организм человека гена для создания белка-шипа БВРС. Когда в январе 2020 года китайцы выложили в интернет генетическую последовательность нового коронавируса, она сразу принялась вставлять в аденовирус шимпанзе ген его белка-шипа, изо дня в день поднимаясь в четыре утра.

К тому времени ее тройняшкам исполнился двадцать один год, и все они изучали биохимию. Они вызвались первыми получить вакцину и проверить, появятся ли у них антитела. (Они появились.) Испытания на обезьянах, проведенные в марте в центре по изучению приматов в Монтане, также дали многообещающие результаты.

На первых порах финансирование предоставлял Фонд Билла и Мелинды Гейтс. Билл Гейтс также настоял, чтобы оксфордская команда вступила в партнерство с крупной компанией, которая возьмет на себя производство и распространение вакцины, если она окажется действенной. В результате Оксфорд выбрал в партнеры британско-шведскую фармацевтическую компанию AstraZeneca.

ДНК-вакцины

Существует и другой способ доставить генетический материал в клетку человека и подтолкнуть ее к производству компонентов вируса, способных стимулировать иммунную систему. Вместо того чтобы вставлять ген компонента в вирус, можно просто доставить в клетки человека генетический код компонента в виде ДНК или РНК. Так клетки превратятся в установки по производству вакцины.

Начнем с ДНК-вакцин. Хотя до пандемии COVID не была одобрена ни одна ДНК-вакцина, идея казалась перспективной. В 2020 году ученые из Innovo Pharmaceuticals и нескольких других компаний создали маленькое кольцо ДНК, кодирующее фрагменты белка-шипа коронавируса. Предполагалось, что если оно сможет проникнуть в ядро клетки, то ДНК примется с большой эффективностью производить множество нитей матричной РНК, под контролем которых будут создаваться компоненты белка-шипа, стимулирующие иммунную систему организма. Синтезировать ДНК недорого, и для этого не нужно работать с живыми вирусами и инкубировать их в куриных яйцах.

Большую сложность, однако, представляет доставка ДНК-вакцин в клетки человека. Как добиться, чтобы небольшое кольцо синтезированной ДНК проникло сначала в саму клетку, а затем – в ее ядро? Если ввести пациенту в руку большую дозу вакцины, часть ДНК попадет в клетки, но это не слишком эффективно.

Некоторые разработчики ДНК-вакцин, включая Inovio, пытались обеспечить доставку с помощью метода электропорации, при котором место инъекции подвергается воздействию электрического тока, в результате чего поры в клеточных мембранах открываются и ДНК получает возможность проникнуть внутрь. В аппарате для электропорации множество крошечных игл, смотреть на которые страшновато. Неудивительно, что такая техника не завоевала популярности, особенно у пациентов.

Одна из команд, сформированных Даудной в первые дни коронавирусного кризиса в марте 2020 года, сосредоточилась на решении проблем, связанных с доставкой ДНК-вакцин в клетки человека. Эту группу возглавили бывший студент Даудны Росс Уилсон, который теперь руководит собственной лабораторией, расположенной чуть дальше по коридору от лаборатории Даудны в Беркли, и Алекс Мэрсон из Калифорнийского университета в Сан-Франциско. На одной из регулярных встреч с Даудной в зуме Уилсон показал фотографию прибора для электропорации, разработанного Inovio. “Они стреляют пациенту в мышцу из такого пистолета, – сказал он. – За десять лет в прибор внесли лишь одно видимое изменение – теперь иголки скрыты под пластиковым колпачком, чтобы пациенту было не так страшно”.

Мэрсон и Уилсон придумали способ доставлять ДНК-вакцину в клетки с помощью CRISPR-Cas9. Они совместили белок Cas9, направляющую РНК и сигнал ядерной локализации, который помогает комплексу проникать в ядро. В результате появился “шаттл” для доставки ДНК-вакцин в клетки. Оказавшись внутри, ДНК дает клеткам инструкции для производства белков-шипов коронавируса и тем самым подстегивает иммунную систему организма к противодействию реальному вирусу[528]. Это блестящая идея, которая могла бы найти применение в разных методиках лечения, но реализовать ее оказалось непросто. В начале 2021 года Уилсон и Мэрсон по-прежнему пытались доказать ее эффективность.

РНК-вакцины

И это снова приводит нас к нашей любимой молекуле, биохимической звезде этой книги – РНК.

Вакцина, которая испытывалась в моем клиническом исследовании, задействует самую базовую функцию, выполняемую РНК в центральной догме биологии, – ее работу в качестве матричной РНК (мРНК), которая переносит генетические инструкции от ДНК, хранящейся в клеточном ядре, в производственную зону клетки, где мРНК указывает, какой белок производить. В случае с противокоронавирусной вакциной мРНК приносит в клетку инструкции для создания фрагмента белка-шипа с поверхности коронавируса[529].

РНК-вакцины доставляют свои грузы в крошечных жировых капсулах, называемых липидными наночастицами, которые с помощью длинного шприца вводятся в мышцы плеча. Моя мышца после инъекции болела несколько дней.

РНК-вакцина имеет некоторые преимущества перед ДНК-вакциной. Главное, что РНК не нужно проникать в ядро клетки, где базируется ДНК. РНК работает во внешней зоне клетки, цитоплазме, где конструируются белки. Именно поэтому РНК-вакцине нужно просто доставить свой груз в эту внешнюю зону.

В 2020 году РНК-вакцины от COVID произвели две молодые инновационные фармацевтические компании: Moderna из Кембриджа (штат Массачусетс) и немецкая BioNTech, которая заключила партнерство с американской Pfizer. Я участвовал в клиническом исследовании вакцины BioNTech/Pfizer.

Компания BioNTech была основана в 2008 году супругами-учеными Угуром Шахином и Озлем Тюреджи. Они специализировались на противораковой иммунотерапии, которая стимулирует иммунную систему пациентов для борьбы с раковыми клетками. Вскоре компания также стала лидером в разработке препаратов, использующих мРНК в качестве противовирусных вакцин. В январе 2020 года, когда Шахин прочитал в медицинском журнале статью о новой коронавирусной инфекции в Китае, он отправил правлению BioNTech письмо, в котором отметил, что не стоит полагать, будто этот вирус придет и уйдет без проблем, как БВРС и ТОРС. “На этот раз все иначе”, – написал он[530].

BioNTech запустила проект Lightspeed, чтобы разработать вакцину на базе РНК-последовательностей, которые заставляют клетки человека производить варианты белка-шипа коронавируса. Когда появился перспективный вариант, Шахин позвонил Кэтрин Дженсен, руководившей исследованием и разработкой вакцин в Pfizer. Компании с 2018 года сотрудничали в сфере разработки противогриппозных вакцин с применением технологии мРНК, и Шахин спросил у Дженсен, не хочет ли Pfizer заключить подобное партнерство для разработки вакцины от COVID. Дженсен сказала, что собиралась позвонить ему с таким же предложением. Договор подписали в марте[531].

К тому времени подобную РНК-вакцину уже готовила Moderna, компания гораздо более скромных размеров, где работало всего 800 человек. Ее генеральный директор и сооснователь Нубар Афеян, родившийся в Бейруте армянин, который иммигрировал в США, в 2005 году заинтересовался возможностью вставлять мРНК в клетки человека, чтобы запускать производство необходимого белка. Он нанял несколько молодых выпускников гарвардской лаборатории Джека Шостака, который был научным руководителем Дженнифер Даудны, когда она училась в аспирантуре, и привлек ее внимание к чудесам РНК. Главным образом компания применяла мРНК для разработки персонализированных препаратов для лечения рака, но также экспериментировала с использованием этой техники для создания противовирусных вакцин.

В январе 2020 года, сидя в кембриджском ресторане на дне рождения одной из своих дочерей, Афеян получил срочное сообщение от исполнительного директора его компании в Швейцарии Стефана Банселя. Он вышел на мороз, чтобы перезвонить ему. Бансель сказал, что хочет запустить проект по применению мРНК для создания вакцины против новой коронавирусной инфекции. В тот момент в разработке у Moderna было двадцать препаратов, однако ни один из них еще не получил одобрения и даже не дошел до финальной стадии клинических испытаний. Афеян позволил Банселю приступить к работе, не дожидаясь разрешения всего совета директоров. Не имея ресурсов Pfizer, Moderna получала финансирование от правительства США. Энтони Фаучи, правительственный эксперт по инфекционным заболеваниям, поддержал идею. “Дерзайте, – сказал он. – О деньгах не беспокойтесь”. Всего за два дня Moderna создала нужные последовательности РНК для производства белка-шипа, а через 38 дней отправила первый ящик с ампулами в Национальные институты здоровья, чтобы запустить первую стадию испытаний. Афеян хранит фотографию этого ящика в своем телефоне.

Как и при создании препаратов на базе CRISPR, при разработке вакцины возникает сложность с ее доставкой в клетку. Moderna десять лет совершенствовала липидные наночастицы, крошечные синтетические капсулы, способные доставлять молекулы в клетки человека. Это дало компании преимущество над BioNTech/Pfizer: ее частицы были стабильнее и не должны были храниться при экстремально низких температурах. Moderna также использовала эту технологию для доставки CRISPR в клетки человека[532].

Наш биохакер вступает в игру

В этот момент на сцену снова вышел Джосайя Зайнер, гаражный ученый, который однажды ввел себе CRISPR. Он готов был в очередной раз примерить на себя роль проказника Пака. Пока остальные с нетерпением ждали результатов клинических испытаний генных вакцин, начавшихся летом 2020 года, Зайнер включил режим мудрого дурака и привлек к сотрудничеству пару единомышленников-биохакеров. Он планировал произвести и затем ввести себе одну из многих экспериментальных антикоронавирусных вакцин, которые находились в разработке. Зайнер хотел проверить две вещи: (а) выживет ли он и (б) появятся ли у него антитела для защиты от COVID. “Можете считать это рискованной выходкой, но в реальности люди просто берут в свои руки чертов контроль над наукой и двигают ее гораздо быстрее”, – сказал он мне[533].

В частности, он решил произвести и протестировать экспериментальную вакцину, которую гарвардские ученые описали в статье, опубликованной в мае в журнале Science. Испытания этой вакцины на людях только начались[534]. Эта ДНК-вакцина содержала генетический код шипа коронавируса. В статье подробно объяснялось, как ее изготовить. Имея рецепт, Зайнер заказал ингредиенты и взялся за дело.