Вам наверняка доводилось слышать про постгеномные технологии, то что мы живем в постгеномную эпоху и другие словосочетания со словом «постгеномный». Постгеномная эпоха, по словам экспертов, началась с момента успешного завершения проекта «Геном человека». А вот о том, как родился этот проект, как реализовывался и чем продолжился – рассказал ведущий специалист проектного отдела ФИЦ ИЦиГ СО РАН, д.б.н. Юрий Орлов.
Поначалу ученые считали, что геном (совокупность генов) организма содержит исключительно наследственную информацию, своего рода «инструкцию по сборке». Но, по мере его изучения, стало ясно, что там есть немало другого, и разделение собственно генов с нужной информацией и того, что стали называть «мусорная часть» ДНК может быть серьезной проблемой. В этой ситуации, идея «всеобщей переписи ДНК» могла показаться вполне здравым решением. Но оно требовало специальных технологий и немалых средств.
Правда «овчинка» однозначно «стоила выделки». В человеческом геноме содержится ключ к вопросу, что означает «быть человеком». Практически все причины смерти, кроме насильственной и несчастных случаев, в той или иной мере генетически обусловлены. Гены определяют нашу склонность к инфаркту, болям в спине и влияют на такие далекие от биологии вещи, как, например, вероятность получения высшего образования. Даже старение – генетически детерминированный феномен; внешние признаки, которые мы связываем со старением, во многом отражают многолетнее накопление мутаций в наших генах. В общем, уже полвека назад ученые понимали, что расшифровка генома человека откроет огромные перспективы, причем в совершенно прикладных результатах, прежде всего – для медицины. Желание было, а значит, должны были прийти и возможности.
В 1977 году английский биохимик Фредерик Сенгер (между прочим, единственный учёный в истории, получивший две Нобелевские премии по химии) представил метод расшифровки первичной структуры ДНК, также известный как «метод Сенгера». Он и стал основным инструментом для секвенирования (определения последовательности нуклеотидов) ДНК на следующие сорок лет. До тех пор, пока в нашем веке не появились методы секвенирования нового поколения, позволяющие одновременно работать с несколькими участками ДНК.
Но помимо технологий, требовалось и солидное финансирование. Чтобы стало понятнее, о каких суммах идет речь: после завершения, суммарно затраты на проект оценили в 3 миллиарда долларов. Понятно, что изначально смета была намного скромнее, но все равно выглядела внушительно.
Надо сказать, что не одни американцы были такими умными. В Советском Союзе в то время со схожими идеями выступал академик Александр Баев – выдающийся биохимик и врач. Подобно многим генетикам в сталинские времена он успел несколько лет провести в лагерях (причем, дважды), в 1957 году полностью реабилитирован, после чего сумел вернуться к научной работе и стал академиком, а также первым в стране лауреатом Государственной премии в области молекулярной биологии (за расшифровку первичной структуры валиновой тРНК 1). А в 1987 году разработал советский проект «Геном человека».
Проект проработал несколько лет, за это время наши ученые успели частично расшифровать 3-ю, 13-ю и 19-ю хромосомы, потом наука вместе со всей страной оказалась в глубоком кризисе, финансирование работ прекратилось, а часть участников проекта уехала за рубеж и продолжила эту работу в составе аналогичного международного проекта, к которому мы сейчас и вернемся.
В США проекту секвенирования генома помогло сдвинуться Министерство энергетики, профинансировавшее работы по долгосрочному отслеживанию генетических нарушений у людей, выживших при атомных взрывах в Хиросиме и Нагасаки, а также у их потомков. Что интересно, в СССР возрождение генетики после лысенковщины началось с открытия в Новосибирске Института цитологии и генетики при поддержке научных руководителей атомного проекта, которым тоже надо было знать, как радиация сказывается на наследственности. В Америке же деньги Министерства в итоге составили одну десятую общего бюджета проекта. Казалось бы, немного, но это были первые конкретные инвестиции, а не декларации о намерениях. А деньги, как известно, лучше всего идут к деньгам.
И в 1987 году заработал комитет американского проекта (фактически, в СССР и США работы начались одновременно). Этот комитет сразу взял курс на привлечение частных инвестиций, для чего даже создали компанию Genome Corporation, но она пала жертвой биржевого кризиса 1987 года.
Понимая, что искать ресурсы можно неограниченно долго, члены комитета решили не ждать, пока наберется вся сумма, а начинать работать, рассудив, что первые результаты станут отличной рекламой. Поскольку на тот момент денег было мало, основной этап отложили и сосредоточились на оттачивании технологических моментов. Тренировались на простейших организмах – пекарских дрожжах, мушке дрозофиле и черве-нематоде. Это вообще одни из любимых объектов у генетиков всего мира.
Сам проект «Геном человека» очень быстро стал международным (что вообще характерно для megascience – проектов), к нему подключились ученые Великобритании, Франции, Германии и Японии, которые в итоге и проделали львиную долю работы. В частности, в Великобритании, близ Кембриджа в 1992 году для его нужд был выстроен специальный научный комплекс – Сенгеровский центр.
Сама координация столь глобального проекта с множеством участников со всего мира потребовала немалых усилий. Оргкомитет сразу отказался работать с сотнями маленьких лабораторий и сделал ставку на крупные центры. Тогда же родилась практика (которую позже применяли в других схожих проектах): поручать ученым одной страны работу над расшифровки одной хромосомы.
Параллельно шла работа над удешевлением процесса секвенирования. Ключевую роль в этом сыграло изобретение полимеразной цепной реакции (ПЦР), которая позволяла выполнить селективную амплификацию (генерации нужных сегментов ДНК в огромных количествах) всего за пару часов. Изобрел ее американский биохимиком Кэри Муллис, за что в 1993 году получил Нобелевскую премию. А в рамках проекта «Геном человека» процесс ПЦР был автоматизирован, после чего секвенирование заметно ускорилось и подешевело. Сегодня ПЦР – очень распространенный процесс, как в науке, так и в медицине, и хоть он был изобретен лет за пять до старта «Генома человека», проект внес весомый вклад в совершенствование и продвижение этой технологии.
Еще одним «ускорителем» проекта, скажем так, стал конфликт, связанный с Крейгом Вентером. Вентер вообще интересный человек с интересными взглядами (рекомендую к прочтению его эссе о ценности эксперимента, написанное к 100-летию журнала Forbes), талантливый ученый и авантюрист.
К тому моменту, когда он познакомился с работой участников проекта «Геном человека» (конец 1980-х), он уже был одним из энтузиастов продвижения технологий автоматизированного секвенирования ДНК и работал в Национальном институте здравоохранения США (который тоже вложился в этот проект). А еще Вентер был довольно предприимчивым человеком и пришел к мысли, что результаты этой работы тоже можно рассматривать как интеллектуальную собственность. И значит – получить на них патент.
В июне 1991 года он опубликовал в журнале Science нашумевшую статью, в которой рассказал, что ему предположительно удалось идентифицировать 337 новых генов, основываясь на их сходстве с известными генами из баз данных ДНК. Через год он добавил в этот список еще около 2000 генов. И, хотя механизм их действия был ему неизвестен, подал заявку на них в патентное бюро. И параллельно основал свою организацию - The Institute for Genomic Research (Институт геномных исследований), сокращенно – TIGR. План Вентера был амбициозен, он заявил о намерении провести альтернативное секвенирование генома человека, сделать это первым и запатентовать результаты.
Надо сказать, что большая часть ученых отнеслась к этой инициативе неодобрительно. Во-первых, она противоречила политике открытости научного сообщества, внутри которого можно было свободно обмениваться информацией (собственно, и Вентер почерпнул многое для своего проекта у коллег). А во-вторых, им не нравился подход, когда патент получался на то, в чем его обладатель сам еще толком не разобрался. Напомню, Вентер на тот момент не знал, как работает абсолютное большинство генов, открытие которых он хотел запатентовать.
Но Крейга эти возражения только подстегнули и вскоре, помимо Института, он основал Celera Genomics – компанию, которая на протяжении ряда лет являлась главным конкурентом международного проекта «Геном Человека». Партнером и инвестором Вентера выступил Уоллес Стейнберг, человек, который изобрел зубную щетку Reach и заработал на этом миллионы.
Очень быстро их патентные инициативы стали тормозить медицинские научные исследования, поскольку позиция Celera Genomics гласила: «Если кто-либо использует ген в программе поиска новых препаратов после того, как ген запатентован, и делает это в коммерческих целях… то нарушает патент». В ответ биомедицинские компании стали инвестировать в проект «Геном человека», результаты работы которого публиковались в открытом доступе. Так Вентер, сам того не желая, оказал помощь своим конкурентам.
Началась натуральная «гонка секвенирования». В Celera Genomics сделали ставку на т.н. «полногеномный метод дробовика» (WGS), при котором геном просто рубили на фрагменты случайной длины, заливали все эти последовательности в секвенатор и дожидались, чтобы машина расставила их в правильном порядке, ориентируясь на перекрывающиеся участки и не располагая никакой исходной информацией об их местоположении. И в 1995 году успешно опробовали этот метод, расшифровав геном одной из бактерий.
Участники проекта «Геном человека» сомневались, что такой подход сработает с большими геномами, и продолжали работать проверенным способом: сначала первоначальное картирование (описание) участков генома, потом – детальное секвенирование. Времени на это уходило больше. И опасения, что Вентер с компанией выиграет гонку (а значит, получит еще больше прав на информацию о геноме) усиливались. Дошло до того, что президент США Билл Клинтон объявил, что итоги секвенирования генома человека поступят в открытый для научного сообщества доступ, независимо от того, кто будет первым.
Это несколько разрядило атмосферу. А в 2002 году Вентер и вовсе покинул компанию, занявшись другими проектами. Но отголоском войны стало то, что о завершении работ объявляли несколько раз – в 2000, 2001 и 2003 годах. И всякий раз выяснялось, что речь идет лишь о предварительных итогах, которые требуют дополнительной доработки.
Как бы то ни было первый международный глобальный проект в области генетики завершился и продвинул науку далеко вперед. А еще породил несколько других амбициозных проектов – «1000 геномов», «Геном неандертальца» и др. Одни из них близки к завершению, другие продлятся еще много лет. И каждый становится еще одним шагом к постижению «кода Homo».
Сергей Исаев
- Войдите или зарегистрируйтесь, чтобы отправлять комментарии