Представьте себе мир, в котором креветок изготавливают в лаборатории. Мир, в котором креветки доставляются на рынок не кораблями, вытраливающими (и разрушающими) морское дно гигантскими сетями, поэтому не страдает вся остальная рыба и водные организмы, обычно попадающие в эти сети. Представьте мир, где фрукты выращивались бы в помещении круглый год – прямо под гастрономами, в которых они продаются. Вместо того чтобы собирать ягоды до их полного созревания, промывать их при строгом соблюдении температурного режима с целью уничтожения вредителей, запечатывать в транспортные контейнеры и отправлять через полмира, можно снимать нужное количество таких же ягод прямо с куста.
Или вообразите будущее, в котором здоровый образ жизни подразумевает модернизацию и оптимизацию, а не запреты. Будущее, в котором похмелье станет пережитком прошлого, потому что перед ужином в ресторане вы съедите специальную пробиотическую добавку, чтобы предотвратить всем известные последствия употребления алкоголя. Вообразите мир, в котором нет необходимости сидеть на диетах, потому что биометрическое исследование покажет скорость обмена веществ в вашем организме, его чувствительность к пище и другие данные и вы будете знать, какие продукты есть, что пить и когда. Вообразите мир, в котором генетические заболевания, калечащие и убивающие младенцев, такие как серповидноклеточная анемия и мышечная дистрофия, предотвращены еще до рождения ребенка.
А теперь вспомните все треснувшие экраны, сломанные ногти и разбитые тем или иным образом стекла. Представьте себе день, когда самовосстанавливающиеся биологические покрытия обеспечат быстрое «заживление» поверхностей, какой бы ущерб им ни нанесли. Неважно, сколько раз вы неудачно выехали из гаража или заехали в него, – покрытие вашего автомобиля по-прежнему останется безупречным. А органический лак для ногтей высохнет без вредных ультрафиолетовых ламп или агрессивных химических покрытий.
Фундамент для этих параллельных миров уже заложен. Собственно говоря, некоторые из инноваций перемещаются с периферии в мейнстрим по мере того, как возможности биоэкономики становятся все очевиднее.
Многие ключевые этапы развития человечества были описаны посредством материалов, которые мы использовали для преобразования окружающей среды. В каменном веке, бронзовом и железном люди создавали базовые технологии для изготовления повседневных инструментов, ведения сельского хозяйства, строительства и ведения войны. Позднее мы стали использовать стекло для изготовления украшений, бутылок, окон, линз и медицинского оборудования. Сталь дала нам возможность возводить небоскребы. Пластик позволил осуществлять массовое производство одноразовых упаковок, что привело к созданию глобальных цепочек в поставках продуктов питания, лекарств и воды, а также других товаров. Наш сегодняшний день, когда мы учимся манипулировать молекулами, проектировать микроорганизмы и создавать биокомпьютерные системы, – начало новой эры в развитии цивилизации – века биологии. Все созданное нами в эту новую эпоху откроет новые перспективы в бизнесе, смягчит экологический ущерб или даже восстановит поврежденное в природе и улучшит условия жизни человека в очень многих отношениях – как на Земле, так и во внепланетных колониях.
Синтетическая биология преобразует три ключевые сферы жизни: медицину, мировое производство продовольствия и окружающую среду.
В ближайшие два десятилетия технологии синтетической биологии будут использоваться для искоренения смертельно опасных болезней и для персонализированной медицины – разработки лекарств под конкретных людей с учетом их генетических особенностей. Исследователи будут генетически модифицировать вирусы для борьбы с раком, выращивать в лабораторных условиях ткани человека для пересадки органов и тестирования новых методов лечения. Постоянное медицинское наблюдение будет организовано при помощи новых технологий, отпадет необходимость в традиционных осмотрах в кабинете врача. А главное – мы создадим систему, при которой люди будут более здоровыми: мы сможем предсказывать и устранять генетические нарушения, а в перспективе получим возможность совершенствовать организм ребенка еще до рождения.
Перед короткой поездкой на отдых в Индию туристка{224} убедилась, что ее жена и двое детей сделали все необходимые прививки: от полиомиелита, кори, свинки и краснухи, дифтерии, ветряной оспы, гриппа, гепатита A и B, столбняка. В той местности, куда направлялась семья, не было вспышек холеры или желтой лихорадки. Они остановились в Нью-Дели и планировали совершать однодневные вылазки к туристическим достопримечательностям. Закат солнца над Тадж-Махалом в Агре был просто волшебен: постепенно угасавший свет придавал великолепным мраморным зданиям яркие оранжево-розовые оттенки. Идеальный день, если бы не тучи комаров, которые все больше уплотнялись с наступлением сумерек.
Спустя несколько недель после возвращения домой одна из мам – врач – почувствовала недомогание, как при гриппе: озноб, жар и ломоту в теле. Она легла в постель, пила воду и принимала адвил. Однако состояние стремительно ухудшалось. К тому времени как заболевшую доставили в больницу, у нее стало снижаться давление. В приемном покое медсестра задавала множество вопросов. Принимала ли она какие-то новые лекарства? Нет ли у нее аллергии? И наконец, выезжала ли она в последнее время за пределы страны? Когда врач упомянула о ночи в Тадж-Махале, медсестра вызвала инфекциониста. И очень правильно сделала: доктор подхватила малярию, смертельную болезнь, переносимую комарами.
Острыми кончиками своих иглоподобных хоботков комары прокалывают кожу человека и сосут кровь, одновременно впрыскивая антикоагулянт, чтобы предотвратить свертывание. Таким набором биомеханики обладают только самки комаров, самцы же питаются нектаром растений. Поскольку кровь животных и людей сосут самки, они и являются основными переносчиками болезней. Эти особи разносят малярию, лихорадку денге и целый ряд вирусных заболеваний: лихорадку Западного Нила, лихорадку Зика, чикунгунью, восточный лошадиный энцефалит и многие другие. Кто из хищников самый плодовитый и смертоносный на Земле? Это не змея, не акула и не скорпион. Это не медведь. Это даже не люди. Это комар.
Каждый год от малярии гибнет более 400 000 человек, большинство из которых – дети младшего возраста{225}. Болезнь вызывают не вирусы или бактерии, а организм, называемый плазмодием. Плазмодии – хитрые, меняющие форму организмы, способные уклоняться от воздействия иммунной системы, что способствует их распространению и выживанию. Единственная существующая вакцина должна быть введена четырежды, при этом она не слишком эффективна и обеспечивает лишь временную устойчивость. Переболевший малярией человек может заражаться вновь и вновь. На сегодняшний день лучшая защита от этой болезни – ранняя диагностика и лечение. То, что даже врач поставила себе неправильный диагноз, говорит о том, насколько опасна малярия, и объясняет, почему первой мишенью для синтетической биологии стали именно комары.
Поскольку избавиться от комаров – переносчиков болезней непросто: они быстро размножаются и их трудно отловить, на разработку лосьонов и спреев для их отпугивания ушли десятилетия. Во время Второй мировой войны армия США использовала в качестве репеллента состав «Дэта», но это средство токсично. (При неправильном смешивании оно способно расплавить пластик.) Кроме того, у некоторых комаров к нему выработалась генетическая сопротивляемость.
Однако теперь есть способ предотвратить распространение малярии, не убивая триллионы комаров. Чтобы победить это заболевание, в 2021 г. генетики из Имперского колледжа Лондона[11] применили так называемый генный драйв – генетическую модификацию, вызывающую появление у большей части потомства желательного признака. Ученые прибегли к технологии Crispr – методу редактирования генов, позволяющему вырезать определенный участок ДНК, тем самым изменив половое развитие самок комаров и другие их признаки. У самок, появившихся на свет с отредактированными генами, хоботки устроены иначе – такие самки не могут кусать, к тому же они не способны откладывать яйца, а значит, не будут распространителями малярийного плазмодия. Без генного драйва мутация охватывала бы популяцию слишком медленно, а с ним новое строение хоботка получают почти 100 % потомства. Технология генного драйва эффективна, а ее действие необратимо{226}.
В Терни (Италия), на объекте повышенной секретности, и в других местах разрабатывают разного рода генетические модификации комаров и проводят масштабные испытания{227}. В 2021 г. в районе Флорида-Кис планировалось выпустить миллионы генетически модифицированных комаров, чтобы ограничить распространение лихорадки Зика. Окружной совет уполномоченных по борьбе с комарами во Флорида-Кис одобрил пилотный проект по внедрению в популяцию генетически модифицированных комариных самцов – носителей гена, затрудняющего воспроизведение потомства{228}. Местные власти, решающие проблему неуклонного роста заболеваемости лихорадками денге и Западного Нила, надеются, что сокращение популяции комаров позволит ограничить распространение этих болезней и избавит от необходимости заливать район инсектицидами и ядохимикатами.
Персонализация медицины
Технология CRISPR позволяет ученым редактировать определенные участки ДНК с помощью бактериального фермента. Примерно 8000 заболеваний обусловлены единственным геном. До эпохи секвенирования ДНК такие моногенные (или контролируемые одним геном) патологии было сложно диагностировать и лечить. Сейчас с помощью CRISPR можно устранить серповидноклеточную анемию (наследственное заболевание, при котором эритроциты приобретают серповидную форму) и муковисцидоз (при котором организм вырабатывает густую, липкую слизь, закупоривающую легкие и систему пищеварения). CRISPR может исправить эти генные мутации, а механизм восстановления ДНК клетки – вернуть отредактированные клетки в здоровое состояние.
Еще больше людей страдают полигенными заболеваниями, которые сложнее поддаются лечению, так как возникают в результате совместного действия нескольких генов. К числу полигенных заболеваний относятся ишемическая болезнь сердца и атеросклероз, а также гипертония, которая иногда передается по наследству. Отец Эми – один из таких людей. Тяжелую гипертонию ему диагностировали в возрасте 20 лет, когда внезапно появились проблемы с давлением: ни с того ни с сего, казалось бы, у него начинала идти носом кровь, а голова кружилась настолько, что он падал. В остальном человек был вполне здоров и активен, никогда не курил и не употреблял алкоголь, поскольку воспитывался в религиозной семье. Но при первом же проявлении симптомов болезни он оказался в опасной для жизни ситуации. Последние пятьдесят лет он находится под наблюдением специалистов Кливлендской клиники и Центра лечения гипертонии имени Джонса Хопкинса, где ему регулярно меняют дозировки сложного коктейля лекарств: ежедневно в течение дня пациент должен принимать по 27 таблеток, чтобы не умереть. Теперь перед его врачами стоит задача понять, каким образом нейтрализовать побочное действие этих лекарств с помощью дополнительных препаратов, которые также не разрабатывались конкретно под его организм. По самым скромным подсчетам, на все эти рецептурные лекарства, визиты к врачам и периодические поездки в отделение неотложной помощи у отца Эми уходит 50 000 долларов в год, так что в сумме лечение будет стоить около 3 млн долларов в течение жизни, и это еще не учитывая инфляции. Но этот больной находится в весьма привилегированном положении: у него отличная страховка, доступ к центрам медицинских исследований и врачам мирового уровня, а также заботливая и готовая прийти на помощь семья. Тем не менее методы синтетической биологии будущего позволили бы ориентироваться на конкретную часть генома, ответственную за его гипертонию, и отредактировать ее или переписать.
Что сказать по поводу других заболеваний, требующих медикаментозного лечения, но не поддающихся редактированию с помощью CRISPR? В будущем терапевтические средства можно будет не производить в глобальных масштабах, а изготавливать по мере необходимости. Как мы знаем из предыдущей главы, портативные секвенаторы уже способны определять присутствие вируса или бактерии, и не за горами технология производства препаратов в режиме реального времени. Если бы вы могли быстро секвенировать геном и имели бы необходимые материалы, чтобы синтезировать средство для лечения, вы могли бы распечатать защитный барьер для ограды от любого количества патогенов. Представьте себе аптечку из лиофилизированных молекул, предназначенных для последующего введения в клетку. Молекула будет пребывать в режиме ожидания до тех пор, пока не понадобится, – как сушеные бобы и грибы, которые используют для приготовления супа. Чтобы активировать средство лечения, нужно добавить определенное количество воды – и биологическая система вновь заработает. После запуска для создания вакцин или антибиотиков в систему добавляются инструкции в виде специально разработанной ДНК. Аптечку размером с iPhone могли бы держать при себе туристы, спортсмены, солдаты на поле боя и школьные медсестры, чтобы использовать ее для приготовления лекарств при возникновении такой необходимости.
Победа над раком
Матери Эми было 55 лет, когда у нее диагностировали развитие нейроэндокринной опухоли редкой формы без очевидных причин. Она не пила, не курила и, если не считать лишнего веса (сказалась любовь к сладкому и жареной картошке), была энергичной и здоровой. Симптомы тоже были необычными: кожа женщины, казалось, пожелтела за одну ночь, а вес стремительно уменьшался. Лечащий врач направил ее к специалистам Чикагского университета, а те – в Онкологический центр Андерсона в Техасе. Подтвердилась раковая опухоль, но проблема заключалась не в этом. Далеко от места новообразования врачи обнаружили вызывающие опасения клетки с признаками, аналогичными нервным и гормональным. Они появились в поджелудочной железе и в легких, были агрессивными и быстро размножались. Мутация ДНК нейроэндокринной клетки, судя по всему, вызывает спонтанный рост опухолей в любом месте организма. Поэтому та видимая опухоль, скорее всего, была не единственной в теле.
Мать Эми мужественно боролась с болезнью, утверждая, что жизнь будет идти своим чередом. Она спрятала катетер для химиотерапии на руке, подобрала парик, максимально похожий на ее фирменную стрижку, и продолжала вести уроки в четвертом классе. Поскольку у врачей не получалось найти основной очаг поражения клеток, им пришлось комбинировать виды химиотерапии, предназначенные для лечения других типов рака. По субботам она лежала под капельницами, укрытая теплыми одеялами, без парика и без маски храбреца на лице, которую обычно носила. Первые четыре часа больной капали препарат для лечения рака поджелудочной железы, затем, в течение двух следующих часов, – препарат против рака легких. Через шесть или восемь недель терапии полагался перерыв на несколько недель, чтобы восстановить силы, а затем начинался новый цикл. Химиотерапия одновременно поддерживала и резко сокращала ее жизнь. Спустя год при поддержке семьи она приняла решение перейти в отделение хосписа. Через несколько дней мамы Эми не стало.
Разработать единую универсальную вакцину против рака сложно, поскольку рак не одно заболевание, а, скорее, общее название группы, к которой относится более сотни известных видов генетических мутаций. Возможно, именно поэтому мы склонны давать название опухоли по месту ее локализации, а не по мутации: рак легких, рак костей, рак нейроэндокринной системы. Но для победы над загадочным новообразованием, убившим мать Эми, могут быть разработаны индивидуальные вакцины – с помощью генетически модифицированных вирусов, нацеленных на поражение раковых клеток. Есть и другой вариант: использовать мРНК, чтобы стимулировать организм к созданию иммунологических механизмов поиска и уничтожения раковых клеток, а также – и в первую очередь – защиты от них. Один из способов сделать это – CAR-T-клеточная терапия, или терапия Т-клетками с химерными рецепторами антигена. Из крови пациента выделяют Т-клетки (специальные лимфоциты), модифицируют их в лабораторных условиях и вновь вводят пациенту для борьбы с раковыми клетками.
Задолго до создания вакцин против коронавируса COVID-19 компании Moderna и BioNTech занимались исследованиями иммунотерапии рака. После анализа образца ткани раковой опухоли для разработки индивидуальных мРНК-вакцин обе компании проводили генетический анализ с кодированием уникальных для опухоли пациента мутаций. По этим инструкциям иммунная система ищет по всему организму аналогичные клетки и уничтожает их, подобно тому как действуют вакцины против COVID-19, созданные этими компаниями. Теперь BioNTech проводит клинические исследования персонализированных вакцин против рака многих видов, включая рак яичников, рак груди и меланому. Moderna разрабатывает аналогичные противораковые вакцины. Обе компании понимают: не исключено, что самая мощная в мире фабрика по производству лекарств находится внутри человека. Нам осталось только выяснить все возможные способы ее использования.
Персональные ткани человека по заказу в лабораторных условиях
Противораковые мРНК-вакцины или специальные вирусы должны быть скрупулезно – и в идеальном мире быстро – протестированы. Такие клинические испытания стоят дорого, требуют длительного рассмотрения регулирующими органами, и во времена, не обремененные ковидом, до момента одобрения нового средства проходит десятилетие, а то и больше. Кроме того, изучать реакции тканей человека на вирусы и лекарственные препараты сложно и опасно для самих ученых. Так, ткани мозга или сердца нельзя извлечь из живого человека. Синтетическая биология позволяет нам конструировать и выращивать органоиды – крошечные кусочки тканей на основе стволовых клеток человека. Пока мы пишем эту книгу, искусственные ткани легких и мозга используются для изучения долгосрочных последствий воздействия SARS-CoV-2{229}. В лабораториях с усиленным режимом безопасности также выращивают кишечник и печень в миниатюре и заражают их вирусом. Институт регенеративной медицины Уэйк-Форест[12] выполняет уникальный проект стоимостью 24 млн долларов, финансируемый из федерального бюджета, по разработке «органа на чипе», куда войдут различные комбинации органоидов{230}. Представьте себе компьютерный чип, но с прозрачной платой, которая подключена к системе, прокачивающей через него заменитель крови. С его помощью исследователи могут заражать имитированную дыхательную систему новыми вирусами, смертоносными химикатами или другими токсичными веществами, чтобы узнать, как станет на это реагировать организм, а уже затем проверить потенциальные лекарства на тканях человека без причинения вреда людям или животным.
Миниатюрные фрагменты нервной системы используются для создания небольших частей головного мозга. В 2008 г. исследователи получили первые церебральные органоиды, которые позволили лучше понять некоторые функции мозга. С тех пор церебральные органоиды используются для изучения аутизма и других заболеваний, например лихорадки Зика{231}. Соединенные вместе, искусственные мышцы и церебральные органоиды способны образовывать нейронные пути и обрабатывать информацию. Исследователи из Стэнфордского университета экспериментируют с самособирающимися тканями, получившими название «ассемблоиды», которые реагируют на раздражители{232}. Начав со стволовых клеток человека, прикрепленных друг к другу в чашке Петри, ученые создали действующий прототип цепи нервных клеток, которая представляет кору головного мозга, спинной мозг и скелетную мускулатуру. При стимулировании клеток коры головного мозга сообщение передавалось в мышцу, и та дергалась в чашке Петри. В ходе другого исследования были «выращены» органоиды переднего мозга – той части головного мозга, которая отвечает за мышление, восприятие и оценку окружающей обстановки. За рубежом ведутся работы, направленные на пересадку фрагментов органоидов мозга человека крысам, что вызывает одновременно и серьезные этические сомнения, и страх перед возможным появлением наделенных суперспособностями крыс, которые будут обрабатывать информацию не хуже людей. Но об этом подробнее в следующей главе.
Обследование без врача
В 2007 г. на рынке впервые появился набор для генетического тестирования DecodeME, обещающий оценку генома пользователя на предмет выявления риска заболеваний и причин их происхождения. В то время исландская компания брала за такой скрининг 985 долларов{233}. В том же 2007-м финансируемая Google компания 23andMe стала предлагать генетическое тестирование за 1000 долларов. Результаты предоставлялись через несколько недель вместе с доступом к сетевой информационной панели Genome Explorer{234}. Оба случая вызвали обеспокоенность у экспертов по генетике – специально обученных медицинских работников, консультирующих потенциальных родителей и людей с диагностированными наследственными заболеваниями. Эксперты считали, что клиенты будут получать информацию о генетических рисках, не обладая достаточными знаниями для интерпретации результатов теста. Изначально компания 23andMe имела право поставлять свой продукт лишь в несколько штатов, поскольку законами штатов Мэриленд и Нью-Йорк и других запрещалась покупка жителями каких-либо тестов, выдающих информацию о здоровье непосредственно пользователю. В 2017 г. FDA наконец разрешило 23andMe продавать тесты для проверки десяти заболеваний, среди которых были маркеры болезней Паркинсона и Альцгеймера{235}.
Но потребительские тесты – это не просто генетическое гадание. Микробиом человека – мини-вселенная генетических материалов, живущих на нашем теле и внутри него, которые мы наследуем от своих матерей. Количество генов в бактериях, грибах, простейших и вирусах, составляющих наш микробиом, в 200 раз превышает количество генов в геноме человека. Этот микробиом весит почти 3 кг и живет в основном в кишечнике и на коже. Микробиомы разных людей существенно отличаются, даже если эти люди родные братья и сестры, живущие в одном городе. Насколько хорошо ваш организм усваивает лактозу, насколько вы подвержены риску возникновения рака кожи, как хорошо вы спите, какова вероятность развития у вас тревожности или ожирения – все эти характеристики связаны с микробиомом и зависят от того, что вы едите и пьете, курите ли вы, с какими химическими веществами контактирует ваш организм и какие лекарства вы принимаете. В прошлом, чтобы собрать перечисленные данные, нужно было несколько раз посетить аллерголога, сегодня же генетический состав вашего микробиома можно определить с помощью домашних тестов. Некоторые компании изготавливают специальные пробиотические препараты, призванные облегчить состояние вашего организма или оптимизировать его симбиотические отношения со всеми этими микроорганизмами.
Таким образом, следующим рубежом в медицине могут стать обследования без участия врачей. Вам не придется записываться в диагностическую лабораторию, стоять в очереди, а затем дожидаться результатов, потому что новые технологии обеспечат анализ ваших данных на дому. Начало применению этих технологий положит установка в вашей ванной оборудования, с помощью которого вы будете отбирать биологические образцы для ежедневного контроля и тестирования. Откровенно говоря, наши санузлы и без того ежедневно напрямую контактируют с двумя источниками данных – нашей кожей и отходами нашей жизнедеятельности, так что это отличный путь для мониторинга нашего здоровья в режиме реального времени. Именно это натолкнуло исследователей Стэнфордского университета на мысль о создании диагностического туалета, пусть и оснащенного таким оборудованием, которое обычно не требуется в ванной комнате: камерами, микрофонами, датчиками давления, миниатюрными роботизированными руками, детекторами движения, инфракрасными сенсорами и компьютерной системой с распознаванием образов и машинным самообучением{236}. Идея состояла в том, чтобы использовать обычные диагностические образцы в качестве системы раннего предупреждения о расстройствах кишечника, заболеваниях печени и почек и раковых опухолях. И оказалась верной. Если вы следили за новостями об экспериментах Стэнфордского университета, то унитаз Wellness Toilet от компании Toto, представленный на выставке потребительской электроники (Consumer Electronics Show, CES) в 2021 г., вряд ли стал для вас сюрпризом. Пусть в это трудно поверить, но он реальное устройство для повседневного использования: в высокотехнологичный унитаз встроены схожие датчики для анализа «основных исходных данных» и выдачи пользователю советов, касающихся поддержания водного баланса и рациона питания. Существуют и портативные наборы: стартап Healthy.io разработал тест-систему, позволяющую в домашних условиях выявлять инфекции мочевыводящих путей, которая с помощью мобильного приложения связывает пациентов при положительных результатах с врачом в режиме онлайн и при необходимости направляет рецепт в ближайшую аптеку. Компания Healthy.io также сотрудничает с Национальным почечным фондом США, поставляя комплекты для ежегодной проверки почек с целью выявления ранних признаков заболеваний.
В ближайшем будущем, когда данные для дистанционного мониторинга состояния здоровья (ДМЗ) будут предоставляться портативными и проглатываемыми устройствами, диагностика станет еще проще. Телефоны и приборы, которые мы носим при себе, уже давно собирают и интерпретируют такого рода данные: те читатели, у кого есть Apple Watch, знают, что необычно высокий или низкий пульс либо нерегулярный сердечный ритм могут быть признаками мерцательной аритмии. Смартфоны и умные часы теперь измеряют кровяное давление и снимают электрокардиограмму, используя приложения, одобренные Управлением по надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов. При ДМЗ сбор медицинских данных от пациентов и последующая передача их для дистанционной оценки организациями, оказывающими медицинские услуги, происходит посредством сети цифровых технологий, интернета и удаленного сервера. Медикам для помощи пациентам вне лечебного учреждения можно получить множество сведений: электрокардиограммы, информацию о пульсе, кровяном давлении, уровне кислорода в крови, работе почек и т. д. Благодаря ДМЗ пожилые люди могут дольше оставаться дома и реже посещать поликлиники и больницы. Проглатываемые приборы представляют собой компьютеры размером с таблетку, оснащенные сенсорами, камерами и датчиками; они собирают информацию изнутри организма и передают ее для анализа в систему на базе искусственного интеллекта. Исследователи из Массачусетского технологического института сконструировали бактериально-электронную систему для проводимого изнутри мониторинга состояния кишечника{237}. Другие проглатываемые устройства способны выявлять кровотечение, аномалии тканей и даже контролировать прием пациентом назначенных лекарств.
Конец (и возрождение) медицины
Два раза в год производители пересматривают цены на медикаменты, поэтому стоимость лекарств постоянно растет. Например, при обновлении цен в январе 2019 г. 468 препаратов подорожали в среднем на 5,2 %, а в январе 2021 г. 832 препарата – на 4,5 %{238}. Изготовители лекарственных препаратов утверждают, что на пациентах, выкупающих в аптеке лекарства по рецептам, это не отражается, поскольку добавленная стоимость оплачивается страховыми программами. Тем не менее изменение прейскурантов оказывает существенное негативное влияние на общую стоимость американского здравоохранения, цены на которое продолжают стремительно расти. За последние 30 лет расходы на страхование выросли на 740 %. В вопросах медицинского страхования более половины американцев полагаются на своего работодателя, финансирующего эти расходы. Страхование средней семьи через предприятие работодателя обходится бизнесу в 20 576 долларов в год, однако это все равно не освобождает семью от многих затрат, таких как отчисления и лекарства, на которые страховка не распространяется{239}.
Дорогая медицина – проблема решаемая. Один из простых путей – вооружить людей знаниями о базовых уровнях их собственных физических показателей посредством установленного дома диагностического оборудования. Например, в Японии при посещении врача у пациента спрашивают, какая у него обычная температура, а не исходят из предположения, что она составляет 98,6 ℉ (или 37 ℃). Многие называют показатель, на несколько десятых градуса отличающийся от этого среднего значения. По данным Центра по контролю и профилактике заболеваний США (CDC), лихорадкой считается только температура 100,4 ℉ (38 ℃) и выше, однако у пациентов с нормальной (для них) температурой 97,9 ℉ (36,6 ℃) и 99,0 ℉ (37,2 ℃) градусов физическая реакция на повышение до 100,4 ℉ (38 ℃) градусов будет совершенно разной. Помимо температуры тела существуют тысячи других параметров, которые могут указывать на нарушения нормального функционирования организма отдельного человека. Датчики, портативные и проглатываемые устройства могут передавать информацию в системы машинного обучения, определять отклонение от базовых показателей человека и предоставлять ему сведения для дальнейших действий.
Меры по исправлению ситуации могут быть простыми – например, выпить стакан воды – или более серьезными. Возможно, мы могли бы подключать наши собственные внутренние фармацевтические фабрики с помощью специальных микроорганизмов и биологического кода, а не глотать по 27 таблеток в день и не страдать под действием набора химиотерапевтических препаратов, не разработанных изначально для лечения конкретного вида опухоли. Это позволит избавиться от необходимости использования дорогостоящих медикаментов, предназначенных для массового усредненного больного, а не рассчитанных под ваши индивидуальные биологические особенности. Кроме того, это послужит стимулом для развития нынешней фармацевтической промышленности и сектора медицинского страхования. При достаточном уровне общественного доверия и признания новый подход может положить конец медицине в ее современном виде: дорогостоящей, неравномерно распределенной и для многих недоступной. Мы могли бы перейти к системе персонализированной медицины, достигнув равенства в вопросах здравоохранения и более эффективных результатов для всех.
Но главная стратегия профилактики генетических отклонений, заболеваний и наследуемых форм рака заключается в том, чтобы предсказывать, выявлять и предотвращать их еще до рождения человека. Некоторые люди соглашаются на генетическое обследование, которое проводится до зачатия ребенка с целью определить, не являются ли родители носителями заболевания. Так, редкая и смертельно опасная болезнь Тея – Сакса, разрушающая нервные клетки головного и спинного мозга, чаще встречается у людей с ашкеназскими корнями. Потенциальные родители, чьи предки были евреями и эмигрировали из Восточной или Центральной Европы, могут пройти специальный генетический тест (Ashkenazi Panel), чтобы определить, не могут ли они быть носителями этого заболевания. Сейчас можно использовать и другие маркеры. При экстракорпоральном оплодотворении, как правило, формируется несколько эмбрионов, и порой люди, прибегающие к этой технологии, предпочитают перед имплантацией проверить их на такие заболевания, как синдром Дауна или муковисцидоз.
Исследователи также разрабатывают новую методику, которая позволит людям усовершенствовать будущих детей еще до их рождения. Используя алгоритмы, помогающие разобраться в мельчайших вариациях ДНК – однонуклеотидных полиморфизмах (ОНП), – ученые планируют давать точные прогнозы относительно будущего человека по его генам{240}. Считывание ОНП до имплантации эмбриона позволит выявить повышенную вероятность сердечных заболеваний или диабета при данной генетической комбинации. Редактирование с использованием системы CRISPR поможет оптимизировать эмбрионы, придав им лучшие из возможных признаков с учетом исходного генетического материала. Теоретически родители получат шанс влиять на огромное количество характеристик своего потомства, таких как структура волос, сопротивляемость ВИЧ или защита от болезни Альцгеймера. Как и в случае редактирования с помощью технологии генного драйва у комаров, эффект будет необратимым, передающимся от родителей к детям. Это позволит искоренить некоторые наследственные болезни и улучшить генофонд человека.
Ваше отношение к таким перспективам будет, в зависимости от собственных взглядов, соответствовать оценкам в диапазоне от «действительно потрясающе» до «вызывает серьезное беспокойство». Экзистенциальные риски мы рассмотрим в следующей главе. В данный момент на первый план выходят как минимум осторожность и этические соображения{241}. В ряде стран на генную инженерию эмбрионов человека наложен запрет, однако США и Китай к их числу не относятся. В Европейской конвенции о правах человека и биомедицине говорится, что вмешательство в генофонд будет преступлением против человеческого достоинства и прав человека{242}. Но все такие заявления были сделаны до того, как стало возможным создание зародышевой линии. Теперь благодаря СRISPR это осуществимо.
Принимают зримые очертания и другие перспективы, которые раньше казались нереальными. Новая технология под названием «искусственный гаметогенез» или IVG вскоре позволит однополым парам стать родителями ребенка из собственного генетического материала, без донорских яйцеклеток или спермы{243}. В 2012 г. японский ученый Синъя Яманака получил Нобелевскую премию[13] за выдающееся открытие: разработку метода превращения любой клетки организма человека в индуцированные плюрипотентные стволовые клетки (ИПСК), которые можно перепрограммировать, наделив функциями какой-либо другой клетки. В 2016 г. исследователи из Киотского университета с помощью этой технологии превратили ИПСК из хвоста мыши в яйцеклетки и в конечном итоге в детенышей мышей. Благодаря такой технологии в ближайшие несколько десятилетий определение термина «генетические родители» радикально изменится: от нынешней конструкции «один отец – одна мать» до отцовства и материнства в разных сочетаниях. Парам станет проще производить потомство из собственного генетического материала, не привлекая доноров. Женщине, решившей рожать детей, не потребуется донорская сперма: будущая версия IVG позволит зачать ребенка, используя лишь собственный генетический материал{244}.
А если родителем когда-нибудь захочет стать мужчина или лицо, идентифицирующее себя как женщину? В результате искусственного гаметогенеза возникнет эмбрион, однако для его созревания потребуется гестационный носитель. Исторически сложилось так, что эту роль всегда исполняет женщина, однако исследователи из Детской клиники Филадельфии создали искусственную матку под названием «биобэг» и в течение 28 дней использовали ее для поддержания жизни и нормального развития недоношенных ягнят{245}. В марте 2021 г. группа израильских ученых вырастила мышей из эмбрионов в полностью искусственной матке{246}. Пройдет еще много лет до того момента, когда будет синтезирована и выращена полноразмерная органическая матка, но биобэг – это сумка для вынашивания, которая ежегодно будет спасать тысячи недоношенных младенцев, родившихся ранее 25 недель, и открытие сулит будущее, в котором людям, возможно, вообще не понадобится вынашивать беременность. Уже через поколение наше представление о «нуклеарной семье» может кардинально измениться и стать гораздо более инклюзивным, чем сегодня.
Плотина Гувера когда-то сдерживала бурные воды реки Колорадо, но сегодня систематическое чрезмерное использование воды городами и фермерскими хозяйствами в сочетании с чудовищными засухами и стремительным повышением температуры создали дефицит воды. Крупнейший водный резервуар Колорадо – озеро Мид – на данный момент заполнен лишь на 37 %, в результате чего миллионы акров сельскохозяйственных угодий оказались в весьма неблагополучном положении{247}. Современные системы, которые мы используем для возделывания продовольственных культур на нашей планете, во многом способствуют дестабилизации климата и экологии Земли. Синтетическая биология предлагает альтернативы ресурсоемкому земледелию, выращиванию скота и холодильным цепям, на которые мы полагаемся при транспортировке скоропортящихся продуктов по всему миру.
Стабилизация систем сельского хозяйства и рыбоводства
Несколько лет назад Эми и ее команда из Института Future Today («Будущее сегодня») руководили процессом стратегического планирования для предприятия – производителя популярной мороженой продукции. Большая часть основных ингредиентов этой продукции поступала с фермы из Восточной Европы, где все чаще случались погодные катаклизмы. Данное обстоятельство в сочетании с гражданскими волнениями и ростом национализма в регионе привело к забастовкам, охватившим и упомянутую ферму. Ее работники знали, что продукция предназначалась в первую очередь для процветающих рынков за пределами их собственной страны, переживавшей тогда большие трудности. Были и другие сложности: скоропортящуюся продукцию приходилось везти на фабрику, находящуюся далеко в Западной Европе, где привезенный груз очищали, перерабатывали и замораживали перед транспортировкой в места продажи по всему миру. Обычно предприятие выполняло поставленные задачи, но череда погодных катаклизмов привела к катастрофической засухе, которая уничтожила посевы, необходимые для бесперебойной работы. Предприятие оказалось не в состоянии поставлять продукт в тех объемах, которые требовал рынок, а успешная маркетинговая кампания привела к тому, что потребители опустошали полки. Но, учитывая непрочность связей между поставщиками, просто удивительно, что сбой не произошел раньше.
То, что нынешние системы сельского хозяйства и рыбоводства вообще работают, истинное чудо. Новые проблемы, связанные с экстремальными погодными явлениями, такими как пожары, засуха, сильная жара и холод, возникают все чаще и повсеместно, однако спрогнозировать их по-прежнему сложно. Усугубляет ситуацию и политика. В период с 2012 по 2021 г. правительство США неоднократно меняло курс в отношении федеральной программы выдачи виз H-2A иностранным сельскохозяйственным рабочим. Репрессивные меры, применяемые к не зарегистрированным официально мигрантам, которые трудятся в аграрном секторе, то ослаблялись, то усиливались, а теперь, судя по всему, вновь смягчаются. Это обусловило нестабильность положения с рабочей силой в сельском хозяйстве. Помимо этого, иногда возникают сбои из-за того, что мы продолжаем испытывать физические ограничения в существующих системах поставок, например полагаясь на огромные грузовые суда, которые способны пройти через Суэцкий канал, но лишь при точном соблюдении определенных технических условий.
Примерно треть продовольствия, производимого каждый год для потребления человеком, – 1,3 млрд тонн – используется нерационально или пропадает{248}. В США на свалках оказывается пищевых отходов больше, чем любых других материалов{249}. Тому есть множество причин. Чтобы обеспечить безупречную свежесть блюд, сетевые рестораны по прошествии определенного количества часов выбрасывают продукты, даже если они еще безопасны для употребления. Иногда к порче пищи ведут задержки при доставке. Свежесть плодоовощной продукции, молока и мяса играет роль не только в питании, но и в маркетинге. Мы хотим, чтобы яблоки были равномерной окраски, морковь – идеально прямой, удлиненной формы, а яйца с фабрики – белоснежными, с ярким желтком, поэтому неказистые с виду продукты обычно портятся еще до того, как их продадут. Огромные порции и широкий выбор блюд в меню приводят к тому, что в ресторанах остается недоеденная пища. Закрываясь на ночь, некоторые сетевые рестораны выбрасывают остатки приготовленных блюд, поскольку сотрудникам не разрешается забирать их домой. Из-за опасения правовой ответственности продуктовые магазины и сети неохотно отдают остатки еды организациям, занимающимся обеспечением нуждающихся. В целом в промышленно развитых странах более 40 % пищевых отходов образуется на уровне розничной торговли и потребителей{250}. В развивающихся странах потери происходят во время сбора, хранения и переработки: ломаются машины, неквалифицированные рабочие допускают ошибки, а крайне малая маржа не позволяет спланировать действия на случай возникновения реальных проблем. Именно отсюда возникают вспышки заболеваний, например заражение листериозом, что приводит к массовым возвратам продукции.
В аграрном секторе уже несколько десятилетий занимаются генными манипуляциями с продуктами питания. Первая генетически модифицированная бактерия появилась в 1973 г., затем в 1974 г. была создана мышь, а в 1983 г.{251} – табачное растение, содержащее гены другого живого организма. Это послужило толчком к тому, что в 1993 г. FDA разрешило компаниям продавать генетически модифицированные семена, а год спустя в США одобрили продажу томатов сорта Flavr Savr[14]{252}, которые дольше остаются крепкими и спелыми. Результатом той первой волны генной инженерии стало появление генетически модифицированных организмов, или ГМО, которые включали запатентованные модификации, предназначенные для использования в сочетании с определенными гербицидами и пестицидами. Сегодня генетически модифицированы около 14 % всего выращиваемого в мире хлопка, как и почти половина всех соевых бобов{253}.
Но у будущего генетической модификации совершенно иной облик. Возьмем, например, созданный в Гарварде искусственный лист растения. Это произведенное в лаборатории устройство, использующее солнечную энергию. Если его объединяют со штаммом бактерий, оно начинает превращать содержащиеся в атмосфере углекислый газ и азот в органические формы, полезные для живых организмов. Эти голодные, питающиеся от солнечной энергии бактерии, по сути, объедаются до такой степени, что 30 % массы их тела составляют запасенный СО2 и азот. Затем микроорганизмы смешивают с почвой, и у корней растений они выделяют весь этот азот, который действует как органическое удобрение. Там же высвобождается и CO2, который остается в подземной ловушке. Результат: колоссальная урожайность сельскохозяйственных культур без вредного воздействия на окружающую среду, обычно связанного с использованием химических удобрений{254}.
Превращение бактерий в растительную пищу, использование технологии CRISPR для повышения урожайности семян, улучшение качества растительных белков и синтез мяса в лабораторных условиях изменят сельское хозяйство и приведут к тому, что все большая доля продовольствия будет выращиваться в закрытых помещениях. На крупных фабриках начнут выращивать культуры, генетически сконструированные таким образом, чтобы обеспечить экономию ресурсов, уменьшить ущерб местной экосистеме и собрать больше урожая. Кроме того, будут разрабатываться плодоовощная продукция и мясо с улучшенным вкусом и повышенной концентрацией питательных веществ. Это защитит нас от опасностей неопределенного будущего, в котором мировому производству продовольствия все больше угрожают климатические изменения.
Новые подходы кардинально повлияют на технологии выращивания и производства продуктов питания, но у нас просто может не остаться выбора. Сегодня от продовольственной нестабильности страдает каждый четвертый житель Земли{255}. К 2050 г. население планеты, согласно прогнозам, увеличится еще на 2 млрд человек{256}. Нам предстоит либо обуздать рост населения – а это задача весьма сложная и чреватая опасностями, – либо увеличить мировое производство продовольствия. Простое решение – выращивать больше риса или разводить больше коров – здесь не поможет: на долю животных, которых разводят для производства мяса, яиц и молока, приходится 14,5 % всех парниковых газов{257}. Увеличение текущего производства продовольствия для удовлетворения будущего спроса создаст дополнительные проблемы с климатом на планете.
Редактирование в животноводстве (и сельском хозяйстве)
В 2018 г. вспышки африканской чумы свиней привели к резкому сокращению поголовья свиней во всем мире. Известных методов лечения или вакцины против высококонтагиозного и смертельного вируса, вызывающего эту болезнь, не существует. Кроме того, распространение ее очень трудно остановить, поскольку, как и у Sars-CoV-2, у этого заболевания длительный инкубационный период, а его симптомы проявляются у зараженных животных не всегда. Особенно плохо обстоят дела в Китае, отчасти потому, что, как это ни парадоксально, китайское правительство приняло ряд правил по борьбе с загрязнениями, рассчитанных на положительный эффект. После вступления в силу этих правил свиноводы не смогли достаточно быстро модернизировать свои предприятия, что привело к закрытию ферм и к изменению цепочки поставок свинины в Китае. Зараженных животных развозили по всей стране, а это способствовало распространению инфекции. Сначала правительство отказывалось признать факт эпидемии, а потом недооценило ее серьезность. (Знакомо, правда?) По оценкам отраслевых аналитиков, эта эпидемия сократила на четверть мировое поголовье свиней и привела к убою половины свиней в Китае. Наибольший вред вирус нанес территориям, где занимаются свиноводством и местная экономика зависит от здоровья стад. Сегодня китайские ученые работают над выведением «суперсвиней»{258}, среди особенностей которых не только повышенная сопротивляемость вирусу, но и выносливость, а также ускоренные темпы развития. По некоторым данным, у них также есть ген, ответственный за терморегуляцию, что позволяет содержать их вне помещений в экстремальных зимних условиях Северного Китая{259}.
В XIX в. у бельгийских фермеров обнаружилось необычное стадо коров. Животные были более крупные по размеру, с массой мускулов, выступающих, как у Шварценеггера, на спине, шее, пояснице и бедрах. Порода получила название «бельгийская голубая». Со временем ученые выяснили, чем обусловлен столь необычный внешний вид этих животных: коровы родились с дополнительным геном, подавляющим синтез миостатина – белка, который препятствует росту мышц по достижении особью зрелости. Некоторые коровы родились с двумя копиями этого гена, в результате их корпус приобрел еще большую мускулистость{260}. Бельгийские голубые были выведены путем избирательного скрещивания с намерением получить больше мяса для потребления, однако полученный опыт побудил исследователей заняться редактированием миостатина с целью улучшения генотипов других млекопитающих, в том числе свиней, лошадей, коз, кроликов и собак. В Китае миостатин использовали с целью выведения породы полицейских собак с удвоенным объемом мышц{261}.
В других звеньях продовольственной цепочки исследователи используют синтетическую биологию для усовершенствования кормов для животных. Стартап KnipBio работает над кормами для рыб из микроорганизмов, обитающих на поверхности листьев. Компания редактирует геном бактерий, чтобы увеличить количество каротиноидов – антиоксидантов, играющих важную роль в обеспечении здоровья рыбы, – и стимулирует рост микроорганизмов путем ферментирования. Затем микробы подвергаются пастеризации, высушиваются и перемалываются в корм.
Среди других сельскохозяйственных проектов, находящихся на стадии реализации, синтетические организмы, генерирующие огромное количество растительного масла, и ореховые деревья, которые выращивают в помещении, причем для их полива используется лишь часть того объема воды, который обычно требуется этим влаголюбивым растениям, а урожайность повышена вдвое. Технология CRISPR помогла повысить содержание омега-3 в растениях, создать яблоки, не покрывающиеся коричневым налетом на срезе, засухоустойчивый рис и грибы, не мнущиеся при транспортировке. (В знак уважения к чувствам некоторых потребителей в большинстве стран на этикетках указывают, что такие продукты являются генетически модифицированными.)
Во многих странах выращиванию высококачественной продукции препятствуют недостаток сельхозплощадей, неподходящий климат или отсутствие инфраструктуры. В прошлом природные бедствия (и ужасная политика британского правительства) приводили к таким событиям, как картофельный голод, опустошивший Ирландию в 1840-х гг. Однако теперь ученые и фермеры в таких местностях могут заменить традиционные методы ведения сельского хозяйства выращиванием продовольственных культур в помещениях и под землей с помощью высокотехнологичной робототехники, систем орошения и освещения. Количественная оценка прогресса каждой отдельной культуры – вплоть до любого помидора черри на конкретном стебле – выполняется с использованием датчиков, алгоритмов и оптимизационной аналитики. Затраты на роботов, искусственное освещение и другое оборудование когда-то были препятствием для расширения масштабов земледельческих работ в помещениях. Но по мере развития экосистемы и совершенствования технологий ситуация меняется. В наши дни, благодаря более ярким и дешевым светодиодным лампам, облачным системам искусственного интеллекта и более доступным датчикам для автоматизации сельскохозяйственных работ, на вертикальных фермах выращивают салат-латук, шпинат, базилик, чеснок, стручковый горошек и другую пищевую продукцию. Урожайность на этих фермах, как правило, в 10–20 раз выше, чем в традиционных фермерских хозяйствах, а объем отходов гораздо меньше.
Вертикальным фермерством сегодня занимаются по всему миру, при этом основная часть проектов сосредоточена в городах, таких как Балтимор и Чикаго. Но лидирующее место в мире по фермерству в закрытых помещениях принадлежит Японии: в этой стране функционирует более 200 таких объектов. Многие из этих предприятий субсидируются японским правительством, однако процветают они благодаря потребительскому спросу на свежую местную продукцию без пестицидов{262}. На микроферме Кансайского научного городка, расположенной в пригороде Киото, для выращивания рассады, ее пересадки, полива, регулировки освещения и сбора урожая используются искусственный интеллект и коллективная работа роботов. С помощью сложных алгоритмов и датчиков, установленных на растениях, ученые отслеживают огромное количество данных – от содержания углекислого газа и температуры до уровня воды и состояния тканей растений, непрерывно анализируя оптимальные условия и системы для выращивания самых питательных и вкусных продуктов. Недалеко от того же Киото, в городе Камеока, компания Spread использует машины и роботов для производства от 20 000 до 30 000 кочанов салата-латука в день. Эти растения созревают в два раза быстрее, чем при выращивании в открытом грунте (примерно за 40 дней), после чего их доставляют в ближайшие супермаркеты.
Компания Microsoft на своей платформе Azure реализует проект FarmBeats – своего рода интернет вещей для фермерских хозяйств. Технологию тестируют на двух американских фермах в рамках многолетнего плана по модернизации сельского хозяйства с помощью аналитической обработки данных. Система использует не требующие лицензий телевизионные частоты дальней связи для подключения и сбора информации с датчиков, работающих на солнечных батареях, при этом воздушная съемка посевов ведется с дронов. Данные обрабатываются и уточняются с использованием алгоритмов машинного обучения, а затем результаты анализа отправляются фермерам с рекомендациями о том, какие переменные требуют корректировки.
Все это говорит о том, что к 2030 г. в продуктовых магазинах можно будет купить свежие, питательные, отредактированные с помощью CRISPR продукты. Все они будут выращены неподалеку: в подвале самого магазина или на соседней вертикальной ферме. И даже в мясной лаборатории вашего города.
Конец мясу
Вполне вероятно, что к 2040 г. во многих странах будет считаться аморальным употребление мясных и молочных продуктов, производимых традиционными способами. Некоторые выдающиеся личности уже давно пришли к мнению, что это неизбежно. В эссе «Лет через пятьдесят» (Fifty Years Hence), опубликованном в 1931 г., Уинстон Черчилль утверждал, что «мы избавимся от абсурдной необходимости выращивать целого цыпленка, чтобы есть только грудку или крылышки, а станем выращивать эти части по отдельности в подходящей среде»{263}.
Эта теория была проверена в 2013 г., когда появился первый созданный в лаборатории гамбургер. Его вырастили из стволовых клеток быка в лаборатории голландского исследователя стволовых клеток, профессора Марка Поста в Маастрихтском университете при финансовой поддержке соучредителя Google Сергея Брина. Финансирование проекта миллиардером оказалось настоящей удачей, поскольку стоимость производства единственной котлеты составила 375 000 долларов{264}. Однако к 2015 г. цена искусственного гамбургера упала до 11 долларов{265}. В конце 2020 г. власти Сингапура выдали разрешение местному конкуренту убойного цеха – биореактору, высокотехнологичному резервуару для выращивания организмов, принадлежащему американской компании Eat Just, занимающейся производством культивированных куриных наггетсов. В биореакторах Eat Just клетки, взятые у живых цыплят, смешиваются с сывороткой на растительной основе и культивируются в пригодный для пищи продукт{266}. Куриные наггетсы, произведенные таким способом, уже продают в Сингапуре – стране со строгим правовым регулированием, которая также является одним из важнейших инновационных мировых центров. Растущая популярность продукта может ускорить его выход на рынки других стран.
В Израиле компания SuperMeat разработала продукт, который назвала «хрустящей культивированной курочкой», а Finless Foods занимается созданием культивированного мяса синепёрого тунца. Этот вид, популяции которого грозит исчезновение из-за длительного чрезмерного вылова, пользуется большим спросом. Компании Mosa Meat, Upside Foods (ранее известная как Memphis Meats) и Aleph Farms разрабатывают текстурированное мясо, например стейки, выращиваемые в фабричных лабораториях. В отличие от существующих альтернативных вариантов мяса из растительного белка, созданных компаниями Beyond Meat и Impossible Foods, культивирование мяса на клеточной основе дает мышечную ткань, которая на молекулярном уровне представляет собой говядину или свинину.
Компания Clara Foods производит выращенные из клеточной культуры яйца, рыбу, которая никогда не плавала в воде, и коровье молоко на основе дрожжей. Perfect Day создает искусственные «молочные» продукты: йогурт, сыр и мороженое. Проект Real Vegan Cheese, стартовавший в рамках конкурса iGEM в 2014 г., – это общедоступная технология самостоятельного изготовления сыра не из молока животных, а из казеинов (белков, образующихся в молоке). Гены казеина добавляют к дрожжам и другой микрофлоре для получения белков, которые очищаются и трансформируются с использованием растительных жиров и сахаров. В числе инвесторов производства культивированного мяса и молочных продуктов – Билл Гейтс и Ричард Брэнсон, а также компании Cargill и Tyson, два крупнейших в мире производителя обычного мяса.
Сегодня мясо, выращенное из клеточной культуры, все еще дорого, однако по мере совершенствования технологии его стоимость будет снижаться. Пока этого не произошло, некоторые компании создают гибридные растительно-животные белки. Стартапы в Великобритании разрабатывают составные продукты из свинины, в том числе бекон, состоящие на 70 % из культивированных свиных клеток, смешанных с растительными белками. А Kentucky Fried Chicken изучает возможность реализации гибридных куриных наггетсов, которые на 20 % будут из культивированных куриных клеток и на 80 % из растений.
Отказ от традиционных сельскохозяйственных практик окажет огромное позитивное влияние на экологию. Ученые из Оксфордского и Амстердамского университетов подсчитали, что по сравнению с традиционным животноводством на производство культивированного мяса требуется на 35‒60 % меньше энергии и на 98 % меньше земли, при этом объем выбросов парниковых газов снижается на 80‒90 %{267}. Сельскохозяйственное производство, основанное на синтетической биологии, также позволяет надеяться на сокращение расстояний между основными операторами в цепочке поставок. В будущем крупные биореакторы будут располагаться вблизи крупных городов и производить культивированное мясо для школ, государственных учреждений и больниц, а возможно, даже для местных ресторанов и продуктовых магазинов. В США отпадет необходимость доставки тунца с океанского побережья на Средний Запад с использованием сложной и энергоемкой холодильной системы – рыбу можно будет культивировать в любом штате, не имеющем выхода к морю. Представьте, что синепёрый тунец для самых нежных и вкусных в мире суши поставляется не из японской акватории, а из биореактора в небрасском городе Хейстингсе.
Синтетическая биология, кроме того, повысит безопасность глобальных поставок продовольствия. По оценкам ВОЗ, ежегодно около 600 млн человек заболевают в результате употребления зараженных продуктов, из них 400 000 умирают{268}. В январе 2020 г. 167 человек в 27 штатах Америки были инфицированы кишечной палочкой после употребления в пищу зараженного ромен-салата, из них 85 человек были госпитализированы{269}. В 2018 г. из-за циклоспоры, кишечного паразита, вызывающего так называемую «взрывную» диарею, компании McDonald's, Trader Joe's, Krogers и Walgreens изъяли продукты из своих магазинов. Выявить источник зараженных продуктов зачастую бывает сложно, на это могут уйти недели. Но одному исследователю из Гарвардского университета пришла в голову мысль наносить генетические штрихкоды на продукты питания до того, как они попадут в цепочку поставок. Группа ученых под его руководством создала штаммы бактерий Bacillus subtilis (сенной палочки) и дрожжей Saccharomyces cerevisiae с уникальными биологическими штрихкодами, встроенными в споры. Такие споры инертны, долговечны и безвредны для человека. При распылении на разные поверхности – мясо и пищевые продукты, а также на дерево, напольные покрытия и почву – даже после воздействия ветра, дождя, кипячения, жарки во фритюре и обработки в микроволновой печи эти споры можно обнаружить спустя месяц. (Многие фермеры, в том числе занимающиеся «органическим» земледелием, уже опрыскивают свои посевы спорами Bacillus thuringiensis для уничтожения вредителей, а значит, вполне возможно, что эти споры вы когда-нибудь глотали.) Помимо обнаружения контактов синтетические штрихкоды можно использовать для борьбы с фальсификацией продуктов питания и с их неправильной маркировкой{270}. В середине 2010-х гг. на рынке появилось большое количество поддельного оливкового масла Extra Virgin. В Лаборатории функциональных материалов Федеральной высшей технической школы Цюриха было разработано решение: использовать штрихкоды ДНК, позволяющие выявлять производителя и другую ключевую информацию о масле.
Более здоровая планета
На необходимые современному обществу сырьевые материалы – топливо, волокна и химикаты – расходуется огромное количество ресурсов, что способствует загрязнению окружающей среды и росту уровня выбросов углекислого газа. До недавнего времени альтернатив здесь не существовало: легковые и грузовые автомобили работали на углеводородном сырье; для производства одежды требовались выращиваемый традиционными методами хлопок, коровья кожа и огромное количество воды; а сокращение выбросов парниковых газов подразумевало регламентирование деятельности промышленных предприятий. Биоэкономика обеспечит инженерные альтернативы сырью и новые решения все более обостряющейся проблемы с выбросами CO2.
Биотопливо
После провала компании Amyris, о чем рассказывалось в третьей главе, стали раздаваться голоса усомнившихся в том, что биотопливо должно быть предметом устремлений синтетической биологии. Хотя еще со времен энергетического кризиса 1970-х гг. морские водоросли изучались как менее опасная с геополитической точки зрения альтернатива топливу, нефтедобывающие компании противились идее их использования. В период с 2009 по 2016 г. Chevron, Shell и British Petroleum выделяли небольшие средства на исследования биотоплива из водорослей, однако большинство этих программ теперь закрыты. В ExxonMobile небольшая группа исследователей занимается генной инженерией и водорослями, но в 2013 г. Рекс Тиллерсон, который тогда был директором компании, признал, что биотопливо выйдет на уровень коммерческой состоятельности не ранее чем через три десятка лет{271}. Применению биотоплива мешают не только недоработки в технологии, но и сопротивление рынка. Традиционные его участники из числа нефтяных компаний не горят желанием менять основные методы ведения бизнеса, а без них невозможно выстроить экосистему, в отсутствие которой у будущего биотоплива очень мало шансов на коммерческий успех. В правительственных структурах тем не менее все еще поддерживаются исследовательские проекты. Так, Министерство энергетики США предоставило Институту Крейга Вентера[15] пятилетний грант в размере 10,7 млн долларов на получение биотоплива{272}, а Управление биоэнергетических технологий, входящее в состав того же Министерства энергетики, реализует научно-исследовательскую программу по изучению водорослей как возможного источника топлива{273}. Даже при переходе автомобильной промышленности на новые типы батарей для питания электромобилей, новые знания, полученные из текущих проектов по производству биотоплива, могут быть применены и в других секторах, например в авиастроении.
Более экологичная мода
Общеизвестно, что текстильная промышленность загрязняет окружающую среду, однако индустрия моды работает над тем, чтобы повысить экологическую безопасность своих производственных технологий. Для переработки хлопка в волокна и текстиль по-прежнему используется уголь; на этот процесс приходится 10 % мировых выбросов углерода. На производство одежды уходит огромное количество воды, а после стирки одежды из синтетических материалов, таких как полиэстер, в океан ежегодно выбрасывается 500 000 тонн микроволокон. Это равнозначно 50 млрд пластиковых бутылок. На свалке ежегодно оказывается около 85 % текстиля – одежды, не проданной в магазинах или выброшенной людьми. Такого объема достаточно для ежегодного заполнения Сиднейской гавани – самой большой и самой глубокой из естественных гаваней мира{274}.
Но представьте, что микроволокна можно выращивать на биофабрике. Компания Bolt Threads на основе ДНК паука разработала синтетическую ткань микрошелк, которая была использована на показе коллекции Стеллы Маккартни в 2017 г. Японский стартап Spiber синтезировал достаточное количество волокон для производства эксклюзивной парки. Процессы синтетической биологии могут превратить мицелий – ворсистые, волокнистые структуры, которые помогают грибам расти, – в прочный, напоминающий кожу материал. Если корове требуются годы, чтобы созреть для забоя, и в течение всего этого времени нужно ее кормить, содержать и ухаживать за ней, то споры всего за несколько недель из мицелия вырастут в кожу. В 2021 г. компания Hermès, выпускающая супермодные кожаные сумки, установила партнерские связи со стартапом MycoWorks для разработки экологичного текстиля из мицелия{275}. Если волокна будут разрабатывать и выращивать, а не добывать и подвергать обработке, то на горизонте появятся и другие возможности: пигменты на биологической основе для окрашивания текстиля можно отредактировать так, чтобы наносить оптимальное количество краски с меньшим количеством воды (или вообще без воды) и чтобы эти пигменты полностью поддавались биологическому разложению.
Нейлон отличается дешевизной изготовления и прочностью, поэтому его используют для производства множества вещей: обуви, резиновых шин, посуды, походных палаток, чемоданов, бронежилетов, рюкзаков, теннисных ракеток. При его производстве ежегодно образуется более 60 млн т парниковых газов. Но теперь появилась возможность производить нейлон с помощью генетически модифицированных микроорганизмов. Именно этим и занимаются два стартапа – Aquafil и Genomatica{276}.
Небьющееся всё
Несколько компаний разрабатывают сверхпрочные твердые покрытия на биологической основе, чтобы ушли в прошлое проблемы со сломанными ногтями, поцарапанной краской и треснувшими экранами. Компания Zymergen создала прозрачную биопленку, которая распознает касания и выдает информацию о них, не плавится на жаре, достаточно тонкая и гибкая, чтобы покрывать разные поверхности, в том числе телефоны, экраны телевизоров и кожу. Среди возможных областей применения – почти невидимая печатная электроника, сгибающаяся и подвижная. Представьте себе футбольный мяч, покрытый биопленкой, которая в режиме реального времени может показать число оборотов и скорость движения мяча, а также положение руки квотербека. Биопленки способны привести к изменению нынешних конструктивных параметров экранов и портативных устройств: вместо плоских и складных телефонов могут появиться рулонные. Вообразите устройство, размером и формой напоминающее механический карандаш, при нажатии на верхушку которого выдвигается экран. После этого экран фиксируется в нужной позиции и позволяет читать книгу, новости или смотреть фильм. Закончив, вы вернете экран в исходное положение, положите «карандаш» в карман или в сумочку и займетесь другими делами.
Это также свидетельствует, что в будущем материалы для упаковки и транспортировки грузов могут быть гораздо более экологичными, чем сегодня. Возможно, внутреннюю поверхность банок с газировкой будут полностью покрывать биоразлагаемой пленкой, а не пластиком, как сейчас. Возможно, новая упаковка будет выдерживать высокие и низкие температуры и кардинальным образом изменит нынешнюю сложную с точки зрения логистики, энергоемкую и экологически вредную холодильную цепь. Даже батарейки в далеком будущем могут выглядеть совершенно иначе, чем мы привыкли. Если мы уже знаем, как откармливать питающиеся от солнечной энергии батарейки, почему бы нам не создать плантации искусственных, покрытых листьями биомашин, питающихся сахаром и производящих энергию как побочный продукт? Биологические батарейки могли бы стать богатым источником чистой энергии и заменить собой традиционные, которые при разложении загрязняют окружающую среду ртутью, свинцом, кадмием и другими вредными металлами.
Биоутилизация углерода
Не вызывает сомнений, что первопричина изменения климата – углекислый газ. А если бы у нас была возможность просто удалять его из воздуха? В природе этим занимаются деревья, однако многолетние вырубки привели к тому, что теперь их просто не хватает для существенного влияния на весь объем CO2, которым люди накачивают атмосферу. Ученые из Колумбийского университета работают над созданием пластиковых деревьев, пассивно впитывающих углекислый газ из воздуха и хранящих его в листьях из карбоната натрия (пищевой соды), форма которых напоминает пчелиные соты. Эти искусственные деревья уже в тысячу раз эффективнее натуральных поглощают CO2. Чтобы выросло дерево, нужны десятилетия, однако многолетние растения с крупными листьями – хоста, бадан толстолистный, канна – развиваются быстро и легко размножаются. Генетическая инженерия этих кустарников и почвопокровных растений, которые широко используются в ландшафтном дизайне, позволит снизить концентрацию углерода в атмосфере.
Следующей задачей станет очистка углекислого газа для применения его в других процессах или его безопасное захоронение в толще океанского дна. Один из подходов заключается в преобразовании содержащегося в атмосфере CO2 в углеродные нановолокна, которые можно использовать в производстве потребительских и промышленных товаров, в том числе самолетов или лопастей для ветрогенераторов. Другой вариант предлагают химики из Университета Джорджа Вашингтона. Они ставят эксперименты с субстанцией, которую называют «небесными бриллиантами». Ученые пропускают углекислый газ через расплав карбонатов при температуре 750 ºC, затем подают атмосферный воздух и электрический ток на никелевый и стальной электроды. Углекислый газ растворяется, и на стальном электроде образуются углеродные нановолокна – «бриллианты». CO2 можно преобразовать и в другие полезные материалы. В стартапе Blue Planet нашли способ превращения углекислого газа в синтетический известняк, который можно использовать в качестве промышленного покрытия или смешивать с бетоном. Изготовленные компанией бикарбонатные камни применялись при реконструкции международного аэропорта Сан-Франциско.
Пресловутая куча мусора, плавающая в Тихом океане, представляет собой два разных скопления отходов, в совокупности также известные как «тихоокеанская мусорная воронка». В 2018 г. исследователи выяснили, что ее размеры в 16 раз превышают первоначальные оценки, а площадь в три раза больше территории Франции – в общей сложности это более миллиона квадратных километров{277}. По оценкам, в океане плавает 5 трлн кусков пластика – его количество настолько велико, что экологи призвали Организацию Объединенных Наций объявить воронку отдельной страной под названием Мусорные острова{278}. В одном из своих докладов Британское правительство предупреждает, что к 2050 г. количество пластика в океане может утроиться. Эта проблема послужила толчком к поиску инновационных решений. В качестве улавливающего агента для очистки от микропластика группа исследователей выделяет и синтезирует выпускаемую медузами слизь. Кроме того, эту слизь можно использовать и как фильтр на очистных сооружениях или для процеживания сточных вод от промышленных предприятий. В будущем питающиеся пластиком ферменты станут расщеплять крупные куски пластика и помогать в переработке отходов.
Аналогичным образом специальные микроорганизмы будут переваривать полимеры из неиспользованного текстиля – или ваших поношенных джинсов, – и в итоге возникнут новые волокна, из которых изготовят новую ткань, а из нее – одежду. Могут быть сотворены и другие микроорганизмы – для преобразования промышленных сточных вод, сельскохозяйственных стоков и даже канализации в чистую воду.
Эти преимущества синтетической биологии ближайшего или более отдаленного будущего показывают, как может измениться наша жизнь. У нас может появиться персонализированная медицинская помощь, решится проблема надвигающегося кризиса продовольственной безопасности на планете, станут действовать более безопасные промышленные и сельскохозяйственные технологии, откроются новые способы решения проблемы с климатом и даже наметится реальный путь к жизни за пределами планеты. Но в связи с этими перспективами возникают и большие вопросы, касающиеся справедливости, этики, геополитических рисков и будущих угроз сложившемуся укладу. Манипулирование жизнью влечет за собой серьезные последствия. Они будут влиять на общество, экономику, сферу национальной безопасности и геополитические союзы почти невообразимыми способами, о чем мы подробно расскажем в следующей главе.