5.6.3. Главный проект ХХ века – расшифровка генома человека

Медицинских приложений новых технологий очень много. Модернизация медицины, ее огромный шаг вперед и прямо-таки фантастические перспективы – характерная, важная отличительная черта ПНТР наших дней. Все достижения в этой области и перечислить-то трудно. Но нельзя обойти событие, подготовленное всем развитием естествознания ХХ в. – расшифровку генома человека.

Расшифровка генома (Human genom project – HGP) – это самый крупный международный проект 90-х годов прошлого столетия в области биологии. Завершена лишь первая и главная его стадия, создавшая богатейшую основу для дальнейших исследований. Основными участниками были и остаются США и Великобритания, финансирующие исследования из своих государственных бюджетов науки. Ведущей организацией является специально созданный в системе американских институтов здоровья Национальный исследовательский институт генома человека (National human genom research institute), а его директор Ф.Коллинз (Francis Collins) – неофициальным руководителем проекта в целом. В работе участвовали многие лаборатории различных американских ведомств, в том числе, например, лаборатории Министерства энергетики США. В то же время параллельно аналогичные исследования вела частная фирма «Селера Геномекс» (Celera Genomics), США, разработавшая оригинальный метод ускоренной расшифровки и успешно на протяжении ряда лет соперничавшая с участниками международного проекта за первенство в достижении столь престижной цели. Научная междоусобица (кто быстрее, полнее, точнее осуществит расшифровку, увенчает себя славой первопокорителя и получит возможность извлечь максимум выгоды из результатов), принимавшая порой довольно острые формы, означала по сути дела дублирование работ, нерациональную трату сил и средств. Объединение усилий, очевидно, могло ускорить решение проблемы, и многие участники исследований со стороны государственных организаций стремились к такому объединению, но довольно долго натыкались на несогласие и язвительную критику Дж.Вентера, одного из руководителей фирмы «Селера». В конце концов дело дошло до вмешательства президента США Б.Клинтона, который написал своему советнику по науке Н.Лейну записку: «Реши вопрос... добейся, чтобы эти парни работали вместе».

К этому времени (весна 2000 г.) и Вентер понял, что его неуступчивость ведет к тому, что он теряет авторитет среди коллег, может бросить тень на самое величайшее научное достижение века, да кроме всего прочего, наносит вред финансовому положению фирмы «Селера». После совместной декларации Б.Клинтона и премьер-министра Великобритании Т.Блэра в марте 2000 г., заявивших о том, что вся информация о геноме должна распространяться свободно и безвозмездно, цена акций «Селеры» на фондовой бирже США резко упала, со 189 долл. за акцию до 149.25 долл.

В мае прошла серия весьма напряженных встреч Коллинза и Вентера, в итоге согласие было достигнуто, и в июне стороны выступили с совместным заявлением, объявив, что они расшифровали практически все 3,1 млрд. биохимических «букв» ДНК человека, кодированной информации, в соответствии с которой человеческий организм создается, развивается и функционирует. Совместное заявление было тщательно сформулировано так, чтобы обе стороны выглядели равными, но тем, кто обладает внутренней информацией, было ясно, что исследования Вентера продвинуты намного дальше. Хотя участники HGP декодировали 97% «букв» генома (а оставшиеся 3% все рассматривают как не поддающиеся локализации и несущественные), на момент декларации о завершении проекта они определили последовательность только 53% этих «букв». Можно сказать, что они располагали всеми страницами так называемой «книги жизни», и страницы эти были расположены верно, но слова и буквы на каждой из них оставались полностью перепутаны. И чтобы их «распутать» ученым, по оценке Коллинза, требовалась еще пара лет.    У фирмы «Селера» положение было иным – она имела не только страницы, но и слова, и буквы на них в нужном порядке. Но ни сотрудники этой фирмы, ни сотрудники HGP еще не знали, что        означало каждое слово и каждая буква.

В качестве материала для расшифровки генома исследователи – участники HGP использовали образцы крови и спермы 12-ти анонимных доноров. Образцы были смешаны, чтобы результаты не были привязаны к какой-то одной конкретной личности. Фирма «Селера» поступила следующим образом: дала объявление в газете «Вашингтон пост», отобрала из тех, кто откликнулся, 30 человек, мужчин и женщин, принадлежавших к разным этническим группам, и использовала «материал» шести из них. Как известно, в молекуле ДНК в разных сочетаниях фигурируют четыре «базы», или «буквы» – аденин (А), цитозин (С), тимин (Т) и гуанин (G). Всего они встречаются в геноме человека около 3,2 млрд. раз. Примерно 97% из них – «отбросы», пустышки. Содержательную часть образуют гены. Ген – это участок ДНК, который передает клетке информацию о том, как и какой белок следует изготовить из тех или иных аминокислот. Каждая аминокислота закодирована последовательностью из трех «букв». Клетка считывает содержащийся в гене код, захватывает соответствующие аминокислоты и, соединяя их в определенном порядке, создает белок. Большинство ученых полагают, что в геноме человека находится порядка 100 тыс. генов. Далее, в геноме – 23 хромосомы. В клетке – по две копии каждой из них, по одной от каждого родителя, всего, таким образом, 46. Последняя, 23-я пара – это хромосомы, определяющие пол.

В процессе расшифровки генома исследователи обычно берут небольшой участок хромосомы и делают тысячи его неполных копий, каждая из которых начинается с одного и того же конца, но отличается от других своей длиной. На второй конец «сажают» молекулу флоуресцирующего вещества; причем каждой «букве» (а копии кончаются на разных «буквах») соответствует свой цвет флуоресцента. Разделяя полученные копии по длине и считывая последнюю «букву» по цвету флуоресцента, исследователи устанавливают последовательность «букв» во взятом участке хромосомы. Затем аналогичным образом изучается следующий участок и т.д., а после этого участки «стыкуются» и выявляется последовательность «букв» в хромосоме в целом. Почти все описанные операции сегодня выполняются специальными машинами-автоматами, оснащенными роботами. Это позволяет проводить расшифровку неизмеримо быстрее, чем в начальный период работ, когда все это делалось «вручную». Например, расшифровку генома дрожжей, которая ранее продолжалась 10 лет, современные машины могут выполнить за один день.

Несколько иной, значительно более быстрый метод расшифровки разработан и используется фирмой «Селера». Он получил название «пулеметный» (shotgun sequencing). Вместо того чтобы определять последовательно отдельные участки хромосомы, весь геном расчленяется на небольшие фрагменты, они помещаются на специальную палетту и анализируются опто-электронной компьютеризированной установкой. Компьютеры, отыскивая перекрывающие друг друга фрагменты, «собирают» их подобно тому, как мы собираем мозаичные головоломки. Эта методика очень хорошо зарекомендовала себя при расшифровке геномов простейших организмов, но она пригодна и для анализа сложных вариантов. В начале 2000 г. Вентер доказал это, проведя расшифровку генома мухи дрозофилы. Кроме того, к концу того же года он расшифровал геном мыши, а это ни много ни мало 2,3 млрд. «букв», и в нем много сходного с геномом человека, хотя «последний, естественно гораздо больше. Если представить его себе в виде книги, содержащей соответствующее количество букв, то он займет девять томов, каждый размером с телефонный справочник. Чтобы прочесть их вслух, потребовалось бы более девяти лет.

Стремясь обеспечить высокий уровень надежности результатов, участники HGP перепроверили свои данные семь раз, а фирма «Селера» – пять раз. Надо, однако, иметь в виду, что, хотя геном считается полностью расшифрованным, в нем остаются небольшие участки, где последовательность букв не поддается определению с помощью современных, пусть и самых совершенных методик. Основная причина таких «провалов» (а их порядка 10%) – это наличие участков, фрагменты которых оцениваются на базе этих методик как совершенно идентичные, так что решить, в какой последовательности они
располагаются один за другим, невозможно. Правда, большинство
ученых полагает, что такие участки генов не содержат, и, следовательно,
точно знать, как они расположены, не обязательно.

Что может дать расшифровка генома? Ученые полагали, что уже в 2010 г. доктора смогут лечить нас от рака или сердечно-сосудистых заболеваний даже раньше, чем эти заболевания проявятся. Расшифровка генома человека должна привести к фун­даментальным изменениям профилактической медицины. Знание структуры генома является важнейшей предпосылкой идентификации генов и выяснения функциональной роли каждого из них, а на этой основе могут быть созданы лекарственные препараты, способные корректировать дефектные гены и, следовательно, предотвращать наследственные заболевания или устранять склонность к таким заболеваниям. Журнал «New Scientist» писал в специальном выпуске от июня 2000 г.:

«В 2010 г. рутинное обследование будет заключаться в том, что у вас возьмут образец крови или клетки какой-нибудь части тела, извлекут из этих клеток ДНК, и ее скрининг, т.е. последовательный контроль всех звеньев, определит степень риска того или иного заболевания. Уже сегодня науке известны некоторые отдельные гены, дефекты которых обусловливают определенные редкие заболевания, но в будущем станет возможным уже на зародышевой стадии выявлять склонность к весьма распространенным болезням, которые проявляются во взрослом возрасте, таким, как диабет, сердечные заболевания, рак и вероятно, даже столь комплексные психические болезни, как шизофрения и депрессия» (12, с. 1). Поскольку перечисленные заболевания являются следствием не только генетических, но и внешних факторов, результатами обследования будет лишь выявление степени риска, а не «да» или «нет». В какой-то мере это будет напоминать повсеместные сегодня измерения величины артериального давления или уровня содержания холестерина в крови. Для пациентов такие данные не означают приговора, а являются информацией, которой они могут воспользоваться.

Разумеется, технически процедура скрининга будет несравнимо более сложной, чем анализы, выполняемые сегодня. Суть ее будет в том, что гены пациента будут сопоставляться с известными вариантами дефектных генов. Последние будут представлены своего рода чипом, интегральной схемой ДНК – тонкой стеклянной пластинкой размером с почтовую марку. На пластинке должны быть наклеены цепочки ДНК, у которых имеются дефектные гены, тысячи таких цепочек. Когда ДНК пациента добавится к чипу, то при наличии дефектов к соответствующим участкам ее «приклеятся» цепочки чипа с аналогичными дефектами. Остальные не проявившие сходства цепочки будут смыты. Затем электронные сканеры «считают» полученную картину, и в течение нескольких часов для каждого гена ДНК пациента будет известно, имеет ли он дефект и какой, или никаких дефектов не имеет. Анализ всех в совокупности генов позволит определить степень риска каждого наследственного заболевания.

Подробное изучение генов и их дефектов позволит гораздо подробнее и надежнее, чем сегодня, классифицировать разные типы злокачественных опухолей и разновидности болезней, определить, какой лечебный препарат может оказаться наиболее эффективным в том или ином случае. Например, пациенты, страдающие болезнью Альцгеймера из-за наличия в их ДНК дефектного гена, который обозначается символом АроЕ^х4, хорошо реагируют на препарат такрин. А для тех, у кого эта болезнь обусловлена другими вариантами генных дефектов или совокупностью нескольких вариантов, это лекарство неэффективно. Недавно выяснено, что один из типов липомы имеет две разновидности, связанные с двумя разными генами. Под микроскопом клетки обоих видов опухоли выглядят одинаково. Но одна разновидность хорошо поддается химиотерапии, а вторая – нет. Во всех таких случаях скрининг ДНК мог бы определить оптимальную стратегию лечения.

Таким образом, основные потенциальные достижения в области
медицины, дорогу которым открывает расшифровка человеческого
генома, связаны с надеждами на освобождение от наследственных
заболеваний. Насколько эти надежды обоснованы, сказать пока трудно.

Наряду с надеждами все это вызывает и опасения. Изменения, которые произойдут в медицине на основе генной инженерии, могут оказаться позитивными не для всех. Они могут расширить разрыв между бедными и богатыми вплоть до того, что возникнет класс генетически неполноценного населения. Очень немногие жители развивающегося мира смогут выиграть от того, что скрининг ДНК и выявление риска тех или иных заболеваний станет возможным. Да и в богатых странах выигрыш будет далеко не одинаков для разных социальных групп.

Одна из причин такого неравенства заключается в том, что результаты скрининга будут интересовать не только конкретного индивидуума и его доктора, но и, к примеру, страховые компании. Они очень хотели бы знать, какую судьбу уготовила «генная карта» каждому их клиенту. В странах, где действует национальная система здравоохранения, это может главным образом сказаться на шансах получить медицинскую страховку. В ряде стран (Великобритания, Нидерланды и др.) уже действуют законы, запрещающие страховщикам требовать генетическое тестирование в качестве предварительного условия выдачи страхового полиса. Но эти законы нередко обходят, стремятся получить (и часто получают) доступ к уже имеющимся результатам такого тестирования.

Еще сложнее ситуация в странах, где здравоохранение оплачивается страховыми компаниями. В США федеральный закон запрещает дискриминацию по генному признаку при страховании по месту работы. Но это охватывает только 80% населения. Оставшиеся 20%, в том числе те, кто занят индивидуальной трудовой деятельностью, не имеют надежной юридической защиты, «...только мешанина из нечетких и часто неадекватных законов штатов стоит между ними и жесткой реальностью экономики медицинского страхования» (12, с. 2). Правда, в апреле нынешнего года Консультативный совет по генетическому тестированию при министре здравоохранения, созданный в 1988 г., рекомендовал принять федеральный закон, запрещающий генную дискриминацию любого гражданина при приеме его на работу или при оформлении медицинской страховки. Закон должен также гарантировать тайну генетической информации, содержащейся в медицинской документации. «Без такой защиты, – считают члены Комитета, – население будет избегать генетического тестирования, которое на деле может оказаться полезным и необходимым для здоровья и благополучия» (там же).

Есть, правда, специалисты, которые считают, что угрозы дискриминации на основании результатов генного тестирования практически не существует. Во-первых, утверждают они, не только несправедливо, но и неразумно отказывать какому-либо специалисту в приеме на работу только потому, что он, возможно, когда-то в будущем умрет от некоторого заболевания. Во-вторых, на плечи страхователей ляжет столь солидный груз затрат на множество очень дорогостоящих тестов, что проще и дешевле допустить, что у всех есть риск, связанный с наследственностью, и разделять людей по этому признаку бессмысленно. «Мы все живем с 30-40 погрешностями в нашей молекуле ДНК, – утверждает упоминавшийся выше Ф.Коллинз, – расчет риска, со всеми ними связанного, представляется безнадежно сложным, попросту невыполнимым» (там же).

Однако опасения, связанные с генным скринингом, выходят далеко за рамки медицинского страхования. Медики уже умеют определять наличие у человеческого эмбриона единичных дефектных генов, например гена, вызывающего кистозный фиброз. Чем лучше и полнее мы будем знать, какие у нас гены и как они влияют на организм, тем больше будет у родителей возможностей выбора разных воздействий на потомство, возможностей «конструировать» ребенка с желаемыми качествами. Пессимисты даже считают, что дело может дойти до появления нескольких разновидностей людей.

Большинство же полагают, что новая технология – генный скрининг – вряд ли будет применяться для оценки генетического потенциала эмбрионов. Кому, к примеру, захочется знать, что его еще не рожденный ребенок на 70% имеет шанс заболеть диабетом, достигнув 50 лет. Такая тягостная информация не нужна, лучше ее не иметь. Далее, мы, по всей вероятности, выясним, что такие качества, как ум, способность к лидерству и т.п., являются результатом взаимодействия множества генов, а не зависят от какого-то одного из них. В общем, мало вероятно, что «сконструированные» дети появятся в обозримом будущем. Но никогда нельзя говорить «никогда». Кто знает, что случится через 100 или 1000 лет?

Сколь значителен успех и что делать дальше? Заявление о завершении работ по расшифровке генома человека наделало очень много шума. Газеты, радио, телевидение посвятили ему массу статей и передач. Видные политики, руководители государств выразили свое восхищение и дали событию высочайшие оценки. Президент Клинтон устроил по этому поводу прием в Белом доме, пригласив участников работ, других крупных генетиков, членов Конгресса и правительства. Выступая на приеме, он заявил: «Сегодня мы изучаем язык, на основе которого Бог создал жизнь» (13, с. 2).

Однако мнения о значительности события далеки от единодушия. Является ли расшифровка генома биологическим эквивалентом высадки человека на Луну, достижением, которое совершит революцию в медицине и даст человечеству возможность управлять своей эволюцией в будущем? Или это сенсация, раздутая заинтересованными лицами, которая лопнет как мыльный пузырь, не оправдав романтичных ожиданий? А может, это нечто среднее, технологическая новация, подобная многим другим, от ракет до ядерной энергии, и она привнесет свою долю чудес и разочарований, а иной раз и трагедий? Одно совершенно ясно: окончательный ответ нам придется ждать еще очень, очень долго.

Во всяком случае, все согласны с тем, что сделан лишь первый шаг в познании астрономической сложности человеческих генов и их загадочного взаимодействия. Стремясь разгадать тайну, ученые еще много ночей будут жечь свет в лабораториях. Десятилетия, а возможно, век или еще дольше. Трудность задачи можно представить себе, если вообразить запись всех произведений Шекспира слово за словом, слитно, без пробелов и знаков препинания, причем ее должен прочесть человек, не знающий английского языка. Прежде всего необходимо разобраться с количеством генов. Специалисты, занимавшиеся расшифровкой генома, крупно расходятся в оценках – от 30 тыс. до 120 тыс. Надо определить местонахождение каждого гена, а пока никакой логики или ритма в их расположении не установлено, предполагается, что некоторые гены могут даже состоять из находящихся достаточно далеко друг от друга нескольких фрагментов цепочки ДНК. Далее, предстоит выяснить, какова функция каждого гена, как она реализуется и каким образом связана с болезнями человека; как гены связаны между собой – ведь в любом биохимическом процессе в клетке участвуют одновременно множество генов, как-то взаимодействующих друг с другом. ДНК любого организма крайне сложна. Ярчайшей тому иллюстрацией может служить сопоставление числа типов генов у человека и, допустим, у дрожжей. Казалось бы, разница должна быть колоссальной. Но на самом деле она невелика, всего-навсего пять крат. Более того, большинство наших генов совпадают с таковыми у животных, растений и даже столь примитивных форм жизни, как бактерии. Большое число генов, жизненно важных для «ведения хозяйства» в наших клетках, к примеру, отвечающих за считывание ДНК и за ее, так сказать, ремонт, совпадают с генами, определяющими жизнедеятельность бактерий. Далее, поднимаясь по тропе эволюции, мы разделяем одни и те же гены с растениями и такими низко организованными тварями, как черви или мухи. Так, ген, который называют «Sonic hedgehog», играет ключевую роль в росте и ориентации мушиных крыльев по мере развития насекомого. В эмбрионе человека эквивалентный ген «дирижирует» ростом и ориентацией наших рук. Еще больше сходства между генами человека и млекопитающих, которые, в свою очередь, ассимилировали и усовершенствовали генетические механизмы более простых организмов. Гены мышей удивительно похожи на наши, и мышиный геном часто называли «Розеттским камнем» (18), сыгравшим большую роль в постижении функций генов человека. Геном шимпанзе отличается от нашего всего на 1,5%. Теоретически анализ именно этой частицы генома мог бы объяснить, что именно делает нас людьми. А что касается сходства и различия в генах собственно людей, то у всех более 99% их полностью совпадают и только доля процента различается, обусловливая разницу между представителями разных рас и национальностей, а также внутри таковых – в комплекции, росте, цвете глаз и т.д., включая склонности к тем или иным наследственным заболеваниям.

В июне 2000 г. ученые Института Кюри в Париже опубликовали предварительные результаты сравнительного исследования хромосом столь далеких друг от друга особей животного мира, как шимпанзе, зебры и землеройки. Они обнаружили, что, хотя по структуре их хромосомы отличаются друг от друга, собственно гены по сути дела не меняются. Похоже, что различные виды организмов появлялись в результате постепенного копирования, модификации и рекомбинации уже существовавших генов, а не вследствие каких-то радикальных скачкообразных перемен. Но, видимо, в ходе накопления «дупликации» сходные гены начинали выполнять совсем другие функции, подобно тому, как совершенно одинаковые белки выполняют разные функции в нашем теле. Например, белок, участвующий в формировании хрусталика глаза, фактически неотличим от белка, «переваривающего» алкоголь в печени, если поместить его в пробирку со спиртом, то он его тоже будет разлагать.

Именно процесс дупликации дает более высоким, многоклеточным формам жизни преимущество перед более низкими формами. Большинство генов в простых, примитивных формах, таких как бактерия, выполняют и ныне те же функции, что они выполняли, когда три млрд. лет назад появились первые одноклеточные... Можно проследить весь процесс эволюции как процесс дупликации и модификации первоначальных генов. Это все равно, что иметь дело с кирпичиками. Можно построить из них гараж, а можно – небоскреб. Дело не в материале, а в том, как он используется.

Наконец, чтобы покончить с перечнем проблем, связанных с ДНК и генами, нужно отметить, что совершенно пока не ясна роль тех парануклиотидов, которые не являются генами. А они составляют основную часть цепочки генома. Каковы их функции, как они взаимодействуют с генами, если такое взаимодействие имеет место? Есть предположения, что они определяют порядок «включения» и «выключения» генов, но четкого понимания их роли нет, да и вряд ли она сводится к «включению» и «выключению».

Сотрудник Национальной лаборатории Лоуренса Беркли Института молекулярных исследований в Калифорнии С. Бреннер (S.Brenner) утверждает, что «изучение каждого гена и его продукции потребует приблизительно 40 лет. Геном человека обеспечит создание по меньшей мере 50 тыс. профессорских вакансий в университетах и лабораториях» (12, с.4). Короче говоря, расшифровка расшифровкой, и это очень серьезное достижение, но вопросов о содержании генома и функциях его отдельных составляющих, о происходящих в нем процессах остается несметное количество.

И даже если представить себе, что ученым удалось на все перечисленные выше вопросы о генах и геноме ответить, то перед ними встанет не менее, а скорее еще более трудная задача – понять, как конкретно гены «руководят» клеткой при строительстве молекул различных белков, составляющих основу нашего организма и являющихся главными участниками процессов метаболизма. Знание генетического кода как такового на этот вопрос не отвечает. После того, как завершена «сборка» химических компонентов белка в единое целое, он сворачивается, принимая уникальную, лишь ему свойственную форму, напоминающую кренделек, которая и позволяет ему осуществлять специфичную биологическую функцию подобно тому, как особая форма позволяет ключу открывать замок. Однако – и в этом-то
загвоздка – ученые, несмотря на колоссальные усилия и использование мощнейших компьютеров, никогда еще не могли, основываясь на химическом коде конкретного гена, предсказать форму белка, который этому коду соответствует. A после того, как белки созданы, они могут претерпевать поразительно широкий набор самых разнообразных трансформаций – от них отделяются некоторые группы, к ним присоединяются сахара, их конфигурация может меняться, и каждая из этих трансформаций может изменить функцию белка. Биологи подозревают, что функциональный набор белков в человеческом организме – протеом – по численности превосходит набор генов примерно в 10 раз.

Некоторые исследователи вообще считают, что представление о том, что в генах заключено объяснение всех тайн биологии не более, чем ложная догма. «Биология просто гораздо сложнее, чем все то, что можно объяснить на основе знания ДНК», – утверждает, например, профессор молекулярной биологии и биологии клетки Калифорнийского университета (Беркли) Р.Штроман (R.Strohman) (13, с.3).

Вообще говоря, специалисты понимают, что генетики в своих публичных выступлениях, в контактах с государственными чиновниками и широкой общественностью слишком упрощают стоящие перед ними проблемы главным образом по финансовым соображениям. Они понимают, что коль скоро покажут все нюансы и сложности генетики, ограничивающие ее сегодняшние возможности, они лишатся понимания, которое сегодня гальванизирует общественность и обеспечивает поддержку генетических исследований налогоплательщиками. Поэтому немало желаемого выдается за действительное, возможные сроки решения тех или иных проблем оцениваются крайне оптимистично, и у публики появляются неоправданно радужные ожидания и надежды.

Это, по мнению многих скептически настроенных ученых, относится и к проблеме избавления человека от наследственных заболеваний, и к проблеме «конструирования» потомства, совершенствованию человеческой породы. Даже те, кто с великим энтузиазмом встретил заявления о расшифровке генома, скептически относятся к возможности устранения всех наследственных заболеваний, устранения их навсегда из ДНК человека. Многие считают, что это утопичная мечта. Большинство таких болезней, по-видимому, являются результатом сложного взаимодействия различных генов. Эти взаимодействия настолько запутаны, что на то, чтобы их хотя бы установить, потребуются десятилетия исследований. А многие из них могут оказаться столь сложными, что разобраться в них будет невозможно. Джеймс Ватсон (James Watson), знаменитый сооткрыватель структуры ДНК в виде двойной спирали, в своей последней книге «Любовь к ДНК» пишет: «Мы не должны жить с ошибочным представлением о том, что нам когда-нибудь удастся эффективно контролировать большинство наследственных заболеваний. Многие из них могут оказаться невосприимчивыми к лекарственной или к генной терапии, когда здоровые гены вводятся в клетку, чтобы компенсировать влияние дефектных. Особенно трудно будет делать это на зародышевой стадии. Если ключевые гены, контролирующие связи клеток мозга, не сработают, пока зародыш находится в матке, никакая терапия, ни лекарственная, ни генная, не сможет верно «перемонтировать» мозг на более поздней стадии» (там же, с.6).

Показателен такой пример. Луис Полинг, знаменитый химик, участвовавший в создании атомной бомбы в 40-х годах, установил прямую связь между небольшой мутацией определенного единичного гена и одним из видов анемии. Открытие взволновало научный мир. Ожидалось, что вскоре будет найден способ излечения этой болезни. Но и сегодня, более полувека спустя, такой способ не найден. Не один ген оказался «виновником» заболевания, а какая-то комбинация генов, которая и по сей день остается нераскрытой. Исследователи полагают, что речь может идти о совместном воздействии 100 или даже 1000 генов.

А как объяснить тот факт, что у идентичных близнецов, имеющих один и тот же генетический код, наследственные заболевания могут не совпадать? Иллюзией, по мнению многих генетиков, является и возможность методами генной инженерии совершенствовать способности человека. Д-р Пол Биллингз (Paul Billings), врач, генетик и главный редактор издаваемых в Сан-Франциско страничек новостей по проблемам биологии и биотехнологической промышленности (GenLetter), уверен, что такие качества, как способность к творчеству, ум и т.п., определяются не столько биологическими, сколько социальными факторами, средой, воспитанием. А та составляющая, которая является биологической, контролируется практически всей генетической системой в целом, сложнейшим взаимодействием всех ее элементов, так что «надежное конструирование потомства с теми характеристиками, которые желательны, просто невозможно» (13, с. 3).

Есть еще одна проблема, порожденная расшифровкой генома человека. В 1999 г. ученые, занимающиеся проблемами СПИДа, были сначала очень удивлены, потом озадачены, а в конце концов крайне рассержены. Фирма «Науки о геноме человека» (Human Genom Sciences – HGS), расположенная в Роквилле, штат Мэриленд, гордо объявила в своем пресс-релизе, что она запатентовала способ воздействия на ген человека, отвечающий за работу клеточных рецепторов, который, как считают, позволяет вирусу СПИДа проникать в клетку. Данный ген обозначается символом CCRS. Заявка фирмы основывалась не на ее собственных исследованиях, а на анализе данных, опубликованных участниками HGP. Сочетание свободного доступа всех желающих к результатам расшифровки генома и либеральных требований патентного законодательства позволяет получать патенты тем, кто ничего сам не делал. Особенно активны в этом отношении фирмы HGS и Incyte Genomics (последняя расположена в городе Пало-Альто, штат Калифорния), которые подали уже тысячи заявок, базирующихся на данных о последовательности нуклеотидов в геноме и некоторых догадках, подкрепленных компьютерным анализом указанных данных. Активно подают заявки и организации, участвующие в HGP, и прочие, занимающиеся генетическими исследованиями. Патентное ведомство США завалено заявками на подобные патенты, таких заявок там более 20 тыс. Европа в этом отношении разворачивается медленнее, но, по данным Европейского патентного бюро в Мюнхене, несколько тысяч заявок там тоже рассматриваются.

Как вся эта патентная активность может сказаться на дальнейших исследованиях генома человека, отдельных генов и т.д.? Ведь фактически организация – держатель патента становится как бы монополистом, владеющим исключительным правом манипуляций с тем или иным геном. Это, безусловно, может ограничить, а то и застопорить или затормозить научно-исследовательские проекты. С другой стороны, активное патентование вызывает приток инвестиций в фармацевтическую промышленность, в том числе на исследования и разработки – перспектива получить защищенное патентом лекарство от какого-либо наследственного заболевания крайне соблазнительна. Обе тенденции проявляются сегодня вполне отчетливо. И первая из них вызывает опасения у многих ученых.

Широко распространено мнение, что академические бесприбыльные исследования обладают иммунитетом от патентных притязаний. Однако практика свидетельствует о другом. В этом уже убедился А. Рид (Andrew Read), генетик, работающий в госпитале святой Марии в Манчестере, Великобритания. Рид исследует гены, дефекты которых, как считают, влияют на заболевание раком молочной железы и кистозным фиброзом. Никаких коммерческих аспектов его эксперименты на данной стадии не имеют. Но изучаемые им гены запатентованы, и одна из фирм – держателей патентов уже потребовала от него лицензионных платежей. Аналогичный случай имел место и в США – фирма «Myriad Genetics» в г. Солт-Лейк Сити, штат Юта, предъявила претензии к лабораториям, тоже изучающим ген BRCA I, с которым связан рак молочной железы. Речь опять-таки идет о лицензии и лицензионных платежах.

В то же время, если будет обнаружена какая-то иная биологическая функция уже запатентованных генов, то и по этому поводу можно будет получить патент. Легко представить себе, какая вакханалия судебных исков и процессов способна разразиться вокруг всей многотысячной массы «генных» патентов! Юридические фирмы, без сомнения, уже облизывают губы, предвкушая многочисленные и длительные иски в связи с действительным или мнимым нарушением патентных прав.

Одновременно с расшифровкой генома человека и после нее аналогичные автоматизированные процедуры были, можно сказать, поставлены на поток, и последовали расшифровки геномов целого ряда животных и растений. Биология, вернее ее важнейший подраздел, генетика, углубились в мир молекул и генов, в мир величин, измеряемых микронами и нанометрами. Оставаясь частью биологии, эти исследования одновременно являются и одной из нанонаук, широко используют современные нанотехнологии, которым посвящен следующий раздел описания, характеризующий парадигму современного научно-технического развития.

5.6.4. Нанотехнология

Как мы уже отмечали (см. гл. 2), нанотехнология или нанонаука (оба термина часто употребляются как синонимы) принципиально отличается от традиционных научных дисциплин тем, что выделена не по предметному, а по масштабному признаку, ее областью являются объекты, размеры которых измеряются нанометрами. Nanos по-гречески означает «карлик», и нанотехнология имеет дело с миллиардными долями метра. Первым, кто обратил внимание ученых и инженеров на наномир, считается американский ученый Ричард Фейнман (19). Сделал он это в декабре 1959 г., читая свою знаменитую лекцию «В глубинах материи много пространства для науки» (мы даем смысловой перевод английского названия – There is plenty of room at the bottom). Фейнман говорил: «Принципы физики, насколько я могу судить, не препятствуют возможности перемещения объектов последовательно атом за атомом. Это не нарушает никаких законов, и в принципе может быть сделано. Но практически это еще не осуществлялось, потому что размеры наши слишком велики». Однако в недалеком будущем, полагал он, «мы сможем выстраивать соответствующие нашему желанию конструкции прямо из атомов, из самих атомов» (цит. по: 14, с.2). В то время это выглядело настоящей фантастикой.

Однако, в 1981 г. немецкие физики Г. Бинниг и Г. Рорер создали зондовый сканирующий тоннельный микроскоп, с помощью которого можно было разглядеть и даже переносить с места на место отдельные атомы. К этому времени японец Норио Танигучи, тоже физик, ввел в научный обиход термин «нанотехника». После появления микроскопа, образца такой техники, прошло целых восемь лет, прежде чем сотрудникам фирмы IBM удалось, используя его как манипулятор, выложить на поверхности кристалла никеля при температуре почти равной абсолютному нулю за 22 часа три буквы названия своей компании из 35 атомов ксенона. «Жили» эти буквы недолго, как только температура поднялась до -230^оС, они испарились. Но окно в наномир было уже открыто, его можно было наблюдать, пользуясь целым семейством микроскопов – туннельным, атомно-силовым, оптическим (все сканирующие и зондовые).

Справедливости ради нужно отметить, что некоторые, в том числе весьма давние технологии в этот мир уже не раз вторгались. Хорошо всем известное сусальное золото, которым покрывают оклады икон и художественные изделия, а когда-то золотили целые купола церквей, получали и получают методом ковки. Толщина сусальных пластин меньше одного мкм, из 2-3 грамм золота получают около квадратного метра покрытия. Так называемые нити Волластона из платины или золота используются в научных приборах более ста лет. Их диаметр значительно меньше одного мкм. В фотоэмульсиях и красках множество наноразмерных частиц, они применяются и в химических реакциях, выполняя роль катализаторов. В приборах для точных линейных измерений сигналы индуктивных датчиков или фотоэлектрических микроскопов усиливаются настолько, что на стрелочном или цифровом отсчетном устройстве регистрируются сотые доли мкм. Есть и иные примеры из области материаловедения, микроэлектроники или манипуляций с ДНК. Но когда сегодня говорят о нанотехнологии, то имеют в виду в первую очередь сенсационные результаты, которые принесли открытия углеродных нанотрубок и фуллеренов, таких нанометрических футбольных мячей, молекул С₆₀ (5). Однослойные нанотрубки имеют толщину стенки порядка одного нм, практически одноатомный слой, а длина их может доходить до 100 мкм, при диаметре в несколько десятков нанометров. Трубки выращивают на кремниевой подложке, под микроскопом они смотрятся как участок густого леса из одинаковых стволов без сучьев. Потянув за край «леса», получают нановолокна, которые можно сплести в нити. Можно и соткать микроткань, пока, правда, вручную, ткацких наностанков пока не создано. Дело, конечно, не просто в размерах частиц из углерода, да и из многих других элементов. Как выяснилось, столь малые частицы обладают удивительными свойствами, совершенно не похожими на свойства тех же веществ в более крупных габаритах. Дело, видимо, в том, что у нано- и макрочастиц разные соотношения между общим числом атомов и числом атомов, находящихся на внешней поверхности. Физики в этом феномене еще не совсем разобрались. Но главное в том, что новые проявляющиеся у наночастиц свойства чрезвычайно полезны, и обеспечивают им очень широкое применение в самых разных отраслях хозяйства, от мелиорации до космической техники. Правда, сегодня освоена лишь небольшая часть потенциально возможных применений.

Из упоминавшегося выше «леса» площадью 1 см² вытягивают несколько метров волокна толщиною 3-4 мкм. Его простым глазом заметить почти невозможно. А если сплести нить толщиной около 20 мкм, то она будет в пять раз прочнее того же диаметра нитей из кавлара. Бронежилет из таких нитей может быть гораздо надежнее существующих. Механические свойства углеродных нанотрубок уникальны, но и электрические не менее удивительны. Трубки бывают как с металлическим типом проводимости, так и с полупроводниковым. И тем и другим прямая дорога в микроэлектронику. К тому же, если трубка однослойная, ее электрическое сопротивление не зависит от длины. А допустимая плотность тока в нанотрубках гораздо больше, чем в металлических проводах такого же поперечного сечения и на два порядка больше, чем в полупроводниках. Применение этих чудотрубок в микросхемах памяти компьютеров – дело ближайшего будущего. То же самое можно сказать о самолетостроении, автомобильной промышленности, производстве космических аппаратов.

Мы уже говорили, что не один углерод, а и другие материалы в виде наночастиц демонстрируют очень полезные свойства. Всем, наверное, известен твердый сплав победит. Его получают, насыщая мягкую, например, хромовую матрицу частицами карбида вольфрама. Если использовать карбид в форме наночастиц (раньше частицы были размером в десятки микрон), то твердость сплава намного возрастает, резцы и фрезы металлорежущих станков становятся долговечнее, а обрабатываемая ими поверхность деталей менее шероховатой, чистота ее возрастает на несколько классов.

Нанодисперсные материалы применяют для изготовления бактерицидных красок, перевязочных материалов, уничтожающих вредную флору и фауну. Это новое направление – создание легких и прочных биологически совместимых материалов имеет очень большое будущее. Во всех типах магнитных носителей информации – на ценниках товаров, на кредитных картах, на компьютерных жестких дисках и т.д. Такие диски и многие другие трущиеся поверхности (детали двигателей, например) защищают от износа алмазными нанопленками. Удобрения, которые вносятся в почву в виде наночастиц, многократно более эффективны, чем макропорошки. Очистка воды, сбор разлившейся по воде нефти, новые электрические аккумуляторы – перечислить все уже апробированные и внедренные применения наночастий невозможно. И еще больше перспективных направлений, близких и далеких.

Чрезвычайно многообещающей областью является изучение взаимодействия нано и био. С одной стороны, нанотехнология создает мощные инструменты для фундаментальных биологических исследований и для медицины, а с другой – сами исследователи наномира черпают знания и вдохновение, сталкиваясь со свойствами и возможностями биосистем. Примером может служить биомоторчик в жгутике бактерии Escherichia coli. По словам профессора Калифорнийского технологического института М. Рукес, «природа смеется над нами и заставляет нас с утроенной силой продвигать вперед наши исследования» (14, с.10). Между тем немецкая фирма «Микротек» создала модель «подводной лодки» диаметром 0,65 мм и длиною 4 мм, которая плавает по моделям кровеносных сосудов. Пока она не автономна, винт вращается внешним переменным магнитным полем. Но японская корпорация «Тошиба» уже изготовила электродвигатель диаметром 0,8 мм и весом 4 миллиграмма для такого рода «субмарин». Теперь нужен топливный элемент, который будет использовать в качестве окислителя кислород, переносимый эритроцитами.

Немало и таких направлений, которые сегодня кажутся научной фантастикой. Последние связаны с созданием самоорганизующихся наносистем, способных к репликации, нанофабрик «размножающихся» в геометрической прогрессии. Из одной такой фабрики, которую с помощью компьютера можно настроить на производство чего угодно из молекул различных материалов, путем последовательного удвоения всего за 20 «циклов» получится миллион ей тождественных, целый большой завод. Такого рода идеями увлечены ряд групп ученых и инженеров, издают бюллетени, в Интернете материалы размещают, конструируют макеты и проводят разные эксперименты. Идеи, в общем, не бредовые, основной довод в пользу реальности этих идей опровергнуть трудно – ведь так природой созданы живые организмы, и для достижения цели надо ее путь повторить в сокращенном по времени варианте. Фантасты просматривают и связанные с созданием упомянутых нанофабрик угрозы. Выйдет такой нанозавод из-под контроля и начнет перерабатывать все подряд, разрушая всю нашу среду обитания. В итоге – перспектива конца света. На эту тему есть роман Э.Дрекслера, одного из идеологов нанофабрик. Роман называется «Машины созидания», издан в 1986 г., довольно давно по нынешним меркам. Дрекслер ввел в литературный обиход термин «серая слизь», заполняющая все и вся «продукция» бессмысленно размножающейся искусственной жизни. Сходные идеи и опасения высказывал сооснователь фирмы «Sun Microsystems» (США) Билл Джой в статье «Будущее в нас не нуждается».

Бурное развитие нанотехнологии началось в конце ХХ в. В 1998 г. на одном из слушаний в американском Конгрессе сенатор Лейн говорил: «Если бы меня спросили, в какой области науки и техники наиболее вероятны «прорывы» в будущее, я бы указал на нанотехнологию» (14, с.2). Через два года США приняли Национальную нанотехнологическую инициативу, которую мы рассматривали во второй главе и на которую правительство США выделяет более одного млрд. долл. в год. Помимо федерального правительства ИР в области нанотехнологии финансируют штаты, частный сектор, зарубежные организации. В 2004 г. международные корпорации инвестировали в соответствующие проекты 3,8 млрд. долл., 19 компаний входящих в перечень Доу Джонса, начались нанотехнологические ИР, появились около 120 новых фирм, занимающихся нанотехнологией, из них в США примерно половина (там же, с.6). Широкомасштабные программы ИР в области нанотехнологии имеют сегодня практически все страны, ведущие научные исследования, ЕС и его члены, Россия, Китай, Ю. Корея, Индия, Таиланд, Филиппины, Ю. Африка, Бразилия, Чили, Аргентина, Мексика и т.д. Развивающиеся страны возлагают на нанотехнологии очень большие надежды. По результатам солидного обследования, проведенного в 2005 г. канадскими учеными, наиболее актуальными для развивающихся стран приложениями являются следующие:

1. Накопление, производство и преобразование энергии.

2. Повышение эффективности сельскохозяйственного производства.

3. Рациональное использование водных ресурсов и очистка воды.

4. Выявление и диагностирование различных заболеваний.

5. Методы доставки в больной организм лекарственных препаратов.

6. Обработка и хранение пищевых продуктов в тропиках.

7. Оценка степени загрязнения воздуха и способы его очистки.

8. Прогрессивные строительные материалы и их применение.

Эксперты считают, что успешное развитие этих направлений позволит сделать мир более справедливым, поднять уровень жизни населения развивающихся стран.

В России тема «Индустрия наносистем и материалы» является частью федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России». На нанотехнологии за 2005-2006 гг. было потрачено пять млрд. рублей. С 2007 по 2012 г. намечено вложить еще не менее 70 млрд., это приблизительно столько же, сколько выделяет правительство США. В 2006 г. на российском экономическом форуме в Санкт-Петербурге демонстрировалась первая российская нанотехнологическая установка «Nanofab-100», в которую входят тоннельный сканирующий и атомно-силовой микроскопы, модуль для модификации материалов сфокусированными ионными пучками и модуль для наращивания нанопленок. Многие российские предприятия микроэлектроники занялись наноиндустрией, начали выпускать композиты на основе углеродных нанотрубок, ремонтно-восстановительные смеси и нанодисперсные материалы. В области материаловедения Россия сохраняет одно из ведущих в мире мест, унаследовав от СССР хорошую школу материаловедов.

Завершим мы раздел о нанотехнологии словами российского физика, известного популяризатора науки, Владимира Решетова: «Предстоящий прорыв инженеров в мир атомов будет не менее значим, чем освоение атомной энергии или выход в космос. Причем, особую актуальность исследования в области наномира приобретают в связи с планируемым активным вмешательством в биологические процессы. Выяснение тех законов, по которым организуются живые и неживые системы, может кардинально изменить наш мир, и эти изменения могут иметь столь глобальный характер, что о предстоящих угрозах приходится думать не меньше, чем о гарантированном всеобщем благоденствии» (5, с. 92).

Разумеется, в рамках настоящей работы, невозможно осветить все современные области знаний, в которых новые технологии обеспечивают интенсивный прогресс, для этого нужна целая новая энциклопедия. За рамками остаются целый ряд очень интересных и важных отраслей науки, таких как клонирование, генная инженерия, микроэлектромеханические системы и много иных. Однако те, что хотя бы кратко рассмотрены, вполне представительны, и основной предмет нашего анализа – парадигму современного научно-технического развития – иллюстрируют достаточно полно.