Книга Жизнь, которую мы создали. Как пятьдесят тысяч лет рукотворных инноваций усовершенствовали и преобразили природу - Бет Шапиро

Вольбахиями заражаются около 40 % видов насекомых, в том числе и несколько видов комаров. Эти бактерии не убивают зараженных насекомых, однако снижают их фертильность. Если неинфицированная самка комара спарится с инфицированным самцом, потомство не выживет. В конце шестидесятых годов прошлого века ученые выпустили в Мьянме (тогдашней Бирме) много выращенных в лаборатории самцов комаров, инфицированных вольбахиями. Эти самцы спаривались со здоровыми самками, но не давали потомства. Местная популяция комаров была уничтожена, что доказывает действенность такого метода. В дальнейшем комаров, зараженных вольбахиями, выпускали как средство биологического контроля в популяции комаров Австралии, Вьетнама, Индонезии, Бразилии и Колумбии.

Однако при всей перспективности применения вольбахий для контроля над комарами у этого метода есть несколько недостатков. Во-первых, разводить в лабораторных условиях только особей мужского пола очень трудно. А если случайно выпустить вместе с самцами инфицированных самок, то вольбахии распространятся по популяции, что сведет на нет их потенциал как средства стерилизации комаров, поскольку потомство зараженных вольбахиями самок выживает. Во-вторых, любое сокращение популяции комаров сохранится лишь ненадолго, если, скажем, места их обитания легко и непринужденно колонизируют комары из соседних популяций. Наконец, у некоторых видов-переносчиков самых тяжелых заболеваний вольбахии уже есть, а значит, этот метод для их контроля просто не годится.

Эксперименты с вольбахиями выросли из теории, разработанной еще в тридцатые годы прошлого века. Ученые из Министерства сельского хозяйства США Раймонд Бушленд и Эдвард Книплинг получили задание остановить бушевавшую в стране эпидемию заражения крупного рогатого скота личинками мясной мухи. Исследователи решили, что могут взять верх над инфекцией, если прервут репродуктивный цикл насекомого, насыщая популяцию бесплодными особями. Опираясь на те же исследования, которые легли в основу мутационной селекции в сельском хозяйстве, они обнаружили, что облучение насекомых рентгеновскими лучами вызывает в их ДНК мутации, которые при высоких дозах делают их бесплодными. После Второй мировой войны подход «стерилизуй и выпускай» был опробован на практике и имел шумный успех. С тех пор его применяли для борьбы с болезнями крупного рогатого скота и других домашних животных, культурных растений и людей. В 1992 году Бушленд и Книплинг получили Международную продовольственную премию за свою роль в разработке этой методики.

Стерилизация рентгеновским излучением, как и вольбахии, не оставляет никакого химического следа в окружающей среде и едва ли способна прямо влиять на другие виды. В отличие от вольбахий, стерилизация рентгеновским излучением теоретически годится для любых видов, а если даже случайно и будут одновременно выпущены и бесплодные самки, и бесплодные самцы, то единственное, что грозит, – это напрасная трата денег. Главный недостаток методики тот же, что и у мутационной селекции. Облучение вызывает случайные мутации по всему геному с непредсказуемыми последствиями. Высокие дозы рентгеновских лучей обеспечат бесплодие (а следовательно, и исключат распространение остальных индуцированных мутаций), но также способны вызвать столько мутаций, что особи окажутся слишком слабыми и больными, чтобы спариваться. А если доза излишне мала, то особи могут сохранить фертильность, достаточную для распространения их вызванных облучением мутаций на остальную популяцию вредителей.

К счастью, бесплодие у насекомых можно вызвать и целенаправленным редактированием генома. В 2013 году Oxitec, биотехнологическая компания, расположенная в Великобритании, начала выпускать в пригородах Жуазейру в бразильском штате Баия миллионы генно-инженерных бесплодных самцов комаров Aedes aegypti. Чтобы создать бесплодных комаров, Oxitec вводила в геном комаров ген, вынуждающий клеточные механизмы комара запускать неуправляемый, истощающий все ресурсы цикл, приводящий к быстрой гибели. Этот ген отвечает за выработку белка под названием «подавляемый тетрациклином трансактиватор» (tetracycline repressible transactivator protein, tTAV). Во время развития эмбриона tTAV связывается с элементом генома, отвечающим за самовоспроизводство, отчего вырабатывается еще больше tTAV. Выработанный tTAV тоже связывается с тем же элементом генома, запускает выработку нового tTAV – и так продолжается до тех пор, пока не кончатся ресурсы, нужные для выработки белков, необходимых для нормального развития. Поломка клеточного механизма приводит к тому, что генно-инженерные эмбрионы в яйцах комаров не могут развиться в кусачих взрослых насекомых.

Однако, спросит проницательный читатель, если личинки комаров гибнут в процессе развития, откуда возьмутся взрослые особи, способные спариваться и передавать дальше свою ДНК, убивающую личинки? Здесь ученые из Oxitec, чтобы обмануть систему tTAV, воспользовались некой уловкой: экспрессия tTAV подавляется в присутствии тетрациклина, распространенного антибиотика. Чтобы получить взрослых комаров, Oxitec растит своих генно-инженерных насекомых в лаборатории в присутствии тетрациклина. Зачем ученые отбирают только самцов (которые значительно мельче самок и к тому же не кусаются) и выпускают их в естественную среду. Там лабораторные самцы спариваются с дикими самками, и эмбрионы в их яйцах наследуют ген tTAV от отца. В отсутствие тетрациклина эмбрионы гибнут в процессе развития.

Применение генно-модифицированных комаров, получивших название OX153A, в Жуазейру – это второй случай, когда компания Oxitec использовала такой метод. Первые испытания прошли за несколько лет до этого в общине Вест-Бэй на острове Большой Кайман. Всего через четыре месяца после того, как в Вест-Бэй выпустили самцов OX153A, местная популяция Aedes aegypti сократилась до 20 % от прежней численности. В компании Oxitec надеялись, что бразильский эксперимент поможет узнать, даст ли метод OX153A такие же прекрасные результаты в континентальной популяции, более тесно связанной с соседними. Кроме того, ученые хотели наладить сотрудничество с местными исследователями (без чего было бы невозможно оптимизировать программу для бразильских условий), а главное – заручиться поддержкой местных жителей, а в дальнейшем и регулятивных органов. Эксперимент в Жуазейру привел к блестящему успеху. Через год популяция Aedes aegypti в Жуазейру сократилась на 95 %, причем в окружающей среде не осталось никаких токсинов и химикатов, а принятые меры не оказали непосредственного влияния ни на какие виды, кроме назойливых смертоносных комаров.

Через два года после начала бразильского эксперимента возникли некоторые опасения: секвенирование генома в масштабе популяции обнаружило небольшие количества ДНК, подобной OX153A, в геномах Aedes aegypti из Жуазейру. Следовательно, были какие-то фертильные комары OX153A, которые умудрились просочиться через процесс сортировки в Oxitec и привнесли свою ДНК в дикую популяцию. Однако ученые этого ожидали. Сортировать лабораторных комаров на самцов и самок по размеру – неточный метод, и еще до того, как выпускать комаров, компания признавала, что в каждой выпускаемой стае скорее всего окажутся и кусачие самки. Главное – что в дикой популяции не было найдено никаких трансгенов (гена tTAV или связанных с ним компонентов), а это показывало, что эксперимент идет по плану: те комары OX153A, у кого был трансген, не оставляли потомства, а те выпущенные комары, которые сумели оставить потомство, не являлись носителями трансгена.

Кроме того, высказывались опасения, что сократить популяцию при