Почти 100 лет назад генетику объявили «продажной девкой империализма», а сегодня это самая быстро и динамично развивающаяся научная отрасль, которую называют связующим звеном между науками. Что осталось в генетике со времен Н.И. Вавилова, который в прямом смысле слова положил на это дело свою жизнь, и что принципиально изменилось; какие новые теории позволяет создавать генетика и какие перспективы это открывает; чем с генетической точки зрения отличается нынешний коронавирус от всех прочих и почему биотехнологии откроют не только новые горизонты возможностей, но и новые, доселе неведомые опасности — об этом наш разговор с директором Института общей генетики РАН им. Н.И. Вавилова членом-корреспондентом РАН Александром Михайловичем Кудрявцевым.
Александр Михайлович, ИОГен относится к числу старейших институтов в структуре Академии наук. Как вы думаете, с тех пор, как его создал Н.И. Вавилов, что-то удалось сохранить в духе, атмосфере института?
Судьба института была непростой. Это действительно старейшее учреждение в системе Академии наук. Создавался он как Бюро по евгенике в Петербурге, потом стал лабораторией генетики, которая впоследствии превратилась в институт. Мы знаем, что у генетики в нашей стране была трагическая судьба. Н.И. Вавилов погиб в саратовской тюрьме, а генетика была объявлена лженаукой. В биологии воцарился Т.Д. Лысенко, который возглавлял наш институт в течение четверти века. В этот период вавиловское наследие и вся классическая генетика изгонялись из этих стен, но все-таки их удалось сохранить.
Надо сказать, при Николае Ивановиче здесь существовала мощнейшая теоретическая генетическая база. Достаточно того факта, что здесь работал будущий нобелевский лауреат Герман Меллер, автор хромосомной теории наследования, приехавший по приглашению Вавилова из Америки.
Н.И. Вавилов был колоссальной фигурой в отечественной и мировой науке. Он занимался как фундаментальной частью, так и прикладной, в том числе сельским хозяйством. Мы знаем, что знаменитый институт растениеводства в Петербурге — тоже его детище. Собственно, это все и сохранилось — и прикладная часть, и теоретическая. Мы по-прежнему занимаемся генетикой сельскохозяйственных растений и животных, но уже на новом уровне. Мы можем сейчас осуществлять синтез фундаментальных знаний с практикой. В частности, наш институт всегда был лидером по популяционной генетике. Здесь работал наш выдающийся генетик популяций академик Ю.П. Алтухов. Соответственно, здесь у нас очень сильная школа популяционной генетики, которая начиналась с изучения диких организмов, рыб и растений. Потом была создана школа популяционной генетики человека, ее возглавил профессор Ю.Г. Рычков. Сейчас здесь трудятся его последователи. Во многом это все вавиловские идеи. Вообще, генетика сейчас — одна из самых бурно развивающихся наук, здесь чуть ли не каждый день появляются новые направления. Наш научный руководитель академик Н.К. Янковский продвигает идею, что генетика — это мост между науками, не только биологическими и гуманитарными, но и любыми. Например, когда мы изучаем генетику человека, мы, безусловно, сталкиваемся с вопросами и чисто антропологическими, и социально-культурными, и лингвистическими. Это направление, уверен, будет развиваться.
Что отличает ваш институт от многих подобных?
Мы работаем с конкретным организмом. В других генетических институтах занимаются общими механизмами, для них не столь важен индивидуум. А для нас со времен Н.И. Вавилова определяющее значение имеет конкретный организм. Мы понимаем, что генетика одного индивида отличается от генетики другого. Именно эти различия мы и изучаем. Для нас это принципиальный момент, важный в том числе в сельском хозяйстве. Ясно, что у всех коров одинаково работают гены, но при этом мы видим, что один бык — уникальный производитель, а второй — так себе. Почему?
И можно ли сделать так, чтобы каждый бык стал уникальным производителем?
Когда мы создаем какую-то породу, то можем многое изменить через потомство. Для этого нам надо найти не только быка-производителя, но и подходящую корову. Этим мы до сих пор занимаемся. Конечно, есть институты животноводства, которые тоже изучают генетику сельскохозяйственных животных, но при этом они не занимаются, допустим, генетикой микроорганизмов. А мы занимаемся. Поэтому наш институт — общей генетики, и в этом его уникальность.
Вы сказали, что удалось сохранить со времен Н.И. Вавилова. А что изменилось? Что стало кардинально новым?
Мы научились работать не только с фенотипом, но и напрямую с генотипом. Н.И. Вавилов и его соратники, анализируя внешний вид организма, составляли свое представление о его генетике. Когда Грегор Иоганн Мендель устанавливал законы наследования, он работал с горохом, который для него делился на зеленый и желтый. Сейчас мы знаем, что вся генетика заключена в ДНК. Современные методы, которые стремительно развивались в последние 20 лет, позволяют работать непосредственно с генотипом. Сегодня, когда мы говорим о разнице между двумя организмами, мы можем на уровне ДНК посмотреть, чем один отличается от другого, а уже потом скоррелировать, как эти отличия выражаются в фенотипе. Мы видим ген как абсолютно материальную единицу. Это, наверное, самое главное изменение в генетике с тех времен, когда Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик открыли двойную спираль ДНК. Но это тоже было давно, уже полстолетия назад. В последнее десятилетие мы научились легко оперировать с этой материальной основой наследственности. Раньше, когда я был начинающим ученым, работа с ДНК была чем-то запредельно трудным, а сейчас это делается широким сканированием. Сейчас существует амбициозный проект полного сиквенса геномов всех эукариот. Это миллионы видов! В той же сельскохозяйственной генетике появились новые технологии селекции. Когда-то Н.И. Вавилов разработал теорию научной селекции, но все это делалось по внешнему виду. Сейчас у нас появилась маркерная геномная селекция. Это новый этап в научной селекции. Мы сейчас можем совершенно по-другому создавать новые организмы. У нас на вооружении новые методы генетической инженерии, включая генетическое редактирование. Мало того что мы многое лучше видим и понимаем, при этом мы еще и можем целенаправленно вносить какие-то изменения.
Если бы напротив вас сейчас сидел Н.И. Вавилов, о каких разработках института бы вы ему рассказали в первую очередь?
Я бы обязательно сказал о биоинформатике, с помощью которой у нас анализируют геном. У нас работает член-корреспондент РАН В.Ю. Макеев, руководитель лаборатории, в которой создают уникальное программное обеспечение, признаваемое мировым сообществом. Они выигрывают компьютерные состязания для профессиональных биоинформатиков, потому что у них создается беспрецедентное ПО для анализа генома.
Замечательные достижения демонстрирует наша лаборатория эволюционной геномики, которой руководит член-корреспондент РАН Е.И. Рогаев. Именно им открыты гены болезни Альцгеймера и многие другие. Благодаря этим работам геномика человека у нас одна из самых сильных в мире.
Популяционную генетику человека у нас ведет лаборатория профессора РАН О.П. Балановского. В рамках этих исследований, в частности, осуществляется программа Союзного государства, возглавляемая Н.К. Янковским. Там ставятся обширные задачи (в том числе криминалистические) исследования генома самых разных представителей постсоветского пространства. Это, по сути, широкий срез генетики населения Союзного государства, всех его народов и этносов, и это тоже величайшее достижение.
Александр Михайлович, вы руководите лабораторией генетики растений, то есть занимаетесь прямым продолжением дела Н.И. Вавилова. Расскажите, что важного здесь удалось сделать?
Много что удалось.
Во-первых, мы повторяем маршруты его экспедиций. Недавно я побывал в экспедиции в Эфиопии, где мы прошли по пути Н.И. Вавилова, посмотрели, что сохранилось после него. Мы собирали староместные сорта пшеницы, провели современными методами генетики сравнение коллекции Н.И. Вавилова, сохраненной в Санкт-Петербурге в ВИРе, с коллекцией, собранной нами, и увидели большую разницу по генетическим маркерам.
И сейчас перед нами стоит большой фундаментальный вопрос: что происходит? То ли это эволюция в природе, то ли какие-то другие механизмы. Мы видим, что очень трудно удержать мгновение жизни даже в коллекции Генбанка. Этот вывод ставит перед нами новые задачи, особенно важные на фоне необходимости сохранить биоразнообразие. У нас исчезают и дикие, и культурные виды.
О том, что исчезающие виды необходимо собирать в коллекции, догадался еще Н.И. Вавилов. Сегодня используется относительно немного современных хороших сортов, которые занимают огромные площади. Что дальше? Может произойти глобальное изменение климата, какая-нибудь пандемия, и все эти сорта перестанут быть такими хорошими. А где взять новых доноров для селекции, которые могут привнести в новые сорта устойчивость или адаптивность к этим условиям? Даже генбанки не могут сохранять материал долго, он гибнет, его нужно пересевать. А пересев — это возможные ошибки.
Вторая важнейшая задача, с которой сегодня мы работаем вместе с крупными сельскохозяйственными холдингами, — научиться производить собственные семена сахарной свеклы. Дело в том, что сейчас в стране их нет, все завозные, хотя при этом мы мировые лидеры по производству сахара. Значит, мы должны создать собственные гибриды для производства семян. Как это сделать? Это вопрос для современной генетики, потому что без методов маркерной и геномной селекции, которой мы владеем, нет ни малейшей надежды тягаться с западными конкурентами. Государство тоже участвует в этой работе. Сейчас действует программа «Селекция и семеноводство сахарной свеклы», которая поддерживается из госбюджета.
Я знаю, что у вас в институте создана новая лаборатория, которая занимается генетическими исследованиями в области онкологии. Мало того, сотрудниками лаборатории разработана новая теория генетики рака, а это большое событие в мире науки.
Это правда. Речь идет о лаборатории неофункционализации генов профессора А.П. Козлова, который пришел работать к нам в институт. Скажу, о чем идет речь. Мир, в котором мы живем, как известно, возникает в процессе эволюции. Но где же эволюция берет материал для себя, каким образом все это происходит? Суть теории в том, что в результате случайных событий в геноме возникают некие протогены, которые еще не имеют никакой функции, но затем они должны эту функцию обрести. Где они могут ее обрести? Оказывается, только в раковой опухоли. И Андрей Петрович показал, что есть сотни генов, которые не экспрессируют в нормальных тканях человека, но в раковой опухоли начинают работать очень интенсивно.
То есть раковая опухоль нужна эволюции?
Согласно теории, это именно так. Тому есть множество примеров. Скажем, у млекопитающих молочная железа обладает всеми признаками опухоли. Скорее всего, изначально это была некая опухоль, которая в процессе эволюции приобрела функцию и закрепилась. К таким опухолям, обретшим важную функцию, относится также предстательная железа, селезенка и многие другие органы. Фактически большинство органов прошли через опухолевую стадию в процессе эволюционного развития.
Из этой теории следуют по меньшей мере два практических выхода. Если мы знаем, что в опухоли всегда экспрессируют гены, которые молчат в нормальных тканях, то речь может идти о создании универсального метода диагностики, способного показать появление раковых клеток на самых ранних этапах. Если мы видим, что начинается экспрессия таких генов, мы можем сказать о наличии онкопроцесса.
Второе — мы сегодня точно не знаем, представляет ли собой работа этих генов следствие того, что у них появилось поле, где они могут себя проявлять, или они сами стимулируют развитие опухоли. В частности, нам уже известны гены, которые позволяют опухоли расти дальше. И тогда появляется следующий вопрос: если мы сможем заблокировать работу этих генов, то и опухоль начнет регрессировать или, как минимум, не будет прогрессировать?
Конечно, тут еще множество вопросов, но А.П. Козлов уже сделал немало докладов в разных научных организациях в России и за рубежом, издал монографии, и ученые в большинстве своем соглашаются с этой теорией, потому что она действительно кажется очень верной. Даже палеонтологи говорят, что у них есть наблюдения, которые свидетельствуют именно о таком пути эволюции — через новообразования, которые сначала были нефункциональными, а потом обрели нужную функцию.
Александр Михайлович, у вас есть также лаборатория генетики микроорганизмов, что сейчас особенно актуально, учитывая ситуацию с новой коронавирусной инфекцией. Какие наблюдения имеются здесь?
Вообще, генетика микроорганизмов — это очень интересное направление, у нас этим занимается лаборатория под руководством профессора В.Н. Даниленко. Сейчас все больше внимания и в фундаментальной науке, и в медицине уделяется микробиому человека. В каждом человеке, как известно, живут несколько килограммов бактерий, и они определяют очень многое, начиная с пищеварения и заканчивая способом мышления. Сейчас показано, что, например, многие случаи аутизма связаны со сдвигом в микробиоме, а сдвиг этот происходит достаточно легко. Скажем, вы приняли антибиотики и у вас «родные» микроорганизмы вымерли, заместились другими, и все сдвинулось. Соответственно, одно из направлений — это сохранение микробиома человека. Возможно, это одно из направлений медицины будущего, когда у фактически здорового человека в раннем возрасте можно будет в коллекцию заложить его микробиом, чтобы потом, в случае если произойдет катастрофическая болезнь, этот микробиом восстановить. Здесь возможно производство новых пробиотиков, разнообразных пищевых добавок, и у нас идет активное сотрудничество с Университетом пищевых технологий.
Еще одно важное направление связано с туберкулезом. Сейчас все говорят о коронавирусе, в то время как туберкулез тоже никуда не делся. Мало того, он стал особо агрессивным, устойчивым к антибиотикам. Вот почему еще так важно секвенировать все эукариоты. Это даст нам возможность посмотреть, какие микробы живут на территории России. Ведь среди них не только патогенные, но и очень много полезных. Вообще, микроорганизмы — это основа биотехнологии, и находить новые микроорганизмы — тоже наша работа.
Где вы их находите?
Практически везде. Сейчас, например, мы исследуем микробиом океана. Для этого мы берем пробу воды, оттуда выделяется тотальная ДНК, где находятся сотни новых видов бактерий, которые раньше другими методами находить не удавалось. Почвенный микробиом, микробиом животных, человека — это все нужно исследовать.
Если говорить о коронавирусе, то сейчас, как известно, создается вакцина, а к ней нужны адъюванты, которые делают из разного рода редких веществ — скажем, из хряща акулы. Показано, что если вакцинировать все население земного шара, то у нас не хватит не только стекла для ампул, но и акул. А у нас есть микроорганизмы, найденные нашими генетиками, которые могут быть адъювантами, в том числе для таких вакцин.
Александр Михайлович, в чем, на ваш взгляд, уникальность нынешнего коронавируса? Есть ли что-то, чем он вас удивил?
Я не вирусолог, но когда только коронавирус появился, у меня сразу же возникло ощущение, что он очень странно себя ведет. Когда поступали первые данные, какова его заразность, я просто просчитал, сколько у нас должно быть заболевших. Но на самом деле их намного меньше. Динамика довольно странная. Потом стали появляться сообщения, что многие болеют бессимптомно. Я думаю, что бессимптомно болеют люди, которые когда-то переболели какой-то другой коронавирусной инфекцией. В общем, этот коронавирус очень похож на другие виды этого семейства коронавирусов. Да, у него есть своеобразный спайк-белок, но другие-то белки у него похожи. А против других белков тоже может быть иммунитет. И таких людей с иммунитетом оказалось довольно много.
Потом стало выясняться, что бессимптомные не заразны. И вот это, на мой взгляд, объяснение, почему этот вирус не так быстро распространяется, как другие ОРВИ или грипп. Мое мнение — этот вирус как бы двойственен. С одной стороны, он не так опасен для популяции в целом, как оспа или чума. Но он оказывается опасным для каких- то конкретных людей, которые не будут к нему устойчивыми и начнут тяжело болеть.
Причем предсказать, кто из этих людей в группе риска, не всегда возможно.
Да, и в этом сложность. Очень важный момент нынешней ситуации — большинство должно страдать и терпеть неудобства из-за меньшинства. Это совершенно новый философский компонент, принесенный в нашу жизнь нынешней эпидемией. Это новая психология, пришедшая в наше общество.
Я уже много лет думал, почему у нас нет пандемии. Они должны происходить по определению, потому что у нас растет численность населения, плотность, количество миграций. Всегда из природного резервуара может выскочить новый вирус и начать поражать человека.
И вот пандемия наконец произошла, как бы напомнив всем нам, что это может случиться в любой момент. Это означает, что нам надо изучать не только микробиом, но и виром природы — какие существуют вирусы, какие из них встречаются у животных. Надо быть готовыми к встрече с ними. Поскольку сейчас мы можем создавать вакцины in silico к этим вирусам, то почему бы не разработать какие-то платформы предварительно? Поэтому я думаю, что такая программа по геному вирусов очень нужна.
Было очень много спекуляций по поводу того, что вирус имеет искусственное происхождение. Что вы можете сказать на этот счет?
Это могут сказать только спецслужбы. Я же думаю, что есть какие-то подозрительные моменты, которые могут натолкнуть на некоторые вопросы. В целом новый коронавирус очень похож на своих родственников, но там прослеживается одна необычная геномная последовательность, которая в принципе могла возникнуть случайно, но могла и искусственно. Загвоздка в том, что именно эта последовательность в геноме дает возможность вирусу атаковать клетки человека. Но возникла ли она спонтанно или ее сделали в лаборатории, точно сказать не могу.
А вы в своих лабораториях могли бы создать такой вирус?
На самом деле, все намного серьезнее, чем можно предположить. Такие последовательности не то что в нашей лаборатории — скоро в гараже можно будет создавать. Биохакинг — реальная угроза нынешнего дня. Все острее встает проблема биобезопасности, которой тоже надо уделять серьезное внимание. В самое ближайшее время начнет развиваться генетическое оружие. Оно уже создается в мире; например, уверен, что этим занимается Управление перспективных исследовательских проектов Министерства обороны США (DARPA).
Но это лишь начало. Скоро биотерроризм станет проблемой номер один, на фоне которой нынешние проблемы с наркотиками отойдут на второй план. Генетическая инженерия — это наше общее будущее, но это как ножик, которым можно колбасу порезать, а можно человека убить. Вы можете создать методом генетической инженерии продукт абсолютно безвредный, а можете получить продукт, который причинит вред или вызовет привыкание. Это новая реальность, которую перед нами открывают биотехнологии. Хотим мы этого или нет, но мы с этим столкнемся — и нам надо быть к этому готовыми. Нужны новые методы идентификации, анализа, противодействия, и в это тоже надо вкладываться. Биотехнологии становятся новой отраслью промышленности, а генетика — базис этой биотехнологии.
Вы говорили о том, что по сравнению с теми временами, когда вы были молодым ученым, генетика сделала резкий шаг вперед. Когда-то погружение в структуру ДНК казалось дремучим лесом, а сейчас это нечто рутинное. Как вы думаете, что может случиться еще через 20-25 лет? Чего нам ждать?
Мы не просто будем изучать генетический материал, но и начнем им оперировать. Мы не только будем понимать, как это работает, но и сможем вносить изменения целенаправленно, чтобы лечить генетические заболевания, и это станет общепринятой рутинной практикой. Это происходит уже сейчас, но пока генетическое редактирование — все-таки достаточно сложная и дорогая процедура. Скоро это станет доступно всем. Вот как сейчас вы приходите в диагностический кабинет и говорите: «Сделайте мне ПЦР-тест», — и никто не задумывается, что несколько лет назад это было абсолютной экзотикой. Так же будет и с генетическим редактированием.
Как вы считаете, насколько опасно вмешательство в святая святых — геном человека?
Безусловно, это опасно. Однако человек всю свою историю балансирует на грани опасностей, но никогда это его не останавливало. Вся наука на этом стоит. У меня такое впечатление, что мы сейчас должны думать в первую очередь о том, как нам купировать опасность, которую мы создали в предыдущие времена. Все говорят, что генетическая инженерия, генно-модифицированные растения в сельском хозяйстве — это опасно. Но никто не думает, насколько опасно для природы все сельское хозяйство как таковое. Когда мы сыплем тонны удобрений-пестицидов, распыляем инсектициды, фунгициды, идет война с природой и в конечном счете с самими собой. Последствия этой войны отражаются на человеке уже сейчас. Если у нас сменится парадигма сельского хозяйства в пользу развития биотехнологий, то эту нагрузку можно снизить.
Александр Михайлович, что вы считаете самым важным в вашем институте?
Самое главное — это, конечно, кадры. Это не стены нашего здания, пусть они даже исторические, не оборудование, которое, конечно, нужно, но его можно найти у коллег, у соседей. Главное — чтобы в головах людей происходило формирование новых теорий, новых гипотез. Это и есть суть нашей работы. Когда меня спрашивают, какова концепция нашего института, я говорю, что стремлюсь создать здесь территорию разума, чтобы ученым было комфортно работать. Надеюсь, это у нас получается.
■
Беседовала Наталия Лескова
Иллюстрация на главной странице: Рабочий стол Н.И. Вавилова с полевым микроскопом в его мемориальном кабинете
Александр Кудрявцев, член-корреспондент РАН, директор Института общей генетики ран им. Н.И. Вавилова
