Сообщение эрика лендера о цене расшифровки днк
Обновлено: 05.07.2024
- идентификация 20 000–25 000 генов ДНК;
- определение последовательности 3 млрд. пар химических оснований, составляющих ДНК человека, и сохранение этой информации в базе данных;
- усовершенствование приборов для анализа данных;
- внедрение новейших технологий в область частного использования;
- исследование этических, правовых и социальных вопросов, возникающих при расшифровке генома.
6 июня 2000 г. президент США и премьер-министр Великобритании объявили о расшифровке человеческого генетического кода, и таким образом соревнование закончилось. На самом деле, был опубликован рабочий черновик человеческого генома, и лишь к 2003 г. он был расшифрован практически полностью, хотя и сегодня все еще проводят дополнительный анализ некоторых участков генома.
И вдруг все затихло. надежды не оправдались. казалось, что 3 млрд долл., вложенных в эту затею, выброшены на ветер.
Нет, не совсем так. Быть может, полученные результаты не столь грандиозны, как предполагалось во времена зарождения проекта, но они позволят достичь в будущем значительных успехов в различных областях биологии и медицины.
Еще один важный результат проекта — дополнение истории человека. Раньше все данные об эволюции были почерпнуты из археологических находок, а расшифровка генокода не только дала возможность подтвердить теории археологов, но в будущем позволит точнее узнать историю эволюции как человека, так и биоты в целом. Как предполагается, анализ сходства в последовательностях ДНК различных организмов сможет открыть новые пути в исследовании теории эволюции, и во многих случаях вопросы эволюции теперь можно будет ставить в терминах молекулярной биологии. Такие важнейшие вехи в истории эволюции, как появление рибосомы и органелл, развитие эмбриона, иммунной системы позвоночных, можно будет проследить на молекулярном уровне. Ожидается, что это позволит пролить свет на многие вопросы о сходстве и различиях между людьми и нашими ближайшими сородичами: приматами, неандертальцем (чей генокод недавно был реконструирован из 1,3 млрд фрагментов, подвергавшихся тысячелетнему разложению и загрязненных генетическими следами археологов, державших в руках останки этого существа), а также и всеми млекопитающими, и ответить на вопросы: какой же ген делает нас Homo sapiens, какие гены отвечают за наши поразительные таланты? Таким образом, поняв, как прочитать информацию о нас в генокоде, мы сможем узнать, как гены влияют на физические и умственные характеристики и даже на наше поведение. Возможно, в будущем, посмотрев на генетический код, можно будет не только предсказать, как будет выглядеть человек, но и, к примеру, будет ли у него актерский талант. Хотя, естественно, никогда нельзя будет это определить со 100%-ной точностью.
Кроме того, межвидовое сравнение покажет, чем отличается один вид от другого, как они разошлись на эволюционном древе. Межпопуляционное сравнение покажет, как этот вид эволюционирует. Сравнение ДНК отдельных особей внутри популяции покажет, чем объясняется различие особей одного вида, одной популяции. Наконец, сравнение ДНК различных клеток внутри одного организма поможет понять, как происходит дифференцирование тканей, как они развиваются и что идет не так в случае заболеваний, таких например, как рак.
Открытый доступ к информации позволит объединить опыт врачей, информацию о патологических случаях, результаты многолетнего изучения отдельных особей, и потому станет возможным соотнести генетическую информацию с данными анатомии, физиологии, поведения человека. И уже это сможет привести к лучшей медицинской диагностике и прогрессу в лечении.
Например, исследователь, изучающий определенную форму рака, сможет сузить круг поиска до одного гена. Сверив свои данные с данными открытой базы генома человека, он сможет проверить, что другие написали об этом гене, включая (потенциально) трехмерную структуру его производного белка, его функции, его эволюционную связь с другими генами человека или с генами мышей, дрожжей или дрозофилы, возможные пагубные мутации, взаимосвязь с другими генами, тканями тела, в которых ген активируется, заболеваниями, связанными с этим геном, или другие данные.
Более того, понимание хода заболевания на уровне молекулярной биологии позволит создать новые терапевтические методы. Учитывая, что ДНК играет огромную роль в молекулярной биологии, а также ее центральное значение в функционировании и принципах работы живых клеток, углубление знаний в этой области откроет путь для новых методов лечения и открытий в различных областях медицины.
Итак, привычная биология ушла в прошлое, наступил час новой эры науки: постгеномной биологии. Она полностью развенчала идею витализма, и хотя в него уже больше столетия не верил ни один биолог, новая биология не оставила места и для призраков.
Не только интеллектуальные озарения играют важную роль в науке. Такие технические прорывы, как телескоп в астрономии, микроскоп в биологии, спектроскоп в химии, приводят к неожиданным и замечательным открытиям. Похожую революцию в геномике производят сейчас мощные компьютеры и информация, содержащаяся в ДНК.
Кроме стоимости расшифровки, важным показателем является его точность. Считается, что приемлемым уровнем является не более одной ошибки в 10 000–100 000 символов. Сейчас уровень точности находится на уровне 1 ошибки в 20 000 символов.
В 2003 году закончился крупнейший в истории человечества международный проект в области биологии The Human Genome Project, который определил последовательность нуклеотидов, составляющих человеческую ДНК, и идентифицировал около 25 тыс. генов в нашем геноме. В некотором смысле человечество бросило вызов богу, получив инструмент для создания не только себе подобных, но и подобных богам. Мы решили поговорить о генетической революции с основателями двух ведущих российских компаний, оказывающих услуги в области анализа человеческого генома, Артемом Елмуратовым и Сергеем Мусиенко.
Проект расшифровки человеческой ДНК потребовал 3 млрд долл. Первоначально секвенирование – определение последовательности белков в ДНК – стоило космически дорого, первые расшифровки обходились дороже 10 млн долл. Предполагалось, что цена будет падать согласно эмпирическому закону Мура в области микроэлектроники, который гласил, что количество транзисторов, размещаемых на кристалле интегральной схемы, удваивается каждые 24 месяца. И первые четыре года так и было, но после 2007 года стоимость секвенирования стала снижаться значительно быстрее; правда, в районе 2015 года она застыла на отметке примерно 1000 долл. за полную расшифровку генома – это предел современных технологий. Впрочем, уже на подходе методы секвенирования следующего поколения (Next Generation Sequencing), в частности нанопоровое секвенирование от Oxford Nanopore, одной из самых известных компаний в этой области. Новый метод позволит провести полный генетический анализ по одной-единственной цепочке ДНК. И самое главное, дешево. Пока технология находится в стадии доработки, но сомнений в ее успешности нет.
Что карты покажут
Существуют разные методы определения последовательности белков в ДНК. Один из наиболее простых и дешевых – ПЦР-тест, которым сейчас детектируют коронавирус. Самая массовая и отработанная технология – чиповые тесты (microarray), которые дают лишь частичную расшифровку; самые дорогие, на которые уходит почти месяц, – полная расшифровка ДНК. Например, ПЦР-тест определяет максимум 10 конкретных участков в геноме, а в наиболее массовых генетических тестах на микрочипах – около 700 тыс. Для потребительского теста этого более чем достаточно, потому что все интересные места, про которые науке известно и которые несут значимую информацию для пользователя, как раз укладываются в эти рамки.
Зависимость стоимости расшифровки ДНК от закона Мура. Падение стоимости полной расшифровки ДНК по сравнению с прогнозами закона Мура. Плато в 1000 долл., как утверждают специалисты, временное
С расшифровкой генома и возможностью его редактирования связывали большие надежды. Предполагалось, что мы прочитаем геном – и сразу увидим источники онкологических заболеваний, научимся лечить Альцгеймер, Паркинсон, нейродегенеративные заболевания и диабет. Словом, найдем причины всех болезней, починим дефективные гены – и все будут здоровыми, а может, даже бессмертными. Лет за десять после расшифровки генома эти надежды растаяли. Выяснилось, что за большинство болезней отвечают сотни, а то и тысячи фрагментов ДНК, причем каждый вносит невысокий и незначимый вклад. Использование мощных нейросетей позволяет разве что предсказывать с определенной точностью риск возникновения этих заболеваний – если, конечно, они помимо генетики не связаны с образом жизни, как, например, диабет. Хотя и эта информация полезна: зная о своей предрасположенности к диабету, можно простой диетой избежать большинства проблем.
Генетические лекарства
Многие сталкивались в последнее время в соцсетях с кампаниями по сбору средств на лекарства для больных детей по 2 млн евро за укол. Это как раз первые ласточки генетических препаратов. Специальный вирус, который нацелен на конкретного человека и модифицирует его ДНК, убирая дефектный участок при моногенных заболеваниях. Почему лекарство стоит 2 млн евро? Потому что туда заложена стоимость исследований и подготовки этого вируса.
Фармакогенетика
Тест, показавший, что у вас найдены генетические маркеры великих спортсменов, не гарантия олимпийских медалей. Вклад удачных генов оценивается процентов в пять. Остальное - чемпионский характер и железная воля
Как вырастить гения
В США ДНК-тесты сдали уже более 30 млн человек. Но главной их мотивацией было не собственное здоровье и даже не история предков. Хотя тесты на установление отцовства дают генетическим лабораториям постоянную загрузку.
Спустя десять лет после того, как президент Билл Клинтон объявил об успешном завершении работ над черновым вариантом секвенирования (расшифровки) генома человека, медики говорят, что их ожидания пока не оправдались.
Одним из свидетельств ограниченности медицинского применения геномной информации стала недавняя проверка точности предсказания сердечных заболеваний на основании генетических данных. Команда медиков под руководством сотрудницы бостонского Бригемского госпиталя Нины Пэйнтер зафиксировали 101 генетическую мутацию, относительно которых в различных исследованиях по сканированию генома была показана статистическая зависимость с возникновением заболеваний сердца. Но наблюдение 19 000 пациенток в течение 12 лет показало, что эти мутации нисколько не помогают предсказывать возникновение и развитие заболевания. Старомодный метод исследования семейной истории оказался более результативен.
Фармацевтическая промышленность вложила миллиарды долларов в разработку методов применения раскрытых геномных тайн, и сейчас к выходу на рынок готовятся несколько новых препаратов, созданных с учетом геномной информации. Однако по мере того как фармацевтические компании продолжают вкладывать в исследования генома огромные средства, становится понятным, что генетическая природа большинства заболеваний сложнее, чем предполагалось.
Последнее десятилетие ознаменовалось потоком открытий патогенных мутаций в геноме человека. Но в отношении большинства заболеваний применение этих открытий позволяет объяснить лишь небольшую часть случаев возникновения патологии.
В то время секвенирование всего генома каждого пациента представлялось слишком дорогим, поэтому Национальный институт здоровья с энтузиазмом воспринял идею, обещавшую более короткий путь к цели: секвенирование только тех мест генома, в которых у многих людей обнаруживаются вариабельные участки ДНК.
За этой идеей стояло теоретическое предположение, что одни и те же распространенные заболевания должны быть следствием также одинаковых и распространенных мутаций. Естественный отбор отсеивает мутации, вызывающие детские патологии, гласила теория, но бессилен против мутаций, возникающих позже в процессе жизни, поэтому последние становятся распространенными. В 2002 году Национальный институт здоровья запустил проект стоимостью $138 млн под названием HapMap, в рамках которого предполагалось составить каталог геномных мутаций, наиболее распространенных среди европейцев, африканцев и жителей Дальнего Востока.
Имея такой каталог, можно выявить мутации, чаще встречающиеся у людей, страдающих определенным заболеванием. В результате были выявлены статистические зависимости между сотнями распространенных генетических мутаций и различными заболеваниями. Но оказалось, что в отношении большинства заболеваний распространенные мутации позволяют объяснить лишь малую часть генетических рисков.
Сразу после инаугурации, в президентском кабинете Капитолия президент Байден подписал ряд указов, один из которых возвращает США в Парижское соглашение, что означает возвращение в клуб государств, уважающих науку. Кроме того, 15 января он предложил ученого генетика Эрика Лендера (Eric S. Lander) на пост директора Управления по политике в области науки и технологий и советника президента по науке (Director of Office of Science and Technology Policy (OSTP) and Presidential Science Advisor). Особенно важно то, что он решил придать этому посту статус министерского, то есть ввел советника по науке в состав кабинета.
Итак, едва приняв присягу и вступив в должность, президент США Джозеф Байден прямо в Капитолии подписал указ о возвращении страны к обязательствам в рамках Парижского соглашения по климату! Это означает возвращение в клуб цивилизованных стран, уважающих науку.
Кроме того, он ещё 15 января предложил ученого генетика Эрика Лендера (Eric S. Lander) на пост директора Управления по политике в области науки и технологий и советника президента по науке (Director of Office of Science and Technology Policy (OSTP) and Presidential Science Advisor). Особенно важно то, что он решил придать этому посту статус министерского, то есть ввел советника по науке в состав кабинета!
Мы помним маршалов Наполеона, екатерининских орлов и кабинет Джона Кеннеди, где ученые соседствовали с поэтами, — главное достоинство любого руководителя — это умение подбирать людей, команду, кадры. Помним и стыд за интеллектуальный уровень кабинета Трампа. К счастью, после четырех лет полного небрежения наука возвращается в кабинет президента!
Приглашение Лендера стало ожидаемым решением. Борьба с пандемией COVID-19 и восстановление страны после нее лежит в основе первоначальной стратегии Байдена, и специалист в области наук о жизни может иметь решающее значение для принятия обоснованных решений в этой области. Байден также интересовался у Лендера, чему пандемия может научить США в более широких вопросах общественного здравоохранения, спрашивал о потенциале научных открытий для решения проблемы изменения климата и достижения Америкой преимущества над такими конкурентами, как Китай.
Это назначение станет резким контрастом антинаучной политике администрации Трампа. Она не только не поддерживала науку, но и всячески пыталась урезать ассигнования на нее, не говоря уже об ослаблении требований в области экологических норм, о выходе из Парижского соглашения по климату, о попытках поддержать угольную индустрию и о пренебрежении научными данными. Да о чем еще говорить, если Трамп полтора года не назначал директора OSTP и не испытывал нужды в советнике по науке!
К тому времени уже множество людей покинуло администрацию, и привлечь в этот хаос приличного профессионала, обладателя известного в науке имени было непростой задачей. Да Трамп и не особенно спешил с этим, и лишь потому, что Калифорния тогда горела как никогда и нужен был какой-то громоотвод, он назначил в августе 2018 года советником по науке Кельвина Дрогемейера, профессора метеорологии из Университета Оклахомы, специалиста по экстремальной погоде, численному прогнозированию и интерпретации данных.
Да, Трамп известен своей нелюбовью к науке. За доказательствами ходить недалеко, стоит просто взглянуть на его требования к бюджетам в этой области. Так, в 2018 году он настаивал на сокращении ассигнований на Advanced Research Projects Agency-Energy сразу на 93%! ARPA-E — это правительственное агентство по продвижению и финансированию исследований и разработок передовых энергетических технологий. Создано по образцу известного DARPA, Агентства перспективных оборонных исследовательских проектов. По счастью, после вмешательства Конгресса ассигнования были не урезаны, а увеличены на 15%. Но в следующем году Трамп добивался уже их полного прекращения!
На 70% он требовал срезать расходы на Управление энергоэффективности и возобновляемой энергии (Office of Energy Efficiency and Renewable Energy), которую этот сторонник угля особенно не любит. Благодаря вмешательству Конгресса ассигнования были увеличены на 11%, но через год Трамп и здесь потребовал срезать финансирование на 70%.
А ведь в передовых странах благодаря последовательной политике правительств и, в частности, тому же Парижскому соглашению происходит быстрое изменение структуры энергетики. Так, в Германии, ведущей экономике Европы, доля электроэнергии из возобновляемых источников уже превысила вклад традиционных источников. Через год она намерена полностью отказаться от АЭС! При этом стоимость киловатт-часа в ней вдвое ниже, чем в дымящей угольной Польше.
Все годы своего правления Трамп пытался резать практически все статьи ассигнований, включая космическое агентство NASA и Управление науки, а ведь оно является главным федеральным агентством по финансированию и поддержке фундаментальных научных исследований в области энергетики и физических наук. В его бюджете на 2021 году Трамп настаивал на значительных сокращениях расходов на исследования в области термоядерного синтеза, в области биологии и окружающей среды, физики высоких энергий и ядерной физики. Всё это отражено на диаграммах в отчетах Американского института физики.
Но если Конгресс отстоял ассигнования на указанные цели, то критически важные сейчас CDC, Центры по контролю и профилактике заболеваний США (федеральное агентство министерства здравоохранения США), пострадали от его действий, их бюджет из года в год сокращался. Как оказалось, крайне несвоевременно. Мало того, в 2018 году в Совете национальной безопасности был упразднен комитет по борьбе с эпидемиями. Потому-то Америка и лидирует по инфицированности коронавирусом и по смертности от ковид. Дорого нынче экономить на науке!
Конечно, нет гарантий, что будущие администрации будут поддерживать статус советника президента по науке на столь высоком уровне. И всё же назначение Лендера является историческим и поможет стимулировать аналогичный выбор в будущем. Во всяком случае, оно ясно дает понять, что наука будет влиять на многие решения, по крайней мере, в течение следующих четырех лет. Хотя и дальние перспективы неплохи. Дело в том, что в этот раз у нас победили не мифические левые, которыми так любила пугать примитивная трамповская пропаганда, а новые! За которыми будущее.
— Можно ли считать, что человеческий геном полностью секвенирован и расшифрован? Секвенированы ли центромеры и теломеры, с прочтением которых были проблемы?
Я думаю, будет честно сказать, что последовательность нуклеотидов почти всего человеческого геном прочитана, но само прочтение последовательности этого генома — не самый проблемный этап в понимании человеческих заболеваний. Каждый раз, когда я говорю о человеческом геноме, я подчеркиваю, что секвенирование до сих пор не такая уж и простая задача, и это тоже важно принимать во внимание.
— Сейчас перед учеными стоит задача интерпретации всех полученных в ходе секвенирования результатов. Сколько времени может занять такая работа? Можно ли ожидать, что ее результаты будут использоваться на практике через 10-15 лет?
— Они применяются на практике каждый день. Каждый раз при обращении пациента с каким-либо генетическим заболеванием врач может секвенировать его ДНК, сравнить с контрольной последовательностью и выяснить, есть ли мутация в конкретном гене.
Если же задаваться вопросом, сколько времени понадобится для интерпретации человеческого генома… Мы не закончили интерпретацию всей информации, на это уйдут десятилетия, возможно, столетие, потому что последовательность человеческого генома — продукт трех миллиардов лет эволюции в целом и пяти миллионов лет эволюции человеческого вида в частности. Наконец, это продукт сотен тысяч лет приспосабливания, пока люди распространялись по всему земному шару. Сейчас работа ведется над пониманием того, как маленькие изменения в этой последовательности формируют общие для всех людей черты, как гены развиваются, как они включаются в нужный момент, а также каковы различия между людьми.
Итак, мы далеко продвинулись в секвенировании человеческого генома и многое уже объяснили, но все еще остаются секреты в том, как работают три миллиарда букв ДНК, и их ежегодный поиск подобен охоте за сокровищами. Эта информация скрыта от нас биологией и эволюцией, и каждое поколение студентов находит новые сюрпризы.
— Как вы относитесь к экспериментам по синтетической биологии? Этично ли внедрять гены человека в ДНК других видов (мышей, одноклеточных)?
— Я думаю, очень важно уметь понимать биологию, осознавать, что мы можем одновременно и анализировать ДНК, и изменять ее. Я не могу понять, как работает то, о чем я не знаю, не знаю, как что-то устроено, если не могу построить это сам. Множество областей сочетают аналитические и синтетические компоненты. У нас есть аналитическая биология: ученые могут взять сложную систему, посмотреть, как удивительно она работает, как работает регуляция генов, постараться понять, как это существует в природе. После этого мы можем попытаться создать синтетический регулятор, который включал бы ген в определенном направлении.
Можно наблюдать за полетом самолета и сказать после этого: я думаю, что понимаю, как это происходит. Когда вы после этого пытаетесь построить самолет, вы обнаруживаете, что он не летает, что вы упустили что-то.
Поэтому синтетическое — естественный спутник аналитического. Вернемся к вашему вопросу. Вы спрашиваете, что я думаю по поводу синтетической биологии. Мы умеем синтезировать гены и вставлять в организмы, чтобы понять, как они работают.
Читайте также: