Все больше людей занимаются молекулярной биологией, не выходя из дома. И именно они претендуют на роль героев новой научной революции
Нажмите для увеличения
Сколько стоит оборудовать домашнюю биохимическую лабораторию
1 Микроскоп — делается из веб-камеры, в которой перевернута линза, — 400 рублей
2 Центрифуга — электродрель с насадкой, которую можно заказать в интернет-магазине ( model/77306/) — 1200 рублей
3 37-градусный инкубатор для выращивания бактерий в колбе — ваша собственная подмышка (использовать по аналогии с градусником) — бесплатно. Либо можно изготовить инкубатор с регулируемой температурой самостоятельно из аквариума, микровентилятора, термометра и нескольких лампочек (из них вы выберете ту, которая обеспечивает количество тепла, необходимое для нужной температуры) — 10 000 рублей
4 Автоклав для стерилизации инструментов — старая алюминиевая кухонная пароварка — 1000 рублей
5 Амплификатор — заказать на openpcr. org — 599 долларов. Либо — изготовить самостоятельно из электри ческой лампочки, ком пьютерного вентилятора и вычислительной платформы Arduino — 50 долларов (citizensciencequarterly. com/2011/04/10/the-lightbulbpcr-machine/ )
6 Реактивы для выделения ДНК на амплификаторе — 99 долларов за четыре реакции (заказать на openpcr.org)
7 Приложения для проведения и анализа генетических тестов — бесплатно (скачать с ) 8 Вытяжной шкаф — можно использовать обыкновенную вытяжку, но лучше и безопаснее посоветоваться с профессиональным биологом
Это начиналось с шутки. Четыре года назад житель Манхэттена Марк Штёкле одним воскресным днем наблюдал, как его 19-летняя дочь Кейт жадно поглощает суши с лососем, обильно смазанные васаби. В суши дочь разбиралась не хуже, чем он, биолог из Рокфеллеровского университета и орнитолог — в птицах. В тот день он рассказывал Кейт о том, что разные виды птиц можно различить всего по одному гену — гену дыхательного фермента. Структура этого гена у каждого вида уникальна, поэтому она может служить опознавательным знаком, который отличает конкретный вид животных от любого другого. Кейт, лениво жуя, спросила, сможет ли отец, если он такой умный, по одному гену отличить роллы с макрелью от роллов с угрем.
Уже через неделю Кейт с подружками вместо уроков биологии ходили по японским ресторанам, заказывали суши и собирали образцы: это было их совместное с Рокфеллеровским университетом полевое исследование. Полоски мяса в маленьких пластиковых колбах в фирменной упаковке экспресс-почты DHL — в таком виде образцы рыбы встречал студент Юджин Вонг в канадском Гуэльфе. В лаборатории он выделял из них ДНК и отрезал фрагмент, кодирующий дыхательный фермент, — ту самую «этикетку», по которой можно опознать вид рыбы.
Выяснилось, что четверть образцов не соответствует названиям. То, что продавалось как деликатесное мясо длинноперого белого тунца, альбакора, оказалось обычной искусственно выращенной тилапией, а икра летучей рыбы заменялась икрой корюшки. Все самозванцы в действительности стоят в несколько раз дешевле сортов, за которые их выдавали.
Неожиданно для себя Кейт стала автором самого шумного за долгие годы потребительского разоблачения: результаты ее исследования публиковала The New York Times и цитировал Time, а некоторые СМИ, например The Boston Globe, и сами провели подобные расследования, подтвердив выводы школьницы. Кейт не стала разглашать в прессе названия ресторанов, торговавших фальшивками, но добилась большего: спустя два года американское Управление по продовольствию и лекарствам ввело обязательное генетическое «штрихкодирование» морепродуктов. Теперь все поставщики рыбы обязаны проводить ДНК-тестирование своего товара и включать результаты в сопроводительные документы — несоответствие карается законом.
После этого «суши-гейта» многие комментаторы — от коллег Марка Штёкле по Рокфеллеровскому университету до журналистов The New York Times — заговорили о возвращении «гражданской» науки, а ее представителей стали сравнивать с людьми Возрождения — Рене Декартом и Блезом Паскалем, которые интересовались всем — от устройства мышления до небесной механики. С тех времен науки и технологии шагнули слишком далеко в сторону узкой специализации, и непрофессионалу осталось лишь следить за ними по научно-популярной литературе. Такие, как Кейт и ее отец, показывают, что в науке начался новый ренессанс — эпоха возрождения независимых любительских исследований.
Молекулярно-биологические технологии дешевеют быстрее, чем растет вычислительная мощность процессоров, а научные тексты все чаще выкладываются в свободный доступ. И если до сих пор направление научных поисков задавала академическая среда, правительства и корпорации, то теперь все больше ученых уходят из-под контроля институтов и работают в режиме свободных художников. Но здесь возникает вопрос: зачем исследователям такая свобода и, получив ее, куда они направят свое любопытство?
1. Чтобы проверить купленный в супермаркете стейк из лосося на соответствие этикетке, нужно выделить из этого куска рыбьей мышцы ее ДНК...
2. ...Для этого измельчите кусок рыбы в блендере до состояния жидкой массы...
3. ...Пропустите полученную массу через плотный фильтр (вроде кофейного), чтобы отделить от жидкости неразмолотые куски
4. Налейте в пробирку с полученной жидкостью изопропиловый спирт. Но не спешите смешивать — вливайте спирт аккуратно, по стенке. Так, чтобы он оставался на поверхности и в него проникали лишь легчайшие частицы исследуемой лососиной массы
5. Чайной ложкой соберите спирт с поверхности в отдельную емкость. Из нее с помощью пипетки можно отбирать лососиную ДНК — в получившемся растворе ее должно оказаться более чем достаточно для анализа
Кальмары в гараже
Показательный пример активиста от гражданской науки — ирландец Кэтал Гарви. Ему 26, и еще пару лет назад он, отучившись генетике в Университетском колледже Корка, писал кандидатскую и работал в центре по исследованию рака. Каждый день уходя с работы, он оставлял один свой белый халат в шкафу, а вечерами в гараже загородного дома родителей надевал другой. Здесь у него стоял холодильник и полка с бутылочками биохимических препаратов: своя собственная мини-лаборатория, больше похожая на набор юного химика. Но однажды домашняя работа пошла дальше приготовления питательных сред и смешивания реактивов: биохимик прознал, что кальмар умеет мимикрировать под окружающую среду из-за того, что на его коже живут светящиеся бактерии. Гарви купил на рыбном базаре кальмаров, дома из образцов их тканей выделил культуру флуоресцентных бактерий, а затем смог подобрать для них питательную среду так, что вскоре у него уже несколько чашек Петри светились в темноте. Этого оказалось достаточно, чтобы Гарви решил пуститься в свободное плавание.
Гарви ушел из ракового центра, накопленные 4000 евро вложил в оборудование и в июле 2011-го за 325 долла1 ров купил государственную лицензию на создание генетически модифицированных микроорганизмов, чем и занялся в родительском гараже. Инспекторы проверили его домашнюю лабораторию и отнесли ее к первому классу безопасности — разрешили выращивать бактерии, представляющие «незначительный риск для общества и окружающей среды». И уже через пару недель он выделил и пересадил другим бактериям ген, ответственный за свечение.
Тот день, когда он достал свой микроскоп, вручную собранный из перевернутой линзы веб-камеры, подсоединил его к ноутбуку, вывел на экран картинку и увидел, что культура прежде скучно-прозрачных бактерий издает в темноте голубое свечение, он называет самым счастливым в жизни. Свою задачу он видит в том, чтобы служить примером для других. «Зачем мне тратить несколько лет на то, чтобы после моего имени писали три буквы (PhD, доктор философии. — Р.Ч.), если я уже сейчас могу делать что-то важное, — говорит Гарви. — Моя миссия — дать людям понять, что менять геном бактерии — это больше не что-то из области фантастики ».
Гарви напоминает, как закрытую до того область компьютерных исследований «взорвали» люди, не подвизавшиеся на больших государственных проектах. Один из главных компьютерных изобретателей, Стив Джобс, в 1970-е начинал с того, что в гараже собирал системные блоки, а основатель Microsoft Билл Гейтс написал под себя программу для школьного компьютера — чтобы чаще встречаться с девочками. Десятилетием позже они совершили переворот в производстве персональных компьютеров, которые стали доступны каждому. Гарви говорит, что он такой же любитель, но работает уже не с программными, а с генетическими кодами. И гордо заявляет, что бьется на баррикадах новой научной революции.
Открытая наука
Насчет любителя Гарви лукавит — все же гражданами учеными становятся такие как он — выпускники или студенты профильных вузов и бывшие сотрудники биомедицинских компаний. Они называют себя биохакерами и по всему миру объединяются в независимые лаборатории . Помещением может служить все что угодно — старый тренажерный зал, чей-то загородный дом или арендованный офис. Например, лаборатория BioCurious в городке Саннивейл, Калифорния. Это заставленный рабочими столами с разнообразными приборами офис в 200 м2 на втором этаже здания, первый этаж которого занимают прачечная и китайская закусочная.
Главный вдохновитель проекта, бывший финансист Эри Джентри, свое детище называет не иначе как откровением в мире науки, монополизированной корпорациями. Это открытая для всех любопытствующих опытная лаборатория, работающая по принципу пространства «коллективного пользования» — она укомплектована самодельными приборами, списанными из университетских запасов центрифугами, автоклавами, спектрофотометрами и реактивами, купленными по дешевке на интернет-аукционе eBay.
Кстати, Гарви тоже разработал собственный «самиздатовский» прибор для экстракции ДНК из культур клеток. В графическом редакторе он нарисовал насадку на обычную строительную электродрель, распечатал насадку с помощью 3D-принтера, вставил в нее пипетки с клеточной культурой, прикрепил все к дрели и получил прибор, который можно использовать для выделения ДНК вместо лабораторной миницентрифуги, экономя на покупке последней от 3000 до 5000 долларов. Эту насадку —DremelFuge — сегодня любой может распечатать себе на shapeways.com за 40 долларов.
Но выделение ДНК из клетки — лишь первый и наименее замысловатый этап в генетическом эксперименте: для того чтобы начать работу с генетическим материалом, нужно выделить специальными ферментами-праймерами и миллионы раз копировать нужный фрагмент цепочки нуклеотидов. За изобретение технологии распознавания генов Кэри Муллис в 1993 году получил Нобелевскую премию. До него считалось, что эта процедура — полимеразная цепная реакция — невоспроизводима вне лаборатории: ведь в ходе эксперимента биоматериал циклически нагревают и охлаждают в амплификаторе — приборе, внешне похожем на офисную копировальную машину, но стоящем десяток тысяч долларов. Так и было, пока бывший программист Джош Перфетто в спальне своего дома в калифорнийской Саратоге не собрал амплификатор из фанеры, трубок ПВХ, компьютерного блока питания, вентилятора, электрической лампочки, мини-термостата и простейшей печатной платы. Цель была как раз такая — радикально снизить стоимость прибора, чтобы он стал доступен как можно большему числу желающих. Когда он описывал свой план на ресурсе kickstarter.com, на разработку прибора он думал привлечь от сочувствующих 6000 долларов за полтора месяца. Выяснилось, что идея бродила в умах многих: заявленную сумму он собрал за 10 дней, а за остальное время — еще столько же. В итоге Джош наладил конвейерную сборку, и его фанерные амплификаторы за какие-то шесть сотен долларов за штуку разъезжаются по пяти континентам. Лаборатория вроде BioCurious в Саннивейле (в качестве примера можно выбрать любую — BiologiGaragen в Копенгагене, Biopolis в Сингапуре или MadLab в Манчестере — их уже сотни по всему миру) — это ожившая социальная сеть по интересам: сюда за несущественный ежемесячный взнос каждый может регулярно приходить за общением и для проведения опытов, чтобы не тратить время и средства на покупку или разработку собственных приборов. Главное свойство любого эксперимента — тотальная открытость: все реагенты покупаются и используются только в соответствии с лицензиями, каждый эксперимент обсуждается публично и весь его ход освещается в сети. Здесь действует тот же принцип, что и в компьютерных программах «открытого кода», которые каждый пользователь может дописывать сам. О том, какие эксперименты проводят биохакеры, можно составить впечатление по общению на специальных форумах, крупнейший из которых DIYbio.org имеет уже больше 3000 подписчиков. Некоторые дискуссии похожи, скорее, на диалоги кулинаров или напоминают клуб юннатов.
|
Результаты гражданских ученых пока, как говорит Кэтал Гарви, на уровне второго курса биомедицинского факультета. Сам он, к примеру, работает над созданием набора, с помощью которого самостоятельные исследователи могли бы менять геном живых существ. Для экспериментов он выбрал безвредную почвенную бактерию. На компьютере составил последовательность из 3200 нуклеотидов. За 1300 долларов заказал частной лаборатории в Техасе вырастить плазмиду, то есть синтетическую молекулу ДНК, с этой последовательностью. Если такую плазмиду «скормить» бактерии с белками питательного раствора, она проглотит ее и встроит в собственный генетический аппарат. По теории Кэтала Гарви, чтобы наделить бактерию новыми способностями — светиться в темноте или вырабатывать топливо, — необходимо просто добавить нужный ген в плазмиду, и уже та доставит его в бактерию.
Кори Тобин из лос-анжелесской группировки биохакеров занимается синтетической биологией, пытаясь выделить из ДНК бактерий-экстремофилов ген, ответственный за переработку водорода в аммиак — основу для дорогостоящих удобрений и потенциальный источник энергии. У Тобина готова задумка для биотехнологического стартапа: когда ген будет выделен, его смогут переносить в геном растений и затем выращивать их, синтезируя аммиак в промышленных количествах.
Мелани Суон из DIYgenomics запустила приложение для смартфонов, позволяющее пользователю вводить результаты своего генного анализа во всемирную базу данных и совместно с другими, при условии совпадения нужных генов, объединяться для проведения клинических тестов.
А Грегори Гейдж из Backyard Brains, задавшись целью сделать нейрофизиологию более наглядной, собрал настольный прибор, позволяющий любому ребенку измерять электрическую активность нейронов в ножке таракана и визуализировать результаты прямо в процессе на экран iPad. Вот уже год он ездит по школам со своим просветительским шоу — переводит треки Beastie Boys в электрические сигналы и, подводя электрод к ножке насекомого, рассказывает детям, почему она сокращается в такт. Эти простые эксперименты, очень похожие на те, которые еще в XIX веке проводил Иван Сеченов, называя их «опытами с живым электричеством», оказались самым востребованным научным аттракционом в американских школах в 2011 году. Такие школьные занятия — это, наверное, пока самое важное достижение ученых-любителей: они с помощью своего оборудования перевели сложные формулировки учебников на понятный язык конкретных примеров, позволили потрогать научные тезисы.
Американский генетик Джордж Чёрч, тот самый, что разработал и запустил в 2005 году проект по расшифровке человеческого генома, уверен, что следующее большое открытие в молекулярной биологии будет за ученым-хакером. «Снижая порог доступа в фундаментальную науку, любители повышают вероятность того, что будут найдены новые данные, на основе которых легко будет преодолеть старые проблемы медицины. Биохакеры, например, работают над созданием открытых генбанков. Представляете, они найдут семью, в геноме членов которой есть предрасположенность к болезни Хантингтона, но при этом даже старшие родственники в этой семье вполне здоровы. Что у них такого в геноме, что блокирует развитие негативных признаков? Может быть, это «что-то» можно использовать, чтобы лечить других?» Конечно, это теоретические рассуждения, поскольку такие случаи не известны науке. Хорея Хантингтона — тяжелая наследственная болезнь нервной системы, которая носит доминантный характер. Считается, что если человек унаследовал генетическую предрасположенность к болезни, то рано или поздно она точно проявится.
В своем новом проекте LS9 Чёрч также работает над проблемой поиска возобновляемых источников энергии и не скрывает, что среди молодых стартаперов присматривает будущих единомышленников. Но Деклан Соуден, заведующий лабораторией в раковом центре Корка, под началом которого аспирантом трудился Кэтал Гарви, ехидно улыбаясь, выражает общее сомнение остальной части научного мира: «Гарви покинул учреждение, где годовой бюджет только нашей лаборатории превышает три миллиона долларов, чтобы заниматься пересадкой генов от одной бактерии другой. В этом достаточно много авантюризма. Но прежде чем пожелать ему удачи, я хочу поинтересоваться — кто гарантирует мне, что он не синтезирует у себя в гараже что-то вроде спор сибирской язвы?»
В 2004-м команда ФБР в костюмах химзащиты ворвалась в дом профессора искусств университета Буфалло Стива Курца. Поводом для визита оказались его инсталляции для Массачусетского музея современного искусства — в них фигурировали чашки Петри с культурами генетически модифицированных растений. Профессора выпустили после 22 часов допроса, но полностью от всех обвинений в угрозах общественной безопасности ему удалось избавиться только через пять лет. После того случая спецслужбы стараются контролировать безопасность гражданской науки — посещая конференции и договариваясь с наиболее активными деятелями о том, что они будут сообщать обо всех подозрительных проектах.
Грегори Гейдж
Последним из «подозрительных» в августе 2011 года стал эксперимент шведа Ричарда Хэндла, который попытался у себя дома провести ядерную реакцию, используя только инструкции из сети и общедоступные материалы. Оказывается, на стрелки часов раньше наносили радий, чтобы они могли светиться в темноте, в детекторах дыма электрическое поле создает америций (если внутрь датчика проникает дым, поле ослабевает и срабатывает сигнал), а бериллий можно заказать и получить по почте в чистом виде. Обо всех своих приобретениях Хэндл написал в Шведское агентство радиационной безопасности, которое, обеспокоившись, вызвало домой к ученому полицию. После осмотра дома со счетчиками Гейгера и допроса, полицейские взяли с Хэндла подписку о том, что впредь он ограничится теорией. Чиновники радиационного агентства потом объяснили, что, конечно, Хэндл не представлял угрозы ни для кого, кроме себя самого. После таких случаев хакеры шутят, что теперь на их конференциях представителей спецслужб в штатском больше, чем самих ученых. Выходит, при всей их заявленной свободе, гражданские ученые все же находятся под бдительным контролем. Чем больше научных инструментов будет оказываться в открытом доступе, привлекая новых энтузиастов, тем более внимательным будет этот контроль.
И неосторожные проекты вроде заранее обреченной на неудачу ядерной реакции Ричарда Хэндла лишь увеличивают риск того, что государства захотят максимально сузить поле деятельности для неформальной науки. Поэтому обычно все единомышленники Гарви на Западе согласовывают свои эксперименты еще на этапе подготовки. Так, за отношения с производителями ГМО (генетически модифицированных организмов) отвечают национальные агентства по охране окружающей среды (в России подобного органа пока не существует). А продукты, созданные на основе этих экспериментов, — это сфера регулирования органов потребительского профиля, вроде американского Управления по продовольствию и лекарствам.
Впрочем, сегодня флуоресцентные бактерии и разоблаченные суши-роллы — это пик хакерского прогресса. Революции в науке не произошло, и любительские лаборатории выполняют, скорее, рекламную функцию — привлекают новых любопытных, наглядно демонстрируя возможности современной науки. Но пока не трансформировавшееся в качество само количество биохакерских предприятий однозначно говорит о том, что общество преодолело в себе смущение перед наукой. Люди, в свободное от работы над диссертацией время пересаживающие ДНК бактерий, словно таким образом выражают свою готовность брать на себя новые обязательства.
И дело здесь не только в любопытстве и тяге к свободному творчеству. За вышедшими из-под контроля системы учеными тянутся сотни тысяч людей, которые ежегодно помогают орнитологам отмечать время появления разных видов птиц в своих регионах, а фенологам — время начала цветения сирени или сакуры. Поняв, что наука это не обязательно нечто далекое и скрытое за стенами институтов, миллионы людей скачивают программы-клиенты для распределенных вычислений, чтобы создать единую базу данных о сходстве белков или помочь в поиске простых чисел специального вида. Всеобщее ответственное внимание к устройству нашей и вашей жизни стало для этих людей нормальной идеологией. И наука — средство ее проведения в жизнь.
Иллюстрации Ирина Андрющенко
