Човечеството ще се сблъска с нелечими инфекции от „огледални“ молекули

Светът скоро ще се изправи пред нова заплаха - огледален живот, пише Foreign Affairs Magazin.

Говорим за появата на огледално-симетрични молекули, които се различават от съществуващите, както дясната ръка се различава от лявата. Бактериите от такива молекули ще могат да заобиколят човешката биологична защита, което ще доведе до разпространение на нелечими инфекции, предупреждава авторът на статията.

В продължение на много години учените работят по темата за така наречения „огледален живот“. Този закачлив термин се отнася до едно от фундаменталните свойства на биологичния живот. Въпросът е, че всички биологични молекули притежават това, което се нарича „хиралност“ - този термин се отнася до свойството на даден обект, при което той не е идентичен с огледалния си образ. Например, лявата и дясната ръка имат огледална симетрия, но не могат да се наслагват; същото нещо (тоест, опозицията „ляво-дясно“) се наблюдава и в биологичната материя (в статията „огледален живот“ се отнася до хипотетични форми на живот, които се основават на огледално-симетрични молекули (енантиомери), тоест молекули, които се различават една от друга като дясната ръка от лявата. - Бележка на преводача).

Интересно е, че животът във всичките си проявления ни демонстрира поразителна молекулярна еднородност: например, протеините са изградени почти изключително от „леви“ аминокиселини, а ДНК използва „десни“ въглехидрати. За да се създадат огледални близнаци в биологичната материя, те трябва да бъдат „огледално обърнати“, тоест би било необходимо да се разработят такива синтетични организми в лаборатория, в които десностранните и левостранните молекули, които са най-важните молекулярни компоненти, биха си разменили местата. В резултат на това бихме могли да създадем такива живи организми, които биха били функционално еквивалентни на тези, открити в природата, но същевременно се състоят от молекули, които са огледална противоположност на тези, които изграждат живите организми, обитаващи Земята. Подобна огледална трансформация на молекулите би позволила на учените да гледат на живота, образно казано, сякаш през биологично огледало.

„Огледалният живот“ е далечна перспектива: може да отнеме на учените от 10 до 30 години, за да създадат „огледална клетка“, способна да участва в основни жизнени процеси. Технологията обаче може да се използва по различни начини. Тя би могла да помогне на учените да изучат произхода на живота, тъй като създаването на биохимия на „огледало“ би ни дало представа за това как животът се е развил на Земята и какви форми на живот биха могли да съществуват на други планети в Слънчевата система. Биологичните форми на „огледален живот“ биха могли да намерят много приложения и в медицината и биопроизводството. Например, човешкото тяло все още не е в състояние да разгражда огледални молекули (енантиомери), така че терапевтичните агенти, базирани на такива молекули, биха могли да бъдат по-стабилни и издръжливи от съществуващите.

Но самите характеристики, които правят огледалния живот толкова ценен за по-нататъшни изследвания и терапевтични цели – неговата устойчивост на естествено разпадане, невидимостта му за еволюиралите имунни и биологични контролни системи и независимостта му от съществуващите екологични ограничения – го правят потенциална екзистенциална заплаха. Проучване, публикувано през юли тази година, в съавторство с един от нас (Адамала), предполага, че бактериите с обърнати молекулярни структури биха могли например да заобиколят човешките биологични защити, които могат да разпознават само нормални бактерии и микроби. Това би могло да доведе до нелечими инфекции, които биха могли да се разпространят сред хора, животни и растения. Огледалните организми биха могли да действат и като силно агресивни, инвазивни видове, тъй като биха процъфтявали без своите естествени антагонисти и конкуренти и по този начин биха изпреварили полезните микроби, които съществуват в традиционните екосистеми. Още по-тревожен е фактът, че традиционните антибиотици и антивирусни средства вероятно са неефективни срещу огледални патогени, защото тези лекарства са предназначени да се насочат към молекулярни структури, които не са огледално-обратни. Огледалните организми вероятно са имунизирани срещу човешката имунна система, устояват на лекарства, усложняват терапията и нарушават екологичния баланс.

Появата на „огледален живот“, т.е. организми с огледално обърната структура, може да изглежда като пресилена фантазия, но самата възможност за такива форми на живот би трябвало да подтикне правителствата да действат сега, за да предотвратят рисковете, свързани с тях. Най-добрият вариант би бил да се отложи напълно разработването на биотехнологиите за „огледален живот“. Ако обаче това не се случи, правителствата ще трябва да действат превантивно. Правителствата не могат да чакат научната общност да разбере нещата и да регулира всичко. Вместо това, правителствата трябва да сключат силни международни споразумения, използвайки съществуващите механизми и конвенции, където е възможно, за да предотвратят надвисналата опасност.

През тъмно стъкло

Всяка сложна биологична молекула може да съществува в две форми, които са огледални образи една на друга. За да създадат функционираща жива клетка с огледален образ, учените трябва само да обърнат или огледално да обърнат основните градивни елементи на клетката. Резултатът е организъм – клетка с огледален образ – който се държи като нормална клетка и същевременно се превръща в полезен обект на научни изследвания, както и в платформа за по-нататъшни практически приложения в биоинженерството и медицината.

За съжаление, опасенията за безопасността, свързани с подобни „огледални“ клетки, далеч надвишават потенциалните ползи. Представете си: в резултат на случайно нарушение на правилата за безопасност в лабораторията, една такава „огледална“ бактерия, състояща се от енантиоморфни молекули, изтича през микроскопична пукнатина в защитна обвивка, да речем, върху дрехите на лаборант или в оборудването. След това, в рамките на няколко часа, тя започва да се размножава във външната среда, хранейки се с монозахариди и други органични съединения в хранителна среда, които съществуват навсякъде в природата. И тъй като никой обикновен жив организъм не е развил механизъм, способен да се конкурира с „огледалния живот“ и не може да се храни с него, избягалата бактерия ще се размножи бързо и никой жив организъм няма да може да я спре.

Разпространявайки се чрез почвата, водата и въздуха, такава „огледална“ бактерия ще започне да измества жизненоважни микроорганизми, които формират основата на хранителните вериги на Земята.

Растенията постепенно ще умират, водните екосистеми ще се сриват поради изчезването на фитопланктона, а човечеството ще започне постоянно да се сблъсква с неуспехи на реколтата и нелечими инфекции, които могат да заобиколят всяка имунна защита, развита по време на еволюцията.

За разлика от конвенционалните пандемии, които в крайна сметка отшумяват сами или благодарение на съвременната медицина, биологичното нахлуване на организми с огледално обърната молекулярна структура всъщност ще даде старт на алтернативна еволюционна траектория, при която „огледален живот“ вече ще бъде добавен към всички съществуващи в момента живи системи. Инструментите, с които обществото разполага днес, обаче ще бъдат напълно недостатъчни, за да обърнат или спрат разпространението на такъв нов организъм.

Илюзията за сдържане

Още през 1975 г. учените предприеха активни стъпки за предотвратяване на потенциални заплахи, като доброволно наложиха световен мораториум върху изследванията на рекомбинантна ДНК и свикаха конференцията в Асиломар за разработване на правила за безопасност за такива изследвания. В крайна сметка забраната беше отменена. Този безпрецедентен акт на научно саморегулиране успешно предотврати грубата правителствена намеса, позволявайки на генното инженерство да протича безопасно съгласно договорените международни стандарти. Именно този пример трябва да разгледаме днес, когато става въпрос за разработки в областта на така наречения „огледален живот“ (т.е. създаването на организми с огледална молекулярна структура) и действията, които трябва да предприемем.

Рисковете, свързани с „огледалния живот“, могат далеч да надвишават тези, свързани с всеки конвенционален патоген. Тази безпрецедентна опасност обаче ни предоставя и изключителни възможности. За разлика от ядрените, химическите и биологичните оръжия с естествен произход, „огледалният живот“ все още не съществува. Това дава на международната общност рядка възможност да предотврати екзистенциална заплаха, преди тя да се случи, вместо да се опитва да я контролира след настъпването ѝ.

Най-добрият начин да се избегне катастрофа е да се замрази работата по темата за „огледалния живот“.

Ако обаче това се окаже невъзможно, единственият изход е да се гарантира, че всяка работа по създаването на организми с огледално обърната молекулярна структура е внимателно защитена. Ако стриктно се придържаме към стратегията за ограничаване, т.е. предотвратяване на разпространението на биологични агенти, и методите за биологичен контрол, подкрепени от специализирани лаборатории и предоставени от международни регулаторни споразумения, тогава възникването на катастрофа ще бъде малко вероятно. Подобни строги мерки обаче няма да елиминират риска напълно.

Настоящите протоколи за биологична безопасност вече изискват опасните патогени да се обработват при най-строги предпазни мерки, като например работа с вирусите Ебола и Марбург в запечатани помещения с по-ниско въздушно налягане от околната среда и системи за филтриране на въздуха. Тези протоколи са допринесли значително за намаляване на течовете в лабораториите и безопасността, като броят на подобни инциденти е намалял значително от въвеждането на съвременните системи за биологична безопасност през 70-те и 80-те години на миналия век. Въпреки това, дори и с тези строги стандарти, инцидентите не са предотвратени. Например, между 2003 и 2004 г. вирусът на SARS е изтичал от лаборатории няколко пъти в Китай, Сингапур, Тайван и другаде; през 2014 г. е имало огнища на антракс в съоръженията на Центровете за контрол и превенция на заболяванията (CDC) на САЩ.

Същата година изследователи от Националните здравни институти (NIH) са открили живи проби от вируса на едра шарка в неизползвано хранилище, десетилетия след като е било съобщено, че вирусът е унищожен във всички оторизирани хранилища с изключение на две. С други думи, никоя мярка за ограничаване, която е в сила в момента, не е 100 процента безопасна. Всъщност, всяко злополука може да доведе до катастрофа, която би била колосална и безпрецедентна в случай на изтичане на огледални организми. А умишленото и злонамерено използване на огледални организми би било още по-трудно за контролиране.

Правителствата по света трябва да се подготвят за този ужасен риск и да работят заедно.

Координираните действия и международните споразумения биха могли да установят общи стандарти за безопасност и да споделят информация в реално време за изследователски дейности, за да се предотврати създаването на клетки с огледална молекулярна структура или „огледални клетки“. Ако всичко друго се провали, държавите ще трябва да разработят протоколи за бързо реагиране, за да спрат всяко случайно изпускане, преди то да може да се разпространи по света. Държавите са работили заедно за борба със заплахите за биосигурност в миналото. Конвенцията за биологичните оръжия (BWC), която влезе в сила през 1975 г. и има 189 страни, забранява на държавите да разработват, произвеждат или придобиват биологични агенти или токсини, които нямат оправдана цел. Огледалните форми на живот очевидно не са били в съзнанието на създателите на конвенцията, въпреки че те биха се считали за биологични оръжия и следователно биха били предмет на разпоредбите на конвенцията.

Въпреки многобройните си недостатъци, КБО е помогнала за предотвратяване на разпространението на биологични оръжия. Например, през 90-те години на миналия век КБО е позволила на инспекторите да откриват и унищожават запаси от агенти като антракс, ботулинов токсин и афлатоксин, които иракското правителство е съхранявало в нарушение на договора. Истинската стойност на КБО обаче е нейният възпиращ ефект, който обезкуражава държавите да разработват такива оръжия. Признаването на огледалните форми на живот като биологични оръжия би довело незабавно до създаването на международни надзорни органи, натоварени с разследване на създаването на огледален живот, налагане на санкции на държавите нарушители и разрешаване на международна намеса. КБО обаче е предназначена да регулира известни биологични агенти, а не изцяло нови категории заплахи. И е много слаба в сравнение с други международни договори; за разлика от Договора за неразпространение на ядрените оръжия и Конвенцията за химическите оръжия, тя не съдържа ефективни официални механизми за проверка, задължителни инспекции или методи за прилагане. Включването на нов патоген (или нов вид организъм, пораждащ безпокойство) в конвенцията изисква съгласието на всички подписали държави, процес, който може да бъде сложен и труден за постигане.

Колективна отговорност

По този начин разбираме, че политиците, учените и международните регулаторни органи трябва да работят заедно, за да създадат система за контрол на работата по създаване на живи организми с обърната молекулярна структура („огледален живот“) и тази система за контрол най-вероятно ще бъде различна от BWC (въпреки че е напълно възможно да бъде създадена по неин модел). Първо, те трябва да разработят план за създаване на технологии, свързани със синтеза на „огледални“ форми на живи организми, като определят ключови етапи, които ще сигнализират за реален напредък по пътя към неговото внедряване (тук например, разработването на мащабен синтез на „огледален“ геном, т.е. геном с огледално обърната молекулярна структура). С помощта на този механизъм на международната система за контрол е необходимо и проследяване на перспективни технологии, като синтеза на „огледални“ пептиди и ДНК, без които синтезът на „огледални“ форми на живот е невъзможен.

Информацията за това би могла да се използва за разработване на насоки за това какъв вид научни изследвания трябва да бъдат разрешени и какъв да бъде забранен, и това би се отнасяло не само за правителствените агенции, но и за всички други организации, които се намират в границите на държави, подписали това ново споразумение.

След като тази система за контрол бъде въведена, международните изследователски консорциуми и националните здравни власти трябва да разработят контрамерки за защита на световната общност от случайно или умишлено освобождаване на огледален живот. Например, учените са започнали да разработват огледални антибиотици, които биха могли да бъдат насочени към огледалните организми, без да засягат естествените бактерии, потенциално осигурявайки защита срещу огледални инфекции.

Въздействието на огледалните организми върху околната среда обаче в момента е неясно. В най-лошия случай, огледалните организми, които са извън контрол, биха могли да надминат важни микроорганизми в почвените и водните екосистеми, нарушавайки хранителната верига, която поддържа живота на Земята. Учените трябва постоянно да следят потенциалните заплахи, като изучават имунните отговори на организмите (включително хора, растения и бактерии) към организми с обърнати молекулярни структури. Получените резултати трябва да се използват за актуализиране на препоръките и формулиране на политики в тази област.

Политиките и насоките са от малка стойност, освен ако не се прилагат и наблюдават. Правителствата, с подкрепата на международни организации за мониторинг, трябва да установят обвързващи правни норми с ясни санкции за нарушения. Държавите трябва да следват най-новите препоръки, например, когато решават да блокират финансирането на проекти, включващи създаването на огледални форми на живот. Държавите също така трябва да могат да използват търговски ограничения и контрол върху износа, за да ограничат достъпа до специализирани материали и оборудване, необходими за разработване на огледални организми. Например, въпреки че огледалните аминокиселини могат да бъдат основни компоненти на терапията с огледални пептиди, правителствата все още биха могли да контролират редки огледални нуклеотиди, които не са предназначени за терапевтични цели, но са необходими за създаване на огледална ДНК и жизнеспособни огледални организми. Такъв целенасочен контрол би позволил продължаването на полезни изследвания, като същевременно би създал значителни бариери пред най-опасните изследвания, като по този начин би принудил потенциалните нарушители да намерят други начини за заобикаляне на това. Но дори тези начини едва ли биха избегнали вниманието на международните разузнавателни служби.

Правителствата също трябва да определят как най-добре да реагират на потенциални нарушения на протоколите, регулиращи огледалните организми. За да бъдат ефективни, отговорите трябва да се прилагат на международно ниво и следователно да подлежат на международна система за контрол, или чрез актуализирана версия на КБО, или чрез нова правна рамка, разработена в консултация с различни държави. При наличие на такива заплахи никой няма да бъде в безопасност – или всички ще бъдат в безопасност, или никой няма да бъде в безопасност.

По-лесно е да се предотврати грешка

Работата по създаването на „огледален живот“, т.е. организми с обърната молекулярна структура, е коренно различна от повечето биоинженерни и биотехнологични изследвания, които се провеждат в момента. Човечеството все още има време да работи заедно, за да разработи активно регулаторна рамка и международни стандарти, регулиращи работата по създаването на „огледални“ организми, преди тази технология да стане реалност и да започне да ни създава проблеми. Работата, насочена към разработване на мерки за намаляване на заплахата, която „огледалният живот“ може да ни създаде в бъдеще (и тези мерки трябва да включват актуализиране на КБО и създаване на нова регулаторна рамка, адекватна на технологичния прогрес), също може да помогне на световната общност по-ефективно да предотвратява и реагира на появата на глобални биологични рискове.

Би било от изключителна важност, ако правителствата и научната общност могат да работят заедно, за да идентифицират заплахите и рисковете за биосигурността много преди да станат очевидни. По този начин имаме уникалната възможност да очертаем пътя напред за научен прогрес и да избегнем насочването на ресурси към проекти, които са потенциално опасни. В същото време можем да подобрим реакцията си на биологични заплахи и да се подготвим по-добре да се справим с тях, полагайки основите за по-стабилно и безопасно бъдеще.