Ученые уже давно ищут способы вернуть в природу животных, исчезнувших по вине человека. Самое интересное, что, помимо теоретических статей, в последнее время появились реальные практические проекты. Один из самых интересных — у компании Colossal Biosciences. Ее основатели вкладывают миллиарды долларов в генетику и биотехнологии, чтобы однажды по лесам Новой Зеландии снова начали бродить гигантские моа, а на островах Индийского океана возродились дронты.
До этого еще далеко, но прогресс постепенно приближает такую возможность. Сейчас компания представила технологию, которая может радикально изменить правила игры в генетике птиц и птицеводстве. В Colossal Biosciences разработали систему, которая позволяет эмбриону полностью развиваться вне скорлупы. Решение снимает целый ряд проблем, сдерживавших развитие генной инженерии у пернатых. Давайте посмотрим, что тут у нас наклевывается.
Почему воссоздание птиц остается одной из самых сложных задач для современной биоинженерии
Работа с геномом птиц всегда была непростой, поскольку их способ размножения принципиально отличается от млекопитающих. У мышей или коров эмбрион развивается внутри организма матери, что позволяет ученым относительно легко вмешиваться в процесс на самых ранних стадиях, пока клетки еще пластичны и хорошо поддаются генетическому редактированию.
У птиц же все иначе: хотя оплодотворение происходит внутри самки, уже через сутки-двое зародыш оказывается надежно запечатан внутри яйца с плотной скорлупой, огромным желтком и сложной системой мембран. Добраться до нужных клеток для точечного редактирования генома — крайне сложная задача.
Раньше все попытки культивировать птичьи эмбрионы вне яйца заканчивались неудачей. Мембраны, окружающие желток, быстро теряли необходимое натяжение, кровь начинала просачиваться в окружающую среду, а кровеносная система формировалась неправильно, что приводило к массовой гибели зародышей. Даже газообмен приходилось настраивать вручную, подавая чистый кислород. Однако это вызывало накопление активных форм кислорода, повреждение ДНК и остановку развития на средних стадиях. В результате даже простое наблюдение за формированием нервной трубки или за ростом сосудов превращалось в лотерею. О серьезном генетическом редактировании не могло быть и речи.
К тому же потребности эмбриона меняются буквально каждые несколько дней инкубации. На ранних стадиях требуются одни показатели влажности и газового состава, а ближе к вылуплению — совершенно другие. При этом кальций для формирования скелета птичий зародыш традиционно получает напрямую из скорлупы. В лабораторных условиях его приходилось добавлять искусственно, что нарушало естественный ход развития и часто приводило к разным дефектам тканей.
Именно поэтому генетические манипуляции с птицами долгое время проводились обходными путями: через примитивные зародышевые клетки (PGC), которые затем вводили в обычные яйца суррогатных птиц.
Такие обходные методы существенно снижали точность экспериментов и заметно повышали вероятность ошибок на каждом этапе. В то время как технологии создания химер и точечного редактирования генома прямо на стадии зиготы были давно отработаны для млекопитающих, птицы оставались в стороне от основных прорывов биоинженерии.
Как устроена система выращивания эмбрионов вне организма
Colossal Biosciences создала контейнер, полностью имитирующий «живое» яйцо, но без скорлупы. Основа — жесткий каркас в форме шестиугольной решетки, напечатанный на 3D-принтере. Внутри него размещается специальная прозрачная силиконовая мембрана с точно рассчитанной проницаемостью. Она пропускает ровно столько кислорода, сколько нужно эмбриону. И все это происходит при обычном атмосферном давлении, без всяких баллонов с повышенной концентрацией газа. Благодаря такому подходу исчезает главная головная боль прошлых экспериментов — риск повреждения ДНК от избытка активных форм кислорода.
Содержимое яйца переносят очень рано, обычно на первый-второй день после снесения, когда зародыш представляет собой всего лишь небольшое пятно клеток на поверхности желтка. Желток с находящимся в нем эмбрионом аккуратно перемещают в подготовленный контейнер, оставляя минимальное количество белка. Конструкция хитро учитывает разницу плотностей: желток сам всплывает, а эмбрион сохраняет правильную ориентацию благодаря точно подобранной кривизне стенок и натяжению мембраны. Все устройство просто ставят в стандартный инкубатор с контролем влажности, и дальше развитие идет своим чередом, без постоянного вмешательства.
Прозрачность мембраны открывает совершенно новые возможности, которых не было при работе с обычными яйцами. Теперь исследователи могут вести непрерывную съемку под микроскопом, фиксируя каждое движение клеток, формирование органов и рост кровеносных сосудов в реальном времени. При необходимости легко ввести сигнальные молекулы, провести микрохирургические манипуляции или просто наблюдать за динамикой процессов, которые раньше оставались скрытыми за скорлупой. Кальций эмбрион забирает из специальных добавок в системе, точно воспроизводя природный механизм.
Разработчики уже испытали систему на куриных эмбрионах и получили 26 полностью здоровых цыплят, которые нормально вылупились и дальше развивались без каких-либо отклонений. Каркас легко масштабировать под разные размеры, так что в будущем получится работать и с более крупными видами.
В целом получилась полноценная экспериментальная платформа, которая дает ученым абсолютный контроль над развитием эмбриона и при этом остается удивительно простой в работе. Компания даже собирается бесплатно предоставлять эти устройства лабораториям по всему миру, чтобы максимально ускорить исследования и снять последние барьеры в генетике птиц.
Как эта технология поможет вернуть вымерших птиц
Для проектов по возрождению вымерших птиц новая система становится почти незаменимым инструментом, особенно при работе с видами, которые откладывали крупные яйца. Например, у южноостровного гигантского моа они были где-то в 80 раз больше куриных. Ни одна современная птица физически не сможет их высидеть. Теперь отредактированный генетический материал можно помещать в искусственный контейнер и добавлять питательные вещества по мере роста эмбриона. Это исключает риск разрыва оболочки и серьезных нарушений развития.
Похожая ситуация — с дронтом, чьи ближайшие родственники, никобарские голуби, уже служат основой для генетических правок. Финальный этап вынашивания требует среды, где все видно насквозь и можно вносить корректировки в любой момент. Искусственный контейнер позволяет отслеживать каждый шаг формирования тела, от размера до формы клюва, и добиваться именно тех признаков, которые были у вымершего вида.
Бен Ламм, один из основателей Colossal Biosciences, подчеркнул, что эта система — не коммерческий продукт для внутренних целей компании, а открытый инструмент для всего научного сообщества. Такой подход значительно расширяет возможности не только в восстановлении вымерших видов, но и в спасении птиц, что еще существуют, но испытывают серьезные проблемы с размножением в неволе.
В итоге технология устраняет одно из ключевых препятствий, которое долгие годы мешало развитию генной инженерии птиц. До возрождения моа и дронтов еще далеко, поскольку ученым предстоит решить множество задач: от восстановления геномов до этических вопросов. Однако теперь эти проекты получили реальную технологическую основу для развития.