Исследование мутаций с приобретением функции может помочь предсказать следующую пандемию или, как утверждают критики, вызвать ее.
«Я был заинтригован, - говорит Рон Фушье на своем богатом английском с голландским акцентом, - тем, как мелочь может убивать крупных животных и людей».
В Роттердаме поздний вечер, и темнота медленно окутывает наш разговор по Skype.
Это увлечение привело седовласого вирусолога к спорным исследованиям мутаций с усилением функции - работе ученых, которая добавляет способности патогенам, включая эксперименты, посвященные SARS и MERS, двоюродным братьям коронавируса агент COVID-19.
Если мы хотим избежать новой пандемии гриппа, нам необходимо понять, какие типы вирусов гриппа могут ее вызывать. По словам Фушье, исследования мутаций с приобретением функции могут помочь нам в этом, рассказав нам, какие мутации могут позволить вирусу прыгать между видами или эволюционировать в более вирулентные штаммы. Это может помочь нам подготовиться и тем самым спасти жизни.
Многие из его научных коллег, однако, не согласны; они говорят, что его эксперименты не стоят того риска, который они представляют для общества.
Вирус и огненная буря
Голландский вирусолог из Медицинского центра Эразма в Роттердаме вызвал бурю споров около десяти лет назад, когда он и Йосихиро Каваока из Университета Висконсин-Мэдисон объявили об успешной мутации H5N1, штамм птичьего гриппа, передаваемый по воздуху между хорьками, в двух отдельных экспериментах. Хорьки считаются лучшими моделями гриппа, потому что их дыхательная система реагирует на грипп так же, как люди.
Мутации, придавшие вирусу способность передаваться воздушно-капельным путем, представляют собой мутации с приобретением функции (GOF). Исследование GOF - это когда ученые целенаправленно вызывают мутации, которые дают вирусам новые способности, пытаясь лучше понять патоген. В экспериментах Фушье они хотели увидеть, можно ли сделать так, чтобы вирус передавался воздушно-капельным путем, чтобы они могли заблаговременно выявлять потенциально опасные штаммы и разрабатывать новые методы лечения и вакцины..
Проблема в том, что их мутировавший H5N1 также может вызвать пандемию, если он когда-либо покинет лабораторию. В журнале Science сам Фушье назвал его «вероятно, одним из самых опасных вирусов, которые вы можете создать».
Всего три особых черты
Для H5N1 Фушье определил пять мутаций, которые могут вызывать три особых признака, необходимых для запуска птичьего гриппа, передающегося воздушно-капельным путем у млекопитающих. Этими чертами являются (1) способность прикрепляться к клеткам горла и носа, (2) способность выживать при более низких температурах, характерных для этих мест, и (3) способность выживать в неблагоприятных условиях.
Минимум три мутации могут быть достаточными для вируса в дикой природе, чтобы совершить прыжок по воздуху среди млекопитающих. Если это произойдет, это может распространиться. Быстрый.
Фушье подсчитал, что вероятность этого для любого данного вируса довольно мала. Каждая мутация может нанести вред вирусу сама по себе. Они должны быть идеально выровнены, чтобы грипп прыгнул. Но эти мутации могут происходить и происходят.
«В 2013 году в Китае появился новый вирус, - говорит Фушье. «H7N9».
H7N9 - это другой вид птичьего гриппа, такой как H5N1. CDC считает, что это наиболее вероятный штамм гриппа, вызывающий пандемию. Во время вспышек среди людей, которые произошли в период с 2013 по 2015 год, он убил ошеломляющие 39% известных случаев; если бы H7N9 имел все пять мутаций, связанных с усилением функции, которые Фушье определил в своей работе с H5N1, это могло бы сделать COVID-19 похожим на котенка по сравнению с ним.
H7N9 имел три из этих мутаций в 2013 году.
Мутация приобретения функции: создание наших страхов для (возможно) их предотвращения
Вирусы гриппа представляют собой восемь фрагментов РНК, завернутых в клубок. Чтобы создать мутации с усилением функции, в исследовании использовался шаблон ДНК для каждой части, называемый плазмидой. По словам Фушье, произвести единственную мутацию в плазмиде легко, и это обычно делается в генетических лабораториях.
Если вы вставите все восемь плазмид в клетку млекопитающего, они захватят механизм клетки для создания РНК вируса гриппа.
«Теперь вы можете начать собирать новую вирусную частицу в этой клетке», - говорит Фушье.
Одной инфицированной клетки достаточно, чтобы вырастить множество новых вирусных частиц - от одной до тысячи и до миллиона; вирусы - машины репликации. И поскольку они так легко мутируют во время репликации, новые вирусы необходимо проверять, чтобы убедиться, что они содержат только те мутации, которые вызвала лаборатория.
Затем вирус попадает в хорьков, проходя через них, чтобы генерировать новые вирусы, пока в 10-м поколении он не заразил хорьков по воздуху. Анализируя гены вируса в каждом поколении, они могут выяснить, какие именно пять мутаций приводят к птичьему гриппу H5N1, передающемуся по воздуху между хорьками.
И, возможно, люди.
Эта работа никогда не должна была быть сделана
Возможность того, что модифицированный штамм H5N1 вызовет пандемию среди людей, если он когда-либо выйдет из-под контроля, вызвал резкую критику и немало споров. Молекулярный биолог из Рутгерса Ричард Эбрайт резюмировал дальний конец оппозиции, когда сказал журналу Science, что исследование «никогда не должно было проводиться».
«Когда я впервые услышал об экспериментах, делающих высокопатогенный птичий грипп трансмиссивным, - говорит Филип Дормицер, вице-президент и главный научный сотрудник по вирусным вакцинам в Pfizer, - я интересовался наукой, но был обеспокоен о рисках как самих вирусов, так и последствий реакции на эксперименты».
В 2014 году, в ответ на опасения исследователей и некоторые лабораторные инциденты, федеральное правительство ввело мораторий на все исследования GOF, заморозив работу.
Некоторые ученые считают, что эксперименты по мутации с приобретением функции могут быть чрезвычайно ценными для понимания потенциальных рисков, с которыми мы сталкиваемся в связи с дикими штаммами гриппа, но только в том случае, если они проводятся правильно. Дормитцер говорит, что тщательное и вдумчивое изучение вопроса может привести к процессам, которые сделают исследования вирусов с мутациями с усилением функции более безопасными.
Но тем временем мораторий задушил некоторые исследования гриппа и коронавирусов.
Национальная академия наук разработала несколько новых рекомендаций, и в декабре 2017 года было объявлено: исследования GOF могут снова подать заявку на финансирование. Комиссия, сформированная Министерством здравоохранения и социальных служб (HHS), будет рассматривать заявки и принимать решения о том, какие исследования финансировать.
На данный момент одобрены только исследования Каваоки и Фушье, которые прошлой зимой получили зеленый свет. Они возобновляются с того места, на котором остановились.
Замки Пандоры: как сдержать грипп с усилением функции
Вот в чем дело: работа действительно потенциально опасна. Но как в лабораториях Фушье, так и в лабораториях Каваоки существуют многоуровневые меры безопасности.
«Вы действительно должны думать об этом как о луковице», - говорит Ребекка Мориц из Университета Висконсин-Мэдисон. Мориц - избранный агент, ответственный за лабораторию Каваоки. Ее работа заключается в том, чтобы обеспечить соблюдение всех стандартов безопасности, а также создание и отработку протоколов; в основном, она там, чтобы предотвратить утечку вирусов. И у этого вируса есть некоторые дополнительные особенности.
Конкретный штамм H5N1, который использует лаборатория Каваока, включен в список под названием Федеральная программа выбора агентов. Патогены в этом списке должны отвечать особым требованиям безопасности. Эксперименты GOF имеют еще более строгие правила, потому что исследование считается «исследованием двойного назначения, вызывающим обеспокоенность».
Были споры о том, следует ли вообще публиковать работу Фушье и Каваоки.
«Исследования двойного назначения, вызывающие озабоченность, - это законные исследования, которые потенциально могут быть использованы в гнусных целях», - говорит Мориц. Одно время велись споры о том, следует ли вообще публиковать работу Фушье и Каваоки.
Хотя обнаруженные ими идеи помогут ученым, их также можно использовать для создания биологического оружия. Документы должны были пройти проверку Национальным научным советом США по биобезопасности, но в конечном итоге они были опубликованы.
Преднамеренная биологическая война и терроризм в стороне, мутационный грипп с приобретением функции необходимо сдерживать даже в результате несчастных случаев. В Висконсине это начинается с самого здания. Лаборатории специально спроектированы так, чтобы в них можно было содержать патогены (BSL-3 сельскохозяйственные, для любителей бейсбола).
По сути, они представляют собой герметичный цементный бункер, находящийся под отрицательным давлением, так что воздух будет поступать в лабораторию только в случае любого нарушения, удерживая вирусы внутри. И весь воздух, поступающий и выходящий из колен, проходит через несколько фильтров HEPA.
В лаборатории исследователи носят специальные средства защиты, в том числе респираторы. Любой, кто входит или входит в лабораторию, должен пройти замысловатый танец, включающий раздевание и надевание различных предметов одежды, а также прохождение душа и обеззараживание.
И самые опасные части эксперимента проводятся в первичной защитной оболочке. Например, биозащитный бокс, который действует как бокс повышенной безопасности внутри и без того строго охраняемой лаборатории (что-то вроде радиационного перчаточного бокса, в котором работает Гомер Симпсон во время вступительных титров).
«Многие люди, стоящие за учреждением, работают над тем, чтобы это исследование можно было проводить безопасно и надежно». - РЕБЕККА МОРИТЦ
Федеральная программа Select Agent может прийти и проверить вас в любое время без предупреждения, говорит Мориц. Как минимум каждые три года все это перетряхивают.
Существует множество потенциальных опасностей - флакон с вирусом падает; укол иглой; укус хорька - но Мориц уверен, что меры безопасности и рекомендации предотвратят любую катастрофу.
«Учреждение и многие люди, стоящие за ним, работают над тем, чтобы это исследование можно было проводить безопасно и надежно», - говорит Мориц.
Работы еще не причинили вреда человеку, но потенциал для этого вполне реален.
«Природа будет продолжать это делать»
Они были мертвы на пляжах.
Весной 2014 года другой тип птичьего гриппа, H10N7, охватил популяцию обыкновенных тюленей в Северной Европе. Начавшись в Швеции, вирус распространился на юг и запад, через Данию, Германию и Нидерланды. По оценкам, было убито 10% всей популяции тюленей.
Эволюцию вируса можно было проследить во времени и пространстве, говорит Фушье, по мере его распространения вдоль побережья. Естественный отбор подтолкнул тюленей к мутациям с приобретением функции, подобно тому, как H5N1 эволюционировал, чтобы лучше прыгать между хорьками в его лаборатории - его лаборатории, которая в то время была закрыта.
«Мы работали в лаборатории, - говорит Фушье, - с высоким уровнем безопасности и защиты. «Но то же самое происходило на пляже здесь, в Нидерландах. И поэтому вы можете сказать мне, чтобы я прекратил эти исследования, но природа будет продолжать делать это изо дня в день».
Критики утверждают, что знания, полученные в результате экспериментов, либо не существуют, либо не стоят риска; Фушье утверждает, что эксперименты GOF - единственный способ получить важную информацию о том, что делает вирус гриппа кандидатом на пандемию.
«Если эти три признака могут быть вызваны сотнями комбинаций пяти мутаций, то это чрезвычайно увеличивает риск возникновения подобных явлений в природе», - говорит Фушье.
«Что касается такой важной вещи, как грипп, нам нужно расследовать все, что мы можем», - говорит Фушье, надеясь найти «новую ахиллесову пяту гриппа, которую мы можем использовать, чтобы остановить воздействие это."