Suvremene prijetnje biološkim oružjem. Mikroorganizmi iz kuhinja biohakera

Napredak molekularne genetike učinio je dostupnim manipuliranje mikroorganizmima čak i ljudima bez formalnog obrazovanja i drugih resursa, piše Tamara Čačev. Danas ne postoje mehanizmi sigurnosnih provjera koji bi otkrili mikroorganizme na aerodromima ili državnim institucijama, a o mogućnostima u kontaminaciji hrane ili ventilacijskih sustava hotela ili dućana užasno je i razmišljati.

• Naslovna fotografija: Pripadnik Ratnog zrakoplovstva Sjedinjenih Država u punoj opremi za biološko i kemijsko ratovanje (US Air Force)

• Dr. sc. Tamara Čačev viša je znanstvena suradnica u Zavodu za molekularnu medicinu Instituta Ruđer Bošković. Čačev je također članica Savjeta Ideje.hr

U prethodnom tekstu osvrnula sam se na povijesni pregled bioloških agensa koji su više oportunistički, a manje ciljano, bili korišteni u ratu. S razvojem mikrobiologije te otkrićem antibiotika i cjepiva počele su se javljati ideje o ciljanom korištenju mikroorganizama, no kako je epidemijama teško vladati te se one mogu vratiti i onome tko ih je izazvao, većina država koje su razvijale takve programe barem su deklarativno tvrdile kako se radi o obrambenom a ne ofenzivnom razvoju i zazirale su od korištenja takvih sredstava.

No, i u takvim okolnostima u laboratorijima najviše razine sigurnosti razvijani su sojevi virusa i bakterija koji su bili rezistentni na postojeće terapije. Primjerice u laboratorijima bivšeg SSSR-a čuvalo se pedesetak sojeva najsmrtonosnijih mikroorganizama poput antraksa (soj 836), Pasečnikove „superkuge“, virusa Ebola i Marburg i sličnih. O ruskim se programima razvoja biološkog oružja na Zapadu saznavalo većinom od prebjega tijekom 90-tih. Radilo se o direktoru Instituta za ultra čiste biološke preparate Dr. Pasečniku koji je pobjegao u Veliku Britaniju a za njim je došlo i nekoliko znanstvenika te su oni svoja istraživanja i rezultate obnovili za britanske potrebe. Tijekom vremena u laboratorijima takvog tipa, znalo je biti incidenata i u drugim državama te je javnost tek posredno, kada se više nije moglo skrivati, saznavala o tome čime su osobe zapravo bile zaražene, a najčešće se radilo upravo o djelatnicima tih laboratorija. Sporazum iz 1972. godine kojim se reguliralo područje istraživanja mikroorganizma u svrhu biooružja također su kršile i SAD no mikroorganizmi na kojima se radilo (različite plijesni) bili su usmjereni na razgradnju goriva, građevnih konstrukcija i usjeva kako se prezentiralo prvenstveno u borbi protiv droge (opijuma, kokaina i drugih).

Shematski prikaz procesa izrade sintetskog virusa. (Preuzeto iz: Sharma A, Gupta G, Ahmad T, Krishan K, Kaur B. Next generation agents (synthetic agents): Emerging threats and challenges in detection, protection, and decontamination. Handbook on Biological Warfare Preparedness.2020:217–56)

Razvojem genetičkog inženjerstva i tehnologija sintetske biologije omogućeno je kreiranje mikroorganizama „po mjeri“ i to brzinom bez presedana u dosadašnjem razvoju ovog područja. Tim se metodama relativno bezopasne bakterije i virusi mogu pretvoriti u patogene i visoko zarazne mikroorganizme. „Ubacivanjem“ gena za pojedina patogena svojstva iz drugih mikroorganizama nastaju kimere koje ne postoje u prirodi. Dapače, ti se mikrooorganizmi mogu tako dizajnirati da razviju rezistenciju na sve poznate terapije ili da čak putem lučenja citokina (koji uopće nisu na repertoaru proteina koje mikroorganizmi normalno izlučuju) manipuliraju imunološkim sustavom domaćina da ne prepozna infekciju. Tako modificirane mikroorganizme nazivamo i biooružjem nove generacije.

Kako je molekularna genetika napredovala, manipuliranje mikroorganizmima postalo je sve pristupačnije i grupacijama ljudi bez formalnog obrazovanja te drugih resursa. Tako danas imamo zajednicu tzv. „citizen scientista“ ili malo radikalniju grupaciju „biohackera“ koji su više ili manje uspješno u stanju provoditi neke bazične tehnike molekularne biologije gotovo u svojim kuhinjama. No, paralelno s ovim relativno bezazlenim entuzijastima, na scenu su stupile i specifične interesne skupine s ciljem da samostalno osmisle i iskoriste biološko oružje za postizanje vlastitih ciljeva.

Direct-to-consumer oblici genetičkog testiranja stvorili su mogućnost formiranja velikih baza podataka o genomima populacija i etničkih skupina. (Mike Mozart / CC BY 2.0)

Koliko su takvi outsideri u stanju napraviti nešto uistinu opasno? Nažalost, s pojednostavljenjem procesa u molekularnoj biologiji, dostupnosti tehnologije i reagensa, velikim javno dostupnim bazama podataka genetičkih informacija, sve više i više. I ne radi se samo o informacijama koje su vezane za genom mikroorganizama. Rašireni direct-to-consumer oblici genetičkog testiranja stvorili su mogućnost formiranja velikih baza podataka o genomima pojedinih populacija i etničkih skupina. Iako su formalno ovi podaci zaštićeni i fizički i zakonski, jasno je da niti jedna zaštita nije apsolutna. Takovi podaci mogli bi poslužiti za pronalaženje primjerice locus minorisa neke etničke grupacije te stvaranja ciljanih sredstava kojima bi na tu genetičku „slabost“ moglo djelovati selektivno.

Područje sintetičke biologije, o kojem sam već pisala, rapidno se razvija. Primarni mu je fokus dizajniranje (zasad) primitivnih mikroorganizama radi postizanja nekog željenog svojstva poput izlučivanja nekog spoja u velikim količinama a koji nije bio prirodno prisutan u tom mikroorganizmu. Drugim riječima, u takav dizajnirani mikroorganizam unosi se genetska informacija ponekad čak i u vidu genskih sklopki ili organiziranih sustava od nekoliko gena, kako bi se dobio izmijenjeni mikroorganizam s novim svojstvima. Tijekom prve dekade 21. stoljeća uspješno je kemijski (de novo, bez upotrebe DNA nekog organizma) sintetiziran genom poliovirusa. Zatim je kemijski sintetiziran i znatno veći genom bakterije, a 2010. konstruirana je i prva sintetska stanica s esencijalnim metaboličkim sklopovima. Iako su ovi pothvati napravljeni u vrhunskim laboratorijima kojih je malo u svijetu, sama činjenica da su recepti za te procese većinom objavljeni otvara mogućnost da se njima netko (tko bi ipak morao biti educiran i u kvalitetnom laboratoriju) tako nešto mogao ponoviti, ali sa sasvim drugim namjerama.

Možemo reći kako se o potencijalnim prijetnjama sintetske biologije počelo raspravljati i puno prije nego li je ona uistinu i bila tehnološki na takvom nivou da bi te prijetnje bile realne. Tako je, u kontekstu razvoja područja, sada već daleke 1997. godine pokrenuta radna skupina koja je identificirala neke od potencijalnih prijetnji u vidu razvoja biološkog oružja. Zanimljivo je iz ove današnje perspektive vidjeti koliko su bili u pravu.

Kao glavne prijetnje imenovane su: razvoj prekursorskih sredstava koja su zasebno bezopasna a čijim spajanjem se postiže biološki učinak (tzv. binarna sredstva), ciljano konstruiranje gena s određenim funkcijama, korištenje genske terapije kao oružja, razvoj virusa koji mogu izbjeći imunološki sustav domaćina te korištenja virusa koji izazivaju zoonoze te se bolest može širiti sa životinja na ljude, i konačno, kreiranje novih uzročnika bolesti.

Rusi su bili posebno dobro verzirani u stvaranju binarnih bioloških oružja. Najjednostavnije, radilo se o dvokomponentnom sistemu koji se sastojao od patogenog soja primjerice uzročnika dizenterije, kuge ili antraksa te plazmida koji su u sebi nosili gene koji su taj manje patogeni soj pretvarali u biološko oružje kada su se bakterija i plazmid spojili, obično unutar nekog vida municije koja je zapravo služila kao bioreaktor.

Javno dostupne baze genoma čovjeka ali i drugih organizama poput žitarica ili životinja koje su bitni elementi ljudske prehrane ujedno su otvorile mogućnost i dizajniranja patogena koji bi napadali slabe točke tih organizama a koje bi se dale prepoznati u njihovim genomima. Uništiti sezonu usjeva može i u današnjim globalizacijskim vremenima značiti velike probleme i lokalno i globalno kako smo imali prilike svjedočiti vezano uz fluktuacije cijena žitarica zbog ratnih sukoba u Ukrajini.

Postojeći patogeni koji su pogubni za svinje ili perad ali ne i za ljude mogu se modificirati tako da preskoče sa svojih domaćina u ljudsku populaciju. Uz modifikacije postojećih patogena, nije teško zamisliti ni stvaranje sasvim novih mikoorganizama koji nikad nisu egzistirali u prirodi i mogli bi uzrokovati bolesti s kojima se nikad nismo susreli.

Šišmiš Rhinolophus affinis hainanus. Istraživanje SARS-CoV virusa još je 2019. zaključeno s upozorenjem kako bi se mogao ponovno pojaviti u smrtonosnijem obliku. (Naturalis Biodiversity Center)

Pretraživanjem literature za ovaj članak naišla sam na rad iz 2019. godine u kojem se navodi podatak o pojavi epidemije novog koronavirusa SARS-CoV u Kini tijekom 2002.-2003. Epidemija se rapidno lokalno širila no brzo je i zamrla. Uzročnik je izoliran, istraživan i utvrdilo se kako se radi o virusu koji je razvio adaptacije te se sa šišmiša kao domaćina prebacio na ljude. Istraživanje tog virusa i stvaranje njegovih modifikacija provodilo se u Kini te se u tom članku zaključilo kako bi se SARS-CoV mogao ponovno pojaviti i to u još smrtonosnijem obliku, što se samo par mjeseci kasnije i obistinilo.

Danas znamo kako postoje virusi čiji se učinak ne manifestira odmah, ili je njihova neposredna klinička slika relativno bezazlena. Primjerice, danas je moguće djecu cijepiti protiv uzročnika vodenih kozica no mnogi ne razumiju zašto je to bitno, već mantraju o prirodnom preboljenju i imunitetu budući da do njih nisu dovoljno doprle informacije o tome kako taj isti uzročnik ostaje trajno u organizmu te kasnije tijekom života može izazvati herpes zoster. Infekcija nekim podtipovima virusa HPV može kroz vrijeme dovesti do karcinoma vrata maternice. Također, virus EBV, uzročnik mononukleoze, danas se povezuje s povećanim rizikom za pojavu karcinoma želuca a takvih je primjera svakim danom sve više. Stoga u posebno monstruoznim umovima može osvanuti ideja da se naizgled relativno bezopasni uzročnici npr. prehlade modificiraju na način da kasnije u životu lučenjem onkogenih čimbenika izazovu tumorske bolesti u domaćina.

Je li opasno javno, u znanstvenim publikacijama detaljno objavljivati postupke i „recepture“ koje bi se mogle zloupotrijebiti?

U tom kontekstu postavlja se pitanje je li opasno javno, u znanstvenim publikacijama detaljno objavljivati postupke i „recepture“ koje bi se mogle zloupotrijebiti, a sve u cilju otvorene znanosti. Zanimljivo jest da se prije kojih desetak godina vodila rasprava i o javnom objavljivanju sekvence genoma patogenih organizama. Takvo razmišljanje je još uvijek aktualno jer se u laboratorijima najviše razine zaštite čuvaju mikroorganizmi koji mogu biti izrazito patogeni, a posebno neke njihove podvarijante. Za pretpostaviti je da se „netko s ceste“ ne može domoći ampula s takvim mikroorganizmima, no ukoliko je njihov genom javan, može ga analizirati, u eri umjetne inteligencije i modificirati da bude još učinkovitiji patogen  te u konačnici de novo sintetizirati.

Možda se čini čudnim da netko bez adekvatne naobrazbe može napraviti ovako nešto. No, treba imati na umu kako metode koje bi se morale koristiti nisu zahtjevne za razumijevanje a reagensi za njihovu provedbu koji su nekad bili stvarani u laboratorijima, danas se mogu nabaviti u obliku user-friendly komercijalno dostupnih setova. Priučeni amateri mogu pratiti javno objavljene protokole poput recepta iz kuharice i nije nužno da razumiju uopće što u kojem koraku i zašto dodaju od reagenasa, za što bi trebalo neko ekspertno znanje. Uostalom, većina nas, izuzev profesionalnih kuhara, ne razmišlja o Maillardovoj reakciji dok pečemo meso.

Biološko oružje ima jednu dodatnu prednost a to je da sigurnosni sustavi provjere (npr. na aerodromima ili državnim institucijama) nemaju mehanizme kojima bi ih mogli na licu mjesta detektirati. Kako se radi o mikroorganizmima, ne radi se o nekakvom voluminoznom paketu koji bi se negdje morao unijeti. Dovoljne su količine nevidljive golim okom u nekoj ampulici ili kapsuli za lijekove (tako su primjerice pakirani probiotici koji su isto zapravo mikroorganizmi) koja može proći sasvim neprimjetno. O mogućnostima koje se otvaraju u kontaminaciji hrane ili ventilacijskih sustava hotela ili dućana i restorana bolje i ne pomišljati.

Istina, moglo bi ih se relativno brzo nakon pojave prvih slučajeva identificirati korištenjem metoda koje su primjerice korištene za testiranje virusa uzročnika korone, no to nije rješenje koje može prevenirati ovu vrstu napada, već više spada u kontrolu štete. Stoga se intenzivno radi na što je moguće jednostavnijim metodama detekcije patogena na licu mjesta i to je još jedno od područja koje zapravo spada u istraživanje biooružja ali u svrhu obrane. Drugo područje koje bi spadalo u taj defenzivni program jest razvoj cjepiva protiv ovih patogena te da ona budu što univerzalnija, tj. što šireg spektra kako bi mogla „uhvatiti“ sve varijante nekog uzročnika. No, treba biti svjestan i činjenice da neka cjepiva čak i da ih uspijemo napraviti neće nikada imati taj univerzalni moment kao što je to primjerice slučaj cjepiva protiv virusa gripe, barem ne dok se ne dogodi neki znanstveni proboj koji će otvoriti nove smjerove istraživanja koji nam sada nisu na raspolaganju.

Otok Gruinard desetljećima je bio kontaminiran sporama antraksa. (Creative Commons)

Posebno područje kojim se ovi programi istraživanja biooružja također bave jest dekontaminacija nakon potencijalnog napada biološkim agensom, odnosno kako područje gdje su mikroorganizmi „posijani“ učiniti ponovno sigurnim. To može predstavljati veliki problem kako smo vidjeli u prethodnom tekstu na primjeru otoka Gruinard koji je više desetljeća bio kontaminiran sporama antraksa nakon izvedenih pokusa sve dok 1986. godine nije provedena sustavna dekontaminacija tla. Tradicionalno se kao metode dekontaminacije koriste različita sredstva dezinfekcije (vodikov peroksid, varikina itd.) što je moguće ako se radi o manjim kontaminacijama primjerice zgrada, no plin klorov-dioksid (ClO₂) smatra se najpogodnijim za dekontaminaciju većih područja. No, sve su to dugotrajni i ne previše ekološki usmjereni tretmani te je stoga pronalaženje boljih načina dekontaminacije mikororganizama također jedan od prioriteta.

I dok je u proteklom stoljeću biološko oružje bilo razvijano u okviru državnih institucija te je ta prijetnja bila donekle kontrolirana, liberalizacijom i dostupnošću informacija o genomima mikroorganizama, ali i drugih živih bića koja mogu biti mete napada biološkim oružjem, na scenu stupaju igrači koje će biti puno teže identificirati i kontrolirati. Tako nešto se primjerice nije nikad dogodilo s nuklearnom prijetnjom jer ona jednostavno nikad nije postala dostupna i relativno jeftina opcija. Što će u ovu priču unijeti korištenje umjetne inteligencije teško je uopće pretpostaviti, no jedno je jasno, istraživanja mikroorganizama i u ofenzivne i u defenzivne kao naravno i u mirnodopske svrhe morat će se značajno intenzivirati.

• Literatura:

1) Ainscough, MJ. Next Generation Bioweapons: The Technology of Genetic Engineering Applied to Biowarfare and Bioterrorism.  Air University, Maxwell Air Force Base, Alabama, 2002.

2) Wolinsky H. Kitchen biology: The rise of do-it-yourself biology democratizes science, but is it dangerous to public health and the environment? EMBO Reports. 2009;10:683-685.

3) Vickers CE. The minimal genome comes of age. Nature Biotechnol. 2016;34: 623.

4) Cello J, Paul AV, Wimmer E. Chemical Synthesis of Poliovirus cDNA: Generation of Infectious Virus in the Absence of Natural Template. Science.2002;297:1016-1018.

5) Sharma A, Gupta G, Ahmad T, Krishan K, Kaur B. Next generation agents (synthetic agents): Emerging threats and challenges in detection, protection, and decontamination. Handbook on Biological Warfare Preparedness.2020:217–56.

6) Li W, Shi Z, Yu M, Ren W, Smith C, Epstein JH, Wang H, Crameri G, Hu Z, Zhang H, Zhang J, McEachern J, Field H, Daszak P, Eaton BT, Zhang S, Wang LF. Bats are natural reservoirs of SARS-like coronaviruses. Science. 2005;310:676-9.