Сэмюел Стернберг - Трещина в мироздании

• Название: Трещина в мироздании
• Автор: Сэмюел Стернберг
• Жанр: Биология
• Год: 2019
• ISBN: 978-5-17-109309-9

Дженнифер Даудна – одна из ведущих современных генетиков, под ее руководством была разработана технология редактирования генома CRISPR – самый дешевый, но при этом самый точный и мощный способ манипуляций с ДНК. Но довольно быстро стало понятно, что этот метод, позволяющий прицельно изменять ДНК живого организма, – очень рискованная технология, которую уже называют “самым опасным изобретением со времен атомной бомбы”. Генетические манипуляции – это настоящая “трещина в мироздании”, из которой могут вырваться темные силы, способные уничтожить человечество…

---

Я знала о Джилл только понаслышке, и она обо мне тоже; она объяснила, что нашла сайт моей лаборатории, только потратив некоторое время на его поиск в Google. Геомикробиолог, сосредоточенный в первую очередь на взаимоотношениях микроорганизмов с их окружающей средой, Джилл искала среди сотрудников Беркли исследователей, которые бы занимались РНК-интерференцией – системой процессов на молекулярном уровне, которую клетки животных и растений используют для подавления экспрессии конкретных генов; на уровне целого организма эта система задействуется во время иммунных ответов. По этой теме у нашей лаборатории имелся обширный опыт.

Джилл рассказала мне, что ее лаборатория занимается изучением чего-то, что я на слух восприняла как “криспер”[43], – она не объяснила, о чем речь, и даже не произнесла слово по буквам, лишь упомянула, что это название “всплыло” в каких-то наборах данных, которые анализировали ее сотрудники, – и что она хочет расширить область исследования, используя методы генетики и биохимии: именно такие инструменты могла бы предоставить моя лаборатория. В частности, Джилл считала, что между “криспером” и РНК-интерференцией могут быть некоторые параллели. Не хочу ли я встретиться и обсудить это?

Я была заинтригована напором Джилл, хотя и сомневалась насчет ее запроса; я так и не поняла, что именно она исследует. Но ее энтузиазм чувствовался даже по телефону, так что я согласилась выпить с ней чашечку кофе на следующей неделе.

После этого звонка я сделала беглый поиск по базам научных публикаций и нашла лишь несколько статей, посвященных теме, о которой с таким воодушевлением рассказывала Джилл. Для сравнения: РНК-интерференция, изучение которой началось всего-то восемь лет, упоминалась в тот момент уже более чем в четырех тысячах источников (внимание к этой теме достигло апогея, когда позднее в том же году открыватели РНК-интерференции Эндрю Файер и Крейг Мелло получили Нобелевскую премию). Из-за нехватки публикаций было трудно оценить важность темы, о которой говорила Джилл, – но именно это подстегнуло мое любопытство.

Я пробежалась глазами по нескольким обзорным статьям и прочла ровно столько, чтобы понять: эта штука – CRISPR – обозначает участок бактериальной ДНК, а сокращение расшифровывается как “кластерные короткие палиндромные повторы, разделенные регулярными промежутками, clustered regularly interspaced short palindromic repeats”. Дальше я разбираться не стала, увязнув в незнакомых терминах, и решила, что Джилл расскажет мне подробности при встрече.

Поиск информации о Джиллиан в Google показал, что она чрезвычайно успешный ученый. Яркая, предложившая неожиданные идеи во множестве самых разных областей науки, она опубликовала статьи с такими заголовками, как “Минералогические следы живого и поиск жизни на Марсе” (Mineralogical Biosignatures and the Search for Life on Mars) и “Геофизическая визуализация стимулированной микробной биоминерализации” (Geophysical Imaging of Stimulated Microbial Biomineralization). Ее исследования включали в себя сбор и изучение биологических образцов, собранных со всего света: от горных пород, слагающих земную кору под Японией, до гиперсоленых озер Австралии и закисленных водоотливов в Северной Калифорнии. Эти экзотические работы разительно контрастировали с моими: если не считать неизбежно частых визитов в Национальную лабораторию имени Лоуренса в Беркли для исследований на циклотроне, эксперименты в моей лаборатории проводились по большей части в пробирках.

Частично из-за того, что меня так впечатлили исследованияя Джилл, частично из моих собственных научных интересов я все больше хотела с ней встретиться. За четыре года до этого я перешла из Йельского университета в Беркли и переехала в Калифорнию вместе с Джейми Кейтом, который теперь стал моим мужем, и нашим новорожденным сыном Эндрю. Хотя мои текущие исследования уже развивались в некоторых новых направлениях, я надеялась расширить лабораторию и запустить в ней несколько дополнительных проектов, одновременно наладив рабочие связи с новыми коллегами. Возможно, сотрудничество с Джилл – это именно то, чего я ищу.

Мы с Джилл встретились на следующей неделе в кафе Free Speech Movement недалеко от входа в одну из студенческих библиотек кампуса. Был ветреный весенний день, и, когда я пришла в кафе, Джилл уже расположилась во внутреннем дворике, за одним из мраморных столиков. На столе лежали блокнот и стопка бумаги. Мы немного поболтали, а затем Джилл открыла блокнот и перешла к делу.

Она быстро набросала схему CRISPR. Сначала изобразила большой овал, он обозначал бактериальную клетку. Затем внутри овала нарисовала круг – бактериальную хромосому, а на одной из его сторон – чередующиеся квадратики и ромбики, символизирующие конкретный участок ДНК. Этот участок, очевидно, и представлял собой CRISPR.

Джилл заштриховала ромбики и объяснила, что все они представляют собой одинаковые последовательности примерно из тридцати “букв” ДНК. Затем она последовательно пронумеровала квадратики, начиная с цифры 1, и сказала, что каждый из них включает в себя уникальную последовательность ДНК.

Наконец я начала понимать слова, скрывавшиеся за аббревиатурой CRISPR: кластерные короткие палиндромные повторы, разделенные регулярными промежутками. Ромбики были короткими повторами, а квадратики – регулярными промежутками, которые их разделяли, и эти последовательности ромбиков и квадратиков были сгруппированы в кластеры на одном участке хромосомы, а не разбросаны по ней. Уже потом, когда я более детально ознакомилась с повторяющимися последовательностями ДНК в своем рабочем кабинете, значение буквы “P” в аббревиатуре тоже стало мне понятным: последовательности при чтении их в противоположных направлениях “звучали” практически одинаково – словно палиндром вроде “нажал кабан на баклажан”[44].

Сама идея, что клетки могут нести в себе повторяющиеся последовательности ДНК, не нова: более 50 процентов генома человека – существенно больше миллиарда “букв” ДНК – это различные типы повторяющихся последовательностей, и некоторые из них представлены миллионами копий. Хотя геномы бактерий сравнительно небольшие, они тоже содержат повторяющиеся последовательности. Я знала о нескольких типах, в названии которых даже присутствовали некоторые слова из расшифровки CRISPR: повторяющиеся экстрагенные палиндромы (REP) и бактериальная, рассеянная по геному, повторяющаяся ДНК (BIME). Но я никогда раньше не слышала о последовательностях ДНК, повторяющихся так точно и настолько унифицированных, чтобы все повторы действительно совпадали друг с другом и всегда были отделены от соседей последовательностями-спейсерами близкой длины, но со случайным набором нуклеотидов.

Желая узнать больше об этих странных участках бактериальной ДНК, я спросила Джилл, каковы их биологические функции, но, к моему разочарованию, Джилл ответила, что ничего об этом не знает. Однако в ее лаборатории обнаружили важную зацепку[45]. Последовательности ДНК бактерий природных популяций показали, что буквально каждая клетка в них содержит уникальный вариант CRISPR, поскольку разделяющие регулярные повторы промежутки у каждой клетки отличаются. Это было совершенно необычно, поскольку все остальные участки ДНК у этих клеток практически совпадали. Джилл поняла, что CRISPR, скорее всего, эволюционируют быстрее всех остальных областей генома, а это указывает на то, что их функция – быстро меняться или адаптироваться в ответ на некий вызов из внешней среды, с которым сталкиваются клетки.

CRISPR внутри бактериальной клетки

Годами ранее испанский профессор Франсиско Мохика в своей новаторской работе[46] обнаружил те же повторы у множества совершенно не родственных друг другу видов, включая архей – одноклеточных организмов, которые, как и бактерии, не имеют ядер. (Бактерии, археи – их собирательное название “прокариоты” – и эукариоты представляют собой три домена, включающих все формы жизни на Земле.) CRISPR, по словам Джилл, обнаружили в половине бактериальных геномов, секвенированных на тот момент, и почти во всех геномах архей. Выходило, что кластерные палиндромы – наиболее распространенный тип повторяющихся последовательностей ДНК у всех прокариот.

Эти факты заставили меня буквально задрожать от любопытства: если CRISPR присутствует у такого большого количества видов, то с высокой вероятностью природа использует этот инструмент для чего-то важного.

Я внимательно слушала, а тем временем Джилл вытащила из стопки бумаг три статьи, все 2005 года[47], и оживленно пересказала их суть. Три коллектива исследователей (один из них – под руководством Мохики) независимо друг от друга обнаружили, что многие спейсеры CRISPR – те фрагменты ДНК, что встроены между повторяющимися последовательностями, – точно совпадают с ДНК известных бактериофагов. Что еще интереснее, возникало ощущение, что между числом последовательностей ДНК в бактериальной CRISPR, совпадающей с вирусной ДНК, и числом вирусов, способных поразить эту бактерию, существует обратная зависимость: чем больше совпадений, тем ниже вероятность инфицирования. Собственное новаторское исследование Джилл[48], в котором геномы целых микробных сообществ были восстановлены секвенированием небольших, перекрывающих друг друга фрагментов ДНК и их сборкой в одну более длинную последовательность, также показало, что многие разделенные регулярными промежутками последовательности на содержащем CRISPR участке хромосомы соответствовали последовательностям вирусной ДНК, обнаруженным в окружающей бактериальные сообщества среде.