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…

---

Кроме того, изучение фагов послужило толчком к революции в молекулярной биологии 1970-х годов. Исследуя иммунные механизмы, с помощью которых бактерии дают отпор фаговым инфекциям, ученые обнаружили класс ферментов, называемых эндонуклеазами рестрикции; их можно “настроить” таким образом, чтобы они разрезали фрагменты искусственно синтезированной ДНК (это было показано в простых экспериментах вне живых объектов). Используя сочетание этих ферментов с другими ферментами, выделенными из инфицированных фагами клеток, исследователи сумели создать и клонировать искусственные молекулы ДНК в лабораторных условиях. Одновременно с этим геномы фагов послужили прекрасной мишенью для только что разработанных технологий секвенирования ДНК. В 1977 году Фред Сенгер и его коллеги успешно определили последовательность всех нуклеотидов ДНК в геноме фага ФX174. Двадцать пять лет спустя тот же фаг снова оказался в центре внимания: он стал первым объектом, чей геном был синтезирован с нуля[54].

Впрочем, бактериофаги – это не просто популярные “подопытные кролики”. Это еще и наиболее многочисленные биологические объекты на планете – и по этому показателю они лидируют с большим отрывом. Фаги в природе так же вездесущи, как свет и почва, и их можно найти в грязи, воде, человеческом кишечнике, горячих источниках, ледяных кернах и практически во всех других местах, где возможна жизнь. Ученые оценивают численность бактериофагов на Земле в 1031 вирусных частиц – десять миллионов триллионов триллионов, или единица с 31 нулем. В одной чайной ложке морской воды в пять раз больше фагов, чем в Нью-Йорке людей. Невероятно, но фагов на планете намного больше, чем бактерий, которые они могут инфицировать; столь же вездесущие, как и микроорганизмы, бактериофаги превышают численность последних на порядок. Они вызывают примерно триллион триллионов инфекций по всему миру каждую секунду, а если брать только океан, то там ежедневно от смертоносного заражения фагами погибает около 40 % всех бактерий[55].

Эти вирусы созданы для убийства: в течение миллиардов лет они эволюционировали, чтобы научиться заражать бактерии с беспощадной эффективностью. Все фаги состоят из прочной белковой наружной оболочки, называемой капсидом, в которую упакован генетический материал. Фаговый капсид может иметь одну из десятков разнообразных форм, и все они спроектированы таким образом, чтобы максимально эффективно защищать геном вируса и успешно переносить его генетический материал в бактериальные клетки, где тот способен размножаться и распространяться. Некоторые фаги имеют изящную икосаэдрическую форму, у других длинный хвост присоединяется к шарообразному капсиду. Нитевидные фаги цилиндрические. Возможно, самые устрашающие из этих вирусов – те, что похожи на инопланетные корабли, с “ногами” для закрепления на поверхности клетки, “головой”, в которой хранится ДНК[56], и “насосами”, впрыскивающими эту ДНК в клетку после того, как фаг закрепится снаружи.

Примеры различных бактериофагов

Методы работы вирусов, как и их внешний вид, разнообразны, но неизменно (и смертоносно) эффективны. Некоторые вирусные геномы упакованы в капсид так плотно, что генетический материал под давлением буквально выстреливает в клетку, словно пробка от шампанского, как только нарушается целостность белковой клеточной оболочки. Сразу после того, как геном вируса попал в клетку, он способен захватить контроль над клеткой-хозяином одним из двух способов. При паразитическом, или лизогенном, жизненном цикле геном вируса внедряется в геном хозяина и в таком виде, никак себя не проявляя, может передаваться из поколения в поколение, ожидая подходящего момента для нападения. Напротив, при инфекционном, или литическом, жизненном цикле геном вируса сразу же захватывает ресурсы клетки-хозяина, заставляя их работать на себя: производить вирусные белки вместо микробных и многократно копировать геном фага до тех пор, пока клетка не лопнет от распирающих ее вирусных частиц, разбросав последние на соседние бактерии. С помощью этого цикла внедрения в клетку, захвата контроля над ней и распространения по ее потомкам или соседям один-единственный фаг может полностью уничтожить целую популяцию бактерий за считанные часы.

Но бактерии не так уж беспомощны в этой старой как мир войне. Точно так же как растения и животные, за миллиарды лет эволюции они выработали впечатляющие стратегии защиты. К моменту нашего разговора с Джилл у бактерий уже были открыты четыре основные защитные системы[57]. В рамках наиболее выдающейся из них бактерии “навешивают” на свой геном уникальные метки, немного меняющие химические свойства ДНК, но не меняющие экспрессию генетической информации. В дополнение к этому бактерии производят ферменты (эндонуклеазы рестрикции), которые разрезают любую ДНК, не несущую таких меток, зачищая клетку ото всех фаговых генов, проникших под ее оболочку. Также бактерии способны попросту заблокировать фаговой ДНК путь внутрь себя – либо заделывая отверстия, проделанные этими вирусами, в результате чего последние не могут ввести ДНК в клетку, либо делая неузнаваемыми белки на своей поверхности, к которым в обычных условиях прикрепляются фаги. У бактерий даже развилась способность чувствовать наступающую инфекцию и “совершать самоубийство” до распространения заразы – самоотверженный способ защитить остальные клетки в сообществе.

Литический жизненный цикл бактериофага

Может ли CRISPR быть еще одним механизмом антивирусной защиты? Чем больше я читала о гонке вооружений между бактериями и бактериофагами, тем более вероятным мне казалось существование других, еще не открытых, орудий, которые они используют в борьбе друг с другом.

Более того, узнавая все больше о CRISPR, я начинала понимать, в каком направлении будут двигаться исследования в нашей лаборатории, если мы примем предложение Джилл. Расчеты голландца Рююда Янсена и его коллег[58] – это они в 2002-м предложили аббревиатуру CRISPR – выявили набор генов, которые в бактериальных хромосомах почти всегда примыкали к участкам с CRISPR. Они разительно отличались и от повторяющихся последовательностей, и от спейсеров в CRISPR.

Даже то немногое, что мы тогда знали об этих ассоциированных с CRISPR генах, или cas-генах, подсказывало, что они представляют собой нечто крайне интересное. Сравнение их строения со строением уже известных генов позволило предположить, что cas-гены кодируют специализированные ферменты, в чьи функции может входить разделение двух цепочек двойной спирали ДНК или разрезание молекул РНК либо ДНК, как у эндонуклеаз рестрикции (последние режут только ДНК).

Учитывая, насколько полезным оказалось открытие эндонуклеаз рестрикции для развития технологии рекомбинантных ДНК в 1970-е годы, казалось весьма вероятным, что при более глубоком изучении разных аспектов работы CRISPR мы обнаружим целый клондайк новых ферментов – и эти белки тоже будут иметь значительный биотехнологический потенциал.

Вот так все это и случилось. Я оказалась на крючке.

Учеными, которые занимаются фундаментальными исследованиями, движут азарт, любопытство, интуиция и упорство – но вдобавок к этим возвышенным качествам нам необходима здоровая доза практичности. Это и банальные поиски финансирования, и непрерывное решение вопросов управления. Те из нас, кто руководит собственными лабораториями, вынуждены делегировать другим ученым множество задач, которые мы прекрасно умеем выполнять самостоятельно. Часто это означает, что каждый раз, когда мы приступаем к новому для нас направлению исследований, нам нужно найти подходящего человека, который отвечал бы за этот участок.

По счастью, моя лаборатория в Беркли получала довольно хорошее финансирование, но когда Джилл рассказала мне о CRISPR, никто из моих сотрудников не был достаточно квалифицирован для того, чтобы взять на себя этот новый, непредсказуемый и потенциально рискованный проект. И тут нам повезло: на собеседование на вакансию постдока пришел Блейк Виденхефт. Когда я спросила молодого претендента на вакансию, над чем он хотел бы работать, то, к своему восхищению, получила в ответ встречный вопрос: “А вы слышали когда-нибудь о CRISPR?” Я тут же взяла Виденхефта на работу. Всего несколько месяцев спустя Блейк обжился в Беркли и самозабвенно работал над успешным запуском проекта по изучению CRISPR.

Дружелюбный и располагающий к себе уроженец Монтаны, впитавший вместе с любовью к спортивным играм присущий им дух соперничества, Блейк приехал в Беркли из Бозмена, из Университета штата Монтана, где он получил и высшее образование, и степень доктора философии. В отличие от большинства исследователей, которых мне приходилось брать на работу до него (все они специализировались на биохимии или структурной биологии), Блейк был прирожденным микробиологом. Подобно Джилл, часть своих исследований он проводил в лаборатории, а часть – собирая образцы в полевых условиях. Работа над докторской диссертацией заносила его и в Йеллоустонский национальный парк, и в Россию, на Камчатку, где в кислотной воде горячих источников он обнаружил ранее неизвестные вирусы, способные выживать и сохранять способность к заражению при температурах выше 75 °C. Стало известно, что эти вирусы инфицируют архей – одноклеточные организмы, похожие на бактерии; в геноме почти у каждой археи есть CRISPR. После секвенирования геномов двух выделенных им вирусов Блейк обнаружил, что значительная часть ДНК у них совпадает. Это означало, что у вирусов должен был быть общий предок – несмотря на огромное расстояние, отделяющее Йеллоустон от Камчатки. Геномы вирусов также содержали ответы на вопрос, каким образом они заражают своих хозяев; анализируя конкретные вирусные гены, Блейк вычислил, какой именно фермент, скорее всего, давал вирусам возможность встраивать фрагменты своих геномов в ДНК ничего не подозревающих хозяев.