Спускаясь вниз по лестнице жизни
Позже стало известно, что тот же Вентер прочесывает на кораблях моря и океаны, повсюду собирая образцы ДНК еще неизвестных науке существ. А еще позднее обрисовалась и главная цель этого Вентера: он, оказывается, задался целью, изучая все эти ДНК, как-то приблизиться к разгадке тайны жизни, т.е. понять, как эта жизнь возникла.
Недавно, в связи с шумихой вокруг его очередного достижения (о чем выше), Вентер сам в нескольких словах описал свой научный путь: «Мы с моими друзьями Хэмом Смитом и Клайдом Хатчисоном-третьим долго обсуждали возможные причины различий между геномами разных существ и в конце концов пришли к выводу, что разгадать загадку возникновения жизни можно одним-единственным образом – с помощью изучения минимального генома, а изучить такой геном можно одним-единственным образом – с помощью его синтезирования. Этот разговор состоялся 20 лет назад. Мы с Хэмом на несколько лет свернули с этого пути, чтобы расшифровать геном человека, но уже в 2002 году мы всерьез занялись поставленной ранее задачей».
В чем, конкретно, состоит эта «задача»? В том, чтобы понять, как могла возникнуть жизнь в неживой природе. Или, если говорить чисто «технически», как возник первый «минимальный» геном, т.е. та минимальная совокупность ДНК, которая оказалась достаточной, чтобы управлять жизнью организма и его самовопроизведением?
И тут Вентер несколько хитрит. Его путь к разгадке тайны жизни - путь «сверху вниз по лестнице жизни», от сложного ко все более простому - не единственный возможный путь. Многие выдающиеся биологи уже многие годы идут к той же цели, так сказать, «снизу вверх», то есть от более простого ко все более и более сложному. Первым шагом на этом альтернативном пути был знаменитый эксперимент Миллера. В 1953 году (как раз тогда, когда Крик и Уотсон открыли структуру ДНК), молодой аспирант знаменитого биохимика Ури собрал простую установку, в которой воссоздал ту смесь газов, которая в ту пору считалась повторением первичной атмосферы Земли, пропустил через эту смесь электрический разряд (подобие молнии) и получил на выходе несколько простейших аминокислот, которые являются строительными «кирпичиками» любой ДНК. Гарольд Ури первым понял значение этого результата и даже снял свою фамилию со статьи Миллера, чтобы отдать всю честь открытия своему аспиранту.
С тех пор многие биологи пытаются продвинуться дальше по этому же пути, варьируя (в духе уточняющихся научных представлений) «первичную атмосферу» Земли и другие параметры, что позволило бы получить все более сложные – и все более близкие к структуре простейшей ДНК – химические соединения. На этом пути уже достигнуты весьма интересные и обнадеживающие результаты, но до создания «искусственной ДНК» пока еще очень и очень далеко.
Вентер и его соавторы идут, как уже сказано обратным путем. История их поисков началась в 1995 году, когда в созданной Вентером научной фирме «Селера» удалось расшифровать последовательность звеньев ДНК бактерии-паразита Mycoplasma genitalium (живущего в половых и дыхательных путях приматов). Этот геном оказался одним из минимальнейших в природе: в нем было около 600 тысяч звеньев и всего 485 генов (человеческая ДНК содержит примерно 22 тысячи генов и около 3 млрд звеньев, а самая большая известная на сей день ДНК - цветка Paris japonica - содержит 150 млрд звеньев).
Анализ этого генома показал, что около 100 генов в нем избыточны (их можно было удалять без вреда для бактерии), и это позволяло думать, что минимально необходимый для жизни геном должен содержать порядка 400 генов. Для его синтеза Вентер в 1998 году создал специальный институт (J.Craig Venter Institute, или JCVI, тот самый, который чуть позднее независимо произвел первую в мире расшифровку генома человека), и здесь ему и его коллегам в 2007 году удалось сделать следующий важный шаг –успешно пересадить геном бактерии M. mycoides в родственную бактерию М. capricolum (из которой был предварительно удален ее геном). Для контроля в пересаживаемый геном был введен ген, белок которого способен был испускать синий свет; появление в поле зрения микроскопа окрашенных в синее бактерий М. capricolum доказало, что трансплантация ДНК прошла успешно.
В 2008 г. был сделан третий шаг: группа Вентера успешно синтезировала точное подобие ДНК бактерии M. genitalium (иными словами, собрала те звенья, из которых стоит всякая молекула ДНК, точно в том порядке, в котором они идут в ДНК этой бактерии). А для того, чтобы иметь возможность отличать «настоящую» ДНК от ее искусственной копии, они ввели в свою копию несколько сегментов, звенья которых, прочитанные с помощью определенного шифра, составляли Е-мэйловый адрес Института Вентера, фамилии всех 46-ти участников эксперимента и три цитаты из классиков, включая одну из Джойса, особенно хорошо отражавшую суть этого научного поиска: «Жить, ошибаться, падать, торжествовать, творить жизнь из жизни».
Начиная со следующего этапа исследователи вернулись от бактерии M. Genitalium к M. Mycoides , поскольку эта вторая размножалась гораздо быстрее и это позволяло ускорить эксперимент. К этому времени уже существовали фирмы, производившие по заказу синтез коротких участков ДНК с любым нужным порядком звеньев, и Институт Вентера закупил у одной такой фирмы 1078 таких коротких ДНК по 1080 звеньев в каждой, которые в совокупности покрывали весь миллион с лишним звеньев ДНК M. mycoides (лишние 80 звеньев в каждой короткой ДНК повторяли такой же сегмент в предыдущей ДНК, так что при их сборке - «внахлест» - в одну большую ДНК не могло возникнуть ошибки). Эти короткие ДНК были подсажены в хромосомы дрожжей (один из модельных организмов современной биологии, на которых производятся различные пробные эксперименты) и там, с помощью рекомбинации хромосом, происходящей при делении дрожжевой клетки, они были «сшиты» сначала в более длинные ДНК по 10 тысяч звеньев в каждой, потом в еще более длинные, по 100 тысяч и, наконец, в полную ДНК бактерии M. Mycoides. После длительной проверки синтезированные таким образом геномы M. Mycoides были пересажены в освобожденную от своего генома бактерию М. capricolum, и один из таких «клонов» показал синюю окраску. Более того, дальнейший анализ показал, что эта «синтетическая» бактерия производит именно те белки, которые характерны для М. Mycoides, а не для М. capricolum, и размножается так же, как М. Mycoides.
Эти результаты были опубликованы в журнале Science в 2010 году и означали, что группе Вентера удалось создать первый в истории живой организм с синтетическим геномом. Этот организм получил название JCVIsyn1. Однако его геном (который в точности воспроизводил природный геном бактерии M. Mycoides) содержал 901 ген и был явно далек от минимального. Поэтому на очередном этапе исследований была поставлена задача максимально его уменьшить, «ободрав» все избыточные гены.
Поначалу исследователи пошли «теоретическим» путем – попытались, анализируя генетический состав этого генома, понять, без каких генов он мог бы обойтись. Однако сконструированные по таким теоретическим прикидкам «минимальные» геномы оказались нежизнеспособны. По словам самого Вентера, «это означает, что наши нынешние биологические знания еще недостаточны, чтобы сконструировать даже самый простейший живой организм». Поэтому экспериментаторы пошли путем проб и ошибок. Вентер охарактеризовал этот путь следующим образом: «Если перед вами самолет с двумя моторами, и вы хотите выяснить, что в нем избыточно, вы можете убрать любой из моторов, увидеть, что самолет летит и с одним мотором, и решить, что моторы вообще избыточны. Но если вы уберете сразу оба мотора, вы поймете, что это не так».
На практике этот поиск выглядел так. Геном M. Mycoides был разделен на 8 сегментов, каждый из которых последовательно подвергался «чистке», т.е. изъятию тех или иных генов или же их подавлению с помощью т.н. транспозонов (это подвижные элементы ДНК, которые нарушают работу генов, если попадают в них при своем перемещении по цепи ДНК). Затем все сегменты сшивались в исходном порядке. Если в результате какого-то единичного изменения геном в целом становился нежизнеспособным, исследователи понимали, что удалили жизненно важный ген, восстанавливали его и переходили к дальнейшей «чистке».
В конечном итоге они получили новый синтетический организм, JCVIsyn3, с геномом из 473 генов и 531 тысяч звеньев, т.е. меньше, чем прежний «рекордсмен» M. genitalium. (Название syn2 получил промежуточный продукт этого длительного экспериментального процесса, занявшего 6 лет напряженной работы). Именно о создании этого «минимального» (на данный момент) генома возбужденно сообщили газеты всего мира. Некоторые особо рьяные даже назвали это открытие «созданием искусственной жизни», что, разумеется, неверно, ибо создан лишь геном, а клетка для него (т.е. протоплазма со всем ее весьма существенным для жизни содержимым) была взята готовой. И даже сам геном не полностью рукотворен, ибо в его создании сыграл свою роль также генетический механизм дрожжевой клетки (кстати, не до конца еще понятный).
Тем не менее, результат, конечно, из фундаментальных, на уровне эксперимента Миллера. Он показывает, что организм может существовать и при наличии всего 473 генов. Это существенный шаг к «теоретическому минимуму» в 400 генов. (Разумеется, у бактерий, живущих в симбиозе с более сложным организмом, генов может быть и меньше 400, но лишь потому, что ряд жизненных функций выполняет для них «хозяин»).
Интересно, что 41% из генов этого JCVIsyn3 оказались заняты производством белков, 18% - контролем клеточной мембраны, 17% - собственно обменом веществ и 7% - защитой и ремонтом ДНК; занятия еще 70-ти генов определены лишь предположительно, а функции остальных 79-ти так и остались неизвестны (хотя их удаление делает геном нежизнеспособным). Стоит сравнить эту цифру, 473, с 4-5-ю тысячами генов простейшей кишечной палочки, чтобы понять, с какого минимума стартовала когда-то жизнь на Земле.
И вместе с тем уже этот первый «минимальный» геном (можно думать, что по его следам вскоре будут синтезированы другие, еще «минимальней») показывает, что даже самая простейшая жизнь была необыкновенно сложна и утверждения некоторых биологов, будто жизнь началась всего с нескольких способных к самовоспроизведению генов, скорее всего, слишком упрощены.
Но у результатов Вентера есть и чисто практическое значение. Разработанные его группой методы могут позволить (в будущем) создавать клетки с синтетическими геномами, целенаправленно «сконструированными» для выработки тех или иных фармакологически важных веществ. Клетки как фармакологические фабрики - на этой впечатляющей ноте я, пожалуй, закончу объяснять поставленный в начале восклицательный знак.
Рафаил Нудельман
"Окна", 14.04.16