Крейг Вентер

Жизнь на скорости света. От двойной спирали к рождению цифровой биологии

J. Craig Venter

Life at the Speed of Light

© 2013 by J. Craig Venter

© Перевод. Н. Жукова, 2016

© Издание на русском языке AST Publishers, 2018

* * *

Команда, которая внесла свой вклад в создание первой настоящей синтетической клетки:

Миккель А. Альжир, Нина Альперович, Синтия Эндрюс-Фаннкох, Насира Асад-Гарсия, Кевин С. Аксельрод, Холли Баден-Тильсон, Гвинед А. Бендерс, Анушка Браунли, Кристофер Кэльви, Уильям Каррера, Рэйюань Чжуан, Джейнли Дай, Евгения Денисова, Том Дирник, Марк Эллисман, Нико Энрикес, Роберт Фридман, Дэниел Г. Гибсон, Джон Гласс, Джессика Хостетлер, Клайд А. Хатчисон III, Прабха Айер, Радха Кришнакумар, Кароль Лартиг, Мэтт Льюис, Ли Ма, Махир Маруф, Адмасу Меланке, Чак Мерриман, Майкл Дж. Монтегю, Монзиа М. Муди, Владимир Носков, Прашант П. Пармар, Куанг Фан, Ремберт Пипер, Чжицин Ци, Томас Х. Сегал-Шапиро, Гамильтон Смит, Тимоти В. Стокуэлл, Личжи Сан, Грейнджер Саттон, Йо Сузуки, Дэвид У. Томас, Кристофер Э. Вентер, Санджай Ваши, Шибу Йозеф, Лэй Янг и Джейшри Завери.

Глава 1. Дублин, 1943–2012

Как могут физика и химия объяснить те явления в пространстве и времени, которые имеют место внутри живого организма?.. Явная неспособность современной физики и химии объяснить такие явления совершенно не дает оснований сомневаться в том, что они могут быть объяснены этими науками в будущем.

Эрвин Шрёдингер. «Что такое жизнь?» (1944)

«Что такое жизнь?» Всего три простых слова, и однако каждое из них закручивает вселенную не менее сложных вопросов. Что именно отличает одушевленное от неодушевленного? Каковы основные ингредиенты жизни? Где впервые зашевелилась жизнь? Как эволюционировали первые организмы? Везде ли есть жизнь? Насколько жизнь рассеяна по космосу? Если на экзопланетах есть другие формы жизни, они так же умны, как мы, или еще умнее?

Сегодня эти вопросы о природе и происхождении жизни остаются важнейшими и самыми горячо обсуждаемыми во всей биологии. От них зависит вся данная дисциплина, и хотя мы поныне ищем ответы на ощупь, мы сильно продвинулись за прошедшие десятилетия в их исследовании. На самом деле мы сильнее продвинулись в этом поиске на памяти ныне живущих людей, чем за десять тысяч или более поколений, в течение которых современный человек ходит по планете{1}. Мы теперь вошли в то, что я называю «цифровой эрой биологии», в которую начинают сливаться ранее хорошо различимые области компьютерного программирования и тех программ, что определяют жизнь, и где возникают новые сочетания, которые будут определять принципиальные направления эволюции.[1]

Если бы мне надо было назвать место и время, когда, как я считаю, родилась современная биологическая наука, то это был бы Дублин, февраль 1943 года, когда австрийский физик Эрвин Шрёдингер (1887–1961) сосредоточился на центральной проблеме всей биологии. Шрёдингер поселился в Дублине в 1939 году, отчасти спасаясь от нацистов, отчасти вследствие здешней терпимости к его нетрадиционной личной жизни (он жил одновременно с двумя женщинами и устраивал «бурные сексуальные приключения» для вдохновения{2}), а отчасти по инициативе тогдашнего премьер-министра Ирландии Эймона де Валеры, который пригласил его туда на работу.

Шрёдингер получил Нобелевскую премию в 1933 году за создание уравнения для квантовых волн, способных объяснить поведение субатомных частиц, самой вселенной и всего, что есть между этим. Теперь, через десять лет, выступая под эгидой Дублинского института высших исследований, основанного при его и де Валеры участии, Шрёдингер прочитал серию из трех лекций в дублинском Тринити-колледже, и лекции эти цитируют по сей день. Носящие общий заголовок «Что такое жизнь? Физический аспект живой клетки», эти чтения отчасти были вдохновлены интересом его отца к биологии, а отчасти статьей 1935 года{3}, ставшей результатом предшествовавших встреч физиков и биологов в довоенной Германии. Тогда немецкие физики Карл Циммер и Макс Дельбрюк вместе с русским генетиком Николаем Тимофеевым-Ресовским, используя способность рентгеновских лучей повреждать гены и вызывать мутации у дрозофил, пытались оценить размер гена («около 1000 атомов»).

Шрёдингер начал чтения в 16.30 в пятницу 5 февраля, причем в аудитории перед ним сидел премьер-министр. Репортер из журнала Time, бывший там, описал, как «от уже переполненной аудитории заворачивали толпы желающих. Министры, дипломаты, ученые и общественные деятели громко аплодировали худощавому профессору физики из Вены, превзошедшему амбиции всех прочих математиков». На следующий день в The Irish Times вышла статья «Живая клетка и атом», начинавшаяся изложением цели Шрёдингера – описать события внутри живой клетки посредством только химии и физики. Лекции были настолько популярны, что ученому пришлось повторять всю серию по понедельникам.

Шрёдингер сделал из своих лекций небольшую книгу, которая вышла в следующем году, за два года до моего рождения. Так «Что такое жизнь?» начала влиять на поколения биологов. (Через пятьдесят лет после прочтения этих замечательных лекций Майкл Мёрфи и Люк О’Нил из Тринити-колледжа отпраздновали годовщину, пригласив выдающихся ученых из разных дисциплин – в престижный список гостей вошли Джаред Даймонд, Стивен Джей Гулд, Стюарт Кауфман, Джон Мейнард Смит, Роджер Пенроуз, Льюис Вольперт и нобелевские лауреаты Кристиан де Дюв и Манфред Эйген, – чтобы предсказать, что может случиться в следующие полвека.) Я читал «Что такое жизнь?» как минимум раз пять по разным поводам, и каждый раз, в зависимости от этапа моей карьеры, ее основная идея принимала другой смысл, иные акценты и значение.

Причина, по которой эта тоненькая книжечка Шрёдингера оказалась такой влиятельной, по сути проста: он подходил к центральным проблемам биологии – наследственности и тому, как организмы управляют энергией, чтобы поддерживать порядок, – с новой, дерзкой, точки зрения. Он четко и кратко аргументировал, что жизнь должна подчиняться законам физики и что, следовательно, можно использовать физические законы, чтобы делать важные выводы о сущности жизни. Шрёдингер указал, что хромосомы должны содержать «в виде своего рода шифрованной записи весь “план” будущего развития индивидуума и его функционирования в зрелом состоянии». Он предположил, что эта запись должна представлять собой «высокоупорядоченную ассоциацию атомов, наделенную достаточной устойчивостью для длительного сохранения своей упорядоченности», и объяснил, как сумма атомов в «апериодическом кристалле» может нести достаточно информации для наследственности. Он использовал термин «кристалл», чтобы подчеркнуть стабильность, и характеризовал его как «апериодический», который, в отличие от периодического, с повторяющейся структурой (как объясняла The Irish Times, это как сравнивать сложный гобелен и рулон обычных обоев), мог бы нести большую информационную нагрузку. Шрёдингер утверждал, что для того, чтобы содержать много информации, этот кристалл не обязан быть слишком сложным и может быть таким же простым, как бинарный код вроде азбуки Морзе. Насколько я знаю, это первое упоминание того факта, что генетический код может быть простым, как бинарный.

Одно из самых примечательных свойств жизни – это ее способность создавать порядок: ваять сложное и упорядоченное тело из химического хаоса, окружающего нас. На первый взгляд эта способность кажется чудом, которое бросает вызов мрачному второму закону термодинамики, гласящему, что всё стремится соскользнуть от порядка к беспорядку. Но этот закон приложим только к закрытой системе вроде запечатанной пробирки, а живые существа – это открытые системы (или маленькие части большой закрытой системы), обменивающиеся веществом и энергией со своим окружением. Они тратят много энергии, чтобы создавать порядок и сложность в виде клеток.

Шрёдингер посвятил большую часть своей лекции термодинамике жизни – теме, в ту пору недостаточно изученной для его прозрений в генетике и молекулярной биологии. Он описывал удивительный дар живого «концентрировать на себе “поток порядка”, избегая таким образом распада в атомный хаос» и «пить упорядоченность» из подходящей среды. Он выяснил, какое отношение к этому подвигу креативности имеют «апериодические твердые тела». В кодированном тексте заложены средства, способные изменить близлежащие химические вещества таким образом, чтобы запрячь вихри в великом потоке энтропии и заставить их жить в виде клетки или организма.

Гипотеза Шрёдингера вдохновила ряд физиков и химиков обратить внимание на биологию – после того как они разочаровались во вкладе своих наук в проект «Манхэттен», создание атомной бомбы во время Второй мировой войны. Когда Шрёдингер читал свои лекции, научный мир считал, что основу генетического материала составляют не ДНК, а белки. В 1944 году появилось первое явное свидетельство того, что на самом деле носитель информации – не белок, а ДНК. Книга Шрёдингера подтолкнула американца Джеймса Уотсона и британца Фрэнсиса Крика на поиск этой «кодированной записи», что в конечном итоге привело их к открытию самой прекрасной структуры во всей биологии – двойной спирали ДНК, внутри которой лежат все тайны наследственности. Каждая цепочка двойной спирали комплементарна второй, и при этом они идут в противоположных (антипараллельных) направлениях. В результате двойная спираль способна „расстегиваться“ посередине, и каждая сторона может служить матрицей или образцом для другой, и так информация ДНК будет копироваться и передаваться потомству. В 1953 году, 12 августа, Крик послал Шрёдингеру письмо, в котором говорилось об этом, с добавлением: «Ваш термин „апериодический кристалл“, похоже, будет очень подходящим».

Детали того, как именно работает этот носитель информации, были открыты и затем подробно разобраны в 1960-х. Это привело к формулированию Криком в 1970 году «центральной догмы», определившей пути, по которым генетическая информация течет через биологические системы. В 1990-х я возглавлю группу, которая прочитает первый геном живой клетки, а потом одну из двух групп, которая прочитает человеческий геном в широко разрекламированной, часто жаркой, раздраженной и политизированной гонке с Уотсоном и другими. На рубеже тысячелетий мы на самом деле впервые увидели замечательные детали апериодического кристалла, содержащего зашифрованную запись человеческой жизни.

В мысли Шрёдингера неявно подразумевалось, что эта запись посылала свои сигналы с момента зарождения жизни, имевшего место больше четырех миллиардов лет назад. Рассмотрев эту идею подробнее, биолог и писатель Ричард Докинз предложил впечатляющий образ реки, текущей из Эдема{4}. Эта медленная река состоит из информации, из рецептов для построения живых существ. Точность копирования ДНК не абсолютна, и случавшиеся в череде поколений повреждения, вызванные кислородом или ультрафиолетом, породили достаточно замен в ДНК, чтобы обеспечить внутривидовую изменчивость. В результате река ветвится и раздваивается, порождая бесчисленные новые виды в течение миллиардов лет.

Полвека тому назад великий эволюционный генетик Мотоо Кимура прикинул, что количество генетической информации за последние пятьсот миллионов лет возросло на сто миллионов бит{5}. Запись в ДНК стала доминировать в биологической науке до такой степени, что в XXI веке биология стала информационной наукой. Сидней Бреннер, южноафриканский биолог, лауреат Нобелевской премии, заметил, что генетическая запись «должна сформировать ядро биологической теории»{6}. Систематики теперь используют штрих-коды ДНК, чтобы удобнее было отличать один вид от другого{7}. Другие начали использовать ДНК для вычислений{8} или как средство хранения информации{9}. Я руководил попытками не только читать цифровую программу жизни, но и писать ее, имитировать на компьютере и даже переписывать ее, чтобы сформировать новые живые клетки.

Почти через семьдесят лет после исходных лекций Шрёдингера, 12 июля 2012 года, я очутился в Дублине по приглашению Тринити-колледжа. Меня попросили вернуться к великой теме Шрёдингера и попытаться рассказать о том, как сейчас понимают и дают определение жизни, основываясь на современной науке. До сих пор этот вопрос по очевидным причинам интересует всех, и у меня тоже есть свой сугубо личный интерес. Будучи молодым санитаром во Вьетнаме, я усвоил, к своему изумлению, что разница между одушевленным и неодушевленным может быть очень тонкой: маленький кусочек ткани может отделять живую дышащую личность от трупа; даже при хорошем медицинском уходе выживание может частично зависеть от позитивного настроя пациента, от того, что он весел и оптимистичен, что доказывает, что из комбинаций живых клеток может возникать сложность более высокого порядка.

В 19.30 в четверг, имея за спиной десятилетия прогресса молекулярной биологии, я вышел на ту же сцену, на которую выходил и Шрёдингер, и, как и он, увидел перед собой премьер-министра в декорациях несравненного Экзаменационного зала Тринити-колледжа. Под огромной люстрой, перед портретами Уильяма Молино, Джонатана Свифта и им подобных я смотрел в аудиторию из четырехсот запрокинутых лиц и ярких огней камер всех видов и типов. В отличие от Шрёдингера я знал, что моя лекция будет записана, передана в прямом эфире, опубликована в блогах и выложена в твиттер, так как я снова затрону тот вопрос, для ответа на который так много сделал мой предшественник.

Следующий час с лишним я объяснял, что жизнь в основном состоит из биологических машин, управляемых ДНК. Все живые клетки работают на программах, записанных в ДНК, которые управляют сотнями тысяч белковых роботов. Мы оцифровывали жизнь десятилетиями, с тех пор как впервые представили, как читать программу жизни посредством секвенирования ДНК. Теперь мы можем идти в другом направлении, начиная с компьютерной цифровой основы, создавая новую форму жизни, химически синтезируя ее ДНК, а потом доводя ее до получения настоящего организма. И поскольку информация нынче цифровая, мы можем пересылать ее куда угодно со скоростью света и снова творить ДНК и жизнь на том конце. Рядом с премьер-министром Эндой Кенни сидел мой давний самопровозглашенный соперник Джеймс Уотсон. Когда я договорил, он взобрался на сцену, пожал мне руку и любезно поздравил меня с «прекрасной лекцией»{10}.

«Жизнь на скорости света», частично основанная на моей лекции в Тринити-колледже, задумана для того, чтобы описать наш невероятный научный прогресс. Всего за одну человеческую жизнь мы продвинулись от «апериодических кристаллов» Шрёдингера до понимания того, что если с записанного генома можно построить синтетическую хромосому и, следовательно, синтетическую клетку, то ДНК представляет собой программное обеспечение жизни. Эта работа опирается на потрясающие достижения в течение последнего полувека, которыми мы обязаны плеяде невероятно одаренных личностей в лабораториях всего мира. Я сделаю обзор этих разработок в молекулярной и синтетической биологии, отчасти чтобы отдать должное этому эпическому предприятию, отчасти чтобы признать вклады, сделанные ключевыми ведущими учеными. Я не ставил себе цели написать полную историю синтетической биологии, а только лишь пролить немного света на силу этого выдающегося совместного предприятия, которое мы называем наукой.

ДНК как оцифрованная информация не только накапливается в компьютерных базах данных, но теперь может передаваться как электромагнитная волна на скорости света или близко к ней, через биологический телепортер, чтобы заново сотворить белки, вирусы и живые клетки где-то далеко, возможно, навсегда меняя наш взгляд на жизнь. С этим новым пониманием жизни и недавними прорывами в наших способностях манипулировать ею широко раскрывается дверь, за которой появляются новые волнующие возможности. Индустриальная эпоха идет к концу, но мы становимся свидетелями начала эры биологического проектирования. Человечество вот-вот войдет в новую фазу эволюции.

Глава 2. Химический синтез как доказательство

Этот тип синтетической биологии, великая попытка сотворения искусственной жизни, также бросает вызов нашей привычной теории жизни. Если жизнь – это всего лишь самоподдерживающаяся химическая система, способная к эволюции по Дарвину, и мы действительно понимаем, как химия может поддерживать эволюцию, то мы должны быть способны синтезировать искусственную химическую систему, способную к эволюции по Дарвину. Если мы в этом преуспеем, то, значит, теории, на которых основывался наш успех, показали себя как правомочные… И напротив, если мы не сможем получить искусственную форму жизни при попытке создать химическую систему… мы должны сделать вывод, что наша теория жизни что-то упускает.

Стивен Беннер, 2009{11}

Людей издавна завораживала идея искусственной жизни. Начиная со средневекового гомункулуса Парацельса и голема из еврейского фольклора и до творения Франкенштейна Мэри Шелли и «репликантов» из «Бегущего по лезвию бритвы», мифология, легенды и популярная культура полны историями о синтетической и роботической жизни. Однако точное определение разницы между жизнью и не-жизнью или между жизнью биологической и машинной – большая и длительная задача равно для науки и философии. Веками принципиальной целью науки было, во-первых, понять жизнь на ее самом основном уровне и, во-вторых, научиться ею управлять. Американский биолог немецкого происхождения Жак Лёб (1859–1924) был, видимо, первым настоящим биологическим инженером. В своих лабораториях в Чикаго, Нью-Йорке и Вудс-Холе в Массачусетсе он конструировал то, что в своей книге 1906 года «Динамика живого вещества» назвал «долговечными машинами»{12}. Лёб делал двухголовых червей и, что наиболее известно, заставлял яйца морского ежа начинать эмбриональное деление без оплодотворения спермой{13}. Неудивительно, что Лёб стал прототипом Макса Готлиба – персонажа романа Синклера Льюиса «Эрроусмит», вышедшего в 1925 году и получившего Пулитцеровскую премию. Это было первое произведение серьезной литературы в жанре фантастики, идеализирующее чистую науку. Кстати, в нем фигурировало антибактериальное средство на основе вирусов, называемых бактериофагами.

В книге Филипа Дж. Паули «Управление жизнью: Жак Лёб и инженерный идеал в биологии» (1987) цитируется письмо, посланное в 1890 году Лёбом венскому физику и философу Эрнсту Маху (1838–1916), в котором Лёб утверждал: «Идеал, представляющийся мне сегодня, – это человек, способный сам действовать как создатель, даже в живой природе, формируя ее наконец-то по своей воле. Человек может наконец преуспеть в технологии живого вещества [einer Technik der lebenden Wesen]». Пятнадцатью годами позже Лёб предварил том своих научных статей объяснением, что «несмотря на разнообразие тем, все статьи в этом сборнике пронизывает одна ведущая идея, а именно, что феномен жизни возможно взять под наш контроль и что такой контроль, и ничто иное, и есть цель биологии».

Впрочем, истоки механистического взгляда Лёба можно обнаружить в истории за столетия до его переписки с Махом. Некоторые из самых ранних теорий жизни были «материалистическими» по сравнению с теми, которые полагались на нефизические процессы, которые лежат за пределами материального мира, и на сверхъестественные способы творения. Эмпедокл (490–430 гг. до н. э.) говорил, что всё, включая жизнь, сделано из сочетаний четырех неизменных «элементов» или «корней всего сущего»: земли, воды, воздуха и огня. Аристотель (384–322 гг. до н. э.), один из ранних «материалистов», делил мир на три главные группы: животные, растения и минералы. Эту классификацию до сих пор учат в школах. В 1996 году моя группа секвенировала первый геном археи. Эта последовательность многими преподносилась как доказательство того, что археи, как первым предположил американский микробиолог Карл Вёзе, представляют третью ветвь жизни – наряду с бактериями и эукариотами[2]. Когда это попало в новости, телеведущий Том Брокау риторически вопросил: «У нас есть животные, растения и минералы. Что же может быть за новая ветвь?»

Понимание углублялось, и мыслители становились амбициознее. Для греков идея изменения природы в угоду человеческим стремлениям или поиск способов управления ею выглядели бы абсурдом. Но с начала научной революции в XVI веке принципиальной целью науки стало не только исследование основ вселенной, но и овладение оной. Фрэнсис Бэкон (1561–1626), английский энциклопедист, основатель эмпиризма[3], облек это в слова, которые лучше привести в оригинале, чем пересказывать: греки, несомненно, «были похожи на мальчишек; они могут только болтать и ссориться, но не могут делать; ибо их мудрость обильна словами, но пустынна трудами… Из всех этих греческих систем и их последствий для отдельных наук едва ли можно по истечении многих лет привести хоть один эксперимент, который направлен на облегчение и улучшение состояния человека».

В романе-утопии «Новая Атлантида» (1623){14} Бэкон обрисовал свое представление о будущем, отмеченном человеческими открытиями, и даже предвидел финансируемое государством научное учреждение, Дом Соломона, где целью ставится «познание причин и скрытых сил всех вещей; и расширение власти человека над природою, покуда все не станет для него возможным». В его романе описываются эксперименты со «зверями и птицами», звучащие как генетическая модификация: «С помощью науки делаем мы некоторые виды животных крупнее, чем положено их породе, или, напротив, превращаем в карликов, задерживая их рост; делаем их плодовитее, чем свойственно им от природы, или, напротив, бесплодными; а также всячески разнообразим их природный цвет, нрав и строение тела». Бэкон даже упоминает способность проектировать жизнь: «И это получается у нас не случайно, ибо мы знаем заранее, из каких веществ и соединений какое создание зародится»{15}.

Наука не только хочет понять природу – она хочет и поставить ее на службу человеку. Рене Декарт (1596–1650), первопроходец в оптике, которого мы все ассоциируем с фразой «Я мыслю, следовательно, существую», в «Рассуждении о методе» 1637 года также заглянул вперед – в тот день, когда человечество сможет стать «хозяином и господином природы». Декарт и его последователи распространили механистические объяснения природных явлений на биологические системы, а затем исследовали их приложения. С самого рождения этого великого дела, однако, критики выражали опасения, что в погоне за эффективным господством над природой будут забыты более важные моральные и философские проблемы. Вместе с фаустовым духом современной науки пришел спор о приемлемости для человечества «игры в Бога».

Для некоторых не было вопроса, что превосходным примером принятия роли божества было бы создание чего-нибудь живого в лаборатории. В своей книге «Природа и происхождение жизни: в свете новых знаний» 1906 года французский биолог и философ Феликс ле Дантек (1869–1917) обсуждает эволюцию – или «трансформизм», как ее называли в додарвиновских дискуссиях о том, как меняются виды, – современных видов от более ранних и простых организмов, «живой протоплазмы, сведенной к минимальной сумме наследственных признаков». Он писал: «Архимед высказал символическое утверждение, которое, если принять его буквально, абсурдно: „Дайте мне точку опоры, и я переверну Землю“. Примерно так же трансформист наших дней имеет право сказать: „Дайте мне живую протоплазму, и я воссоздам целиком животное и растительное царства“». Ле Дантек очень хорошо понимал, что теми примитивными методами, которые были у него в распоряжении, эту работу было бы трудно выполнить: «Наше знакомство с коллоидами [макромолекулами] еще столь недавнее и рудиментарное, что нам не стоит рассчитывать на скорый успех в попытках изготовить живую клетку». Ле Дантек был так уверен, что будущее принесет синтетические клетки, что говорил: «С новыми знаниями, полученными наукой, просвещенному разуму больше не нужно видеть изготовление протоплазмы для того, чтобы убедиться в отсутствии всякой существенной разницы и абсолютного разрыва между живой и неживой материей»{16}.

В предыдущем веке границу между одушевленным и неодушевленным провели химики, в том числе Йёнс Якоб Берцелиус (1779–1848), шведский ученый, который считается одним из пионеров современной химии. Берцелиус впервые применил атомную теорию к «живой» органической химии{17}, опираясь на работу французского отца химии Антуана Лавуазье (1743–1794) и других ученых. Он определил две крупных ветви химии как «органическую» и «неорганическую»; органические соединения – это те, которые отличаются от всех прочих тем, что включают в себя атомы углерода. В первый век применения термина «органический» он означал «происходящий от живого». Но примерно в то время, когда Берцелиус выдвинул эти определения, которые мы используем до сих пор, в своем влиятельном учебнике химии начала XIX века, виталисты и неовиталисты рассматривали органический мир еще более однозначно: «Органические вещества имеют по крайней мере три составляющие… они не могут быть приготовлены искусственно… но лишь через сродства, связанные с жизненной силой. Из этого ясно, что одни и те же правила неприменимы к органической и неорганической химии, так как здесь существенно влияние жизненной силы»{18}.

Немецкий химик Фридрих Вёлер (1800–1882), некоторое время работавший с Берцелиусом, совершил открытие, которое долго считалось «опровержением» витализма: химический синтез мочевины. В современных учебниках, в лекциях и статьях вы все еще найдете ссылки на его experimentum crucis. Это достижение стало знаковым моментом в научных анналах, отметив начало конца влиятельной идеи, восходящей к античности, – а именно, что есть некая «жизненная сила», которая отделяет одушевленное от неодушевленного, характерный «дух», который пропитывает все тела, чтобы дать им жизнь. Из заурядных химикатов Вёлер вроде бы создал кое-что от самой жизни – уникальный момент, полный возможностей. В единственном эксперименте он преобразовал химию – до тех пор разделенную на два раздельных царства молекул жизни и неживых химикатов – и увел иголку еще на один стежок прочь от предрассудков к науке. Его открытие пришло всего через десять лет после публикации готического романа Мэри Шелли «Франкенштейн», а тот появился всего через несколько лет после попытки Джованни Альдини (1762–1834) оживить казненного преступника электрическим шоком.

Вёлер объяснил свой успех в письме к Берцелиусу, датированном 12 января 1828 года{19}, описав случай, когда в Политехнической школе в Берлине он нечаянно создал мочевину, основной азотсодержащий компонент в моче млекопитающих. Вёлер пытался синтезировать щавелевую кислоту, содержащуюся в ревене, из циана и водного раствора аммиака и в итоге получил белую кристаллическую субстанцию. Аккуратно экспериментируя, он сделал точный анализ натуральной мочевины и показал, что это то же самое вещество, что и его кристаллы. До тех пор мочевину получали только из животных источников.

Тревожась, что не получает ответа от Берцелиуса, Вёлер снова написал ему в письме от 12 февраля 1828 года: «Я надеюсь, что мое письмо от 12 января дошло до вас, и хотя я жил в ежедневном и ежечасном ожидании ответа, я не стану ждать дольше, но напишу вам сейчас, потому что не могу дольше, так сказать, придерживать свою химическую мочевину, и надеюсь опубликовать то, что я могу получить мочевину без участия почки, будь то человеческой или собачьей; аммиачная соль циановой кислоты[4] и есть мочевина». Вёлер продолжал: «Предполагаемый цианат аммония был легко получен путем взаимодействия цианата свинца с раствором аммония. Цианат серебра и раствор хлорида аммония тоже годятся. Были получены четырехгранные прямоугольные призмы, красиво кристаллизующиеся; если их обработать кислотами, то не выделяется циановая кислота, а если щелочами – ни следа аммиака. Но с азотной кислотой образуются блестящие хлопья легко кристаллизующегося соединения, причем сильно кислотного; я был склонен принять это вещество за новую кислоту, так как при нагревании не образовывалась ни азотная, ни азотистая кислота, зато выделялось много аммиака. Потом я обнаружил, что если раствор насытить щелочью, то снова появляется так называемый цианат аммония, и его можно экстрагировать спиртом. И вот, совершенно внезапно, я получил ее! Все, что было нужно, – это сравнить мочевину из мочи с мочевиной из цианата»{20}.

Когда Берцелиус наконец ответил, его реакция была шутливой и полной энтузиазма: «Тот, кто положил начало своему бессмертию в моче, имеет все основания завершить свой путь вознесения на небеса при помощи того же предмета… и поистине, герр доктор на самом деле придумал трюк, который ведет по истинному пути к бессмертному имени… Это, безусловно, будет очень полезным для будущих теорий».

Тут он попал в точку. В сентябре 1837 года в научное общество в Ливерпуле, известное как Британская ассоциация по развитию науки, обратился Юстус фон Либих (1803–1873), влиятельный ученый, совершивший ключевые открытия в химии, например, он установил важность азота как питательного вещества для растений{21}. Фон Либих обсуждал продемонстрированное Вёлером «удивительное и в какой-то степени необъяснимое получение мочевины без помощи жизненных функций», добавляя, что «началась новая эра в науке»{22}.

Достижение Вёлера вскоре попало в учебники, а именно в «Историю химии» Германа Франца Морица Коппа (1843), в которой было написано, что оно «разрушило ранее принятое разделение между органическими и неорганическими телами». К 1854 году значение Вёлерова синтеза мочевины было подчеркнуто, когда другой немецкий химик, Герман Кольбе, написал{23}: всегда считалось, что соединения в животных и растительных телах «обязаны своим образованием весьма загадочной силе, присущей исключительно живой природе, так называемой жизненной силе». Но теперь, в результате Вёлерова «эпохального и важного» открытия, разделение между органическими и неорганическими соединениями рассыпалось.

Однако, как бывает при непредвзятом рассмотрении многих исторических событий, «пересмотренная история» работы Вёлера может дать новое понимание, которое удивит всякого, придерживающегося традиционной точки зрения из учебников – той, что историк науки Питер Рамберг называет «вёлеровским мифом». Этот миф достигает апофеоза в 1937 году, в книге Бернарда Яффе «Тигли: Жизни и достижения великих химиков», популярной истории химии, где Вёлер описан как молодой ученый, тяжко трудившийся в «священном храме» своей лаборатории, чтобы развенчать загадочную жизненную силу.

Рамберг указывает, что если считать достижение Вёлера знаковым экспериментом, то удивительно, как мало свидетельств современников о реакции на него. Хотя Берцелиус был явно взволнован работой Вёлера, это было связано не столько с витализмом, сколько с тем, что синтез мочевины означал трансформацию солеподобного соединения в такое, у которого совсем не было свойств соли. Показав, что цианат аммония может стать мочевиной через внутреннюю перестановку атомов, ничего не набирая и не теряя, Вёлер предоставил один из первых и лучших примеров того, что химики называют изомерией. Сделав это, он способствовал преодолению прежних взглядов, согласно которым два вещества с разными физическими и химическими свойствами не могут иметь одинаковый состав{24}.

По единодушному мнению современных историков, область органической химии не могла быть открыта единственным экспериментом. Вёлеров синтез мочевины на самом деле почти не повлиял на витализм. Сам Берцелиус думал, что мочевина, по сути, отходы организма, не столько органическое соединение, сколько «промежуточное» вещество между органикой и неорганикой{25}. Более того, исходные материалы Вёлера скорее были органическими, чем неорганическими ингредиентами. Да и достижение его не было уникальным: четырьмя годами раньше он сам искусственно получил другое органическое соединение, щавелевую кислоту, из воды и циана{26}. Историк науки Джон Брук назвал Вёлеров синтез мочевины в конечном счете «не более чем маленьким камешком, слегка мешающим убедительному потоку виталистического мышления».

Витализм, подобно религии, не исчез просто в ответ на новые научные открытия. Чтобы сдвинуть систему убеждений, нужно накопить весомые доказательства путем многих экспериментов. Непрерывный прогресс науки все сильнее душил витализм, но на это ушли века, и даже сегодня программа по искоренению этого мистического поверья еще не выполнена до конца.

Ряд ключевых открытий, которые должны были бы подорвать древнюю идею витализма, начинается с 1665 года, когда Роберт Гук (1635–1703) под созданным им новым микроскопом впервые обнаружил клетки. Со времени опытов его и других первопроходцев, таких как голландец Антони ван Левенгук (1632–1723), мы накопили доказательства, что клетки являются базовой биологической структурой для всего, что мы знаем как жизнь. По мере становления современной науки в течение XVI и XVII веков витализм сталкивался со все более серьезными вызовами. В 1839 году, через десять с небольшим лет после синтеза мочевины Вёлером, Матиас Якоб Шлейден (1804–1881) и Теодор Шванн (1810–1882) написали: «Все живые существа состоят из живых клеток». В 1855 году Рудольф Вирхов (1821–1902), основатель современной клеточной патологии, выдвинул так называемый «биогенный закон»: Omnis cellula e cellula, то есть «все живые клетки происходят от ранее существующих клеток». Это явно противоречило представлению о «самозарождении», известному еще с античности и, как подсказывает название, предполагающему, что жизнь может сама собой возникать из неживой материи – например, опарыши из гниющего мяса или плодовые мушки из бананов.

В своем знаменитом исследовании 1859 года Луи Пастер (1822–1895) опроверг теорию самозарождения посредством простого опыта. Он прокипятил бульон в двух разных колбах, одна не закрывалась, и в нее попадал внешний воздух; вторая имела S-образный изгиб горлышка и была заткнута ватой. После остывания открытой колбы в ней выросли бактерии, но во второй колбе ничего не выросло. Считается, что Пастер доказал, что микроорганизмы есть везде, включая воздух. Как и в случае с Вёлером, результаты его экспериментов, если рассмотреть их во всех деталях, не были столь убедительными, как это часто изображается, и окончательные доказательства были получены только в последующих работах немецких ученых{27}.

Эксперименты Пастера привели некоторых ученых того времени к исключению возможности того, что жизнь исходно развилась (или может быть развита) из неорганических веществ. В 1906 году французский биолог и философ Феликс ле Дантек писал: «Часто говорится, что Пастер показал бесполезность попыток… людей науки воспроизвести жизнь в своих лабораториях. Пастер показал лишь вот что: приняв определенные меры предосторожности, мы можем исключить любое попадание уже существующих живых организмов в конкретные субстанции, которые могут служить им пищей. И всё. Проблема синтеза протоплазмы осталась там же, где была{28}».

Хотя Пастер и показал, как исключить жизнь из стерильной среды, он не помог нам понять, как миллиарды лет назад на юной Земле воцарилась жизнь. В 1880 году немецкий эволюционный биолог Август Вейсман (1834–1914) сформулировал важный вывод из биогенного закона, обращенный назад, к первоисточнику: «Ныне живущие клетки могут проследить свою родословную до древнейших времен». Другими словами, должна быть общая предковая клетка. И это, конечно, приводит нас к революционной работе Чарльза Дарвина «Происхождение видов», вышедшей в 1859 году. Дарвин (1809–1882), а также британский натуралист и исследователь Альфред Рассел Уоллес (1823–1913) утверждали, что у всех созданий случаются вариации или изменения видовых признаков, которые передаются последующим поколениям. Некоторые вариации оказываются выгодными формами, которые процветают в каждом последующем поколении, и так они – и их гены – становятся более распространенными. Это естественный отбор. Со временем, когда новые версии признаков накопятся, линия может измениться настолько, что больше не сможет обмениваться генами с другими линиями, которые когда-то были ее родичами. Так рождается новый вид.

Несмотря на эти продвижения в науке, у витализма даже в ХХ веке были пламенные защитники. Среди них был Ханс Дриш (1867–1941), выдающийся немецкий эмбриолог, обратившийся к идее энтелехии (от греческого слова entelécheia), которая предполагает необходимость «души», «организующего поля» или «жизненной функции» для одушевления материальных составляющих жизни. Иного пути разрешения проблемы формирования тела из неструктурированной отдельной клетки он не видел. В 1952 году великий британский математик Алан Тьюринг показал, как у эмбриона может появиться структура de novo{29}. Подобным же образом французский философ Анри-Луи Бергсон (1859–1941) постулировал élan vital (жизненный порыв) для преодоления сопротивления инертной материи при формировании живых тел. Даже в наше время, хотя самые серьезные ученые считают витализм давно опровергнутой идеей, некоторые не отказались от представления, что жизнь основана на какой-то мистической силе. Вероятно, это не должно удивлять: слово «витализм» всегда имело столько же значений, сколько и сторонников, а общепринятое определение жизни отсутствует до сих пор.

В наше время появилась новая разновидность витализма. В этой более изощренной форме упор делается не столько на присутствие искры жизни, сколько на то, что современные редукционистские, материалистические объяснения неспособны объяснить загадку жизни. Это направление мышления отражает убеждение, что сложность живой клетки возникает в ходе множества взаимодействующих химических процессов, образующих взаимосвязанные циклы с обратной связью, и все это не может быть описано лишь в понятиях тех процессов и реакций, из которых оно состоит. В результате витализм сегодня проявляется в облике смещения акцента с ДНК на «эмерджентные» свойства клетки, которые оказываются чем-то бóльшим, чем сумма ее молекулярных частей и того, как они работают в конкретной среде.

Результатом этого нового утонченного витализма становится стремление некоторых ученых принизить или даже игнорировать центральную роль ДНК. По иронии судьбы редукционизм не помог. Сложность клеток, вместе с продолжающимся подразделением биологии на учебные дисциплины в большинстве университетов, привела многих на путь „белкоцентричности“, противостоящей ДНК-центричному взгляду на биологию. В последние годы ДНК-центричная точка зрения все сильнее склоняется к эпигенетике, системе «переключателей», которые включают и выключают гены в ответ на такие факторы окружающей среды, как стресс или питание. Многие сейчас ведут себя так, как будто область эпигенетики на самом деле отделена и независима от биологии, основанной на ДНК. Когда кто-то начинает приписывать цитоплазме неизмеримые свойства, он тем самым невольно попадает в ловушку витализма. То же самое относится к подчеркиванию загадочных эмерджентных свойств клетки помимо ДНК, что равносильно возрождению принципа Omnis cellula e cellula и идеи, что все живые клетки происходят от ранее существовавших клеток.

Это, конечно, верно, что клетки оказались первичной биологической основой для всего, что мы знаем как жизнь. Понимание их структуры и содержимого стало в результате основой для важных фундаментальных дисциплин – клеточной биологии и биохимии. Однако, как я надеюсь показать, без своей генетической информационной системы клетки проживут от нескольких минут до нескольких дней. Без генетической информации у них нет средств для создания белковых компонентов или их оболочки из липидных молекул, которые образуют мембрану, удерживающую их водянистое содержимое. Они не будут эволюционировать, они не будут воспроизводиться, и они не будут жить.

Хотя мы осознаем, что миф, сложившийся вокруг Вёлерова синтеза мочевины, неточно отражает исторические факты, связанные с этим сюжетом, фундаментальная логика его эксперимента по-прежнему оказывает мощное и обоснованное влияние на научные методы. Сегодня стандартный способ доказать, что предполагаемая химическая структура исследуемого вещества верна, состоит в том, чтобы синтезировать такую структуру и показать, что результат синтеза имеет все свойства природного продукта. Десятки тысяч научных статей начинаются с такой предпосылки или содержат фразу «доказано синтезом». Мое собственное исследование руководствовалось принципами письма Вёлера от 1828 года. Когда в мае 2010 года моя группа в Институте Крейга Вентера (JCVI) синтезировала целую бактериальную хромосому посредством компьютерной программы и четырех бутылей химикатов, а потом вставила хромосому в клетку, создав первый синтетический организм, то мы действовали по аналогии с работой Вёлера{30} и его «синтезом как доказательством».

Материалистический взгляд на жизнь как машину приводил некоторых ученых к попытке сотворения искусственной жизни вне биологии, на основе механических систем и математических моделей. К 1950-м, когда ДНК окончательно признали материальным носителем генов, механистический подход уже маячил в научной литературе. В этой версии жизнь должна появляться из сложных механизмов, а не из сложной химии. В 1929 году молодой ирландский кристаллограф Джон Десмонд Бернал (1901–1971) представил возможность существования машин с жизнеподобной способностью к воспроизведению себя в «постбиологическом будущем», которое он описал в книге «Мир, плоть и дьявол»: «Создать саму жизнь будет лишь предварительным этапом. Изготовление жизни как таковой будет важно лишь тогда, если мы собираемся позволить ей заново развиваться самой».

Логичный рецепт по сотворению этих сложных механизмов был разработан в следующем десятилетии. В 1936 году Алан Тьюринг, криптограф и пионер искусственного интеллекта, описал то, что обрело известность как машина Тьюринга, а именно набор инструкций, написанных на ленте. Тьюринг также определил универсальную машину Тьюринга, которая может выполнять любые вычисления, для которых можно написать инструкции. Это стало теоретической основой цифрового компьютера.

Идеи Тьюринга были развиты далее в 1940-х знаменитым американским математиком и энциклопедистом Джоном фон Нейманом, который задумал самовоспроизводящуюся машину. Подобно тому, как Тьюринг предвидел универсальную машину, фон Нейман предвидел универсальный конструктор. Родившийся в Венгрии гений очертил свои идеи в лекции «Общая и логическая теория автоматов» на симпозиуме Хиксона 1948 года в Пасадене, Калифорния. Он указал, что «живые организмы гораздо более сложны и тоньше устроены и, следовательно, значительно менее понятны в деталях, чем искусственные автоматы». Тем не менее он утверждал, что некоторые из закономерностей, которые мы наблюдаем у первых, могут быть поучительными для размышлений о последних и их проектирования.

Машина фон Неймана включает в себя «ленту» из ячеек, которая кодирует последовательность выполняемых машиной действий. Используя записывающую головку (обозначенную как «сборочный манипулятор»), машина может построить новую систему ячеек – в частности, может сделать полную копию и себя, и ленты. Репликатор фон Неймана был неуклюжей на вид структурой, состоящей из основной области в восемьдесят на четыреста квадратов, сборочного манипулятора и «хвоста Тьюринга» – полосы закодированных инструкций, состоящей из еще 150 000 квадратов. («Автоматы [Тьюринга] – это чисто вычислительные машины, – пояснял фон Нейман. – Что на самом деле нужно – так это автомат, производящий другие автоматы»{31}.) Все это творение состояло примерно из двухсот тысяч таких «клеток». Чтобы воспроизводиться, машина использовала «нейроны», обеспечивающие логическое управление, передающие клетки для передачи сообщений от центров управления, и «мышцы», чтобы изменять окружающие клетки. По инструкциям хвоста Тьюринга машина выдвигала манипулятор, а затем водила им вперед-назад, создавая копию себя при помощи ряда логических манипуляций. Копия затем могла сделать новую копию и так далее.

Природа этих инструкций стала с тех пор яснее по мере параллельного развития цифрового мира и биологических миров науки. Эрвин Шрёдингер писал тогда то, что вроде бы стало первым упоминанием его «кодированной записи»: «Именно эти хромосомы или, возможно, только осевая или скелетная нить того, что мы видим под микроскопом как хромосому, содержат в виде своего рода [кодированной записи[5] ] весь “план” будущего развития индивидуума и его функционирования в зрелом состоянии».

Шрёдингер продолжал утверждать, что «кодированная запись» может быть простой, как бинарный код: «Действительно, число атомов в такой структуре не обязано быть очень велико, чтобы получить практически неограниченное число возможных сочетаний. Для примера вспомним азбуку Морзе. Два разных знака – точка и тире – в хорошо упорядоченных группах не более чем по четыре символа дают тридцать разных спецификаций{32}».

Хотя фон Нейман придумал свой самовоспроизводящийся автомат за несколько лет до того, как в двойной спирали ДНК был открыт реальный наследственный код, он отметил, что у автомата должна быть способность эволюционировать. В своей Хиксоновской лекции он поведал аудитории, что каждая инструкция в такой машине «грубо говоря, выполняет функции гена», и продолжил описанием того, как ошибки автомата «могут проявлять некоторые характерные черты мутации – как правило, летальной, но иногда способной продолжать воспроизводиться вместе с соответствующим изменением признака». Как заметил генетик Сидней Бреннер, можно сказать, что биология дает наилучшие реальные образцы машин Тьюринга и фон Неймана: «Понятие гена как символического – в виде кодированной записи – представления организма – это фундаментальная черта живого мира»{33}.

Фон Нейман, упорно следуя своему исходному понятию репликатора, придумал чисто логический автомат, не требующий физического носителя и целого моря деталей, а основанный на изменяющемся состоянии ячеек в решетке. Его коллега по Лос-Аламосу (где они работали в проекте «Манхэттен») Станислав Улам предложил фон Нейману использовать для разработки его устройства математическую абстракцию вроде той, которую сам Улам применял для изучения роста кристаллов. Фон Нейман представил получившийся «самовоспроизводящийся автомат» – первый клеточный автомат – на Ванаксемских лекциях о «Машинах и организмах» в Принстонском университете между 2 и 5 марта 1953 года.

Попытки моделирования жизни продолжались, но тут изменилось наше понимание биологии, лежащее в их основе: 25 апреля 1953 года Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик опубликовали в журнале Nature{34} ключевую статью «Молекулярное строение нуклеиновых кислот: структура дезоксирибонуклеиновой кислоты». Их работа, выполненная в Кембридже (Англия) и опиравшаяся на рентгенокристаллографические данные Розалинд Франклин и Рэймонда Гослинга из Королевского колледжа в Лондоне, предлагала двойную спиральную структуру ДНК. Уотсон и Крик описали элегантную функциональную молекулярную структуру двойной спирали и то, как ДНК воспроизводится, чтобы ее инструкции передавались из поколения в поколение. Это был природный самовоспроизводящийся автомат.

Начало попыток создания другого рода самовоспроизводящихся автоматов, как и начало исследований искусственной жизни, датируются примерно этим же периодом, когда стали использоваться первые современные компьютеры. Открытие кодированной природы генетической информационной системы жизни естественным образом привело к параллели с машинами Тьюринга. Сам Тьюринг в своей важнейшей статье 1950 года об искусственном интеллекте обсуждал, что выживание наиболее приспособленных – это «медленный метод», который можно было бы подтолкнуть, и не в последнюю очередь потому, что экспериментатор не ограничен случайными мутациями{35}. Многие поверили, что искусственная жизнь появится из сложных логических взаимодействий в компьютере.

В этой точке сошлись разные течения мысли: теории фон Неймана с его работами по ранним компьютерам и самовоспроизводящимся автоматам; Тьюринга, поставившего основные вопросы о машинном разуме{36}; и американского математика Норберта Винера, который применил идеи из теории информации и саморегулирующихся процессов к живым существам в области кибернетики{37}, описав это в своей книге «Кибернетика», выпущенной в 1948 году. Было много последовательных попыток возжечь в компьютере жизнь. Одна из самых ранних случилась в Институте перспективных исследований в Принстоне в 1953 году, когда норвежско-итальянский генетик-вирусолог Нильс Аол Барричелли провел эксперименты «с целью проверить возможность эволюции, сходной с таковой у живых организмов, в искусственной вселенной»{38}. Он сообщил о различных «биофеноменах», например об успешном скрещивании родительских «организмов», роли пола в эволюционных изменениях и роли сотрудничества в эволюции{39}.

Возможно, наиболее убедительный эксперимент по созданию искусственной жизни был проведен несколько десятилетий спустя, в 1990 году, когда Томас Рэй из Делавэрского университета создал первое впечатляющее приближение к дарвиновской эволюции в компьютере. В его модели организмы – компьютерные подпрограммы – боролись за память (пространство) и вычислительные мощности (энергию) в специально выделенном «заповеднике» внутри машины. Для этого ему пришлось преодолеть ключевое препятствие: языки программирования «хрупкие», в них единичная мутация – строчка, буква или точка не в том месте – останавливает программу. Рэй предложил некоторые изменения, после которых мутации с меньшей вероятностью выключали его программу. Потом последовали другие варианты компьютерной эволюции, например Avida{40}, программа, созданная группой из Калифорнийского технологического института (Калтеха) в начале 1990-х для изучения эволюционной биологии самовоспроизводящихся компьютерных программ. Исследователи считали, что с ростом мощности компьютера они смогут создать более сложные существа – чем богаче компьютерная среда, тем богаче искусственная жизнь, которая может развиваться и множиться.

Даже сегодня есть такие, как Джордж Дайсон, который в своей книге «Собор Тьюринга» (2012) утверждает, что примитивные осколки реплицирующихся программ из вселенной Барричелли – это предки линий мультимегабайтных программ, плодящихся в современной цифровой вселенной, во Всемирной сети и за ее пределами{41}. Он утверждает, что теперь есть вселенная самовоспроизводящихся цифровых записей, которая прирастает на триллионы бит в секунду, «вселенная чисел с собственной жизнью»{42}. Эти виртуальные ландшафты расширяются экспоненциально и, как наблюдал сам Дайсон, начинают становиться цифровым аналогом вселенной ДНК.

Но эти виртуальные пастбища на самом деле относительно скудны. В 1953 году, всего через полгода после попытки создать эволюцию в искусственной вселенной, Барричелли обнаружил серьезные барьеры, в которые упирается любая попытка породить искусственную жизнь в компьютере. Он сообщал, что «для того чтобы объяснить формирование таких сложных органов и способностей, как у живых организмов, чего-то не хватает… Сколько бы мы ни делали мутаций, цифры всегда останутся цифрами. Цифры сами по себе никогда не станут живыми организмами!{43}»

Искусственная жизнь в своем исходно задуманном виде обрела новое виртуальное существование в форме игр и кинофильмов: смертоносный Hal 9000 из «Одиссеи 2001 года», кровожадный Скайнет из фильмов о Терминаторе, злонамеренные машины в «Матрице». Однако реальность пока сильно отстает. В компьютерной искусственной жизни нет разницы между генетической последовательностью (генотипом) произведенного организма и ее физическим выражением – фенотипом. В случае с живой клеткой текст ДНК выражается в форме РНК, белков и клеток, образующих все физические субстанции жизни. Искусственные системы жизни быстро выдыхаются, потому что генетические возможности в компьютерной модели не имеют открытого финала, но предопределены. В отличие от биологического мира, исход компьютерной эволюции заложен еще при ее программировании.

В науке предметы химии, биологии и информатики счастливо сошлись в моей дисциплине – геномике. Цифровые компьютеры, созданные ДНК-машинами (людьми), теперь научились читать зашифрованные в ДНК инструкции, анализировать их и писать, чтобы создавать новые разновидности ДНК-машин (синтетическую жизнь). Когда мы объявили о создании первой синтетической клетки, некоторые спрашивали нас, не «играем ли мы в Бога». В ограниченном смысле я полагаю, что играем – поскольку мы показали этим экспериментом, что для создания новой жизни Бог необязателен. Я считал, что созданием синтетической жизни из химикатов мы наконец-то раз и навсегда отправили на покой последние остатки виталистических представлений. Но, кажется, я недооценил, до какой степени современное научное мышление все еще пронизано виталистическими установками. Установка – это враг научного прогресса. Установка, что генетический материал – это белки, задержала открытие ДНК как носителя информации примерно на полвека.

В течение второй половины ХХ века мы пришли к пониманию, что ДНК и есть шрёдингеровская «кодированная запись», расшифровали ее сложный смысл и начали представлять, как именно она направляет жизненные процессы. Это эпическое приключение в понимании отметило рождение новой эры в науке – той науке, что лежит на стыке биологии и технологии.

Глава 3. Начало цифрового века в биологии

Если мы были правы, что, конечно, еще не доказано, то это значит, что нуклеиновые кислоты – не только структурно важные, но и функционально активные вещества в определении биохимических активностей и специфических характеристик клеток, и что посредством известных химических веществ возможно индуцировать предсказуемые и наследуемые изменения в клетках. Это было давнишней мечтой генетиков.

Освальд Эвери в письме к своему брату Рою, 1943{44}

В том же году, когда Шрёдингер читал свои эпохальные лекции в Дублине, наконец была открыта химическая природа его «кодированной записи» и вообще наследственности. Это дало новый взгляд на тему, интересовавшую, интриговавшую, захватывавшую и морочившую наших предков с самой зари человеческого сознания. У великого воина могло быть много детей, но ни один из них не имел той же стати или склонностей к битвам. Иные семьи поражала некая болезнь, причем она проявлялась из поколения в поколение в каком-то случайном порядке, ею страдали одни потомки и не болели другие. Почему у индивидуумов проявляются или, чаще, не проявляются определенные физические черты родителей и даже более дальних родственников? Одни и те же вопросы задавали тысячи лет, и не только о нашем собственном виде, но и о скоте, посевных культурах, плодовых растениях, собаках и так далее.

На протяжении тысячелетий со времени зарождения земледелия и одомашнивания животных об этих тайнах появлялось много догадок. У Аристотеля было смутное представление о фундаментальных принципах, когда он писал, что в курином яйце заключено «понятие» цыпленка, а желудь «осведомлен» о том, как устроен дуб. В XVIII веке в результате развития знаний о растительном и животном разнообразии, а также систематики стали появляться новые идеи о наследственности. Дед Чарльза Дарвина, Эразм Дарвин (1731–1802), могучая интеллектуальная сила в Англии XVIII века, сформулировал одну из первых формальных теорий эволюции в первом томе «Зоономии, или Законов органической жизни»{45} (1794–1796), где он сказал, что «все живые животные произошли от одного живого волокна». Классическая генетика в том виде, как мы ее понимаем, началась в 1850-х и 1860-х, когда моравский монах Грегор Мендель (1822–1884) попытался составить правила наследственности, по которым происходит гибридизация растений. Но лишь в последние семьдесят лет ученые сделали замечательное открытие, что «волокна» или «нити», которые предложил Эразм Дарвин, действительно используются для программирования каждого организма на планете с помощью молекулярных роботов.

До середины прошлого века большинство ученых считали, что нести генетическую информацию могут только белки. С учетом того, что жизнь так сложна, они полагали, что ДНК – полимер, состоящий всего из четырех химических единиц, – слишком проста по строению, чтобы передавать достаточно данных следующему поколению, и что это просто поддерживающая структура для белкового генетического материала. Белки же сделаны из двадцати разных аминокислот и имеют сложную первичную, вторичную, третичную и четвертичную структуры, а ДНК – это всего лишь полимерная нить. Только белки, которые окутывают хромосомы, казались достаточно сложными, чтобы работать как шрёдингеровский «апериодический кристалл», способный нести весь объем информации, которую следует передавать от клетки к клетке во время ее деления.

Это отношение начало меняться в 1944 году, когда были опубликованы подробности красивого простого эксперимента. Открытие, что именно ДНК, а не белок, настоящий носитель наследственной информации, было сделано Освальдом Эвери (1877–1955) в Рокфеллеровском университете в Нью-Йорке. Выделив вещество, которое могло менять некоторые свойства одного штамма бактерий на свойства другого в процессе, называемом трансформацией, он обнаружил, что полимер ДНК и был на самом деле тем «трансформирующим фактором», который придавал клеткам новые свойства.

Эвери, которому тогда было 65 лет и который уже собирался на пенсию, и его коллеги Колин Манро Маклеод и Маклин Маккарти повторили то же наблюдение, что почти на двадцать лет раньше сделал бактериолог Фредерик Гриффит (1879–1941) в Лондоне. Гриффит изучал пневмококк (Streptococcus pneumoniae) – бактерию, которая вызывает эпидемии пневмонии и существует в двух разных формах: R-форме, которая под микроскопом выглядит шершавой (rough) и незаразна, и S-форме, или smooth, гладкая, которая может вызывать смертельно опасную болезнь. У пациентов с пневмонией обнаруживались обе формы – R и S.

Гриффит задумался, не превращаются ли друг в друга летальная и безобидная формы бактерии. Чтобы ответить на этот вопрос, он придумал хитрый эксперимент, в котором колол мышам безвредные R-клетки вместе с S-клетками, предварительно убитыми нагревом. Можно было ожидать, что мыши выживут, поскольку когда им кололи только убитую вирулентную форму S, то грызуны выживали. Однако неожиданно, когда живая невирулентная форма R поступила вместе с мертвыми клетками формы S, мыши стали умирать. Из умерших мышей Гриффит получил живые клетки как R-, так и S-типа. Он рассудил, что некая субстанция из убитых нагревом S-клеток перешла в R-клетки и превратила их в S-форму. Поскольку это изменение наследовалось в поколениях бактерий, было сочтено, что этот фактор – генетический материал. Гриффит назвал этот процесс «трансформацией», хотя не имел представления об истинной природе «трансформирующего фактора».

Ответ появился почти через двадцать лет, когда Эвери с коллегами повторили эксперимент Гриффита и доказали методом исключения, что этот фактор – ДНК. Они поочередно убирали белок, РНК и ДНК, используя ферменты, которые переваривают лишь каждый отдельный компонент клетки: в данном случае это были протеазы, РНКазы и ДНКазы соответственно{46}. Последовавшая статья оказала действие, однако вовсе не сразу, потому что научное сообщество не торопилось расставаться с уверенностью в том, что для объяснения генетики необходима сложность белков. В книге «Нобелевские премии и науки о жизни» (2010) Эрлинг Норрби, бывший генеральный секретарь Шведской королевской академии наук, обсуждает, почему так неохотно принимали открытие Эвери: хотя работа его группы была убедительной, скептики приводили рассуждения, что всё равно была возможность, что трансформацию обеспечивали малые количества какого-то другого вещества, например устойчивого к протеазам белка{47}.

Тем временем большие успехи были достигнуты в изучении белков, в частности в 1949 году, когда британец Фредерик Сэнгер определил последовательность аминокислот в гормоне инсулине – замечательное достижение, за которое он будет награжден Нобелевской премией. Его работа показала, что белки – это не комбинация близкородственных веществ без единой структуры, а на самом деле одно вещество{48}. Сэнгер, которого я глубоко уважаю, без сомнения, один из самых виртуозных научных новаторов всех времен благодаря его особому вниманию к разработке новых методов{49}. («Из трех главных видов деятельности, из которых состоит научная работа – думать, говорить и делать, – я предпочитаю последний и, вероятно, умею это лучше всего. Я вполне справляюсь с думанием, но не очень хорошо говорю»{50}.) Его подход принес отличные дивиденды.

Идея, что нуклеиновые кислоты держат ключ к наследственности, постепенно начала преобладать в конце 1940-х и в начале 1950-х, когда были поставлены другие успешные эксперименты по трансформации – например, было показано, что РНК из вируса табачной мозаики сама по себе заразна. И все же признание, что ДНК – это наследственный материал, приходило медленно. Истинное значение экспериментов Эвери, Маклеода и Маккарти стало ясно только в следующем десятилетии, когда накопилось достаточно данных. Один из ключевых для данной гипотезы фактов был получен в 1952 году, когда Альфред Херши и Марта Коулз Чейз продемонстрировали, что ДНК – это генетический материал вируса, известного как бактериофаг Т2, способный заражать бактерии{51}. Значительно лучше стали понимать, что ДНК – это генетический материал, в 1953 году, когда ее структура была выявлена Уотсоном и Криком во время работы в Кембридже (Англия). Предыдущие исследования установили, что ДНК состоит из кирпичиков, называемых нуклеотидами. Каждый нуклеотид состоит из сахара-дезоксирибозы, фосфатной группы и одного из четырех азотистых оснований – аденина (А), тимина (Т), гуанина (Г) и цитозина (Ц). Фосфаты и сахара соседних нуклеотидов сцепляются и образуют длинный полимер. Уотсон и Крик установили, как эти детали соединяются вместе в элегантную трехмерную структуру.

Чтобы достичь этого, они использовали критически важные данные, полученные другими учеными. От Эрвина Чаргаффа они узнали, что четыре разных химических основания в ДНК обнаруживаются парами, что чрезвычайно важно, когда дело доходит до понимания «ступенек», из которых состоит лестница жизни. (В мою коллекцию по истории науки в моем бесприбыльном Институте Крейга Вентера входит лабораторный блокнот Крика того времени, где записаны неудачные попытки повторить эксперимент Чаргаффа.) Они получили ключ к решению от Мориса Уилкинса, который первым поразил Уотсона своими новаторскими рентгеновскими исследованиями ДНК, и Розалинд Франклин. На фото № 51 (также экспонат коллекции в Институте Вентера), сделанном Рэймондом Гослингом в мае 1952 года, видны черные перекрещенные отражения, которые оказались ключом к молекулярной структуре ДНК, выявляющие, что это двойная спираль, в которой буквы текста ДНК соответствуют перекладинам{52}.

25 апреля 1953 года статья Уотсона и Крика «Молекулярная структура нуклеиновых кислот: структура дезоксирибонуклеиновой кислоты»{53} вышла в Nature. Спиральная структура ДНК стала прозрением, «намного красивее, чем мы ожидали», пояснил Уотсон, потому что комплементарная природа букв – то есть составляющих ее нуклеотидов – ДНК (буква А всегда стоит в паре с Т, а Ц с Г) сразу же показала, как копируются гены при делении клетки. Хотя это был давно искомый механизм наследственности, реакция на статью Уотсона и Крика была далека от немедленной. Но признание в конце концов пришло, и через девять лет Уотсон, Крик и Уилкинс поделили Нобелевскую премию по физиологии и медицине 1962 года «за их открытия молекулярной структуры нуклеиновых кислот и ее значения для передачи информации в живой материи».

Однако двое ученых, предоставивших важнейшие данные, не были включены в число лауреатов: Эрвин Чаргафф (и он был обижен и озлоблен до конца своих дней){54}, и Розалинд Франклин, умершая в 1958-м, в 37 лет от рака яичников. Освальд Эвери несколько раз номинировался на Нобелевскую премию, но он умер в 1955 году, до того, как признание его достижений стало достаточным, чтобы его наградить. Эрлинг Норрби приводит слова Горана Лильестранда, секретаря Нобелевского комитета Каролинского института, из его обзора 1970 года по Нобелевским премиям по физиологии и медицине: «Открытие Эвери в 1944 году роли ДНК как носителя наследственности представляет собой одно из самых важных достижений в генетике, и достойно сожаления, что он не получил Нобелевской премии. К тому времени, как утихли голоса несогласных, он уже умер»{55}.

История Эвери иллюстрирует, что даже в академической среде, где должен господствовать рациональный, основанный на доказательствах научный взгляд, вера в конкретную теорию или гипотезу может ослеплять ученых годами и даже десятилетиями. Эксперименты Эвери, Маклеода и Маккарти были так просты и элегантны, что их легко можно было повторить; для меня остается загадкой, почему этого не сделали раньше. Наука отличается от других областей приложения усилий тем, что старые идеи отпадают, когда набирается достаточно много противоречащих им данных. Но, к несчастью, этот процесс занимает время.

Жизнь клетки на самом деле зависит от двух типов нуклеиновых кислот: дезоксирибонуклеиновой (ДНК) и рибонуклеиновой (РНК). Современная теория считает, что жизнь началась в мире РНК, потому что она более универсальна, чем ДНК. РНК играет двойную роль – как носителя информации, так и фермента (рибозим), способного катализировать химические реакции. Как и ДНК, РНК состоит из линейной последовательности химических букв. Три из этих букв – А, Ц и Г – те же, что и в ДНК, а вместо тимина (Т) в РНК входит урацил (У). Ц всегда связывается с Г; А связывается только с Т или У. Так же как в ДНК, одиночная цепочка РНК может соединиться с другой цепочкой, состоящей из комплементарных букв. Уотсон и Крик предположили, что РНК – это копия записи ДНК в хромосоме, переносящая эту запись в рибосому, где производятся белки. Программа ДНК транскрибируется, т. е. переписывается в виде молекулы информационной (матричной) РНК (мРНК). В цитоплазме текст мРНК транслируется (т. е. «переводится») в белки.

Только в 1960-х ДНК была наконец широко признана «главным» генетическим материалом, но потребовались работы Маршалла Уоррена Ниренберга (1927–2010) в Национальных институтах здравоохранения (НИЗ) в Бетесде (Мэриленд) и уроженца Индии Хара Гобинда Кораны (1922–2011) в Университете Висконсина в Мэдисоне, чтобы действительно расшифровать генетический код, используя синтетические нуклеиновые кислоты. Они обнаружили, что ДНК использует свои четыре разных типа оснований наборами по три – так называемыми кодонами, чтобы обозначить каждую из двадцати разных аминокислот, используемых клетками для производства белков. Этот триплетный код, таким образом, дает шестьдесят четыре возможных кодона, часть которых служит знаками препинания (стоп-кодоны), обозначающими конец белковой последовательности. Роберт Холли (1922–1993) из Корнелла выяснил структуру другого вида РНК, называемого транспортной (тРНК), которая переносит определенные аминокислоты к великолепной молекулярной машине – рибосоме, где они собираются в белки. За эти многое прояснившие работы Ниренберг, Корана и Холли в 1968 году поделили Нобелевскую премию.

Мне повезло в разное время встречаться со всеми троими, но, работая в Национальных институтах здравоохранения, я особенно хорошо знал Маршалла Ниренберга. Его лаборатория и офис были этажом ниже моих в строении 36 обширного кампуса НИЗ, и я часто заходил к нему, когда только начинал заниматься секвенированием ДНК и геномикой. Открытый, доброжелательный человек, глубоко интересовавшийся всеми областями науки, он всегда увлекался новыми технологиями – до самой своей смерти. Открытие им совместно с Кораной генетического кода будут помнить как одно из самых значительных в науках о живом, так как оно объясняет, как линейный полимер ДНК кодирует линейную последовательность аминокислот в белках. Это основной принцип «центральной догмы» молекулярной биологии: информация переходит от нуклеиновых кислот к белкам.

1960-е стали началом молекулярно-биологической революции отчасти благодаря появлению возможности монтировать ДНК с помощью рестриктаз. Рестриктазы были независимо открыты Вернером Арбером в Женеве и Хэмилтоном О. Смитом, работавшим в Балтиморе. Хэм Смит, мой старый друг и сотрудник, опубликовал в 1970 году две важных статьи, описывающие рестрикционный фермент, полученный из бактерии Haemophilus influenzae. Один из ключевых биохимических механизмов, применяемых бактериями для защиты от чужой ДНК, – это ферменты, которые могут быстро нарезать на кусочки попавшую в клетку чужеродную ДНК, разрезая цепочку только в тех местах, где есть строго определенные последовательности нуклеотидов. Дэниэл Натанс, работавший со Смитом в Балтиморе, первым применил рестриктазы для «генетической дактилоскопии» и картирования. Эти ферменты позволяют ученым манипулировать с ДНК так же, как вырезают и вставляют фрагменты текста на экране компьютера. Способность резать генетический материал точно по известным местам – это основа всей генной инженерии и генетической экспертизы по ДНК. Эта экспертиза революционизировала криминалистику и идентификацию преступников по ДНК, оставленной на месте преступления, к примеру, в виде волос, кожи, спермы или слюны, отпечатков пальцев. Смит, Натанс и Арбер разделили в 1978-м Нобелевку за свои открытия: без них молекулярная инженерия могла и не возникнуть.

Семидесятые годы ХХ века принесли начало генно-инженерной революции – потенциально столь же глубокого изменения, как зарождение сельского хозяйства в неолите. Когда ДНК из одного организма искусственно помещают в геном другого и затем она воспроизводится и используется этим другим организмом, это называется рекомбинантной ДНК. Внедрение этой технологии было по большей части работой Пола Берга, Герберта Бойера и Стенли Нормана Коэна. Работая в Стэнфорде, Берг задумался, возможно ли вставить чужие гены в вирус, таким образом создав «переносчика», которого можно использовать, чтобы перенести эти гены в новые клетки. Его выдающийся эксперимент 1971 года состоял во внедрении участка ДНК бактериального вируса, известного как лямбда, в ДНК обезьяньего вируса SV40{56}.

Берг получил за эту работу свою долю Нобелевской премии 1980 года по химии, но он не сделал следующий шаг – не поместил рекомбинантную ДНК в животных. Первое трансгенное млекопитающее было создано в 1974 году Рудольфом Дженишем и Беатрис Минц, поместившими чужеродную ДНК в мышиный эмбрион{57}. Когда в обществе стало расти беспокойство на тему потенциальной опасности таких экспериментов, Берг сыграл активную роль в обсуждении того, насколько сдержаны и ограничены должны быть подобные разработки. В 1974 году группа американских ученых предложила мораторий на эти исследования. На очень представительной встрече, организованной в следующем году Бергом в отеле Asilomar Conference Grounds в Пасифик Гроув (Калифорния), были обозначены добровольные границы. Кое-кто опасался, что эти рекомбинантные организмы могут оказаться непредсказуемыми, болезнетворными и смертоносными, что они могут утечь из лабораторий и распространиться. Противовес этим страхам составляли аргументы в поддержку генетической инженерии, особенно те, что высказал Джошуа Ледерберг, профессор из Стэнфорда и нобелевский лауреат{58}. В 1976 году Национальные институты здравоохранения выпустили свои рекомендации по безопасному проведению исследований рекомбинантной ДНК, отзвуки которых до сих пор слышны в продолжающихся спорах о генно-модифицированных сельскохозяйственных растениях и в совсем недавних дискуссиях об использовании во благо и во зло исследований генетики гриппа.

После эксперимента Берга по внедрению генов в 1971 году следующим шагом вперед в молекулярном клонировании стала вставка ДНК бактерии одного вида в бактерию другого, где она воспроизводилась при каждом делении. Этот шаг сделали в 1972 году Бойер из Калифорнийского университета в Сан-Франциско и Коэн из Стэнфордского университета. Их исследование, в котором ДНК стафилококка была размножена в Escherichia coli (самой многочисленной бактерии человеческого кишечника), установило, что генетический материал может действительно перемещаться между видами, опровергнув таким образом долго державшееся представление. Еще большим триумфом межвидового клонирования было отмечено введение в E. coli генов южноафриканской шпорцевой лягушки Xenopus, популярного лабораторного животного. Несмотря на общественные опасения, быстро возникло довольно много компаний по разработке технологии рекомбинантной ДНК.

На переднем крае биотехнологической революции была компания «Генентек», основанная в 1976 году Бойером и венчурным инвестором Робертом А. Суонсоном. В следующем году, еще до того, как «Генентек» переехал в собственные помещения, Бойер и Кеиити Итакура в медицинском центре «Город надежды» (City of Hope) в Дуарте (Калифорния), работая с Артуром Риггзом, использовали технологию рекомбинантной ДНК, чтобы получить от E. coli человеческий белок соматостатин (который играет существенную роль в регуляции гормона роста). После этой вехи они обратились к более сложной молекуле – инсулину. Если бы им удалось заменить свиной инсулин, который тогда использовался для лечения диабета, это открыло бы огромный потенциальный рынок. Компания «Эли Лилли» подписала соглашение о совместном предприятии с «Генентеком» по разработке производственного процесса, и в 1982 году рекомбинантный инсулин под брендовым названием Humulin стал первым биотехнологическим продуктом, появившимся на рынке. К тому времени у «Генентека» было много соперников, включая некоторое количество мелких стартапов, поддерживаемых крупными фармацевтическими компаниями.

От этих первых открытий молекулярная биология стремительно разрослась до области, в которой практикуются все университеты мира и которая стала основой для многомиллиардного бизнеса, производящего наборы, тесты, реагенты, научное оборудование. Клонированы или клонируются и ежедневно изучаются гены едва ли не любых видов, включая бактерии, дрожжи, растения и млекопитающих. В исследовательских лабораториях и биотехнологических компаниях создаются метаболические пути, побуждающие клетки производить продукты в спектре от фармацевтики до еды, промышленных химикатов и энергоносителей.

Одновременно с этим прорывом в понимании «программного обеспечения» жизни – ДНК – значительно продвинулось и описание ее «аппаратной части» – белков. Белки – это базовые строительные блоки клетки, фундаментальной структурной единицы всех известных живых существ, от единственной клетки бактерии до тех ста триллионов, из которых состоит человеческое тело. Как упоминалось выше, мир клетки впервые был обнаружен Робертом Гуком, о котором некоторые говорят как об английском Леонардо да Винчи. Гук был первым британским ученым, показавшим, как экспериментальный метод с применением инструментов реально работает и приносит нарастающее знание. В своем шедевре Micrographia{59} (1665) Гук описал клетки (само слово cell происходит от латинского cellula – «ячейка»), разглядев сотовую структуру среза пробки под микроскопом. Каждое живое существо на земле состоит из клеток, окруженных мембраной, которая создает изолированный внутренний объем. Там находится генетический материал и клеточные механизмы для его репликации.

Первые двадцать лет ХХ века в микробиологии в попытках идентифицировать молекулярную основу этой «аппаратной части» господствовала так называемая «коллоидная теория». В то время не было четких доказательств существования больших молекул, и «биоколлоидисты» утверждали, что антитела, ферменты и все такое прочее на самом деле состоят из коллоидов, то есть разнообразных смесей маленьких молекул{60}. В центре их внимания были не гигантские органические молекулы, удерживаемые вместе сильными ковалентными связями, а агрегации мелких молекул, удерживаемых вместе относительно слабыми связями. В начале 1920-х, однако, эта точка зрения пошатнулась благодаря немецкому химику-органику Херманну Штаудингеру (1881–1965), который показал, что такие большие молекулы, как крахмал, целлюлоза и белки, на самом деле представляют собой длинные цепочки из коротких повторяющихся молекулярных блоков, удерживаемых вместе ковалентными связями. Однако поначалу представление Штаудингера о том, что он называл Makromoleküle (макромолекулы), встретило почти всеобщее неприятие. Макромолекулярная теория была отвергнута даже коллегами Штаудингера по Швейцарской высшей технической школе (ETH) в Цюрихе, где он был профессором, пока не переехал в 1926-м во Фрайбург. И только в 1953-м (в год открытия двойной спирали) Штаудингер наконец получил Нобелевскую премию за свой весомый вклад в науку.

В последние годы мы пришли к тому, что рассматриваем клетку, эту основную единицу жизни, как фабрику, взаимосвязанный ряд сборочных линий, движимых белковыми машинами{61}, созданными эволюцией за тысячи, миллионы или даже миллиарды лет для выполнения специальных задач. Эта модель отмечает возрождение идеи, имевшей хождение в XVII веке, прежде всего в трудах Марчелло Мальпиги (1628–1694), итальянского врача, одного из первых микроскопистов{62}. Мальпиги предположил, что телесными функциями управляют крохотные «органические машинки».

Теперь мы знаем, что это белки, образующие множество различных классов. Катализаторы, например, ускоряют огромное разнообразие химических реакций, а фиброзные белки вроде коллагена – это главный структурный элемент, четверть всех белков, найденных у позвоночных, то есть животных со спинным хребтом, включая млекопитающих. Эластин, напоминающий резину, составляет основу легочной ткани и стенок артерий. Мембраны вокруг наших клеток содержат белки, которые помогают вводить и выводить молекулы в клетку и из клетки и участвуют в клеточной коммуникации; глобулярные белки связывают, преобразуют и выпускают химические вещества. И так далее.

Последовательность ДНК непосредственно кодирует структуру каждого белка, определяющую его активность. Генетический текст определяет линейную последовательность аминокислот, которая в свою очередь определяет сложную трехмерную структуру окончательного белка. После синтеза эта линейная полипептидная цепочка складывается в свою характерную форму: некоторые части образуют пластины, другие – стопки, складки, завитушки, закручиваются в спирали и в другие сложные конфигурации, которыми определяется работа механизма. Некоторые части белковой машины гибкие, другие – жесткие. Некоторые белки – это сборочные узлы, части большей трехмерной белковой машины.

Давайте посмотрим на АТФ-синтетазу как на один из примечательных и ярких примеров молекулярной машины. Этот фермент, в двести тысяч раз меньше булавочной головки, сделан из тридцати одного белка и, вращаясь с частотой 60 раз в секунду, способен создавать энергетическую валюту клеток – молекулу аденозинтрифосфата, или АТФ. Вы не смогли бы двигаться, думать или дышать без этого механизма. Другие белки – это моторы, как динеин, за счет которого движется сперматозоид; миозин, который движет мышцами; и кинезин, который «ходит» на паре ножек (когда присоединяется топливо в виде АТФ, одна ножка отгибается и шлепает вокруг, пока не зацепится, чтобы сделать следующий шаг) и имеет хвост, чтобы возить грузы по клеткам. Некоторые из этих транспортных роботов приспособлены для перемещения только одного вида груза: таков гемоглобин, который состоит из четырех белковых цепочек – двух альфа и двух бета, каждая из которых располагает кольцеобразной группой гема, в центре которой находится атом железа, чтобы разносить кислород по всему телу. Железо обычно крепко сцепляется с кислородом, но этот созданный эволюцией механизм обеспечивает обратимую связь молекулы кислорода с каждым из четырех гемов в каждой молекуле гемоглобина.

Светопоглощающий пигмент – это секрет одной из самых важных на свете машин, той, которая управляет экономикой жизни океанов и поверхности планеты. Хотя разные виды растений, водорослей и бактерий развили различные механизмы для запасания световой энергии, у них у всех есть структура, называемая фотохимическим реакционным центром. Там можно найти белки-антенны, включающие в себя несколько молекул светопоглощающего пигмента хлорофилла. Они улавливают солнечный свет в виде частиц света – фотонов, а потом проводят их энергию через серию молекул в реакционный центр, где она используется для чрезвычайно эффективного превращения углекислоты в сахара. Фотосинтетические процессы происходят в местах, настолько плотно набитых пигментными молекулами, что там вступают в игру квантово-механические процессы{63}. (Самая головокружительная ветвь физики, квантовая механика – разработанная в числе других Эрвином Шрёдингером, – имеет дело с микроскопическими явлениями.) Это одна из нескольких квантовых машин, используемых живыми существами в зрении, электронном и протонном туннелировании, обонянии и магниторецепции{64}. Это выдающееся открытие – еще одно доказательство идей Шрёдингера, который также рассматривал возможность того, что квантовые флюктуации играют роль в биологии{65}.

Каждая молекулярная машина создана эволюцией для автоматического выполнения очень специфической задачи, от восприятия зрительных образов до сгибания мышц. Вот почему можно думать о них как о маленьких роботах. Как писали Чарльз Тэнфорд и Жаклин Рейнольдс в книге «Природные роботы» (2001), «у него нет сознания; он не управляется разумом или высшим центром. Всё, что делает белок, заложено в его линейный текст, производный от текста ДНК».

Самый важный прорыв в молекулярной биологии после открытия генетического кода был в определении деталей главного робота – рибосомы, которая занимается синтезом белка и таким образом направляет производство всех остальных клеточных роботов. Молекулярные биологи десятки лет знали, что в рибосоме сосредоточен центр всех танцев с производством белков. Чтобы функционировать, рибосоме нужны две вещи: матричная РНК (мРНК), инструкция по изготовлению белка, скопированная из хранилища генетической информации в клетке – с ДНК; и транспортная РНК (тРНК), которая приносит на хвосте аминокислоты, используемые для создания белка. Рибосома кодон за кодоном считывает последовательность с мРНК и к каждому кодону подбирает тРНК с соответствующим антикодоном, выстраивая их груз – аминокислоты – в правильном порядке. Рибосома также действует как катализатор-рибозим: соединяет аминокислоты ковалентной химической связью, добавляя их тем самым к растущей белковой цепочке. Синтез прекращается, когда в последовательности РНК появляется кодон «стоп», но после этого полимер из аминокислот должен еще сложиться в нужную трехмерную структуру, чтобы стать биологически активным белком.

Бактериальные клетки содержат около тысячи рибосомных комплексов, что позволяет им непрерывно синтезировать белок – как для замены деградировавших белковых молекул, так и для изготовления новых для дочерних клеток во время деления. Рибосому можно рассматривать под электронным микроскопом и видеть, как она изгибается и меняет форму в ходе работы. Проворот храповика{66} в глубине рибосомы – ключевой момент белкового синтеза. Весь синтез белка происходит чрезвычайно быстро: сборка цепочки длиной около ста аминокислот занимает секунды.

Как и в случае двойной спирали, выявить подробности строения рибосомы удалось с помощью рентгеновской кристаллографии. Сначала, однако, надо было заставить рибосомы кристаллизоваться – как кристаллизуется из раствора соль, когда выпаривается вода, – чтобы получить хорошо организованные кристаллы из миллионов рибосом, собранных в правильные структуры, которые можно изучать с помощью рентгеновских лучей. Ключевое открытие было сделано в 1980-х, когда Ада И. Йонат в Израиле в содружестве с Хайнцем-Гюнтером Виттманом в Берлине вырастили кристаллы из бактериальных рибосом, выделенных из микроорганизмов горячих источников и Мертвого моря. Секреты бактериальной рибосомы были раскрыты в 2005 году, а строение эукариотной – дрожжевой – рибосомы в высоком (трехангстремном) разрешении было опубликовано французской группой в декабре 2011 года[6].

Бактериальная рибосома состоит из двух крупных частей, называемых 30S и 50S субъединицами, которые расходятся и сходятся во время работы. Меньшая субъединица 30S – это часть рибосомы, которая считывает генетический код; в большей, 50S, собственно делаются белки. Субъединица 30S изучена с точностью до атома Йонат и независимо – Венкатраманом Рамакришнаном в Лаборатории молекулярной биологии Совета по медицинским исследованиям в Кембридже (Англия). Они, например, открыли «акцепторный участок», часть субъединицы 30S, который распознает и отслеживает точность соответствия между матричной и транспортной РНК. Детали молекулярного строения показывают, как рибосома выполняет спаривание двух первых букв кодона: молекулы тычутся, пока не «ощутят» желобок в двойной спирали из хорошо подогнанных РНК, чтобы гарантировать, что код прочитывается с высокой достоверностью. При проверке третьей буквы в тройке, соответствующей конкретной аминокислоте, этот механизм оказывается менее строгим из-за неоднозначности кода. Это совпадает с наблюдением, что конкретной тРНК – и аминокислоте на ней – может соответствовать не одна тройка нуклеотидов мРНК. Например, аминокислоту фенилаланин может кодировать как тройка УУУ, так и УУЦ.

Кроме того, Гарри Ф. Ноллер из Калифорнийского университета в Санта-Крусе (начинавший свое исследование, будучи очарован тем, как двигаются молекулы) в 1999 году опубликовал первые подробные изображения целой рибосомы, а потом, в 2001-м, дополнил их еще более тонкими деталями. Его работа показала, как формируются и распадаются молекулярные мостики во время этой операции{67}. Рибосомная машина содержит пружины сжатия и кручения, сделанные из РНК, чтобы держать субъединицы вместе, когда они смещаются и проворачиваются относительно друг друга. Ее малая субъединица, двигаясь вдоль матричной РНК, связывается с транспортной РНК, у которой на одном конце свободный антикодон, а на другом – аминокислота. Аминокислоты связываются вместе в белок большой субъединицей, которая тоже связывается с транспортной РНК. Таким образом рибосома может пропускать через свой центр по 15 груженных аминокислотами молекул РНК в секунду, координируя присоединение новых звеньев к растущему белку.

На нарушении этих функций бактериальных рибосом основано действие многих антибиотиков. К счастью, хотя бактериальные и человеческие рибосомы похожи, они достаточно различаются, чтобы антибиотики могли связаться с бактериальными рибосомами и блокировать их эффективнее, чем человеческие. Все аминогликозиды – тетрациклин, хлорамфеникол, эритромицин – работают, убивая бактериальные клетки вмешательством в работу рибосом.

Йонат, Рамакришнан и Томас А. Стейтц поделили Нобелевскую премию 2009 года по химии за свои опыты по выяснению, как работает эта чудесная машина.

По мере развития геномики роль РНК выглядела все более важной. Согласно центральной догме, РНК – всего лишь посредник, обеспечивающий выполнение команд, зашифрованных в ДНК. В этой модели двойная спираль ДНК расплетается, и ее генетическая информация копируется на одноцепочечную мРНК. В свою очередь мРНК переносит ее от генома к рибосомам. Общепринятым также было мнение, что ДНК, не кодирующая белки, – это «мусорная» ДНК. Оба представления изменились в 1998 году, когда Эндрю Файр из Института Карнеги в Вашингтоне, Крейг Кэмерон Мелло из Массачусетского университета и их коллеги опубликовали свидетельства того, что двухцепочечная РНК, снятая с некодирующей ДНК, может быть использована, чтобы отключать определенные гены, – что помогло объяснить некоторые озадачивающие явления, наблюдающиеся, например, у петуний{68}. Теперь стало ясно, что некоторые участки ДНК кодируют короткие молекулы РНК – молекулярные выключатели, играющие ключевую роль в том, как и насколько интенсивно используются гены. Вся информация в живой клетке в конечном счете заключена в определенном порядке нуклеотидов и аминокислот – в ДНК, РНК и белках. Поддержание этой чрезвычайной упорядоченности в геноме определяется священными законами термодинамики. Чтобы молекулярные машины могли обуздать тепловое движение, надо затратить химическую энергию. Клетки также требуют постоянных затрат этой энергии, чтобы образовывать ковалентные связи между молекулами, а также для выстраивания этих молекул в правильном порядке или последовательности. Посреди этой бури химического хаоса лежит относительно неколебимый набор инструкций, закодированных в ДНК.

Обсуждая механизм кодирования наследственной информации, Шрёдингер имел причину говорить об «апериодическом кристалле»: он хотел подчеркнуть надежность хранения наследственной информации и использовал термин «кристалл», чтобы «объяснить постоянство гена». Совсем другое дело – белковые роботы, закодированные в наших генах, нестабильные и быстро ломающиеся. Продолжительность жизни любого белка лежит в интервале от секунд до дней. Им приходится выдерживать суету в клетке, где тепловая энергия заставляет молекулы биться друг о друга. Белки также могут складываться в неактивные и часто ядовитые скопления – на чем основаны некоторые хорошо известные болезни.

В каждый конкретный момент человеческая клетка обычно содержит тысячи разных белков, производя одни и избавляясь от других по мере надобности для поддержания своего благополучия. Недавние исследования ста белков в человеческих раковых клетках{69} показали, что период полураспада белков составляет от 45 минут до 22,5 часа. Сменяются и сами клетки. Каждый день в человеческом организме умирает 500 миллиардов кровяных клеток. Предполагается, что в ходе нормального развития любого органа умирает половина составляющих его клеток. У нас каждый день слущивается около 500 миллионов клеток кожи. В результате вы сбрасываете весь ваш внешний слой кожи каждые две-четыре недели. Пыль, которая накапливается у вас дома – это вы. Если вы не будете постоянно создавать новые белки и клетки, вы умрете. Жизнь – это процесс постоянного обновления. Без нашей ДНК, без программ жизни, клетки очень быстро гибнут, а с ними и весь организм.

То, что линейные цепочки аминокислот, определенные генетическим текстом, складываются в характерные формы, чтобы выполнять свои особые функции, кажется на первый взгляд почти что чудом. Не все правила, определяющие складывание белков, уже поняты, что неудивительно, если учесть, что типичная цепочка из аминокислот (полипептид) имеет от миллионов до триллионов возможных конфигураций сложения. Чтобы вычислить все возможные конформации любого белка до предсказуемого термодинамически стабильного состояния, Лоуренсовская национальная лаборатория в Ливерморе объединила усилия с IBM, породив Blue Gene – линию суперкомпьютеров, которые могут выполнять около триллиона операций с плавающей запятой в секунду (то есть имеют мощность в один петафлопс).

Белок из сотни аминокислот может складываться множеством способов, так что количество различных структур составляет от 2^100 до 10^100 возможных конформаций. Чтобы испробовать все возможные конформации для каждого белка, понадобилось бы примерно 10 миллиардов лет. Но в линейную последовательность белкового текста встроены инструкции по складыванию, которые в свою очередь определены линейным генетическим текстом. В результате с помощью броуновского движения – постоянного движения молекул, вызываемого тепловой энергией, – эти процессы происходят очень быстро – за несколько тысячных секунды. Это обеспечивается тем, что правильно сложившийся белок имеет самую низкую возможную свободную энергию. И так же, как вода стекает в самую нижнюю точку, белок естественно принимает свою предпочтительную форму.

Правильно сложенная конформация – та, которая гарантирует, что фермент может правильно работать, – включает переход от высокой степени энтропии и свободной энергии к термодинамически стабильному состоянию сниженной энтропии и свободной энергии. У белка, называемого виллин, этот процесс можно даже наблюдать благодаря компьютерной симуляции{70}. Растягивая действие реальной продолжительностью в шесть миллионных секунды до нескольких секунд, симуляция показывает, как тепловая энергия заставляет трястись исходную линейную цепочку из восьмидесяти семи аминокислот; линейный белок дергается туда-сюда и всего за шесть микросекунд проходит через множество разных конформаций на пути к окончательной форме. Представьте, сколько актов эволюционного отбора ушло на этот дерганый танец, учитывая, что аминокислотная последовательность белка определяет не только тип его свертывания, но и его окончательную структуру – и, следовательно, его функцию.

Соревнование между «правильными» и потенциально вредными вариантами складывания белков довольно быстро привело к появлению «контроля качества» клеточных белков в виде другой группы специализированных молекулярных машин. Эти «молекулярные дуэньи» – шапероны – помогают белкам складываться и препятствуют образованию вредных агрегаций, а также разбирают агрегации, которые уже сформировались. Так, например, шапероны Hsp70 и Hsp100 разбирают агрегации, а Hsp60 состоит из разных белков, которые образуют что-то вроде бочонка с крышкой, чтобы, находясь внутри, несложившийся белок мог принять правильную форму. Неудивительно, что нарушение функционирования шаперонов лежит в основе многих нейродегенеративных заболеваний и форм рака.

Самая частая у европеоидов наследственная болезнь из тех, что определяются одним геном (в США она поражает одного новорожденного из 3500), – муковисцидоз, пример неправильно складывающегося, неверно ведущего себя белка. Он вызывается дефектом в гене, который отвечает за белок, называемый муковисцидозный трансмембранный регулятор проводимости (CFTR). Этот белок регулирует транспорт хлорид-иона сквозь клеточную мембрану; его изъяны приводят к разнообразным симптомам. Например, дисбаланс воды и соли у пациентов с муковисцидозом приводит к тому, что их легкие забивает липкая слизь, которая к тому же становится средой для роста болезнетворных бактерий. Повреждение легких из-за постоянных инфекций – главная причина смерти людей с этой болезнью. Не так давно ученые показали{71}, что по большей части в основе муковисцидоза лежит самая обычная мутация, мешающая отделению транспортного белка от одного из его шаперонов. В результате последние этапы нормального складывания не проходят, и активный белок не производится в должном количестве.

Разрушение скоплений белка и белковых фрагментов жизненно важно, потому что эти субстанции могут образовывать пробки или бляшки, которые очень токсичны. Когда при забастовке мусорщиков прекращается вывоз отходов, на улицах растут горы зловонных отбросов, уличное движение замедляется, растет риск болезней, и город быстро выходит из строя. То же верно для клеток и органов. Болезнь Альцгеймера, дрожь паркинсоника и неотвратимое ухудшение при болезни Крёйцфельда-Якоба (человеческая форма коровьего бешенства) – все это происходит из-за накопления токсичных нерастворимых белковых агрегаций.

Некоторые белковые машины приспособлены для исправления ошибок при синтезе и сборке белков. Протеасомы отвечают за ликвидацию ненормальных белков путем протеолиза – реакции разрывания белковых связей, выполняемой ферментами протеиназами. Эта машина представляет собой цилиндрический комплекс, средняя часть которого состоит из четырех колец, подобно стопке бубликов, каждый бублик сделан из семи белковых молекул. Предназначенные для ликвидации в протеасоме белки-мишени помечаются молекулами убиквитина – маленького белка, присутствующего по всей клетке. Примерно тридцать лет назад этот базовый механизм избавления клетки от отходов был выявлен тремя учеными: Аароном Чехановером, Аврамом Хершко и Ирвином А. Роузом; в 2004 году они получили за это Нобелевскую премию.

Продолжительность жизни каждого белкового робота в клетке генетически запрограммирована. Действие этой программы слегка отличается в разных ветвях жизни. Например, и E. coli, и дрожжевые клетки содержат фермент бета-галактозидазу, которая помогает расщеплять сложные сахара; однако период полураспада этого фермента сильно зависит от аминокислоты на конце белка (N-концевой аминокислоты). Когда на N-конце бета-галактозидазы стоит аргинин, лизин или триптофан, время полураспада белка составляет 120 секунд у E. coli и 180 секунд у дрожжей. Если на том же месте стоит серин, валин или метионин, время полураспада значительно возрастает – более 10 часов у E. coli и более 30 часов у дрожжей. Это называется N-концевым правилом{72} пути деградации белка.

Нестабильность и недолговечность белков показывают, что и жизнь самих клеток была бы очень короткой, если бы клетки были просто мембранными мешочками – пузырьками – с белками, но без генетического материала. Все клетки умрут, если не смогут постоянно делать новые белки для замещения тех, что повреждены или неправильно сложены. Бактериальная клетка должна заново сделать все свои белки или умереть в течение часа или даже меньше. Это верно и для клеточных структур, таких как мембрана: круговорот фосфолипидных молекул и мембранных транспортеров таков, что, если они не будут постоянно пополняться новыми, мембрана лопнет и все содержимое клетки вытечет. При культивировании клеток в лаборатории применяют простой тест на жизнеспособность: определить, протекает ли их мембрана настолько, чтобы пропустить внутрь крупные частицы красителя. Если они могут проникнуть в клетки, те явно мертвы.

Другая белковая машинерия разлагает и разрушает старые или отказывающие клетки в многоклеточных организмах. Эта программируемая клеточная смерть – апоптоз – критически важная составляющая жизни и развития. Конечно, разборка чего-то настолько сложного, как клетка, требует чрезвычайно точной координации. Чтобы начать разрушение, апоптосома, белковый комплекс, прозванный «машина смерти о семи спицах», использует каскад каспаз – особой разновидности протеаз, т. е. ферментов, переваривающих белок. Эти каспазы ответственны за разборку главных клеточных белков, таких как белки цитоскелета, что приводит к характерным изменениям формы клеток, подвергающихся апоптозу. Другой признак апоптоза – это фрагментация ДНК. Каспазы играют важную роль в этом процессе, активируя фермент, расщепляющий ДНК, – ДНКазу. Кроме того, они ингибируют ферменты, ремонтирующие ДНК, разрушая структурные белки в ядре клетки.

Наши тела можно было бы представить как трехмерные белковые структуры, но постоянное обновление их компонентов делает эти структуры динамическими. Шрёдингер уловил это, когда говорил о «поразительном даре организма концентрировать в себе „поток порядка“, избегая тем самым распада в атомный хаос, – о „питье упорядоченности“ из подходящей окружающей среды».

И наконец, мы должны рассмотреть, что именно движет всей бешеной активностью и обновлением во всех и в каждой клетке. Если и был кандидат на жизненную силу для одушевления жизни, это то, что в 1827 году впервые заворожило Роберта Броуна (1773–1858), когда этот шотландский ботаник заинтересовался постоянными зигзагообразными движениями фрагментов пыльцевых зерен, феноменом, который назовут в его честь (если только вы не француз – они утверждают, что сходные наблюдения были изложены в 1828 году ботаником Адольфом-Теодором Броньяром, 1801–1876). Броуна озадачило то, что эти микроскопические движения происходили не от потоков жидкости, и не от испарения, и не от прочих очевидных причин. Сначала он подумал, что заметил «тайну жизни», но, обнаружив, что так же двигаются и минеральные крупицы, отмел это представление.

Первый существенный сдвиг в нашем нынешнем понимании того, чему стал свидетелем Броун, произошел более чем через 75 лет после его открытия, когда Альберт Эйнштейн (1879–1955) рассмотрел теоретически, как невидимые молекулы, из которых состоит вода, должны подпихивать плавающие в ней мелкие частицы. До статьи Эйнштейна 1905 года кое-кто из физиков (особенно Эрнст Мах, 1838–1916) все еще сомневался в физической реальности атомов и молекул. Модель Эйнштейна была в конце концов подтверждена точными экспериментами, проведенными в Париже Жаном Батистом Перреном (1870–1942), который в 1926 году был награжден за эту и другие работы Нобелевской премией.

Броуновское движение оказалось важным, когда дело дошло до понимания работы живых клеток. Многие жизненно важные компоненты клеток, такие как ДНК, намного больше отдельных атомов, но все же достаточно малы, чтобы их двигали постоянные удары окружающего моря атомов и молекул. Так что, хотя ДНК действительно имеет форму двойной спирали, благодаря силам хаотического броуновского движения это извивающаяся, сгибающаяся, кружащаяся спираль. Белковые роботы живых клеток способны складываться в свои правильные формы лишь потому, что их компоненты – это подвижные цепочки, пластинки и спирали, которые постоянно толкутся внутри защитной клеточной мембраны. Жизнь движется броуновским движением, начиная с кинезиновых грузовичков, которые тянут маленькие мешочки с веществами вдоль микротрубочек к вращающейся АТФ-синтетазе{73}. Критически важно, что броуновское движение зависит от температуры: слишком низкая – и движения не хватает; слишком высокая – и все структуры идут вразнос от бешеного движения. Поэтому жизнь может существовать только в узком спектре температур.

Внутри этого спектра в клетках постоянно происходит что-то вроде девятибалльного землетрясения. «Вам не нужно было бы даже нажимать на педали велосипеда: просто приделайте к колесу храповик, чтобы оно не могло крутиться назад, и тряситесь вперед», как говорили Джордж Остер и Хуньгун Ван с факультета молекулярной и клеточной биологии Калифорнийского университета в Беркли{74}. Белковые роботы совершают похожий трюк, используя храповики и рабочие такты для обуздания силы броуновского движения. Благодаря непрекращающемуся беспорядочному движению и вибрации молекул на коротких дистанциях очень быстро происходит диффузия, что позволяет происходить биологическим реакциям с малыми количествами реагентов в чрезвычайно тесных объемах большинства клеток.

Теперь, когда мы знаем, что линейный текст ДНК определяет строение белковых роботов и РНК, которые управляют нашими клетками, а их строение, в свою очередь, определяет их функции, следующий вопрос очевиден: как нам читать и понимать этот текст, чтобы мы могли понять программу жизни?

Глава 4. Оцифровка жизни

Первые дни молекулярной биологии были отмечены тем, что многим показалось самонадеянным отщеплением новой науки от биохимии. Однако наш спор не касался методов биохимии, но лишь их слепого игнорирования новой области химии информации.

Сидней Бреннер, 2005{75}

Настала эра цифровой биологии, в которой белки и другие взаимодействующие молекулы в клетке можно рассматривать как компьютерное «железо», а информацию, закодированную в ДНК, – как клеточный «софт», то есть программы. Вся информация, нужная для создания живой самовоспроизводящейся клетки, заключена в цепочках двойной спирали ДНК. По мере чтения и истолкования этого текста мы в конце концов сможем полностью понять, как работают клетки, а затем изменять и улучшать их путем написания новых клеточных программ. Но, конечно, это легче сказать, чем выполнить: изучение этих программ – ДНК – показывает, что они значительно сложнее, чем мы думали даже лет десять назад.

В то время как первая линейная последовательность аминокислот в белке (инсулине) была установлена Фредом Сэнгером в 1949 году, разработка методов чтения ДНК оказалась делом долгим. В 1960-х и 1970-х продвижение было медленным и секвенирование измерялось в нескольких парах оснований в месяц или даже в год. Например, в 1973 году Аллан Максэм и Уолтер Гилберт из Гарвардского университета опубликовали статью, описывающую, как с помощью их нового метода секвенирования{76} были установлены двадцать четыре пары оснований. Одновременно шло и секвенирование РНК, продвигавшееся несколько быстрее. И все же по сравнению с возможностями современных технологий даже для чтения нескольких букв кодированного текста в ту пору требовались поистине героические усилия.

Большинство людей узнали о геномике при первой расшифровке человеческого генома, которая увенчалась моим появлением в Белом доме в 2000 году рядом с моими коллегами-соперниками и президентом Клинтоном, где мы торжественно объявили об открытии последовательности человеческого генома. На самом деле первые идеи о расшифровке ДНК относятся к временам полувековой давности, когда Уотсон и Крик предложили модель ее атомной структуры. Большой скачок в нашем познании случился, когда в 1965-м группа под руководством Роберта Холли из Корнеллского университета опубликовала последовательность из семидесяти семи рибонуклеотидов аланиновой транспортной РНК (тРНК) из клетки дрожжей Saccharomyces cerevisiae{77} как часть работы по выявлению того, как тРНК помогает собирать аминокислоты в белки. Секвенирование РНК продолжало лидировать, когда в 1967 году группа Фреда Сэнгера установила последовательность нуклеотидов рибосомальной 5S-РНК E. coli, короткой молекулы из 120 нуклеотидов{78}. Первый реальный геном, который был успешно расшифрован, был вирусной РНК: в 1976 году лабораторией Вальтера Фирса в Гентском университете в Бельгии был секвенирован бактериофаг MS2. Фирс изучал бактериофаги (которые захватывают для своего размножения бактерии) совместно с Робертом Л. Синшаймером из Калтеха, а потом с Харом Гобиндом Кораной в Мэдисоне (Висконсин).

Технология секвенирования ДНК, которая дала мне возможность секвенировать человеческий геном, зародилась в середине 1970-х, когда группа Фреда Сэнгера в Кембридже разработала новую технику – первую, которую можно было назвать «более-менее секвенированием». За ней последовала методика, которую Сэнгер назвал дидезокси-секвенированием ДНК, но которая в его честь теперь называется «секвенированием по Сэнгеру». В нем применяются дидезоксинуклеотиды, или нуклеотиды-терминаторы, которые останавливают ДНК-полимеразу, не давая ей добавлять нуклеотиды к растущей цепочке ДНК. У дидезоксинуклеотидов нет гидроксильной группы (–ОН), что означает, что после того, как ДНК-полимераза прицепит их к растущей нуклеотидной цепочке, дальше нельзя добавить никаких нуклеотидов. Прикрепив радиоактивный фосфат к одному из четырех нуклеотидов, чтобы пометить фрагменты, стало возможным прочесть порядок А, Т, Ц и Г, прикладывая гель, использованный для разделения оснований, к рентгеновской пленке[7].

Группа Сэнгера использовала его новые инструменты секвенирования для установления первой последовательности генома ДНК-вируса, принадлежащего бактериофагу phi X 174{79}; эта последовательность была опубликована в Nature в 1977 году. Клайд Хатчинсон (ныне сотрудник Института Вентера) стажировался в лаборатории Сэнгера (от Университета Северной Каролины, где он с 1968 года был штатным преподавателем) и внес свой вклад в секвенирование генома phi X 174. В 1950-х Синшаймер, использовав рассеяние света, оценил размер генома phi X 174 примерно в 5400 оснований и был удовлетворен, когда Сэнгер выяснил, что точное количество – 5386{80}.

За два года до появления статьи Сэнгера я закончил свою диссертацию в Калифорнийском университете в Сан-Диего (UCSD) и успел перейти в Университет штата Нью-Йорк в Баффало, чтобы начать собственную научную и преподавательскую карьеру. Я пропустил публикацию Сэнгера, потому что она вышла в самый разгар Бурана-77[8], к тому же спустя две недели после публикации у меня родился сын{81}. Моя лаборатория в это время работала над выделением и описанием рецепторов для нейромедиаторов – белков, обеспечивающих передачу сигналов между нервными клетками.

За десять лет, последовавших за работой над геномом phi X 174, секвенирование ДНК постепенно прогрессировало. Хотя секвенирование по Сэнгеру стало мировым стандартом, оно было медленным, очень трудоемким и требовало заметных количеств радиоактивного фосфора, у которого период полураспада – всего пара недель. Кроме того, чтение гелей с последовательностями было скорее искусством, чем наукой. В своей второй Нобелевской лекции Сэнгер описывал утомительные усилия, которых требовало раннее секвенирование ДНК, и заключал: «Судя по всему, для секвенирования генетического материала был весьма желателен новый подход»{82}.

В 1984 году я перевел свою исследовательскую команду в Национальный институт здоровья, и мы начали учиться молекулярной биологии с помощью нескольких хороших сборников рецептов по этому предмету и моих взаимодействий с Маршаллом Ниренбергом и его лабораторией, которая располагалась этажом ниже нашей в корпусе 36. За мой первый год в НИЗ мы секвенировали только один ген, адреналинового рецептора человеческого мозга{83}, используя радиоактивное секвенирование по Сэнгеру, но это заняло большую часть года. Как и Сэнгер, я был уверен, что должен быть способ получше. К счастью, это было примерно в то время, когда Лерой Худ и его команда в Калтехе опубликовали ключевую статью с описанием, как они заменили в нуклеотидах-терминаторах радиоактивный фосфат на четыре разных флюоресцентных красителя, которые, если их активировать лазерным лучом, можно было последовательно считывать прямо в компьютер{84}. Я раздобыл одну из первых автоматических ДНК-секвенирующих машин в новой компании Applied Biosystems, как раз когда начались серьезные обсуждения дикого предложения секвенировать целиком человеческий геном.

Используя новую технологию секвенирования ДНК в сочетании с компьютерным анализом, моя лаборатория быстро секвенировала тысячи человеческих генов по разработанной мною новой методике, фокусировавшейся на относительно коротких последовательностях, которые я назвал «экспрессированными метками сиквенса» (expressed sequence tags; EST){85}. Метод EST включал секвенирование экспрессированного[9] генетического материала – матричной РНК (точнее, синтезированной на ней комплементарной ДНК). Хотя с помощью методики EST мы успешно прочли несколько тысяч человеческих генов, мой подход не встретил немедленно всеобщего одобрения. Многие увидели в нем угрозу традиционному пути работы с генами: мы могли за день открыть больше генов, чем всё научное сообщество – за предыдущие десять лет. Не улучшило ситуации и то, что правительство США решило зарегистрировать патенты на все гены, идентифицированные моей командой. Наши открытия вызывали атаки и возражения, но они же приводили к некоторым заманчивым предложениям, в том числе – создать мой собственный базовый научно-исследовательский институт, каковое я и принял в 1992 году. Я назвал его Институтом геномных исследований (The Institute for Genomic Research, TIGR), и именно там, в Роквилле (штат Мэриленд), мы построили самую крупную в мире фабрику секвенирования ДНК, используя последние версии автоматических ДНК-секвенирующих машин.

Ход истории геномики изменился в 1993 году после случайной встречи на научной конференции в Бильбао, в Испании, где я обрисовал наше быстрое продвижение в открытии генов. Многие в аудитории как будто были шокированы масштабными результатами наших работ по EST и самой природой наших открытий – особенно генов, ответственных за неполипозный рак толстой кишки, открытых в сотрудничестве с Бертом Фогельштайном из Киммелевского онкологического центра Университета Джонса Хопкинса в Балтиморе. Как только рассеялась толпа, пришедшая задавать прямые вопросы, передо мной появился высокий приятного вида человек с серебристыми волосами и в очках. «Я думал, у вас есть рожки», – сказал он, намекая на демонический образ, который часто использовала пресса, изображая меня. Он представился Хэмилтоном Смитом из Университета Джонса Хопкинса. Я уже знал о Хэме по его серьезной репутации в нашей области и по Нобелевке, и мне он сразу понравился – он явно решил составить обо мне и моей науке собственное впечатление и не давать окружающим влиять на его мнение{86}.

Хэм к тому времени сделал долгую и плодотворную карьеру и теперь, в 62 года, подумывал об отставке. Когда мы разговаривали в баре, а потом на обеде после моей лекции, он высказал интересную идею: предложил свою любимую бактерию Haemophilus influenzae, из которой он выделил первые рестриктазы, в качестве идеального кандидата для секвенирования генома с применением моего подхода.

Наш первый совместный проект начался с медленного старта, поскольку Хэм объяснил, что есть проблемы с получением библиотек клонов, содержащих фрагменты генома H. influenzae. Только спустя годы он признался мне, что его коллеги в Университете Джонса Хопкинса были совсем не в восторге от нашего проекта, глядели на меня с подозрением из-за фурора, произведенного EST, и опасались, что сотрудничество со мной испортит ему репутацию. Хотя многие из них всю свою трудовую жизнь изучали H. influenzae, они не сразу оценили идею получения полной последовательности генома. Хэм в конце концов был вынужден действовать за спиной своей группы – как и я несколькими годами раньше при работе с EST{87}.

Хэм начал сотрудничать со мной в TIGR. Наша работа над проектом началась в 1994 году и вовлекла в себя большую часть моей научной команды. Мы действовали не так, как Сэнгер много лет назад с phi X 174, используя изолированные одиночные вырезанные фрагменты для секвенирования по одному за раз. Мы полностью положились на случайность. Мы разбили геном на фрагменты в смешанной библиотеке[10] и случайно выбрали двадцать пять тысяч фрагментов, чтобы получить прочитанные последовательности примерно по пятьсот букв каждая. Применив новый алгоритм, разработанный Грейнджером Саттоном, мы начали составлять величайшую на то время биологическую мозаику, собирая кусочки в исходный геном. В процессе мы разработали несколько новых методов для завершения сборки генома. Каждая отдельная пара оснований генома была точно секвенирована, а двадцать пять тысяч фрагментов аккуратно собраны. Результатом стало то, что 1,8 миллиона пар оснований генома были воссозданы в компьютере в правильном порядке.

Следующим шагом было интерпретировать геном и идентифицировать все составляющие его гены. Будучи первым, кто изучал набор генов живого самовоспроизводящегося организма, я хотел сделать гораздо больше, чем просто представить последовательность. Команда потратила значительное время, выясняя, что говорит набор генов о жизни организма. Что означает тот софт, который программирует структуры и функции жизни? Мы описали наши результаты в статье, которая была быстро принята к публикации в журнале Science и должна была выйти по расписанию в июне 1995 года. Слухи о нашем успехе поползли еще за несколько недель до ее выхода. В результате меня пригласили прочитать президентскую лекцию на ежегодной встрече Американского микробиологического общества, которая проходила в Вашингтоне 24 мая 1995 года, и я принял это предложение с условием, что на сцене ко мне присоединится Хэм. Ожидания стали физически давить на меня, когда президент общества Дэвид Шлезингер из Университета Вашингтона в Сент-Луисе объявил то, что он назвал «историческим событием».

При помощи Haemophilus influenzae мы перевели двойную спираль биологии в цифровой мир компьютера, но веселье только начиналось. Работая с геномом этой бактерии, чтобы исследовать ее биологию и как она вызывает менингит и другие болезни, мы одновременно для подтверждения методики секвенировали еще один геном – самый маленький из известных тогда бактериальных геномов, геном Mycoplasma genitalium. Когда я закончил речь, аудитория поднялась в едином порыве и устроила мне долгую и сердечную овацию. Я никогда раньше не видел на научной конференции{88} такой масштабной и спонтанной реакции.

Это был очень сладкий миг. Моя команда стала первой, когда-либо секвенировавшей геном живого организма, и не менее важным было то, что мы это сделали, разработав новый метод, который назвали «полногеномное секвенирование методом дробления[11]». Это свершение отметило начало новой эры, когда чтение ДНК живых существ стало настолько рутинным делом, что позволяло анализировать их, сравнивать и понимать.

После завершения чтения генома Haemophilus influen-zae я хотел секвенировать второй геном, чтобы мы могли сравнивать два генома, что помогло бы понять базовый набор генов, потребных для жизни. В это время Клайд Хатчинсон в Университете Северной Каролины в Чапел-Хилле предложил перспективного кандидата с самым наименьшим известным геномом: вид Mycoplasma genitalium, у которого меньше пятисот генов. Мы решили, что этот геном дополнит нашу работу по H. influenzae, потому что он принадлежит другой группе бактерий. Окраска по Граму, названная так в честь ее изобретателя Ханса Кристиана Грама (1853–1938), делит все виды бактерий на две категории в зависимости от того, как они реагируют на краску: грамположительные (как Bacillus subtilis, например) становятся фиолетовыми или синими, а грамотрицательные (как H. influenzae) приобретают розовый или красный цвет. Считалось, что M. genitalium эволюционно произошла от какой-то бациллы, поскольку она классифицировалась как одна из грамположительных бактерий.

Для завершения секвенирования этого генома потребовалось всего лишь три месяца, и в 1995 году мы опубликовали 580 000 пар оснований генома Mycoplasma genitalium в Science{89}. Наше достижение должно было послужить основой большого труда по сотворению синтетической клетки, но в то же время у него нашлись и более скорые последствия. Эта работа дала старт новой дисциплине, известной как сравнительная геномика. Сравнив два первых в истории секвенированных генома, мы могли поискать общие элементы, связанные с живой самовоспроизводящейся формой жизни. Сравнительная геномика разрабатывает одно из самых захватывающих открытий биологии: создав однажды белковую структуру, которая выполняет важную биологическую функцию, эволюция склонна использовать эту структуру/последовательность снова и снова.

Гены, которые управляют фундаментальным процессом деления клеток у дрожжей, например, похожи на те, которые используют наши клетки{90}. Поскольку из бактерии E. coli уже выделили, секвенировали и функционально охарактеризовали гены, кодирующие ДНК-полимеразу, наша группа могла использовать эту информацию для поиска сходных последовательностей в геноме H. influenzae. Если бы какие-либо из последовательностей ДНК близко соответствовали гену ДНК-полимеразы E. coli, мы могли бы сделать вывод, что ген H. influenzae –  это тоже ген ДНК-полимеразы. Проблема была в том, что в 1995 году базы данных генов были весьма скудны, поэтому мы мало с чем могли сравнить наш геном. В целом почти 40 % предполагаемых генов в наших секвенированных геномах не имели соответствия в базе данных.

Наша статья в Science про M. genitalium описывала, как мы использовали данные из обоих секвенированных геномов, чтобы задать основные вопросы о рецепте жизни: каковы ключевые отличия в генном содержимом двух видов? У H. influenzae около 1740 белков, кодируемых каждый своим геном, и примерно восемьдесят генных последовательностей для РНК. У M. genitalium только 482 гена, кодирующих белки, и 42 гена для РНК. Геном M. genitalium меньше отчасти потому, что в нем отсутствуют все гены ферментов, производящих собственные аминокислоты (она может добывать их из человека-хозяина). Как и у M. genitalium, у нас тоже есть незаменимые аминокислоты – валин и триптофан, которые наши клетки не могут синтезировать, и их приходится получать с пищей.

Возможно, еще интереснее вопрос: какие гены общие у этих двух микроорганизмов? Если те же самые гены найдутся у организмов многих разных типов, они обретут гораздо большее значение. Общие гены предполагают общего предка и могут оказаться поистине важнейшими для самого процесса жизни. Ключевой абзац нашей статьи 1995 года гласит: «Обзор генов и их организации у M. genitalium позволяет описать минимальный набор генов, необходимый для выживания».

Мы начали думать над базовым набором жизненно важных генов. Какое минимальное число генов требуется клетке, чтобы выжить и процветать? Мы надеялись, что гены, присутствующие у обеих бактерий из двух разных групп, дадут представление о критическом наборе генов.

Скудость наших биологических познаний в 1995 году отражает уже то, что мы понятия не имели о функциях 736 генов (43 % от всего набора) у H. influenzae и 152 генов (32 %) M. genitalium. Во время написания статей мы много спорили о жизни и о том, действительно ли M. genitalium представляет собой минимальный набор генов. Эти наши дискуссии отразились в заключении статьи о M. genitalium: «Сравнение [новых секвенированных геномов] с генной последовательностью M. genitalium должно способствовать более точному определению фундаментального комплекта генов для самовоспроизводящегося организма и более полному пониманию разнообразия жизни». Другие группы также начали работать с нашими данными по двум первым опубликованным геномам. Евгений Кунин из НИЗ провозгласил, что эта разработка отмечает новую эру в геномной науке, и заключил путем компьютерного исследования, что у микробов очень невелико генное разнообразие. Он основывался на сходстве между наборами генов грамотрицательных (H. influenzae) и грамположительных (M. genitalium) бактерий{91}. Однако наш следующий геномный проект одним ударом изменил принятые представления о генетическом разнообразии.

В 1996-м мы намеренно выбрали для третьей работы над геномом необычный вид: Methanococcus jannaschii. Этот одноклеточный организм живет в экстремальной среде – гидротермальном источнике, где из-под дна океана бьет горячая, насыщенная минеральными соединениями жидкость. В этих адских условиях клетки противостоят давлению в 245 атмосфер и температурам около 85 градусов Цельсия. Это само по себе примечательно, потому что большинство белков денатурируют при температурах от 50 до 60 градусов (в частности, именно это происходит с яичным белком при варке). В отличие от жизни на поверхности Земли, зависящей от солнечного света, Methanococcus – хемотроф, то есть делает все, что ему нужно для существования, из неорганических веществ. Источником углерода для любого белка и липида в клетке Methanococcus служит диоксид углерода. Кроме того, превращая углекислоту в метан, этот микроб получает энергию для своей жизнедеятельности. Methanococcus принадлежит к предполагаемой третьей ветви жизни – так называемым археям, которые в 1977 году открыл Карл Вёзе из Университета Иллинойса в Урбане{92}. Вместе с Вёзе мы выбрали Methanococcus как первую архею, геном которой будет секвенирован и проанализирован.

Сиквенс не подвел. Геном Methanococcus{93} расширил наш взгляд на биологию и генетические богатства планеты. Почти 60 % генов Methanococcus были новыми для науки, ничего не знавшей об их функциях; только 44 % генов напоминали что-то описанное ранее. Некоторые из генов Methanococcus, включая те, которые связаны с основным энергетическим обменом, напоминают те, которые есть у бактериальной ветви жизни. В то же время другие его гены, включая те, что связаны с переработкой информации и репликацией генов и хромосом, лучше всего соответствуют эукариотным генам, в том числе некоторым человеческим и дрожжевым. Наше геномное исследование побывало на первой странице каждой крупной газеты в Америке и широко освещалась в большей части остального мира: The Economist выбрал заголовок «Горячая штучка», в то время как Popular Mechanics возвещала об «Инопланетной жизни на Земле», и ей вторили San Jose Mercury News с заголовком «За пределами научной фантастики»{94}. Кстати, современные исследования наводят на мысль, что эукариоты – это потомки архей, и если это окажется так, мы опять вернемся к двум главным ветвям жизни{95}.

В том же 1996 году в газетные «шапки» по всему миру попала и НАСА, когда опубликовала то, что некоторые приняли за свидетельство микробной жизни на Марсе. Эверетт Гибсон и его коллеги из агентства объявили, что нашли в метеорите ALH 84001 окаменелость не более нанометра размером. Это было сенсационной находкой, поскольку ALH 84001 был выбит из поверхности Красной планеты и затем упал на Землю примерно тринадцать тысяч лет назад.

Эти сообщения о микробах-марсианах, сопровождаемые интригующими картинками мелких клякс и микроскопических колбасок, еще больше подхлестнули дискуссии о том, из чего может состоять минимальный геном. Наши простые прикидочные расчеты показали, что объем упомянутой «нанобактерии» настолько мал, что просто не может содержать молекулы ДНК или РНК. Теперь уже ясно, что структуры, найденные в ALH 84001, не имеют отношения к живым существам и что отложения, напоминающие примитивные клетки, могут возникать просто в ходе роста кристаллов{96}.

Следующие несколько лет моя команда продолжала секвенировать множество уникальных видовых геномов, включая тот, на который нас вдохновила новаторская работа австралийца Барри Маршалла. Они с патологом Робином Уорреном считали, что язву желудка вызывает спиралевидная бактерия, позже названная Helicobacter pylori. На меня произвело впечатление упорство Маршалла, работа которого постоянно оспаривалась. Его коллеги не желали верить, что причиной язвы может быть бактерия, а не стресс. В 1984 году Маршалл, вдохновленный своей убежденностью, выпил раствор с бактерией. Вскоре у него начались приступы рвоты и развился гастрит. В конце концов его настойчивость окупилась. Благодаря его исследованию миллионы людей были вылечены антибиотиками вместо ежедневного приема лекарств, снижающих кислотность, – что заодно снизило риск развития рака желудка. Мы опубликовали геном Helicobacter pylori в 1997 году{97}, а в 2005-м Маршалл получил Нобелевскую премию по медицине{98}.

Поскольку одноклеточная жизнь существовала около четырех миллиардов лет, она достигла разнообразия, позволяющего освоить всевозможные места обитания, от морозных антарктических пустынь до горячих кислых источников. Способностью к жизни «на грани» эти организмы, обитающие в крайних условиях, заслужили название «экстремофилов». Прощупывая жизнь у ее пределов, как в случае с Methanococcus, мы надеялись получить больше всего от сравнительной геномики. Следующий экстремофильный геном, который мы секвенировали, был геномом рода Archaeoglobus, живущего в нефтяных месторождениях и горячих источниках. Этот организм использует как источник энергии сульфаты, но может пожирать почти что угодно{99}. Наш первый анализ более чем двух миллионов букв его генома показал, что функции четверти его генов были неизвестны (две трети из этих загадочных генов были общими с M. jannaschii), а еще четверть кодировала новые белки.

Наше секвенирование двух первых бактериальных геномов и одного генома археи, а также публикация большим консорциумом лабораторий генома дрожжей{100} дали миру первый взгляд на геномы всех трех ветвей жизни. Что эти данные говорят нам о базовом наборе ингредиентов жизни? Наши попытки установить минимально необходимые для жизни гены повели нас по нескольким экспериментальным путям. Наш изначальный план был подойти к пониманию минимальной самовоспроизводящейся формы жизни с разных сторон. Окончательным решением был бы синтез генома, но пока нам было нужно очень много информации об основах клеточной жизни, которой не было в научной литературе.

Самым очевидным подходом было вырубать гены в геноме M. genitalium, чтобы установить, какие из них существенны: удалите или отключите ген, и если организм продолжает жить, вы можете считать, что этот конкретный ген не играет критической роли; если же организм умирает, то ген был явно существенным. Идея была проста и ранее успешно применялась к разным видам. Марио Капеччи из Университета Юты, Оливер Смитис из Университета Северной Каролины и Мартин Эванс из Кардиффского университета в Великобритании получили в 2007 году Нобелевскую премию за разработанную ими в 1980-х технологию создания «нокаутных» мышей, у которых избирательно отключен один или несколько генов.

Другое дело, что для применения этих методов к M. genitalium были серьезные практические препятствия. Нокаутировать гены у организма вроде дрожжей относительно легко благодаря арсеналу генетических инструментов, применимых к таким видам. Для микоплазм таких инструментов просто нет – как нет и инструмента для многих последовательных изменений генов.

Один из фундаментальных инструментов молекулярной биологии – отбор с помощью антибиотиков. При таком отборе клетки, в которых были изменены гены, отбираются путем убивания всех немодифицированных клеток антибиотиком. Модифицированные клетки выживают, потому что плазмиды ДНК, применяемые для введения в них новых генов, содержат еще и гены устойчивости к антибиотику. Хотя эта технология – основа большинства молекулярно-биологических экспериментов, к сожалению, в них применяется лишь несколько систем для отбора антибиотиками, что сильно ограничивает число последовательных изменений генов, которые можно проделать.

Для решения одной из проблем Клайд Хатчинсон предложил уникальный подход, который мы назвали «полногеномным транспозонным мутагенезом», при котором небольшая молекула ДНК, называемая транспозоном, разрывает ген, что позволяет нам судить, насколько этот ген был важен. Транспозоны, или мобильные генетические элементы, – это относительно короткие последовательности ДНК, способные встраиваться в геном – в определенные участки или в случайные места. Американка Барбара Макклинток открыла транспозоны в кукурузе, где они меняли распределение пигментации зерен. Эта работа принесла ей в 1983 году Нобелевскую премию{101}. Транспозоны можно считать эгоистичными генами, вроде вирусов, которые «заражают» геном. Оказывается, изрядная доля вашего генома состоит из таких ДНК-паразитов. Они важны, и не в последнюю очередь потому, что могут вызывать генетические болезни, если вставятся в ключевой ген и нарушат его функционирование.

Мы выбрали транспозон (Tn4001), выделенный у Staphylococcus aureus, чтобы он случайно вставлялся в геном M. genitalium и нарушал функционирование генов. Мы растили клетки, которые пережили такие вставки, выделяли и секвенировали их ДНК, начиная с праймера последовательности, который связывается только с транспозоном, чтобы точно определить, где в геноме окажется транспозон. Если Tn4001 вставится в середину гена и клетки это переживут, то мы считали этот ген несущественным для жизни.

После транспозонной бомбардировки генома мы сочли жизненно важными все гены, которые в живых клетках не имели транспозоновых вставок. Но проанализировав свои данные, мы поняли, что эта абсолютная система счета наивна, что гены и геномы существуют в определенных условиях и что жизнь не определяется одними генами. Поскольку все клетки получают ключевые питательные вещества и химикаты из окружающей среды, то, когда эта среда изменяется, ключевыми для жизни оказываются другие гены.

Белки мембранного транспорта ответственны за перенос важных питательных веществ из окружающей среды в клетки. Например, M. genitalium может расти как на глюкозе, так и на фруктозе, и у нее есть два гена, в которых зашифрованы специфические белки-транспортеры для каждого из этих сахаров. В наших исследованиях с транспозоновыми вставками оба гена оказались в группе несущественных для жизни, что поначалу нас удивило: ведь они были ключевыми для способа питания этого организма. Однако мы поняли, что среда, на которой мы обычно растили клетки M. genitalium, содержит и глюкозу, и фруктозу, что означает, что если ген какого-то транспортера выключается, то клетка просто переключается на потребление другого сахара. Напротив, если мы растили клетки только на одном сахаре, то, при вырубании транспортера именно этого сахара клетки умирали. Для некоторых функций, таких как метаболизм сахаров, определить «условно жизненно важные гены» нетрудно, но для тех генов, функции которых в клетке еще неизвестны, нет очевидного способа убедиться, не замещен ли разорванный ген другим.

Это оказалось особенно важно, когда мы включили в исследования вид Mycoplasma pneumonia, ближайшего известного родича M. genitalium, размер генома которого – 816 000 пар оснований, т. е. на 236 000 пар больше, чем у M. genitalium. Опять же мы хотели соединить работы по транспозоновой вставке со сравнительной геномикой, чтобы определить минимальный набор генов, нужных для жизни. Практически у каждого из 480 белок-кодирующих генов Mycoplasma genitalium в геноме M. pneumonia есть «родич», происходящий от общего с ним предкового гена (ортолога), и кроме того, есть еще 197 генов. Это наводит на соблазнительную мысль: не может ли набор из 480 генов, общих для двух видов, уже быть близок к минимальному геному? Наше исходное предположение состояло в том, что все 197 «лишних» генов в геноме M. pneumonia можно уничтожать вставками транспозонов, поскольку само существование M. genitalium предполагает, что они не необходимы для жизни. Результаты были не слишком удовлетворительны и информативны: мы обнаружили, что всего вставками транспозонов были разрушены 179 генов M. pneumonia, но из 197 «лишних» были разрушены лишь 140.

Сопоставив наши работы, мы вычислили, что у M. genitalium от 180 до 215 несущественных генов и от 265 до 350 – существенных. Из последних функция 111 неизвестна. Это явно не было точным определением жизни, которое мы искали. К тому же по мере проработки этих данных становилось всё очевиднее, что есть гены, каждый из которых сам по себе несущественен, но все вместе их удалять нельзя.

Учитывая скудость молекулярно-биологических инструментов и ограниченность данных по транспозонам, мы решили, что единственный путь получения минимального генома – попытаться синтезировать целый бактериальный геном с нуля. Нам надо будет химически синтезировать целую хромосому, используя только существенные гены. Однако это была бы громадная задача. Хотя ученые и писали маленькие кусочки генетических текстов уже почти полстолетия, никто не сделал ни одной конструкции из ДНК размером хотя бы в сотую долю того, что был нужен нам.

Работа над химическим синтезом ДНК начиналась в 1950-е, с успеха Хара Гобинда Кораны и Маршалла Ниренберга, но заметный прогресс был сделан лишь в 1980-е вслед за внедрением автоматического синтезатора ДНК Марвином Карузерсом из Колорадского университета в Боулдере. В его синтезаторе стояли четыре бутыли с нуклеотидами А, Т, Ц и Г, из которых они добавлялись по одному в предписанном порядке. Таким образом ДНК-синтезаторы могут делать короткие цепочки ДНК, называемые олигонуклеотидами. Однако при увеличении длины олигонуклеотидов выход продукта и точность падают. Вокруг синтеза олигонуклеотидов и продажи их исследователям выстроилась целая индустрия, потому что синтетическая ДНК применяется в молекулярной биологии для секвенирования ДНК и проведения ПЦР (полимеразных цепных реакций).

Синтетические олигонуклеотиды химическими методами можно соединять в более длинные куски ДНК. Когда мы впервые начали обсуждать синтез целого генома, самые длинные куски ДНК, которые удавалось сделать, были длиной в несколько тысяч пар оснований. Чтобы выстроить геном жизнеспособного организма, от нас требовалось химически синтезировать и собрать почти шестьсот тысяч пар оснований. Мы поняли: чтобы достичь этой цели, нам придется разрабатывать новые методы. Чтобы посмотреть, реальна ли наша идея хоть в каком-то приближении, мы решили, что надо попробовать сделать небольшой тестовый проект. Мы выбрали для синтеза геном бактериофага phi X 174. Помимо того, что это был первый секвенированный ДНКовый вирус, почти тридцать лет назад другая команда уже сделала примечательную и успешную попытку скопировать этот одноцепочечный геном с помощью ферментов.

Глава 5. Синтетический phi X 174

Это будет одна из самых важных историй, которые когда-либо читали вы, или ваш папа, или ваш дедушка… Эти люди открыли фундаментальный секрет жизни. Это потрясающее достижение. Оно широко распахивает двери к новым открытиям в борьбе с болезнями, в строительстве намного более здоровой жизни для всех людей. Это может быть первым шагом – как говорят эти великие гении из лаборатории – к контролю над некоторыми видами рака в будущем.

Президент Линдон Джонсон, декабрь 1967 года{102}

Хотя большинство людей никогда не слышали о phi X 174, этот простой бактериофаг уже завоевал место в истории. Фаг был первым ДНКовым вирусом, подвергшимся секвенированию, и первым, чей геном искусственно скопировали и активировали. Найденный в парижской канализации{103} phi X 174 поражает бактерию из человеческого кишечника E. coli. Можно удивиться, почему так много внимания уделено такому вроде бы неприметному вирусу, но причина проста: в этом вирусе, если изучать его на молекулярном уровне, почти ничего нет. Phi X 174 состоит из хромосомы – кольцевой молекулы ДНК, в которой всего 11 генов, – упакованной в икосаэдрическую «одежку» из белков, включая дюжину пятиугольных «шипов». Хотя под электронным микроскопом фаг выглядит красивым, как цветок, на самом деле это холодная геометрическая форма. Вирус не живее кристалла соли. Его жизненный цикл таков: фаг впрыскивает свою ДНК в бактериальную клетку, где она перехватывает управление биохимической машиной клетки, заставляя ее производить множество новых вирусов. Затем потомство вырывается из клетки, будучи готово заразить еще больше бактерий E. coli.

До появления секвенирования ДНК и даже до того, как стало известно строение генома фага, вирус в 1960 году воссоздала в лаборатории Стэнфордского университета группа под руководством биохимика Артура Корнберга. Ключом к этому достижению стало открытие Корнбергом ДНК-полимеразы, главнейшего фермента для репликации ДНК. Лаборатория Корнберга, используя новооткрытый фермент, начала копировать ДНК in vitro. Судя по статьям Корнберга, его команда сначала попыталась скопировать бактериальный геном, но успеха не имела из-за неспособности полимеразы прочесть безостановочно насквозь весь геном, который состоит из миллионов оснований ДНК.

После провалившегося эксперимента Корнберг решил сделать то, что тридцать лет спустя собиралась сделать моя группа: он поставил себе целью воспроизвести какую-нибудь ДНК попроще, а именно phi X 174. К тому времени один из первопроходцев в генном синтезе и секвенировании, Роберт Синшаймер открыл некоторые важные детали в жизненном цикле фага. Хотя ДНК вируса phi X 174 состоит из одной кольцевой цепочки, Синшаймер обнаружил, что немедленно после заражения хозяина ферменты бактерии превращают кольцевую ДНК в привычную линейную двойную спираль. Это открытие высветило проблему, с которой столкнулся Корнберг при попытках сделать копию вирусного генома: хотя ДНК-полимераза может скопировать весь геном phi X 174 (5386 пар оснований) в линейной форме, она не может создать инфекционную кольцевую форму. Мы все знаем, как превратить линию в окружность, но сделать это на молекулярном уровне полвека назад было для ученых не так просто.

Природа, конечно, превзошла мастерство, и несколько групп ученых, включая команду Корнберга, стали искать бактериальный фермент, который мог бы соединить два конца линейной двухцепочечной ДНК, чтобы превратить ее в замкнутую окружность, наподобие молекулярного уробороса. Этот поиск завершился в 1967 году, когда пять групп открыли ДНК-лигазу – фермент, который мог замкнуть ДНК в колечко. К концу года Корнберг использовал ДНК-лигазу для соединения концов ДНК phi X 174, скопированной ДНК-полимеразой. Воспроизведенная ДНК теперь могла заразить бактерию. Вот так Корнберг преуспел в копировании генома phi X 174, закольцевав его, использовав ферментативно скопированную ДНК для заражения E. coli и продуцирования множества копий этого вируса.

Он, конечно, знал в общих чертах свой объект, но не знал состава генома phi X 174 – последовательности ДНК. Корнберг понял, что он «оживил», лишь спустя десять лет, в 1977 году, когда группа Фреда Сэнгера использовала ДНК-полимеразу в своем новом методе секвенирования, применив ее к геному phi X 174. Тем не менее работа Корнберга стала сенсацией. 14 декабря 1967 года Стэнфордский университет организовал пресс-конференцию Корнберга, приурочив ее к публикации его статьи в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences. Организаторы попросили журналистов не называть его достижение «синтетической жизнью», поскольку вирусы – не живые существа; они могут размножаться только при помощи других организмов. Но, как оказалось, предупредили не всех.

В тот же день президент Линдон Джонсон должен был произнести речь в Смитсонианском институте на праздновании двухсотлетия Encyclopaedia Britannica{104}, и его спичрайтер попросил Стэнфорд дать ему абзац про работу над ДНК. Просьба была выполнена, но когда Джонсон начал читать подготовленную речь, он резко отложил ее в сторону и не смог сдержать волнения, рассказывая аудитории о новостях, которые вот-вот должны были появиться в газетных шапках:

Это будет одна из самых важных историй, которые когда-либо читали вы, или ваш папа, или ваш дедушка… Эти люди открыли фундаментальный секрет жизни. Это потрясающее достижение. Оно широко распахивает двери к новым открытиям в борьбе с болезнями, в строительстве намного более здоровой жизни для всех людей. Это может быть первым шагом – как говорят эти великие гении из лаборатории – к контролю над некоторыми видами рака в будущем.

Президент также рассмотрел ситуацию, когда государство может «учреждать жизнь», обладая властью, которую раньше считали прерогативой природы или даже бога: «Это, наверное, станет одной из великих проблем – и одним из важнейших решений. Те решения, что принимает нынешний президент, – это детский сад по сравнению с теми, которые предстоят будущему президенту». После такой речи неудивительно, что заголовки газет по всему миру провозгласили рождение первой синтетической жизни{105}.

Мне посчастливилось ознакомиться с приведенным выше пассажем о «тайне жизни» на десятки лет позже – в 2010 году, когда мы объявили о первой синтетической клетке и научный журналист Джо Палка готовил интервью со мной для Национального общественного радио. (История, которую президент приветствовал как самую важную на поколения вперед, прошла мимо меня – в дни, когда это было главной новостью, я служил санитаром во флотском госпитале в Дананге, во Вьетнаме.) Я подумал, что эта забавная история – восхитительная находка, прекрасно иллюстрирующая как преемственность научного мышления – в данном случае в деле полного понимания жизни путем ее воссоздания, – так и неизбежные трудности донесения до публики действительно волнующих научных результатов без преувеличения и срыва в рекламу. Я когда-то знал Корнберга через руководителя моей диссертации Натана (Нэйта) Каплана. Я задумался: что сделал бы Корнберг, будь в его распоряжении те замечательные возможности геномики, что последовали за его ранними экспериментами?

Опыты с воссозданием ДНК-вирусов на матрице оригинального вирусного генома позже были распространены на более примитивные РНК-вирусы, такие как вирус полиомиелита, и на ретровирусы – такие как ВИЧ. У последних носителем наследственности тоже служит РНК, но они дублируют ее в геном клетки-хозяина с помощью фермента, переписывающего РНК на ДНК. Открытие этого фермента – обратной транскриптазы – в 1970 году стало результатом исследования опухолеродных РНК-вирусов и сильно поколебало центральную догму «ДНК→РНК→белок». За независимое открытие обратной транскриптазы Ховард Мартин Темин из Университета Висконсина в Мэдисоне и Дэвид Балтимор из Массачусетского технологического института (МТИ) поделили Нобелевскую премию 1975 года по физиологии и медицине.

Среди РНК-вирусов есть и бактериофаги; один из них, фаг Qβ (Ку-бета), был первым вирусом, воссозданным в лаборатории с помощью обратной транскриптазы. Этот опыт был кульминацией замечательной работы швейцарского молекулярного биолога Чарльза Вайссмана, который, вероятно, больше известен своими исследованиями прионов в Цюрихском университете и получением белка интерферона с применением технологии рекомбинантной ДНК в 1980 году, через несколько лет после основания первой биотехнологической компании Genentech{106}. Ранние новаторские попытки Вайссмана и Мартина Биллетера секвенировать РНК в 1969 году{107} воодушевят Фреда Сэнгера{108}. Позже, работая с Ричардом Флоуэллом, Вайссман в 1974 году проложит путь к тому, что сегодня называют «обратной генетикой»: изучению того, как влияют на организм те или иные изменения генетического текста (в противоположность классической генетике, где выявляют мутантный организм, а затем прослеживают ответственную за это мутацию в ДНК).

В том же 1974 году начался и прогресс в копировании РНК-вирусов, когда Вайссману и Тадацугу Танигучи удалось получить комплементарную двухцепочечную ДНК-копию (кДНК) с РНК фага Qβ, которую потом они вставили в плазмиду-переносчик. К «удивлению и радости» Вайссмана, плазмида, внедренная в E. coli, дала потомство из заразных Qβ-фагов. Такое удалось проделать впервые{109}. Возможность делать вирусную кДНК позволила бы проводить генетические манипуляции, которые нельзя выполнить на уровне РНК, то есть применять к РНК-вирусам технологию рекомбинантной ДНК. Несколько лет спустя Винсент Раканьелло и Дэвид Балтимор повторили этот эксперимент в МТИ, используя очищенную РНК вируса полиомиелита и человеческие раковые клетки: они тоже получили аутентичные вирусные частицы{110}. Со времени этой работы были опубликованы генетические тексты вирусов почти из каждого вирусного семейства, в том числе вирусов гепатита С{111}, бешенства, гриппа А, кори, Эболы, респираторного синцитиального вируса, буньявируса и вируса гриппа, вызвавшего пандемию 1918 года{112}.

Обратная транскриптаза и ДНК-полимераза внесли вклад и в улучшение методов чтения генетических текстов. Обратная транскриптаза обычно используется для создания кДНК из мРНК, что позволяет секвенировать ДНК работающих (экспрессирующихся) генов. Это тот же метод, что я использовал в своем подходе «экспрессированных меток сиквенса» (EST). От phi X 174 Сэнгера через H. influenzae и до человеческого генома ДНК-полимераза играла ключевую роль в секвенировании ДНК. Чтобы прочитать три миллиарда оснований человеческого генома, моя группа разработала «полногеномное секвенирование методом дробления», основанное на разбивке генома на мелкие кусочки, которые легко прочитать машинами для секвенирования ДНК. В 1999 году, чтобы прочесть двадцать пять миллионов таких отдельных «строчек» и собрать из них полный геном человека, потребовалось девять месяцев. Сегодня, после появления ряда новых технологий, чтение ДНК так продвинулось, что позволяет на одном настольном приборчике сделать сиквенс человеческого генома за один день.

После завершения секвенирования человеческого генома в компании Celera я вновь обратился к проблеме генетического «прожиточного минимума» и дальнейшей работе над синтетическими геномами. Хэм Смит оставил Celera, чтобы примкнуть ко мне. Для финансирования этих работ мы вдвоем подали заявку на большой грант в министерство энергетики США (МЭ). Оно ведет крупную программу «Геномы для жизни», выросшую из их работ по человеческому геному. Еще раньше МЭ финансировало полное секвенирование моей командой некоторых первых геномов, в том числе M. genitalium и Methanococcus jannaschii. В итоге МЭ предоставило нам пятилетний грант с ежегодным бюджетом в 5 миллионов долларов – хорошее начало, сделавшее для нас возможной разработку двух новых областей, у которых, как мы считали, были потрясающие перспективы.

Первая радикально расширяла мою раннюю работу по секвенированию геномов, которая потом стала называться метагеномикой. Вместо сосредоточения на конкретных видах мы стали искать, как получить генетический «моментальный снимок» всего микробиологического разнообразия в такой среде, как океан или человеческий кишечник. Многие мои коллеги сомневались, что секвенирование дроблением всех организмов в образце морской воды сработает, потому что мы имеем дело с супом из множества разных видов. Скептицизм навевало то, что необходимо было одновременно секвенировать тысячи геномов, присутствующих в образце, а затем с помощью компьютера «перекоммутировать» фрагменты, стыкуя один с другим только те, что относятся к одному геному (как мы делали это с человеческим геномом). Но я был уверен, что нуклеотидная последовательность достаточно уникальна для каждого вида, чтобы можно было восстановить ее в компьютере из сложной смеси фрагментов разнородных последовательностей.

Как оказалось, мой новый метод секвенирования «дроблением среды» был весьма успешным. Мы начали с образцов воды из Саргассова моря вокруг Бермудских островов, которое в то время многими считалось «океанской пустыней» из-за нехватки доступных питательных веществ. В этом «пустом» море мы только в одном образце нашли более 1,2 млн ранее неизвестных генов и как минимум 1800 видов{113}. Бедная питательными веществами морская вода была полна жизни, потому что энергию организмы получали напрямую из солнечного света. Мы обнаружили, что фотосинтезировали не только растения: почти каждый микроорганизм в верхних слоях океана имеет светочувствительный белок – фоторецептор родопсин, очень похожий на тот, что работает в наших глазах. За последние шесть лет нашей работы в составе экспедиции Sorcerer II, отбиравшей образцы через каждые двести миль и покрывшей за эти годы больше шестидесяти тысяч миль по морю, мы обнаружили более восьмидесяти миллионов генов. То, что раньше считалось одним видом, теперь оказалось совокупностью тысяч близкородственных организмов. На основании множества работ мы прикинули, что в океане примерно 10^30 одноклеточных организмов и 10^31 вирусов. Это значит, что на каждого человека на планете приходится по миллиарду триллионов организмов.

Второе направление исследований, профинансированное МЭ, позволило нам начать с начала путь к тому, чтобы впервые создать синтетическую жизнь. Клайд Хатчинсон на основании своей ранней работы с Робертом Синшаймером и Фредом Сэнгером предложил в качестве тестового проекта бактериофаг phi X 174. Это был заманчивый объект по целому ряду причин. Геном бактериофага маленький, phi X 174 не выдержит много генетических изменений, так что это сразу будет проверкой на точность синтеза. И к тому же об этом вирусе очень много информации – благодаря усилиям Корнберга, Сэнгера и, конечно, Синшаймера, вдохновленного на изучение фагов Максом Дельбрюком и выбравшего, понятное дело, один из самых маленьких, какой сумел найти{114}.

Чтобы проверить простую методику синтеза, мы в 1997 году предприняли первую попытку синтезировать геном phi X 174 из набора перекрывающихся олигонуклеотидов в 50 пар оснований каждый, с последующей полимеразной цепной реакцией, чтобы сделать копии генома. Сначала нам показалось, что эксперимент удался. В записях лаборатории Клайда Хатчинсона значится, что 22 апреля мы получили молекулы ДНК, размер которых соответствовал целому геному phi X 174. Ключевой вопрос: был ли синтез достаточно точным, чтобы получить вирус? Мы собирались попытаться заразить синтетической ДНК клетки E. coli. Если ДНК не содержит летальных ошибок, то бактерия начнет производить специфические вирусные белки, которые будут самособираться в новые копии вируса phi X. Увы, наш синтетический геном не оказал вообще никакого действия. Мы знали, что синтез ДНК подвержен ошибкам, но надеялись, что путем отбора в ходе заражения на миллион цепочек ДНК найдется хотя бы одна с правильной последовательностью. Эта надежда разбилась, когда до нас дошел смысл этой неудачи. Точный синтез ДНК даже маленького вируса оказался задачей, требующей куда больше труда и умения, чем мы себе представляли. Что же говорить о более масштабной затее – создать полный бактериальный геном для получения живой клетки! Мы всей командой разрабатывали стратегию, как нам продвигаться дальше, и взвешивали, достижима ли вообще наша цель – синтетическая жизнь. Однако эти критические обсуждения были на несколько лет отодвинуты возможностью секвенировать человеческий геном. А уж когда мы на гребне нашего успеха с секвенированием человеческого генома вернулись к проблеме синтетического генома, мы уже были обречены на удачу.

Наши ранние попытки за несколько лет до того синтезировать phi X 174 провалились, очевидно, из-за ошибок, которые неизбежны при синтезе олигонуклеотидов. Если бы автоматические синтезаторы ДНК были способны производить чистые, свободные от ошибок, олигомеры заданной последовательности, сборка длинных двухцепочечных молекул ДНК была бы относительно простым делом. Но в реальности лишь около половины синтезированных молекул имеют правильную длину цепочки; остальные молекулы по большей части усеченные. Обычной причиной того, что они короче, чем ожидалось, становилось то, что в синтезаторе попадалось основание, которое не встраивалось; это назвали проблемой N-1. Эти неправильные молекулы или останавливали сборку олигонуклеотидов, или на выходе получалась ДНК с ошибками.

Мы проделали простые вычисления, чтобы иметь представление, почему опыт не удался. Поскольку в среднем только одна из двух молекул, использованных для сборки ДНК фага, была правильной, то стало совершенно – и безнадежно – ясно, почему наша давняя сборка не удалась. При случайном выборе 130 неочищенных олигонуклеотидов вероятность того, что цепочка генома нашего phi X собралась бы правильно, была одна вторая в 130 степени: (1/2)130, или 10–39, – исчезающе малая величина. Мы посчитали, что еще до отбора на заразность нужно снизить долю неправильных олигонуклеотидов до менее чем 10 % от всей популяции – только тогда мы могли рассчитывать на шанс создать достаточно много правильных молекул.

Мы начали все сначала. Первым делом мы заново оценили геном, который хотели сконструировать, чтобы абсолютно убедиться, что мы начинаем с точной вирусной последовательности. Мы брали за основу этой последовательности ту, что была в исторической статье 1978 года Фреда Сэнгера и его коллег. Нам повезло, что Клайд Хатчинсон сохранил образец того вируса, который исходно секвенировали, поэтому мы могли пересеквенировать его новейшими методами, чтобы проверить точность работы команды Сэнгера. Мы нашли только три отличия на 5384 пары оснований, и было неизвестно, то ли это ошибки в исходном секвенировании, то ли изменения, произошедшие при новом выращивании образца вируса. В любом случае сиквенс Сэнгера оказался очень точным, что подтвердило успех его команды.

Точность секвенирования всегда была проблемой для геномики. Точность изрядной части ранних сиквенсов ДНК была намного ниже 99 % (одна ошибка на 100 оснований). Лишь немногие лаборатории придерживались «высокого» стандарта, установленного для человеческого генома, – одна ошибка на десять тысяч оснований. Между тем для написания генетического текста нужна точность на порядки выше, чем текущие стандарты для чтения ДНК. Поскольку оцифрованные последовательности ДНК должны стать основой для конструирования и синтеза генома, сиквенс, на котором она основана, должен быть чрезвычайно точным, чтобы организм с таким геномом мог жить. (Позже мы установили, что одна «опечатка» – выпадение всего одного основания – из 1,1 миллиона букв генетического текста может быть вопросом жизни и смерти, когда речь идет о создании первой синтетической клетки.)

Со времен работы Синшаймера мы знали, что геном phi X 174, чтобы стать заразным, должен быть кольцевым{115}. Чтобы синтезировать работающий кольцевой геном, мы разбили проблему на несколько этапов. Внеся в компьютер последовательность ДНК фага, мы затем разделили геном на перекрывающиеся куски, которые были достаточно малы, чтобы их мог сделать синтезатор ДНК. Чтобы синтезировать фага, мы сделали 259 олигомеров, каждый 42 основания в длину. Перекрываясь, они покрывали весь геном. Смысловая[12] цепочка должна была сформироваться из 130 этих олигомеров, а другие 129 должны были образовать антисмысловую цепочку. Поскольку геном phi X 174 состоит из 5384 пар оснований, в конструкции предусматривались области перекрывания между кусками из 42 оснований (мы их назвали «сорокдвамеры» – от греческого meros, т. е. часть, в данном случае нуклеотид), а также дополнительные последовательности, которые мы добавили к каждому концу генома, чтобы сдублировать место рестрикции (в геноме оно содержится только один раз – там, где фермент рестриктаза PstI может резать ДНК), чтобы создать перекрывающиеся концы, которые свяжутся друг с другом, заставив ДНК закольцеваться.

Зная, что лишь половина синтезированных «сорокдвамеров» будет правильной длины, мы рассудили, что сильно улучшим точность сборки, предварительно очистив олигонуклеотиды. Гели для секвенирования ДНК разделяют молекулы ДНК разной длины и способны различать молекулы с разницей всего в один нуклеотид. В процессе, который называется гель-электрофорез, отрицательно заряженные молекулы нуклеиновой кислоты двигаются сквозь агарозный гель под действием электрического поля. «Усеченные» олигомеры меньше и в силу этого двигаются быстрее, чем олигомеры правильного размера. Просто разрезав гель бритвенным лезвием, мы могли отделить полосу с молекулами нормальной длины, чтобы использовать их для сборки смысловой и антисмысловой цепочек phi X 174.

Теперь у нас были компоненты для сборки генома фага – очищенные олигомерные цепочки. После этого мы объединили смысловые и антисмысловые олигомеры, которые, благодаря перекрывающейся схеме, сами выстроились в правильном порядке, подобно самособирающимся блокам лего. Тогда мы связали их насовсем с помощью фермента ДНК-лигазы. Вместо того фермента, что был у Корнберга, мы выбрали более мощную лигазу из высокотемпературного организма, которая долго сохраняла активность. Оставив пул олигомеров на восемнадцать часов реагировать при температуре в 55 градусов, мы получили из олигомеров по 42 основания более крупные фрагменты: в среднем по 700 оснований, а некоторые – по две-три тысячи.

Из этих более длинных кусков ДНК мы смонтировали полноразмерную геномную последовательность phi X 174 методом полимеразной цикличной сборки (ПЦС). Это вариант полимеразной цепной реакции (ПЦР) – обычного метода размножения ДНК. С помощью ПЦР мы можем приумножить небольшие количества ДНК. При нагреве ДНК денатурируется или «тает»: двойная спираль разделяется на две одноцепочечные молекулы. Дальше термоустойчивая Taq-полимераза, используя эти цепочки как матрицы, делает две новых цепочки ДНК. Это удваивает исходную ДНК, так как каждая из новых молекул содержит одну старую и одну новую цепочки. Затем каждая из этих цепочек может быть использована для создания новых копий и так далее.

В варианте процесса ПЦС мы начали со всех более крупных кусков ДНК с первого этапа сборки (в которых было в среднем по 700 пар оснований). Мы снова расплавили двухцепочечную ДНК до одиночных цепочек. Вместо копирования одинарных цепочек ДНК-полимеразой мы позволили реакционной смеси остыть, чтобы одинарные цепочки слиплись с любыми комплементарными участками. Поскольку последовательности наших фрагментов частично перекрывались на концах, в такой смеси часть цепочек объединялась не со своей парой, а с парой «соседнего» фрагмента, сцепляясь с ним лишь концами – как если совместить только первые фаланги ваших указательных пальцев. Большая часть таких цепочек оставалась одинарной, и ДНК-полимеразы, используя их как матрицу, достраивали к ним комплементарные цепочки. В результате из двух фрагментов получался один, почти вдвое большей длины. Повторяя этот цикл, можно построить кусок ДНК длиной в несколько тысяч пар оснований, причем сделать это относительно быстро. Циклы продолжаются, пока растущие молекулы не перекрывают геном полностью. После этого для размножения полного генома используется обычная ПЦР. Чтобы превратить эти линейные геномы фага в способные заражать кольца, фермент PstI срезает по несколько нуклеотидов одной из цепочек на концах амплифицированных молекул. В результате на концах молекул образуются короткие одноцепочечные «хвосты». Они слипаются друг с другом, замыкая молекулу в кольцо.

Далее идет важный тест – проверка, удалось ли нам создать точный синтетический геном, способный к заражению. Чтобы вирус был заразным, синтетическая ДНК должна быть опознана ферментными системами в клетках E. coli, сначала будучи переписана на мРНК, а потом в вирусные белки посредством механизма синтеза белков E. coli. Чтобы гарантировать нашей синтетической ДНК попадание в целевую бактерию-хозяина E. coli, мы применяли метод электропорации, при котором электрическое поле пробивает маленькие временные дырочки в клеточной стенке E. coli. После заражения синтетическим phi X 174 бактерий помещали на агар (желеподобную смесь агарозы и агаропектина) в чашке Петри и оставляли инкубироваться при 37 градусах от 6 до 18 часов.

Если бы на слое E. coli появилось пятно лизиса – красноречивый четкий круг, – было бы ясно, что новая стратегия сработала. Пятно показало бы, что в бактерии успешно вырабатываются вирусные белки, самособираясь в полноценные копии вируса phi X 174, заставляющие клетки-хозяева лопаться, выпуская вирус и заражая окружающие клетки E. coli. Открыв инкубатор, Хэм позвонил мне, попросив как можно быстрее прийти в лабораторию. Когда он показал мне первую чашку, я был очень доволен: по всей поверхности были явные пятна лизиса. Синтетическая ДНК бактериофага действительно могла заражать, воспроизводиться и затем убивать бактериальные клетки. У Хэма и Клайда от волнения кружились головы. Весь процесс создания синтетического генома и заражения клеток занял у нас две недели.

Чтобы представить контекст наших опытов, надо сказать о еще более отважной попытке создать хотя бы отчасти жизнеспособный вирус путем пошагового процесса, предпринятой годом раньше Экардом Уиммером из Университета штата Нью-Йорк в Стони-Бруке. У его команды получение первого синтетического РНК-вируса путем сборки генома вируса полиомиелита в семь тысяч оснований из небольших синтетических олигомеров ДНК, следуя расшифровке, которую он и его коллеги опубликовали в 1981 году, заняло три года. Синтетическая ДНК была с помощью РНК-транскриптазы переведена в заразную вирусную РНК. Этот первый синтетический РНК-вирус полиомиелита страдал той же самой неточностью синтеза олигомеров, которая подкосила наши собственные опыты, и в результате его активность была сильно снижена{116}. У достижения Уиммера был один негативный аспект: он предпочел опубликовать это скорее как предостережение научному сообществу, чем как обычный научный результат, породив тем самым споры и беспокойство в обществе.

Следуя за работой Уиммера, мы сократили сроки создания вируса с годов до дней. Поскольку эта работа финансировалась МЭ, я связался с Ари Патриносом, чтобы уведомить правительство о нашем успехе. Вскоре поступил официальный ответ, который я приводил в автобиографии «Расшифрованная жизнь».

* * *

Прямо на следующий день я обнаружил себя сидящим в ресторане на Пенсильвания-авеню (в нескольких кварталах от Овального кабинета), куда был призван всего за два часа до этого на срочный деловой ланч Ари Патриносом, работавшим в биологическом отделе министерства энергетики, которое спонсировало мои исследования, и сыгравшим в свое время важную роль в совместном представлении первого человеческого генома в Белом доме. Позже к нам присоединились его босс, Рэймонд Ли Орбах, директор Управления науки и техники МЭ; Джон Марбургер III, советник президента по науке и директор Управления науки и технической политики; и Лоуренс Керр, директор по исследованиям, развитию и проблеме биотерроризма Управления внутренней безопасности Белого дома. После того как в октябре 2001 года нескольким политикам были присланы по почте споры сибирской язвы, убившие пять человек, правительство США всерьез занялось подготовкой к отражению будущих биологических терактов{117}.

Я объяснил им, насколько быстро мы создали phi X 174 нашим методом исправления ошибок и что сейчас мы запросто могли бы сделать это еще быстрее. Керр выглядел понимающим, и вопросы, вытекающие из возможности создавать синтетические вирусы, видимо, прошли весь путь в Белый дом – вплоть до решения о возможных ограничениях публикации наших результатов.

Я настаивал на рассмотрении этой проблемы правительством еще десятью годами ранее, когда мою группу, тогда еще в НИЗ, министр здравоохранения попросил секвенировать геном вируса оспы. Это было частью международного соглашения о ликвидации остаточных запасов вируса оспы в Центрах по контролю заболеваний в Атланте и аналогичной организации в Москве[13]. Уничтожать или нет оставшиеся штаммы оспы – было в последние годы одним из самых яростных споров в мировом здравоохранении. Была надежда, что если, прежде чем уничтожить вирус, секвенировать геном, то важная для науки информация сохранится. Секвенирование, подробно описанное в «Расшифрованной жизни», началось в моей лаборатории в НИЗ и закончилось в TIGR. Анализируя геном, мы имели несколько причин для беспокойства.

Прежде всего мы не знали, позволит ли (и должно ли позволять) правительство публикацию последовательности и ее анализа. Наше беспокойство насчет обнародования таких знаний было понятным: этот вирус убивал людей миллионами. За всю историю человечества до эпидемии ВИЧ вирус натуральной оспы унес больше человеческих жизней, чем все прочие инфекционные агенты, вместе взятые. Предполагается, что он возник около 3000 лет назад в Индии или Египте, после чего оспа появлялась в виде периодических эпидемий, которые прокатывались по континентам, убивая до 30 % зараженных, обезображивая и лишая зрения тех, кто выжил. Считается, что оспа выкосила значительную часть коренного населения обеих Америк, где европейские поселенцы нарочно давали туземцам зараженные одеяла, чтобы распространить инфекцию{118}. Забирая жизни королей, королев, царей и императоров, оспа меняла ход истории{119}.

В конце концов я оказался в Национальном институте здравоохранения в Бетесде у его директора Бернадин Хили (умершей в 2011 году от опухоли мозга) в компании представителей разных федеральных ведомств, в том числе министерства обороны. Эта группа была по понятным причинам встревожена перспективой открытой публикации данных о геноме оспы. Некоторые радикальные предложения включали засекречивание моих исследований и создание периметра безопасности вокруг нового здания моего института. К несчастью, это совещание не выработало хорошо продуманной долгосрочной стратегии. Вместо этого была принята политика, выдержанная в духе холодной войны. В рамках соглашения с СССР (распавшимся в конце 1991 года) в России секвенировали геном возбудителя так называемой «малой оспы»[14], а мы – геном возбудителя типичной формы. Узнав, что русские готовятся опубликовать свои данные о геноме, правительство поторопило меня с завершением работы, чтобы опубликоваться первыми, и все разумные обсуждения на этом закончились.

На сей раз все было иначе: Белый дом президента Буша весьма обдуманно рассматривал возможные последствия нашей работы над синтетическим вирусом. После обширных консультаций и исследований они, к моему удовлетворению, приняли решение об открытой публикации нашего синтетического генома phi X 174 и связанной с этим методики. Нам повезло, что часть финансирования на этом первом этапе наших исследований была государственной, поскольку это гарантировало быстрый ответ от регулирующих органов. Я знал, что без общественного обсуждения и рассмотрения правительством мы могли бы получить предсказуемый рефлекторный ответ, продиктованный скорее атмосферой страха, преобладавшей после теракта 11 сентября и работы Уиммера по вирусу полиомиелита, нежели спокойной объективной логикой и доводами. Работа в конце концов появилась в Proceedings of the National Academy of Sciences 23 декабря 2003 года. Условием публикации (выдвинутым правительством и принятым мною) было создание межведомственного органа под названием Государственный научный консультативный совет по биобезопасности (NSABB), который будет заниматься биотехнологиями двойного назначения.

На пресс-конференции в Вашингтоне, устроенной министерством энергетики для обсуждения статьи, министр Спенсер Абрахам назвал эту работу «совершенно изумительной» и предсказал, что она может привести к созданию генно-инженерных микробов, скроенных для борьбы с загрязнениями или поглощения излишков углекислоты или даже для обеспечения в будущем потребности в топливе. Это было бы настоящей наградой – как для меня, так и для общества. Теперь мы умеем составлять синтетические геномы, и это, я надеюсь, приведет к невероятному прогрессу в проектировании микроорганизмов для многих жизненно важных энергетических и природоохранных целей. Некоторые, к примеру, смогут превращать солнечный свет в горючее, другие – поглощать загрязнители или очищать выхлопные газы от углекислоты.

Мы повторили то, что сделал Корнберг в 1960-х с ДНК-полимеразной копией тогда еще неизвестного генома phi X 174 – только на этот раз используя синтетическую ДНК. Эти опыты подтвердили, что в ДНК содержится необходимая и достаточная информация для формирования вируса: доказано синтезом. Мы поняли, что, имея точные фрагменты ДНК размером тысяч в пять оснований, мы преодолели ключевое ограничение синтеза ДНК и можем делать следующий шаг. Теперь мы были готовы направиться туда, где раньше не бывал никто: создать полный синтетический геном бактерии и попытаться получить первую синтетическую клетку. И мы совершенно не представляли, что это займет у нас целых семь лет.

Однако уже тогда мы осознали, что если мы преуспеем в способности конструировать текст жизни в компьютере, химическим синтезом переводить его в программу ДНК и заставлять синтетический текст работать для создания нового организма, то это будет означать, что витализм действительно мертв, и заодно – что у нас будет более ясное представление о том, что на самом деле значит слово «жизнь». Слияние цифровых миров – машинного и биологического – откроет замечательные возможности создавать новые виды и направлять будущую эволюцию. Мы достигли важнейшей точки бытия – начала времени, «когда все станет возможным»[15], и можем в самом деле достичь того, что Фрэнсис Бэкон описывал как покорение природы. Но это великое могущество влечет за собой долг объяснить нашу цель – так, чтобы общество в большинстве смогло ее понять – и, что еще важнее, использовать эту мощь ответственно.

Задолго до того, как мы наконец преуспели в создании синтетического генома, я стремился предусмотреть все этические последствия этого достижения для науки и общества. Я был уверен, что кое у кого создание синтетической жизни вызовет тревогу и даже страх. Их будут интересовать последствия для здоровья людей и окружающей среды. В рамках образовательной работы своего института я организовал знаменитую серию семинаров в Национальной академии наук в Вашингтоне, где выступили весьма разнообразные и широко известные докладчики – от Джареда Даймонда до Сиднея Бреннера. Следуя своему интересу к проблемам биоэтики, я также пригласил прочитать одну из лекций очень влиятельную фигуру в здравоохранении и этике – Артура Каплана, работавшего тогда в Центре биоэтики при Университете Пенсильвании.

Как и было принято, после лекции я пригласил Артура Каплана на обед. За столом я сказал что-то в том духе, что, мол, имея дело с широким спектром современных биомедицинских проблем, он должен был к нынешнему моменту слышать всё. Арт ответил, что да, конечно, в основном слышал. А доводилось ли ему сталкиваться с темой создания новых синтетических форм жизни в лаборатории? Он с удивленным видом признал, что определенно никогда не слышал о таком, пока я не спросил. Не будет ли ему интересно рассмотреть эту проблему, если я дам его группе необходимое финансирование? Арт загорелся темой синтетической жизни, и мы тут же договорились, что мой институт даст его отделу средства для независимого анализа последствий наших работ по созданию синтетической клетки.

Каплан со своей командой провел серию рабочих групп и интервью, приглашая самых разных специалистов, религиозных лидеров и знаменитостей. Меня позвали на одну сессию для описания запланированного нами научного подхода и ответов на вопросы. Я очутился среди представителей нескольких крупных религий. Я был очень удивлен и доволен, когда обсуждение пришло к тому, что поскольку они не смогли найти ни в Библии, ни в священных писаниях других религий запрета на создание новых жизненных форм, то это приемлемо.

После этого я не слышал о биоэтическом исследовании Университета Пенсильвании, пока результаты не были опубликованы в Science, в статье «Этические аспекты создания минимального генома», где соавторами были Милдред Чо, Дэвид Магнус, Артур Каплан, Дэниэл Макги и группа этических проблем геномики{120}. (Статья вышла в том же выпуске Science от 10 декабря 1999 года, в котором появилась и наша работа «Массированный транспозоновый мутагенез и минимальный геном микоплазмы», описывающая, как мы с помощью транспозонов определяли, какие гены критически важны для жизни.) Авторы приветствовали нашу работу как важный шаг вперед в генетической инженерии, которая «позволит создавать организмы (новые и уже существующие), просто зная последовательность их геномов».

В начале статья обращала внимание на то, как неожиданное объявление о клонировании овечки Долли в феврале 1997 года выявило серьезное отставание принятых понятий об этичности и законности от научного прогресса. (На самом деле Долли была не первым клонированным животным, но первым клонированным из взрослой клетки.) Эта новость стала шоком для биологов – мало кто считал возможным взять взрослую дифференцированную клетку и перевести часы развития назад настолько, чтобы создать эмбриональную клетку, которая может вырасти в новое животное. Овца, которая дала клетку молочной железы для создания Долли, не «восстала из мертвых», как утверждали некоторые{121}. Жить продолжала только ее ДНК-программа.

Как я и надеялся, когда дошло до изучения проблем, возникших при создании минимального генома, инициативой завладела пенсильванская команда. С моей точки зрения, это было особенно важно: это означало, что проблемы поставили ученые, участвующие в основном исследовании и в зарождении самих идей, воплощенных этих достижениях, – а не сердитые или встревоженные люди с улицы, протестующие против того, что их не спросили (пусть даже потом некоторые маргинальные группы и заявят об этом). Авторы указали, что, хотя искушение демонизировать нашу работу может быть непреодолимым, «научное сообщество и публика могут начинать понимать, что стоит на кону, поскольку уже предприняты усилия определить природу занимающейся этим предметом науки и поставить ключевые этические, религиозные и метафизические вопросы так, чтобы их обсуждение могло успевать за наукой. Если этика отстанет от этой линии исследований, то только потому, что мы ей это позволим»{122}.

Далее статья обращалась к широкому кругу проблем – от потенциальной опасности выпуска новых видов для окружающей среды до вопросов патентного права. Однако поскольку реальный синтез таких геномов казался делом очень отдаленного будущего, в большинстве сообщений СМИ был пропущен один из ключевых абзацев, касающийся безопасности: «Знание последовательностей особо опасных патогенов может создать для общественного здравоохранения и безопасности угрозы, способные перевесить выгоды. Это тревожит, поскольку современные способы регулирования почти не обеспечивают надзора за этими технологиями».

Помня о спорах вокруг уничтожения оспы и сомнениях насчет публикации вируса полиомиелита и, возможно, предвидя постоянные будущие заламывания рук в ожидании оживления пандемических штаммов в ходе исследований гриппа{123}, авторы спрашивали, надо ли нам регулировать науку и если да, то в какой мере. Подобные вопросы будут сопровождать каждый следующий шаг науки о синтетических геномах.

Как ни странно для публикации в научном журнале, статья в Science отвела немало места размышлениям о влиянии редукционистской науки на «смысл и происхождение жизни», но не взялась за непростую проблему – что вообще значит это короткое слово «жизнь». Авторы предупреждали:

Есть серьезный риск, что определение и синтез минимальных геномов будут представлены учеными, описаны прессой или восприняты публикой как доказательство, что жизнь – это всего лишь ДНК или может быть сведена к ней… Это может оказаться угрозой для взгляда на жизнь как на нечто особенное. По крайней мере со времен Аристотеля существовала традиция, рассматривающая жизнь как нечто большее, чем просто физические процессы. На ней основано представление о взаимосвязанности всех живых существ и чувство, что они в каком-то важном смысле есть нечто большее, чем организованная материя.

Чо и др. также уделили много внимания религиозным проблемам, словно подчеркивая свою озабоченность ими: «Удивительно, что крупные западные религиозные сообщества почти не проявляли склонности дать определение жизни или обозначить ее суть». Таким образом эта ответственность возлагалась на науку – несмотря на заключение самих авторов, что как раз «чисто научное определение жизни» и вызвало беспокойство.

Самым, пожалуй, настоятельным вопросом, по мнению пенсильванской команды, было «не будет ли такое исследование недозволенным вмешательством в то, что лучше бы оставить природе». Важный – и для меня обнадеживающий – вывод работы вторил тому, что я слышал прежде на обсуждениях: «Преобладающая [религиозная] точка зрения состоит в том, что, хотя есть причины для осторожности, в намерении ученых создать минимальный геном нет ничего такого, что автоматически запрещалось бы обоснованными религиозными соображениями».

Это не значило, однако, что религиозные соображения не имеют отношения к делу. Один взгляд на нашу работу состоял в том, что она знаменует прогресс человечества. Другой – что это лишь новейший пример научной спеси, неизбежно ведущей к катастрофе, – тема, которую снова и снова рассматривает и разрабатывает популярная литература, от голема, одушевленной глиняной фигуры из иудейских легенд, до монстра из «Франкенштейна» Мэри Шелли, «Острова доктора Моро» Уэллса и воскрешенных динозавров из «Парка юрского периода» Майкла Крайтона.

Именно этот вопрос будет определять одиннадцать лет спустя реакцию прессы на наше объявление о первой синтетической клетке, когда все дружно двинутся по одной мысленной дорожке: «А не играем ли мы в Бога?» Статья пенсильванской группы мудро указывала, что это возражение – средство скорее пресечь дискуссии о моральной ответственности за манипуляции жизнью, чем стимулировать их. Она утверждала, что можно найти баланс между пессимистическим взглядом на нашу работу как очередной пример спеси и оптимистическим – как на равносильную «прогрессу человечества». Авторы добавляли, что «хороший распорядитель» продвигал бы работы по геномике осторожно, рассматривая собственные цели и применение новых знаний в свете чтимых традиций. Они заключали, что нет веских этических причин, по которым команда должна была бы воздержаться от продолжения работы в этой области, пока она продолжает участвовать в публичных обсуждениях – что мы и делаем.

Глава 6. Первый синтетический геном

Нынешние машины для будущего – как древние ящеры для человека.

Сэмюел Батлер, 1872{124}

Стремление манипулировать жизнью в лаборатории прошло долгий путь от зари эпохи рекомбинантной ДНК в 1970-х, когда Пол Берг, Герберт Бойер и Стэнли Коэн начали резать и склеивать ДНК. К концу десятилетия появился лабораторный штамм E. coli, генетически измененный таким образом, чтобы производить человеческий инсулин. С тех пор ученые заставили бактерии делать человеческие факторы свертывания крови для лечения гемофилии и гормон роста для лечения карликовости. В сельском хозяйстве ДНК изменяли, чтобы сделать растения устойчивыми к засухе, вредителям, гербицидам и вирусам; чтобы увеличить урожайность и питательную ценность; для производства пластмасс{125}; для снижения использования удобрений. Гены животных меняли, чтобы увеличить выход продуктов, создать модели человеческих болезней, сделать такие лекарства, как антикоагулянты, и получить «очеловеченное» молоко и свиные органы, которые можно пересаживать людям. Генно-модифицированные клетки использовались для производства белков, от антител до эритропоэтина, который повышает производство эритроцитов. Некоторые пациенты испытали на себе генную терапию, в ходе которой в геном некоторых клеток тела добавляется программная «вставка», чтобы лечить генетические нарушения: иммунодефицит, слепоту и врожденное свойство крови – бета-талассемию.

Сегодня генная инженерия превратилась в то, что более известно как синтетическая биология. Различие между биологией молекулярной и синтетической стерто, и в большинстве применений реальной разницы нет. «Синтетическая биология» просто звучит привлекательнее – точно так же физиология заместилась «биологией систем», а некоторые вполне традиционные химики предпочли переназвать свою работу нанотехнологией. Но как ни назови, а по всему земному шару множество ученых занимается генной инженерией, сочетая биологию с инженерными подходами.

Последние достижения слишком многочисленны, чтобы приводить их подробный список, но вот всего лишь несколько примеров генно-инженерных открытий. Рабочая лошадка молекулярно-биологических лабораторий, E. coli, была в 2003 году{126} частично минимизирована (удалено 15 % ее ДНК) Фредериком Блаттнером из Университета Висконсина, пытавшимся сделать ее более надежной основой для промышленного производства. В Гарварде лаборатория Джорджа Чёрча разработала метод, названный MAGE – мультиплексное автоматическое проектирование генома, чтобы заменить кодон в тридцати двух штаммах E. coli, а затем побудить эти частично отредактированные штаммы эволюционировать так, чтобы получить клеточную линию, в которой этот кодон будет заменен{127} во всех 314 позициях. В лаборатории Кристофера Фойгта в МТИ была собрана изощренная генетическая схема – будучи вставлена в бактерию, она может, например, сделать ее чувствительной к четырем разным онкомаркерам и заставить в присутствии всех четырех выпускать убивающий опухоль фактор{128}. Коллега Фойгта Тимоти Лу разработал модули ДНК, которые могут выполнять логические операции. Такие живые вычислительные элементы, способные принимать решения, можно модифицировать для множества применений{129}. По мере совершенствования технологии цели неизбежно становятся всё амбициознее и возникают новые вопросы, которые в свою очередь приведут к дальнейшему развитию технологии.

Наша предполагаемая работа по синтезу генома живой клетки требовала гораздо более глубокого понимания того, какие гены необходимы для жизни. Чтобы ответить на этот вызов, нам нужно было применить разнообразные приемы, как мы уже успешно делали раньше при секвенировании человеческого генома; успех в современной науке всё больше зависит от хорошей командной работы{130}. Чтобы создать синтетическую клетку, мы запустили три большие программы. По опыту нашей работы с phi X 174 мы все решили, что наибольшего сосредоточения усилий требует синтез ДНК, если мы хотим провести его успешно. Поэтому первой командой стала группа синтеза ДНК, которой предстояло синтезировать полную бактериальную хромосому. Эту группу возглавлял Хэм Смит, а входили в нее Дэниел Гибсон, Гвинед Бендерс, Синтия Эндрюс-Фанкох, Евгения Денисова, Холли Баден-Тильсон, Джейшри Завери, Тимоти Стокуэлл, Анушка Браунли, Дэвид Томас, Миккель Элджир (Algire), Чак Мерриман, Ли Янг, Владимир Носков, Джон Гласс и Клайд Хатчинсон III. Я был уверен, что проблемы с химией разрешимы, и больше беспокоился о биологии. Сможем ли мы трансплантировать и установить синтетический геном, если преуспеем в его синтезе, и сможем ли мы лучше понять, какие гены составляют необходимый минимум для жизни? Поэтому вторая и третья команды сосредоточились на биологии. Команду трансплантации генома возглавлял Джон Гласс, в нее входили Кароль Лартиг, Нина Альперович, Ремберт Пайпер и Прашант Пармар. Командой минимального генома руководили Джон Гласс и Клайд Хатчинсон, и она включала Насиру Ассад-Гарсиа, Нину Альперович, Шибу Юсеф, Мэтью Льюиса и Махира Маруфа. Хотя состав всех трех команд частично перекрывался, каждая сосредоточенно занималась своей задачей. Руководителями всего проекта были Хэм, Клайд и я, а когда был учрежден Институт Вентера в Ла-Хойе и Хэм с Клайдом отбыли осваивать запад, роль общего лидера в Роквилле стал играть Джон Гласс.

Мы планировали синтезировать самый маленький известный геном, который может создать живую самовоспроизводящуюся клетку, M. genitalium. Мы думали, что этот синтез будет величайшей задачей и что он может позволить нам еще сильнее редуцировать маленький геном, определив по ходу понимания и препарирования генетических инструкций простой клетки минимальный для жизни набор генов. Для такого синтеза мы разделили геном M. genitalium на сто один сегмент, которые мы называли «кассетами», каждый примерно того же размера, что и геном phi X 174. Мы знали, что можем точно делать куски синтетической ДНК размером от пяти до семи тысяч пар оснований, и нам было нужно найти способ сочетать их так, чтобы реконструировать геном M. genitalium. Геном M. genitalium из 582 970 пар оснований был в двадцать раз больше, чем что-либо синтезированное раньше. До этой работы самыми большими синтетическими конструкциями из ДНК были два маленьких вируса и поликетидный генный кластер из 32 000 пар оснований. (Поликетиды – это кольцеобразные молекулы, которые в природе выделяют бактерии, грибы, растения и морские животные, чтобы убивать хищников; они служат основой для многих лекарств, особенно антибиотиков и противораковых агентов{131}.)

Итак, нам было нужно разработать новый набор инструментов для надежного синтеза крупных молекул ДНК. Развитие инструментов и технических приемов – основа научного прогресса, но, на мой взгляд, не менее важна тщательность выполнения процедур. Мне часто приходилось описывать лабораторную работу в геномике взятым из информатики «мусор на входе – мусор на выходе»[16]: если не соблюдать предельной тщательности при выполнении каждого шага, конечный результат будет в лучшем случае гораздо слабее, чем мог бы быть. Когда мы в 1990-х секвенировали первые геномы, мы обнаружили, что если наши библиотеки ДНК (содержащие небольшие фрагменты генома) были не высочайшего качества и не представляли собой истинно случайной выборки из всей ДНК в интересующем нас геноме, то шансов, что компьютер сможет использовать последовательности, сгенерированные по тем библиотечным образцам, для реконструкции последовательности генома, было очень мало. То же самое можно сказать об использованной для секвенирования ДНК, чистоте реагентов и воспроизводимости техник. Всё должно быть высшего качества. Моя команда обращала особое внимание на эти фундаментальные требования, и в результате мы оказались действительно способны получать очень высококачественные данные о последовательности ДНК.

Однако, как обсуждалось в 5-й главе, качество секвенирования ДНК, необходимое для чтения генетического текста, намного ниже, чем то, что требуется для написания текста, способного поддерживать жизнь. В первом случае нас устраивала точность не более одной ошибки на 10 000 пар оснований. Может показаться, что это очень мало ошибок, но использование этого стандарта означало бы, что у нас было бы около 60 ошибок в геноме M. genitalium и более 300 000 ошибок в человеческом геноме. Ясно, что столь неточные данные вряд ли смогут поддерживать жизнь и явно недостаточны для точного диагноза генных изменений у человека, ассоциированных с той или иной болезнью. Типичный человеческий ген может состоять из тысяч и даже миллионов пар оснований, поэтому данный уровень ошибок может означать множество ошибок секвенирования в одном гене. Чтобы представить, что это значит: всего одна ошибка в гене может вызвать серьезную болезнь, например серповидноклеточную анемию. Иными словами, такой уровень ошибок вряд ли можно считать приемлемым для реконструкции генома и создания живой клетки.

Эти простые факты часто забывают, фантазируя об оживлении вымерших видов по их секвенированным геномам. Журналистские рассуждения, вдохновленные великими достижениями палеогенетики – геномом неандертальца, прочитанным Сванте Паабо{132}, или секвенированием ДНК шерстистого мамонта в Университете штата Пенсильвания{133}, всегда сворачивают на возбужденные мечтания о воскрешении видов{134}. Я прочел слишком много статей, бодренько обсуждающих восстановление неандертальцев или мамонта с помощью клонирования, хотя сиквенсы ДНК обоих созданий очень фрагментированы, не покрывают всего генома и – в силу глубокой деградированности – гораздо менее точны, чем те, что обычно получают при чтении свежей ДНК.

Тем не менее прочтение неандертальской ДНК было изумительным достижением науки, поведавшим нам многое о нашей собственной эволюции, установив, что скрещивание некоторых предков современных людей с нашими неандертальскими кузенами оставило нам в наследство 3–4 % нашего генома, восходящие к неандертальцам.

Чтобы синтезировать геном M. genitalium, нам требовалось чрезвычайно точное секвенирование ДНК. Проведенное нами секвенирование двух первых геномов в 1995 году опиралось на ранние модели секвенаторов ДНК, и хотя ошибок было меньше, чем одна на десять тысяч пар оснований, мы опасались, что такой точности может быть недостаточно для порождения живой клетки. Нам ничего не оставалось, кроме как пересеквенировать геном M. genitalium, используя новейшие технологии. Новый сиквенс показал, что наша исходная версия имела точность до одной ошибки на тридцать тысяч пар оснований, и когда мы скомбинировали старую и новую версии, то получили менее одной ошибки на сто тысяч пар – примерно с полдюжины на весь геном. И вот с этой новой высокоточной последовательности мы приступили к синтезу генома M. genitalium.

Наш успех с конвертированием цифровой записи генома phi X 174 в реальную ДНК придал нам достаточно уверенности, чтобы приняться за значительно больший геном свободно живущего организма. Умея производить с большой точностью отрезки размером с вирусный геном, мы понимали, что можем надеяться на успех, если сумеем разбить бактериальную хромосому на такие фрагменты и найдем надежный способ сшивания их всех вместе.

Мы нарезали геном микоплазмы на 101 кассету от пяти до семи тысяч пар оснований каждая. Кассеты были вырезаны так, чтобы каждая перекрывалась с соседними на 80–360 пар оснований, так что мы могли их накладывать друг на друга, как конструктор лего. Мы так спроектировали наши кассеты, что последовательности ДНК в зоне перекрываний были комплементарными: если последней буквой в одной кассете была Т, то она стремилась связаться с А в другой. Подобно застежке-молнии, перекрывающиеся участки сцеплялись между собой комплементарными основаниями, образуя спираль.

Наша попытка создать синтетический геном отличалась еще двумя особенностями. Во-первых, геном M. genitalium, как и phi X, кольцеобразный, поэтому мы спроектировали кассету № 101 так, чтобы она перекрывалась с кассетой № 1. Во-вторых, мы хотели, чтобы у нас был безотказный способ отличить наше изделие от природного генома M. genitalium. Чтобы исключить непонимание и двусмысленность, нам нужно было иметь возможность всегда проследить синтетический геном и неопровержимо доказать, что новой синтетической клеткой управляет именно он, а не примесь от исходной клетки или генома.

Мы хотели поставить подпись в новом геноме (как художники подписывают свои работы), чтобы отличать его от природного. И вот, использовав однобуквенные обозначения аминокислот, мы создали последовательности – «водяные знаки», которые читались как «Институт Вентера» и Synthetic Genomics, Inc., а также фамилии главных участников проекта. Мы использовали разные кодоны для представления каждой из двадцати букв аминокислотного «алфавита» (в нем представлены не все буквы латинского алфавита, поэтому, например, вместо U мы писали V). Мое имя, закодированное подобным образом, выглядит так:

TTAAЦTAГЦTAATГTЦГTГЦAATTГГAГTAГAГAAЦAЦAГAAЦГATTAAЦTAГЦTAA[17].

Эти «водяные знаки» были вставлены в пять разных кассет, разнесенных по геному. Нам также нужно было вставить ген устойчивости к антибиотику, что позволило бы нам избирательно убивать клетки, в которых нет нашего синтетического генома, и таким образом отбирать те, где он есть. Мы вставили ген устойчивости к антибиотикам внутрь ключевого гена M. genitalium – MG408, который нужен этой бактерии, чтобы прилипать к клеткам млекопитающих. Тем самым мы надежно искалечили этот ген, играющий важную роль в способности микроба вызывать болезнь, гарантировав, что синтетический организм будет безвредным.

Чтобы наша команда могла сосредоточиться на ключевом этапе – сборке 101 кассеты в геном, – я настоял, чтобы мы предложили трем компаниям, занимающимся синтезом ДНК, контракт на изготовление для нас 101 спроектированной кассеты. Несмотря на рекламные объявления, мы нашли только одну компанию, которая могла делать фрагменты в пять – семь тысяч пар оснований. Кроме того, это было дорого: синтез ДНК стоит примерно 1 доллар за каждую пару оснований, так что один сырой материал для нас должен был стоить больше полумиллиона долларов. Принимая на себя такое серьезное финансовое обязательство, мы были полны решимости заставить наших контрагентов работать.

Одной из главных трудностей было – как соединить 101 кассету. Первая идея пришла из наших прежних проектов по синтезу геномов. В результате наших попыток охватить как можно более широкое биологическое разнообразие я узнал о весьма примечательном организме, который мог восстанавливать свой геном после значительных радиационных повреждений. В 1999 году мы опубликовали статью «Полное секвенирование генома устойчивой к радиации бактерии Deinococcus radiodurans R1»{135}, в которой был описан геном необычного организма, способного выдержать до трех миллионов рад ионизирующей радиации. Если учесть, что смертельная доза такой радиации для человека – всего пятьсот рад, то как может Deinococcus переживать такую атаку? И нельзя ли приспособить те же механизмы репарации ДНК для построения синтетического генома?

Действие радиации на белки и ДНК всех видов примерно одинаково и отчасти связано с размером молекул. В начале своей научной карьеры я посвятил некоторое время определению размеров белков, инактивируя их радиацией. Методика в принципе проста. В белках радиация разрывает пептидные связи, которые соединяют составляющие белок аминокислоты; одного попадания в молекулу белка достаточно, чтобы лишить ее активности. Существует обратная зависимость между размером молекулы белка и дозой радиации, нужной для его инактивации путем разрыва пептидных связей (шанс попасть в крупную мишень гораздо выше, чем в мелкую), поэтому чем меньше белок, тем большая доза радиации нужна. Я использовал этот метод для определения размера белков-рецепторов нейромедиаторов и их функциональных комплексов{136}.

Сходным образом радиация поражает и ДНК, разрывая химические связи, соединяющие нуклеотиды между собой. Как и в случае с белками, чем больше геном, тем ниже доза радиации, способная причинить разрушения. Из-за нашего большого генома люди намного чувствительнее к воздействию радиации, чем бактерии. Геном человеческой клетки в тысячу раз больше генома микроба: шесть миллиардов пар оснований против 1–8 миллионов пар у бактерий. Вследствие этого, чтобы разорвать обе цепочки в нашей ДНК, нужна значительно меньшая доза радиации, чем для бактериальной хромосомы. Поэтому мы можем быть уверены, что если нас угораздит попасть под ядерный армагеддон, то мелкие формы жизни его выдержат.

Так как выживает Deinococcus? Подвергаясь миллионам рад радиации, геном Deinococcus разбивается на сотни двухцепочечных обломков ДНК, но эти бактерии могут чинить и заново собирать свои хромосомы и продолжать реплицироваться. Его способность проделывать такое до сих пор полностью не понята, но в нее входят, в частности, множество копий каждой хромосомы, так что, когда его ДНК оказывается разорвана радиацией во множестве случайных мест, получившиеся фрагменты могут сами выстраиваться в нужном порядке, образуя матрицу ДНК. Я часто уподоблял этот процесс тому, который мы использовали в секвенировании дроблением, когда программа на мощном компьютере заново собирает секвенированные перекрывающиеся фрагменты ДНК, восстанавливая геном.

Мы рассудили, что если бы нам удалось воспроизвести процессы починки ДНК и сборки хромосом вне клеток Deinococcus, то мы могли бы использовать это для сборки нашей синтетической хромосомы из больших, размером с вирусный геном, сегментов ДНК. Двое наших сотрудников, Санджай Ваши и Рэйюань Чуан (Sanjay Vashee и Ray-Yuan Chuang), согласились заняться этой работой. Они перебрали весь геном Deinococcus в поисках всех генов, которые могли иметь отношение к делу, затем провели еще два года, клонируя каждый ген, чтобы получать «ремонтные» белки в лаборатории, где их можно было комбинировать так и сяк для повторения сборки и ремонта ДНК. После тяжких трудов мы были вынуждены сдаться. Мы уперлись в тупик и нуждались в новой стратегии.

Следующим подходом было разработать логичный пошаговый план сборки. Применяя специально предусмотренные перекрывания в последовательностях ДНК соседних кассет, мы собрали «в пробирке» две кассеты, чтобы получить фрагмент побольше. Затем мы клонировали этот более крупный фрагмент в E. coli, чтобы при ее размножении множились бы и копии крупного фрагмента. Таким путем мы могли получить достаточно много ДНК для следующего этапа сборки. Нашей конечной целью было не только получить геном M. genitalium, но и разработать продуктивный воспроизводимый процесс сборки, который мы в дальнейшем могли бы приложить к созданию любых синтетических геномов.

Наш план первого раунда сборки генома состоял в соединении четырех кассет, каждая размером примерно с геном phi X 174, чтобы создать кусок в 24 000 пар оснований. Для этого мы внесли равные количества каждой из четырех кассет в микроцентрифужную пробирку с векторной ДНК, позволявшей размножить этот свежесобранный сегмент в E. coli. Вектор, который мы использовали, называется искусственной бактериальной хромосомой (ИБХ). В ней один конец перекрывается с началом кассеты № 1, а другой – с концом кассеты № 4.

Чтобы связать куски вместе, мы добавили в смесь ДНК в пробирке фермент (3’-экзонуклеазу), который откусывает по нуклеотиду с конца ДНК, укорачивая лишь одну из двух цепочек ДНК (так называемую 3’-цепочку – это название связано с тем, как нумеруются атомы углерода в сахарах нуклеотидов ДНК) и оставляя другую цепочку (5’-цепочку) открытой. Управляя экзонуклеазой путем изменений температуры, мы могли гарантировать, что соответствующие одноцепочечные концы кассет найдут друг друга и слипнутся за счет химического притяжения комплементарных оснований на каждой цепочке, а-ля Уотсон и Крик.

Чтобы убедиться, что мы в итоге получим полные двуспиральные цепочки, мы затем добавили ДНК-полимеразу и свободные нуклеотиды, чтобы в любом месте, где 3’-экзонуклеаза откусила от цепочки слишком много, полимераза вставила недостающие основания на место. Кроме того, в смесь был добавлен еще один фермент, ДНК-лигаза, чтобы соединить перекрывающиеся концы. Когда все ферменты закончили свою работу, мы получили все четыре кассеты, сцепленные в куски из 24 000 пар оснований, или цепочки в 24 кб[18]. Чтобы произвести все такие «укрупненные» кассеты по 24 кб, которые вместе составляют полный геном M. genitalium, мы повторили процесс двадцать пять раз.

Так как мы размножали синтетическую ДНК в E. coli, то у нас было достаточно ДНК для секвенирования. После проверки секвенирования всех 25 кассет мы повторили процесс in vitro, на этот раз соединяя три кассеты по 24 кб в кассеты по 72 000 пар оснований, то есть каждая кассета составляла одну восьмую от генома M. genitalium. Чтобы сделать это, нам сначала надо было освободить (с помощью рестриктазы) кассеты по 24 кб от вектора-ИБХ, который использовался, чтобы растить их в E. coli.

Наши векторы-ИБХ были сконструированы так, что на обеих сторонах нашей вставленной синтетической ДНК у них была последовательность из восьми определенных оснований. Эта восьмерка нуклеотидов, не встречающаяся в естественном геноме M. genitalium, распознается особой рестриктазой, называемой NotI. Когда NotI разрезает ДНК ИБХ, синтетический фрагмент в 24 кб освобождается. На этом этапе мы получили синтетическую ДНК, длина которой более чем вдвое превышала предыдущий рекорд для синтетических ДНК-сборок.

Следующим шагом было повторение процесса еще раз, теперь для получения сегментов по 144 000 пар оснований, каждый сегмент – четверть генома. Для этого две кассеты по 72 кб подвергались тому же процессу сборки in vitro. Однако тут мы вступали на неизвестную территорию и доводили нашу методику до предела. На предпоследнем этапе – получении сегментов в половину генома (290 000 пар оснований) путем соединения четырех четвертей в две половинки – мы уперлись в проблему: сегменты по 290 кб оказались слишком большими для размещения их в E. coli.

Это побудило нашу команду начать поиски других видов, способных устойчиво вмещать столь большие молекулы синтетической ДНК. Мы обратили внимание на Bacillus subtilis, которую использовала японская группа для выращивания больших сегментов генома цианобактерий{137}. Но хотя B. subtilis действительно могла вместить большие сегменты по 290 кб, извлечь неповрежденную ДНК из этих клеток оказалось невозможно, так что мы стали искать дальше. Решение пришло из мира более сложных клеток – эукариот. Это был любимый экспериментальный объект ученых всего мира, изучающих биологию эукариот: пивные дрожжи Saccharomyces cerevisiae. Они веками применялись в виноделии и хлебопечении, а в лабораторной практике стали популярны благодаря относительно маленькому геному и ряду особенностей, облегчающих генетические манипуляции. Например, S. cerevisiae используют для так называемой гомологичной рекомбинации: если сегмент ДНК имеет на своих концах последовательности, сходные или идентичные концевым последовательностям какого-то участка в геноме S. cerevisiae, то этот сегмент можно вставить в геном дрожжей вместо «родного».

Нашим гуру по части дрожжей был Владимир Носков, научный сотрудник группы синтетической биологии и биоэнергетики в Институте Крейга Вентера в Мэриленде. Носков учился в Санкт-Петербургском государственном университете в России и потом продолжил образование там же, готовя диссертацию по генетике дрожжей. Проведя пять лет в Японии за изучением репликации хромосомальной ДНК и «контрольной точки» клеточного цикла дрожжей, где ДНК проходит контроль и починку, он затем работал в НИЗ в Бетесде. Там, в группе структуры и функции хромосом, Носков придумал несколько новых приемов для технологии манипулирования большими кусками ДНК в дрожжах – трансформационно-ассоциированного рекомбинантного (ТАР) клонирования, более совершенного, чем старый метод искусственных хромосом дрожжей (YACs).

Дрожжевые клетки, которые примерно в десять раз больше клеток E. coli, защищены толстой клеточной стенкой, препятствующей трансформации ДНК в клетке. Чтобы справиться с этим, ТАР-клонирование использует фермент зимолиазу, расщепляющий большую часть клеточной стенки, в результате чего образуется так называемый сферопласт, в который легче поместить большие куски ДНК{138}. В результате ТАР-клонирования получаются кольцевые искусственные хромосомы. Они стабильны, а кольцевая структура позволяет легко очищать их от нормальных линейных хромосом дрожжей.

Мы обнаружили, что с помощью ТАР-клонирования мы можем стабильно растить наши большие конструкции из синтетической ДНК, а используя дрожжевую систему гомологичной рекомбинации – соединять наши перекрывающиеся сегменты-четвертушки в куски в половину генома. Затем эта система позволит нам собрать в дрожжах весь геном M. genitalium целиком. Таким образом перед нами замаячил конец долгого и трудного восхождения к первому синтетическому геному живого организма.

Мы вставили в дрожжевые клетки шесть кусков ДНК: ТАР-клонирующий вектор и пять соответствующих геному M. genitalium (четыре сегмента по четверти синтетического генома и еще один разделенный надвое сегмент для перекрытия мест ТАР-клонирования). Чтобы этот эксперимент сработал, надо, чтобы дрожжевая клетка приняла все шесть сегментов ДНК и гомологичной рекомбинацией соединила их между собой. Мы проверили размер ДНК в 94 трансформированных дрожжевых клетках и обнаружили, что в семнадцати из них содержится полный синтетический геном M. genitalium.

Казалось, мы преуспели в сборке нашего синтетического бактериального генома в дрожжевых клетках, но надо было еще секвенировать ДНК, чтобы проверить точность этого генома и убедиться, что процесс сборки прошел без ошибок. Это звучит просто, но нам пришлось разработать новые методы, чтобы извлечь нашу синтетическую хромосому из дрожжевых клеток, а она, по нашей оценке, составляла около 5 % всей содержащейся в них ДНК. Для очистки нашей синтетической ДНК мы, зная последовательности генома дрожжей и синтетического генома, подобрали рестриктазы, которые порезали на мелкие кусочки только ДНК дрожжей. Затем путем гель-электрофореза мы отделили расщепленные остатки дрожжевой ДНК от невредимой синтетической хромосомы.

Наконец мы могли использовать наш метод дробления для секвенирования синтетического генома. Мы все были очень довольны и вздохнули с облегчением, когда реальная последовательность ДНК точно совпала с той, что была записана у нас в компьютере, включая введенные нами водяные знаки. Мы синтезировали геном M. genitalium из 582 970 пар оснований и тем самым создали самую большую химически синтезированную молекулу с заранее заданной структурой.

Мы назвали нашу первую синтетическую хромосому M. genitalium JCVI-1.0. Мы описали наши результаты и послали их в Science 15 октября, на следующий день после моего шестьдесят первого дня рождения. Наша статья вышла на сайте 24 января 2008 года, а на бумаге – 29 февраля. Мы праздновали наш успех в создании генома, но знали, что главные задачи еще впереди: теперь надо было найти способ трансплантации первого синтетического генома в клетку, чтобы посмотреть, будет ли он функционировать как нормальная хромосома. В ходе этого клетка-хозяин должна трансформироваться в такую, где все компоненты будут произведены по инструкциям, заложенным в нашу синтетическую ДНК. И снова наши опыты будут строиться на более ранних работах и идеях целого ряда талантливых команд, работавших в течение многих предыдущих десятилетий.

Глава 7. Превращение одного вида в другой

Переход от парадигмы в кризисный период к новой парадигме, от которой может родиться новая традиция нормальной науки, представляет собой процесс далеко не кумулятивный и не такой, который мог бы быть осуществлен посредством более четкой разработки или расширения старой парадигмы. Этот процесс скорее напоминает реконструкцию области на новых основаниях, реконструкцию, которая изменяет некоторые наиболее элементарные теоретические обобщения в данной области, а также многие методы и приложения парадигмы. В течение переходного периода наблюдается большое, но никогда не полное совпадение проблем, которые могут быть решены и с помощью старой парадигмы, и с помощью новой. Однако тем не менее имеется разительное отличие в способах решения. К тому времени, когда переход заканчивается, ученый-профессионал уже изменит свою точку зрения на область исследования, ее методы и цели.

Томас Кун, 1962{139}

Если бы мне нужно было выбрать одну работу, статью или результат эксперимента, которые повлияли на мое понимание жизни сильнее прочих, то я, без сомнения, выбрал бы из всех остальных вот эту: «Трансплантация генома бактерий: превращение одного вида в другой»{140}. Исследование, которое привело к статье 2007 года в Science, не только сформировало мой взгляд на жизнь, но также заложило фундамент для создания первой синтетической клетки. Пересадка генома не только указала путь выполнения потрясающей трансформации, но также помогла доказать, что ДНК – это программный носитель жизни.

В известном смысле наши опыты можно считать продолжением процесса, именуемого «пересадкой ядра», который был применен, в частности, командой во главе с Иэном Уилмутом в Институте Рослин возле Эдинбурга, в Шотландии, для создания Долли{141}, клонированной овцы. Ядро из клетки молочной железы взрослой овцы со всей ДНК пересадили в яйцеклетку (предварительно лишенную собственного ядра), успешно вернув пересаженную ДНК в эмбриональное состояние. Последовавшее рождение Долли прогремело в 1997 году в заголовках прессы всего мира, потому что она была создана из взрослой клетки молочной железы (откуда и ее имя – намек на певицу Долли Партон с пышным бюстом). До рождения этого ягненка взять клетку взрослого организма и сделать клон считалось невозможным. Достижение Института Рослин опиралось на многие факторы, от изощренного знания клеточного цикла до технических решений вроде покрытия реконструируемого эмбриона оболочкой из защитного агара{142}. Но Долли была далеко не первым клоном и даже не первой клонированной овцой{143}.

История пересадки ядра на самом деле начинается в 1938 году со знаменитого и очень изобретательного немецкого эмбриолога Ханса Шпемана (1869–1941), который опубликовал результаты первых экспериментов по пересадке ядер{144}. Шпеман был первопроходцем того, что он называл Entwicklungsmechanik – «механика развития», и был в 1935 году за свои опыты награжден Нобелевской премией. Совместно с Хильде Мангольд (1898–1924) он провел первые опыты по пересадке ядра на тритонах, оказавшихся идеальным экспериментальным объектом из-за своих крупных икринок, с которыми было удобно управляться. В 1938 году Шпеман опубликовал свою итоговую книгу «Эмбриональное развитие и индукция», в которой был описан эксперимент, проведенный при помощи умелого использования микроскопа, пинцета и тонкого волоска, вероятно, вырванного у его дочери Маргретте.

Шпеман сделал из волоска петлю, чтобы разделить под бинокуляром цитоплазму только что оплодотворенной икринки саламандры, придав эмбриону форму гантели. На одном конце гантели было ядро, содержащее ДНК; на другом – только заключенная в клеточную мембрану цитоплазма, в которой было всё, что содержится в клетке вне ядра. (Нелишне напомнить, что, хотя исходно Шпеман вдохновился работой Августа Вейсмана о наследственности, всё, что было тогда[19] известно, это что тайна наследственности лежит в ядре.) После того как половинка с ядром поделилась четыре раза, став эмбрионом из 16 клеток, Шпеман развязал волосок и позволил одному из шестнадцати ядер пройти в отделенную цитоплазму в другой половине гантели, образуя новую клетку с исходным содержимым яйцеклетки и более зрелым ядром. Вновь затянув волосок, он разделил эмбрион надвое. Тем самым он продемонстрировал, что ядро, пройдя четыре деления, сохраняет способность превращаться в любой тип клеток. Таким способом Шпеман создал клон – генетически идентичную копию, которая была на несколько секунд моложе, чем другая.

Шпеман назвал этот процесс «двойникованием», и оно было отмечено в истории как первое клонирование животного, проведенное в лаборатории с помощью пересадки ядра. Он хотел пойти дальше и предложил «фантастический эксперимент» – проделать то же самое со взрослой клеткой. Но, как и многие до него, он был слишком ошеломлен и восхищен тайнами развития, чтобы поверить, что оно зависит лишь от физики и химии.

В следующем десятилетии задача Шпемана привлекла внимание Роберта Бриггса, исследователя из научно-исследовательского института при госпитале Ланкенау в Филадельфии (позже Институт онкологических исследований, а затем Онкологический центр Фокса Чейза), который изучал клеточное ядро. В 1952 году, работая с Томасом Кингом, он клонировал леопардовых лягушек, пересаживая ядро клетки. Эксперимент Бриггса и Кинга походил на то, что предлагал – и предвосхитил в своих опытах на саламандрах – Шпеман в 1938 году. Они пересадили ядро лягушачьего эмбриона ранней стадии в большую (миллиметровую) яйцеклетку обычной американской леопардовой лягушки. Полученные таким образом эмбрионы благополучно развились в головастиков. Но в ходе дальнейших экспериментов Бриггс и Кинг пришли к выводу, что по мере дифференцировки клеток потенциал развития уменьшается и получить клон из ядра взрослой клетки невозможно. Позже, в 1962 году, работавший в Оксфорде Джон Гёрдон заменил ядро яйцеклетки шпорцевой лягушки (Xenopus) на ядро зрелой специализированной клетки из кишечника головастика. Яйцеклетка развилась в клонированного головастика, а в последующих экспериментах удалось получить и взрослых лягушек{145}. Его исследование, научившее нас, что ядро взрослой специализированной клетки можно вернуть в незрелую стадию, было удостоено Нобелевской премии по физиологии и медицине в 2012 году{146}, через пятьдесят лет после его первопроходческих экспериментов.

То, что мы пытались сделать, в некоторых отношениях было намного сложнее, чем эти ранние эксперименты с пересадкой ядер, хотя они были, несомненно, весьма замечательными. Работа Шпемана была немного похожа на попытку перепрограммировать компьютер, ничего не зная о программировании, а просто скачивая что-то из интернета. В отличие от более сложных эукариотных клеток, у бактерии нет ядра – клеточной субструктуры, заключенной в мембрану. В бактериальной клетке геном плавает в густом цитоплазматическом супе вместе с прочими клеточными компонентами. Так что там просто нет клеточной органеллы, которую можно удалить хирургическим путем. С еще более сложной задачей мы столкнулись, когда хотели трансплантировать генетический материал одного вида в клетку другого, в то время как все предыдущие эксперименты с переносом ядра включали работу с одним видом, а то и с одним и тем же животным.

Когда мы начали думать над тем, как перевести синтетическую ДНК в бактерию и заменить ее собственную хромосому, то поняли, что надо разрабатывать новый метод трансплантации генома, поскольку нужно заменить весь геном вида-хозяина на вставленную голую ДНК нового вида без какого-либо смешения (рекомбинации) двух геномов. Отдельные гены молекулярщики уже десятки лет пересаживали привычно и без ограничений – например, вирусные и человеческие гены пересаживались в бактерии и дрожжи и работали там. Но насколько я знаю, никто не пытался пересадить полный геном, такая задача многим могла казаться невозможной.

Такая предвзятость часто ограничивает нашу способность испробовать новый подход или принять новые открытия. Например, микробиологи когда-то думали, что в бактериальных клетках может быть только одна хромосома. Но реальность оказалась намного интереснее – как я обнаружил в середине 1990-х, когда мы{147} секвенировали геном возбудителя холеры, массовой и опасной болезни, которая каждый год{148} поражает пять миллионов человек по всему миру, приводя к ста двадцати тысячам смертей. Разработанные нами алгоритмы для секвенирования дроблением, посредством которых компьютеры подбирали перекрывающиеся куски секвенируемой последовательности, имели специфическую особенность: они собирали геномные тексты только на основе перекрывающихся участков. У компьютеров не было априорного представления о том, сколько хромосом, плазмид или вирусов должно получиться, они только складывали подходящие фрагменты в математически обоснованном порядке. Когда мы собрали секвенированные фрагменты генома холеры, они явственно сложились в две независимые хромосомы – а не в одну, как полагало большинство. Когда мы сравнили эти две хромосомы друг с другом и с другими геномами, то обнаружили, что они очень сильно отличаются между собой.

Сделав такое открытие на холере, мы потом выявили немало видов микробов с несколькими хромосомами. Это поднимало вопрос: как эти виды обзавелись этими множественными хромосомами? Может, клетка просто случайно забрала дополнительную ДНК из лизированной клетки и новая хромосома образовалась, потому что она добавила своему новому дому какие-то важные для выживания способности? Или две древние клетки слились, образовав новый вид? У нас не было на это ответов, но меня эти идеи чрезвычайно привлекали. Большинство мыслило эволюцию видов как идущую за счет постепенного накопления единичных изменений оснований в последовательности ДНК в течение миллионов и миллиардов лет; тот или иной вид адаптируется к окружающей его среде, если случайные изменения предлагают преимущества для выживания. Мне показалось правдоподобным, что некоторые известные нам крупные эволюционные скачки происходили по крайней мере отчасти за счет приобретения дополнительной хромосомы, которая сразу добавила тысячи генов и множество новых признаков.

Теперь мы знаем, что многие продвинутые функции эукариотных клеток возникли в эволюции, когда ранние эукариотные клетки полностью вобрали в себя некоторые виды микробов, которые сначала жили с ними в симбиотических взаимоотношениях. Вероятно, самое важное событие такого рода произошло примерно два миллиарда лет назад, когда эукариотная клетка забрала к себе фотосинтезирующую бактериальную клетку, ставшую в итоге хлоропластом, в котором происходит фотосинтез у всех растений. Второй самый наглядный пример этого процесса, называемого эндосимбиоз, можно найти в «блоках питания» наших клеток – митохондриях, которые, как и хлоропласты, несут свои собственные гены и происходят от симбиотической бактерии, вероятно, сходной с современными риккетсиями[20].

Поскольку было ясно, что трансплантация геномов и целых клеток была существенной частью нашей эволюции, я был уверен, что мы сможем найти способ искусственной пересадки геномов. Для наших начальных экспериментов по трансплантации мы выбрали микоплазмы, потому что, в отличие от большинства бактерий, у них нет клеточной стенки (жесткого упругого наружного слоя), а есть лишь клеточная липидная мембрана, что упрощало внесение ДНК в клетку. Кроме того, мы уже многое знали о микоплазмах, включая последовательности их геномов и результаты работ по нокаутным генам. Я собрал новую трансплантационную команду вокруг двух ученых: Джона Гласса, который провел большую часть своей карьеры в фармацевтической компании Lilly pharmaceuticals, работая с микоплазмой, и примкнул к нам, когда компания закрыла свою антимикробную программу, и нового постдока из Франции Кароль Лартиг, у которой был опыт работы с различными видами микоплазм. Остальными ключевыми членами команды были Нина Альперович и Ремберт Пайпер.

Сначала мы хотели попытаться трансплантировать геном микоплазмы в E. coli, но хотя микоплазмы в своей ДНК используют те же четыре основания, что и все другие виды, у них кодон УГА[21] кодирует триптофан, в то время как у прочих видов УГА – это стоп-кодон, который прекращает процесс синтеза белка. Поскольку E. coli прочла бы УГА как стоп-кодон, то получились бы урезанные белки, несовместимые с созданием жизнеспособной клетки. Нам пришлось для экспериментов с пересадкой использовать другой вид микоплазмы.

В свое время мы выбрали M. genitalium для секвенирования, анализа и последующего синтеза генома, поскольку он у нее чрезвычайно мал, а мы думали, что при создании синтетического генома узким местом будет наша способность воспроизвести его химическим путем. Но теперь бы нам пришлось пожалеть о таком решении по практическим соображениям: в лаборатории M. geni-talium очень медленно растет. В то время как E. coli делится на дочерние клетки каждые двадцать минут, M. geni-talium, чтобы сделать свою копию, требуется двенадцать часов. Это может показаться не слишком большой разницей, но при экспоненциальном росте это разница между получением результатов эксперимента через двадцать четыре часа – и через несколько недель. Поэтому для первых опытов по пересадке генома мы выбрали два разных быстрорастущих вида микоплазмы, M. mycoides и M. capricolum. Оба они – условные патогены коз и, возможно, распространились, когда эти животные были одомашнены, около 10 тысяч лет назад{149}. Как возбудители серьезных болезней домашнего скота эти микробы часто выращиваются в лабораториях. Они все же не так торопливы, как E. coli: M. mycoides делится каждые шестьдесят минут, а M. capricolum – раз в сто минут.

Будучи геномной лабораторией, мы секвенировали геномы обоих видов, чтобы узнать, насколько они родственны друг другу. Мы нашли, что у M. mycoides в геноме 1 083 241 пара оснований, последовательность которых на три четверти (76,4 %) совпадает с несколько меньшим геномом M. capricolum, состоящим из 1 010 023 пар оснований. В соответствующих друг другу участках генома последовательности совпадают на 91,5 %. Оставшаяся четверть (24 %) генома M. mycoides не имеет соответствия в геноме родственного вида – она содержит последовательности, которые в геноме M. capricolum не обнаружены.

Основываясь на сходстве последовательностей ДНК, мы рассудили, что ключевые белки каждого вида, использующиеся для интерпретации генетических инструкций, будут достаточно биохимически совместимы, чтобы прочитать геном другого вида, и в то же время их можно будет легко отличить друг от друга. Мы также подумали, что геномные последовательности различаются достаточно, чтобы не рекомбинировать.

Когда дошло до выбора, чей геном пересаживать, а кто будет хозяином, мы выбрали M. mycoides в качестве донора генома и M. capricolum как реципиента: M. mycoides быстрее растет, геном у нее побольше, и это позволит легче заметить успешную пересадку. Была и еще одна техническая причина для такого решения. В своей предыдущей лаборатории Кароль Лартиг изучала особый участок ДНК – так называемый «ориджин», точку начала репликации. С этим участком связывается комплекс белков ORC, участвующий в репликации ДНК, и отсюда начинается процесс удвоения. Лартиг показала, что белки ORC M. capricolum способны узнать ориджин M. mycoides, а ORC M. mycoides не узнают ориджин M. capricolum. Таким образом, геном M. mycoides сможет удваиваться в M. capricolum – но не наоборот.

Выбрав из микоплазм донора и реципиента, мы ощутили уверенность, что наша экспериментальная система способна обеспечить наилучшие возможности для попытки трансплантации генома. Дальнейшие шаги требовали множество нудных экспериментов методом проб и ошибок и заводили нас в область неизвестного. Нам надо было разработать новые методы для выделения интактной хромосомы из одного вида и пересадки ее в другой вид, не повредив и не разрезав ДНК. Если мелкие куски ДНК легко поддаются манипуляциям без повреждений, то крупные, особенно целые хромосомы, состоящие из миллионов оснований, очень хрупки и легко повреждаются.

Нам также нужно было определиться с экспериментальным подходом в целом. Следовало ли нам удалить или разрушить геном capricolum перед тем, как мы подсадим в клетку новый от клетки mycoides? Этот процесс был бы эквивалентен энуклеации – этапу удаления ядра в эукариотных клетках, что относительно легко, так как можно просто высосать ядро микропипеткой из яйцеклетки-реципиента. Мы не знали, необходимо ли для наших целей разрушить или удалить геном клетки-реципиента прежде, чем добавить в нее новую ДНК. Как и того, что будет, если у нас в итоге в одной и той же клетке окажутся два генома.

Мы придумывали разные способы атаки на хозяйскую хромосому, включая применение радиации, чтобы уничтожить ее ДНК, рассуждая, что на ДНК низкие дозы радиации повлияют намного сильнее, чем на гораздо более мелкие молекулы белков. Мы также рассматривали использование рестриктаз, чтобы они расщепили ДНК в геноме клетки-реципиента. Но нас все время тревожило, что любой их этих подходов может оставить после себя фрагменты ДНК, которые затем могут рекомбинировать с пересаженной хромосомой, и тогда геном в клетке уже не будет чисто синтетическим. После широкого обсуждения Хэм Смит предложил идею попроще: ничего не делать, потому что, когда клетка-реципиент после трансплантации поделится, в одной из дочерних клеток может оказаться только пересаженная хромосома.

Казалось, что шансы невелики, но мы решили провести такой эксперимент. Однако сначала мы должны были ответить на некоторые ключевые вопросы и разработать способ изоляции хромосомы и манипулирования ею без повреждения ДНК. Чтобы защитить ДНК, мы решили изолировать хромосому в маленьких (100 микролитров) блоках агарозы, по консистенции похожих на желатин. Для начала мы поместили бактериальные клетки в жидкую агарозную смесь и вылили ее в формы, которые, охладившись на льду, застыли в маленькие пробки. К плотно упакованным бактериям мы могли добавить ферменты, чтобы вскрыть клетки, содержимое которых, включая хромосомы, вытекло бы в эти пробки. ДНК мы отделяли, промывая пробки протеазой, расщепляющей все белки и оставляющей невредимой ДНК. Потом мы поместили пробки с ДНК поверх геля в установке для электрофореза и включили электрическое поле, чтобы втянуть ДНК в гель. Из-за входящих в ее каркас фосфатных групп ДНК заряжена отрицательно и в электрическом поле будет двигаться в сторону положительного электрода. Варьируя перепад напряжения и плотность геля и применяя разные красители, мы могли установить размер хромосомы, долю белковой примеси, а если ДНК повреждена или порвана – то сделать из нее линейные молекулы, так как линейная ДНК движется через гель быстрее, чем кольцеобразная, а та, в свою очередь, – быстрее, чем сверхспирализованная{150}.

Поэкспериментировав с высвобождением и электрофорезом геномов, мы обрели уверенность, что у нас есть способ изолировать хромосомы, определять, свободны ли они от белков (нам надо было знать, нужны ли какие-то белки для трансплантации), и оценивать, в каком они виде – двухцепочечные, кольцевые или сверхспирализованные. У прокариот и эукариот ДНК по-разному упаковывается, чтобы компактно размещаться в клетках или внутриклеточных структурах. В человеческих клетках ДНК намотана на белки, называемые гистонами, а у бактерий то же самое достигается сверхспирализацией, что, как подсказывает название, означает сворачивание спиралей в спирали. Большинство бактериальных геномов «отрицательно сверхспирализованы», то есть ДНК скручена в направлении, противоположном направлению закручивания двойной спирали. Некоторые предварительные эксперименты подсказали нам, что конформация ДНК имеет значение – в этих суперскрученных хромосомах она лучше всего подходит для пересадки.

Кароль Лартиг и ее команда испробовали много подходов и наконец остановились на процедуре, которая, хотя и была сложной, в итоге сработала. Мы узнали, что освобожденная от белков ДНК может быть успешно пересажена в клетки M. capricolum. Мы также обнаружили, что трансплантации помогают небольшие изменения в клетках-реципиентах. Например, выращивание клеток при pH 6,2 вместо 7,4 резко меняет форму клеток M. capricolum: обычно они яйцевидные, а при таком рН делаются длинными и тонкими. Эта стройность также делает их более проницаемыми – в основном за счет размягчения клеточной мембраны. Чтобы помочь новому геному попасть в клетки M. capricolum, мы использовали также химикат полиэтиленгликоль (ПЭГ), который не только делает мембрану более проницаемой, но и защищает ДНК при ее прохождении сквозь мембрану.

Мы обнаружили, что чистота, тип и источник ПЭГ были ключевыми факторами для успешной трансплантации. Открытие этого простого факта потребовало много нудной, повторяющейся и разочаровывающей работы, да еще с крайним вниманием к мелочам. Когда вы разрабатываете новую технологию, у вас нет рецептов, чтобы их списать, учебников, в которые можно заглянуть, или руководств, чтобы почитать и перенять те мелкие намеки и секреты, которые гарантируют успех. В конце концов вам приходится попробовать все и каждое сочетание условий и ингредиентов. Вы никогда не уверены, какой из многих факторов действительно имеет значение, как они работают друг с другом и друг против друга и так далее. Чтобы разобраться со всеми этими переменными, требуются тщательно продуманные попытки. Это главная часть экспериментальной работы, самая тяжкая и, если вы добились успеха, самая лучшая. На каждый эксперимент, который сработал, вероятно, были сотни проваленных. Проработка деталей в течение многих месяцев тяжелого труда, чтобы трансплантация генома могла превратиться из идеи в реальную, детализированную, действующую процедуру, была огромной заслугой Кароль Лартиг и ее команды.

Чтобы увеличить наши шансы на успех, мы перед трансплантацией добавили к геному M. mycoides две генные кассеты. Одна кассета была предназначена для отбора антибиотиком: когда мы добавим в культуру антибиотик, выживут только клетки, несущие этот защитный набор генов. Кроме того, чтобы воочию увидеть все клетки, в которых трансплантация генома прошла удачно, мы включили туда ген lacZ, кодирующий белок, который в присутствии химиката, именуемого X-gal, сделает клетки-реципиенты ярко-голубыми. Теперь мы знали, как будет выглядеть успех: голубые устойчивые к антибиотику колонии. Однако мы должны были быть уверены, что это именно то, чего мы хотим: синева могла означать и то, что lacZ и гены устойчивости к антибиотику перенесены в геном M. capricolum.

К несчастью, это не осталось лишь теоретической возможностью. Мы много раз пытались трансплантировать геном M. genitalium в клетки M. genitalium, и хотя мы часто получали голубые клетки, мы обнаруживали, что это всегда было из-за простой рекомбинации – lacZ и гены устойчивости действительно оказывались перенесены из почти идентичного пересаженного генома M. genitalium в геном клетки-реципиента M. genitalium.

Пересаженный геном был просто слишком близок по структуре последовательности к геному клетки-реципиента, поэтому их составные части могли смешиваться. Мы на горьком опыте научились не слишком возбуждаться при виде голубой колонии, пока успех не подтвержден должным образом.

Пересадив геном M. mycoides в клетки M. capricolum, наша команда в очередной раз добилась видимого успеха, опять получив голубые клетки. Вырастив одну голубую колонию, мы чистили и перепроверяли ее и, неделя за неделей, месяц за месяцем наращивали количество, пока в нашем распоряжении не оказались десятки колоний. Умудренные опытом, мы теперь придумали несколько экспериментов, чтобы проанализировать голубые клетки, получившиеся при трансплантации генома.

Наш первый анализ использовал ПЦР для амплификации последовательностей, которые, как мы знали, есть только в геноме M. mycoides. Таким же образом у нас было несколько последовательностей, которые встречаются только в геноме M. capricolum, и мы пытались их амплифицировать из голубых клеток. Мы начали ликовать только тогда, когда смогли обнаружить амплифицированные последовательности из пересаженного генома и ни одной – из клетки-реципиента. Небольшой шанс, что мы видим результаты рекомбинации геномов, все еще оставался, но по мере изучения новых и новых последовательностей эта вероятность все уменьшалась. Мы провели дополнительный электрофорез ДНК пересаженных клеток, который показал только фрагменты генома M. mycoides и ничего из генома M. capricolum.

Хотя данные этих непрямых методов весьма обнадеживали, решающей пробой должно было стать секвенирование ДНК из голубой колонии, позволяющее установить истинную природу генома. Мы выбрали две из наших голубых колоний и секвенировали 1300 библиотечных клонов из каждой, всего больше миллиона пар оснований. Мы по-настоящему взволновались, когда все последовательности совпали только с геномом M. mycoides, который и был пересажен в клетки-реципиенты.

На каждом этапе нашего анализа становилось все ясней и ясней, что наши клетки содержат только трансплантированный геном M. mycoides и что геном M. cap-ricolum был уничтожен или попал при делении в дочерние клетки, которые впоследствии были убиты антибиотиком в питательной среде. Но мы все еще не были удовлетворены. Не может ли этот результат все-таки оказаться артефактом? Не могло ли так случиться, что мы перенесли хотя бы одну невредимую клетку M. mycoides, которая размножилась и создала у нас иллюзию, что пересадили геном? Может быть, голубые колонии – не более чем результат контаминации? Нэйт Каплан был первым, кто научил меня старой мудрой мантре, что чрезвычайные утверждения требуют чрезвычайных же доказательств{151}.

Следуя этому критическому подходу, мы ввели контроль для каждого эксперимента в цепочке, приведшей нас к этому результату, что позволяло исключить всякие артефакты. Хотя мы были уверены, что наша процедура по выделению ДНК убивала все до единой клетки M. mycoides, для гарантии в каждый эксперимент по пересадке мы включили два контрольных варианта: в одном трансплантации делались без реципиентных клеток M. capricolum, в другом у нас были клетки M. capricolum, но гелевые пробки не содержали ДНК M. mycoides. В этих вариантах никаких голубых колоний не наблюдалось, что давало уверенность, что наши препараты ДНК не были загрязнены клетками M. mycoides. Дополнительно нас обнадежило наблюдение, что число голубых колоний в каждом эксперименте прямо зависит от количества ДНК M. mycoides, добавленной к клеткам. Чем больше ДНК мы добавляли, тем больше возникало модифицированных колоний.

Так что же у нас в итоге получилось? Были ли это клетки M. capricolum, содержавшие только ДНК M. my-coides, включая добавленные lacZ и гены устойчивости к антибиотикам? Что изменилось вследствие трансплантации генома? Что за фенотип был у потомков клеток с трансплантированной ДНК? Мы подвергли голубые клетки комплексу аналитических процедур, чтобы выяснить, какие у них белки. Используя антитела, чрезвычайно чувствительные к белкам обоих «родительских» видов, мы выяснили, что находится на поверхности голубых клеток. К нашему приятному удивлению, антитела к белкам M. capricolum не связались с новыми клетками с трансплантированными геномами, а вот антитела к белкам M. mycoides связались.

Параллельно пробам с антителами мы провели гораздо более полный анализ, в котором белки всех трех типов клеток (реципиентные клетки M. capricolum, донорские M. mycoides и потомки клеток с пересаженным геномом) изучались по методу дифференциального двумерного (2D) электрофореза. Можно сказать, что это такой способ увидеть белковое содержимое клеток. Белки, выделенные из клеток, разделяются в одном направлении по своему размеру, а в другом – по электрическому заряду. Клеточные белки расползаются в стороны, и получается характерное распределение пятен, уникальное для каждого типа клеток. Такие паттерны 2D затем можно легко сравнивать друг с другом. Этот метод показал, что распределение белков из голубых клеток почти идентично таковому из донорских клеток M. mycoides и очень отличается от белкового паттерна M. capricolum.

Мы были потрясены этим результатом, но хотели большего. Мы секвенировали фрагменты белков из 90 разных пятен на 2D-геле, используя технологию, называемую масс-спектрометрией на основе матрично-поддерживаемой лазерно-десорбционной ионизации (MALDI). В этом процессе, который еще лет десять назад казался бы какой-то научной фантастикой, пятнышки сепарированных белков вытягивают лазером из геля, образуя восходящий поток заряженных молекул над каждым пятном, а потом подвергают стандартному методу масс-спектрометрии. Таким образом процедура MALDI может выявлять аминокислотную последовательность белкового фрагмента в гелевых пятнах.

Эти данные снабдили нас неопровержимым доказательством того, что в клетке были только такие белки, которые могут быть считаны с трансплантированного генома M. mycoides. Теперь мы абсолютно уверились, что у нас есть новый и оригинальный механизм изменения генетической идентичности клетки, помимо рекомбинации ДНК или естественных механизмов трансформации. Поскольку геном M. capricolum не кодирует процессов захвата ДНК, мы были вправе заключить, что пересадка новой хромосомы в клетки M. capricolum может быть только результатом нашей процедуры трансплантации генома через полиэтиленгликоль. Теперь мы знали, что у нас есть клетки, возникшие в результате намеренной трансплантации генома одного вида в клетку другого. Сделав это, мы в сущности превратили один вид в другой.

Наш успех имел много последствий. Самым важным было то, что теперь мы знали: если бы нам удалось синтезировать геном из четырех бутылей с химикатами, то уже можно было бы взять этот геном и перенести его в клетку-реципиент, где он запустит свои программы. Таким образом работа по трансплантации придала новый импульс нашим попыткам синтезировать ДНК какого-нибудь организма и затем на ее основе создать новую живую клетку.

Другим важным следствием первых пересадок генома стало то, что они дали новое, более глубокое понимание жизни. В ходе наших исследований выкристаллизовалось мое представление о жизни. ДНК – это программное обеспечение жизни, но если мы ее заменяем, тем самым мы меняем видовую принадлежность, а значит, и аппаратную часть клетки. Это был именно тот результат, обнаружения которого хорошей редукционистской наукой так боялись те, кто хотел бы доказать существование некой виталистической силы. Боялись потому, что он неизбежно означал бы попытку разобрать жизнь и само понятие живого на составные части, на простые элементы и базовые функции. Наши опыты почти не оставили места для взглядов виталистов или тех, кто хотел бы верить, что жизнь зависит от чего-то еще, кроме сложного сочетания химических реакций.

Эти эксперименты не оставили сомнений в том, что жизнь – это информационная система. Я видел впереди следующую цель. Я хотел внести в жизнь новую информацию: написать на своем компьютере программу, химическим синтезом воплотить ее в хромосому из ДНК, а затем пересадить эту рукотворную информацию в клетку. Я хотел привести нас в новую эру биологии, породив новую живую форму, которая бы описывалась и управлялась только информацией в ДНК, созданной в лаборатории. Это было бы окончательное доказательство синтезом.

Глава 8. Синтез генома M. mycoides

Если мы хотим решить проблему, с которой никогда не сталкивались раньше, нам следует оставить приоткрытой дверь для неизвестного.

Ричард Фейнман, 1988{152}

Многие считают, что самые важные создания человеческого гения – это результат какого-то провидческого дара, который ассоциируется с такими выдающимися и уникальными творцами, как Исаак Ньютон, Микеланджело, Мари Кюри и Альберт Эйнштейн. Я не сомневаюсь в огромном влиянии отдельных личностей, способных на громадные интеллектуальные скачки, видящих дальше, чем кто-либо до них, и замечающих закономерности там, где остальные видят только хаос. Однако есть также менее яркий вид созидательности, двигающий науку, скромная ее разновидность, которая не менее важна: умение решать проблемы{153}. Преодоление одного препятствия для достижения одной очень конкретной цели может иногда давать на выходе технологию, которая, оказывается, имеет широчайший спектр разных применений. С очень ограниченного плацдарма науку можно подтолкнуть в новых неожиданных направлениях.

Когда, например, Хэмилтон Смит обнаружил, чтÓ именно в бактерии Haemophilus influenzae делает белок, который теперь называется рестриктазой, и как он это делает, вряд ли Хэм собирался основать генную инженерию. Когда британский генетик Алек Джеффрис увидел расплывчатый узор на рентгеновском снимке, который он сделал с генетического материала от одного из своих лаборантов, он даже подумал, что эта смазанная картинка проложит путь для ДНК-криминалистики, – но я сомневаюсь, что он представлял, до чего это дойдет, что она будет использоваться в установлении отцовства, для изучения популяций диких животных и, конечно, в расследовании преступлений. Когда Осаму Шимомура, переживший атомную бомбардировку Нагасаки, собрал с 1961 по 1988 год около миллиона медуз Aequorea victoria, чтобы выяснить тайну их биолюминесценции (белок, названный GFP), он вряд ли мог представить, что даст миру многоцелевую светящуюся метку, которая покажет в живом организме, как развиваются клетки мозга и как раковые клетки проходят сквозь ткани{154}. Когда мы столкнулись с проблемой, которая задерживала нашу работу над синтетической жизнью, – генетический аналог попытки поставить ПО от Microsoft на «макинтош», – ее решение принесло дополнительный бонус: новый способ обращения с большими участками ДНК.

К тому времени в 2007 году мы уже выполнили успешные трансплантации генома, а также закончили трудоемкую сборку из лабораторных химикатов генома M. genitalium из 582 970 пар оснований. Мы создали синтетическую бактериальную хромосому и успешно вырастили ее в дрожжах. Мы также сумели выделить синтетическую хромосому из дрожжей, чтобы проверить ее секвенированием ДНК. Однако то, что мы использовали дрожжевые клетки как аппарат для финальной сборки химически синтезированных сегментов генома, означало, что нам приходилось растить нашу прокариотную (бактериальную) хромосому в эукариотной (дрожжевой) клетке. Чтобы завершить создание нашей синтетической клетки, нам нужно было изолировать синтетическую хромосому из дрожжей в такой форме, которую можно было бы трансплантировать в реципиентную прокариотную клетку.

Вот тут мы наткнулись на несколько непредвиденных проблем. Первая касалась конформации нашей синтетической хромосомы. Мы могли выделить ее в линейной и кольцевой формах для секвенирования ДНК, но, детально прорабатывая пересадку генома, мы обнаружили свидетельства того, что хромосома должна быть интактной, т. е. что ее ДНК не должна нести никаких порезов или «зазубрин». Наш метод очистки был слишком жестким, чтобы давать интактную ДНК. Мы успешно создали цифровую запись, но в таком формате, который не читался ни одним плейером.

Вторая проблема заключалась в том, что наша попытка расширить работы по пересадке генома в другой вид микоплазмы, M. genitalium, оказалась неудачной. Когда мы пересаживали геном M. genitalium в другие клетки того же вида, хромосома всегда рекомбинировала с уже имевшимся там геномом. Это была не единственная проблема. Как мы уже прекрасно знали, хотя геном у M. genitalium самый маленький, это не идеальный организм для разработки новых методов из-за его огорчительно медленной скорости роста. На то, чтобы вырастить колонии, каждый раз уходило до шести недель. Тем не менее мы с трудом, но продвигались. Пока шли эти эксперименты, мы решили, что, успешно пересадив геном M. mycoides в клетки M. capricolum, мы используем эти более быстро растущие виды для решения проблемы получения интактных хромосом из дрожжевых клеток. Нашим первым шагом было посмотреть, сможем ли мы клонировать полный геном M. mycoides в дрожжах. Эта цель казалась достижимой, учитывая наш успех в создании синтетического генома в искусственной дрожжевой хромосоме.

Эту задачу отдали постдоку Гвин Бендерс, работавшей с Клайдом Хатчинсоном. Крупные молекулы ДНК к этому времени рутинно и стабильно росли в дрожжах благодаря добавлению дрожжевого центромера – особого участка хромосомы, который можно видеть под микроскопом как сужение в хромосомах, когда во время деления клетки они образуют характерную Х-образную форму. Этот суженный участок – связующее звено хромосомы, которое играет важнейшую роль в гарантировании того, что, когда клетка делится, каждая дочерняя клетка наследует копию каждой хромосомы. Таким образом, когда центромер добавляется к большому куску ДНК, последний можно скопировать и разделить вместе с дрожжевыми хромосомами во время деления клетки. Этим методом мы могли выращивать кольцевые хромосомы. Молекулы чужой (экзогенной) ДНК можно было растить и в линейной форме, добавляя к ним теломеры – структуры, находящиеся на концах хромосом.

Опираясь на эту прошлую работу, мы разработали три разных подхода к клонированию полных бактериальных хромосом в дрожжах. В первом мы решили вставлять искусственный дрожжевой центромер в бактериальную хромосому перед тем, как растить ее в дрожжах. Во втором и третьем подходах мы всё делали одновременно: вставляли бактериальную хромосому и дрожжевой центромер с перекрывающимися последовательностями, что приводило к их рекомбинации в дрожжах. Все три подхода оказались вдохновляюще успешными, причем с несколькими бактериальными геномами, в том числе M. mycoides, H. influenzae и геномом фотосинтезирующей водоросли{155}. Очень интересно, что единственное, что требуется для превращения бактериальной хромосомы в дрожжевую, – это добавление вместе с пригодным для селекции маркером маленького синтетического дрожжевого центромера. Теперь у нас был метод, который мы могли использовать для проверки нескольких разных способов трансплантации генома. Научившись стабильно клонировать геном M. mycoides в дрожжевые клетки, мы разработали процедуры для извлечения интактных хромосом в трансплантируемой форме.

Чтобы проверить геном M. mycoides, пропущенный через дрожжи, мы пересадили его, как раньше, в клетки M. capricolum. Однако проделав этот эксперимент много раз, команда не смогла получить никаких измененных клеток. Они провели контрольные опыты, используя геном, выделенный непосредственно из клеток M. mycoides дикого типа, и его удалось успешно трансплантировать, как и раньше. Я ждал результатов, и ко мне пришел Хэм Смит с обескураживающим вердиктом: «Геномные транспланты из дрожжей не работают». Видимо, источником проблемы были дрожжи, которые позволяли нам манипулировать длинными кусками бактериальной ДНК.

Мы с Хэмом Смитом уже обсуждали, что может отличаться в геноме M. mycoides, выращенном в клетках M. mycoides, от такого же генома, выращенного в дрожжевых клетках, поэтому во время видеоконференции между роквильской командой и группой в Ла-Хойе мы быстро сфокусировались на самой очевидной разнице. В клетках M. mycoides ДНК специфически метилируется (украшается молекулярными довесками, называющимися метильными группами). Эти группы, производные метана, состоят из одного атома углерода и трех атомов водорода (CH_3). Бактериальные клетки используют метилирование ДНК для защиты ее от нарезки собственными рестриктазами – добавляя метильные группы к тем основаниям ДНК, которые рестриктаза распознает. У дрожжей, однако, нету таких же рестриктаз и системы метилирования ДНК, а бактериальные метилазы вряд ли синтезируются в дрожжах из-за некоторых различий в генетическом коде. Мы подумали, что если геном M. mycoides в дрожжах действительно не метилируется, то при пересадке его в M. capricolum рестриктазы клеток-хозяев должны немедленно его разрушать.

Мы испробовали два подхода для проверки идеи, что причиной неудач трансплантации была неметилированность ДНК в дрожжах. В первый раз мы клонировали шесть генов, обеспечивающих метилирование ДНК у M. mycoides, чтобы получить ферменты, которые метилировали бы геном M. mycoides после выделения его из дрожжевых клеток. Этот метод оказался успешным: геном, выделенный из дрожжевых клеток, метилированный и пересаженный в бактериальные клетки, наконец заработал. Если бы мы метилировали геном M. mycoides экстрактом клеток M. mycoides или клонированными и очищенными ДНК-метилазами, то мы могли бы так же успешно пересадить их в клетки M. capricolum. Как окончательное доказательство того, что метилирование ДНК было решающим фактором, мы удалили из генома реципиента M. capricolum ген рестриктазы, рассудив, что если у клетки-реципиента нет рестриктаз, то мы сможем пересадить голую ДНК M. mycoides из дрожжей напрямую, без необходимости в защитном метилировании. В этом и было все дело, и вот теперь наконец-то мы вроде бы собрали все нужные компоненты для трансплантации синтетических хромосом.

Это краткое описание не отражает того, что решение проблемы метилирования на самом деле потребовало более двух лет тяжелого труда, но зато по ходу дела мы разработали очень мощный новый набор инструментов, который дал нам такие возможность манипулировать бактериальными хромосомами, каких не было никогда раньше. Большинство бактериальных клеток не имеет таких генетических систем, как гомологичная рекомбинация, имеющихся у дрожжей и E. coli. В результате внести серьезные генетические изменения в большинство бактериальных геномов очень трудно, если не невозможно. Это одна из причин, по которой большинство ученых работает с E. coli: они делают это просто потому, что с ней можно работать.

Однако теперь, добавив эукариотный (дрожжевой) центромер к прокариотному (бактериальному) геному, мы могли выращивать бактериальный геном в дрожжах, где он вел себя как одна из хромосом дрожжей. Это проложило путь к использованию дрожжевой системы гомологичной рекомбинации для проделывания многих и быстрых изменений в геноме. А потом мы смогли выделить модифицированный бактериальный геном, метилировать его, если необходимо, и трансплантировать в клетку-реципиент, чтобы создать новую клеточную версию. Это стало огромным прогрессом в генетических манипуляциях. До этого открытия ученые по большей части были ограничены возней с индивидуальными генами. Теперь для нас стало обычным делом оперировать наборами генов и даже целыми геномами. Мы опубликовали результаты в Science в сентябре 2009 года{156}.

К тому времени мы разработали новые способы синтезировать молекулы ДНК в двадцать раз длиннее, чем было возможно ранее; мы разработали методику трансплантации генома из одного вида в другой и создания нового вида; и мы решили проблему модификации ДНК, предотвращающей разрушение ее рестриктазами. Нас и многих из тех ученых, кто следил за нашим продвижением, интересовало, сможем ли мы в итоге преуспеть в создании клетки, основанной на синтетическом геноме. Теперь, когда мы показали, что можем перейти от дрожжей к микоплазме, следующий шаг был перейти от синтетической ДНК в дрожжах к микоплазме. Мы были готовы, скомбинировав все эти новаторские подходы, творить историю. Но ту ли микоплазму мы взяли?

Поскольку мы достигли значительного прогресса в использовании дрожжей для манипуляции большими кусками ДНК, наши команды упорно продолжали свои попытки пересадить синтетический геном M. genitalium, но довольно безуспешно. Выглядело так, будто мы могли превратить более крупный вид M. pneumonia в M. genitalium пересадкой природного генома, но не могли достичь того же результата с синтетической версией. Наконец мы обнаружили, что реципиентные клетки M. pneumonia имеют на своей поверхности какую-то нуклеазу, которая съедает любую подвернувшуюся ей ДНК.

Но нас продолжал терзать чрезвычайно медленный рост клеток M. genitalium, сильно ограничивавший число возможных экспериментов. Для всех нас, а особенно для меня, ждать результатов неделями было не просто тяжело, а прямо-таки физически мучительно. Надо было что-то менять. Занимаясь метилированием ДНК и трансплантацией, мы одновременно придумывали более быстрый способ создания синтетической ДНК, технический прием, который дал бы новые возможности в нашей затее по трансплантации синтетической бактериальной ДНК. Как я уже писал, наши начальные этапы синтеза ДНК требовали нескольких шагов, начиная со сборки коротких олигонуклеотидов в конструкции покрупнее. Однако Дэн Гибсон чрезвычайно упростил этот метод, так что теперь у нас был одноступенчатый процесс.

Реакции сборки ДНК, которые использовал Дэн для своего нового метода, были очень сходны с теми, которые мы задействовали в нашей предыдущей работе, за исключением того, что он сделал важное открытие: все они могут проходить в одной пробирке и при одной температуре. Дэн сообразил, что экзонуклеазы, укорачивающие одну цепочку ДНК, не конкурируют с ДНК-полимеразой, которую мы использовали, чтобы дополнить ДНК второй цепочкой. Кроме того, когда все ферменты скомбинированы в одной реакционной смеси при 50 ºС, экзонуклеаза при такой температуре быстро инактивируется и поэтому может откусить как раз столько оснований, чтобы позволить фрагментам ДНК сплавиться друг с другом.

Эта работа была огромным прорывом по сравнению с нашим предыдущим подходом, нудным и трудоемким. Сила этой «Гибсоновой сборки», как мы ее назвали, – в ее великой простоте. До нее мы неохотно думали о повторении марафонских усилий, которых потребовало создание нашей первой синтетической хромосомы M. genitalium JCVI-1.0, из десяти тысяч кусков ДНК, не говоря уж о чем-то побольше. Исходно мы полагали, что самой трудной для решения проблемой будет химия синтеза генома; теперь же развитие технологии синтеза убедило меня в том, что надо существенно поменять направление программы.

Я поговорил с Хэмом Смитом и сказал, что мы неправильно подошли к проблеме. Поскольку мы, видимо, никогда не будем успешно работать – а скорее только мучиться – с медленно растущей M. genitalium, я сказал ему: «Я хочу, чтобы мы остановили все работы на ней и применили наши новые технологии для синтеза генома M. mycoides». Это было довольно нахальное требование, потому что геном mycoides вдвое больше genitalium. Но к этому времени мы знали, как пересаживать геном M. mycoides из дрожжей и как сделать клетки M. mycoides из клеток M. capricolum; а вооружившись сборкой Гибсона, мы теоретически могли собрать геном в 1,1 миллиона пар оснований относительно быстро.

Поначалу я столкнулся с сильным сопротивлением своей команды, и задним числом я не удивляюсь, что они приняли в штыки это радикальное предложение – не только начать всё сначала, но еще и нацелиться на более амбициозный объект. Дэн Гибсон, понятное дело, согласился с моим изменением плана, в то время как Хэм Смит и остальная команда хотели двигаться по прежнему пути, со знакомым набором проблем, но сконцентрироваться на поиске путей их разрешения, даже если это значило продолжать мучиться с медленно растущими клетками genitalium. Однако после нескольких раундов обсуждения, давших всем достаточно времени, чтобы обдумать мою идею, мнения стали меняться. Хэм пришел ко мне и сказал, что он согласен, что нам надо сменить направление; мы сразу же позвонили Дэну Гибсону и сказали ему, чтобы он начинал синтезировать геном M. mycoides.

Одной из причин, по которой команда сначала воспротивилась этому новому подходу, было то, что у нас в тот момент не было точной последовательности генома M. mycoides. Мы начали проектирование и синтез с того, что быстренько секвенировали две цепочки. Две наших последовательности генома из изолятов M. mycoides отличались друг от друга в 95 местах. Поскольку дрожжи теперь играли центральную роль в сборке синтетических геномов, мы выбрали последовательность из того изолята, который уже успешно клонировали в дрожжах и пересаживали в клетки-реципиенты.

Мы начали с проектирования 1078 кассет, каждая из которых включала 1080 пар оснований и перекрывалась с соседними на 80 пар.

Чтобы иметь возможность вырезать собранные последовательности из векторов, в которых они росли, мы добавили к кассетам еще одну последовательность на восемь оснований, опознаваемую рестриктазой NotI как место резки. Мы также добавили четыре «водяных знака», чтобы отличать наш синтетический геном от любых естественно возникших разновидностей. «Водяные знаки» занимали от 1081 до 1246 пар оснований; в них специально разработанным кодом были зашифрованы цифры и английские слова. Мы позаботились вставить последовательность «водяных знаков» в те участки генома, где они, как мы показали экспериментально, не повредили бы жизнеспособности клетки. Закончив проектирование, мы заказали 1078 кассет в Blue Heron, одной из первых ДНК-синтезирующих компаний, расположенной в Ботелле, штат Вашингтон. Компания собрала сегменты по 1080 пар оснований из химически синтезированных олигонуклеотидов, секвенировала их, чтобы убедиться, что они отвечают нашим спецификациям, и отправила их нам.

Теперь мы могли начать конструирование синтетического организма всерьез. Мы использовали иерархическое конструирование, которое шло в три этапа. На первом мы с помощью Гибсоновой сборки построили из кассет по 1080 пар оснований серию из 111 более длинных кассет, каждая около 10 тысяч пар оснований. Как всегда, точность была превыше всего, поэтому мы секвенировали все 111 и в девятнадцати нашли ошибки. Эти ошибки последовательностей были исправлены, после чего 10-килобазные клоны были пересобраны и пересеквенированы, чтобы проверить, правильные ли они.

Во втором раунде сборки генома мы собрали перекрывающиеся кассеты по 10 килобаз, чтобы сформировать кассеты по 100 000 пар оснований (которые мы тоже секвенировали, чтобы проверить свою точность). Наконец мы собрали получившиеся одиннадцать кассет по 100 кб вместе в дрожжах, чтобы получить последовательность в 1,1 миллиона пар оснований генома M. mycoides. Нам надо было еще раз проверить, что сборка работает, и мы использовали ПЦР и переваривание рестриктазами, чтобы подтвердить, что геном у нас построен правильно.

Наконец мы были готовы к попытке создания первой синтетической клетки посредством пересадки полного синтетического генома M. mycoides из дрожжей в реципиентные клетки M. capricolum. Как и раньше, успех должны были возвестить голубые клетки. Первая пересадка была проделана в пятницу, и мы напряженно ждали весь уикенд, чтобы посмотреть, не появятся ли к утру понедельника голубые клоны. Но понедельник пришел и прошел, не принеся никаких положительных результатов. Пересадку повторяли в две следующие пятницы, но снова никаких голубых колоний, только хмурые понедельники.

При взгляде назад ясно, что мы были очень близки к успеху, хотя тогда мы этого не чувствовали. После проведения всех контролей мы пришли к выводу, что мимо всех проверок, которые мы делали во время синтеза генома, как-то проскользнула ошибка в замысле или последовательности. Поскольку мы секвенировали ДНК, то предположили, что ошибка должна была быть в одной из исходных последовательностей, которые мы взяли за образец генома. Чтобы проверить наши последовательности, нам надо было создать биологический эквивалент того, что разработчик компьютерных приложений определил бы как отладочную программу. Операционная система современного компьютера обширна, в ней десятки миллионов строк кода{157}, и в течение десятков лет инженеры разрабатывали умные отладочные программы, чтобы помочь находить ошибки.

Работу нашего биологического отладчика мы решили начать с проверки одиннадцати сегментов по 100 000 пар оснований. Мы сделали сегменты того же размера из природного генома M. mycoides так, чтобы можно было поочередно подставлять вместо каждого из них синтетический сегмент и смотреть, смогут ли они поддерживать жизнь. Из этих сложных экспериментов мы выяснили, что из одиннадцати синтетических сегментов по 100 килобаз все, кроме одного, совместимы с жизнью. Для окончательного доказательства Дэн Гибсон сконструировал гибридный геном с десятью синтетическими сегментами и одним природным и получил успешные трансплантаты.

Установив, который сегмент содержал ошибку или ошибки, несовместимые с жизнью, мы секвенировали ДНК еще раз – теперь высокоточным методом по Сэнгеру – и выяснили, что там выпала одна пара оснований. В таких случаях тривиальное сравнение нуклеотидов с буквами несколько сбивает с толку: кажется, что это так же мало влияет на понимание текста, как, скажем, написание «ошбка» вместо «ошибка». Но дело в том, что текст ДНК читается тройками нуклеотидов, каждой аминокислоте в белке соответствует комбинация из трех оснований – кодон. Это означает, что выпадение одного основания меняет всю дальнейшую генетическую последовательность: разбиение на кодоны в ней будет совсем другим, а значит, другой будет и последовательность аминокислот, которую этот участок ДНК кодирует. Это называется «мутация со сдвигом рамки»; в данном случае сдвиг произошел в важном гене dnaA, который способствует раскручиванию ДНК в начале репликации – без этого ДНК не может удвоиться. Это выпадение одного-единственного основания препятствовало клеточному делению и поэтому делало жизнь невозможной. Когда мы нашли критическую ошибку, мы смогли пересобрать сегмент в 100 кб правильно и использовать дрожжи для пересборки всего генома целиком. Теперь мы опять были готовы к попытке пересадки генома.

Как и раньше, решающий эксперимент был начат в пятницу, чтобы успешные колонии имели достаточно времени для роста и к следующему понедельнику выглядели бы как голубые точки. Дэн Гибсон сообщил нам имейлом о последней попытке:

Крейг, Хэм, Клайд, Джон, полный синтетический геном (с четырьмя водяными знаками и без мутации в dnaA) был трансплантирован сегодня. Геном выглядит потрясающе. Он проанализирован на мультиплексе ПЦР на все 11 соединений и четыре водяных знака. Его также проверили рестриктазами и анализом FIGE[22]. Одновременно с ним трансплантировали два клона из дрожжей с полусинтетическими геномами 10/11[23]. Эти геномы были проанализированы, как и вышеупомянутый, и тоже выглядят отлично. Я пошлю мейл утром в понедельник, но имейте в виду, что колонии появлялись позже, чем обычно, так что мы можем не получить ответа до вторника.

В пятницу после обеда Дэн вручил маленький флакон своей коллеге Ли Ма, которая сидела под колпаком биозащиты – в одном из закрытых рабочих мест с сепараторным фильтром, которые мы использовали в наших лабораториях для работы в стерильных условиях. Флакон содержал маленький кусочек агарозы, в котором находилось несколько миллионов крохотных кольцевых ДНК – хромосом, каждая из которых содержала наш синтетический геном из 1 078 809 пар оснований. Это была синтетическая ДНК с 886 генами M. mycoides и с нашими «водяными знаками». Ли добавила капли фермента, который должен был растворить гель и оставить синтетические геномы, которые она затем добавила в другой маленький флакон, с реципиентными клетками M. capricolum и полиэтиленгликолем, делающим мембраны проницаемыми для ДНК. Ли распределила клетки на чашке Петри с красным агаром – составом, который будет питать новые клетки сахаром и аминокислотами. В агар был также добавлен тетрациклин, чтобы убить все клетки-реципиенты, которые не примут синтетический геном, и краситель X-gal, от которого новые клетки, содержащие трансплантированный геном, станут ярко-голубыми. Ближе к вечеру Ли поставила чашки Петри в инкубатор, чтобы держать клетки при постоянной температуре 37 градусов. Если новые клетки получились, то им понадобится пара дней, чтобы поделиться нужное число раз для превращения в один миллион дочерних клеток – маленькую колонию, видимую невооруженным глазом.

Все выходные я психовал. Тот миг, когда мы должны были увидеть, успешны ли наши модификации генома, казалось, отъехал в бесконечность. Наконец, очень ранним утром понедельника Дэн Гибсон трясущимися от предвкушения руками открыл дверцу инкубатора и начал по одной вынимать чашки Петри. Оставив лучшее на потом, он начал с контрольных (тех, которые должны были показать, что Ли Ма следовала правильной процедуре) и осматривал каждую на свет, чтобы проверить, видны ли уже колонии. Затем он перешел к тем, что содержали синтетическую ДНК. И там, почти в центре одной чашки, была одна – и только одна – ярко-голубая колония клеток.

Дэн остановился, чтобы оценить значительность момента. Поглядев на чашки Петри несколько минут, он поставил их все обратно в инкубатор и послал мне в четыре утра по Роквиллю простое сообщение: «У нас есть голубой трансплантат». Мы прошли такой долгий путь, потерпели столько неудач, столько лет ушло на пробы и ошибки, на решение проблем и изобретения. Наконец, кажется, усилия окупились.

Пока в Роквилле разыгрывался этот эксперимент, я находился в нашем таунхаусе в Александрии, в Виргинии, так что я был в той же временной зоне, что и Дэн. Мы скоро обменялись серией сообщений. Дэн снова написал: «Пока что появились одна или две голубых колонии с пересаженным полным синтетическим геномом! Еще рано точно подсчитывать количество трансплантатов, но я уверен, что это число возрастет. Мы посмотрим сегодня попозже и сделаем окончательный подсчет завтра». Нам надо было подтвердить, что голубая колония содержит только синтетическую ДНК. Я сказал Дэну, что буду в институте к десяти утра, и спросил, через сколько времени будут результаты первой проверки.

Я прихватил свою видеокамеру и пару бутылок шампанского и направился в Роквилль по мемориальной автостраде Джорджа Вашингтона. Сразу по прибытии я кинулся прямо в лабораторию, где встретил Дэна, сияющего и уже окруженного остальной командой. После нескольких теплых рукопожатий Дэн провел меня к инкубатору и вытащил чашку с культурой, чтобы показать мне первую голубую колонию. Мы сделали несколько снимков ее и осторожно убрали обратно в инкубатор то, что очень походило на первую жизненную форму с полностью синтетическим геномом.

Позже в тот день я получил первое подтверждение, что чашка с культурой содержит синтетический геном: «Поздравляем! Это официально. Вы гордый отец синтетической клетки mycoides!» Я собрал всю команду в актовом зале в Роквилле и передал наше видео остальной команде синтетического генома в Ла-Хойе. (Я удостоверился, что у команды в Ла-Хойе тоже достаточно шампанского на льду.) Хотя окончательная проверка результатов должна была занять еще несколько дней, мы все радостно подняли тост за наш очевидный успех.

Первое подтверждение поступило от Дэна в 7:45 утра вторника: «Хорошие новости. Все четыре последовательности – „водяных знака“ обнаружены на мультиплексном ПЦР в единственной колонии с пересаженным синтетическим геномом. В диком типе и негативном контроле M. capricolum, который не образовал колоний, „водяные знаки“ не обнаружены». Во вторник 1 апреля Дэн прислал результаты второго раунда экспериментов: «Полный синтетический геном опять трансплантировался. На этот раз он дал множество колоний! Вдобавок второй клон с синтетическим геномом тоже дал много колоний. Пойду отнесу шарик с надписью „С днем рождения!“ в рабочее помещение».

Прямо на следующий день мы получили еще более надежное подтверждение того, что новыми клетками управляет только синтетический геном: «Крутые новости! Трансплантат производит ожидаемые фрагменты, когда его режут рестриктазы AscI и BssHII». (Участки, которые вырезались этими рестриктазами, были добавлены к трем из четырех «водяных знаков».) 21 апреля мы получили результаты секвенирования ДНК живых синтетических клеток, и места сомнению больше не осталось: клетки управлялись только тем геномом, который мы спроектировали и синтезировали. Секвенирование показало, что в нашем геноме 1 077 947 пар оснований, точно как проектировали, включая 19 ожидаемых отличий от природного генома, а также четыре «водяных знака» – решающее доказательство того, что ДНК синтетическая. Точно, как мы и ожидали, выпадение одной буквы из более чем миллиона пар оснований ДНК предрешало выбор между жизнью и ее отсутствием. Я не могу придумать более яркую иллюстрацию той центральной роли, которую играет в жизни информация.

Мы вложили значительный труд в проектирование наших «водяных знаков», чтобы гарантировать, что мы можем надежно зашифровывать сложные сообщения в последовательности ДНК. В первом синтетическом геноме мы использовали однобуквенное обозначение аминокислот, кодируемых триплетными кодонами, чтобы зашифровать буквы английского алфавита. Например, триплет АТГ кодирует аминокислоту метионин, которую обозначают буквой М. Но поскольку букв в английском алфавите 26, а аминокислот всего 20, мы придумали более полную систему, которая позволяла нам закодировать весь алфавит вместе со знаками препинания, цифрами и популярными символами. (Строке ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ[абзац][пробел]0123456789#@)(–+\=/:<;>$&}{*]” [%!’., соответствовала последовательность TAГ, AГT, TTT, ATT, TAA, ГГЦ, TAЦ, TЦA, ЦTГ, ГTT, ГЦA, AAЦ, ЦAA, TГЦ, ЦГT, AЦA, TTA, ЦTA, ГЦT, TГA, TЦЦ, TTГ, ГTЦ, ГГT, ЦAT, TГГ, ГГГ, ATA, TЦT, ЦTT, AЦT, AAT, AГA, ГЦГ, ГЦЦ, TAT, ЦГЦ, ГTA, TTЦ, TЦГ, ЦЦГ, ГAЦ, ЦЦЦ, ЦЦT, ЦTЦ, ЦЦA, ЦAЦ, ЦAГ, ЦГГ, TГT, AГЦ, ATЦ, AЦЦ, AAГ, AAA, ATГ, AГГ, ГГA, AЦГ, ГAT, ГAГ, ГAA, ЦГA, ГTГ.) Этот код был ключом к расшифровке «водяных знаков». В первый из них входили слова «J. Craig Venter Institute» и «Synthetic Genomics Inc.», имена нескольких ученых и послание: «Подтвердите, что вы расшифровали этот „водяной знак“, послав нам имейл (по адресу: MROQSTIZ@JCVI.org)». Первый живой самовоспроизводящийся вид, имевший в качестве родителя компьютер, должен был получить свой электронный адрес.

В нашем первом синтетическом геноме мы были ограничены в создании сколько-нибудь содержательных сообщений аминокислотным кодом; теперь же, с новым кодом, я хотел отметить исторический момент включением каких-нибудь подходящих литературных цитат. Я нашел три, которые счел и значительными, и применимыми к первой синтетической форме жизни. Первая цитата должна находиться во втором «водяном знаке»: «Жить, заблуждаться, падать, торжествовать, воссоздавать жизнь из жизни». Это, конечно, из «Портрета художника в юности» Джеймса Джойса. Третий «водяной знак» включал, помимо нескольких имен ученых, вторую цитату: «Видеть вещи не такими, каковы они есть, а такими, какими могли бы быть», приписываемую первым учителям одного из физиков «Проекта Манхэттен» Роберта Оппенгеймера и приведенную в его биографии «Американский Прометей». Четвертый «водяной знак» содержал имена остальных 46 ученых и цитату из знаменитого физика, нобелевского лауреата Ричарда Фейнмана: «То, что я не могу создать, я не могу понять».

Мы совершили то, что почти пятнадцать лет назад было лишь дерзкой мечтой, и прошли по полному кругу. Начав с ДНК из клеток, мы научились точно читать последовательность ДНК. Мы успешно оцифровали биологию, превращая четырехбуквенный химический код (А, Т, Ц, Г) в двоичный электронный код компьютера (1 и 0). Теперь мы успешно прошли в обратном направлении, начав с компьютера и сотворив заново реальную молекулу ДНК, а потом в свою очередь создав живые клетки, которые, в отличие от всех, существовавших прежде, не имели естественной истории.

Исходное предположение (разделяемое по крайней мере большинством молекулярных биологов) состояло в том, что ДНК и геном, представленные последовательностью букв в компьютере, и есть информационная система жизни. Теперь мы замкнули петлю: начав с цифровой информации в компьютере и используя только ее, химически синтезировали и собрали воедино бактериальный геном, который был пересажен в клетку-реципиент, в результате чего получилась новая клетка, управляемая лишь синтетическим геномом. Мы назвали нашу новую клетку M. mycoides JCVI-syn 1.0 и стали готовить результаты к публикации.

9 апреля 2010 года я представил нашу рукопись с двадцатью четырьмя соавторами в Science. Мы известили Белый дом, членов Конгресса и представителей нескольких правительственных агентств до того, как статья была принята к публикации в следующем месяце, 13 мая.

В день ее выхода онлайн, 20 мая 2010 года (в бумаге статья вышла 2 июля){158}, СМИ со всего мира собрались в Вашингтоне на нашу пресс-конференцию. Вместе с редакторами из Science мы объявили о первом работающем синтетическом геноме. Хэм Смит объяснил собравшимся, что теперь у нас есть средства для вскрытия инструкций к клетке, позволяющие установить, как она на самом деле работает. Мы также обсудили событие с более широкой точки зрения – а именно, что знания, полученные при выполнении этой работы, в один прекрасный день, несомненно, принесут пользу обществу, воплотившись во множество важных применений и продуктов, в том числе биотопливо, фармацевтику, чистую воду и пищевые продукты. Когда мы говорили об этом, мы на самом деле уже начали работать над способами получения вакцин и создания синтетических водорослей для превращения углекислого газа в горючее.

Глава 9. Внутри синтетической клетки

Первый столп жизни – это Программа. Под Программой я подразумеваю некий организованный план, который описывает как ингредиенты, так и кинетику взаимодействий между ингредиентами в то время, пока живая система существует.

Дэниел Э. Кошланд-мл., 2002{159}

Определения важны в науке. Но иногда бывает почти так же важно не слишком ими увлекаться, особенно когда вы отваживаетесь на что-то новое, потому что они могут быть лишь сбивать вас с толку, мешая вам думать и делать. Они могут стать ловушкой, как это случилось в первой половине ХХ века, когда ученые были уверены, что генетический материал – это белки. Ричард Фейнман сформулировал знаменитое предупреждение об опасности попыток дать чему-либо абсолютно точное определение: «Мы впадаем в тот паралич мысли, который находит на философов… когда один говорит: „Вы сами не знаете, о чем говорите“; а второй отвечает: „А что такое «знать»? Что такое «говорить»? Что такое «вы», наконец?“ Ну и так до бесконечности. Так что для пользы дела лучше сначала условиться, что мы будем говорить хотя бы приблизительно об одних и тех же вещах»{160}.

Когда мы раскрыли детали первого синтетического организма в нашей публикации в Science, мы определили, что мы сделали и как мы это сделали. Мы придали терминам «синтетическая жизнь» и «синтетические клетки» достаточно ограниченный смысл: клетки, полностью управляемые только хромосомой из синтетической ДНК. Синтетический геном был программой, которая определяла структуру и функции каждого белкового робота в клетке и тем самым – все ее функции. Но общественный отклик на наше публичное заявление и научную публикацию показал, что некоторым очень трудно принять представление о жизни как информационной системе.

Еще очевиднее была эта трудность в последующих публикациях мировой прессы. Большинство откликов было очень положительными – или даже слишком положительными. Один профессор заявил, что я «со скрипом отворил самую важную дверь в человеческой истории», и добавил, что я «собираюсь играть роль Бога»{161}. Некоторые сообщения были более трезвыми и квалифицированными. ВВС назвала это несколько заезженным словом «прорыв», а Time поместил это событие среди самых важных медицинских достижений 2010 года. The New York Times цитировал исследователей, которые думали, что мы достигли технического tour de force[24], если не настоящего прорыва. Судя по книге Филипа Ф. Шеве «Гений-вольнодумец» – биографии Фримэна Дайсона, известного физика, профессора Института перспективных исследований в Принстоне, – на биологов в целом наша работа произвела глубокое впечатление. Там же приведены слова самого Дайсона, что мой эксперимент был топорной, но «важной работой, так как это был большой шаг к созданию новых форм жизни»{162}. Затем, как и следовало ожидать, зазвучали дежурные опасения каких-то зеленых экстремистов{163} и обычный сенсационный тон британских таблоидов{164}. Один из них прямо спрашивал про нашу клетку: «Может ли она истребить человечество?»{165}

Наиболее существенная критика касалась истинного значения создания клетки, управляемой программой ДНК. Можно ли ее считать синтетической жизнью? Некоторые резонно указывали, что наш синтетический геном был основан на существующем геноме и, имея естественного предшественника – M. mycoides, не может считаться по-настоящему синтетическим. Но, как писал Шеве, находились и биологи, которые были абсолютно уверены, что мы не создали синтетическую жизнь, потому что использовали природную клетку-реципиент. Они считали, что это слово надо приберечь до создания живого существа «с нуля». И конечно, Комиссия по биоэтике при президенте Обаме согласилась, что наша работа, «хотя во многих отношениях выдающаяся» и имеющая принципиальное значение, не означает создания жизни, так как мы использовали существующий природный носитель – клетку, которая уже была живой{166}. Более мягкие версии этого аргумента пытались на разные лады принизить значение того, что мы достигли. Ватиканская газета L’Osservatore Romano{167} завершила свое (в остальном позитивное и любезное) изложение выводом, что наша команда не создала жизнь, но всего лишь «поменяла один из двигателей жизни».

Это разнообразие мнений кое о чем нам говорит. До сих пор нет общепринятого определения того, что мы обозначаем этим неудобным словом «жизнь», не говоря уж о «синтетической жизни», «искусственной жизни» или «жизни с нуля». Определения, конечно, сильно зависят от того, в какой традиции они даются. Термин «искусственная жизнь» имел совсем другое значение в научной среде в 1990-е, когда он в основном применялся по отношению к реплицирующимся программам в компьютере. Характерный пример можно найти в работе Томаса С. Рэя, писавшего в 1996 году о системах, которые «свободно развиваются в цифровой среде, подобно эволюции посредством естественного отбора в органической среде, породившей жизнь на Земле». Главная цель этой работы, пояснял он, «побудить цифровую эволюцию породить в цифровой среде сложность, сравнимую по масштабу со сложностью органической жизни»{168}.

Наша работа с синтетическими хромосомами в живых клетках резко отличается от имитации искусственной жизни в твердом кремнии. «Искусственная жизнь» – это термин, обычно применяемый к описанию того, что наблюдается в цифровом мире, в то время как «синтетическая жизнь» происходит из цифрового мира, но охватывает и жизнь в биологическом мире. Тем не менее жизнь in vivo и in silico объединены понятием «системы, управляемые информацией», а наша работа с синтетической клеткой создает первую прямую связь между ними.

Теперь мы знаем, что правильная последовательность ДНК, представленная в правильном порядке и помещенная в правильную химическую среду, может сделать из существующей жизни новую. Создавая синтетическую клетку, мы основывались на 3,5 миллиарда лет эволюции и не пытались ее повторить: поскольку мы изменили геном, у созданной нами клетки нет прямого предшественника, которого можно было бы найти в природе. Нашей искусственной ДНК мы добавили новый приток в реку жизни.

Мы теперь знаем, как написать текст ДНК на компьютере с нуля. Это даст нам возможность проектирования почти любого живого существа – когда мы будем знать больше деталей механизма жизни. По итогам этой работы моей лаборатории мы можем определить «синтетическую жизнь» как самовоспроизводящуюся живую систему, основанную на синтетическом геноме, синтетическом тексте ДНК. К тому моменту, как я это пишу, моя команда, исходя в основном из самых общих соображений, разработала план нашей первой попытки создать минимальный геном, состоящий из тех генов, которые мы полагаем необходимыми для жизни. Как обсуждалось выше, функции значительной части генов все еще не определены, хотя из подробных экспериментов мы знаем, что они абсолютно необходимы клеткам, чтобы жить. Мы используем клетку-реципиент, чтобы поставить в нее эту новую программу жизни – так же, как делали с первой синтетической клеткой.

Наша способность конструировать жизнь имеет далеко идущие последствия. Со времени пионерной работы Роберта Гука в XVII веке мы знали, что все живые существа состоят из одной или более клеток[25]. Сегодня, регулируя их генетические программы, мы в принципе можем менять структуру и функции любой клетки как захотим, создавая изумительное разнообразие жизни, от миниатюрных дрожжевых клеток{169} до быстрорастущей рыбы{170}. Мы также можем экспериментировать с древними механизмами, используемыми при развертывании линейной генетической программы в трехмерную структуру клетки.

Насколько мы знаем, вся клеточная жизнь, которая существует на нашей планете, происходит от более ранних разновидностей клеток. Каждая единица из этих фундаментальных элементов жизни, включая 5 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 или около того земных бактерий{171}, произошли от клеток, которые жили примерно четыре миллиарда лет назад. Даже если эти клетки занесло с другой планеты в процессе, известном как панспермия, или их рассеяли какие-то разумные существа (что Фрэнсис Крик называл «направленной панспермией»{172}), в конечном счете происхождение первых клеток остается загадкой.

Где есть тайна, там есть возможность для процветания витализма и религии. Однако когда моя команда успешно установила синтетическую программу ДНК в клетку, мы продемонстрировали тем самым, что наше базовое понимание механики клеточной жизни достигло важной точки. На вопросик Эрвина Шрёдингера «Что такое жизнь?» мы ныне способны дать один несомненный ответ: «Программа и основа всякой жизни – ДНК».

Но поскольку мы начинали с существующей клетки и всей ее белковой машинерии, остается вопрос, можно ли в самом деле заново создать современные клетки – результат миллиардов лет эволюции – из основных компонентов жизни. Можем ли мы заставить работать все сложные клеточные функции, не прибегая поначалу к защите клеточной мембраны, и если так, то сможем ли мы использовать отдельные белки и химические компоненты, чтобы привести в действие синтетическую хромосому и в ходе этого создать новый вид самовоспроизводящейся клетки? Можем ли мы вырастить в лаборатории организм, который будет представлять совершенно новую ветвь на древе жизни, станет представителем того, что некоторые по аналогии с растительным и животным царствами любят называть «синтетическое царство»? Теоретически, по крайней мере, можем. Наша способность создавать синтетические клетки и манипулировать жизнью будет определять лицо науки нынешнего века.

Моя уверенность основана отчасти на огромных успехах, достигнутых после 1965 года, когда было впервые высказано предположение, что синтез живых клеток станет национальной целью Америки{173}. В последние несколько лет мы наблюдали подъем синтетической биологии – эмерджентной фазы молекулярно-биологических исследований. В этой области можно видеть заметный отход от редукционистского экспериментирования, которое десятилетиями было мощным методом, помогавшим нам понимать клетки, выявляя их составные части, динамику и циклы. Теперь нам нужно посмотреть, можем ли мы собрать все эти мириады клеточных компонентов новыми способами, чтобы заново создать жизнь. Когда мы дойдем до этой вехи, мы откроем новую главу в нашем понимании жизни и, я верю, получим полный ответ на трудный вопрос Шрёдингера.

Но даже когда мы получим жизнь из бесклеточной системы, это все равно нельзя будет считать «жизнью с нуля», что бы это ни значило. Сомневаюсь, чтобы хоть кто-то из тех, кто употребляет этот мем, вдумывался в то, что он на самом деле хочет им выразить. Давайте для иллюстрации возьмем приготовление «с нуля» хотя бы пирога. Можно представить покупку пирога и наведение на него дома глазури. Или можно купить смесь для выпечки, в которую надо добавить только яйца, воду и растительное масло. Большинство рассматривает выпечку пирога «с нуля» как соединение отдельных ингредиентов, таких как пекарский порошок, сахар, соль, яйца, молоко, кулинарный жир и так далее. Я сомневаюсь, что кто-то имеет в виду изготовление собственного пекарского порошка (с получением соды из натрия, водорода, углерода и кислорода) или домашнее производство крахмала – сильно разветвленного полисахарида, состоящего из множества остатков глюкозы, соединенных гликозидными связями. Глюкоза, в свою очередь, образуется из углерода, водорода и кислорода. Если мы применим те же самые ограничения к созданию жизни «с нуля», это будет означать производство всех необходимых молекул – белков, липидов, органелл, ДНК и т. д. – из основных химикатов или даже из основных элементов – углерода, водорода, кислорода, азота, фосфора, железа и прочих. Вопрос о происхождении самих первичных ингредиентов – органических соединений – уводит от сути дела, хотя оно имеет отношение к большому вопросу, откуда первоначально взялась жизнь. Химия зарождения жизни – пребиотическая химия – возвращает нас в 1952 год к знаменитому эксперименту Стэнли Миллера и Гарольда Юри в Чикагском университете. Сложные органические молекулы, включая сахара и аминокислоты, спонтанно образовывались из воды (H_2O), аммиака (NH_3), водорода (H_2) и метана (CH_4), когда эти последние оказались в условиях (закрытая стерильная система с нагревом и электрическими разрядами), имитировавших предполагаемые условия молодой Земли{174}. Спустя несколько лет в университете Хьюстона Хуан Оро обнаружил, что нуклеотидное основание аденин и основания других нуклеотидов РНК и ДНК могут спонтанно образовываться из воды, синильной кислоты (HCN) и аммиака{175}.

Многие полагают, что первым важным реплицирующимся генетическим материалом была РНК, и описывают некий «мир РНК», предшествовавший жизни, основанной на ДНК{176}. В 1967 году Карл Вёзе одним из первых предположил, что у РНК могут быть свойства катализатора, так что она и несет генетическую информацию (подобно ДНК), и может вести себя как белки (ферменты), что существенно, потому что практически все химические реакции, проходящие в живой клетке, требуют катализаторов{177}. До самого 1982 года, когда Томас Чек из Колорадского университета в Боулдере показал, что молекула РНК может сама вырезать интрон{178}, а Сидней Альтман из Йельского университета открыл каталитические свойства РНК-компонента рибонуклеазы P{179}, которая может нарезать РНК[26], мы не знали точно, что эти каталитические РНК – «рибозимы» – на самом деле существуют. Чек и Альтман поделили Нобелевскую премию 1989 года по химии за эти открытия{180}.

Рибозимы могут быть ключом в попытках ответить на самый основной вопрос из всех. Как появилась самая первая клетка, будь то на Земле или на какой-то экзопланете?{181} В попытках понять происхождение жизни применялось много подходов, но если и есть какой-то один исследователь, который попытался сделать это путем формирования реальной примитивной «жизни» (с нуля), то это нобелевский лауреат Джек Шостак{182} и его лаборатория в Гарварде. В отличие от групп, работающих на «искусственных клетках», состоящих из белковых систем в липидных пузырьках, но без каких-либо программных молекул жизни, Шостак понимает, что жизни требуется самовоспроизводящийся «информационный геном»{183}. Точка зрения Шостака – между позициями двух лагерей, занятых изучением происхождения жизни. Лагерь первичности программ считает самым важным шагом в происхождении жизни появление репликации РНК как одновременно носителя информации и каталитической молекулы. Другая группа утверждает, что ключевым фактором эволюции первичной жизни стало появление клеточной мембраны в форме самособирающихся и самовоспроизводящихся везикул.

Эти везикулы, пузырьковидные структуры, также известные как мицеллы, спонтанно образуются из липидных молекул, когда концентрация этих молекул превышает определенный порог. Самые первые липидные молекулы, как полагают, были жирными кислотами, которые присутствовали на древней пребиотической Земле и были найдены даже в метеоритах. У их молекул есть гидрофобный (жирный, водоотталкивающий) конец и гидрофильный (любящий воду) конец, которые могут сцепляться, образуя структуры. Липидные молекулы соединяются хвостом к хвосту (жирный конец к жирному), оставляя водолюбивые концы открытыми наружу на внешней и внутренней поверхностях образующейся мембраны. Эта сборка действует как эффективный барьер, удерживающий растворенные в воде молекулы внутри пузырька, чтобы создать уникальную среду.

В совместной работе со своей студенткой Ирене Чен и Ричардом Робертсом{184} из Калтеха Шостак показал, что простое присутствие РНК в пузырьках, образованных жирными кислотами, может ускорить их рост, отбирая мембранные молекулы из соседних везикул, содержащих меньше РНК или не содержащих ее вовсе{185}. Этот рост происходит, потому что РНК в везикулах создает осмотическое давление. Это внутреннее давление распирает мембрану, и она растет за счет поглощения жирных кислот из любых окружающих везикул, которые менее раздуты вследствие того, что в них меньше нуклеиновой кислоты. Протоклетки, в которых было больше РНК, росли быстрее, до момента, когда при легком встряхивании – например, под действием ветра или волн на первичной Земле – они разваливались на дочерние везикулы.

Следующим шагом Шостака снова было вставить РНК, но на этот раз оснастить эту программу полезными инструкциями для его протоклеток. Эта информация может кодировать способы создания фосфолипидов, класса липидов, которые характерны для современных мембран. Это стало бы критическим этапом в переходе от примитивных мембран, основанных на жирных кислотах, к современным клеточным мембранам на фосфолипидах. Таким образом, внесение программной РНК в протоклетки делает теоретически возможными простые самовоспроизводящиеся системы. Это захватывающие исследования, и, я уверен, они продемонстрируют, что самовоспроизводящиеся клетки могут формироваться из пребиотических химикатов.

Если синтетический генетический материал можно составить так, чтобы он катализировал собственную репродукцию внутри искусственной мембраны, значит, в лаборатории могла бы быть создана примитивная жизнь. Возможно, эти клетки походили бы на первые формы жизни на Земле, существовавшие четыре миллиарда лет назад, но скорее они будут представлять собой нечто совершенно новое. Важно, что эти первые синтетические клетки, как и те, что были на заре жизни, будут обладать огромным потенциалом: способностью к мутациям и дарвиновской эволюции. Я уверен, что, когда дойдет до амбициозной цели превращения ДНК в клетку, они станут источником ценных идей и для моей собственной команды, и для многих других, кто исследует эти важные проблемы.

Дополняя эту работу по происхождению жизни, мы проводим новое исследование, долгосрочная цель которого – сотворение «универсальной реципиентной клетки», которая сможет принимать любую синтетическую ДНК с программой, настроенной на создание жизни, причем назначенного вида. Сейчас количество типов реципиентных клеток, которые мы используем для пересадки генома в наших лабораториях, очень ограниченно. Чтобы создать универсальную реципиентную клетку, мы сейчас переписываем генетический текст клетки микоплазмы, чтобы она приобрела способность транслировать и транскрибировать любую пересаженную ДНК. Это исследование должно расширить и детализировать наши догадки о том, почему жизнь существует в виде маленьких упаковок, которые мы называем клетками.

Есть и более радикальный подход: мы ищем возможность обойтись вообще без существующей клетки в качестве реципиента для синтетического генома. Мы надеемся, что сможем создать полностью синтетические клетки – начав с бесклеточных систем и добавляя затем основные компоненты, собрать в итоге полную клетку. Это могло бы стать потрясением основ, но опять же сходные исследования известны с удивительно давних времен. Еще в начале революции ДНК, в 1950-х, несколько исследовательских команд независимо продемонстрировали, что клетка не строго необходима для выполнения некоторых основных жизненных операций. Они обнаружили, что производство белков может идти даже после того, как мембрана клетки распалась.

Это впервые предположил Пол Чарльз Замечник, профессор медицины в Гарвардской медицинской школе и старший научный сотрудник в соседней Массачусетской больнице. Он заинтересовался этой проблемой в 1938 году, когда при вскрытии патологически ожиревшей женщины он был поражен обилием жира в ее тканях при относительной бедности их белком. Это побудило его поинтересоваться, как производятся белки – вопрос, который будет занимать его в течение большей части его дальнейшей карьеры{186}. В какой-то момент он понял, что для выяснения промежуточных стадий синтеза белков ему нужно разработать бесклеточную систему. После нескольких лет опытов он наконец добился этого с помощью коллеги Нэнси Бачер, проложив путь многим важным прозрениям: от выявления, что для синтеза белка нужна АТФ, до открытия, что место сборки белка – рибосомы.

Многие исследовательские группы работали по воссозданию биологических процессов из отдельных компонентов. В 1955 году Хайнц Френкель-Конрат и Робли Уильямс были первыми, кто показал на примере вируса табачной мозаики, что действующий вирус можно создать из очищенной РНК и белковой оболочки. Вскоре последовала расшифровка основ генетического кода и того, как информация передается с ДНК к белку, – в пионерной работе 1961 года Маршалла Ниренберга и его сотрудника-постдока Иоганна Генриха Маттеи{187}. В своем эксперименте они приготовили экстракт из бактериальных клеток, который мог вырабатывать белок, хотя цельных живых клеток в нем не было. Используя искусственную РНК и аминокислоты с радиоактивными метками, они открыли, что три урацила (УУУ) образуют кодон для аминокислоты фенилаланина.

С тех пор стало обычным делом – взять ДНК или РНК и получать белки в пробирке. В результате внеклеточный синтез белка стал важным инструментом для молекулярных биологов. Первоначально эти методы требовали экстрактов клеток, но затем появилась так называемая система PURE (синтез белка с рекомбинантными элементами), когда синтез белка ведется в бесклеточной системе{188} с трансляционной механикой от E. coli, воссозданной из очищенных веществ и рибосом. Мы сейчас пытаемся использовать коктейль из ферментов, рибосом и химикатов (включая липиды) и синтетического генома, чтобы создавать новые клетки и формы жизни, не нуждаясь в естественных клетках. В ближайшие годы будет всё легче создавать широкий спектр клеток с написанных на компьютере программ жизни в бесклеточных системах и/или через универсальную клетку-реципиент.

Окончательное овладение технологией создания клеток с нуля откроет невероятные новые возможности. Во-первых, изучая эту границу между живым и неживым, мы сможем уточнить наше определение понятия «жизнь». Другим последствием этой работы может стать то, что мы будем иначе определять слова «машина» и «организм»{189}. Способность создавать жизнь без естественных клеток будет иметь также вполне практические применения: мы сможем повысить степень свободы в проектировании новых форм жизни. Мы сможем изучать и прежние формы жизни, воссоздавать геномы вымерших существ на основании геномов их живых потомков и использовать искусственные клетки для реализации этих древних программ.

Мы также начнем пользоваться возможностями наборов синтетических клеток. Человеческое тело само по себе замечательное коллективное предприятие, в котором только пищеварительная система приютила около ста триллионов микробов – примерно в десять раз больше, чем число клеток во всех крупных органах вашего тела. Подавляющее большинство их – дружественные микробы, которые сотрудничают с нашей биохимией. Эта склонность клеток работать совместно появилась в истории жизни относительно рано. Многоклеточные цепочки бактерий возникли около 3,5 миллиарда лет назад. Были и другие формы микробного сотрудничества, как упоминалось ранее. Покойная Линн Маргулис из Университета Массачусетса в Амхерсте предположила, что эукариотные клетки приобрели свои системы фотосинтеза и вырабатывающие энергию митохондрии путем симбиогенеза – взаимно полезного слияния двух предковых клеток.

За столь древними примерами последовала новая волна сотрудничества, когда эти сложные клетки сами объединялись, образуя сообщества, – в эволюции это происходило независимо несколько раз. Более 600 миллионов лет назад появление гребневиков – студенистых прозрачных животных с хорошо развитыми тканями – отметило точку разветвления многоклеточной жизни. Губки – это другой древний пример отдельных клеток, которые объединились в более сложные тела. Они состоят из нескольких разных типов клеток – пищеварительных клеток, клеток, которые выделяют спикулы (сегменты скелета губки), и так далее, – и все они могут общаться друг с другом и действовать вместе как единая особь.

В геноме губки Amphimedon queenslandica – фирменной губки Большого Барьерного рифа – можно видеть некоторые из генетических механизмов, позволяющих индивидуальным клеткам работать совместно{190}. Существует с полдюжины критериев многоклеточности: регулируемый клеточный цикл и рост; программируемая смерть клетки (так называемый апоптоз); адгезия (прилипание) клетки к клетке и клетки к субстрату, позволяющая клеткам держаться вместе; сигналы развития и генная регуляция; механизмы защиты от вторгающихся патогенов; наконец, специализация типов клеток, благодаря которой у нас есть нервные клетки, мышечные клетки и т. д. Если учесть, сколько раз многоклеточность возникала независимо, то непохоже, что переход к ней можно объяснить чем-то одним, за исключением того, что клеточное сотрудничество было наилучшим решением эволюционного вопроса, как успешнее передать свои гены следующему поколению – посредством ли защиты от специфических паразитов или развития более эффективного способа передвигаться и разведывать доступные ресурсы еды и энергии.

С появлением синтетической клетки мы сможем выявить детали механизмов перехода к многоклеточности. Синтетические клетки можно будет разобрать и упростить, чтобы посмотреть, как каждый из перечисленных выше факторов многоклеточности может влиять на способность клеток общаться и сотрудничать. Это дало бы нам беспрецедентный инструмент для распутывания невероятно сложных взаимодействий, которые происходят между клетками в многоклеточном существе, будь то червячок-нематода или человек. В то же самое время мы наверняка попытаемся построить синтетическое многоклеточное существо снизу вверх, из синтетических клеток, содержащих синтетические органеллы, чтобы исследовать эту тончайшую форму сотрудничества.

Еще в конце 1960-х команда в Университете штата Нью-Йорк в Баффало успешно создала относительно крупный организм, Amoeba proteus, из крупных клеточных компонентов: ядра, цитоплазмы и клеточной мембраны{191} от других амеб. Они сообщили, что «успех наших экспериментов по перекомпоновке организма означает, что теперь у нас есть техническая возможность собирать амеб с любым желаемым сочетанием составных частей, что дает нам отличную тестовую систему». Мы можем дать этим произведенным клеткам более эффективные клеточные барьеры или создать синтетический эндоплазматический ретикулум – усеянную рибосомами органеллу, на которой идет синтез и накопление белка.

В ходе наших работ на микоплазме и других организмах мы уже установили ингредиенты базового рецепта живой клетки: это коктейль из трех-пяти сотен белков (примерно столько же, сколько обнаружилось в работе Люси Шапиро по «необходимому геному» бактерии Caulobacter crescentus). Представьте, что мы сможем систематически разрабатывать варианты механизмов жизни, выясним, какие компоненты критичны, а какие нет, и докопаемся, как они работают вместе. Это будет благом для синтетической биологии, так как расширит спектр биологических компонентов, подпрограмм и схем, которые мы можем разработать.

Глава 10. Жизнь под заказ

Новая разновидность, выведенная человеком, представится более любопытным и важным предметом изучения, чем добавление еще одного вида к бесконечному числу уже занесенных в списки.

Чарльз Дарвин. «Происхождение видов» (1859){192}

Когда мы создаем и пишем новое программное обеспечение для живых клеток, то как можно убедиться, что оно будет работать? Очевидный способ – попытаться на самом деле создать эту клетку, но пока что это относительно дорогой и долгий процесс, а если не получится, вы останетесь в недоумении – то ли проблема в самой программе, то ли в установках системы, которая превращает инструкции ДНК в реальность. В будущем компьютерное моделирование предложит способ проверить наши знания путем создания виртуальных клеток до того, как делать реальные. Роль компьютерного моделирования жизни сегодня больше, чем когда-либо прежде, и продолжает расти – отчасти из-за экспоненциального роста мощности компьютеров, отчасти потому, что современная биология уже оценила богатый урожай новой информации, приносимый быстро множащимися исследованиями такого рода. Последние двадцать лет, например, научное сообщество набирало все больше подробных данных по биологическим объектам, от системного анализа до изощренно сложенной трехмерной структуры белков. Разнообразие молекулярных машин с широким спектром функций изумительно, и мы узнаем все больше о том, как они взаимодействуют друг с другом и с другими клеточными компонентами. В результате этого потопа данных уже очень многое из основных жизненных процессов можно смоделировать in silico в дополнение к лабораторным экспериментам.

Компьютерной имитацией жизненных процессов уже десятилетиями занимается множество групп, применяющих модели разной степени сложности. В числе прочего моделируются и биохимические процессы – от генного регулирования до имитации метаболизма и синтеза белка. В Европе, например, проект Virtual Physiological Human{193} («Виртуальная физиология человека») нацелен на моделирование в компьютере работы органов для создания виртуального тела. Чтобы успешно сделать это, участникам пришлось собрать воедино широкий круг сведений по физиологии, в том числе о десятках тысяч генов и их вариантов и о куда большем числе белковых компонентов, измененяющихся в ходе метаболизма.

Попытки моделировать органы и ткани предпринимались уже довольно давно. Первые математические модели сердечных клеток появились в 1960 году{194}. К 1980-м показатели – электрические, химические и механические – сокращения клетки сердечной мышцы были довольно хорошо изучены, и стало возможно создать компьютерную модель биения клетки сердца. Три десятка уравнений описывают ключевые клеточные химические процессы, в частности работу ионных каналов, позволяющих сердечным клеткам порождать и проводить электрические сигналы. Увеличение мощности компьютеров с тех пор сделало возможным имитацию биения миллиардов таких клеток во всех четырех камерах виртуального сердца{195}.

Опыты по имитации органов также направлены на мозг с его миллиардами взаимосвязанных нейронов. В рамках проекта Human Brain{196} («Человеческий мозг») в Федеральной политехнической школе в Лозанне, на берегах Женевского озера, к 2008 году удалось имитировать микроконтур, состоящий из блока в десять тысяч клеток коры мозга – того тонкого слоя, с которым связаны самые интересные и продвинутые функции мышления. Для имитации человеческого мозга с его ста миллиардами нейронов понадобится не меньше десятка лет, и, начиная в 2013 году соответствующий проект, Еврокомиссия объявила, что потратит на него миллиард евро{197}.

На более фундаментальном уровне было немало попыток создать in silico виртуальную клетку – динамическую биологическую систему в форме «живущей» программы, которая могла бы показать, как все процессы, идущие в живой клетке, функционируют вместе как одна система. Хотя я напрямую не участвую в этих проектах, они выиграли от работы моего института. Базовое знание и идеи, добытые нами в ходе наших исследований генома микоплазм, дали другим возможность создавать подробные модели клетки Mycoplasma в компьютере.

В 1990-х попытка воплотить наши данные по геному в «электронную клетку» была предпринята командой во главе с Масару Томита в Университете Кейо в японском городе Фудзисава. Когда группа в Кейо начала свой проект, было секвенировано всего восемнадцать организмов. Они считали, что беспрецедентное на тот момент количество доступной молекулярной информации по широкому спектру модельных организмов дало бы урожай в виде новых идей относительно внутриклеточных молекулярных процессов. Если имитировать их на компьютере, это позволило бы предсказывать динамическое поведение живых клеток. В компьютере было бы можно исследовать функции белков, взаимодействия между белками и белков с ДНК, регуляцию генной экспрессии и другие детали функционирования клетки. Другими словами, виртуальная клетка могла бы дать новые перспективы в исследованиях как программ жизни, так и ее материальной основы.

Весной 1996 года Томита и его студенты из Лаборатории биоинформатики в Кейо начали исследовать молекулярную биологию Mycoplasma genitalium (которую мы секвенировали в 1995-м) и к концу этого года учредили проект E-Cell («Электронная клетка»). Японская команда сконструировала модель гипотетической клетки всего со 127 генами, которых было достаточно для транскрипции, трансляции и производства энергии. Большинство использованных ими генов они «списали» у Mycoplasma genitalium. В свою модель команда заложила сеть метаболических взаимодействий этого гипотетического генома, в который входили двадцать генов тРНК и два гена рибосомальной РНК. Согласно принятым ими допущениям, клетка пребывала в нереально благоприятных внешних условиях.

Состояние модельной клетки в любой произвольный момент отображалось списком концентраций входящих в нее веществ, а также значений объема клетки, кислотности (pH) и температуры. Для моделирования программы ДНК команда использовала существующее программное обеспечение и разработала сотни правил, которые действуют для многих, но не всех метаболических путей M. genitalium, включая гликолиз, ферментацию лактата, поглощение глюкозы, глицерина и жирных кислот, синтез фосфолипидов, транскрипцию генов, синтез белка, работу полимераз и рибосом, а также деградацию белков и мРНК. Для пущей верности модель была сконструирована так, что ферменты и прочие белки спонтанно деградировали со временем, так что для поддержания «жизни» клетки они должны были постоянно синтезироваться.

Японская команда проводила эксперименты на виртуальной клетке как на «симуляторе двигателя», работающем примерно в двадцать раз медленнее живого организма. Они могли заставить клетку «голодать», убирая из питательной среды глюкозу. При этом они наблюдали, как количество АТФ временно возрастает, но затем резко падает до тех пор, пока клетка наконец не «умирает», исчерпав горючее-АТФ. Если глюкозу возвращали, виртуальная клетка могла оправиться или нет, в зависимости от степени ее истощения. Модель позволяла одним кликом мышкой воспроизвести – миллисекунда за миллисекундой – эффект выключения гена при разных концентрациях разных клеточных веществ. Клетку также можно было «убить», вырубив важный ген, например управляющий синтезом белка, в результате чего все ферменты постепенно деградировали и в конце концов полностью исчезали.

Но в то время, в конце 1990-х, задача связать разные уровни клеточных процессов – от работы генов до обмена веществ и далее – все еще была довольно трудной. Кроме того, формат модели Кейо в 127 генов был меньше «минимального набора генов», установленного нашими генными нокаутами и сравнением последовательностей наших двух первых секвенированных геномов. В результате модельная клетка оказалась «самоподдерживающейся», но неспособной к размножению; ей не хватало биохимических путей для репликации ДНК, генной регуляции и клеточного цикла. И конечно, в то время (как и сегодня), функции многих генов были еще неизвестны, так что для восполнения отсутствующих метаболических функций ученым приходится полагаться на догадки экспертов.

За десять лет со времени создания исходной «электронной клетки» японская команда ушла далеко вперед. Помимо постоянного улучшения модели, они начали моделирование человеческих эритроцитов, нейронов и других типов клеток, а также перешли к задачам, дополняющим работу по виртуальным клеткам, – таким как определение ответов E. coli на генетические и экологические проблемы. Эти работы показывают, что сеть метаболических взаимодействий внутри клетки чрезвычайно прочна благодаря ее избыточности{198}.

Самая свежая работа на Mycoplasma genitalium была сделана в Америке системным биологом Маркусом Кавертом из Стэнфордского университета. Его команда использовала наши данные по геному, чтобы создать виртуальную версию, которая очень походила на живую микоплазму. Это достижение опиралось на синтез большого объема информации, включая данные из более чем 900 научных статей о геноме этого существа, его транскриптоме, протеоме, метаболоме[27] и всяких прочих «-омах», которые вы можете придумать. В результате M. genitalium стала первым организмом, смоделированным столь подробно – вплоть до каждого из 525 генов и всех известных генетических функций.

Чтобы создать свою виртуальную клетку, стэнфордская команда использовала несколько тысяч параметров, относящихся к трем десяткам модулей субклеточных процессов, каждый из которых моделировался разными способами. Ученые программировали отдельные модули – каждый со своим собственным управляющим алгоритмом, – а те, коммуницируя друг с другом, интегрировались в единую клеточную машину. Таким образом, имитация бактерии была создана как серия модулей, которые отражают разные функции клетки. Используя сеть из 128 компьютеров, стэнфордская команда могла планировать поведение клеток виртуальных M. genita-lium на молекулярном уровне, от их ДНК и РНК до белков и метаболитов{199}. Они смоделировали продолжительность жизни клетки на молекулярном уровне, расписав взаимодействия 28 категорий молекул. И, наконец, общая модель была проверена сравнением с базой знаний, объединяющей информационные базы данных по M. genitalium{200}.

Стэнфордская команда, в частности, использовала свой виртуальный организм для выяснения деталей клеточного цикла, который включает в себя три фазы: инициацию, репликацию и цитокинез (деление клетки). Они заметили большую изменчивость длительности первых фаз по сравнению как с последней, так и с продолжительностью всего клеточного цикла. Длина отдельных фаз клеточного цикла варьирует от одной виртуальной клетки к другой, в то время как длина всего цикла значительно более постоянна. На основании поведения модели стэнфордцы предположили, что устойчивость полного клеточного цикла – результат работы встроенного механизма отрицательной обратной связи, компенсирующего различия в длительности отдельных фаз. Клетки, приступающие к репликации ДНК позднее, имеют время, чтобы накопить большой запас свободных нуклеотидов. Сама фаза репликации, на которой эти нуклеотиды расходуются на создание новых цепочек ДНК, после этого проходит относительно быстро. С другой стороны, клетки, которые проходят начальную фазу быстрее, не имеют избытка нуклеотидов. В этом случае скорость репликации ограничивалась скоростью производства нуклеотидов.

Команда Стэнфордского университета имитировала последствия мутаций для всех 525 генов, чтобы определить, остаются ли мутантные клетки жизнеспособными. Примерно 80 % их предсказаний при сравнении с экспериментальными данными по реальным клеткам оказались верны. Но как раз там, где результаты отличались, это порождало интересные объясняющие идеи. Согласно модели, утрата гена lpdA должна убивать клетку; на самом же деле такой штамм остается жизнеспособным, хотя растет на 40 % медленнее, чем дикий тип. Команда решила, что какой-то другой белок должен выполнять задачу, близкую к таковой для lpdA. При внимательном рассмотрении они нашли подходящий ген – nox, сходный с lpdA по последовательности и функции. Когда они поправили свою модель, добавив эту дополнительную функцию nox, виртуальная клетка тоже стала жизнеспособной. Расхождения в темпах роста мутантов in silico и в реальности помогли команде тонко отрегулировать скорость наработки ферментов в электронных клетках, чтобы сделать модели более реалистичными и более похожими на M. genitalium.

Подобные модели в конечном счете позволят нам просчитывать сценарии типа «что будет, если…», обычные в области инженерии. Так же как инженер подбирает на компьютере ширину несущего элемента конструкции небоскреба, чтобы увидеть, что происходит с его сейсмоустойчивостью, системные биологи смогут манипулировать программным обеспечением жизни для изучения его влияния на жизнеспособность клеток. Будет интересно сравнить сконструированный нами минимальный геном с компьютерными моделями, чтобы увидеть, насколько мы способны предсказывать последствия изменений генов.

Понятно, что эта революция в биологическом моделировании потребует существенного увеличения мощности компьютеров. В настоящее время имитация деления одной клетки отнимает у стэнфордской команды около десяти часов и генерирует полгигабайта данных. Между тем первая виртуальная бактерия с ее 525 генами намного проще, чем E. coli, у которой 4288 генов, которая делится каждые 20–30 минут и в которой происходит гораздо больше молекулярных взаимодействий, каждое из которых еще больше удлинило бы время, нужное для проведения имитации. Можно представить, насколько трудным окажется создание виртуальных версий еще более сложных, эукариотических клеток.

Предстоит еще многое узнать о живых организмах, чтобы понимать, как линейная программа разворачивается в трехмерный мир клетки. Важный шаг в этом направлении был сделан другим ученым из Стэнфорда, Люси Шапиро. Ее биография необычна: она пришла в науку из высокого искусства и занялась биологией развития, сосредоточившись на асимметрично устроенной пресноводной бактерии Caulobacter crescentus. В 2001 году моя команда сотрудничала с Люси при прочтении генома Caulobacter, 4 016 942 пары оснований которого кодируют 3767 генов{201}.

Работа Люси Шапиро продемонстрировала, что бактерии – это не просто бесструктурные мешочки с белками: у них есть четко выраженные внутриклеточные отсеки со специфичными белковыми роботами, занимающими особые места в организации сложных биохимических процессов, таких как клеточный цикл и деление. Шапиро впервые выявила, что репликация бактериальной ДНК пространственно организована и что деление клеток зависит от этой организации и от расхождения двух образовавшихся молекул ДНК к противоположным концам клетки. Ее команда также доказала существование ведущих генетических регуляторов клеточного цикла. Например, регуляторный ген, участвующий в построении жгутика (выроста в виде бича, позволяющего организму плавать), жизненно необходим и для клетки в целом. Они обнаружили, что события жизненного цикла бактерии, ранее изучавшиеся как изолированные, на самом деле связаны общими регуляторами. Всего один такой регулятор управляет активностью 95 других генов. Применив более совершенную версию той методики, которую мы отработали на микоплазме, Шапиро каталогизировала до последней буквы те части генома, что были необходимы для выживания Caulobacter crescentus, – около 12 % генетического материала бактерии. К необходимым элементам относятся не только гены, кодирующие белки, но также регуляторные участки и, самое интересное, 91 небольшой сегмент ДНК с неизвестными функциями. Прочие 88 % генома можно разрушать, не лишая бактерию способности к росту и размножению{202}.

Будущее биологических исследований будет основано в огромной степени на сочетании информатики и синтетической биологии. Прекрасное представление об этом будущем нам может дать серия конкурсов, которые завершаются замечательным событием, происходящим каждый год в Кембридже (штат Массачусетс), – собранием блестящих молодых умов, которое дарит мне большую надежду на будущее. Международный конкурс генно-инженерных машин (iGEM) приглашает старшеклассников, студентов и предпринимателей, чтобы перетасовать стандартный набор подпрограмм ДНК в нечто новое. Победитель получает символический приз – большой алюминиевый блок лего, символизирующий убеждение, что стыкуя и перестыковывая подпрограммы, можно построить жизнь.

Исходно соревнование было учреждено тремя инженерами – Томом Найтом, Рэнди Реттбергом и Дрю Энди, надеявшимися применить легоподобную логику построения систем из стыкующихся частей в биологии. Теперь оно проводится в МТИ. Событие выросло из практикума, предлагавшегося там в январе 2003 года, в котором командам ставилась задача разработки культуры E. coli, которая бы «мигала» – то есть генерировала свет через равные промежутки времени. Это переросло в летние соревнования, на которые заявилось пять команд в 2004 году и тринадцать в 2005-м – первом, в котором соревнования стали международными. С тех пор количество участников быстро росло, и в 2012 году команд было уже 245.

На iGEM-2011 участие в соревновании приняли около 160 команд и более двух тысяч участников из тридцати стран мира. Сначала были региональные отборочные туры, в конце – мировой чемпионат. Это стало не сухим учебным курсом с презентациями, лекциями и демонстрациями, но слетом генетиков, на котором участники – со своими талисманами и в командных футболках с логотипами спонсоров – сами режут ДНК дольками и рубят кубиками.

Одной из целей этой затеи было создание каталога стандартизованных деталей, а именно соединяемых кусков ДНК, называемых «биоблоками», которые программируют бактерию-хозяина на выполнение той или иной специальной задачи. Каждый биоблок обрамлен с двух концов последовательностями ДНК, которые способны соединяться с другими блоками и интегрироваться в плазмиды, чтобы их можно было вставить в бактериальную клетку. За годы проведения соревнований участники накопили централизованную открытую генетическую библиотеку из тысяч биоблоков, называемую «Реестром стандартных биологических деталей». Реестр, содержащий список функций, структур и так далее, сделан по образцу тысячестраничного каталога схемных элементов «Книга ТТЛ для инженеров-конструкторов».

Для каждого соревнования в начале лета команды получали определенный набор биологических деталей – комплект биоблоков. Им посылали и копии реальной ДНК в обезвоженном виде. Работая в своих школах или лабораториях все лето, они, используя и эти детали, и новые, которые они сами сконструировали, собирали биологические системы и оперировали ими в живых клетках. В поиске способов сборки новых биологических «схем» из набора стандартных частей некоторые студенческие команды пришли к тем же подходам, что и моя собственная группа.

Их базовые наборы инструментов включали промоторы, обозначающие, какие участки ДНК надо прочитать; операторы, способные регулировать работу промоторов; участки связывания рибосом, которые побуждают рибосому начать синтез белка; сама последовательность, кодирующая белки, где может быть записан какой-нибудь фермент, или репрессор для связывания и выключения промотора, или маркер вроде зеленого флюоресцентного белка (GFP), который может, как явствует из названия, показывать, что схема активна; и терминаторы, дающие сигнал прекратить чтение программы ДНК. Из этих деталей можно собрать устройства, которые, оказавшись в клетке, будут выполнять элементарные функции.

Главное, что могут делать такие устройства, – это производить белок. Но поскольку ДНК – это программа, они могут быть использованы для построения основных структурных единиц любого компьютера – логических элементов: «И» (ген включается, если к нему поступают оба запускающих его сигнала), «ИЛИ» (для включения гена достаточно любого из двух сигналов) и «НЕ» (белок синтезируется, если сигнала нет, и наоборот). Устройства могут также передавать сигналы от клетки к клетке, согласуя поведение клеточной популяции, – как это делают в природе бактерии с так называемым «чувством кворума», способные регулировать активность своих генов в зависимости от числа бактерий-соседей. Наконец, можно сделать светоуправляемые устройства на основе светочувствительных белков – таких как фоторецепторы растений и бактерий{203}. Схемы, собранные из таких генных логических элементов, однажды могут стать компонентами сконструированных клеток, способных отслеживать состояние своей среды и отвечать на изменения в ней.

В свою очередь устройства можно соединить в систему. Например, они могут образовывать системы с обратной связью, как с положительной (используя активатор), вроде той, что превращает тихий звук в микрофоне в вопль, так и с отрицательной (используя репрессор), такой, что выключает нагрев в термостате при достижении заданной температуры. Можно сделать переключатели{204}, которые будут отвечать на условия в клетке или вокруг нее, используя промотор и репрессор; или работающие по циклу осцилляторы (подумайте о ваших внутренних часах), которые можно собрать разными способами – например, сочетая отрицательную обратную связь с задержкой; или счетчики, где то или иное событие запускает производство белка, который в свою очередь активирует другой белковый генератор.

Таким образом, студенты, обучающиеся синтетической биологии, могут выстроить иерархию, начиная с деталей, переходя к устройствам, а от них – к системам. В результате их работы у нас теперь есть клеточные схемы, способные генерировать изображение, обрабатывать шум, обнаруживать край{205}, считать события и создавать синхронизированные колебания в растущей популяции клеток{206}. Одна команда из Корнелла изобрела бесклеточный способ получения сложных биомолекул, названный, естественно, «биофабрикой». Бактерию можно заставить флюоресцировать как заведенную, создав контур соответствующих генетических инструкций. E. coli можно превратить в устройство для хранения информации, «живой жесткий диск», как сделала команда из китайского университета Гонконга, назвавшая свою работу E. cryptor. Другие разработали программное обеспечение для манипулирования программами ДНК на экране с превращением их затем в реальную последовательность в лаборатории, с помощью роботов{207}.

Более забавные проекты включали бактерий, которые светились в темноте или, как в проекте МТИ «О д’Е. coli», пахли цветами гаультерии, пока росли, и бананами – когда прекращали рост. Были представлены живые ЖК-мониторы, сделанные из дрожжей или бактериальных клеток вместо обычных пикселей. Одна команда из Техасского университета в Остине и Калифорнийского университета в Сан-Франциско изобразила фразу «Hello World» посредством E. coli{208}, приспособленной ощущать свет: в ней домен[28] белка цианобактерии управляет геном lacZ, обеспечивающим выработку черного пигмента.

Команды также понаделали альтруистичных микробов всех разновидностей, в том числе таких, которые меняют цвет, если в окружающей среде присутствует яд, производят вычисления{209}, выявляют паразитов{210}, засекают наземные мины, или, будучи обычными дрожжами, дают бета-каротин – ту оранжевую субстанцию, которая окрашивает морковь. Одна команда из британского Кембриджского университета придумала E. chromi, раскрасив E. coli в яркие цвета, – достижение, удостоенное награды в номинации «искусство и дизайн»{211}. Другие сварили «биопиво», богатое ресвератролом – веществом, которое находится в вине и, по мнению многих, полезно для здоровья.

Этот конкурс придает большое значение общественному аспекту синтетической биологии, необходимости того, чтобы не-ученые понимали и принимали эти попытки поиграть с механизмами жизни. В ходе своих проектов конкурсанты очень много общаются с публикой, принимают участие в опросах и говорят с прессой. Безопасность – одна из центральных тем, и каждая команда должна представить оценку того, какое воздействие их проект окажет на мир вокруг них. Один участник зашел так далеко, что разработал алгоритмы для определения, насколько похожа та или иная последовательность ДНК на те, что значатся в списке особо опасных возбудителей и токсинов Центров по контролю и предупреждению заболеваний (CDC){212}.

Я аплодирую «биоблоковому» подходу к привлечению и обучению студентов и не могу сказать об организаторах iGEM ничего, кроме похвал. Я думаю, что они изменили процесс обучения в этой области, побуждая новое поколение ученых пережить волнующее чувство манипулирования программой жизни. Невероятная изобретательность, продемонстрированная в проектах iGEM, дает мне надежду на будущее. Мы далеко ушли от изменения геномов на ощупь – избирательным разведением, как в традиционном сельском хозяйстве, – в сторону конструирования жизни с помощью современной науки.

А пока эти студенты учатся биологическому конструированию, множество талантливых исследователей в разных лабораториях по всему миру уже регулярно достигают впечатляющих успехов. Некоторые создают целые лаборатории на чипах – биочипах, – сочетая в них синтез белка, сборку и компьютерную визуализацию для конструирования белков{213}. Другие научились делать белки с единственной копии ДНК внутри микроскопической кварцевой ячейки{214}. Тот же iGEM наглядно показывает глобальность попыток воспроизвести генетические схемы in vitro{215}. Для будущего геномного конструирования нам нужен инструментарий: новые искусственные аминокислоты, переключатели, биологические реостаты, осцилляторы, модуляторы, гены самоубийства[29] и генные пути для рукотворной жизни.

Позвольте мне остановиться на паре примеров, чтобы дать хотя бы самое общее представление о наших возможностях. Чтобы читать команды программы ДНК, клеткам нужны специальные белки – «цинковые пальцы». Их открыл в 1985 году Аарон Клаг, нобелевский лауреат, работающий в Кембриджской лаборатории молекулярной биологии Совета по медицинским исследованиям{216}. Эти белки так называются, потому что содержат атом цинка, а по форме напоминают указательный палец{217}. Их сотни вариантов, и все они работают, связываясь с ДНК, когда каждый палец соответствует трехбуквенной последовательности ДНК. Чем больше вы используете пальцев, тем точнее вы можете опознать конкретную последовательность. Всего с шестью пальцами вы можете выбрать любой конкретный ген.

Этот важный кусок биологической машинерии был адаптирован для синтетической биологии инженерами-биомедиками из Бостонского университета Ахмадом Халилом и Джеймсом Коллинзом. Они создали новые конструкции цинковых пальцев, способные связываться с новыми целевыми последовательностями{218}. Бостонская команда смастерила новые генетические схему в эукариотных клетках (дрожжах), используя их собственные модульные функциональные части и «подключая» их с помощью цинковых пальцев{219}. У этой работы много непосредственных приложений – она может быть полезна для формирования стволовых клеток в регенеративной медицине или при разработке внутриклеточных устройств и схем для диагностики ранних стадий рака и других болезней. Этот метод может также подготовить группы клеток для выполнения более сложных задач – обработки сигналов датчиков.

Другие прилагают усилия к тому, чтобы расширить и изменить существующий генетический код, чтобы кодировать аминокислоты, которых нет в природе. Генетический код избыточен: часто несколько кодонов кодируют одну и ту же аминокислоту. Эти дополнительные кодоны можно назначить кодирующими другие аминокислоты, которых нет среди двадцати «стандартных» природных. В одной такой работе – Джейсона Чина из лаборатории молекулярной биологии Совета по медицинским исследованиям – появились генноинженерные дрозофилы, у которых в белки клеток яичников включены три новых аминокислоты. Использование новых аминокислот позволит придавать белкам новые функции и создавать клетки, устойчивые к вирусным инфекциям.

Но что важнее всего, систематическое исследование потенциала синтетической биологии углубляет наше понимание биологии фундаментальной. С такими возможностями мы сможем расширять наше знание биологии в тысячи раз быстрее, чем это происходит сегодня. Достигнутое понимание, в свою очередь, поможет улучшить геномные конструкции, которые можно проверять на моделях виртуальных клеток, и, таким образом, ускорит работы по синтезу новой жизни.

Конструирование и создание новых форм жизни по-прежнему поднимает ряд важных этических вопросов. Попытки их исследования предпринимались много раз, не только в Америке, но и во многих других странах с развитой биотехнологической индустрией. Я инициировал первую этическую экспертизу искусственных геномов и синтетической жизни в конце 1990-х, когда мой институт профинансировал оценку нашей работы Центром биоэтики Пенсильванского университета. Моя команда работала с разными государственными ведомствами, в том числе с министерством энергетики США, с Управлением по науке и технической политике Белого дома (OSTP) и с НИЗ со времени нашей работы на phi X 174. Только один пример: в 2004 году наша группа по связям с общественностью, возглавляемая Робертом Фридманом, совместно с Центром стратегических и международных исследований (CSIS) и МТИ, получила средства от Фонда Альфреда П. Слоуна на проведение семинаров и публичных сессий в течение двух лет для обсуждения этических и социальных последствий синтетической геномики. Мы (я был среди основных участников, туда же входили Джордж Чёрч, Дрю Энди, Том Найт и Хэм Смит) опубликовали свои выводы в октябре 2007 года под названием «Синтетическая геномика: варианты управления»{220}.

Все это время я, как и остальные члены моей команды, читал публичные лекции; представлял подробные статьи на научных конференциях; разбирался с постоянными вопросами мировых СМИ. Мы несколько раз путешествовали на Капитолийский холм, чтобы ввести в курс дела более пятидесяти членов Конгресса, и обращались к OSTP, ЦРУ, Национальному научному консультативному совету по биобезопасности (NSABB), Президентской комиссии по изучению вопросов биоэтики и в Департамент внутренней безопасности. Отчеты о синтетической биологии были выпущены многими органами, такими как министерство энергетики США и NSABB. Публичные обсуждения происходили не только в Америке, но и в таких странах, как Великобритания{221}. Делегаты от ведущих учреждений и ассоциаций собрались в июле 2009 года на симпозиуме, организованном совместно Королевским обществом Великобритании, Национальной академией наук США и ОЭСР, и рассмотрели возможности, угрозы и более широкие вопросы, поставленные синтетической биологией, например, что значит быть человеком. Обсуждения точного смысла выражения «создать синтетическую жизнь» были с любой точки зрения долгими, содержательными и открытыми.

Много лет меня поражало, что мало какие из вопросов, поднятых синтетической геномикой, действительно новы. Одну из самых знаменитых попыток побороться с проблемами, порожденными искусственными формами жизни, можно найти в «трех законах роботехники» Айзека Азимова, автора научно-фантастических романов и рассказов. Впервые их формулировка появилась в 1942 году в рассказе «Хоровод»: «1. Робот не может причинить вред человеку или своим бездействием допустить, чтобы человеку был причинен вред. 2. Робот должен повиноваться всем приказам, которые дает человек, кроме тех случаев, когда эти приказы противоречат Первому Закону. 3. Робот должен заботиться о своей безопасности в той мере, в которой это не противоречит Первому и Второму Законам». Позже Азимов добавит четвертый, «нулевой закон», предваряющий остальные: «0. Робот не может причинить вред человечеству или своим бездействием допустить, чтобы человечеству был причинен вред». Можно с тем же успехом применить эти принципы к нашим попыткам изменить основные механизмы жизни, заменив «робота» на «синтетическую форму жизни».

Новые технологии, будь то в роботехнике или в синтетической биологии, могут оказаться палкой о двух концах. Сегодня много споров идет вокруг «технологий двойного назначения» – как, например, в работе, опубликованной в 2012 году Американской ассоциацией содействия развитию науки, группой американских университетов и ФБР{222}. Их исследование было вдохновлено работами двух команд в Америке и Нидерландах, определивших те элементы вируса гриппа H5N1, которые обеспечивали его быстрое распространение. Когда в августе 2011 года результаты обеих групп были представлены в Science и Nature, они вызвали широкое беспокойство. Эта тревога побудила ученых всего мира к добровольному соглашению – наложить мораторий на исследования, пытающиеся понять и обуздать угрозу пандемии, пока не станет ясно, как безопасно их вести и публиковать их результаты.

Проблема тут, конечно, в том, что такие работы позволяют выявить вирусы, представляющие наибольшую угрозу человеческой жизни, и разработать лечение от них, но в то же время предоставляют информацию, которой могут воспользоваться террористы. Национальный научный консультативный совет по биобезопасности США рассмотрел те и другие возможные последствия и рекомендовал публиковать обе статьи об H5N1 только после того, как авторы удалят из них ключевые данные. Но в феврале 2012 года совещание ВОЗ решило, что выгоды от публикации работ перевешивают риски, и выразило сомнение в надобности редактирования статей. Позже в докладе ФБР предлагались некоторые меры для достижения баланса между прогрессом в исследованиях и минимизацией рисков, а также между свободой науки и национальной безопасностью.

Доклад ФБР начинался с указания, что двуликая природа инновации в последние несколько десятилетий проявлялась снова и снова. В нем подчеркивалось значение таких инициатив, как Асиломарский мораторий (с которым я разбирался выше) и принятие Конвенции о биологическом и токсинном оружии 1972 года. Я уверен, что проблема ответственного применения науки фундаментальна и восходит к зарождению человеческой изобретательности – ко временам, когда человечество впервые открыло, как добывать огонь по желанию. (Можно просто погреться, а можно и сжечь соседский урожай.) Каждые несколько месяцев проходит какое-нибудь совещание, где обсуждается, что действенная технология – это палка о двух концах.

Но важно не упускать из виду возможности, которые дают такие исследования. Синтетическая биология может помочь в решении ключевых проблем, стоящих перед планетой и ее населением, – таких как продовольственная безопасность, устойчивая энергетика и здоровье. Со временем исследования в области синтетической биологии могут породить новые технологии, которые будут производить чистую энергию и помогут прекратить загрязнение; помогут нам растить урожаи на менее пригодных землях; обеспечат более доступные продукты питания, а также вакцины и другие лекарства. Уже слышны разговоры о способности «умных» белков или запрограммированных клеток к самоорганизации на месте заболевания для ремонта повреждений.

Понятно, что этот, по-видимому, безграничный потенциал вызывает много тревожных вопросов – хотя бы потому, что синтетическая биология освобождает конструкцию жизни от эволюционных оков и открывает для жизни новые перспективы. Чтобы обеспечить безопасное и эффективное развитие синтетической биологии, необходимо вкладываться в поддерживающие технологии, науку, образование и политику. Надо организовывать общественные дискуссии и обсуждения по этой теме, причем в обсуждении действительно важных вопросов должны участвовать и непрофессионалы. Я надеюсь, что эта книга хотя бы немного поможет читателям разобраться в разнообразии современных разработок.

Конечно, безопасность превыше всего. Хорошая новость состоит в том, что благодаря обсуждениям, начатым еще в Асиломаре в 1970-х, уже утверждены надежные и подробные правила безопасности в биотехнологии и технологии рекомбинантной ДНК. Тем не менее мы должны быть бдительными и не терять осторожности. В будущем может оказаться трудно определить источники угроз, если они выглядят как что-то, с чем мы никогда раньше не сталкивались. Политический, социальный и научный фон постоянно меняется и со времен Асиломара сильно сместился. Синтетическая биология опирается в числе прочего на умения специалистов, не искушенных в биологии, – например, математиков или электротехников. Работы начинающих синтетических биологов – участников конкурса iGEM – показывают, что эта область уже не является монополией высококвалифицированных маститых ученых. Демократизация знания и подъем «биологии с открытыми исходниками»; создание фабрики ДНК-конструкций BioFab{223} в Калифорнии; и доступность кухонных версий ключевых лабораторных инструментов, таких как метод копирования ДНК посредством ПЦР{224}, – все это делает игру с программным обеспечением жизни легкой для всех, включая тех, кто находится вне обычных сетей государственных, коммерческих и университетских лабораторий, вне культуры ответственного обучения и биобезопасности.

Есть и «биохакеры», которые хотят свободно экспериментировать с программами жизни. Неоднократно упоминавшийся выше физик Фримэн Дайсон{225} с энтузиазмом рассказывает, что будет, если инструменты генетической модификации станут широко доступной домашней биотехнологией: «Появятся наборы “сделай сам” для садовников, которые будут использовать генную инженерию для выведения новых сортов роз и орхидей. И наборы для любителей голубей и попугаев, ящериц и змей, чтобы выводить новые разновидности питомцев. Заводчики собак и кошек тоже получат свои наборы».

Многие зацикливаются на рисках попадания этой технологии «не в те руки». События 11 сентября 2001 года, последовавшая за ними рассылка спор сибирской язвы и угроза пандемий гриппа H1N1 и H7N9 подчеркнули необходимость принимать эти опасения всерьез{226}. Биотерроризм становится все более вероятным по мере созревания технологии и повышения ее доступности. Однако синтезировать вирус не так-то просто – тем более способный вызывать болезнь и заражать{227}, не говоря уж о пригодном для боевого использования. А замечательная скорость, с которой мы теперь можем секвенировать патоген, показывает, что та же технология упрощает противостояние угрозе с помощью новых вакцин.

Меня больше тревожит не биотерроризм, а «биоприколизм»: неприятные последствия манипуляций с ДНК какого-нибудь не имеющего научной подготовки биохакера или «биопанка»{228}. По мере распространения технологии и повышения риска наши понятия о вреде меняются вместе с нашими взглядами на то, что мы подразумеваем под «естественной средой», так как человеческая деятельность меняет климат, а это, в свою очередь, меняет наш мир.

Люди склонны видеть в «аномальных» созданиях чудовищ, продукт злоупотребления властью и возможностями, как это живо изображено в истории Франкенштейна{229}. И все же нам важно сохранять чувство перспективы и взвешенности. Несмотря на дежурные требования еще более строгой регуляции и контрольных мер, отвечающих «принципу предосторожности» – что бы мы ни понимали под этим изрядно заезженным термином{230}, – мы не должны упускать из виду необычайной способности этой технологии приносить полезные плоды для всего мира.

Я не одинок в убеждении, что чрезмерное регулирование может быть столь же вредным, как и излишняя мягкость в этом отношении. Я был рад увидеть отражение моих собственных взглядов в реакции на мою работу над первым работающим синтетическим геномом, когда Президентская комиссия по изучению биоэтических вопросов в декабре 2010^231 года выпустила доклад, озаглавленный «Новые направления: этика синтетической биологии и передовых технологий». Этот документ открывался письмом президента Барака Обамы, подчеркивавшим, что нам как обществу жизненно важно разумно рассмотреть значение этой работы и найти баланс между «важными выгодами» и «естественными опасениями».

Комиссию возглавлял политолог Ами Гутманн, президент Пенсильванского университета, и в нее входили специалисты по биоэтике, праву, философии и науке. В своих выводах комиссия сформулировала пять руководящих этических принципов, которые сочла существенными для социальной приемлемости новых технологий: общественная польза, ответственное управление, интеллектуальная свобода и ответственность, демократическое обсуждение, справедливость и честность. Комиссия пришла к выводу, что если неуклонно применять эти принципы при выработке и разъяснении государственной политики в области синтетической биологии, мы можем быть уверены, что эта технология разрабатывается ответственно и этично.

Одна из рекомендаций комиссии президенту гласила, что правительство должно провести согласованную оценку государственного финансирования исследований по синтетической биологии, в том числе исследований по технологиям оценки риска и его снижения, а также по этическим и социальным вопросам, на предмет выявления заметных упущений с учетом того, что главной целью должно быть «общественное благо». Рекомендации были, к счастью, прагматичными: учитывая зачаточное состояние области, предлагалось поощрять инновации, а вместо создания очередной бюрократической структуры навести порядок в мешанине компетенций и полномочий существующих органов управления.

Конечно, были выражены опасения по поводу «маловероятных, но потенциально катастрофических» событий, таких как создание апокалиптического вируса. Эти редкие, но катастрофические возможности не следует игнорировать, учитывая, что мы еще не опомнились от ужасов 11 сентября. Но и слишком большое значение им не следует придавать: хотя кто-то может получить доступ к «опасным» последовательностям вирусной ДНК, раздобыть их – далеко не то же самое, что успешно вырастить их в лаборатории. Тем не менее доклад требует установления гарантий в области мониторинга, содержания и контроля синтетических организмов – например, путем включения в них «генов самоубийства», молекулярных «тормозов», «переключателей смерти» или «ремней безопасности», которые ограничат их способность процветать вне лаборатории, сдерживая рост или требуя специальной диеты вроде новых аминокислот. Как в случае с нашей «клейменой» бактерией, нам были нужны новые способы маркировки и мечения синтетических организмов.

В более широком плане доклад призывал к международному диалогу по этой новой технологии, а также к адекватному обучению, чтобы напомнить всем занятым этой работой об их обязанностях и ответственности – не в последнюю очередь в области биобезопасности, заботы о биоразнообразии и экосистемах и пищевых ресурсах. Хотя он рекомендовал правительству поддержать культуру саморегуляции, он также призывал к бдительности относительно возможностей «самодеятельной» синтетической биологии, бытующей в «неофициальной обстановке». Каждому, кто глянет критическим оком на синтетическую биологию, бросается в глаза одна проблема – та, что эта область развивается столь быстро. Поэтому оценки этой технологии должны постоянно пересматриваться, а мы должны быть готовы принимать новые меры безопасности и контроля по мере надобности.

Признавая, что если демократия действительно работает, представления синтетических биологов должны быть приняты обществом, доклад призывает к широкому участию в их обсуждении научных, религиозных и общественных кругов, просвещению публики и обмену мнениями как о надеждах, так и об опасностях – избегая впадения блогеров и журналистов в поверхностную сенсационность (и затасканных возражений насчет «игры в Бога»), умолчаний и искажений. Я бы первым согласился, что для того, чтобы общественность нам доверяла, мы должны внимательно слушать ее, прилежно работать и сохранять бдительность.

Всегда найдутся луддиты, которые считают, что мы вообще не должны идти этой дорогой, кто хотел бы скорее того, чтобы мы оставили попытки создать синтетическую жизнь, отвернулись от этой «разрушительной технологии». В 1964 году Айзек Азимов сделал мудрое замечание о становлении роботов, которое столь же справедливо и в отношении становления переделанной жизни: «Да, в знании есть свои опасности, но надо ли отвечать на них отказом от знания? Или этим знанием будет можно заслониться от опасности, которую оно несет? Держа все это в уме, я начал в 1940 году писать собственные рассказы о роботах – но рассказы нового типа. Никогда, никогда ни один из моих роботов не восставал на своего создателя тупо и без причины, просто для того, чтобы в очередной надоевший раз продемонстрировать преступление и наказание Фауста»{231}. Я больше всего боюсь не злоупотребления технологией, а неупотребления ее – того, что мы вообще не станем ее использовать и упустим замечательную возможность в такое время, когда мы перенаселили нашу планету и необратимо меняем окружающую среду. Отказавшись от технологии, мы откажемся и от возможности использовать ее для сохранения и улучшения жизней. Последствия бездействия могут быть опаснее, чем неподобающее использование технологии.

Я могу предвидеть, что в ближайшие десятилетия мы станем свидетелями множества необычайных и реально полезных разработок, например культур, устойчивых к засухе, способных выдерживать болезни и процветать на скудных землях; обеспечивающих богатые новые источники белков и других питательных веществ; пригодных для очистки воды в суровых и засушливых регионах. Я могу себе представить конструирование простых форм животных, которые обеспечат новые источники питательных веществ и фармацевтических препаратов, настройки стволовых клеток человека для регенерации поврежденного, старого или больного тела. Появятся новые способы улучшения человеческого тела, например повышение интеллекта, адаптация к новым условиям среды – таким как уровни излучения, характерные для космоса, – омолаживание изношенных мышц и так далее.

Давайте не будем отвлекаться от глобальных проблем, влияющих на человечество. Немало серьезных проблем угрожает сегодня нашему хрупкому и переполненному миру, который в скором времени будет домом для девяти миллиардов человек, в котором кончаются основные ресурсы – продукты питания, вода и энергия – и над которым навис призрак непредсказуемого и разрушительного изменения климата{232}.

Глава 11. Биологическая телепортация

Тут последовал резкий щелчок, и Немор исчез.

В изумлении я воззрился на Челленджера:

– Силы небесные! Вы трогали машину, профессор!

Артур Конан Дойль, “Дезинтеграционная машина” (1929){233}

Многие из величайших и самых революционных идей, от полетов на Луну до невидимости, были предвосхищены в мифах, легендах и, конечно, в научной фантастике. То же можно сказать и о наших попытках использовать наше понимание программ жизни для передачи цифровых инструкций по построению живого организма или его компонентов из одной точки нашей планеты в другую или даже между планетами, а то и далеко за пределы нашей солнечной системы.

Живучая идея транспортера, разбирающего людей или предметы в одном месте и собирающего их где-то еще, была популяризована Джином Родденберри (1921–1991) в его телесериале 1960-х «Звездный путь» (Star Trek) («Скотти, подними нас лучом»){234}. Транспортер был порожден прозаической проблемой, вставшей перед Родденберри: ему не хватало бюджета, чтобы в каждом еженедельном эпизоде показывать посадку космического корабля. В том же десятилетии британской телевизионной аудитории представили Доктора Кто и его машину TARDIS – синюю клетку вроде «обезьянника» в лондонской полиции, способную переносить находящихся в ней в любую точку времени и пространства во вселенной.

Идея телепортации появилась не со «Звездным путем» или «Доктором Кто», она веками так или иначе присутствовала в литературе. В «Тысяче и одной ночи» (часто называемой «Аравийские ночи»), сборнике историй и народных сказок, составленном в золотой век ислама и опубликованном по-английски в 1706 году, джинны могут мгновенно переносить себя и предметы с места на место. «Дезинтеграционная машина» Артура Конана Дойла, опубликованная в 1929 году, описывает машину, которая может разлагать на атомы и преобразовывать объекты. Тему телепортации использовали многие авторы фэнтези и научной фантастики, в их числе Айзек Азимов («Такой прекрасный день»){235}, Джордж Лангелаан («Муха»), Дж. К. Роулинг (эпопея о Гарри Поттере) и Стивен Гулд («Джампер»). Но все эти описания телепортации – чистый вымысел, а вот понятие «квантовой телепортации» весьма реально. Широкой аудитории оно стало известно в 1999 году из романа Майкла Крайтона «Линия времени», позже экранизированного.

Идея квантовой телепортации гораздо старше: ее истоки восходят, в частности, к интеллектуальным разногласиям между двумя самыми яркими коллегами Шрёдингера по созданию теории атомного мира (квантовой механики): Альбертом Эйнштейном, которому не нравилась странная трактовка реальности этой теорией, и Нильсом Бором (1885–1962), датским отцом атомной физики. В 1935 году в ходе этого спора Эйнштейн, желая подчеркнуть одну непонятную особенность квантовой теории, разработал со своими коллегами Борисом Подольским (1896–1966) и Натаном Розеном (1909–1995) мысленный эксперимент.

Сначала они заметили, что квантовая теория применима не только к отдельным атомам, но и к молекулам, состоящим из групп атомов. Так, например, молекула, содержащая два атома, может быть описана единым математическим выражением, называемым волновой функцией. Эйнштейн понял, что если разделить эти составляющие целое атомы большим расстоянием, даже поместить их в разных концах космоса, они все равно будут описываться той же самой волновой функцией. На жаргоне физиков они называются «запутанные». Больше чем через полвека, в 1993 году{236}, Чарльз Беннетт из IBM и другие авторы теоретически показали, что пары запутанных атомов как бы устанавливают «квантовую телефонную линию», которая может «телепортировать» на любое произвольное расстояние все подробности квантового состояния одной частицы к другой, не зная ее состояния. Это наводит на мысль, что какой-то переносчик может передавать атомные данные. Последовали эксперименты с целью установить, возможно ли это на самом деле. Рекорд дальности для квантовой телепортации на время написания главы принадлежит международной исследовательской команде, использующей Наземную оптическую станцию Европейского космического агентства на Канарских островах, которая воспроизвела характеристики частицы света за 143 км открытого пространства{237}. Эксперимент обнаружил телепортацию состояния световых частиц (фотонов) между островами Ла Пальмой и Тенерифе.

Телепортация открывает также потенциальную возможность создания компьютера нового типа – квантового, способного выполнять операции и решать задачи в миллионы раз быстрее, чем нынешние компьютеры{238}. Группа из Калтеха в 1998 году сообщила о первой экспериментальной демонстрации телепортации квантового состояния света{239}. Явление сначала было показано между отдельными фотонами, между фотоном и веществом, потом между отдельными ионами (заряженными атомами). Затем в 2012 году последовало сообщение о телепортации между макроскопическими объектами – достаточно большими, чтобы их видеть, – между двумя блоками атомов (каждый состоял примерно из ста миллионов атомов рубидия и был около миллиметра в диаметре), связанными 150-метровым оптоволокном. Сообщившая о явлении команда во главе с Цзяньвей Паном из Хэфэйской национальной лаборатории физики микромира в Университете науки и технологий Китая в Хэфэе заявила, что эту технику можно будет использовать для передачи и обмена информацией в будущих квантовых компьютерах и сетях, породив рассуждения о «квантовом интернете»{240}.

Как бы ни впечатляли эти продвижения, такая телепортация, как в «Звездном пути», остается делом далекого будущего. В интервью для Scientific American один из авторов первого эксперимента 1998 года, Джефф Кимбл из Калтеха, на вопрос о самом большом заблуждении насчет телепортации ответил: «Представление, что посылается сам объект. Мы не будем рассылать материальное барахло. Если я хочу прислать вам „Боинг-757“, я могу выслать вам все детали, а могу – чертеж всех деталей, и выслать чертеж намного проще. Телепортация – это протокол пересылки из одного места в другое квантового состояния – волновой функции»{241}. Чтобы успешно телепортировать человека, вам понадобится примерно 10^32 бит информации об атомах.

Но, конечно, можно передавать цифровые инструкции или программу, как предлагает Кимбл. Человеческий геном содержит всего около 6×10^9 бит информации. Моя команда совершенствует способ посылать оцифрованную версию текста ДНК в виде электромагнитной волны – а потом использовать специфический приемник где-то вдали для воссоздания жизни. Это будет означать переход между двумя важнейшими категориями типов частиц. Вся жизнь, которую мы знаем на Земле, – это химические в своей основе системы, все структурные компоненты которых – ДНК, РНК, белки, липиды и другие молекулы – состоят из отдельных атомов разных химических элементов (углерода, водорода, кислорода, железа и так далее). Атомы и их составные части (например, электроны, окружающие ядро, и кварки, из которых ядро состоит) совокупно называются фермионами{242}. Другая обширная категория частиц – это бозоны, в том числе бозон Хиггса и все частицы, переносящие взаимодействия, а именно глюоны W и Z и фотон – материя электромагнитных волн. Ключевая разница между фермионами и бозонами – это квантовое свойство, называемое «спин». У бозонов по определению спин целый; у кварков, электронов и всех других фермионов спин равен 1/2. Это приводит к огромной разнице в их поведении и, в случае фермионов, делает возможной всю химию и, следовательно, биологию.

Когда мы читали генетический текст, секвенируя геном, мы превращали химический код ДНК в электронный компьютерный код, который можно преобразовать в электромагнитную волну, передаваемую со скоростью света. Мое внимание к тому, что эта процедура означает переход из одного великого царства частиц в другое, привлек Димитар Сасселов, директор гарвардской инициативы «Происхождение жизни»:

Итак, жизнь, как мы ее знаем и как она вроде бы исторически зародилась на нашей планете, есть фермионный феномен – все ее структуры сделаны из фермионов. Информация, записанная в молекуле ДНК, кодирована с помощью фермионов и читается с помощью фермионов. Наша нынешняя способность представлять эту информацию в цифровом виде и передавать ее на расстояние, используя электромагнитные волны (на скорости света!), отмечает переход жизни от чисто фермионной к бозонной{243}.

В Synthetic Genomics, Inc. (SGI) мы можем ввести перекодированный текст ДНК в программу, которая автоматически планирует, как воссоздать эту последовательность в лаборатории. Программа сама создает перекрывающиеся олигонуклеотиды длиной от 50 до 80 пар оснований, добавляет уникальные места рестрикции и «водяные знаки» и затем вводит их в интегрированный синтезатор олигонуклеотидов. Синтезатор быстро производит олигонуклеотиды, которые автоматически сшиваются вместе и собираются с помощью нашего робота для Гибсоновой сборки.

Хотя синтез олигонуклеотидов можно вести значительно точнее, чем сорок лет назад, этот процесс все еще чреват ошибками, в результате которых образуется фракция незапланированных последовательностей ДНК, и эта фракция растет с ростом размера фрагментов синтетической ДНК. Частота ошибок синтеза при сборке стандартных олигонуклеотидов обычно составляет одну ошибку на тысячу пар оснований. При такой частоте получается, что если ошибки в олигонуклеотидах не отсеять на ранней стадии процесса синтеза – например, путем клонирования и секвенирования или с помощью исправляющего ошибки фермента, – то большинство, если не все фрагменты ДНК длиной больше десяти тысяч оснований будут содержать ошибки. Чтобы решить эту фундаментальную проблему, мы предложили новый подход, который должен проложить путь к высокоточному синтезу ДНК.

Теперь мы можем после сборки олигомеров и ПЦР-амплификации удалять любую ДНК, содержащую ошибки, ферментом, который называется эндонуклеаза. Этот специальный биологический робот был открыт при помощи системы программного обеспечения Archetype, разработанной Тоби Ричардсоном и его командой в SGI для хранения, управления и анализа данных по биологическим последовательностям. Процесс «работы над ошибками» начинается с денатурации и ренатурации ДНК, амплифицированной ПЦР, так что она образует двухцепочечные молекулы. Некоторые из этих молекул имеют во всех позициях «правильные», соответствующие друг другу нуклеотиды, и эндонуклеаза их игнорирует. Однако ДНК, в которой случилась замена, выпадение или вставка, тоже объединится в двойную цепочку с правильной ДНК (просто потому, что правильных молекул в реакционной смеси во много раз больше). Тогда в том месте, где в одной из цепочек ошибка, в двойной цепочке окажутся несовпадающие пары оснований. Такая ДНК (она называется гетеродуплексной) распознается и расщепляется эндонуклеазой.

Тот факт, что интактные молекулы амплифицируются эффективнее, чем расщепляемая эндонуклеазой ДНК, означает, что мы можем использовать вторую реакцию ПЦР для повышения доли синтетических фрагментов без ошибок. При таком подходе частота ошибок обычно меньше, чем одна на 15 000 пар оснований, и этот результат может быть еще улучшен, если проводить дополнительные сеансы исправления ошибок. На этом этапе мы получали молекулы ДНК с достаточной точностью, чтобы они могли быть конечным продуктом в полном смысле слова, например ДНК-вакциной (ДНК, вставляемой в клетки тела, чтобы производить вакцинирующий белок). Но потенциал метода неограничен. С синтезированной ДНК в конце концов можно будет создавать любые формы жизни.

Используя бесклеточный синтез белка in vitro, вроде того, что впервые разработал Маршалл Ниренберг в 1960-х, конструкты из синтетической ДНК теперь можно применять для получения белков в автоматизированной системе. ДНК фага или вируса нуждается лишь в попадании в рецептивную бактериальную клетку, где она перехватит механизмы синтеза клеточных белков и ДНК и наделает множество своих копий.

Иногда бывает трудно увидеть за горизонтом сегодняшних возможностей, как технология, подобная «биологическому телепортеру», кристаллизуется из идеи в нечто реальное. Так случилось, конечно, с лазером, который первоначально подавался как решение, нуждающееся в проблеме{244}. Но я думаю, мы уже можем осознать, как повлияет на наше будущее возможность перевести программу жизни в свет. Способность отправить текст ДНК куда угодно по планете за доли секунды включает в себя любые возможности, касающиеся лечения болезней. Эта информация может быть текстом новой вакцины, белкового лекарства (вроде инсулина или гормона роста), фага для борьбы с инфекцией, вызванной устойчивым к антибиотикам бактериальным штаммом, или новой клетки для выработки лекарства, пищи, топлива или чистой воды. В сочетании с домашними синтезаторами эта технология позволит еще и подогнать лечение под всех и каждого, чтобы оно соответствовало генетическим особенностям пациента и в результате давало меньше побочных эффектов.

Самое очевидное и безотлагательное применение этих возможностей – распространение вакцины в случае начала пандемии гриппа. Последняя такая вспышка была объявлена 11 июня 2009 года, когда ВОЗ расценила вирус гриппа H1N1 («свиной грипп») как первый пандемический штамм более чем за сорок лет, запустив международную реакцию на эту крупную угрозу. Результатом стала самая быстрая разработка глобальной вакцины в истории. За шесть месяцев были произведены и распределены по всему миру сотни миллионов доз вакцины, продемонстрировав способность государственных и частных учреждений всего мира к быстрой мобилизации и сотрудничеству.

Реакция была беспрецедентно быстрой – но все же недостаточно быстрой. Значительная часть вакцины оказалась доступной только через два месяца после прохождения вирусной инфекцией пика, оставив большинство населения на милость патогена в разгар его циркуляции. И хотя уровень смертности был относительно низок, множество людей встретились с вирусом. От H1N1 умерло около 250 000 человек, и вследствие природы этого конкретного гриппа большинство жертв было молодыми. Будь этот вирус более патогенным, задержка с доступностью вакцины могла привести к тяжелому кризису в здравоохранении, способному вызвать в пораженных городах конфликты, беспорядки и социальные взрывы.

Век тому назад очень похожий патогенный штамм гриппа обошел планету с опустошительными последствиями. Потери от пандемии 1918–1920 годов – около 50 миллионов жизней по всему миру – были больше, чем от Первой мировой войны. Один врач сказал, что это «был самый жестокий тип пневмонии, какой когда-либо видели». Используя данные по смертности от этой пандемии, команда под руководством Кристофера Мюррея из Гарвардского университета предсказала в Lancet, что, если похожая пандемия случится сегодня, за год умереть могут 62 миллиона человек – 96 % из них в развивающихся странах. Последняя пандемия «свиного гриппа» была призывом к оружию и выявила необходимость быстро доставлять людям вакцины.

SGI и Институт Крейга Вентера анонсировали трехлетнее соглашение о сотрудничестве с компанией Novar-tis об использовании инструментов и технологий синтетической геномики для ускорения производства вакцинных штаммов гриппа. Вакцинный штамм – это стартовая культура вируса, живой эталонный вирус, основа для широкомасштабного выращивания вакцинного вируса. Соглашение, отмеченное наградой от Управления перспективных биомедицинских исследований и развития США (BARDA), может в итоге обеспечить более эффективный ответ и на сезонные, и на пандемические вспышки гриппа.

В настоящее время Novartis и другие компании – производители вакцин в идентификации и раздаче вакцинных вирусов полагаются на ВОЗ. Чтобы ускорить процесс, мы используем метод «обратной вакцинологии», который впервые применил для разработки менингококковой вакцины Рино Раппуоли, ныне работающий в Novartis. Основная идея состоит в том, что весь патогенный геном вируса гриппа можно обследовать при помощи биоинформационного подхода к идентификации и анализу его генов. Далее выбирают конкретные гены, продукт которых может стать хорошей целью для вакцины – например, белки капсулы. Эти белки затем подвергают обычному тестированию на иммунный ответ.

Моя команда секвенировала гены, представляющие разнообразие вирусов гриппа, появлявшихся начиная с 2005 года. Мы секвенировали полные геномы большой коллекции изолятов человеческого гриппа, а также избранных штаммов птичьего и других нечеловеческих гриппов, важных для эволюции вирусов с пандемическим потенциалом, и сделали эту информацию доступной для всех. Штаммы выбирали так, чтобы они представляли много подтипов с широким географическим и хронологическим распределением. В результате нашего сотрудничества Novartis и SGI разработают «банк» искусственно сконструированных вакцинных вирусов, которые можно пускать в производство сразу же, как только ВОЗ установит циркулирующие штаммы гриппа. Эта технология может сократить время на производство вакцины до двух месяцев, что будет существенным выигрышем в случае пандемии.

Стандартное производство вакцины от гриппа занимает много времени. Важный этап, ограничивающий скорость, – это промежуток между выделением штамма (когда ВОЗ и CDC установят циркулирующий штамм(ы) и выпустят глобальную рекомендацию по созданию вакцинного вируса, специфического для данного гриппа) – и собственно производством вакцины. Традиционный метод производства основан на выращивании вируса в оплодотворенных куриных яйцах. В целом на процесс требуется около тридцати пяти дней, куда входят тестирование и распределение эталонного вируса, одновременное заражение яиц стандартными опорными штаммами и изоляция и очистка посевного материала вакцины. Воспользовавшись главными достижениями синтетической биологии и клеточного производства и добавив захватывающую идею цифро-биологического преобразования, мы с Novartis произвели вакцину лучшего качества менее чем за пять дней.

Вакцина основана на белках вирусного конверта – гемагглютинине (HA), который образует шипы, позволяющие вирусу гриппа прикрепляться к клеткам-мишеням, и нейраминидазе (NA), которая образует головки на поверхности вирусных частиц и катализирует их выход из зараженных клеток, позволяя вирусу рассеваться. Когда были получены высокоточные синтетические гены HA и NA, следующим шагом стало «спасение» прототипа вакцины путем комбинирования HA и NA со щепоткой других генов в геном вируса гриппа, который имеет программу для изготовления всего одиннадцати белков. Мы применили обратный генетический подход на новартисовской клеточной линии MDCK (собачья почка Мадин-Дарби), одобренной Управлением по контролю за продуктами питания и лекарствами США (FDA) в 2012 году в качестве замены яиц при производстве вакцины от гриппа. Клетки были заражены линейными синтетическими кассетами, кодирующими вирусные гены. Через 72 часа после трансфекции (изменения клетки вирусной ДНК) в среде клеточной культуры можно было заметить вирусы гриппа и выделить нужный штамм вируса для дальнейшей амплификации и конечного использования как источника вакцины.

Предварительные испытания совершенства и надежности технологии производства синтетических источников вакцин прошли 29 августа 2011 года. За основу были взяты последовательности генов HA и NA низкопатогенного североамериканского штамма птичьего гриппа H7N9, полученного у CDC и предоставленного BARDA. Синтез олигонуклеотидов стартовал в восемь утра. К полудню 2 сентября, ровно через четверо суток и четыре часа от начала процедуры, вакцинный штамм был получен. После завершения этой подтверждающей демонстрации процесс был успешно повторен на множестве других штаммов и подтипов гриппа, в том числе на H1N1, H5N1 и H3N2. Ко времени написания этой главы штаммов, которые нельзя было бы собрать и «спасти» искусственно, больше не осталось.

Проект синтетического гриппа теперь входит в следующую важную фазу развития. Быстрое и эффективное производство материала для вакцин дает возможность гораздо лучше подготовиться к пандемии – в сочетании с пониманием того, как вирус эволюционирует. Вирусы гриппа динамичны и меняются двумя основными способами: антигенный дрейф и антигенный сдвиг. Дрейф, который происходит постоянно, означает небольшие постепенные изменения, которые происходят за счет точечных мутаций в двух генах, кодирующих главные поверхностные белки – упоминавшиеся выше гемагглютинин и нейраминидазу. Антигенный сдвиг означает резкое крупное изменение, приводящее к появлению совершенно нового вируса гриппа – путем прямой передачи его к людям от животных (обычно от свиней или птиц) или через генетическую реассортацию, т. е. смешивание генов человеческого гриппа А с гриппом животных А, в результате чего получается новый подтип человеческого вируса гриппа А. Наблюдая и и анализируя сдвиги штаммов гриппа и вновь возникающие штаммы, мы можем начинать готовиться к наиболее вероятным штаммам, а не только спешно реагировать, когда вспышка уже станет фактом. Для штаммов, которые представляют потенциальную угрозу, вакцинный материал можно делать заранее и хранить в банках вакцинных штаммов, доступных и готовых к использованию, когда понадобятся.

Подготовка к будущей пандемии идет полным ходом. Создается всеобъемлющая база данных, которая будет включать данные секвенирования прошлых гриппов, антигенные вариации и характеристики роста штаммов, и в нее уже внесены почти 66 000 выделенных последовательностей и 33 000 наборов данных по парам антигенов. Разрабатываются продвинутые алгоритмы для предсказания изменений соотношения субпопуляций циркулирующего вируса во времени, чтобы автоматически оценивать, какая вакцина (или кандидат в вакцины) даст наилучшую защиту, и улучшать возможности предсказания отбора штаммов.

Другой критический шаг к продвинутым вакцинам от гриппа на синтетической основе – это наращивание объема синтетического вакцинного материала и включение его в технологический процесс для перехода к коммерческому производству вакцин. Novartis начинает воплощать это в реальность – реальность, чрезвычайно важную для ответа на глобальную пандемию. Скорость, легкость и точность, с которыми синтетические технологии позволяют производить «высокоурожайные» вакцинные штаммы гриппозных вакцин, обещают не только более быстрые ответы на будущие пандемии, но и более надежное снабжение вакцинами от пандемического гриппа.

Хотя вакцины – это лучшие средства предотвращения пандемий, и синтетическая биология помогла нам сделать их более эффективными, мы теперь сталкиваемся с другой большой инфекционной угрозой, поскольку одно из важнейших орудий человечества в борьбе с болезнями, антибиотики, быстро теряют свою эффективность. Мы наслаждались перемирием в исторической войне с микробами с середины прошлого века, после случайного открытия пенициллина британским микробиологом Александром Флемингом (1881–1955) в 1928 году и разработки технологии массового производства этого лекарства австралийцем Ховардом Уолтером Флори (1898–1968) вместе с немцем Эрнстом Борисом Чейном (1906–1979) и английским биохимиком Норманом Хитли (1911–2004){245}. Флори и Чейн разделили с Флемингом Нобелевскую премию за 1945 год по медицине за их далеко идущую работу. В последние восемьдесят лет антибиотики использовались для лечения многих ранее смертельных инфекционных болезней, спасая миллионы жизней, и чрезвычайно расширили применение хирургии – вообразите без них хотя бы попытку удаления аппендикса, не говоря уж об операциях на сердце, почке или бедре.

Хотя это семейство лекарств колоссально повлияло на увеличение продолжительности жизни, с самого начала микробы, на которых оно было нацелено, начали отбиваться. Вскоре после того, как пенициллин применили для лечения солдат на Второй мировой войне, бактерии нашли пути сопротивления этому распространенному антибиотику. Понять, как бактерии могут не обращать внимания на тот или иной антибиотик, помогли элегантные эксперименты, проведенные в Висконсинском университете Джошуа Ледербергом (1925–2008), которого вдохновила на изучение генетики бактерий плодотворная статья 1944 года Эвери, Маклеода и Маккарти, определившая ДНК как «источник трансформации». Работая вместе с женой, Эстер Циммер Ледерберг, он показал, что линии бактерий, устойчивых к пенициллину, существовали до того, как пенициллин стали использовать для лечения, – это было частью важных исследований, за которые он получил Нобелевскую премию.

Чтобы нейтрализовать действие антибиотиков, устойчивые штаммы используют широкий спектр белков. Такие антибиотики, как тетрациклин и стрептомицин, привязываются к особому участку рибосомы, нарушая синтез белка, и один из эволюционных ответов микробов – смастерить такие рибосомы, с которыми антибиотик не сможет связаться. Некоторые микробы развили «откачивающие помпы» – белки, выбрасывающие антибиотик наружу раньше, чем он успеет подействовать. Некоторые устойчивые штаммы закутываются в непроницаемые оболочки. Иные микробы даже «едят» антибиотики{246}. Механизмов устойчивости столько{247}, что кое-кто поговаривает даже о «резистоме»{248}.

Поскольку бактерии делятся очень быстро, любые устойчивые штаммы скоро начинают преобладать в популяции. Они используют и другой механизм распространения резистентности: они могут меняться программами ДНК в ходе горизонтального переноса генов. Ледерберг показал один из способов, которым они могут это делать: через межклеточные контакты или формирование цитоплазматических мостиков{249}. На молекулярном уровне они обмениваются плазмидами, которые могут содержать несколько генов устойчивости к антибиотикам. Если эта передача прошла успешно, родился супервозбудитель.

Появление резистентных организмов было неизбежно, но, к сожалению, оно было пришпорено слабым санитарным контролем, в изрядной степени сводившимся к гигиене и мытью рук или отсутствию этого навыка. Рост резистентности также ускорялся неразборчивым применением антибиотиков, особенно на фермах; неправильным употреблением (например, для лечения вирусных инфекций вроде обычной простуды); недоиспользованием, когда курс лечения не завершен; и чрезмерным использованием – в мыле и других хозяйственных средствах. В довершение всех бед нынешние рыночные условия мало стимулируют компании предпринимать тяжкие труды по разработке новейших антибиотиков. В отличие от сердечных лекарств и других средств, антибиотики принимают только неделю или около того. А неуклонный рост резистентности означает, что любой антибиотик обречен довольно скоро стать бесполезным, так что срок жизни нового антибиотика на аптечной полке тоже ограничен.

Это наглядный пример дарвиновской эволюции – правда, с печальной моралью: золотой век антибиотиков может идти к концу. Есть бесчисленные примеры продвижения устойчивости: например, постоянный незваный гость больниц, резистентный к метициллину Staphylococ-cus aureus, приобрел полную резистентность к ванкомицину, который часто подается как лекарство последнего рубежа. В последние годы снова и снова приходится слышать, что нам может предстоять возвращение в доантибиотиковую эру{250}, когда главной причиной смертности были бактериальные инфекции, а местные больницы были рассадниками заразы, местом, где вы меньше всего хотели бы оказаться, если действительно хотели выздороветь.

Геномика может сильно помочь. Мы можем картировать распространение супервозбудителя, узнать, как он противостоит антибиотику, и найти новые цели для лекарств. Мы можем также привлечь синтетическую геномику для разработки альтернатив антибиотикам. Подход, которому следуем мы, – это возврат к антибактериальному лечению, именуемому фаготерапией, в которой для того, чтобы убить микроба, используются бактериофаги, специфичные для данной линии бактерий. Каждые несколько дней фаги убивают половину бактерий на Земле{251}. Можем ли мы рассчитывать на их помощь в борьбе с супервозбудителями?

Бактериофаги, которых в десять раз больше, чем бактерий, были открыты – возможно, независимо двумя учеными{252} – около ста лет назад. Первым их идентифицировал в 1915 году англичанин Фредерик Туорт (1877–1950), эксцентричный эрудит, который делал скрипки, радиоприемники и много чего еще, а также пытался вывести самый крупный душистый горошек в Англии{253}. Франко-канадский микробиолог Феликс д’Эрель (1873–1949) появляется в истории фагов в 1917 году и первым применяет к ним термин «бактериофаги» («пожиратели бактерий»). Он утверждал, что феномен, описанный Туортом, был чем-то совсем другим{254}. Размышляя о роли, которую играли бактериофаги в выздоровлении от дизентерии, д’Эрель осознал их потенциал в борьбе с инфекциями{255} и в 1919 году провел первый клинический опыт. Д’Эрель и его коллеги приняли внутрь большие дозы препарата фага. Убедившись таким образом в его безопасности, д’Эрель назначил разбавленный препарат фага двенадцатилетнему мальчику с тяжелой дизентерией. Через несколько дней мальчик выздоровел.

Работы д’Эреля помогли объяснить загадочный факт: что такое присутствует в полных нечистот водах Ганга и реки Ямуна в Индии, что обеспечивает защиту от холеры?{256} Теперь ответ был ясен. Капля речной воды или канализационных стоков кишит миллионами фагов. К 1930 году коктейли с фагами производились компаниями в Европе и Америке для лечения многих инфекций. Самыми известными были две лаборатории: одна – д’Эреля во Франции, а другая – созданная при его участии в 1923 году в Тбилиси, в советской Грузии. Ныне это учреждение называется Институт бактериофагов, микробиологии и вирусологии имени Элиава – в честь другого ее сооснователя, грузинского исследователя фагов Георгия Элиава (1892–1937), пользовавшегося покровительством советского диктатора Иосифа Сталина. Отчасти из-за сотрудничества с иностранными учеными, в том числе д’Эрелем, а в основном из-за ухаживания за женщиной, на которую также имел виды Лаврентий Берия, сталинский шеф тайной полиции, Элиава был объявлен «врагом народа» и в 1937-м расстрелян{257}. Институт Элиава пережил своего основателя и стал одним из крупнейших центров производства лечебных фагов, на пике производившим несколько тонн препаратов в день. В 1989 году Горбачев восстановил имя Элиава в ходе реабилитации жертв Большого террора.

Надежды и рекламные обещания, что фаговая терапия покончит с бактериальными болезнями, к середине 1930-х не смогли воплотиться, а все свидетельства ее действенности были скомпрометированы недостаточной стандартизованностью материалов{258}. В это десятилетие Американская медицинская ассоциация выступала с уничтожающей критикой этого метода{259}, но фаги, дежащие на границе живого и неживого, продолжали манить фундаментальных исследователей. В знак важности этой работы Альфред Херши и Сальвадор Лурия, сосредоточившись на основах биологической репликации и тем самым на наследственности, даже учредили вместе с Максом Дельбрюком «Церковь Фага».

Во время Второй мировой войны фаготерапия использовалась в армиях Советского Союза и Германии, но с окончанием войны и бумом антибиотиков она, как и все «коммунистические штучки», стала выглядеть на Западе чем-то подозрительным{260}. Один из адептов дельбрюковской «церкви» Гюнтер Штент писал в 1963 году, что «странная глава в истории медицины о терапии бактериофагами теперь может с полным основанием считаться завершенной. Но почему бактериофаги, столь смертоносные для бактерий in vitro, оказались такими бессильными in vivo, так и не было адекватно объяснено»{261}.

Одна причина в том, что история фаготерапии – как в значительной мере и история почти чего угодно, что бы вы ни взяли, – «полна политики, личной вражды и негласных конфликтов»{262}. Но более важная причина в том, что ей, чтобы стать по-настоящему действенной терапией, пришлось ждать пришествия современных научных методов. К счастью, к тому времени, как в 1991 году развалился СССР, институт Элиава все еще поставлял фагов обретшей независимость Грузии, и значительная работа была проделана в Институте иммунологии и экспериментальной терапии Людвика Хиршфельда в польском городе Вроцлаве. Сегодня, когда микробы продолжают обходить нас в гонке вооружений, очень много исследователей – включая мою команду – по-новому оценивают пользу фагов в борьбе с инфекциями{263}.

В отличие от обычных антибиотиков, способных причинять побочный вред, убивая в наших телах множество «дружественных» бактерий, помогающих переваривать пищу, фаги, словно молекулярные «умные бомбы», нацелены только на один или на небольшое число линий или штаммов бактерий. Мы теперь знаем в подробностях, как эти машины убийства микробов могут с хирургической точностью атаковать один вид бактерий. Возьмем для примера фаг T4, который изучали многие пионеры этой области, от Макса Дельбрюка и Сальвадора Лурия до Джеймса Уотсона и Фрэнсиса Крика. 169 000 оснований его генома содержат все необходимые инструкции для заражения и разрушения микроба E. coli.

По сравнению с другими фагами фаг T4 – крупный (около 90 нанометров в ширину и 200 в длину) и выглядит как крохотный космический спускаемый аппарат, с «ножками», которые прикрепляются к специфическим рецепторам на поверхности клетки E. coli, и с пустотелым хвостом, который может впрыскивать свою программу в бактерию. (Только недавно было открыто, что T4 может пронзать клеточную мембрану шипом с железным наконечником{264}.) Хотя впрыснутая ДНК сильно отличается от хозяйской, ее текст написан на том же самом языке, так что бактерия-мишень выполняет инструкции по постройке фага, по ходу дела убивая себя. После изготовления сотни-полутора фагов бактерия взрывается, выпуская орду новеньких фагов в окружающую среду.

Как и в случае с антибиотиками, клетки могут мутировать и в результате выживать и приобретать резистентность к фагам{265}. Кроме того, человек быстро избавляется от фагов в кровяном русле. Но фаги в самом деле могут стать интересной альтернативой антибиотикам. Все те фаги, которые использовались в терапии до сего дня, были выделены из окружающей среды, в том числе из нечистот, и наука была ограничена спектром природных фагов. Однако с нашими новыми инструментами синтеза и сборки ДНК мы могли бы конструировать и синтезировать три сотни новых фагов в день или синтезировать более пяти тысяч новых вариаций на тему любой последовательности. Эти уникальные возможности позволяют нам проверить и реализовать мечту д’Эреля.

Эти технологии сделают возможным полный и быстрый цикл создания бактериофага: выделение, характеристику, перекомпоновку и эволюционную доводку. В перспективе это позволит собрать библиотеки оптимизированных терапевтических фагов для клинического использования в борьбе с супервозбудителями. Как мы показали на phi X 174, отбор на заразность – когда бактерия-мишень услужливо множит наиболее подходящих для ее заражения фагов – это очень мощный инструмент, который позволяет легко и с высокой пропускной способностью отбирать новосинтезированные фаги на желательные признаки широкого или сфокусированного спектра действия.

Возможно, в будущем мы сможем секвенировать инфекционный агент от каждого пациента, чтобы идентифицировать микроба-мишень и быстро разработать индивидуальную фаговую терапию. Новый фаг может быть тут же отправлен пациенту или в лечебное учреждение с помощью телепортационной технологии, которую я описывал. Синтетические фаги также могут быть устроены так, чтобы быть максимально эффективными. Например, они могут быть сконструированы так, чтобы поражать белки и генетические схемы супервозбудителей иным образом, нежели традиционные лекарства, и применяться как отдельно, так и в сочетании с антибиотиками. Мы уверены, что сможем сделать более мощные версии могучей антибактериальной машины убийства, называемой эндолизином[30], который помогает фагу вырываться из зараженной клетки. Один эндолизин, именуемый PlyC (стрептококковый C1 фаговый эндолизин) и убивающий бактерий быстрее, чем хлорка, состоит из девяти белковых частей, собранных в форму, похожую на летающую тарелку, которая сцепляется с оболочкой бактерии, используя восемь отдельных участков прикрепления, расположенных на одной стороне тарелки{266}. Две «боеголовки» PlyC прогрызают клеточную стенку, убивая бактерию и выпуская фага. Таким образом эндолизины управляются со многими грам-положительными патогенами, такими как S. aureus, S. pneumoniae, E. faecalis, E. faecium, B. anthracis и стрептококки группы B.

Кроме того, высочайшая специфичность фагов позволяет ожидать, что они будут безопасны. В августе 2006 года FDA одобрила опрыскивание мяса созданным компанией Intralytix препаратом фага, нацеленного на Listeria monocytogenes. В следующем году в Королевском национальном отоларингологическом госпитале в Лондоне были завершены предварительные клинические испытания лечения ушных инфекций (отитов), вызываемых Pseudomonas aeruginosa, и результаты были обнадеживающими{267}.

Благодаря ускоряющемуся развитию синтетической геномики и технологии по почти немедленной передаче генетической информации мы, вероятно, сможем реализовать потенциальную ценность новых синтетических фагов для лечения лекарственно-устойчивых инфекций. Но нам еще понадобится строгость современных методов, чтобы вытащить фаготерапию из ее псевдонаучного прошлого. Такие терапии могут быть спорными, поскольку в них применяется коктейль из вирусов, способных размножаться и эволюционировать. В конце концов, они могут содействовать болезням, вооружая бактерий новыми генами (вроде гена дифтерийного токсина), так что потребуется некоторая тщательная работа по проверке безопасности. Тем не менее я подозреваю, что эти сомнения будут быстро отброшены, когда этот подход начнет демонстрировать успехи, например, в ветеринарии или в лечении распространенных неприятностей – например, угрей (акне){268}.

Для помощи в обуздании инфекционных болезней моя команда уже тестирует методы передачи и получения программ ДНК. НАСА финансирует наши эксперименты на своем полигоне в пустыне Мохаве, простирающейся по Калифорнии, Неваде, Юте и Аризоне. Мы будем использовать нашу институтскую мобильную лабораторию, которая оснащена оборудованием для взятия образцов почвы, выделения ДНК и ее секвенирования, чтобы документировать и проверять все требуемые действия для автономного выделения микробов из почвы, секвенирования их ДНК и затем передачу информации в облако посредством того, что мы называем «передатчик оцифрованной жизни».

Я не сомневаюсь, что эта технология будет работать. В прошлом десятилетии мы уже применяли более примитивный вариант метода удаленного взятия образцов по всей планете – в основном в ходе экспедиции на Sorcerer II, яхте, которую я использовал для похода по мировым океанам. Мы прошли по морю более восьмидесяти тысяч миль, беря образцы каждые двести миль, и если бы у нас было что-то вроде технологии, описанной выше, то можно было бы секвенировать материал, пока мы плыли. Вместо этого из-за тогдашней хрупкости лабораторных секвенаторов нам приходилось полагаться на «ФедЭкспресс» и UPS для доставки образцов в наши лаборатории.

В дополнение к созданию передатчика оцифрованной жизни мы создаем приемный блок, где присланная ДНК может быть произведена заново. Это устройство сейчас носит несколько имен, в том числе «цифровой биологический конвертер», «биологический телепортер» и – как предпочитал это называть бывший главный редактор Wired Крис Андерсон – «репликатор жизни». Сотворение жизни со скоростью света – это часть новой индустриальной революции, которая увидит, как производство сдвигается от централизованных фабрик прошлого к распределенному, одомашненному производственному будущему, благодаря 3D-принтерам. Эта технология уже применялась для сборки эмбриональных стволовых клеток в ткани, ращения костей и строительства самолетов или даже целых зданий способом «бетонной печати». Зачем набивать склады запчастями, когда в виртуальных компьютерных запасниках теперь можно хранить целые конструкции, которые можно печатать на месте и по мере надобности? Мы можем однажды прийти к тому, что каждый сможет сам изготавливать всю продукцию, какую захочет, от дверных ручек до смартфонов, в том числе следующее поколение 3D-принтеров. Скоро вы сможете сделать фото сломавшейся части посудомоечной машины, телевизора или любого другого прибора вашим смартфоном, а затем заплатить за лицензию на допечатку замены у себя дома. В результате краеугольные камни культуры потребления – огромный гипермаркет и фабрика – постепенно станут ненужными.

Ключевыми экономическими факторами в этом сценарии станут сырье и цена интеллектуальной собственности. Что же до возможной пользы, я думаю, что самым революционным могло бы стать применение специальных принтеров для биологического производства. На данный момент мы ограничены изготовлением белковых молекул, вирусов, фагов и отдельных микробных клеток, но дело чрезвычайно быстро движется к более сложным живым системам. Уже есть домашние версии 3D-принтеров, и разные группы уже ищут, как использовать переделанные струйные принтеры для печати клеток и органов. Эта завораживающая технология работает, выкладывая слоями живые клетки на структурную матрицу в форме кровеносного сосуда или человеческого органа. Как бы мы ни назвали в итоге эти устройства, я уверен, что в грядущие годы мы сможем конвертировать цифровую информацию в живые клетки, которые станут сложными многоклеточными организмами, или их можно будет «напечатать», чтобы сформировать трехмерные функционирующие ткани. Возможность напечатать организм остается еще довольно отдаленной, но достаточно скоро станет доступной. Мы движемся к миру без границ, в котором электроны и электромагнитные волны понесут оцифованную информацию туда, сюда и повсюду. Рожденная этими волнами информации жизнь будет двигаться со скоростью света.

Глава 12. Жизнь на скорости света

Преобразование Тел в Свет и Света в Тела очень удобно для Путей Природы, которая как бы наслаждается Превращениями.

Сэр Исаак Ньютон. «Оптика» (1718){269}

Когда жизнь наконец обретет способность путешествовать со скоростью света, вселенная съежится, а наши возможности возрастут. Простые расчеты показывают, что при максимальном сближении Марса с Землей мы сможем отправить электромагнитную информацию о последовательности в цифро-биологический конвертер на Красной планете, чтобы обеспечить поселению колонистов вакцины, антибиотики или персонализированные лекарства, всего за 4,3 минуты. Так же точно, если бы марсоход НАСА «Кьюриосити» был оснащен устройством для секвенирования ДНК, он мог бы передать оцифровку генома марсианского микроба на Землю, где мы могли бы воссоздать этот организм в лаборатории.

Этот последний подход к поиску внеземной жизни основан на двух важных допущениях. Первое – что марсианская жизнь, как и земная, основана на ДНК. Я думаю, что это разумное предположение, потому что мы знаем, что жизнь существует на Земле уже почти четыре миллиарда лет и что Марс и Земля постоянно обменивались веществом. Планеты и их спутники во внутренней части Солнечной системы – включая Землю – миллиарды лет делились друг с другом веществом, когда камни и минералы при очередных столкновениях с астероидами и кометами выбрасывались в пространство{270}. Химический анализ подтверждает, что некоторые метеориты, найденные на Земле, должны были быть выбиты с поверхности Красной планеты ударом астероида. Компьютерные модели говорят, что лишь 4 % материи, выброшенной с Марса, достигает нашей планеты после путешествия, которое может занимать пятнадцать миллионов лет. Даже при этом Земля и Марс оценочно обмениваются примерно сотней килограммов вещества в год, так что каждый совок земной земли может содержать следы марсианской почвы. Следовательно, вполне может быть, что земные микробы путешествовали на Марс и населяли когда-то марсианские океаны и что марсианские микробы выжили и процветают на Земле.

Второе и более основательное – это мое допущение, что где-то еще во вселенной, и правда, существует жизнь. Многие люди (часто верующие) и поныне считают, что жизнь на Земле – это что-то особенное или уникальное и что мы одиноки в космосе. Я к ним не отношусь.

Ученые с большой долей уверенности надеются доказать, что на Марсе есть или была жизнь. Настолько, что они и СМИ, интерпретируя свидетельства с Красной планеты, впадают в некоторую безответственность. В третьей главе я припоминал тот фурор, что последовал за публикацией статьи 1996 года, в которой детально излагалось то, что убедило некоторых ученых из НАСА в существовании на Марсе микробной жизни. Предполагаемые следы жизни, обнаруженные при изучении метеорита, известного как ALH 84001{271}, были далеко не первыми сомнительными сигналами такого рода. В 1989 году команда под руководством Колина Пиллингера из Открытого университета, Милтон Кинз, Великобритания, нашла органическое вещество, типичное для того, что остается от живых существ, в другом марсианском метеорите, EETA 79001{272}, хотя они воздержались от заявлений, что нашли на Марсе жизнь. Другие различили смутные указания на жизнь после переоценки данных, собранных спускаемым аппаратом НАСА «Викинг», который, сев на Красную планету в 1976 году, провел первые измерения на месте, фокусируясь на обнаружении органических веществ{273}.

Много лихорадочных спекуляций было в конце 2012 года вокруг того, что обнаружил прибор SAM – анализатор марсианских проб, один из инструментов марсохода «Кьюриосити», – изучая почвенные гранулы из ветрового наноса, названного Rocknest («Каменное гнездо»). За несколько недель до этого один из ученых проекта нечаянно вызвал ожидания исторического открытия, когда сказал Национальному общественному радио, что данные, поступающие от марсохода, «из тех, что попадают в книги по истории».

Некоторое разочарование наступило в декабре того же года, когда на конференции Американского геофизического союза в Сан-Франциско ученые, работающие с этим инструментом, сказали, что действительно, есть свидетельства присутствия органики, но надо еще поработать, чтобы определить, марсианская ли собственно это органика{274}. Хотя эти данные действительно показывают возможные намеки на жизнь на Марсе, но чтобы делать чрезвычайные утверждения, нам нужны чрезвычайные доказательства. Я уверен, что на Марсе некогда процветала жизнь, которая вполне может существовать и теперь в подповерхностной среде. Убедительные данные наводят на мысль, что по поверхности планеты текла жидкая вода и, возможно, там даже были океаны{275}, а глины вокруг Холма Матиевича указывают, что вода там могла быть достаточно чистой для питья{276}. Сегодня, однако, она, видимо, существует в замерзшем состоянии, в том числе в полярных шапках и в виде вечной мерзлоты. В конце 2012 года «Кьюриосити» нашел признаки древнего русла, где когда-то быстро текла вода{277}. Набирается все больше свидетельств наличия значительных объемов замерзшей воды под поверхностью Марса, и, хотя и умозрительно, предполагается, что в глубинах планеты есть и жидкая вода{278}. Расчеты показывают, что пластовая вода может быть найдена на глубине четырех километров, а чистая жидкая вода – на глубине восьми километров{279}. Подповерхностный Марс также содержит достаточно метана{280}, который тоже может быть биологического происхождения, хотя мы не можем исключить, что его источник – геологический или смешанный.

Мне уже доводилось участвовать в предприятии по идентификации подземной жизни. Одна из наших команд в SGI в сотрудничестве с British Petroleum провела три года, изучая жизнь в метановых колодцах угольного пласта в Колорадо. Мы обнаружили примечательный факт: в образцах воды с глубины в 1,6 км та же плотность микробов, что мы находили в океанах (один миллион клеток на миллилитр). Однако подземные организмы были намного менее вариабельными в смысле видового разнообразия, скорее всего из-за отсутствия кислорода (все глубинные подземные клетки – анаэробы) и ультрафиолетового излучения – основных источников генетических мутаций. Одним из интересных последствий этих условий, включая низкую скорость эволюции, стал открытый нами факт: геномные последовательности одного из этих организмов близко соответствуют таковым у микроба, выделенного из итальянского вулкана. Разнообразие подземных видов довольно велико, но когда мы смотрим на любую отдельную группу организмов, то там лишь от 1 до 3 % изменчивости, в то время как в океанах мы видим изменчивость до 50 % – как, например, у SAR_11, самого обильного фотосинтезирующего микроба в океане.

То, что мы обнаружили в глубинах планеты, было множеством экстремофилов, которые способны использовать двуокись углерода и водород, присутствующие под землей, для производства метана способом, похожим на тот, каким пользуются клетки Methanococcus jannaschii, выделенные около «черного курильщика», гидротермального источника на глубине 2600 м в Тихом океане. Простые расчеты показывают, что под поверхностью нашей Земли столько же жизни и биомассы, сколько во всем видимом мире на поверхности планеты. Подземные виды, вероятно, процветали там миллиарды лет.

Если считать, что жидкая вода – это синоним жизни, то Марс должен быть населен похожими организмами. Все больше свидетельств того, что на Марсе были океаны – три миллиарда лет назад, а потом еще раз, около миллиарда лет назад, когда после удара метеорита растаяли полярные шапки. Данные от многих марсоходов и проб говорят, что когда-то на планете были пригодные для обитания места, вероятно, пересохшие несколько миллиардов лет назад.

Уровни радиации на Марсе намного выше, чем на Земле, потому что атмосфера там в сто раз тоньше, чем у нашей планеты, и у Марса нет планетарного магнитного поля. В результате поверхности планеты достигает гораздо больше быстрых заряженных частиц. Кажется неправдоподобным, чтобы жизнь могла вынести здешние уровни радиации, но это не невозможно: высокоустойчивые к радиации почвенные организмы существуют и на Земле, например Deinococcus radiodurans. Более вероятно, что жизнь нашла убежище под поверхностью, так что образцы надо бы собирать как минимум из-под метрового слоя почвы, где организмы были бы защищены.

По-другому надо вести поиски марсианской жизни, если будет доказано, что живых клеток нет ни прямо под поверхностью, ни глубже. (Жизнь могла бы процветать более глубоко под грунтом на Марсе, чем на Земле, из-за меньшего перепада температур и более холодной поверхности.) В этом случае следовало бы выяснить, не сохранилась ли ДНК во льду, хотя есть предел тому, как долго ДНК может оставаться интактной. Работа Мортена Эрика Аллентофта из Копенгагенского университета в Дании подсказывает, что у ДНК есть период полураспада примерно в половину тысячелетия (521 год), что означает, что примерно за пятьсот лет примерно половина связей между нуклеотидами в образце ДНК разрушится, а еще за пятьсот лет или около того порвется половина оставшихся связей и так далее. Последние данные указывают, что у ДНК есть максимальный срок жизни примерно в 1,5 миллиона лет даже при идеальных для сохранения температурах{281}, хотя возможно, что в сухих холодных условиях на Марсе она может продержаться дольше.

Но уже по тому, что ученые до сих пор спорят о значении данных, собранных «Викингом» в 1970-х, видно: в поисках жизни на Марсе мы больше всего надеемся найти прямое свидетельство ее наличия. «Аполлон-11», доставив на Землю первые внеземные образцы в виде 49 фунтов лунного скального грунта, дал начало пылким надеждам получить образцы почвы и с Марса для изучения на Земле. Основанием для нее служило то, что ученые на Земле могут сделать более тщательный и подробный анализ образцов, чем это возможно средствами робота на самой планете. Пока пилотируемая миссия на Марс остается далекой перспективой, мы можем использовать машины. Первым применять роботов, возвращающихся с образцами, стал СССР: в 1970 году аппарат «Луна-16» доставил 101 грамм вещества с Луны. В 1975 году Советы также планировали первый в мире проект марсианской миссии с возвращением образцов – двадцатитонный аппарат под названием «Марс-5НМ», – но этот проект был свернут.

С тех пор внеземное вещество доставляли на Землю американские аппараты Genesis (предназначенный для сбора образцов солнечного ветра, но разбившийся в пустыне Юты в 2004 году) и Stardust, добывший образцы с кометы Вильда 2 в 2006-м; а также японский зонд Hayabusa, который взял образцы с астероида Итокава после посадки на него. Однако такие миссии полны трудностей. Например, российская миссия «Фобос-грунт», которая должна была вернуться с образцами с Фобоса (спутника Марса), не смогла выйти с околоземной орбиты и потерпела крушение, упав в южной части Тихого океана. NASA давно планировала возвращаемую миссию на Марс, но пока что финансирование проекта не дает ему продвинуться намного дальше чертежной доски{282}.

Любая экспедиция на Марс сталкивается со сложнейшими техническими задачами. Просмотрите хронику исследования космоса, и вы обнаружите, что Красная планета – это Бермудский треугольник Солнечной системы. Она повидала множество проваленных миссий, от запущенных в 1960 году советских аппаратов серии М-60 (прозванных в западной прессе «Марсниками») до злосчастной британской «Бигль-2», которая пропала в 2003 году{283}, покинув корабль-матку для спуска на поверхность Марса. Успешное возвращение с образцами подразумевает, что корабль экспедиции должен успешно стартовать, мягко сесть, взять образцы из перспективного места, где когда-то присутствовала вода (а лучше – из нескольких мест), и затем вернуться с этими образцами на Землю. Одна такая миссия для сбора пятисотграммовых образцов из двух мест потребовала бы 15 разных космических и планетных аппаратов и двух ракет-носителей и при этом заняла бы около трех лет от старта до возвращения с драгоценным грузом на Землю{284}.

Вдобавок следует принять специальные меры, чтобы предотвратить загрязнение образцов земными организмами, хотя очень может быть, что мы уже заразили ими Марс – после стольких-то посадок на нем. Любые части возвращаемого космического аппарата, которые могут входить в контакт с марсианскими образцами, должны быть стерильными, чтобы не обесценить эксперименты по обнаружению жизни. Секвенирующие машины ныне настолько чувствительны, что, если в образце, привезенном с Марса, окажется единственный земной микроб, он вполне может погубить эксперимент. Загрязнение – проклятие множества исследований, будь то судебная экспертиза или попытки восстановить древнюю ДНК.

Опасность загрязнения – обоюдоострая. Следует принять меры и к тому, чтобы никакая марсианская жизненная форма не заразила Землю. (Как уже говорилось, с опасениями на сей счет мы, возможно, опоздали на миллиард лет, поскольку «марсиане», скорее всего, уже здесь.) Миссия на Марс за образцами должна подчиняться требованиям по защите планеты куда более строгим, чем для любой экспедиции, отбывающей за данными. «Договор о принципах деятельности государств по исследованию и использованию космического пространства, включая Луну и другие небесные тела» (или Договор о космосе) от 1967 года{285} устанавливает в статье IX, что «Государства – участники Договора осуществляют изучение и исследование космического пространства, включая Луну и другие небесные тела, таким образом, чтобы избегать их вредного загрязнения, а также неблагоприятных изменений земной среды вследствие доставки внеземного вещества, и с этой целью, в случае необходимости, принимают соответствующие меры».

Хотя научных данных, подтверждающих эти опасения, нет, некоторые считают, что есть веские основания для осторожности – основываясь отчасти, как я думаю, на страхе неведомого, лучше всего воплощенном современной Мэри Шелли – покойным Майклом Крайтоном. Доктор медицины, ставший научным фантастом, был великим рассказчиком, чьи книги доставляют удовольствие, но в то же время, подобно «Франкенштейну», содержат солидный заряд враждебности к науке (в смеси из фантазий и мотивов насилия и воздаяния, как в назидательных сказках братьев Гримм – «Золушка», «Красная Шапочка», «Рапунцель» и других, которые будят самые глубинные страхи публики). В классическом научно-фантастическом фильме 1971 года «Штамм “Андромеда”» военный спутник разбился в пустыне, и прежде чем его убрали, обитателей соседнего городка скосило моровым поветрием, которое вызвал этот самый штамм, оказавшийся совершенно непохожим на любую земную жизнь. Современная наука может обойти большинство возможных проблем, связанных с привозом образцов с дальних небесных тел.

Последний отправленный на Марс аппарат – марсоход «Кьюриосити», совершивший посадку в кратере Гейла 6 августа 2012 года, – несет набор сложных инструментов, в том числе рентгеновский спектрометр для альфа-частиц; рентгеновские дифракционный и флюоресцентный анализаторы; импульсный источник нейтронов и детектор для обнаружения водорода или льда и воды; станция мониторинга окружающей среды; и комплект инструментов, которые могут различать вещества геохимического и биологического происхождения и анализировать органику и газы, в том числе соотношение изотопов кислорода и углерода в углекислоте и метане из атмосферных и твердых образцов.

Большинство этих инструментов намного сложнее некоторых современных секвенаторов ДНК, например, таких, как делает компания Life Technologies, которые могут уместиться на рабочем столе. Этот «ионно-поточный» секвенатор использует комплементарную металло-окисную полупроводниковую технологию, похожую на ту, что применяется в цифровых камерах, чтобы создать самый маленький в мире полупроводниковый pH-метр для перевода химической информации в цифровую. В нем работают полупроводниковые чипы, не крупнее большого пальца, в которых от 165 до 660 миллионов лунок, что позволяет вести параллельное секвенирование. Одноцепочечная ДНК привязывается за один конец к маленьким гранулам, которые распределены по микролункам. Лунки последовательно заполняются растворами, каждый из которых содержит один из четырех нуклеотидов и ДНК-полимеразу. Если нуклеотид – например, А, – добавленный к матрице ДНК, включается в синтезируемую цепочку ДНК, то высвобождается один протон (ион водорода), вызывая изменение pH в лунке, что обнаруживается чипом. Компьютер регистрирует, в каких лунках изменился pH, и записывает букву А. Этот процесс может повторяться снова и снова, чтобы прочесть несколько сотен букв текста ДНК в каждой из сотен миллионов лунок. В отличие от большинства технологий секвенирования ДНК, в этой для чтения сигнала не требуется никакая оптика, поэтому технология надежна и на нее не влияет движение. Ее можно сделать еще более компактной, что удобно для космических перелетов, где критичны вес и размер полезного груза. Остаются некоторые проблемы с отбором образцов, выделением ДНК и подготовкой ее к секвенированию, но ничто из этого не представляет непреодолимых препятствий.

Недалек тот день, когда мы сможем послать на взятие проб с других планет робот-секвенатор, чтобы он прочитал последовательность ДНК любой внеземной микробной жизни, которая там найдется в живом виде или в виде «законсервированных» останков. Я считаю, что для НАСА или частных групп было бы гораздо важнее обзавестись подходящей буровой установкой, способной дотянуться достаточно глубоко – до горизонта с жидкой водой. Пока приходится утешаться тем, что ближайшая миссия сможет пробуриться на несколько метров, что может оказаться достаточным для обнаружения возможных признаков замороженной жизни.

Не требуется великого полета мысли, чтобы сообразить: если марсианские микробы основаны на ДНК и если мы сможем прочитать их геномную последовательность и передать ее на Землю, то мы сможем и реконструировать их геном. Синтетическая версия марсианского генома может быть затем использована для воссоздания марсианской жизни для подробного изучения – без возни с невероятно сложной логистикой доставки подлинного образца интактным. Мы можем воссоздать марсиан в лаборатории наивысшего уровня защиты – то есть в самой герметичной лаборатории – вместо того, чтобы рисковать, что они упадут в океан или разобьются в Амазонии. Если этот процесс сработает на Марсе, у нас будут новые средства изучения вселенной и сотен тысяч Земель и Сверхземель, которые открывает космический телескоп «Кеплер». Быстрая доставка на них секвенатора, конечно, лежит далеко за пределами современных ракетных технологий – планеты, обращающиеся вокруг красного карлика Глизе 581, находятся «всего лишь» в 22 световых годах от нас, примерно в 1,3×10^14 милях, – но получить оттуда данные по радио можно будет всего за 22 года, и если в этой системе действительно есть развитая жизнь, возможно, она уже широко передает в эфир информацию о последовательностях, как это делали мы в последние десятилетия.

Способность пересылать программы ДНК в виде излучения будет иметь кое-какие интересные последствия. В последнее десятилетие, после того как был секвенирован мой собственный геном, моя программа была распространена в виде электромагнитных волн, разнося мою генетическую информацию далеко за пределы Земли, поскольку эти волны ушли в космос. Теперь моя жизнь несется на них со скоростью света. Есть ли где-то там форма жизни, способная понять инструкции в моем геноме, – это сама по себе неожиданная мысль, которая следует из того вопросика, поставленного Шрёдингером полвека или больше назад.

Тем теплым дублинским вечером, завершая свою Шрёдингеровскую лекцию, я напомнил аудитории о невероятном пути, проделанном наукой с тех пор, как сам Шрёдингер размышлял о природе жизни в своих судьбоносных лекциях. Примерно за семьдесят лет мы продвинулись от незнания природы нашего генетического материала к знанию того, что носитель этой информации – ДНК, раскрыли генетический код, перешли к секвенированию геномов, а теперь уже и к написанию геномов для создания новой жизни. Я едва коснулся заманчивых возможностей, созданных новым знанием и новыми умениями, которые породило доказательство синтезом того, что ДНК – это программа жизни. Мы все еще несемся на могучих волнах, поднятых лекцией Шрёдингера. Трудно представить, куда они вынесут нас в следующие семьдесят лет, но куда бы ни устремилась эта новая эра биологии, я знаю, что путешествие это будет столь же вдохновляющим, сколь и необычайным.

Благодарности

Великий французский физиолог Клод Бернар (1813–1878) отлично написал, что «Искусство – это Я; наука – это Мы». Сегодня это ближе к истине, чем когда-либо раньше. За последние десятилетия у меня было много дерзких научных предприятий, и все они опирались на усилия многих талантливых людей. Изучая белки, а потом читая, переводя и переписывая основную программу жизни, я мог прямо использовать их мудрость, изобретательность и творческую мысль, а косвенно – то, что сделали поколения великих ученых, работавшие до них.

При всем желании я, будучи ограничен объемом, памятью и временем, не смог бы даже перечислить всех, кто прямо или косвенно внес свой вклад в мои исследования, не говоря уж о том, чтобы полностью объяснить, в чем их вклад состоял. Тем не менее я надеюсь, что эта книга даст хоть какое-то представление о том великом, ведущем к прозрениям общем деле, которое мы называем наукой, – в той его части, что посвящена пониманию самых фундаментальных механизмов жизни как таковой.

Точно так же и сама эта книга была бы невозможна без помощи многих людей. И я надеюсь, вы простите меня, если я назову лишь нескольких. Прежде всего это моя жена и мой постоянный товарищ и пиар-агент Хизер Ковальски, которая прошла со мной сквозь многие бурные годы, через необычайные взлеты и болезненные падения. Я сердечно благодарю ее за невероятную поддержку и ободрение. Особо следует упомянуть моих великолепных научных сотрудников, Хэма Смита, Клайда Хатчинсона и Дэна Гибсона. Я всегда мог быть уверен, что в работе они будут усердны, креативны и изобретательны. Также особых благодарностей заслуживает Эрлинг Норрби за его дружбу и долгие разговоры на море о природе жизни. Все они не жалели времени и добрых советов при чтении черновиков этой рукописи. Я также хочу выделить Лизу Бернинг и Мишель Тулл за их неустанные усилия по организации каждого моего дня.

Я хотел бы поблагодарить своего агента Джона Брокмана за его советы и дружбу, а также редактора Рика Кота и его талантливых коллег по издательству Viking: мы все вместе работали над моей биографией «Расшифрованная жизнь», и повторить этот опыт было сплошным удовольствием.

Подобным же образом мне снова помогал и поддерживал меня мой внешний редактор Роджер Хайфилд, который, помимо полезной редактуры, провел некоторые ценные исследования. В свою очередь, Роджер пользовался советами своих коллег из лондонского Science Museum (а именно Роберта Бада, Питера Морриса и Эндрю Нахума) и проверял детали с Питером Ковни, Масару Томита и Маркусом Кавертом.

Хотя я работал над этим проектом довольно долго, искру вдохновения, которая помогла мне организовать мысли и черновики в книгу, мне дали чтения «Что такое жизнь?», проходившие в 2012 году в Дублине как часть «Открытого форума Евронауки». Я бы хотел поблагодарить Патрика Каннингэма, Имонна (Эймонна) Кэхилла, Люка Друри, Дэвида Макконнелла, Брендана Лофтаса, Поурика Дэмпси и Королевскую ирландскую академию за предоставленную мне возможность пройти по глубоким следам Шрёдингера, что оказалось честью и удовольствием. Я не забуду, как вскоре после моей лекции Люк О’Нил отвел меня, Хетер, Эрлинга и Роджера на импровизированный фортепианный концерт в Clarence Hotel.

Сноски

1

Спасибо Патрику Каннингему, главному научному консультанту правительства Ирландии, за то, что указал на это. – В дальнейшем примечания автора обозначаются в тексте цифрами и приводятся в конце книги. Примечания переводчика обозначены астериском (*) и даны внизу соответствующих страниц.

2

Эукариоты – организмы, в клетке которых есть ядро и внутренние мембранные структуры. К эукариотам относятся все многоклеточные (животные, растения и грибы), а также протисты: амебы, инфузории, жгутиковые и др.

3

Эмпиризм – одно из важнейших направлений в философии Нового времени, утверждающее, что источником достоверного знания является один только чувственный опыт. В XVII веке эмпиризм стал идеологией нарождающегося естествознания.

4

Циановая (цианатная) кислота НОСN (не путать с синильной кислотой НСN) при соединении с аммиаком дает цианат аммония NН_4СN, который при нагревании превращается в мочевину (NН_2)2СО.

5

В русском переводе А. А. Малиновского, откуда взята основная цитата, значится «шифровальный код».

6

Один ангстрем – это примерно размер одного атома, одна десятимиллиардная метра.

7

В опытах Сэнгера синтез ДНК с одинаковых матриц шел параллельно в четырех пробирках, в каждой из которых часть нуклеотидов одного из типов (А, Т, Ц или Г) была представлена дидезоксинуклеотидами, меченными радиоактивным фосфором. Присоединение такого нуклеотида обрывало дальнейший синтез. В результате в каждой пробирке получался набор фрагментов ДНК, оборванных в случайном месте (но всегда – по одному и тому же нуклеотиду). Затем все четыре набора подвергались электрофорезу в акриламидном геле, в ходе которого фрагменты распределялись в соответствии со своей длиной: чем короче фрагмент, тем дальше он успевал продвинуться в геле под действием электрического поля. Наконец, все четыре полоски геля выкладывались рядком на рентгеновскую пленку, и по картине распределения меток восстанавливалась последовательность нуклеотидов во всей цепочке. Скажем, самая дальняя метка на пленке оставлена полоской с меченым А – значит, первый нуклеотид в последовательности – А. Следующая по дальности метка оставлена полоской с меченым Ц – значит, второй нуклеотид – Ц. И так до полной расшифровки последовательности.

8

Буран-77 – катастрофическая снежная буря на северо-западе штата Нью-Йорк (где расположен город Баффало) 28 января – 1 февраля 1977 года. Скорость ветра достигала 111 км/час, температура опускалась до –57 °C, толщина снежного покрова местами превышала 2,5 м. Буран парализовал транспортное сообщение и работу электросетей.

9

Экспрессией гена в молекулярной биологии называется реализация закодированной в нем информации; первый этап экспрессии гена – считывание с него матричной РНК.

10

Библиотека генов, клонотека – коллекция клонов, представляющих генетический материал данного организма.

11

В русской литературе этод метод называют также «методом дробовика».

12

Смысловой называется та из двух цепочек в молекуле ДНК, с которой считывается РНК. Вторая (антисмысловая) цепочка комплементарна смысловой и служит матрицей для синтеза смысловой цепочки при удвоении ДНК.

13

Автор не вполне точен. Российская часть остаточных запасов вируса оспы хранится не в Москве, а в Государственном научном центре вирусологии и биотехнологии «Вектор» в г. Кольцово близ Новосибирска.

14

Малая оспа (белая оспа, аластрим) – заболевание, вызываемое южноамериканской разновидностью вируса оспы. По клиническим и эпидемиологическим показателям очень сходно с обычной оспой, но в большинстве случаев протекает легче и не оставляет рубцов на коже.

15

Цитата из Фрэнсиса Бэкона, писавшего, что цель науки – расширение власти человека над природой, «покуда все не станет для него возможным».

16

«Мусор на входе – мусор на выходе» (Garbage In, Garbage Out, GIGO) – принцип информатики, означающий, что результат обработки неточных или неверных исходных данных неизбежно также будет неточным или неверным, как бы совершенна ни была процедура обработки.

17

Каждые три нуклеотида в этой записи соответствуют определенной аминокислоте, входящей в состав природных белков. Таких аминокислот всего 20, каждая из них, помимо традиционного химического названия (глицин, аланин и т. д.), обозначается одной из букв латинского алфавита (см. приложение). Этим и воспользовалась группа Вентера, кодируя свои подписи. Если заменить тройки нуклеотидов (кодоны) буквенными обозначениями соответствующих аминокислот, получится надпись LTSNCRAIGVENTERLTSstop. В ее середине (символы 5–15) можно прочесть имя автора – Craig Venter. Символы 1–4 и 16–18 – «тэги», обозначающие начало и конец «водяного знака». Последнему кодону TAA не соответствует никакая аминокислота – это стоп-кодон, знак окончания считывания.

18

Кб – «килобаза», т. е. тысяча оснований.

19

Описываемый эксперимент был проведен Шпеманом в 1901 году.

20

Риккетсии – обширная группа мелких альфа-протеобактерий, значительную часть которой составляют внутриклеточные паразиты. К риккетсиям относятся, в частности, возбудители сыпного тифа и пятнистой лихорадки Скалистых гор.

21

В данном случае речь идет о кодоне в матричной РНК, с которой непосредственно считывается белок. В смысловой цепочке ДНК этому кодону соответствует кодон АЦТ.

22

FIGE – гель-электрофорез в инвертируемом поле.

23

То есть геномы из 10 искусственных и одного природного фрагмента.

24

Здесь: совершенства (фр.).

25

Это не совсем верно. Представление о том, что живые организмы не только содержат клетки, но и целиком состоят из них, утвердилось только в XIX веке.

26

Рибонуклеаза P – комплексный фермент, состоящий из соединенных вместе молекул РНК и белка. Сидней Альтман показал, что РНК-компонент рибонуклеазы P способен выполнять функции фермента (разрезать другие молекулы РНК) и в отсутствие белка.

27

Транскриптом – совокупность всех молекул РНК данной клетки или организма; протеом – совокупность всех белковых молекул, метаболом – совокупность всех низкомолекулярных соединений, являющихся конечными продуктами обмена веществ (метаболизма).

28

Домен – крупный участок белковой молекулы, складывание которого во вторичную структуру происходит независимо от других участков. Как правило, домен обладает собственной функцией.

29

Имеются в виду гены, обеспечивающие апоптоз – запрограммированное самоуничтожение клеток с сильно уклоняющимися свойствами (например, вступивших в процесс злокачественного перерождения).

30

Этот белковый комплекс часто называют просто «лизин» (lysin), но в русском переводе такое название создало бы путаницу, поскольку точно так же называется одна из штатных аминокислот (lysine).

Комментарии

1

Спасибо Патрику Каннингему, главному научному консультанту правительства Ирландии, за то, что указал на это. – В дальнейшем примечания автора обозначаются в тексте цифрами и приводятся в конце книги. Примечания переводчика обозначены астериском (*) и даны внизу соответствующих страниц.

2

Walter J. Moore. Schrödinger: Life and Thought (Cambridge University Press, 1989), стр. 66.

3

Timofeeff-Ressovsky, Nikolai V., Karl G. Zimmer, Max Delbruck (1935). “Uber die Natur der Genmutation und der Genstruktur” [“On the Nature of Gene Mutation and Gene Structure”]. Nachrichten von der Gesellschaft der Wissenschaften zu Gottingen, Mathematisch-physikalische Klasse, Fachgruppe VI, Biologie, Neue Folge, 1, 13, стр. 189–245.

4

Dawkins, Richard (1995). River Out of Eden. New York: Basic Books. ISBN0–465–06990–8.

5

Kimura, Motoo (1961). “Natural selection as the process of accumulating genetic information in adaptive evolution.” Genetical Research, 2, стр. 127–140.

6

Brenner, Sydney. “Life’s Code Script.” Nature 482, стр. 461, 23 февраля 2012.

7

Kress, W. J., and D. L. Erickson (2008). “DNA barcodes: Genes, genomics, and bioinformatics.” PNAS105 (8), стр. 2761–2762.

8

Qian, Lulu, and Erik Winfree. “Scaling Up Digital Circuit Computation with DNA Strand Displacement Cascades.” Science, 3 июня 2011, 332 (6034), стр. 1196–1201.

9

Church, George M., Yuan Gao, and Sriram Kosuri. “Next-Generation Digital Information Storage in DNA.” Science 28, сентябрь 2012, 337 (6102), стр. 1628. Опубликовано онлайн 16 августа 2012.

10

http://edge.org/conversation/what-is-life

11

Benner, Steven. Life, the Universe… and the Scientific Method (2009), стр. 45.

12

http://archive.org/stream/dynamicslivingm00loebgoog#page/n6/mode/2up

13

Lemov, Rebecca. World as Laboratory (2005). Hill and Wang.

14

Книга была опубликована в 1627 году, через год после смерти Бэкона.

15

http://oregonstate.edu/instruct/phl302/texts/bacon/atlantis.html

16

With the new knowledge acquired by science, the enlightened mind no longer needs to see the fabrication of protoplasm in order to be convinced of the absence of all essential difference and all absolute discontinuity between living and not-living matter.

17

Некоторые описывают Берцелиуса как виталиста, но, как указывает Джон Брук, с этим утверждением надо быть поосторожнее. John H. Brooke: “Wöhler’s Urea and its Vital Force – a verdict from the Chemists.” Ambix 15 (1968), 84.114.

18

Цитата из The Life and Work of Friedrich Wöhler (1800–1882). Edited by Johannes Buttner. Edition Lewicki-Buttner, vol. 2. Verlag T. Bautz GmbH. E-book.

19

“…denn ich kann, so zu sagen, mein chemisches Wasser nicht halten und mus Ihnen sagen, das ich Harnstoff machen kann, ohne dazu Nieren oder uberhaupt ein Thier, sey es Mensch oder Hund, nothig zu haben.” Otto Wallach, editor, Briefwechsel zwischen J. Berzelius und F. Wöhler (Leipzig: Engelmann, 1901), vol. 1, стр. 206.

20

The Life and Work of Friedrich Wöhler (1800–1882). Edited by Johannes Buttner. Edition Lewicki-Buttner, vol. 2. (Kindle Locations 1927–1933.) Verlag T. Bautz GmbH. Kindle Edition.

21

http://www.biodiversitylibrary.org/item/46624#page/20/mode/1up

22

Ramberg, Peter J. “The Death of Vitalism and the Birth of Organic Chemistry: Wöhler’s Urea Synthesis and the Disciplinary Identity of Organic Chemistry.” Ambix, Vol. 47, Part 3, ноябрь 2000, стр. 174.

23

Lehrbuch der organischen Chemie (Учебник по органической химии).

24

http://www.fullbooks.com/Scientific-American-Sup-plement-No-3621.html

25

Brooke, John H. “Wohler’s Urea and its Vital Force – a verdict from the Chemists.” Ambix 15 (1968) 84.114.

26

Brooke, John H. “Wohler’s Urea and its Vital Force – a verdict from the Chemists.” Ambix 15 (1968) 84.114.

27

Waller, John. Fabulous Science: Fact and Fiction in the History of Scientific Discovery (Oxford University Press, 2010), стр. 18.

28

Le Dantec, Felix Alexandre. The Nature and Origin of Life. Trans. Stoddard Dewey. New York: A. S. Barnes, 1906.

29

Turing, A. M. Phil., Trans. R. Soc. Lond., B237, стр. 37–72 (1952).

30

Moreno, Jonathan D., Editor-in-Chief of Science Progress: http://scienceprogress.org/2010/05/synbio-ethics/.

31

Dyson, George. Turing’s Cathedral: The Origins of the Digital Universe (Allen Lane, London, 2012), стр. 284.

32

Schrodinger, Erwin. What is Life? (1944), стр. 20–21.

33

Brenner, Sydney, Nature, 482, 461 (2012).

34

Watson, J. D., and F. H. Crick (April 1953). “Molecular structure of nucleic acids; a structure for deoxyribose nucleic acid.” Nature, 171 (4356), стр. 737–738.

35

Turing, A. M. “Computing Machinery and Intelligence.” Mind, New Series, Vol. 59, № 236, октябрь 1950, стр. 433–460.

36

http://www.loebner.net/Prizef/TuringArticle.html

37

Bedau, Mark A. “Artificial life: organization, adaptation and complexity from the bottom uстр.” Trends in Cognitive Sciences (November 2003). http://people.reed.edu/~mab/publications/papers/BedauTICS03.pdf

38

Dyson, George. Turing’s Cathedral: The Origins of the Digital Universe (Allen Lane, London, 2012), стр. 3.

39

http://www.edge.org/3rd_culture/dyson/dyson_p2.html

40

http://www.mitpressjournals.org/doi/abs/10.1162/106454604773563612

41

Dyson, George. Turing’s Cathedral: The Origins of the Digital Universe (Allen Lane, London, 2012), стр. 336.

42

http://edge.org/conversation/a-universe-of-self-replicating-code/

43

Dyson, George. Turing’s Cathedral: The Origins of the Digital Universe (Allen Lane, London, 2012), стр. 233.

44

Avery, O. T. Letter quoted by R. D. Hotchkiss. “Gene, transforming principle, and DNA.” In Phage and the Origins of Molecular Biology, edited by J. Cairns, G. S. Stent, and J. D. Watson. Cold Spring Harbor, N. Y.: Cold Spring Harbor Laboratory of Quantitative Biology, 1966.

45

Darwin, Erasmus. Zoonomia; or the Laws of Organic Life (1794). http://books.google.co.uk/books?id=A0gSAAAAYAAJ

46

Avery, O. T., Colin M. MacLeod, and Maclyn McCarty. “Studies on the Chemical Nature of the Substance Inducing Transformation of Pneumococcal Types: Induction of Transformation by a Desoxyribonucleic Acid Fraction Isolated from Pneumococcus Type III.” Январь 1944. Exстр. Med., 79, стр. 137–158.

47

Stegenga, Jacob. “The Chemical Characterization of the Gene: Vicissitudes of Evidential Assessment Hist.” Phil. Life Sci., 33 (2011), стр. 105–127.

48

Sanger, F., 1952. “The arrangement of amino acids in proteins.” Adv. Protein Chem. 7, стр. 1–66.

49

Stretton, Antony O. W. “The First Sequence: Fred Sanger and Insulin.” Genetics, October 1, 2002, Vol. 162, № 2, стр. 527–532.

50

Sanger, F., 1988. “Sequences, sequences, and sequences.” Annu. Rev. Biochem. 57, стр. 1–28.

51

Hershey, A. D., and M. Chase (1952). “Independent functions of viral protein and nucleic acid in growth of bacteriophage.” J. Gen. Physiol. 36, стр. 39–56.

52

Фото 51, сделанное Франклином, теперь стало экспонатом в музее истории науки в Институте Крейга Вентера.

53

Watson, J. D., and F. H. Crick (апрель 1953). “Molecular structure of nucleic acids; a structure for deoxyribose nucleic acid.” Nature 171 (4356), стр. 737–738.

54

http://oralhistories.library.caltech.edu/33/0/OH_Sinsheimer.pdf

55

Erling Norrby. Nobel Prizes and Life Sciences. World Scientific Publishing Company; 24 сентября 2010.

56

Jackson, D. A., R. H. Symons, and P. Berg (1972). “Biochemical method for inserting new genetic information into DNA of simian virus 40: Circular SV40 DNA molecules containing lambda phage genes and the galactose operon of Escherichia coli.” Proceedings of the National Academy of Sciences 69 (10), стр. 2904–2909.

57

Jaenisch, R., and B. Mintz (1974). “Simian Virus 40 DNA sequences in DNA of helath adult mice derived from preimplantation blastocysts injected with viral DNA.” Proceedings of the National Academy of Sciences 71 (4), стр. 1250–1254.

58

Lederberg, Joshua. “DNA Splicing: Will Fear Rob Us of Its Benefits?” Prism 3 (ноябрь 1975), стр. 33–37.

59

https://pictures.royalsociety.org/image-rs-6108

60

Diechmann, Ute. “ ‘Molecular’ versus ‘Colloidal’: Controversies in Biology and Biochemistry, 1900–1940. ”Bll. Hist. Chem. Vol. 32, № 2 (2007). http://www.scs.illinois.edu/~mainzv/HIST/awards/OPA%20Papers/2009-Deichmann.pdf

61

Alberts, Bruce. “The Cell as a Collection of Protein Machines: Preparing the Next Generation of Molecular Biologists.” Cell, Vol. 92, стр. 291 (6 февраля 1998).

62

Piccolino, Marco. “Biological machines: from mills to molecules.” Nature Reviews Molecular Cell Biology 1, стр. 149–152 (ноябрь 2000).

63

Engel, Gregory S., Tessa R. Calhoun, Elizabeth L. Read, Tae-Kyu Ahn, Tomaš Mancal, Yuan-Chung Cheng, Robert E. Blankenship & Graham R. Fleming. “Evidence for wavelike energy transfer through quantum coherence in photosynthetic systems.” Nature 446, стр. 782–786 (12 апреля 2007).

64

Fleming, Graham R., Gregory D. Scholes, Yuan-Chung Cheng. “Quantum effects in biology.” Procedia Chemistry, Vol. 3, Issue 1, 2011, стр. 38–57, ISSN1876–6196, 10.1016/j.proche.2011.08.011. http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1876619611000507

65

Martin-Delgado, M. A. “On Quantum Effects in a Theory of Biological Evolution.” Scientific Reports 2, Article number: 302, 12 марта 2012.

66

Frank, Joachim, and Rajendra Kumar Agrawal. “A ratchet-like inter-subunit reorganization of the ribosome during translocation.” Nature 406, стр. 318–322 (20 июля 2000).

67

http://library.cshl.edu/oralhistory/interview/cshl/memories/harry-noller-and-ribosome/

68

Napoli, C., Lemieux, C., Jorgensen, R. (1990). “Introduction of a Chimeric Chalcone Synthase Gene into Petunia Results in Reversible Co-Suppression of Homologous Genes in trans.” Plant Cell 2 (4), стр. 279–289.

69

Eden, E., N. Geva-Zatorsky, I. Issaeva, A. Cohen, E. Dekel, T. Danon, L. Cohen, A. Mayo, U. Alon. “Proteome half-life dynamics in living human cells.” Science, 11 февраля 2011, 331 (6018), стр. 764–768. Опубликовано онлайн 13 января 2011.

70

Видео про складывание белка можно посмотреть на http://www.youtube.com/watch?v =sD6vyfTtE4U&feature=youtu.be. См. также http://www.ks.uiuc.edu/Research/folding/

71

Sun, Fei, Zhibao Mi, Steven B. Condliffe, Carol A. Bertrand, Xiaoyan Gong, Xiaoli Lu, Ruilin Zhang, Joseph D. Latoche, Joseph M. Pilewski, Paul D. Robbins, and Raymond A. Frizzell. “Chaperone displacement from mutant cystic fibrosis transmembrane conductance regulator restores its function in human airway epithelia.” The FASEB Journal, Vol. 22, № 9, стр. 3255–3263. 2 сентября 2008.

72

Varshavsky, Alexander (1997). “The N-end rule pathway of protein degradation.” Genes to Cells 2 (1), стр. 13–28.

73

Oster, George, and Hongyun Wang. “How Protein Motors Convert Chemical Energy into Mechanical Work” (2003). In Molecular Motors, edited by M. Schliwa (Wiley-VCH). http://users.soe.ucsc.edu/~hongwang/publications/Schliwa_08.pdf

74

Oster, George, and Hongyun Wang. “How Protein Motors Convert Chemical Energy into Mechanical Work” (2003). In Molecular Motors, edited by M. Schliwa (Wiley-VCH). http://users.soe.ucsc.edu/~hongwang/publications/Schliwa_08.pdf

75

Brenner, Sydney. “Biochemistry Strikes Back.” In The Inside Story, edited by Jan Witkowski, 2005, стр. 367.

76

Gilbert, Walter, and Allan Maxam. “The Nucleotide Sequence of the lac Operator.” Proc. Nat. Acad. Sci. USA, Vol. 70, № 12, Part I, стр. 3581–3584, 1973.

77

Holley, R. W., G. A. Everett, J. T. Madison, A. Zamir (май 1965). “Nucleotide Sequences In The Yeast Alanine Transfer Ribonucleic Acid.” J. Biol. Chem. 240 (5), стр. 2122–2128. PMID14299636.

78

Brownlee, G. G.; F. Sanger, B. G. Barrell (1967). “Nucleotide sequence of 5S-ribosomal RNA from Escherichia coli.” Nature 215 (5102), стр. 735–736.

79

Sanger, F., G. M. Air, B. G. Barrell, N. L. Brown, A. R. Coulson, C. A. Fiddes, C. A. Hutchinson, P. M. Slocombe, et al. (1977). “Nucleotide sequence of bacteriophage φX174 DNA.” Nature 265 (5596), стр. 687–695.

80

http://oralhistories.library.caltech.edu/33/0/OH_Sinsheimer.pdf

81

Venter, J. Craig (18.10.2007). A Life Decoded: My Genome: My Life. Penguin. E-book.

82

Sanger, Frederick, Nobel lecture, 8 декабря 1980.

83

Chung, F. Z., K. U. Lentes, J. Gocayne, M. Fitzgerald, D. Robinson, A. R. Kerlavage, C. M. Fraser, J. C. Venter. “Cloning and sequence analysis of the human brain beta-adrenergic receptor. Evolutionary relationship to rodent and avian beta-receptors and porcine muscarinic receptors.” FEBS Lett, 26 января 1987; 211(2), стр. 200–206.

84

Smith, Lloyd M., Jane Z. Sanders, Robert J. Kaiser, Peter Hughes, Chris Dodd, Charles R. Connell, Cheryl Heiner, Stephen B. H. Kent & Leroy E. Hood. “Fluorescence detection in automated DNA sequence analysis.” Nature 321, стр. 674–679 (12 июня 1986).

85

Adams, M. D., J. M. Kelley, J. D. Gocayne, M. Dubnick, M. H. Polymeropoulos, H. Xiao, C. R. Merril, A. Wu, B. Olde, R. F. Moreno, et al. “Complementary DNA sequencing: Expressed sequence tags and human genome project.” Science 252, стр. 1651–1656 (1991).

86

Venter, J. Craig (18.10.2007). A Life Decoded: My Genome: My Life. Penguin. E-book.

87

Venter, J. Craig (18.10.2007). A Life Decoded: My Genome: My Life. Penguin. E-book.

88

Venter, J. Craig (18.10.2007). A Life Decoded: My Genome: My Life. Penguin. E-book.

89

Fraser, C. M., J. D. Gocayne, O. White, M. D. Adams, R. A. Clayton, R. Fleischmann, C. J. Bult, A. R. Kerlavage, G. Sutton, J. M. Kelley, J. L. Fritchman, J. F. Weidman, K. V. Small, M. Sandusky, J. Fuhrmann, D. Nguyen, T. R. Utterback, D. M. Saudek, C. A. Phillips, J. M. Merrick, J. Tomb, B. A. Dougherty, K. F. Bott, P. Hu, T. S. Lucier, S. N. Peterson, H. O. Smith, C. A. Hutchison, J. C. Venter. “The Minimal Gene Complement of Mycoplasma genitalium.” Science 270, стр. 397–403 (1995).

90

Lee, M. G., and P. Nurse. “Complementation used to clone a human homologue of the fission yeast cell cycle control gene cdc2.” Nature 327, стр. 31–35 (1987).

91

Koonin, Eugene V., Arcady R. Mushegian, and Kenneth E. Rudd. “Sequencing and analysis of bacterial genomes.” Current Biology 1996, Vol. 6, № 4, стр. 404–416.

92

Woese, Carl R.; George E. Fox (1977). “Phylogenetic structure of the prokaryotic domain: the primary kingdoms.” Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 74 (11), стр. 5088–5090.

93

Bult, C. J., White, O., Olsen, G. J., Zhou, L., Fleischmann, R. D., Sutton, G. G., Blake, J. A., FitzGerald, L. M., Clayton, R. A., Gocayne, J. D., Kerlavage, A. R., Dougherty, B. A., Tomb, J. F., Adams, M. D., Reich, C. I., Overbeek, R., Kirkness, E. F., Weinstock, K. G., Merrick, J. M., Glodek, A., Scott, J. L., Geoghagen, S. M., Weidman, J. F., Fuhrmann, J. L., Nguyen, D., Utterback, T. R., Kelley, J. M., Peterson, J. D., Sadow, P. W., Hanna, M. C., Cotton, M. D., Roberts, K. M. Hurst, M. A., Kaine, B. P., Borodovsky, M., Klenk, H. P., Fraser, C. M., Smith, H. O., Woese, C. R and Venter, J. C. “Complete Genome Sequence of the Methanogenic Archaeon, Methanococcus jannaschii.” Science 372, стр. 1058–1073 (1996).

94

Venter, J. Craig (18.10.2007). A Life Decoded: My Genome: My Life (Kindle Locations 3971–3975). Penguin. Kindle Edition.

95

Simonetta Gribaldo, Anthony M. Poole, Vincent Daubin, Patrick Forterre & Celine Brochier-Armanet. “The origin of eukaryotes and their relationship with the Archaea: are we at a phylogenomic impasse?” Nature Reviews Microbiology 8, стр. 743–752 (октябрь 2010). DOI: 10.1038/nrmicro2426

96

Raoult, D., M. Drancourt, S. Azza, et al. (февраль 2008). “Nanobacteria Are Mineralo Fetuin Complexes.” PLoS Pathog. 4 (2): e41. Garcia-Ruiz, J. M., Melero-Garcia, E., Hyde, S. T. (январь 2009). “Morphogenesis of self-assembled nanocry-stalline materials of barium carbonate and silica.” Science 323 (5912), стр. 362–365.

97

Tomb, J.-F., O. White, A. R. Kerlavage, R. A. Clayton, G. G. Sutton, R. D. Fleischmann, K. A. Ketchum, H. Р. Klenk, S. Gill, B. A. Dougherty, K. Nelson, J. Quackenbush, L. Zhou, E. F. Kirkness, Peterson, B. Loftus, D. Richardson, R. Dodson, H. G. Khalak, A. Glodek, McKenney, K., L. M. Fitzgerald, N. Lee, M. D. Adams, E. K. Hickey, D. E. Berg, J. D. Gocayne, T. R. Utterback, J. D. Peterson, J. M. Kelley, M. D. Cotton, J. M. Weidman, C. Fujii, C. Bowman, L. Whatthey, E. Wallin, W. S. Hayes, M. Borodovsky, Р. D. Karp, H. O. Smith, C. M. Fraser, and J. C. Venter. “The Complete Genome Sequence of the Gastric Pathogen Helicobacter pylori.” Nature 388, стр. 539–547 (1997).

98

http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/medicine/laureates/2005/marshall-cv.html

99

Klenk, et al. “The Complete Genome Sequence of the Hyperthermophilic, Sulphate-Reducing Archaeon Archae-oglobus fulgidu.” Nature 390, стр. 364–370, 1997.

100

Goffeau, A., B. G. Barrell, H. Bussey, R. W. Davis, B. Dujon, H. Feldmann, F. Galibert, J. D. Hoheisel, C. Jacq, M. Johnston, E. J. Louis, H. W. Mewes, Y. Murakami, P. Philippsen, H. Tettelin, and S. G. Oliver (1996). “Life with 6000 genes.” Science 274 (5287), стр. 546, стр. 563–567.

101

http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/medicine/laureates/1983/press.html

102

http://www.presidency.ucsb.edu/ws/index.php?pid=28606

103

Синшаймер: «Два самых маленьких бактериальных вируса, согласно литературным данным, – это открытый в Англии S13 и открытый во Франции phi X 174. Вы можете спросить: «И как же они были открыты?» Ну, люди просто вроде как классифицировали вирусы. Они брали немного стоков из парижской канализации и смотрели: сколько там можно найти вирусов, на каких хозяевах, то есть клетках, их можно растить и на что будут похожи образуемые ими пятна лизиса. Название «phi X 174» означает, что это был 174-й полученный ими вирус в десятой серии фагов – и только. Ничего, кроме этого, оно не значит. Это была десятая серия проводимых ими экспериментов; X – это просто “десять”».

http://oralhistories.library.caltech.edu/33/0/OH_Sinshei-mer.pdf

104

http://www.presidency.ucsb.edu/ws/index.php?pid=28606#axzz1ufDunxa6

105

The Arthur Kornberg Papers. “Creating Life in the Test Tube,” 1959–1970. National Library of Medicine. Kornberg DNA synthesis references: “Closer to Synthetic Life.” Time, 90 (22 декабря 1967), стр. 66. “Viable Synthetic DNA.” Science News, 92 (30 декабря 1967), стр. 629–630.

106

Nagata, S., H. Taira, A. Hall, L. Johnsrud, M. Streuli, J. Ecsodi, et al. “Synthesis in E. coli of a polypeptide with human leukocyte interferon activity.” Nature, 1980, 284, стр. 316–320.

107

Billeter, M. A., J. E. Dahlberg, H. M. Goodman, J. Hindley, and C. Weissmann. “Sequence of the first 175 nucleotides from the 5 terminus of Qbeta RNA synthesized in vitro.” Nature, 1969, 224, стр. 1083–1086.

108

Weissmann, Charles. “End of the Road.” Prion, 1 апреля 2012; 6 (2), стр. 97–104. DOI: 10.4161/pri.19778

109

Taniguchi, T., M. Palmieri, and C. Weissmann. “QB DNA-containing hybrid plasmids giving rise to QB phage formation in the bacterial host.” Nature, 1978, 274, стр. 223–228.

110

Racaniello, V. R., and D. Baltimore. (1981a). “Molecular cloning of poliovirus cDNA and determination of the complete nucleotide sequence of the viral genome.” Proc. Natl. Acad. Sci. USA 78, стр. 4887–4891.

111

См. 9-ю сноску в “Efficient Initiation of HCV RNA Replication in Cell Culture.” Keril J. Blight, Alexander A. Kolykhalov, and Charles M. Rice. Science 8, декабрь 2000, 290 (5498), стр. 1972–1974.

112

Wimmer, Eckard, Steffen Mueller, Terrence M. Tumpey, and Jeffery K. Taubenberger. “Synthetic viruses: a new opportunity to understand and prevent viral disease.” Nat. Biotechnol., декабрь 2009; 27 (12), стр. 1163.

113

Venter, J. Craig, Karin Remington, John F. Heidelberg, Aaron L. Halpern, Doug Rusch, Jonathan A. Eisen, Dongying Wu, Ian Paulsen, Karen E. Nelson, William Nelson, Derrick E. Fouts, Samuel Levy, Anthony H. Knap, Michael W. Lomas, Ken Nealson, Owen White, Jeremy Peterson, Jeff Hoffman, Rachel Parsons, Holly Baden-Tillson, Cynthia Pfannkoch, Yu-Hui Rogers, and Hamilton O. Smith. “Environmental Genome Shotgun Sequencing of the Sargasso Sea.” Science, 2 апреля 2004, 304 (5667), стр. 66–74.

114

http://oralhistories.library.caltech.edu/33/0/OH_Sinsheimer.pdf

115

http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S002228366280031X

116

Cello, Jeronimo, Aniko V. Paul, and Eckard Wimmer. “Chemical Synthesis of Poliovirus cDNA: Generation of Infectious Virus in the Absence of Natural Template.” Science, 9 августа 2002, 297 (5583), стр. 1016–1018. Опубликовано онлайн 11 июля 2002. DOI: 10.1126/science.1072266

117

http://www.fbi.gov/about-us/history/famous-cases/anthrax-amerithrax/amerithrax-investigation

118

http://www.umass.edu/legal/derrico/amherst/lord_jeff.html

119

http://www.who.int/mediacentre/factsheets/smallpox/en/

120

Cho, Mildred K., David Magnus, Arthur L. Caplan, Daniel McGee, and the Ethics of Genomics Grouстр. “Ethical Considerations in Synthesizing a Minimal Genome.” Science, 10 декабря 1999, 286 (5447), стр. 2087–2090.

121

Church, George, and Ed Regis. Regenesis: How Synthetic Biology Will Reinvent Nature and Ourselves. Basic, New York, 2012, стр. 9.

122

Cho, Mildred K., David Magnus, Arthur L. Caplan, Daniel McGee, and the Ethics of Genomics Grouстр. “Ethical Considerations in Synthesizing a Minimal Genome.” Science, 10 декабря 1999, 286 (5447), стр. 2087–2090.

123

http://www.nature.com/nature/journal/vaop/ncurrent/full/482153a.html

124

Butler, Samuel. Erewhon, 1872, стр. 318–319.

125

Mirel, или полигидроксибутират. Биоразлагаемый полимер.

126

http://www.scarabgenomics.com/

127

Isaacs, Farren J., Peter A. Carr, Harris H. Wang, Marc J. Lajoie, Bram Sterling, Laurens Kraal, Andrew C. Tolonen, Tara A. Gianoulis, Daniel B. Goodman, Nikos B. Reppas, Christopher J. Emig, Duhee Bang, Samuel J. Hwang, Michael C. Jewett, Joseph M. Jacobson, and George M. Church. Science, 15 июля 2011, 333 (6040), стр. 348–353.

128

Moon, Tae Seok, Chunbo Lou, Alvin Tamsir, Brynne C. Stanton, and Christopher A. Voigt. “Genetic programs constructed from layered logic gates in single cells.” Nature, 491, стр. 249–253 (8 ноября 2012).

129

Siuti, Piro, John Yazbek, and Timothy K. Lu. “Synthetic circuits integrating logic and memory in living cells.” Nature Biotechnology (2013). DOI: 10.1038/nbt.2510

130

Wuchty, S., B. F. Jones, and B. Uzzi. “The increasing dominance of teams in production of knowledge.” Science, 316 (5827), стр. 1036–1039 (2007).

131

Weissman, Kira J., and Peter F. Leadlay. “Combinatorial biosynthesis of reduced polyketides.” Nature Reviews Microbiology 3, стр. 925–936 (декабрь 2005).

132

Green, Richard E., Johannes Krause, Adrian W. Briggs, Tomislav Maricic, Udo Stenzel, Martin Kircher, Nick Patterson, Heng Li, Weiwei Zhai, Markus Hsi-Yang Fritz, Nancy F. Hansen, Eric Y. Durand, Anna-Sapfo Malaspinas, Jeffrey D. Jensen, Tomas Marques-Bonet, Can Alkan, Kay Prufer, Matthias Meyer, Hernan A. Burbano, Jeffrey M. Good, Rigo Schultz, Ayinuer Aximu-Petri, Anne Butthof, Barbara Hober, Barbara Hoffner, Madlen Siegemund, Antje Weihmann, Chad Nusbaum, Eric S. Lander, Carsten Russ, Nathaniel Novod, Jason Affourtit, Michael Egholm, Christine Verna, Pavao Rudan, Dejana Brajkovic, Zeljko Kucan, Ivan Gušic, Vladimir B. Doronichev, Liubov V. Golovanova, Carles Lalueza-Fox, Marco de la Rasilla, Javier Fortea, Antonio Rosas, Ralf W. Schmitz, Philip L. F. Johnson, Evan E. Eichler, Daniel Falush, Ewan Birney, James C. Mullikin, Montgomery Slatkin, Rasmus Nielsen, Janet Kelso, Michael Lachmann, David Reich, and Svante Paabo. “A Draft Sequence of the Neandertal Genome.” Science, 7 мая 2010, 328 (5979), стр. 710–722.

133

http://mammoth.psu.edu/index.html

134

Church, George, and Ed Regis. Regenesis: How Synthetic Biology Will Reinvent Nature and Ourselves. Basic, New York, 2012, стр. 11.

135

White, O., J. A. Eisen, J. F. Heidelberg, E. K. Hickey, J. D. Peterson, R. J. Dodson, D. H. Haft, M. L. Gwinn, W. C. Nelson, D. L. Richardson, K. S. Moffat, H. Qin, L. Jiang, W. Pamphile, M. Crosby, M. Shen, J. J. Vamathevan, P. Lam, L. McDonald, T. Utterback, C. Zalewski, K. S. Makarova, L. Aravind, M. J. Daly, K. W. Minton, R. D. Fleischmann, K. A. Ketchum, K. E. Nelson, S. Salzberg, H. O. Smith, J. C. Venter, C. M. Fraser, “Complete Genome Sequencing of the Radioresistant Bacterium, Deinococcus radiodurans R1.” Science, 19 ноября 1999, 286 (5444), стр. 1571–1577.

136

Venter, J. C., and C. Yung, eds. Target-Size Analysis of Membrane Proteins. Alan R. Liss, New York, 1987.

137

Itaya, Mitsuhiro, Kenji Tsuge, Maki Koizumi, and Kyoko Fujita. “Combining two genomes in one cell: Stable cloning of the Synechocystis PCC6803 genome in the Bacillus subtilis 168 genome.” PNAS, 2005, 102 (44), стр. 15971–15976. Опубликовано онлайн 18 октября 2005. DOI: 10.1073/pnas.0503868102

138

Larionov, V., N. Kouprina, J. Graves, X. N. Chen, J. R. Koren-berg, and M. A. Resnick. “Specific cloning of human DNA as yeast artificial chromosomes by transformation-associated recombination.” PNAS, 1996, 93 (1), стр. 491–496.

139

The Structure of Scientific Revolutions (1962), стр. 84–85.

140

Lartigue, C., J. I. Glass, N. Alperovich, R. Pieper, P. P. Parmar, C. A. Hutchison III, H. O. Smith, J. C. Venter. “Genome transplantation in bacteria: changing one species to another.” Science, 3 августа 2007, 317 (5838): стр. 632–638.

141

Wilmut, I., A. E. Schnieke, J. McWhir, A. J. Kind, K. H. Campbell (1997).

“Viable offspring derived from fetal and adult mammalian cells.” Nature 385 (6619), стр. 810–813.

142

Wilmut, I., and R. Highfield. After Dolly: The Uses and Misuses of Human Cloning. Norton, 2006.

143

Willadsen, S. M. Nature 320, 6 марта 1986, стр. 63–65. http://www.nature.com/nature/journal/v320/n6057/abs/320063a0.html

144

Spemann, H. (1938). Embryonic Development and Induction. Yale University Press, New Haven.

145

Gurdon, J. B. “The developmental capacity of nuclei taken from intestinal epithelium cells of feeding tadpoles.” J. Embryol. Exстр. Morphol. 34, стр. 93–112 (1962).

146

http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/medicine/laureates/2012/press.html#. См. также: Wilmut, I., and R. Highfield. After Dolly: The Uses and Misuses of Human Cloning. Norton, 2006.

147

Heidelberg, J. F., J. A. Eisen, W. C. Nelson, R. A. Clayton, M. L. Gwinn, R. J. Dodson, D. H. Haft, E. K. Hickey, J. D. Peterson, L. Umayam, S. R. Gill, K. E. Nelson, T. D. Read, H. Tettelin, D. Richardson, M. D. Ermolaeva, J. Vamathevan, S. Bass, H. Qin, I. Dragoi, P. Sellers, L. McDonald, T. Utterback, R. D. Fleishmann, W. C. Nierman, O. White, S. L. Salzberg, H. O. Smith, R. R. Colwell, J. J. Mekalanos, J. C. Venter, C. M. Fraser. “DNA sequence of both chromosomes of the cholera pathogen Vibrio cholerae.” Nature, 3 августа 2000, 406 (6795), стр. 477–483.

148

World Health Organisation. “Cholera Fact Sheet № 107” (август 2011). http://www.who.int/mediacentre/factsheets/fs107/en/index.html

149

Fischer, A., B. Shapiro, C. Muriuki, M. Heller, C. Schnee, et al. (2012). “The Origin of the ‘Mycoplasma mycoides Cluster’ Coincides with Domestication of Ruminants.” PLoS ONE7 (4), e36150.

150

ДНК может быть в сверхспиральном состоянии, только если она совершенно целая. Любые порезы или нехватки заставляют ее разворачиваться.

151

Идея, как полагают, восходит по крайней мере к Лапласу, который сказал: «Вес доказательств для чрезвычайного заявления должны быть соразмерен его странности».

152

“In ‘The Value of Science,’ What Do You Care What Other People Think?” (1988, 2001), стр. 247. Collected in The Pleasure of Finding Things Out (2000).

153

Gardner, H. Creating Minds: An Anatomy of Creativity Seen through the Lives of Freud, Einstein, Picasso, Stravinsky, Eliot, Graham, and Ghandi. New York: Harper Collins, 1993.

154

http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/2008/shimomura.html

155

Lartigue, C., S. Vashee, M. A. Algire, R. Y. Chuang, G. A. Benders, L. Ma, V. N. Noskov, E. A. Denisova, D. G. Gibson, N. Assad-Garcia, N. Alperovich, D. W. Thomas, C. Merryman, C. A. Hutchison, III, H. O. Smith, J. C. Venter, J. I. Glass. “Creating bacterial strains from genomes that have been cloned and engineered in yeast.” Science, 25 сентября 2009, 325 (5948), стр. 1693–1696. DOI: 10.1126/science.1173759. Benders, Gwynedd A., Vladimir N. Noskov, Evgeniya A. Denisova, Carole Lartigue, Daniel G. Gibson, Nacyra Assad-Garcia, Ray-Yuan Chuang, William Carrera, Monzia Moodie, Mikkel A. Algire, Quang Phan, Nina Alperovich, Sanjay Vashee, Chuck Merryman, J. Craig Venter, Hamilton O. Smith, John I. Glass, and Clyde A. Hutchison, III. “Cloning whole bacterial genomes in yeast.” Nucleic Acids Res., май 2010; 38(8), стр. 2558–2569. Опубликовано онлайн 6 марта 2010. DOI: 10.1093/nar/gkq119

156

Lartigue, Carole, Sanjay Vashee, Mikkel A. Algire, Ray-Yuan Chuang, Gwynedd A. Benders, Li Ma, Vladimir N. Noskov, Evgeniya A. Denisova, Daniel G. Gibson, Nacyra Assad-Garcia, Nina Alperovich, David W. Thomas, Chuck Merryman, Clyde A. Hutchison, III, Hamilton O. Smith, J. Craig Venter, and John I. Glass. “Creating Bacterial Strains from Genomes That Have Been Cloned and Engineered in Yeast.” Science, 25 сентября 2009, 325 (5948), стр. 1693–1696. Опубликовано онлайн 20 августа 2009.

157

Например, у Windows XP примерно 45 миллионов строк кода. http://www.facebook.com/windows/posts/155741344475532

158

Gibson, Daniel G., John I. Glass, Carole Lartigue, Vladimir N. Noskov, Ray-Yuan Chuang, Mikkel A. Algire, Gwynedd A. Benders, Michael G. Montague, Li Ma, Monzia M. Moodie, Chuck Merryman, Sanjay Vashee, Radha Krishnakumar, Nacyra Assad-Garcia, Cynthia Andrews-Pfannkoch, Evgeniya A. Denisova, Lei Young, Zhi-Qing Qi, Thomas H. Segall-Shapiro, Christopher H. Calvey, Prashanth P. Parmar, Clyde A. Hutchison, III, Hamilton O. Smith, and J. Craig Venter. “Creation of a Bacterial Cell Controlled by a Chemically Synthesized Genome.” Science, 2 июля 2010, 329 (5987), стр. 52–56. Опубликовано онлайн 20 мая 2010.

159

Koshland, Jr., Daniel E. “The Seven Pillars of Life.” Science, 22 марта 2002, 295 (5563), стр. 2215–2216. DOI: 10.1126/science.1068489

160

The Feynman Lectures on Physics, Vol. I, 8–2.

161

“Craig Venter creates synthetic life form,” Guardian, 20 мая 2010. http://www.guardian.co.uk/science/2010/may/20/craig-venter-synthetic-life-form

162

Schewe, Phillip F. Maverick Genius: The Pioneering Odyssey of Freeman Dyson. Thomas Dunne, 2013.

163

“Researchers Say They Created a ‘Synthetic Cell,’ ” http://www.nytimes.com/2010/05/21/science/21cell.html

164

См. опрос Leveson Inquiry: http://www.levesoninquiry.org.uk/

165

http://www.dailymail.co.uk/sciencetech/article-1279988/Artificial-life-created-Craig-Venter – wipe-humanity.html

166

http://www.bioethics.gov/documents/synthetic-biology/PCSBI-Synthetic-Biology-Report-12.16.10.pdf

167

http://www.vatican.va/news_services/or/home_eng.html

168

http://life.ou.edu/pubs/fatm/

169

Nurse, Paul. “Wee beasties.” Nature 432 (7017), стр. 557 (декабрь 2004).

170

Jun Du, Shao, Zhiyuan Gong, Garth L. Fletcher, Margaret A. Shears, Madonna J. King, David R. Idler, and Choy L. Hew (1992). “Growth Enhancement in Transgenic Atlantic Salmon by the Use of an ‘All Fish’ Chimeric Growth Hormone Gene Construct.” Bio/Technology 10 (2), стр. 176–181.

171

Whitman, William B., David C. Coleman, and William J. Wiebe (1998). “Prokaryotes: The unseen majority.” Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 95 (12), стр. 6578–6583. DOI: 10.1073/pnas.95.12.6578

172

Crick, Francis (1981). Life Itself: Its Origin and Nature. New York: Simon and Schuster. ISBN0–671–25562–2.

173

Price, C. C. Chem. Eng. News, 43 (39), стр. 90 (1965).

174

Miller, Stanley L. (мaй 1953). “Production of Amino Acids Under Possible Primitive Earth Conditions.” Science 117 (3046), стр. 528–529.

175

Oro, J., and A. Р. Kimball (август 1961). “Synthesis of purines under possible primitive earth conditions. I. Adenine from hydrogen cyanide.” Archives of Biochemistry and Biophysics 94, стр. 217–227. Oro, J., and S. S. Kamat (апрель 1961). “Amino-acid synthesis from hydrogen cyanide under possible primitive earth conditions.” Nature 190 (4774), стр. 442–443. Oro, J. (Fox, S. W., ed.). Origins of Prebiological Systems and of Their Molecular Matrices. New York Academic Press, 1967, стр. 137.

176

http://cshperspectives.cshlстр. org/content/4/7/a006742

177

Wöese, Carl. The Genetic Code. New York: Harper and Row, 1967.

178

Kruger, K., Р. J. Grabowski, A. J. Zaug, J. Sands, D. E. Gottsch-ling, T. R. Cech (ноябрь 1982). “Self-splicing RNA: autoexcision and autocyclization of the ribosomal RNA intervening sequence of Tetrahymena.” Cell 31 (1), стр. 147–157.

179

Guerrier-Takada, C., K. Gardiner, T. Marsh, N. Pace, S. Altman (1983). “The RNA moiety of ribonuclease P is the catalytic subunit of the enzyme.” Cell 35 (3 Pt 2), стр. 849–857.

180

Нобелевская премия 1989 года по химии была вручена Томасу Чеку и Сиднею Альтману «за открытие ими каталитических свойств РНК».

181

За свежим обзором я отсылаю читателей к David Deamer. First Life: Discovering the Connections Between Stars, Cells and How Life Began (University of California Press, 2011).

182

Джек Шостак был награжден Нобелевской премией 2009 года по физиологии и медицине вместе с Элизабет Блэкбёрн и Кэрол Грейдер за открытие теломерной защиты хромосом.

183

Szostak, Jack W., David P. Bartel, and Р. Luigi Luisi. “Synthesi-zing life.” Nature 409, стр. 387–390 (18 января 2001).

184

Рич Робертс, ныне работающий в New England Biolabs, разделил Нобелевскую премию 1993 года по физиологии и медицине с Филипом Шарпом за открытие интронов в ДНК эукариотов и механизма генного сплайсинга.

185

Chen, I. A., R. W. Roberts, J. W. Szostak. “The emergence of competition between model protocells.” Science, 3 сентября 2004, 305, стр. 1474–1476.

186

Isselbacher, Kurt J. “Paul C. Zamecnik (1912–2009).” Science, 4 декабря 2009, 326 (5958), стр. 1359.

187

Nirenberg, M. W., and H. J. Matthaei (1961). “The Dependence Of Cell-Free Protein Synthesis In E. coli Upon Naturally Occurring Or Synthetic Polyribonucleotides.” Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 47 (10), стр. 1588–1602.

188

Shimizu, Y., et al. (2001). “Cell-free translation reconstituted with purified components.” Nat. Biotechnol. 19, стр. 751–755.

189

Baldwin, Geoff, Travis Bayer, Robert Dickinson, Tom Ellis, Paul S. Freemont, Richard I. Kitney, Karen Polizzi, and Guy-Bart Stan. Synthetic Biology: A Primer. Imperial College Press, London, 2012, стр. 142.

190

Srivastava, Mansi, Oleg Simakov, Jarrod Chapman, Bryony Fahey, Marie E. A. Gauthier, Therese Mitros, Gemma S. Richards, Cecilia Conaco, Michael Dacre, Uffe Hellsten, Claire Larroux, Nicholas H. Putnam, Mario Stanke, Maja Adamska, Aaron Darling, Sandie M. Degnan, Todd H. Oakley, David C. Plachetzki, Yufeng Zhai, Marcin Adamski, Andrew Calcino, Scott F. Cummins, David M. Goodstein, Christina Harris, Daniel J. Jackson, et al. “The Amphimedon queenslandica genome and the evolution of animal complexity.” Nature 466, стр. 720–726 (5 августа 2010). DOI: 10.1038/nature09201

191

K. W. Jeon, I. J. Lorch, and J. F. Danielli. “Reassembly of Living Cells from Dissociated Components.” Science, 20 марта 1970, 167 (3925), стр. 1626–1627.

192

Darwin, Charles. On the Origin of Species (1859).

193

http://ec.europa.eu/information_society/activities/health/docs/projects/fp7/vph_projects_portofolio_2011.pdf

194

Noble, D. “Cardiac Action and Pacemaker Potentials based on the Hodgkin-Huxley Equations.” Nature 188, стр. 495–497 (5 ноября 1960).

195

Noble, D. “From the Hodgkin – Huxley axon to the virtual heart.” J. Physiol., 1 апреля 2007, 580 (1), стр. 15–22. Предпечатная публикация 5 октября 2006. DOI: 10.1113/jphysiol.2006.119370

196

http://www.humanbrainproject.eu/

197

http://europa.eu/rapid/press-release_IP-13–54_en.htm

198

Ishii, Nobuyoshi, Kenji Nakahigashi, Tomoya Baba, Martin Robert, Tomoyoshi Soga, Akio Kanai, Takashi Hirasawa, Miki Naba, Kenta Hirai, Aminul Hoque, Pei Yee Ho, Yuji Kakazu, Kaori Sugawara, Saori Igarashi, Satoshi Harada, Takeshi Masuda, Naoyuki Sugiyama, Takashi Togashi, Miki Hasegawa, Yuki Takai, Katsuyuki Yugi, Kazuharu Arakawa, Nayuta Iwata, Yoshihiro Toya, Yoichi Nakayama, Takaaki Nishioka, Kazuyuki Shimizu, Hirotada Mori, and Masaru Tomita. “Multiple High-Throughput Analyses Monitor the Response of E. coli to Perturbations.” Science 316, 27 апреля 2007 (5824), стр. 593.

199

http://wholecell.stanford.edu/

200

http://wholecellkb.stanford.edu/

201

Nierman, W. C., T. V. Feldblyum, M. T. Laub, I. T. Paulsen, K. E. Nelson, J. A. Eisen, J. F. Heidelberg, M. R. Alley, N. Ohta, J. R. Maddock, I. Potocka, W. C. Nelson, A. Newton, C. Stephens, N. D. Phadke, B. Ely, R. T. DeBoy, R. J. Dodson, A. S. Durkin, M. L. Gwinn, D. H. Haft, J. F. Kolonay, J. Smit, M. B. Craven, H. Khouri, J. Shetty, K. Berry, T. Utterback, K. Tran, A. Wolf, J. Vamathevan, M. Ermolaeva, O. White, S. L. Salzberg, J. C. Venter, L. Shapiro, and C. M. Fraser. “Complete genome sequence of Caulobacter crescentus.” Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 27 марта 2001, 98 (7), стр. 4136–4141. Erratum in Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 22 мая 2001, 98(11), стр. 6533. Eisen, J. [corrected to Eisen, J. A.].

202

Christen, Beat, Eduardo Abeliuk, John M. Collier, Virginia S. Kalogeraki, Ben Passarelli, John A. Coller, Michael J. Fero, Harley H. McAdams, and Lucy Shapiro. “The essential genome of a bacterium.” Molecular Systems Biology 7, article number: 528.

203

Baldwin, Geoff, Travis Bayer, Robert Dickinson, Tom Ellis, Paul S. Freemont, Richard I Kitney, Karen Polizzi, and Guy-Bart Stan. Synthetic Biology: A Primer. Imperial College Press, London, 2012.

204

Gardner, T. S., C. R. Cantor, and J. J. Collins (20 января 2000). “Construction of a genetic toggle switch in Escherichia coli.” Nature 403 (6767), стр. 339–342.

205

Tabor, J. J., H. Salis, Z. B. Simpson, A. A. Chevalier, A. Levskaya, E. M. Marcotte, C. A. Voigt, and A. D. Ellington. “A Synthetic Genetic Edge Detection Program.” Cell, 137 (7), стр. 1272–1281 (2009).

206

Danino, Tal, Octavio Mondragon-Palomino, Lev Tsimring, and Jeff Hasty. “A synchronized quorum of genetic clocks.” Nature 463, стр. 326–330 (21 января 2010).

207

www.clothocad.org

208

Baldwin, Geoff, Travis Bayer, Robert Dickinson, Tom Ellis, Paul S. Freemont, Richard I. Kitney, Karen Polizzi, Guy-Bart Stan. Synthetic Biology: A Primer. Imperial College Press, London, 2012, стр. 121.

209

http://www.jbioleng.org/content/2/1/8

210

Parasight, Imperial College London.

211

Baldwin, Geoff, Travis Bayer, Robert Dickinson, Tom Ellis, Paul S. Freemont, Richard I. Kitney, Karen Polizzi, Guy-Bart Stan. Synthetic Biology: A Primer. Imperial College Press, London, 2012, стр. 121.

212

http://www.nature.com/nbt/journal/v29/n3/full/nbt.1802.html

213

http://www.nature.com/nnano/journal/v7/n6/full/nna№ 2012.65.html

214

http://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2012/lc/c2lc40098g

215

Noireaux, V., R. Bar-Ziv, and A. Libchaber (2003). “Principles of cell-free genetic circuit assembly.” PNAS100, стр. 12672–12677.

216

http://library.cshl.edu/oralhistory/interview/cshl/research/zing-finger-proteins-discovery-and-application/

217

Miller, J., A. D. McLachlan, A. Klug (Июнь 1985). “Repetitive zinc-binding domains in the protein transcription factor IIIA from Xenopus oocytes.” EMBO J. 4 (6), стр. 1609–1614.

218

Khalil, Ahmad S., Timothy K. Lu, Caleb J. Bashor, Cherie L. Ramirez, Nora C. Pyenson, J. Keith Joung, James J. Collins. “A Synthetic Biology Framework for Programming Eukaryotic Transcription Functions.” Cell, 3 августа 2012, Vol. 150, Issue 3, стр. 647–658.

219

http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0092867412007805

220

http://www.synbiosafe.eu/uploads///pdf/Synthetic%20Genomics%20Options%20for%20Governance.pdf

221

http://www.edinethics.co.uk/synbio/synbio%20democs%20report.pdf http://www.nuffieldbioethics.org/emerging-biotechnologies

222

“Bridging Science and Security for Biological Research:

A Discussion about Dual Use Review and Oversight at Research Institutions. Отчет о встрече 13–14 сентября 2012.” American Association for the Advancement of Science in conjunction with the Association of American Universities, Association of Public and Land-Grant Universities, and the Federal Bureau of Investigation.

223

http://www.biofab.org/

224

Wohlsen, Marcus. Biopunk: DIY Scientists Hack the Sofware of Life. Current, New York, 2011. стр. 65 и 155.

225

Dyson, Freeman. “Our Biotech Future.” The New York Review of Books. 19 июля 2007.

226

http://www.cdc.gov/phpr/documents/Lancet_Article_Sept2011.pdf and “Bridging Science and Security for Biological Research: A Discussion about Dual Use Review and Oversight at Research Institutions. Отчет о встрече 13–14 сентября 2012.” American Association for the Advancement of Science in conjunction with the Association of American Universities, Association of Public and Land-Grant Universities, and the Federal Bureau of Investigation.

227

“Biotechnology Research in an Age of Terrorism: Confronting the ‘Dual Use’ Dilemma.” National Academies Press, Washington, D. C., 2004. http://www.naстр. edu/catalog.php?record_id=10827#toc

228

Wohlsen, Marcus. Biopunk: DIY Scientists Hack the Sofware of Life. Current, New York, 2011.

229

Baldwin, Geoff, Travis Bayer, Robert Dickinson, Tom Ellis, Paul S. Freemont, Richard I. Kitney, Karen Polizzi, Guy-Bart Stan. Synthetic Biology: A Primer. Imperial College Press, London, 2012, стр. 139.

230

Есть много формулировок. См. Foster, Kenneth R., Vecchia, Paolo, Repacholi, Michael H. (2000). “Science and the Precautionary Principle.” Science 288 (5468), стр. 979–981.

231

http://www.bioethics.gov/documents/synthetic-biology/PCSBI-Synthetic-Biology-Report-12.16.10.pdf

232

Asimov, Isaac. Introduction, The Rest of the Robots. Doubleday, 1964. ISBN0–385–09041–2.

233

http://gutenberg.net.au/ebooks06/0601391h.html

234

Капитан Кирк, “The Gamesters of Triskelion,” Star Trek, 5 января 1968. (Хотя фразу «Подними меня лучом, Скотти» давно связывают с сериалом и фильмами, она никогда не произносилась ни в одной из серий Star Trek или в фильмах.)

235

“It’s Such a Beautiful Day.” Star Science Fiction Stories, № 3, 1954.

236

Bennett, C. H., G. Brassard, C. Crepeau, R. Jozsa, A. Peres, and W. K. Wootters. “Teleporting an Unknown Quantum State via Dual Classical and Einstein-Podolsky-Rosen Channels.” Phys. Rev. Lett. 70 (1993), стр. 1895–1899.

237

Ma, Xiao-Song, Thomas Herbst, Thomas Scheidl, Daqing Wang, Sebastian Kropatschek, William Naylor, Bernhard Wittmann, Alexandra Mech, Johannes Kofler, Elena Anisimova, Vadim Makarov, Thomas Jennewein, Rupert Ursin, and Anton Zeilinger. “Quantum teleportation over 143 kilometres using active feed-forward.” Nature, 2012. DOI: 10.1038/nature11472

238

Awschalom, David D., Bassett, Lee C., Dzurak, Andrew S., Hu, Evelyn L., and Petta, Jason R. “Quantum Spintronics: Engineering and Manipulating Atom-Like Spins in Semiconductors.” Science, vol. 339, № 6124 (2013), стр. 1174–1179. DOI: 10.1126/science.1231364

239

Furusawa, A., J. L. Sorensen, S. L. Braunstein, C. A. Fuchs, H. J. Kimble, and E. S. Polzik. “Unconditional Quantum Teleportation.” Science 23, октябрь 1998, 282 (5389), стр. 706–709. DOI: 10.1126/science.282.5389.706

240

http://arxiv.org/abs/1211.2892

241

Scientific American, 14 февраля 2008. http://www.scientificamerican.com/article.cfm?id=why-teleporting-is-nothing-like-star-trek&page=2

242

«Фермионы» названы в честь великого Энрико Ферми (1901–1954), этот термин введен английским физиком Полем Дираком (1902–1984), поделившим Нобелевскую премию по физике за 1933 год с Эрвином Шрёдингером «за открытие новых плодотворных форм атомной теории».

243

Sasselov, Dimitar, в личной беседе 6 августа 2012.

244

Townes, Charles H. “The first laser.” In A Century of Nature: Twenty-One Discoveries that Changed Science and the World. Laura Garwin and Tim Lincoln, eds. University of Chicago Press (2003), стр. 107–112.

245

Chain, E., H. W. Florey, A. D. Gardner, N. G. Heatley, B. M. Jennings, J. Orr-Ewing, A. G. Sanders. “Penicillin as a chemotherapeutic Agent.” Lancet, 236 (6104), 24 августа 1940, стр. 226–228. Originally published as vol. 2, issue 6104.

246

Topp, Edward, Ralph Chapman, Marion Devers-Lamrani, Alain Hartmann, Romain Marti, Fabrice Martin-Laurent, Lyne Sabourin, Andrew Scott, and Mark Sumarah. “Accelerated Biodegradation of Veterinary Antibiotics in Agricultural Soil following Long-Term Exposure, and Isolation of a Sulfamethazine-degrading Microbacterium sстр.” Journal of Environmental Quality, 6 декабря 2012. DOI: 10.2134/jeq2012.0162

247

Fajardo, A., N. Martinez-Martin, M. Mercadillo, J. C. Galan, B. Ghysels, et al. (2008). “The Neglected Intrinsic Resistome of Bacterial Pathogens.” PLoS ONE3 (2), e1619.

248

Wright, Gerard D. “The antibiotic resistome: the nexus of chemical and genetic diversity.” Nature Reviews Microbiology, Vol. 5 (март 2007), стр. 175–186.

249

Lederberg, J., and E. L. Tatum (1946). “Gene recombination in E. coli.” Nature 158 (4016), стр. 558.

250

Carrs, Otto. “Meeting the challenge of antibiotic resistance.” British Medical Journal, 2008, 337, a1438.

251

Marx, Jean. “New Bacterial Defense Against Phage Invaders Identified.” Science, 23 марта 2007, 315 (5819), стр. 1650–1651.

252

Cairns, J., Gunther Stent, and James Watson. Phage and the Origins of Molecular Biology. Cold Spring Harbor Laboratory Press, 2007, стр. 5.

253

http://newsarchive.asm.org/sep01/animalcule.asp

254

Sulakvelidze, Alexander, Zemphira Alavidze, and J. Glenn Morris, Jr. “Bacteriophage Therapy.” Antimicrob. Agents Chemother. март 2001; 45 (3), стр. 649–659. DOI: 10.1128/AAC.45.3.649–659.2001

255

d’Herelle, F. “Sur un microbe invisible antagoniste des bacillus dysenterique.” Comptes rendus Acad. Sci. Paris 1917; 165, стр. 373–375.

256

Hankin, E. H. (1896). “L’action bactericide des eaux de la Jumna et du Gange sur le vibrion du cholera.” Annales de l’Institut Pasteur 10, стр. 511–523.

257

http://www.eliava-institute.org/?rid=2

258

Cairns, J., Gunther Stent, and James Watson. Phage and the Origins of Molecular Biology. Cold Spring Harbor Laboratory Press, 2007, стр. 5.

259

Editorial, “Limitations of bacteriophage therapy.” JAMA 1931; 96, стр. 693. Editorial, “Commercial aspects of bacteriophage therapy.” JAMA 1933; 100, стр. 1603–1604.

260

Summers, William C. “The Strange History of Phage Therapy.” Bacteriophage 2:2, 2012, стр. 130–133.

261

Stent, G. S. Molecular Biology of Bacterial Viruses. San Francisco and London: W. H. Freeman, 1963, стр. 8–9.

262

Summers, William C. “The Strange History of Phage Therapy.” Bacteriophage 2:2, 2012, стр. 130–133.

263

Gravitz, Lauren. “Turning a new phage.” Nature Medicine 18, 2012, стр. 1318–1320. DOI: 10.1038/nm0912–1318

264

Browning, Christopher, Mikhail Shneider, Valorie Bowman, David Schwarzer, and Petr Leiman. “Phage Pierces the Host Cell Membrane with the Iron-Loaded Spike.” Structure, Vol. 20, Issue 2, 8 февраля 2012, стр. 326–339.

265

Zahid, M. S., S. M. Udden, A. S. Faruque, S. B. Calderwood, J. J. Mekalanos, et al. (2008). “Effect of phage on the infectivity of Vibrio cholerae and emergence of genetic variants.” Infect. Immun. 76: стр. 5266–5273. Marx, Jean. “New Bacterial Defense Against Phage Invaders Identified.” Science 23, март 2007, 315 (5819), стр. 1650–1651.

266

McGowan, Sheena, Ashley M. Buckle, Michael S. Mitchell, James T. Hoopes, D. Travis Gallagher, Ryan D. Heselpoth, Yang Shen, Cyril F. Reboul, Ruby H. P. Law, Vincent A. Fischetti, James C. Whisstock and Daniel C. Nelson. “X-ray crystal structure of the streptococcal specific phage lysin PlyC.” PNAS, 17 июля 2012.

267

Wright, A., C. H. Hawkins, E. E. Anggard, and D. R. Harper.

“A controlled clinical trial of a therapeutic bacteriophage preparation in chronic otitis due to antibiotic-resistant Pseudomonas aeruginosa; a preliminary report of efficacy.” Clin. Otolaryngol., август 2009, 34 (4), стр. 349–357.

268

Marinelli, L. J., et al. “Propionibacterium acnes bacteriophages display limited genetic diversity and broad killing activity against bacterial skin isolates.” mBio 3 (5), e00279, декабрь 2012.

269

Opticks, 2nd edition (1718), Book 3, Query 30, 349.

270

Gladman, Brett J., Joseph A. Burns, Martin Duncan, Pascal Lee, and Harold F. Levison. “The exchange of impact ejecta between terrestrial planets.” Science, 8 марта 1996, Vol. 271, № 5254, стр. 1387(6).

271

McKay, David S., et al. “Search for Past Life on Mars: Possible Relic Biogenic Activity in Martian Meteorite ALH84001.” Science, 273 (5277), стр. 924–930, 1996.

272

Wright, I. P., M. M. Grady, and C. T. Pillinger. “Organic materials in a martian meteorite.” Nature 340, 20 июля 1989, стр. 220–222.

273

The Carnegie Institution Geophysical Laboratory Seminar. “Analysis of evidence of Mars life.” Проводился 14 мая 2007; summary of the lecture given by Gilbert V. Levin, Ph.D., at http://arxiv.org/abs/0705.3176, published in Electroneuro-biologίa, Vol. 15 (2), стр. 39–47.

274

Paepe, Ronald (2007). “The Red Soil on Mars as a proof for water and vegetation (PDP).” Geophysical Research Abstracts 9 (1794). Исправлено 14 августа 2008.

275

Navarro-Gonzalez, R., et al. (2006). “The limitations on organic detection in Mars-like soils by thermal volatilization – gas chromatography – MS and their implications for the Viking results.” PNAS103 (44): стр. 16089–16094. См. также: http://www.earth.northwestern.edu/individ/seth/438/mckay.viking.pdf

276

http://www.nasa.gov/mission_pages/msl/multimedia/pia16576.html

277

http://news.nationalgeographic.com/news/2012/09/120927-nasa-marsscience-laboratory-curiosity-rover-water-life-jpl/

278

McCubbin, Francis M., Erik H. Hauri, Stephen M. Elardo, Kathleen E. Vander Kaaden, Jianhua Wang and Charles K. Shearer Jr.. “Hydrous melting of the Martian mantle produced both depleted and enriched shergottites.” Geology, G33242.1 (первая публикация 15 июня 2012).

279

Conference on the Geophysical Detection of Subsurface Water on Mars (2001).

280

www.lpi.usra.edu/meetings/marsconcepts2012/pdf/4385.pdf

281

Allentoft, Morten E., Matthew Collins, David Harker, James Haile, Charlotte L. Oskam, Marie L. Hale, Paula F. Campos, Jose A. Samaniego, M. Thomas P. Gilbert, Eske Willerslev, Guojie Zhang, R. Paul Scofield, Richard N. Holdaway, and Michael Bunce. “The half-life of DNA in bone: measuring decay kinetics in 158 dated fossils.” Proc. R. Soc. B7, декабрь 2012, Vol. 279, № 1748, стр. 4724–4733.

282

http://news.sciencemag.org/scienceinsider/2012/02/failure-to-launch-mars-missions. html?ref=hp

283

http://www.bis.gov.uk/assets/ukspaceagency/docs/space-science/beagle-2-commission-of-inquiry-report.pdf

284

http://acquisition.jpl.nasa.gov/rfp/msr01/MSRArch-Paper.pdf

285

http://www.oosa.unvienna.org/oosa/SpaceLaw/outerspt.html

Content

Крейг Вентер
Жизнь на скорости света. От двойной спирали к рождению цифровой биологии

Глава 1. Дублин, 1943–2012

Глава 2. Химический синтез как доказательство

Глава 3. Начало цифрового века в биологии

Глава 4. Оцифровка жизни

Глава 5. Синтетический phi X 174

Глава 6. Первый синтетический геном

Глава 7. Превращение одного вида в другой

Глава 8. Синтез генома M. mycoides

Глава 9. Внутри синтетической клетки

Глава 10. Жизнь под заказ

Глава 11. Биологическая телепортация

Глава 12. Жизнь на скорости света

Благодарности

Сноски