Расшифрованная жизнь. Мой геном, моя жизнь - Крейг Вентер

Выдвигать подобные гипотезы было бы гораздо легче, если бы мы имели модель адреналинового рецептора. Я вспомнил, как в начале моей работы в лаборатории Каплана его сотрудница Сьюзен Тейлор определила трехмерную структуру фермента лактатдегидрогеназы на основе данных рентгеновской кристаллографии. Затем была создана модель белка (1,2 метра в длину, в ширину и в высоту), которая наглядно показывала, как в клетках растений и животных этот фермент катализирует взаимные биохимические превращения пирувата и лактата в основном метаболизме. Я хотел сделать подобную модель адреналинового рецептора. Но чтобы «сфотографировать» рецепторный белок, он нужен в кристаллической форме, а для этого требуются его граммовые количества – примерно в миллион раз больше, чем мы в то время располагали. Изучив литературу, я обнаружил, что для массового производства белков успешно используются дрожжи, и нанял химика Дика Маккомби, чтобы он получил нужное для рентгеновской съемки количество белка.

Примерно в то же самое время бурно обсуждался проект, благодаря которому мои исследования в один прекрасный день оказались в центре внимания научной общественности. Я говорю о секвенировании генома человека. Одну из первых дискуссий в мае 1985 года на семинаре в Калифорнийском университете в Санта-Крус организовал Роберт Синсхаймер. Он надеялся, что такой важный проект привлечет внимание к его университету. Когда я уже начал работать в этой области, лауреат Нобелевской премии американец Ренато Дульбекко выступил в журнале Science с предложением секвенировать геном человека для борьбы с раком, а Сидни Бреннер из британского Совета медицинских исследований настоятельно призвал Европейский союз принять единую программу исследований. Дискуссии по геному человека также проводились по инициативе Чарлза Делизи, профессора биоинформатики из Министерства энергетики США. Участие в этом проекте Министерства энергетики может показаться несколько странным, но дело в том, что именно этому ведомству поручили оценить влияние радиации на генетический код хибакуся – японцев, переживших атомную бомбардировку Хиросимы и Нагасаки.

Большинство из обсуждавших тогда идею расшифровки генома человека были настроены крайне скептически, считая это абсолютно безнадежным делом. Высказывались против проекта и в НИЗ. Его директор Джеймс Вингаарден язвительно заметил, что «план Министерства энергетики очень похож на предложение Национального бюро стандартов построить бомбардировщик Б-2»{18}. Даже Бреннер шутил, что задача столь грандиозна, а технические возможности столь ограничены, что секвенирование следует приравнять к уголовному наказанию – скажем, определение 12 миллионов оснований считать бытовым преступлением. А у меня появилась идея создать базу данных последовательности всех генов человека. При этом я почти десяток лет пытался декодировать всего лишь один из приблизительно 100 тысяч предполагаемых на тот момент генов человека! Но я был готов посвятить такой грандиозной задаче пару десятилетий, если за это время удастся расшифровать весь геном. Конечно, глупо использовать традиционный метод Сенгера с его радиоактивными маркерами, трескающимися гелями и бесконечными разочарованиями, а вот применить новые, автоматизированные технологии – совсем другое дело.

Но как включиться в этот проект? Хорошо бы расширить лабораторию, но помещений в НИЗ недоставало. После разговора с Эрнстом Фризом (который благодаря моим успехам к этому времени стал активным сторонником секвенирования) и Ирвином Копином, директором программ Национального института неврологических расстройств и инсульта (NINDS), мне предложили место в Парклейнбилдинг в Роквилле, напротив Агентства по контролю за качеством пищевых продуктов и лекарств (FDA). Переезд в Роквилл обеспечил бы мне четырех-пятикратное расширение программы работ и увеличение моей команды вдвое, до двадцати и более исследователей.

Однако принять решение было не так просто. Не хотелось покидать кампус – находиться здесь считалось весьма престижным, и многие мои коллеги сражались не на жизнь, а на смерть за место в корпусе № 36. И тут мне сделали еще два весьма соблазнительных предложения: во-первых, мои административные обязанности в Парклейне будут значительно сокращены, а во-вторых, я войду в комитет по планированию строительства нового здания корпуса № 49 на основной территории кампуса, куда и переедет моя группа по завершении строительных работ. Я согласился, и в августе 1987 года мы переехали в Парклейн.

В то время многие с недоверием относились к идее использования секвенаторов ABI для осуществления столь широкомасштабного проекта, как расшифровка генома человека. Японцы, предложив альтернативный метод, в 1987 году попали на первые страницы газет, когда заявили, что собираются сконструировать устройство для секвенирования миллиона пар оснований в сутки (потом обещанное количество сократилось до 10 тысяч оснований). А для меня решение этой проблемы не представляло никакого труда. Если у вас есть одна швейная машинка, а вы хотите удвоить выход продукции, вы берете еще одну машинку. Для удвоения количества определяемых последовательностей ДНК нам просто нужен был еще один секвенатор. Все дело решала одновременная обработка данных. Я мог бы конкурировать с японцами, купив еще несколько приборов фирмы ABI.

И я заговорил с Фризом о дополнительных 750 тысячах долларов к моему годовому бюджету. Опасаясь, что руководители других лабораторий не одобрят, мягко говоря, его непропорционально большой размер, Фриз переименовал часть моей лаборатории в Центр секвенирования ДНК при NINDS. И мне позволили получить приборы – при условии, что я буду помогать коллегам секвенировать участки ДНК для их исследований. Я согласился, поскольку знал, что в NINDS почти нет молекулярных биологов и в нашей помощи особой необходимости не будет. Итак, я купил еще три секвенатора, и моя лаборатория стала крупнейшим центром секвенирования ДНК в мире.

Хотя мне не терпелось немедленно начать работу, очень скоро стало ясно, что у нас нет методики эффективного и экономичного секвенирования. Нужно было выработать стратегию наиболее разумного использования приборов.

Первый путь предполагает изучение максимально длинной последовательности за одну операцию, считывая несколько сотен пар оснований одновременно. Затем, расс матривая код ДНК с конца этой последовательности, создать новый праймер, отмечающий начальную точку, а прибор стал бы считывать следующие несколько сотен пар оснований соседней последовательности ДНК. Этот процесс необходимо повторять снова и снова, до достижения самого конца гена или исследуемого участка ДНК. На работу по этой методике, называемой «блуждающей затравкой», уходило несколько дней, потому что на каждом этапе процесса нужно специально подбирать новый праймер. Выполнение «блуждающей затравки» на секвенаторах ABI занимало еще больше времени и стоило дороже, так как праймеры были не просто участками ДНК, а участками с химически присоединенными флуоресцентными красителями. Я сразу понял – таким методом секвенировать десятки тысяч оснований, не говоря уж о миллиардах оснований в геноме человека, невозможно.

Основной альтернативой методу «блуждающей затравки» было секвенирование «методом дробовика» (шотган-секвенирование), состоявшее в фрагментировании клонов на мелкие участки для последующего секвенирования, а затем выяснении, как эти короткие последовательности снова соединяются вместе. Существовали различные варианты этого метода, отличающиеся тем, как ДНК фрагментировалась на участки. В своей новаторской работе 1982 года по декодированию 48 тысяч пар оснований бактериофага лямбда Фред Сенгер использовал метод дробовика для фрагментирования генома лямбды, хотя и не полностью. Он воспользовался результатами исследования другого нобелевского лауреата, Хэмилтона Смита, который обнаружил фермент рестриктазу – молекулярные ножницы, способные разрезать ДНК на строго определенные участки. Например, рестриктаза ECORI разрезает последовательность GAATTC, но оставляет ее без изменений при замене хотя бы одной буквы в последовательности (например, GATTTC). Разрезая ДНК различными рестриктазами на достаточно малые фрагменты для секвенирования, Сенгер использовал специальную карту ДНК для реконструкции генома лямбды. На карте были видны места на участках ДНК, где действовали ферменты рестрикции. Он использовал их как ориентиры для сопоставления одного участка с другим.

Представьте себе, что произойдет, если разрезать номер газеты The New York Times в соответствии с неким правилом, похожим на способ действия рестриктазы. Вырежем часть текста перед словом «сегодня» везде, где на странице встречается предлог «с». Теперь повторим процесс, но с использованием слов «и» и «что». Даже если человек не умеет читать, он знает, что эти слова (сайты рестрикции) по явились на каждой странице газеты в результате вырезания, и сможет восстановить все страниц{19}. Для вирусов метод рестриктазы Сенгера был единственным приемлемым способом секвенирования, но то была ручная, крайне медленная и утомительная работа, и метод этот вряд ли мог быть использован для секвенирования генома бактерий, не говоря уже о трех миллиардах пар оснований генома человека.