Микрокосм. E. coli и новая наука о жизни - Карл Циммер

«Разумеется, именно в результате вторжения Porphyrococcus море приобрело фиолетовый цвет, который сегодня кажется нам столь естественным, но который очень расстраивал эстетически настроенную часть наших прародителей, бывших свидетелями перемены, — писал Холдейн. — Нам, конечно, любопытно читать о том, что море когда‑то было голубым или зеленым».

Следующие 50 лет ученые разрывались между надеждой и страхом. Некоторые надеялись, что биотехнологии помогут человечеству создать альтернативу загрязненному современному миру, работающему на ядерной энергии; они придумали для себя утопию, в которой бедные страны могли обеспечить себе пищу и здоровье, не разрушая собственных природных ресурсов. Тем не менее идея о том, что можно заново написать рецепт жизни, вызывала у некоторых не восторг, а отвращение. Да, возможно, ученым удастся создать съедобный штамм дрожжей, способных питаться нефтью. Но кто же захочет его есть?

Помимо ученых, мало кто принимал все эти рассуждения сколько‑нибудь всерьез. Несмотря на все успехи биотехнологий, к 1970 г. не наблюдалось никаких признаков того, что жизнь в обозримое время может измениться. А затем, совершенно неожиданно, ученые осознали, что могут менять генетический код по своему желанию и создать химеру, совместив в одном организме гены разных видов. И они вместе с E. coli занялись преобразованием нашей жизни. Девиз Моно приобрел еще одно значение: если ученые могут конструировать штаммы E. coli методами генной инженерии, то есть все основания полагать, что когда‑нибудь они доберутся и до слонов.

Вырезать и вставить

До 1970 г. E. coli не играла в биотехнологиях никакой роли. В природе она не производила пенициллин или какое‑нибудь другое ценное вещество. Она не превращала ячмень в пиво. Целью большинства ученых, исследовавших в те времена E. coli, была не прибыль, а знания о том, как устроены живые организмы. Они много узнали о том, как E. coli при помощи генов строит молекулы белков, как включаются и выключаются эти гены, как белки обеспечивают жизнь бактерии. Но, чтобы понять, как живет E. coli, им пришлось изготовить инструменты, при помощи которых с бактерией можно было работать. Со временем с помощью этих же инструментов ученые будут не только исследовать жизнь, но и зарабатывать состояния.

Возможности генетического конструирования застали специалистов по E. coli практически врасплох. В конце 1960–х гг. биолог Джонатан Беквит из Гарварда занимался исследованием lac — оперона — набора генов, которые включает E. coli, переходя на утилизацию лактозы. Чтобы разобраться в природе бактериального переключателя,

Беквит решил «вырезать» оперой из хромосомы E. coli. Он воспользовался тем фактом, что некоторые вирусы, инфицирующие эту бактерию, иногда случайно копируют lac — оперон вместе с собственными генами. Беквит с коллегами разделил двойные спирали ДНК двух разных вирусов и свел вместе по одной нити от каждого вируса. На участках, содержащих lac — оперон, нуклеотидные последовательности были комплементарными и смогли соединяться. Остальные части ДНК остались в виде одинарных нитей. Беквит с коллегами добавил к смеси вирусов вещества, разрушающие одинарные нити ДНК, и получил чистый оперон. Впервые в истории человеку удалось выделить определенные гены.

22 ноября 1969 г. Беквит встретился с прессой и объявил о своем открытии. И сообщил всему миру о том, что глубоко встревожен собственным достижением. Если он смог выделить гены из E. coli, то, возможно, в скором времени кто‑то другой обернет его метод во зло — создаст с его помощью новую чуму или сконструирует новые разновидности человека. «Сегодня таких методов не существует, — сказал он, — но, скорее всего, пройдет не так уж много времени, и их можно будет использовать. Становится все страшнее и страшнее — особенно когда видишь, как наше правительство использует результаты биологических исследований во Вьетнаме, разрабатывает химическое и биологическое оружие».

Беквит мелькнул крупными заголовками на первых полосах The New York Times и других газет и пропал. Споры об опасностях генной инженерии смолкли. Ученые, не думая об опасности, вернулись к поискам новых способов работы с генами. Те, кто изучал человека, с завистью смотрели на инструменты, при помощи которых Беквит и его товарищи экспериментировали на E. coli.

Для исследования одного — единственного мышиного гена ученому может потребоваться ДНК сотен тысяч мышей. В результате было очень мало известно о том, каким образом генетическая информация в клетках животных транслируется в белки. Еще меньше было известно о самих генах — к примеру, о том, сколько их у человека или какую функцию каждый из них выполняет.

Пол Берг из Стэнфордского университета много лет посвятил изучению того, как E. coli синтезирует молекулы, и в конце 1960–х гг. его всерьез заинтересовал вопрос о том, нельзя ли применить те же методы для исследования клеток животных. В то время ученые изучали новые типы вирусов, навсегда поселившихся в хромосомах животных. Эти вирусы имеют огромное значение для медицины, потому что способны заставить клетки хозяина бесконтрольно размножаться и порождать опухоли. Берг увидел сходство между этими вирусами животных и некоторыми из вирусов, инфицирующих E. coli. В 1950–е гг. ученые выяснили, как можно использовать вирусы бактерии E. coli для переноса генов от одного хозяина к другому. Берг хотел узнать, нельзя ли заставить вирусы животных служить переносчиками генов.

Берг начал экспериментировать с канцерогенным вирусом обезьян SV40. Для начала нужно было придумать, каким образом можно встроить дополнительный ген в вирусную ДНК. Берг решил, что для этого ему придется разрезать кольцевую хромосому SV40 в строго определенном месте. Однако молекулярного ножа, при помощи которого можно было бы осуществить эту операцию, у него не было.

По случайному совпадению именно в тот момент другие ученые обнаружили такой нож. В 1960–е гг. у E. coli были открыты ферменты рестрикции, которые связывались с определенной короткой последовательностью нуклеотидов и разрезали чужеродную ДНК. Среди исследователей, совершивших это открытие, был и Герберт Бойер, микробиолог из Калифорнийского университета в Сан — Франциско. Бойер предоставил Бергу недавно открытый фермент рестрикции, названный EcoRl.

Берг с коллегами сумели при помощи EcoRl расщепить хромосому вируса SV40. К одному из концов ДНК вируса SV40 ученые добавили ДНК бактериофага лямбда, паразитирующего на E. coli. Чтобы сшить два фрагмента ДНК воедино, Берг с коллегами добавил к концу каждого фрагмента некоторое количество нуклеотидов, азотистые основания которых могли образовывать с концом другого фрагмента комплементарные связи. В результате всех этих операций получился искусственный вирусный гибрид. Строго говоря, это был гибрид трех видов, потому что бактериофаг лямбда включил в свой геном и некоторые участки ДНК хозяина — E. coli.

Поскольку у гибрида присутствовали гены фага лямбда, отвечающие за внедрение в клетку E. coli, Берг решил проверить, сможет ли гибрид тоже проникнуть в бактерию. Он попросил одну из своих студенток, Дженет Мерц, разработать план эксперимента. Для Берга и Мерц тот эксперимент начался как попытка получить ответ на еще один интересный вопрос. Но остальные, узнав об их планах, пришли в ужас.

Одним из первых, кто поделился с Бергом своим беспокойством по этому поводу, стал специалист по биоэтике Леон Касс. Когда‑то он, как и Берг, работал с E. coli, но затем разочаровался в науке, увидев, как стремительно расширяются ее достижения и как мало при этом внимания уделяется этической стороне дела. Касс предостерег Берга, сказав, что манипулирование генами может завести человечество в моральный тупик. Если биологи научатся встраивать гены в человеческий зародыш, родители получат возможность заранее выбирать характеристики своих детей. Они не ограничатся модификацией генов, которые, к примеру, ответственны за развитие таких болезней, как серповидноклеточная анемия или другие наследственные генетические заболевания. Они захотят улучшить даже совершенно здоровых детей.

«Достаточно ли мы разумны, чтобы ставить под угрозу равновесие генетического банка?» — задал вопрос Касс.

Берг отмахнулся от этого предупреждения, но, когда сомнения начали высказывать и другие специалисты по вирусам, он призадумался. Мерц объяснила остальным исследователям, как именно они с Бергом собирались создать своеобразную матрешку: SV40 в фаге лямбда, фаг лямбда в E. coli. Один из коллег ответил: «Ну да, а E. coli в человеке».