Карл Циммер - Она смеется, как мать [Могущество и причуды наследственности] [litres]

Шелл постепенно усовершенствовал свои инбредные сорта и обнаружил, что после нового скрещивания гибрид оказывался еще лучше. Ученые до сих пор спорят, почему методу Шелла сопутствовал успех. Вероятно, применяя его, Шелл избавлялся от вредных рецессивных мутаций и сохранял желаемые черты. Возможно также, что для кукурузы и некоторых других растений было лучше, если в них работали две версии какого-то определенного белка, а не одна. Но когда Шелл начал публиковать свои результаты, стало совершенно ясно, что его метод позволит фермерам получать больший урожай от своих растений. Это было именно то, что Бёрбанк изначально называл смыслом своей жизни.

К 1920-м гг. многие растениеводы последовали примеру Шелла, и вскоре фермеры Среднего Запада засеяли свои поля гибридной кукурузой. Она не только давала больше зерна с акра, но и лучше выдерживала бушевавшие в то время пыльные бури, нежели более старые сорта. К концу XX в. с помощью метода Шелла селекционеры сумели повысить урожайность в пять раз. При этом разнообразие аллелей у кукурузы оставалось вполне достаточным, чтобы в течение долгих лет можно было получать гибриды еще более отменного качества.

Именно понимание закона Менделя позволило Шеллу создать свой кукурузный гибрид. Но бóльшую часть работы ботаник проделал вслепую. Он не знал, какие гены отбирает, как они улучшают кукурузу. Он просто смешивал уже имеющиеся аллели и получал свои новые комбинации.

В течение прошедших с тех пор без малого 100 лет исследователи постепенно учились управлять наследственностью. Некоторые смогли даже дотащить до кукурузных полей рентгеновские аппараты для облучения метелок. Излучение запускало образование новых мутаций, в силу чего изменялись потомки этих растений. С помощью мутагенеза, как стали называть этот метод, были получены новые сорта груши, мяты, подсолнечника, риса, хлопка и пшеницы [1038] Broad 2007. . Обработка лучами колосьев ячменя в итоге привела к появлению новых разновидностей пива и виски. Кроме того, ученые использовали рентгеновское излучение, чтобы создать штаммы плесени, производящие пенициллин высшего качества [1039] Adrio and Demain 2006; Raper 1946. .

Однако даже эти достижения все еще зависели от слепой случайности. Наследственность оставалась игровым автоматом, а мутагенез дал лишь дополнительный горшочек с монетками, чтобы ученые смогли продолжить игру. Чем чаще дергать за рычаг, тем больше вероятность, что вот-вот выпадет три семерки. Такая ситуация сохранялась до 1960-х гг., пока микробиологи не открыли молекулярный инструмент, позволяющий точно управлять наследственностью [1040] Zimmer 2008a. .

У многих видов бактерий есть специальные белки-рестриктазы, которые распознают определенную последовательность нуклеотидов в ДНК и разрезают молекулу строго в этом месте. Микроорганизмы используют свои рестриктазы для самозащиты, точнее говоря, они разрушают ДНК внедрившихся вирусов. Поколдовав с этими белками, ученые обнаружили, что их можно применять для вырезания участков ДНК, в том числе человеческих генов. Такой вырезанный ген удавалось встроить в плазмиду – кольцевую структуру ДНК, а затем исследователи могли отправить ее в бактерию.

В конце 1970-х гг. ученые создали штамм бактерий, в которые был встроен ген человеческого инсулина. Исследователи могли использовать бродильные чаны, где росли такие бактерии, в качестве живых фабрик по производству инсулина. Аналогичными методами и другие ученые решали множество задач – от противовирусной защиты сельскохозяйственных культур до моделирования на мышах человеческих наследственных заболеваний.

Однако к этим достижениям вел долгий путь, полный изнурительного труда и безуспешных попыток. Ученым могли понадобиться годы, чтобы найти ген, который необходимо перенести от одного вида к другому, и еще годы, чтобы загрузить этот ген на носитель, способный преодолеть видовой барьер. И пусть вы знаете, как перенести ген к одному виду, – это может не сработать в случае другого вида. Метод, позволяющий импортировать гены медузы в крысу, неприменим для переноса генов нарцисса в рис.

Даже если исследователям и удавалось доставить ген в новое место, их все равно могла подстерегать неудача. Ученые почти не умели контролировать, куда конкретно в ДНК встроится новый ген. Он мог оказаться там, где стал бы работать стабильно, а мог и попасть в гущу других генов, повредив их и убив таким образом нового хозяина. Хотя ни одна из этих проблем не вынесла генной инженерии смертного приговора, они сделали данную отрасль весьма дорогостоящей и не позволили ей выйти за пределы лабораторий, где ученые добывали знания своим нелегким трудом.

Только в 2013 г., через более чем 100 лет после работы Шелла с гибридной кукурузой, ученые сообщили об открытии универсального дешевого способа управлять наследственной информацией почти любого вида. Но не они изобрели его. Как и открытые ранее рестриктазы, то была система молекул, которую бактерии уже использовали миллиарды лет, чтобы менять свою наследственность.

В один из дней 2006 г. Дженнифер Дудна сидела в своем кабинете Калифорнийского университета в Беркли, когда ей неожиданно позвонили [1041] Doudna and Sternberg 2017; Doudna and Charpentier 2014. . Микробиолог из того же университета Джиллиан Бэнфилд хотела обсудить с ней какой-то криспер .

Дудна не поняла, о чем речь и чего от нее хотела собеседница. Однако Бэнфилд, занимавшаяся поиском новых видов бактерий на вершинах гор и океанском дне, была ученым, с которым без сомнения имело смысл поговорить. В то время Дудна занималась молекулами РНК, которые были синтезированы бактериями, человеком и другими организмами. Бóльшая часть ее работы проходила в тишине и покое, защищенных стенками лабораторной пробирки. Бэнфилд могла поделиться с ней информацией о мире за пределами пробирки.

На следующей неделе Дудна и Бэнфилд встретились в кафе. Бэнфилд рассказала Дудне о системе CRISPR – по крайней мере, все то, что было известно к 2006 г. Она нарисовала для Дудны в блокноте схему, где показала повторяющиеся последовательности ДНК с различающимися ДНК-вставками между ними, которые можно увидеть у некоторых бактерий.

В то время Бэнфилд описывала участки CRISPR у одного вида за другим. И она заметила, что некоторые из этих ДНК-вставок имеют вирусное происхождение. Другие ученые начали проверять предположение, что CRISPR – это своего рода защитная система, которую бактерии используют против вирусов и которая может передаваться по наследству. Но никто не знал, как она работает. Была версия, что для поиска вирусов бактерии синтезируют молекулы РНК. А поскольку Дудна была опытным специалистом по бактериальной РНК, Бэнфилд решила узнать, не захочет ли та помочь разобраться.