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

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} 59 https://pictures.royalsociety.org/image-rs-6108 (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} 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 . 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} 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). , 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} 62 Piccolino, Marco. “Biological machines: from mills to molecules.” Nature Reviews Molecular Cell Biology 1, стр. 149–152 (ноябрь 2000). . 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.