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

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] В русской литературе этод метод называют также «методом дробовика». ». 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} 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). . 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} 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). . 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} 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. . 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} 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. . Вместе с Вёзе мы выбрали Methanococcus как первую архею, геном которой будет секвенирован и проанализирован.