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

Он четко и кратко аргументировал, что жизнь должна подчиняться законам физики и что, следовательно, можно использовать физические законы, чтобы делать важные выводы о сущности жизни. Шрёдингер указал, что хромосомы должны содержать «в виде своего рода шифрованной записи весь “план” будущего развития индивидуума и его функционирования в зрелом состоянии». Он предположил, что эта запись должна представлять собой «высокоупорядоченную ассоциацию атомов, наделенную достаточной устойчивостью для длительного сохранения своей упорядоченности», и объяснил, как сумма атомов в «апериодическом кристалле» может нести достаточно информации для наследственности. Он использовал термин «кристалл», чтобы подчеркнуть стабильность, и характеризовал его как «апериодический», который, в отличие от периодического, с повторяющейся структурой (как объясняла The Irish Times , это как сравнивать сложный гобелен и рулон обычных обоев), мог бы нести большую информационную нагрузку. Шрёдингер утверждал, что для того, чтобы содержать много информации, этот кристалл не обязан быть слишком сложным и может быть таким же простым, как бинарный код вроде азбуки Морзе. Насколько я знаю, это первое упоминание того факта, что генетический код может быть простым, как бинарный.

Одно из самых примечательных свойств жизни – это ее способность создавать порядок: ваять сложное и упорядоченное тело из химического хаоса, окружающего нас. На первый взгляд эта способность кажется чудом, которое бросает вызов мрачному второму закону термодинамики, гласящему, что всё стремится соскользнуть от порядка к беспорядку. Но этот закон приложим только к закрытой системе вроде запечатанной пробирки, а живые существа – это открытые системы (или маленькие части большой закрытой системы), обменивающиеся веществом и энергией со своим окружением. Они тратят много энергии, чтобы создавать порядок и сложность в виде клеток.

Шрёдингер посвятил большую часть своей лекции термодинамике жизни – теме, в ту пору недостаточно изученной для его прозрений в генетике и молекулярной биологии. Он описывал удивительный дар живого «концентрировать на себе “поток порядка”, избегая таким образом распада в атомный хаос» и «пить упорядоченность» из подходящей среды. Он выяснил, какое отношение к этому подвигу креативности имеют «апериодические твердые тела». В кодированном тексте заложены средства, способные изменить близлежащие химические вещества таким образом, чтобы запрячь вихри в великом потоке энтропии и заставить их жить в виде клетки или организма.

Гипотеза Шрёдингера вдохновила ряд физиков и химиков обратить внимание на биологию – после того как они разочаровались во вкладе своих наук в проект «Манхэттен», создание атомной бомбы во время Второй мировой войны. Когда Шрёдингер читал свои лекции, научный мир считал, что основу генетического материала составляют не ДНК, а белки. В 1944 году появилось первое явное свидетельство того, что на самом деле носитель информации – не белок, а ДНК. Книга Шрёдингера подтолкнула американца Джеймса Уотсона и британца Фрэнсиса Крика на поиск этой «кодированной записи», что в конечном итоге привело их к открытию самой прекрасной структуры во всей биологии – двойной спирали ДНК, внутри которой лежат все тайны наследственности. Каждая цепочка двойной спирали комплементарна второй, и при этом они идут в противоположных (антипараллельных) направлениях. В результате двойная спираль способна „расстегиваться“ посередине, и каждая сторона может служить матрицей или образцом для другой, и так информация ДНК будет копироваться и передаваться потомству. В 1953 году, 12 августа, Крик послал Шрёдингеру письмо, в котором говорилось об этом, с добавлением: «Ваш термин „апериодический кристалл“, похоже, будет очень подходящим».

Детали того, как именно работает этот носитель информации, были открыты и затем подробно разобраны в 1960-х. Это привело к формулированию Криком в 1970 году «центральной догмы», определившей пути, по которым генетическая информация течет через биологические системы. В 1990-х я возглавлю группу, которая прочитает первый геном живой клетки, а потом одну из двух групп, которая прочитает человеческий геном в широко разрекламированной, часто жаркой, раздраженной и политизированной гонке с Уотсоном и другими. На рубеже тысячелетий мы на самом деле впервые увидели замечательные детали апериодического кристалла, содержащего зашифрованную запись человеческой жизни.

В мысли Шрёдингера неявно подразумевалось, что эта запись посылала свои сигналы с момента зарождения жизни, имевшего место больше четырех миллиардов лет назад. Рассмотрев эту идею подробнее, биолог и писатель Ричард Докинз предложил впечатляющий образ реки, текущей из Эдема {4} 4 Dawkins, Richard (1995). River Out of Eden . New York: Basic Books. ISBN0–465–06990–8. . Эта медленная река состоит из информации, из рецептов для построения живых существ. Точность копирования ДНК не абсолютна, и случавшиеся в череде поколений повреждения, вызванные кислородом или ультрафиолетом, породили достаточно замен в ДНК, чтобы обеспечить внутривидовую изменчивость. В результате река ветвится и раздваивается, порождая бесчисленные новые виды в течение миллиардов лет.

Полвека тому назад великий эволюционный генетик Мотоо Кимура прикинул, что количество генетической информации за последние пятьсот миллионов лет возросло на сто миллионов бит {5} 5 Kimura, Motoo (1961). “Natural selection as the process of accumulating genetic information in adaptive evolution.” Genetical Research , 2, стр. 127–140. . Запись в ДНК стала доминировать в биологической науке до такой степени, что в XXI веке биология стала информационной наукой. Сидней Бреннер, южноафриканский биолог, лауреат Нобелевской премии, заметил, что генетическая запись «должна сформировать ядро биологической теории» {6} 6 Brenner, Sydney. “Life’s Code Script.” Nature 482, стр. 461, 23 февраля 2012. . Систематики теперь используют штрих-коды ДНК, чтобы удобнее было отличать один вид от другого {7} 7 Kress, W. J., and D. L. Erickson (2008). “DNA barcodes: Genes, genomics, and bioinformatics.” PNAS1 05 (8), стр. 2761–2762. . Другие начали использовать ДНК для вычислений {8} 8 Qian, Lulu, and Erik Winfree. “Scaling Up Digital Circuit Computation with DNA Strand Displacement Cascades.” Science, 3 июня 2011, 332 (6034), стр. 1196–1201. или как средство хранения информации {9} 9 Church, George M., Yuan Gao, and Sriram Kosuri. “Next-Generation Digital Information Storage in DNA.” Science 28, сентябрь 2012, 337 (6102), стр. 1628. Опубликовано онлайн 16 августа 2012. . Я руководил попытками не только читать цифровую программу жизни, но и писать ее, имитировать на компьютере и даже переписывать ее, чтобы сформировать новые живые клетки.

Почти через семьдесят лет после исходных лекций Шрёдингера, 12 июля 2012 года, я очутился в Дублине по приглашению Тринити-колледжа. Меня попросили вернуться к великой теме Шрёдингера и попытаться рассказать о том, как сейчас понимают и дают определение жизни, основываясь на современной науке. До сих пор этот вопрос по очевидным причинам интересует всех, и у меня тоже есть свой сугубо личный интерес. Будучи молодым санитаром во Вьетнаме, я усвоил, к своему изумлению, что разница между одушевленным и неодушевленным может быть очень тонкой: маленький кусочек ткани может отделять живую дышащую личность от трупа; даже при хорошем медицинском уходе выживание может частично зависеть от позитивного настроя пациента, от того, что он весел и оптимистичен, что доказывает, что из комбинаций живых клеток может возникать сложность более высокого порядка.

Читать дальше