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

Сиквенс не подвел. Геном Methanococcus {93} 93 Bult, C. J., White, O., Olsen, G. J., Zhou, L., Fleischmann, R. D., Sutton, G. G., Blake, J. A., FitzGerald, L. M., Clayton, R. A., Gocayne, J. D., Kerlavage, A. R., Dougherty, B. A., Tomb, J. F., Adams, M. D., Reich, C. I., Overbeek, R., Kirkness, E. F., Weinstock, K. G., Merrick, J. M., Glodek, A., Scott, J. L., Geoghagen, S. M., Weidman, J. F., Fuhrmann, J. L., Nguyen, D., Utterback, T. R., Kelley, J. M., Peterson, J. D., Sadow, P. W., Hanna, M. C., Cotton, M. D., Roberts, K. M. Hurst, M. A., Kaine, B. P., Borodovsky, M., Klenk, H. P., Fraser, C. M., Smith, H. O., Woese, C. R and Venter, J. C. “Complete Genome Sequence of the Methanogenic Archaeon, Methanococcus jannaschii .” Science 372, стр. 1058–1073 (1996). расширил наш взгляд на биологию и генетические богатства планеты. Почти 60 % генов Methanococcus были новыми для науки, ничего не знавшей об их функциях; только 44 % генов напоминали что-то описанное ранее. Некоторые из генов Methanococcus , включая те, которые связаны с основным энергетическим обменом, напоминают те, которые есть у бактериальной ветви жизни. В то же время другие его гены, включая те, что связаны с переработкой информации и репликацией генов и хромосом, лучше всего соответствуют эукариотным генам, в том числе некоторым человеческим и дрожжевым. Наше геномное исследование побывало на первой странице каждой крупной газеты в Америке и широко освещалась в большей части остального мира: The Economist выбрал заголовок «Горячая штучка», в то время как Popular Mechanics возвещала об «Инопланетной жизни на Земле», и ей вторили San Jose Mercury News с заголовком «За пределами научной фантастики» {94} 94 Venter, J. Craig (18.10.2007). A Life Decoded: My Genome: My Life (Kindle Locations 3971–3975). Penguin. Kindle Edition. . Кстати, современные исследования наводят на мысль, что эукариоты – это потомки архей, и если это окажется так, мы опять вернемся к двум главным ветвям жизни {95} 95 Simonetta Gribaldo, Anthony M. Poole, Vincent Daubin, Patrick Forterre & Celine Brochier-Armanet. “The origin of eukaryotes and their relationship with the Archaea: are we at a phylogenomic impasse?” Nature Reviews Microbiology 8, стр. 743–752 (октябрь 2010). DOI: 10.1038/nrmicro2426 .

В том же 1996 году в газетные «шапки» по всему миру попала и НАСА, когда опубликовала то, что некоторые приняли за свидетельство микробной жизни на Марсе. Эверетт Гибсон и его коллеги из агентства объявили, что нашли в метеорите ALH 84001 окаменелость не более нанометра размером. Это было сенсационной находкой, поскольку ALH 84001 был выбит из поверхности Красной планеты и затем упал на Землю примерно тринадцать тысяч лет назад.

Эти сообщения о микробах-марсианах, сопровождаемые интригующими картинками мелких клякс и микроскопических колбасок, еще больше подхлестнули дискуссии о том, из чего может состоять минимальный геном. Наши простые прикидочные расчеты показали, что объем упомянутой «нанобактерии» настолько мал, что просто не может содержать молекулы ДНК или РНК. Теперь уже ясно, что структуры, найденные в ALH 84001 , не имеют отношения к живым существам и что отложения, напоминающие примитивные клетки, могут возникать просто в ходе роста кристаллов {96} 96 Raoult, D., M. Drancourt, S. Azza, et al. (февраль 2008). “Nanobacteria Are Mineralo Fetuin Complexes.” PLoS Pathog. 4 (2): e41. Garcia-Ruiz, J. M., Melero-Garcia, E., Hyde, S. T. (январь 2009). “Morphogenesis of self-assembled nanocry-stalline materials of barium carbonate and silica.” Science 323 (5912), стр. 362–365. .

Следующие несколько лет моя команда продолжала секвенировать множество уникальных видовых геномов, включая тот, на который нас вдохновила новаторская работа австралийца Барри Маршалла. Они с патологом Робином Уорреном считали, что язву желудка вызывает спиралевидная бактерия, позже названная Helicobacter pylori . На меня произвело впечатление упорство Маршалла, работа которого постоянно оспаривалась. Его коллеги не желали верить, что причиной язвы может быть бактерия, а не стресс. В 1984 году Маршалл, вдохновленный своей убежденностью, выпил раствор с бактерией. Вскоре у него начались приступы рвоты и развился гастрит. В конце концов его настойчивость окупилась. Благодаря его исследованию миллионы людей были вылечены антибиотиками вместо ежедневного приема лекарств, снижающих кислотность, – что заодно снизило риск развития рака желудка. Мы опубликовали геном Helicobacter pylori в 1997 году {97} 97 Tomb, J.-F., O. White, A. R. Kerlavage, R. A. Clayton, G. G. Sutton, R. D. Fleischmann, K. A. Ketchum, H. Р. Klenk, S. Gill, B. A. Dougherty, K. Nelson, J. Quackenbush, L. Zhou, E. F. Kirkness, Peterson, B. Loftus, D. Richardson, R. Dodson, H. G. Khalak, A. Glodek, McKenney, K., L. M. Fitzgerald, N. Lee, M. D. Adams, E. K. Hickey, D. E. Berg, J. D. Gocayne, T. R. Utterback, J. D. Peterson, J. M. Kelley, M. D. Cotton, J. M. Weidman, C. Fujii, C. Bowman, L. Whatthey, E. Wallin, W. S. Hayes, M. Borodovsky, Р. D. Karp, H. O. Smith, C. M. Fraser, and J. C. Venter. “The Complete Genome Sequence of the Gastric Pathogen Helicobacter pylori .” Nature 388, стр. 539–547 (1997). , а в 2005-м Маршалл получил Нобелевскую премию по медицине {98} 98 http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/medicine/laureates/2005/marshall-cv.html .

Поскольку одноклеточная жизнь существовала около четырех миллиардов лет, она достигла разнообразия, позволяющего освоить всевозможные места обитания, от морозных антарктических пустынь до горячих кислых источников. Способностью к жизни «на грани» эти организмы, обитающие в крайних условиях, заслужили название «экстремофилов». Прощупывая жизнь у ее пределов, как в случае с Methanococcus , мы надеялись получить больше всего от сравнительной геномики. Следующий экстремофильный геном, который мы секвенировали, был геномом рода Archaeoglobus , живущего в нефтяных месторождениях и горячих источниках. Этот организм использует как источник энергии сульфаты, но может пожирать почти что угодно {99} 99 Klenk, et al. “The Complete Genome Sequence of the Hyperthermophilic, Sulphate-Reducing Archaeon Archae-oglobus fulgidu .” Nature 390, стр. 364–370, 1997. . Наш первый анализ более чем двух миллионов букв его генома показал, что функции четверти его генов были неизвестны (две трети из этих загадочных генов были общими с M. jannaschii ), а еще четверть кодировала новые белки.

Наше секвенирование двух первых бактериальных геномов и одного генома археи, а также публикация большим консорциумом лабораторий генома дрожжей {100} 100 Goffeau, A., B. G. Barrell, H. Bussey, R. W. Davis, B. Dujon, H. Feldmann, F. Galibert, J. D. Hoheisel, C. Jacq, M. Johnston, E. J. Louis, H. W. Mewes, Y. Murakami, P. Philippsen, H. Tettelin, and S. G. Oliver (1996). “Life with 6000 genes.” Science 274 (5287), стр. 546, стр. 563–567. дали миру первый взгляд на геномы всех трех ветвей жизни. Что эти данные говорят нам о базовом наборе ингредиентов жизни? Наши попытки установить минимально необходимые для жизни гены повели нас по нескольким экспериментальным путям. Наш изначальный план был подойти к пониманию минимальной самовоспроизводящейся формы жизни с разных сторон. Окончательным решением был бы синтез генома, но пока нам было нужно очень много информации об основах клеточной жизни, которой не было в научной литературе.

Самым очевидным подходом было вырубать гены в геноме M. genitalium , чтобы установить, какие из них существенны: удалите или отключите ген, и если организм продолжает жить, вы можете считать, что этот конкретный ген не играет критической роли; если же организм умирает, то ген был явно существенным. Идея была проста и ранее успешно применялась к разным видам. Марио Капеччи из Университета Юты, Оливер Смитис из Университета Северной Каролины и Мартин Эванс из Кардиффского университета в Великобритании получили в 2007 году Нобелевскую премию за разработанную ими в 1980-х технологию создания «нокаутных» мышей, у которых избирательно отключен один или несколько генов.