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

Синтетические олигонуклеотиды химическими методами можно соединять в более длинные куски ДНК. Когда мы впервые начали обсуждать синтез целого генома, самые длинные куски ДНК, которые удавалось сделать, были длиной в несколько тысяч пар оснований. Чтобы выстроить геном жизнеспособного организма, от нас требовалось химически синтезировать и собрать почти шестьсот тысяч пар оснований. Мы поняли: чтобы достичь этой цели, нам придется разрабатывать новые методы. Чтобы посмотреть, реальна ли наша идея хоть в каком-то приближении, мы решили, что надо попробовать сделать небольшой тестовый проект. Мы выбрали для синтеза геном бактериофага phi X 174 . Помимо того, что это был первый секвенированный ДНКовый вирус, почти тридцать лет назад другая команда уже сделала примечательную и успешную попытку скопировать этот одноцепочечный геном с помощью ферментов.

Хотя большинство людей никогда не слышали о phi X 174 , этот простой бактериофаг уже завоевал место в истории. Фаг был первым ДНКовым вирусом, подвергшимся секвенированию, и первым, чей геном искусственно скопировали и активировали. Найденный в парижской канализации {103} 103 Синшаймер: «Два самых маленьких бактериальных вируса, согласно литературным данным, – это открытый в Англии S13 и открытый во Франции phi X 174 . Вы можете спросить: «И как же они были открыты?» Ну, люди просто вроде как классифицировали вирусы. Они брали немного стоков из парижской канализации и смотрели: сколько там можно найти вирусов, на каких хозяевах, то есть клетках, их можно растить и на что будут похожи образуемые ими пятна лизиса. Название «phi X 174 » означает, что это был 174-й полученный ими вирус в десятой серии фагов – и только. Ничего, кроме этого, оно не значит. Это была десятая серия проводимых ими экспериментов; X – это просто “десять”». http://oralhistories.library.caltech.edu/33/0/OH_Sinshei-mer.pdf phi X 174 поражает бактерию из человеческого кишечника E. coli . Можно удивиться, почему так много внимания уделено такому вроде бы неприметному вирусу, но причина проста: в этом вирусе, если изучать его на молекулярном уровне, почти ничего нет. Phi X 174 состоит из хромосомы – кольцевой молекулы ДНК, в которой всего 11 генов, – упакованной в икосаэдрическую «одежку» из белков, включая дюжину пятиугольных «шипов». Хотя под электронным микроскопом фаг выглядит красивым, как цветок, на самом деле это холодная геометрическая форма. Вирус не живее кристалла соли. Его жизненный цикл таков: фаг впрыскивает свою ДНК в бактериальную клетку, где она перехватывает управление биохимической машиной клетки, заставляя ее производить множество новых вирусов. Затем потомство вырывается из клетки, будучи готово заразить еще больше бактерий E. coli .

До появления секвенирования ДНК и даже до того, как стало известно строение генома фага, вирус в 1960 году воссоздала в лаборатории Стэнфордского университета группа под руководством биохимика Артура Корнберга. Ключом к этому достижению стало открытие Корнбергом ДНК-полимеразы, главнейшего фермента для репликации ДНК. Лаборатория Корнберга, используя новооткрытый фермент, начала копировать ДНК in vitro . Судя по статьям Корнберга, его команда сначала попыталась скопировать бактериальный геном, но успеха не имела из-за неспособности полимеразы прочесть безостановочно насквозь весь геном, который состоит из миллионов оснований ДНК.

После провалившегося эксперимента Корнберг решил сделать то, что тридцать лет спустя собиралась сделать моя группа: он поставил себе целью воспроизвести какую-нибудь ДНК попроще, а именно phi X 174 . К тому времени один из первопроходцев в генном синтезе и секвенировании, Роберт Синшаймер открыл некоторые важные детали в жизненном цикле фага. Хотя ДНК вируса phi X 174 состоит из одной кольцевой цепочки, Синшаймер обнаружил, что немедленно после заражения хозяина ферменты бактерии превращают кольцевую ДНК в привычную линейную двойную спираль. Это открытие высветило проблему, с которой столкнулся Корнберг при попытках сделать копию вирусного генома: хотя ДНК-полимераза может скопировать весь геном phi X 174 (5386 пар оснований) в линейной форме, она не может создать инфекционную кольцевую форму. Мы все знаем, как превратить линию в окружность, но сделать это на молекулярном уровне полвека назад было для ученых не так просто.

Природа, конечно, превзошла мастерство, и несколько групп ученых, включая команду Корнберга, стали искать бактериальный фермент, который мог бы соединить два конца линейной двухцепочечной ДНК, чтобы превратить ее в замкнутую окружность, наподобие молекулярного уробороса. Этот поиск завершился в 1967 году, когда пять групп открыли ДНК-лигазу – фермент, который мог замкнуть ДНК в колечко. К концу года Корнберг использовал ДНК-лигазу для соединения концов ДНК phi X 174 , скопированной ДНК-полимеразой. Воспроизведенная ДНК теперь могла заразить бактерию. Вот так Корнберг преуспел в копировании генома phi X 174 , закольцевав его, использовав ферментативно скопированную ДНК для заражения E. coli и продуцирования множества копий этого вируса.

Он, конечно, знал в общих чертах свой объект, но не знал состава генома phi X 174 – последовательности ДНК. Корнберг понял, что он «оживил», лишь спустя десять лет, в 1977 году, когда группа Фреда Сэнгера использовала ДНК-полимеразу в своем новом методе секвенирования, применив ее к геному phi X 174 . Тем не менее работа Корнберга стала сенсацией. 14 декабря 1967 года Стэнфордский университет организовал пресс-конференцию Корнберга, приурочив ее к публикации его статьи в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences . Организаторы попросили журналистов не называть его достижение «синтетической жизнью», поскольку вирусы – не живые существа; они могут размножаться только при помощи других организмов. Но, как оказалось, предупредили не всех.

В тот же день президент Линдон Джонсон должен был произнести речь в Смитсонианском институте на праздновании двухсотлетия Encyclopaedia Britannica {104} 104 http://www.presidency.ucsb.edu/ws/index.php?pid=28606#axzz1ufDunxa6 , и его спичрайтер попросил Стэнфорд дать ему абзац про работу над ДНК. Просьба была выполнена, но когда Джонсон начал читать подготовленную речь, он резко отложил ее в сторону и не смог сдержать волнения, рассказывая аудитории о новостях, которые вот-вот должны были появиться в газетных шапках: