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

Это будет одна из самых важных историй, которые когда-либо читали вы, или ваш папа, или ваш дедушка… Эти люди открыли фундаментальный секрет жизни. Это потрясающее достижение. Оно широко распахивает двери к новым открытиям в борьбе с болезнями, в строительстве намного более здоровой жизни для всех людей. Это может быть первым шагом – как говорят эти великие гении из лаборатории – к контролю над некоторыми видами рака в будущем.

Президент также рассмотрел ситуацию, когда государство может «учреждать жизнь», обладая властью, которую раньше считали прерогативой природы или даже бога: «Это, наверное, станет одной из великих проблем – и одним из важнейших решений. Те решения, что принимает нынешний президент, – это детский сад по сравнению с теми, которые предстоят будущему президенту». После такой речи неудивительно, что заголовки газет по всему миру провозгласили рождение первой синтетической жизни {105} 105 The Arthur Kornberg Papers. “Creating Life in the Test Tube,” 1959–1970. National Library of Medicine. Kornberg DNA synthesis references: “Closer to Synthetic Life.” Time , 90 (22 декабря 1967), стр. 66. “Viable Synthetic DNA.” Science News , 92 (30 декабря 1967), стр. 629–630. .

Мне посчастливилось ознакомиться с приведенным выше пассажем о «тайне жизни» на десятки лет позже – в 2010 году, когда мы объявили о первой синтетической клетке и научный журналист Джо Палка готовил интервью со мной для Национального общественного радио. (История, которую президент приветствовал как самую важную на поколения вперед, прошла мимо меня – в дни, когда это было главной новостью, я служил санитаром во флотском госпитале в Дананге, во Вьетнаме.) Я подумал, что эта забавная история – восхитительная находка, прекрасно иллюстрирующая как преемственность научного мышления – в данном случае в деле полного понимания жизни путем ее воссоздания, – так и неизбежные трудности донесения до публики действительно волнующих научных результатов без преувеличения и срыва в рекламу. Я когда-то знал Корнберга через руководителя моей диссертации Натана (Нэйта) Каплана. Я задумался: что сделал бы Корнберг, будь в его распоряжении те замечательные возможности геномики, что последовали за его ранними экспериментами?

Опыты с воссозданием ДНК-вирусов на матрице оригинального вирусного генома позже были распространены на более примитивные РНК-вирусы, такие как вирус полиомиелита, и на ретровирусы – такие как ВИЧ. У последних носителем наследственности тоже служит РНК, но они дублируют ее в геном клетки-хозяина с помощью фермента, переписывающего РНК на ДНК. Открытие этого фермента – обратной транскриптазы – в 1970 году стало результатом исследования опухолеродных РНК-вирусов и сильно поколебало центральную догму «ДНК→РНК→белок». За независимое открытие обратной транскриптазы Ховард Мартин Темин из Университета Висконсина в Мэдисоне и Дэвид Балтимор из Массачусетского технологического института (МТИ) поделили Нобелевскую премию 1975 года по физиологии и медицине.

Среди РНК-вирусов есть и бактериофаги; один из них, фаг Qβ (Ку-бета), был первым вирусом, воссозданным в лаборатории с помощью обратной транскриптазы. Этот опыт был кульминацией замечательной работы швейцарского молекулярного биолога Чарльза Вайссмана, который, вероятно, больше известен своими исследованиями прионов в Цюрихском университете и получением белка интерферона с применением технологии рекомбинантной ДНК в 1980 году, через несколько лет после основания первой биотехнологической компании Genentech {106} 106 Nagata, S., H. Taira, A. Hall, L. Johnsrud, M. Streuli, J. Ecsodi, et al. “Synthesis in E. coli of a polypeptide with human leukocyte interferon activity.” Nature, 1980, 284, стр. 316–320. . Ранние новаторские попытки Вайссмана и Мартина Биллетера секвенировать РНК в 1969 году {107} 107 Billeter, M. A., J. E. Dahlberg, H. M. Goodman, J. Hindley, and C. Weissmann. “Sequence of the first 175 nucleotides from the 5 terminus of Qbeta RNA synthesized in vitro.” Nature, 1969, 224, стр. 1083–1086. воодушевят Фреда Сэнгера {108} 108 Weissmann, Charles. “End of the Road.” Prion, 1 апреля 2012; 6 (2), стр. 97–104. DOI: 10.4161/pri.19778 . Позже, работая с Ричардом Флоуэллом, Вайссман в 1974 году проложит путь к тому, что сегодня называют «обратной генетикой»: изучению того, как влияют на организм те или иные изменения генетического текста (в противоположность классической генетике, где выявляют мутантный организм, а затем прослеживают ответственную за это мутацию в ДНК).

В том же 1974 году начался и прогресс в копировании РНК-вирусов, когда Вайссману и Тадацугу Танигучи удалось получить комплементарную двухцепочечную ДНК-копию (кДНК) с РНК фага Qβ, которую потом они вставили в плазмиду-переносчик. К «удивлению и радости» Вайссмана, плазмида, внедренная в E. coli, дала потомство из заразных Qβ-фагов. Такое удалось проделать впервые {109} 109 Taniguchi, T., M. Palmieri, and C. Weissmann. “QB DNA-containing hybrid plasmids giving rise to QB phage formation in the bacterial host.” Nature, 1978, 274, стр. 223–228. . Возможность делать вирусную кДНК позволила бы проводить генетические манипуляции, которые нельзя выполнить на уровне РНК, то есть применять к РНК-вирусам технологию рекомбинантной ДНК. Несколько лет спустя Винсент Раканьелло и Дэвид Балтимор повторили этот эксперимент в МТИ, используя очищенную РНК вируса полиомиелита и человеческие раковые клетки: они тоже получили аутентичные вирусные частицы {110} 110 Racaniello, V. R., and D. Baltimore. (1981a). “Molecular cloning of poliovirus cDNA and determination of the complete nucleotide sequence of the viral genome.” Proc. Natl. Acad. Sci. USA 78, стр. 4887–4891. . Со времени этой работы были опубликованы генетические тексты вирусов почти из каждого вирусного семейства, в том числе вирусов гепатита С {111} 111 См. 9-ю сноску в “Efficient Initiation of HCV RNA Replication in Cell Culture.” Keril J. Blight, Alexander A. Kolykhalov, and Charles M. Rice. Science 8, декабрь 2000, 290 (5498), стр. 1972–1974. , бешенства, гриппа А, кори, Эболы, респираторного синцитиального вируса, буньявируса и вируса гриппа, вызвавшего пандемию 1918 года {112} 112 Wimmer, Eckard, Steffen Mueller, Terrence M. Tumpey, and Jeffery K. Taubenberger. “Synthetic viruses: a new opportunity to understand and prevent viral disease.” Nat. Biotechnol., декабрь 2009; 27 (12), стр. 1163. .

Обратная транскриптаза и ДНК-полимераза внесли вклад и в улучшение методов чтения генетических текстов. Обратная транскриптаза обычно используется для создания кДНК из мРНК, что позволяет секвенировать ДНК работающих (экспрессирующихся) генов. Это тот же метод, что я использовал в своем подходе «экспрессированных меток сиквенса» (EST) . От phi X 174 Сэнгера через H. influenzae и до человеческого генома ДНК-полимераза играла ключевую роль в секвенировании ДНК. Чтобы прочитать три миллиарда оснований человеческого генома, моя группа разработала «полногеномное секвенирование методом дробления», основанное на разбивке генома на мелкие кусочки, которые легко прочитать машинами для секвенирования ДНК. В 1999 году, чтобы прочесть двадцать пять миллионов таких отдельных «строчек» и собрать из них полный геном человека, потребовалось девять месяцев. Сегодня, после появления ряда новых технологий, чтение ДНК так продвинулось, что позволяет на одном настольном приборчике сделать сиквенс человеческого генома за один день.