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

Сегодня генная инженерия превратилась в то, что более известно как синтетическая биология. Различие между биологией молекулярной и синтетической стерто, и в большинстве применений реальной разницы нет. «Синтетическая биология» просто звучит привлекательнее – точно так же физиология заместилась «биологией систем», а некоторые вполне традиционные химики предпочли переназвать свою работу нанотехнологией. Но как ни назови, а по всему земному шару множество ученых занимается генной инженерией, сочетая биологию с инженерными подходами.

Последние достижения слишком многочисленны, чтобы приводить их подробный список, но вот всего лишь несколько примеров генно-инженерных открытий. Рабочая лошадка молекулярно-биологических лабораторий, E. coli , была в 2003 году {126} 126 http://www.scarabgenomics.com/ частично минимизирована (удалено 15 % ее ДНК) Фредериком Блаттнером из Университета Висконсина, пытавшимся сделать ее более надежной основой для промышленного производства. В Гарварде лаборатория Джорджа Чёрча разработала метод, названный MAGE – мультиплексное автоматическое проектирование генома, чтобы заменить кодон в тридцати двух штаммах E. coli , а затем побудить эти частично отредактированные штаммы эволюционировать так, чтобы получить клеточную линию, в которой этот кодон будет заменен {127} 127 Isaacs, Farren J., Peter A. Carr, Harris H. Wang, Marc J. Lajoie, Bram Sterling, Laurens Kraal, Andrew C. Tolonen, Tara A. Gianoulis, Daniel B. Goodman, Nikos B. Reppas, Christopher J. Emig, Duhee Bang, Samuel J. Hwang, Michael C. Jewett, Joseph M. Jacobson, and George M. Church. Science, 15 июля 2011, 333 (6040), стр. 348–353. во всех 314 позициях. В лаборатории Кристофера Фойгта в МТИ была собрана изощренная генетическая схема – будучи вставлена в бактерию, она может, например, сделать ее чувствительной к четырем разным онкомаркерам и заставить в присутствии всех четырех выпускать убивающий опухоль фактор {128} 128 Moon, Tae Seok, Chunbo Lou, Alvin Tamsir, Brynne C. Stanton, and Christopher A. Voigt. “Genetic programs constructed from layered logic gates in single cells.” Nature , 491, стр. 249–253 (8 ноября 2012). . Коллега Фойгта Тимоти Лу разработал модули ДНК, которые могут выполнять логические операции. Такие живые вычислительные элементы, способные принимать решения, можно модифицировать для множества применений {129} 129 Siuti, Piro, John Yazbek, and Timothy K. Lu. “Synthetic circuits integrating logic and memory in living cells.” Nature Biotechnology (2013). DOI: 10.1038/nbt.2510 . По мере совершенствования технологии цели неизбежно становятся всё амбициознее и возникают новые вопросы, которые в свою очередь приведут к дальнейшему развитию технологии.

Наша предполагаемая работа по синтезу генома живой клетки требовала гораздо более глубокого понимания того, какие гены необходимы для жизни. Чтобы ответить на этот вызов, нам нужно было применить разнообразные приемы, как мы уже успешно делали раньше при секвенировании человеческого генома; успех в современной науке всё больше зависит от хорошей командной работы {130} 130 Wuchty, S., B. F. Jones, and B. Uzzi. “The increasing dominance of teams in production of knowledge.” Science, 316 (5827), стр. 1036–1039 (2007). . Чтобы создать синтетическую клетку, мы запустили три большие программы. По опыту нашей работы с phi X 174 мы все решили, что наибольшего сосредоточения усилий требует синтез ДНК, если мы хотим провести его успешно. Поэтому первой командой стала группа синтеза ДНК, которой предстояло синтезировать полную бактериальную хромосому. Эту группу возглавлял Хэм Смит, а входили в нее Дэниел Гибсон, Гвинед Бендерс, Синтия Эндрюс-Фанкох, Евгения Денисова, Холли Баден-Тильсон, Джейшри Завери, Тимоти Стокуэлл, Анушка Браунли, Дэвид Томас, Миккель Элджир (Algire), Чак Мерриман, Ли Янг, Владимир Носков, Джон Гласс и Клайд Хатчинсон III. Я был уверен, что проблемы с химией разрешимы, и больше беспокоился о биологии. Сможем ли мы трансплантировать и установить синтетический геном, если преуспеем в его синтезе, и сможем ли мы лучше понять, какие гены составляют необходимый минимум для жизни? Поэтому вторая и третья команды сосредоточились на биологии. Команду трансплантации генома возглавлял Джон Гласс, в нее входили Кароль Лартиг, Нина Альперович, Ремберт Пайпер и Прашант Пармар. Командой минимального генома руководили Джон Гласс и Клайд Хатчинсон, и она включала Насиру Ассад-Гарсиа, Нину Альперович, Шибу Юсеф, Мэтью Льюиса и Махира Маруфа. Хотя состав всех трех команд частично перекрывался, каждая сосредоточенно занималась своей задачей. Руководителями всего проекта были Хэм, Клайд и я, а когда был учрежден Институт Вентера в Ла-Хойе и Хэм с Клайдом отбыли осваивать запад, роль общего лидера в Роквилле стал играть Джон Гласс.

Мы планировали синтезировать самый маленький известный геном, который может создать живую самовоспроизводящуюся клетку, M. genitalium . Мы думали, что этот синтез будет величайшей задачей и что он может позволить нам еще сильнее редуцировать маленький геном, определив по ходу понимания и препарирования генетических инструкций простой клетки минимальный для жизни набор генов. Для такого синтеза мы разделили геном M. genitalium на сто один сегмент, которые мы называли «кассетами», каждый примерно того же размера, что и геном phi X 174 . Мы знали, что можем точно делать куски синтетической ДНК размером от пяти до семи тысяч пар оснований, и нам было нужно найти способ сочетать их так, чтобы реконструировать геном M. genitalium . Геном M. genitalium из 582 970 пар оснований был в двадцать раз больше, чем что-либо синтезированное раньше. До этой работы самыми большими синтетическими конструкциями из ДНК были два маленьких вируса и поликетидный генный кластер из 32 000 пар оснований. (Поликетиды – это кольцеобразные молекулы, которые в природе выделяют бактерии, грибы, растения и морские животные, чтобы убивать хищников; они служат основой для многих лекарств, особенно антибиотиков и противораковых агентов {131} 131 Weissman, Kira J., and Peter F. Leadlay. “Combinatorial biosynthesis of reduced polyketides.” Nature Reviews Microbiology 3, стр. 925–936 (декабрь 2005). .)

Итак, нам было нужно разработать новый набор инструментов для надежного синтеза крупных молекул ДНК. Развитие инструментов и технических приемов – основа научного прогресса, но, на мой взгляд, не менее важна тщательность выполнения процедур. Мне часто приходилось описывать лабораторную работу в геномике взятым из информатики «мусор на входе – мусор на выходе» [16] «Мусор на входе – мусор на выходе» (Garbage In, Garbage Out, GIGO) – принцип информатики, означающий, что результат обработки неточных или неверных исходных данных неизбежно также будет неточным или неверным, как бы совершенна ни была процедура обработки. : если не соблюдать предельной тщательности при выполнении каждого шага, конечный результат будет в лучшем случае гораздо слабее, чем мог бы быть. Когда мы в 1990-х секвенировали первые геномы, мы обнаружили, что если наши библиотеки ДНК (содержащие небольшие фрагменты генома) были не высочайшего качества и не представляли собой истинно случайной выборки из всей ДНК в интересующем нас геноме, то шансов, что компьютер сможет использовать последовательности, сгенерированные по тем библиотечным образцам, для реконструкции последовательности генома, было очень мало. То же самое можно сказать об использованной для секвенирования ДНК, чистоте реагентов и воспроизводимости техник. Всё должно быть высшего качества. Моя команда обращала особое внимание на эти фундаментальные требования, и в результате мы оказались действительно способны получать очень высококачественные данные о последовательности ДНК.