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

В следующем десятилетии задача Шпемана привлекла внимание Роберта Бриггса, исследователя из научно-исследовательского института при госпитале Ланкенау в Филадельфии (позже Институт онкологических исследований, а затем Онкологический центр Фокса Чейза), который изучал клеточное ядро. В 1952 году, работая с Томасом Кингом, он клонировал леопардовых лягушек, пересаживая ядро клетки. Эксперимент Бриггса и Кинга походил на то, что предлагал – и предвосхитил в своих опытах на саламандрах – Шпеман в 1938 году. Они пересадили ядро лягушачьего эмбриона ранней стадии в большую (миллиметровую) яйцеклетку обычной американской леопардовой лягушки. Полученные таким образом эмбрионы благополучно развились в головастиков. Но в ходе дальнейших экспериментов Бриггс и Кинг пришли к выводу, что по мере дифференцировки клеток потенциал развития уменьшается и получить клон из ядра взрослой клетки невозможно. Позже, в 1962 году, работавший в Оксфорде Джон Гёрдон заменил ядро яйцеклетки шпорцевой лягушки ( Xenopus ) на ядро зрелой специализированной клетки из кишечника головастика. Яйцеклетка развилась в клонированного головастика, а в последующих экспериментах удалось получить и взрослых лягушек {145} 145 Gurdon, J. B. “The developmental capacity of nuclei taken from intestinal epithelium cells of feeding tadpoles.” J. Embryol. Exстр. Morphol. 34, стр. 93–112 (1962). . Его исследование, научившее нас, что ядро взрослой специализированной клетки можно вернуть в незрелую стадию, было удостоено Нобелевской премии по физиологии и медицине в 2012 году {146} 146 http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/medicine/laureates/2012/press.html#. См. также: Wilmut, I., and R. Highfield. After Dolly: The Uses and Misuses of Human Cloning . Norton, 2006. , через пятьдесят лет после его первопроходческих экспериментов.

То, что мы пытались сделать, в некоторых отношениях было намного сложнее, чем эти ранние эксперименты с пересадкой ядер, хотя они были, несомненно, весьма замечательными. Работа Шпемана была немного похожа на попытку перепрограммировать компьютер, ничего не зная о программировании, а просто скачивая что-то из интернета. В отличие от более сложных эукариотных клеток, у бактерии нет ядра – клеточной субструктуры, заключенной в мембрану. В бактериальной клетке геном плавает в густом цитоплазматическом супе вместе с прочими клеточными компонентами. Так что там просто нет клеточной органеллы, которую можно удалить хирургическим путем. С еще более сложной задачей мы столкнулись, когда хотели трансплантировать генетический материал одного вида в клетку другого, в то время как все предыдущие эксперименты с переносом ядра включали работу с одним видом, а то и с одним и тем же животным.

Когда мы начали думать над тем, как перевести синтетическую ДНК в бактерию и заменить ее собственную хромосому, то поняли, что надо разрабатывать новый метод трансплантации генома, поскольку нужно заменить весь геном вида-хозяина на вставленную голую ДНК нового вида без какого-либо смешения (рекомбинации) двух геномов. Отдельные гены молекулярщики уже десятки лет пересаживали привычно и без ограничений – например, вирусные и человеческие гены пересаживались в бактерии и дрожжи и работали там. Но насколько я знаю, никто не пытался пересадить полный геном, такая задача многим могла казаться невозможной.

Такая предвзятость часто ограничивает нашу способность испробовать новый подход или принять новые открытия. Например, микробиологи когда-то думали, что в бактериальных клетках может быть только одна хромосома. Но реальность оказалась намного интереснее – как я обнаружил в середине 1990-х, когда мы {147} 147 Heidelberg, J. F., J. A. Eisen, W. C. Nelson, R. A. Clayton, M. L. Gwinn, R. J. Dodson, D. H. Haft, E. K. Hickey, J. D. Peterson, L. Umayam, S. R. Gill, K. E. Nelson, T. D. Read, H. Tettelin, D. Richardson, M. D. Ermolaeva, J. Vamathevan, S. Bass, H. Qin, I. Dragoi, P. Sellers, L. McDonald, T. Utterback, R. D. Fleishmann, W. C. Nierman, O. White, S. L. Salzberg, H. O. Smith, R. R. Colwell, J. J. Mekalanos, J. C. Venter, C. M. Fraser. “DNA sequence of both chromosomes of the cholera pathogen Vibrio cholerae .” Nature, 3 августа 2000, 406 (6795), стр. 477–483. секвенировали геном возбудителя холеры, массовой и опасной болезни, которая каждый год {148} 148 World Health Organisation. “Cholera Fact Sheet № 107” (август 2011). http://www.who.int/mediacentre/factsheets/fs107/en/index.html поражает пять миллионов человек по всему миру, приводя к ста двадцати тысячам смертей. Разработанные нами алгоритмы для секвенирования дроблением, посредством которых компьютеры подбирали перекрывающиеся куски секвенируемой последовательности, имели специфическую особенность: они собирали геномные тексты только на основе перекрывающихся участков. У компьютеров не было априорного представления о том, сколько хромосом, плазмид или вирусов должно получиться, они только складывали подходящие фрагменты в математически обоснованном порядке. Когда мы собрали секвенированные фрагменты генома холеры, они явственно сложились в две независимые хромосомы – а не в одну, как полагало большинство. Когда мы сравнили эти две хромосомы друг с другом и с другими геномами, то обнаружили, что они очень сильно отличаются между собой.

Сделав такое открытие на холере, мы потом выявили немало видов микробов с несколькими хромосомами. Это поднимало вопрос: как эти виды обзавелись этими множественными хромосомами? Может, клетка просто случайно забрала дополнительную ДНК из лизированной клетки и новая хромосома образовалась, потому что она добавила своему новому дому какие-то важные для выживания способности? Или две древние клетки слились, образовав новый вид? У нас не было на это ответов, но меня эти идеи чрезвычайно привлекали. Большинство мыслило эволюцию видов как идущую за счет постепенного накопления единичных изменений оснований в последовательности ДНК в течение миллионов и миллиардов лет; тот или иной вид адаптируется к окружающей его среде, если случайные изменения предлагают преимущества для выживания. Мне показалось правдоподобным, что некоторые известные нам крупные эволюционные скачки происходили по крайней мере отчасти за счет приобретения дополнительной хромосомы, которая сразу добавила тысячи генов и множество новых признаков.

Теперь мы знаем, что многие продвинутые функции эукариотных клеток возникли в эволюции, когда ранние эукариотные клетки полностью вобрали в себя некоторые виды микробов, которые сначала жили с ними в симбиотических взаимоотношениях. Вероятно, самое важное событие такого рода произошло примерно два миллиарда лет назад, когда эукариотная клетка забрала к себе фотосинтезирующую бактериальную клетку, ставшую в итоге хлоропластом, в котором происходит фотосинтез у всех растений. Второй самый наглядный пример этого процесса, называемого эндосимбиоз, можно найти в «блоках питания» наших клеток – митохондриях, которые, как и хлоропласты, несут свои собственные гены и происходят от симбиотической бактерии, вероятно, сходной с современными риккетсиями [20] Риккетсии – обширная группа мелких альфа-протеобактерий, значительную часть которой составляют внутриклеточные паразиты. К риккетсиям относятся, в частности, возбудители сыпного тифа и пятнистой лихорадки Скалистых гор. .