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

Многие считают, что самые важные создания человеческого гения – это результат какого-то провидческого дара, который ассоциируется с такими выдающимися и уникальными творцами, как Исаак Ньютон, Микеланджело, Мари Кюри и Альберт Эйнштейн. Я не сомневаюсь в огромном влиянии отдельных личностей, способных на громадные интеллектуальные скачки, видящих дальше, чем кто-либо до них, и замечающих закономерности там, где остальные видят только хаос. Однако есть также менее яркий вид созидательности, двигающий науку, скромная ее разновидность, которая не менее важна: умение решать проблемы {153} 153 Gardner, H. Creating Minds: An Anatomy of Creativity Seen through the Lives of Freud, Einstein, Picasso, Stravinsky, Eliot, Graham, and Ghandi. New York: Harper Collins, 1993. . Преодоление одного препятствия для достижения одной очень конкретной цели может иногда давать на выходе технологию, которая, оказывается, имеет широчайший спектр разных применений. С очень ограниченного плацдарма науку можно подтолкнуть в новых неожиданных направлениях.

Когда, например, Хэмилтон Смит обнаружил, чтÓ именно в бактерии Haemophilus influenzae делает белок, который теперь называется рестриктазой, и как он это делает, вряд ли Хэм собирался основать генную инженерию. Когда британский генетик Алек Джеффрис увидел расплывчатый узор на рентгеновском снимке, который он сделал с генетического материала от одного из своих лаборантов, он даже подумал, что эта смазанная картинка проложит путь для ДНК-криминалистики, – но я сомневаюсь, что он представлял, до чего это дойдет, что она будет использоваться в установлении отцовства, для изучения популяций диких животных и, конечно, в расследовании преступлений. Когда Осаму Шимомура, переживший атомную бомбардировку Нагасаки, собрал с 1961 по 1988 год около миллиона медуз Aequorea victoria , чтобы выяснить тайну их биолюминесценции (белок, названный GFP ), он вряд ли мог представить, что даст миру многоцелевую светящуюся метку, которая покажет в живом организме, как развиваются клетки мозга и как раковые клетки проходят сквозь ткани {154} 154 http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/2008/shimomura.html . Когда мы столкнулись с проблемой, которая задерживала нашу работу над синтетической жизнью, – генетический аналог попытки поставить ПО от Microsoft на «макинтош», – ее решение принесло дополнительный бонус: новый способ обращения с большими участками ДНК.

К тому времени в 2007 году мы уже выполнили успешные трансплантации генома, а также закончили трудоемкую сборку из лабораторных химикатов генома M. genitalium из 582 970 пар оснований. Мы создали синтетическую бактериальную хромосому и успешно вырастили ее в дрожжах. Мы также сумели выделить синтетическую хромосому из дрожжей, чтобы проверить ее секвенированием ДНК. Однако то, что мы использовали дрожжевые клетки как аппарат для финальной сборки химически синтезированных сегментов генома, означало, что нам приходилось растить нашу прокариотную (бактериальную) хромосому в эукариотной (дрожжевой) клетке. Чтобы завершить создание нашей синтетической клетки, нам нужно было изолировать синтетическую хромосому из дрожжей в такой форме, которую можно было бы трансплантировать в реципиентную прокариотную клетку.

Вот тут мы наткнулись на несколько непредвиденных проблем. Первая касалась конформации нашей синтетической хромосомы. Мы могли выделить ее в линейной и кольцевой формах для секвенирования ДНК, но, детально прорабатывая пересадку генома, мы обнаружили свидетельства того, что хромосома должна быть интактной, т. е. что ее ДНК не должна нести никаких порезов или «зазубрин». Наш метод очистки был слишком жестким, чтобы давать интактную ДНК. Мы успешно создали цифровую запись, но в таком формате, который не читался ни одним плейером.

Вторая проблема заключалась в том, что наша попытка расширить работы по пересадке генома в другой вид микоплазмы, M. genitalium , оказалась неудачной. Когда мы пересаживали геном M. genitalium в другие клетки того же вида, хромосома всегда рекомбинировала с уже имевшимся там геномом. Это была не единственная проблема. Как мы уже прекрасно знали, хотя геном у M. genitalium самый маленький, это не идеальный организм для разработки новых методов из-за его огорчительно медленной скорости роста. На то, чтобы вырастить колонии, каждый раз уходило до шести недель. Тем не менее мы с трудом, но продвигались. Пока шли эти эксперименты, мы решили, что, успешно пересадив геном M. mycoides в клетки M. capricolum , мы используем эти более быстро растущие виды для решения проблемы получения интактных хромосом из дрожжевых клеток. Нашим первым шагом было посмотреть, сможем ли мы клонировать полный геном M. mycoides в дрожжах. Эта цель казалась достижимой, учитывая наш успех в создании синтетического генома в искусственной дрожжевой хромосоме.

Эту задачу отдали постдоку Гвин Бендерс, работавшей с Клайдом Хатчинсоном. Крупные молекулы ДНК к этому времени рутинно и стабильно росли в дрожжах благодаря добавлению дрожжевого центромера – особого участка хромосомы, который можно видеть под микроскопом как сужение в хромосомах, когда во время деления клетки они образуют характерную Х-образную форму. Этот суженный участок – связующее звено хромосомы, которое играет важнейшую роль в гарантировании того, что, когда клетка делится, каждая дочерняя клетка наследует копию каждой хромосомы. Таким образом, когда центромер добавляется к большому куску ДНК, последний можно скопировать и разделить вместе с дрожжевыми хромосомами во время деления клетки. Этим методом мы могли выращивать кольцевые хромосомы. Молекулы чужой (экзогенной) ДНК можно было растить и в линейной форме, добавляя к ним теломеры – структуры, находящиеся на концах хромосом.

Опираясь на эту прошлую работу, мы разработали три разных подхода к клонированию полных бактериальных хромосом в дрожжах. В первом мы решили вставлять искусственный дрожжевой центромер в бактериальную хромосому перед тем, как растить ее в дрожжах. Во втором и третьем подходах мы всё делали одновременно: вставляли бактериальную хромосому и дрожжевой центромер с перекрывающимися последовательностями, что приводило к их рекомбинации в дрожжах. Все три подхода оказались вдохновляюще успешными, причем с несколькими бактериальными геномами, в том числе M. mycoides, H. influenzae и геномом фотосинтезирующей водоросли {155} 155 Lartigue, C., S. Vashee, M. A. Algire, R. Y. Chuang, G. A. Benders, L. Ma, V. N. Noskov, E. A. Denisova, D. G. Gibson, N. Assad-Garcia, N. Alperovich, D. W. Thomas, C. Merryman, C. A. Hutchison, III, H. O. Smith, J. C. Venter, J. I. Glass. “Creating bacterial strains from genomes that have been cloned and engineered in yeast.” Science, 25 сентября 2009, 325 (5948), стр. 1693–1696. DOI: 10.1126/science.1173759. Benders, Gwynedd A., Vladimir N. Noskov, Evgeniya A. Denisova, Carole Lartigue, Daniel G. Gibson, Nacyra Assad-Garcia, Ray-Yuan Chuang, William Carrera, Monzia Moodie, Mikkel A. Algire, Quang Phan, Nina Alperovich, Sanjay Vashee, Chuck Merryman, J. Craig Venter, Hamilton O. Smith, John I. Glass, and Clyde A. Hutchison, III. “Cloning whole bacterial genomes in yeast.” Nucleic Acids Res., май 2010; 38(8), стр. 2558–2569. Опубликовано онлайн 6 марта 2010. DOI: 10.1093/nar/gkq119 . Очень интересно, что единственное, что требуется для превращения бактериальной хромосомы в дрожжевую, – это добавление вместе с пригодным для селекции маркером маленького синтетического дрожжевого центромера. Теперь у нас был метод, который мы могли использовать для проверки нескольких разных способов трансплантации генома. Научившись стабильно клонировать геном M. mycoides в дрожжевые клетки, мы разработали процедуры для извлечения интактных хромосом в трансплантируемой форме.