Читать книгу "Краткая история сотворения мира - Джеймс Кливз"

При работе с Tetrahymena было сделано невероятно много важных биологических открытий, включая идентификацию первого двигательного белка (аналога примитивного мышечного белка) и обнаружение лизосом и пероксисом – «мусорных корзин» клетки. Более того, с тем же образцом Tetrahymena, который исследовали Чек и Олтмен, работала еще одна исследовательская группа, удостоенная Нобелевской премии совсем за другие исследования. Участник этой группы, скромный канадец по имени Джек Шостак, стал одним из ведущих специалистов по проблеме происхождения жизни и самым известным из современных ученых, активно изучающих модель «мир РНК».

Отец Шостака был пилотом Королевских ВВС Канады, и в детстве будущий ученый внимательно следил за космическими экспедициями кораблей «Аполлон». Однако сильнее, чем сами полеты, его занимали эксперименты, выполненные астронавтами на Луне. Больше всего его интересовала биология. В школе его считали вундеркиндом. Он поступил в самый престижный университет Канады, Университет Макгилла, когда ему было только 15 лет.

В 1982 г., в возрасте 27 лет, Шостак стал профессором химии на Медицинском факультете Гарварда и впервые занялся проблемой репарации ДНК в дрожжах Saccharomyces cerevisiae – модельном эукариотическом организме, интересовавшем многих ученых со времен Пастера. Однажды он присутствовал на лекции молекулярного биолога из Калифорнийского университета в Беркли Элизабет Блэкбёрн, посвященной генетике Tetrahymena. Шостак понял, что может использовать результаты Блэкбёрн в своей собственной работе, посвященной решению одной из сложных проблем биологии – эукариотической клетки. Известно, что ферменты, копирующие ДНК, никогда не доходят до концов хромосом, и поэтому считалось, что в каждом цикле клеточного деления какая-то часть хромосом не должна копироваться. Тот факт, что это не всегда так, ставил ученых в тупик.

Для того чтобы разобраться в происходящем, Шостак и Блэкбёрн вместе с молекулярным биологом Кэрол Грейдер поставили серию экспериментов. Используя гибридные хромосомы Saccharomyces и Tetrahymena, они показали, что короткие участки ДНК, названные теломерами (от греч. telos – конец и meros – часть, доля, концевые участки), с концов хромосом Tetrahymena могут защитить от укорочения хромосомы Saccharomyces, и наоборот. Это открытие не только объясняло парадокс, но имело большое значение для понимания клеточных механизмов старения и развития рака. Работа Шостака, Блекбёрн и Грейдер была опубликована в 1982 г. Почти через 30 лет, в 2009 г., трое ученых разделили Нобелевскую премию по физиологии и медицине.

Завершив работу с теломерами, Шостак стал искать новую тему для исследований. Еще на заре научной карьеры он собирался заняться тремя важнейшими, по его мнению, проблемами в биологии: происхождением Вселенной, происхождением сознания и происхождением жизни. Довольно быстро он понял, что его математических способностей не хватит, чтобы вникнуть в физические процессы, приведшие к возникновению Вселенной. Хотя его, как когда-то Генри Бастиана и Френсиса Крика, невероятно искушало желание разобраться в феномене сознания, он чувствовал, что современные технологии еще не позволяют достаточно далеко продвинуться в этом вопросе. Однако после обнаружения каталитической функции РНК Чеком и Олтменом он увидел новые перспективы в углублении понимания процессов происхождения жизни.

Начиная с 1984 г., Шостак активно занимался изучением рибозимов, пытаясь понять, какую роль они могли сыграть в самых первых клетках. Он пытался найти нечто вроде чаши Грааля для сторонников теории «мир РНК»: молекулу РНК, способную копировать саму себя. До тех пор никто не доказал, что подобная молекула существует или существовала когда-то. Однако перед Шостаком открылись такие возможности, которых не было у его предшественников.

Результаты эксперимента Миллера – Юри были известны всем, но вот осуществить следующие химические реакции, которые могли бы привести к появлению FLO, оказалось невероятно сложно. Прогресс в этом направлении был весьма незначительным, но Шостак решил, что к этой задаче можно подойти с другой стороны. К началу 1990-х гг. уже многое было известно о функционировании клетки, а современные методы биотехнологии позволяли создавать клетку с нуля. Вместо того чтобы воспроизвести все сложные химические стадии, необходимые для возникновения первых форм жизни, Шостак решил сразу создать в лаборатории живую клетку.

Эра синтетической жизни началась в 2002 г., когда исследователь из лаборатории на Лонг-Айленде впрыснул содержимое шприца в маленькую белую мышь. Через несколько минут мышь умерла от паралича – она получила смертельную дозу полиовируса. Этот вирус с геномом на основе РНК обладает удивительно простым репликационным циклом, и поэтому он очень быстро заставил клетки мыши многократно его воспроизводить, пока набитые сотнями копий вируса хозяйские клетки не начали лопаться и высвобождать новые копии вируса, поражающие все большее и большее число клеток мыши. Особенностью этой вирусной атаки было то, что она была запущена с помощью искусственной вирусной ДНК, сконструированной с нуля вирусологом Экардом Уиммером из Университета Стуони-Брук. Геном полиовируса был расшифрован летом 1981 г., и группе Уиммера оставалось «всего лишь» воспроизвести генетический рецепт – синтезировать простую цепочку примерно из 75 сотен A, G, C и U.

Технология синтеза ДНК была отработана в предыдущие годы. Синтез таких молекул, конечно, не детская игра, но вполне доступный метод в арсенале современных молекулярных биологов. Генетик Джон Крейг Вентер и его группа синтезировали целый бактериальный геном, который намного сложнее простого генома вируса. Даже самые маленькие и простые клетки содержат сотни сложных ферментов, а также генетический материал и другие элементы. В 2010 г. серия трудоемких лабораторных манипуляций была успешно завершена: над ней на протяжении десяти лет трудились 24 человека, а стоимость проекта составила 40 млн долларов. Эта последовательность содержала 1 077 947 пар оснований[64].

Для создания бактерии Вентер с коллегами добавили синтезированные ими искусственные хромосомы в культуру обычных клеток Mycoplasma, подвергшихся воздействию электрического шока, под действием которого клетки поглощают ДНК из окружающей среды. По мере того как механизм хозяйских клеток начал работать на основе синтетического генома, стали появляться дочерние клетки, содержащие исключительно искусственные хромосомы. В этих хромосомах находились инструкции, необходимые для синтеза всех клеточных белков, так что в какой-то момент в культуре остались только искусственные клетки. Искусственный организм получил имя Синтия. Он содержал примерно в 80 раз больше генетической информации, чем геном полиовируса.