Двигатели жизни. Как бактерии сделали наш мир обитаемым - Пол Фальковски

Как ни парадоксально, секвенирование человеческого генома раскрыло, как относительно небольшие генетические изменения могут привести к более высокой организационной структуре животного. Важнейшие инструкции по сборке механизмов, снабжающих нас энергией и обеспечивающих синтез белков, транспортировку ионов и основной метаболизм, – все опираются на генетические платформы, унаследованные от микроорганизмов и сложившиеся миллиарды лет тому назад.

Благодаря материальной поддержке, оказанной министерством энергетики проекту по секвенированию человеческого генома, появилась возможность вкладывать крупные суммы в создание аппаратуры, которая позволила бы автоматизировать процесс секвенирования ДНК. Действительно, для меня и моих коллег в Ратгерском университете секвенирование генома является повседневной работой, и стоимость этой операции невообразимо мала. Когда Сэнгер впервые начал секвенировать ДНК, она составляла около 75 центов за нуклеотид, а к 2014 году упала до менее чем 0,001 цента. В 2002 году, когда проект «Геном человека» находился на стадии разработки, было определено, что стоимость секвенирования человеческого генома составит 100 млн долларов; сейчас эта цифра приближается к 1000 долларов и почти наверняка еще более снизится в ближайшие годы.

Невероятному снижению стоимости секвенирования содействовало огромное увеличение мощности компьютерной техники и взаимосвязанности компьютеров. Используя Интернет, последовательности ДНК теперь можно пересылать в реальном времени, так что подбор наилучшего соответствия с уже секвенированными молекулами ДНК занимает миллисекунды, и для только что расшифрованной последовательности сразу может быть определена ее вероятная функция внутри клетки.

С возросшими способностями компьютерной техники пришли более эффективные и дешевые технологии секвенирования и новые алгоритмы поиска генов. Фактически технологии стали настолько дешевыми, а аппаратура – настолько распространенной, что в национальных лабораториях США образовались избыточные мощности. Этот избыток мощностей секвенирования вскоре стремительно распространился по всему миру – на Францию, Германию, Великобританию, Китай, Японию, Корею и Индию. Как его использовать?

Вскоре после того, как проект «Геном человека» начал воплощаться в жизнь, Дэвид Галас, возглавлявший эту программу в министерстве энергетики в Вашингтоне, посетил Брукхэвенскую национальную лабораторию, чтобы узнать, чем занимаются тамошние биологи. Директор лаборатории попросил меня подготовить короткую презентацию, посвященную моей работе по выяснению механизма, позволяющего определенному виду одноклеточных водорослей синтезировать большее или меньшее количество определенных белков в ответ на изменение освещения – феномен, чрезвычайно важный для океанического фитопланктона. Галас спросил, не соглашусь ли я провести встречу, чтобы рассмотреть вопрос о том, как новые технологии секвенирования и компьютерные технологии могут применяться для изучения распределения микроорганизмов в окружающей среде. Я с радостью принял это предложение.

На заседании, где присутствовало около шестидесяти моих коллег из разных частей страны, я выступил с обстоятельным докладом. В конечном счете мы пришли к массовому секвенированию ДНК микроорганизмов в океанах, почвах, воздухе, озерах, горных породах, ледниках – практически во всех возможных местах обитания. В результате геномные последовательности океанических микроорганизмов анализируются с немыслимой скоростью; уже идентифицированы десятки миллионов новых генов. По существу эта информация представляет собой сокровищницу нетронутого биологического потенциала, который может быть мобилизован с целью выполнения любых поставленных нами задач в области генной инженерии микроорганизмов.

Буквально одним щелчком электронного прибора последовательность гена или множества генов – да что там, целого генома – может быть переслана через весь мир для анализа, переформирования и перераспределения. Едва ли не любой из генов может быть синтезирован и внедрен в микроорганизм. Такой свободный обмен генными функциями не знает границ; он привел к дальнейшему наращиванию войны с микроорганизмами.

Ввиду того что секвенирование генов и геномов к началу XXI столетия стало настолько дешевым и эффективным, ученые перешли от секвенирования геномов одиночных организмов к секвенированию геномов естественных микробиотических сообществ практически в любых местообитаниях, представляющих потенциальный интерес. Списки генов, определенных компьютерными алгоритмами, стали стремительно пополняться. На планете были идентифицированы десятки миллионов генов микроорганизмов, и пока не похоже, чтобы темпы их обнаружения замедлялись. Эта генная библиотека представляет собой «список запчастей», из которых можно сделать любой созданный природой белок, присутствующий в ныне живущих организмах. Но можем ли мы создавать новые части – такие, которые не существуют и никогда не существовали в природе?

Коротко говоря, да.

Одна из отраслей биологической науки сейчас ищет способы конструировать микроорганизмы, направлять обмен веществ и запускать внутри микроорганизмов новые процессы, чтобы добиться от них большей эффективности или придать им новые качества, которых они не имели прежде. Сможем ли мы создать организм, который сможет перерабатывать пластмассу? Или нейтрализовать радиоактивные вещества в почве? Получится ли у нас разработать альтернативный вид топлива? Или новый тип строительных материалов? Все эти вопросы – не плод теоретических размышлений. Все это уже происходит в реальности.

Тысячи лабораторий по всему миру используют плазмиды Ледерберга и рекомбинантную ДНК Пола Берга, чтобы внедрять один или несколько генов в микроорганизмы. Подавляющее большинство этих экспериментов безвредны и проводятся для проверки гипотез касательно функционирования конкретных генов. Однако значительная часть горизонтальных генных переносов осуществляется для манипуляции теми или иными природными реакциями, которые мы хотим изменить, например создав с нуля новый фотосинтезирующий организм.

Секвенирование человеческого генома обнаружило, что у нас практически нет уникальных генов. Если людей не станет, мир микроорганизмов будет по-прежнему функционировать, придя к новым устойчивым состояниям, и благодаря их метаболизму наша планета будет оставаться обитаемой. В самом деле, с эволюционной точки зрения человеческая эволюция представляет собой лишь временное нарушение биологически выраженного круговорота химических реакций. Коротко говоря, мы – выродки природы, нарушающие естественные геохимические циклы. Тем не менее мы нуждаемся в микроорганизмах.

Мы саботируем микробиологическую эволюцию – и сами не понимаем, что делаем. Попытки, предпринятые в этом направлении, все еще остаются чисто теоретическими упражнениями, но они не тривиальны. Так, Дж. Крейг Вентер со своими коллегами работал над созданием микроорганизма, в котором генетическая информация будет полностью сконструирована человеком при помощи компьютерных технологий, синтезирована в лаборатории и введена в клетку-хозяина, генетически запрограммированную на уничтожение собственной генетической информации. Клетка-хозяин превращается всего лишь в контейнер для полностью рукотворного генома.