Глава 10. Саботажники
В процессе человеческой эволюции мы превратились в маньяков, одержимых стремлением контролировать весь окружающий мир. Тысячелетиями мы выращивали и отбирали животных и растения, расчищали землю, создавали новые материалы, строили здания. Мы повернули русла рек, чтобы контролировать распределение воды на континентах, построили стены, чтобы сдерживать море. Мы сконструировали машины для перевозки пищи, материалов и нас самих во все уголки планеты. И разумеется, не следует удивляться, что на протяжении нескольких коротких десятилетий мы пришли также к тому, чтобы самим программировать микроорганизмы. Как будет показано далее, современные ученые пытаются перемещать, совершенствовать или блокировать гены с целью заставить микроорганизмы работать на нас без необходимости возиться с естественным отбором. Мы станем творцами микробиотического метаболизма и будем конструировать микроорганизмы для выполнения наших приказов. У нас есть соответствующие возможности, но эти возможности, судя по всему, не сопровождаются пониманием потенциальных сокрушительных последствий таких действий для эволюции микробиотической жизни, не говоря уже о нашей роли в изменении вектора развития планеты.
Более двух десятилетий я работал в правительственной национальной лаборатории, финансируемой в первую очередь министерством энергетики и его дочерними агентствами. Национальные лаборатории были задуманы и разработаны с намерением воплощать в жизнь перспективные идеи в физике и химии; многие справедливо связывают их с разработкой и изготовлением атомного оружия, что и было их изначальной целью. Тем не менее национальные лаборатории также часто оснащены мощными компьютерами и другими приборами, такими как высокоэнергетические коллайдеры, предназначенные для выяснения природы материи, и невероятно мощными микроскопами; там инженеры работают совместно с учеными над развитием технологий, ведущих к новым открытиям.
Каждую неделю я обедал вместе с химиками и физиками, работавшими над созданием атомной бомбы вместе с Оппенгеймером, Ферми, Юри и Сиборгом. Как правило, большинство моих сотрапезников смотрело на биологию как на нечто побочное, второстепенное. В отличие от физиков биологам редко требовалась аппаратура, на постройку которой были нужны десятки, если не сотни, миллионов долларов. Они не мыслили столь крупномасштабно, как физики или даже химики. Однако в начале 1980-х годов несколько ученых в министерстве энергетики поставили перед биологами важную задачу: секвенировать человеческий геном. Основная идея состояла в том, чтобы разработать технологии для быстрого и дешевого определения последовательностей геномов живых организмов и извлечь из этих последовательностей полезную информацию.
Первоначальный ответ был не очень обнадеживающим. Предложение не было основано на какой-либо конкретной гипотезе – а большинство биологов привыкло планировать свои исследования именно так – скорее, просто на желании собрать и проанализировать большое количество генетической информации. Однако когда эта идея понемногу прижилась в умах, она не только преобразовала наше представление о человеческом геноме, но также в корне изменила наш взгляд на микроорганизмы в окружающем мире. Зарождающаяся отрасль молекулярной биологии начала стремительно развиваться, впоследствии превратившись в один из краеугольных камней биологических исследований.
Множество ученых внесли свой вклад в развитие молекулярной биологии со времен ее первоначальной фазы экспоненциального роста, и попытка перечислить основные исторические вехи неизбежно будет изобиловать пропусками. Тем не менее можно назвать три основных открытия, которым немало способствовали другие фундаментальные открытия XX столетия и которые дали нам возможность произвольно осуществлять горизонтальный перенос генов у микроорганизмов и тем самым потенциально изменять ход эволюции. Концепция горизонтального переноса генов очень проста: как мы уже видели, микроорганизмы постоянно перемещают гены из одного организма в другой. Однако мысль о том, что это сможет делать человек, не связываясь с запутанными проблемами пола и естественного отбора, означала, что мы потенциально имеем возможность «конструировать» микроорганизмы. Мой выбор ключевых событий, которые привели к зарождению и развитию генной инженерии, основывается на представлении о том, что история отражает наше будущее как вида и наши надежды на то, что микроорганизмы окажутся нашими спасителями.
Одно из важнейших открытий было сделано врачом Освальдом Эйвери, канадцем по происхождению, работавшим в Рокфеллеровской больнице (сейчас она входит в состав Рокфеллеровского университета – там же работал и Паладе, первооткрыватель рибосом), который совместно с Колином Маклаудом и Маклином Маккарти в 1944 году сообщил, что ДНК является носителем генетической информации. Первые эксперименты были достаточно просты, но весьма содержательны. Эйвери и его коллеги прибегли к методике трансформации, открытой в 1928 году и по сей день являющейся краеугольным камнем экспериментов по горизонтальному переносу генов. Выше мы уже упоминали трансформацию, когда говорили о горизонтальном переносе генов в консорциях, но не описывали в подробностях, как она работает.
Уже много лет микробиологи знали, что существует несколько штаммов, или серотипов, микроорганизмов, имеющих общее генетическое прошлое. В самом деле, в случае Escherichia coli, которая впервые была открыта в 1895 году немецким врачом Теодором Эшерихом в фекалиях здорового человека, позднее выяснилось, что некоторые разновидности, казалось бы, той же самой бактерии при попадании в пищу могут привести к смерти. Аналогичным образом британский микробиолог Фредерик Гриффит обнаружил, что бактерия Streptococcus pneumoniae, возбудитель пневмонии, присутствует и у здоровых людей, не вызывая заболевания.
Гриффит изолировал болезнетворный штамм, убил микроорганизмы посредством нагревания, после чего ввел их мышам. Мыши выжили. Однако когда он смешал убитый теплом болезнетворный штамм с безопасным, но живым и ввел эту смесь мышам, те погибли. Гриффит не имел представления о том, что происходит на молекулярном уровне, и назвал это явление «феноменом трансформации». По сути, Гриффит смог трансформировать неболезнетворную форму микроорганизмов в болезнетворную при помощи взвеси мертвых болезнетворных микроорганизмов. Это выглядело почти как магия. Он опубликовал полученные результаты в 1928 году, указав в качестве места своей работы «патологическую лабораторию министерства», – очевидно, ироническое значение слова «патологический» также эволюционировало за последнее столетие.
Освальд Эйвери, чрезвычайно скептически настроенный относительно экспериментов Гриффита, взялся их повторить. Потратив довольно много времени, он заключил, что Гриффит, который был весьма скрупулезным исследователем, оказался прав. Так что же произошло?
Для того чтобы идентифицировать агент трансформации, Эйвери и его коллеги культивировали бульон с мертвыми бактериями, изолированными из болезнетворного штамма, совместно с ферментами, которые могли переваривать белки. В то время большинство биохимиков считали, что именно белки являются носителями генетической информации, поскольку они были найдены в хромосомах эукариотических клеток и, будучи составлены из двадцати различных аминокислот, обладали достаточной вариативностью для объяснения наследуемости свойств; таким образом, логично было заключить, что эти молекулы несли в себе ключ к генетической информации. Эйвери и его сотрудники повторили эксперимент Гриффита, но с поправкой: когда они культивировали убитый теплом болезнетворный штамм бактерий вместе с ферментами, поглощавшими белки или РНК, и затем вводили раствор мышам, мыши погибали; однако если они добавляли фермент, поглощавший ДНК, мыши оставались живы. Эйвери сделал вывод, что именно ДНК передавала генетическую информацию от мертвого болезнетворного штамма безопасному штамму. Это было замечательным открытием, поскольку благодаря ему внимание научного мира было обращено на природу ДНК. Однако не менее примечательным был и тот факт, что Эйвери и его сотрудники практически не добились признания современников – и это еще мягко сказано. Их работа была почти проигнорирована. Представление о том, что белки являются носителями генетической информации, было настолько укоренившимся, что результаты Эйвери и его коллег сочли ошибкой в эксперименте. Это может служить примером когнитивного диссонанса в современном академическом мире. Многие биохимики решили, что трансформанты, полученные Эйвери и его сотрудниками, скорее всего, содержали следы белков.
И здесь на сцену выходит Джошуа Ледерберг, гениальный сын раввина, уроженец Нью-Джерси, выросший в нью-йоркском районе Вашингтон-Хайтс и проведший большую часть своей молодости в библиотеках. Приняв доклад Эйвери всерьез, Ледерберг решил отыскать действующий фактор трансформации и в своем поиске в буквальном смысле трансформировал биологию, открыв миру «магию» микробиологической трансформации. Вместе со своей женой Эстер он внедрял в бактерии частицы вирусов, содержащие генетическую информацию, – процесс, который мы сейчас называем трансдукцией, ставший фирменным знаком генной инженерии. В основе этого процесса лежит внедрение в бактерию кольцевого участка ДНК – Ледерберг назвал эти частицы плазмидами. Плазмида могла воспроизводиться внутри бактерии, но только вне ее хромосом. Она являлась чужеземным захватчиком, способным воспользоваться репликационной системой бактерии, чтобы реплицировать свою чужеродную молекулу внутри микроорганизма-хозяина. Ледерберг обнаружил, что плазмиды могут сделать бактерию-хозяина устойчивой к смерти от антибиотиков. С этим открытием Ледерберг стал пионером искусственного горизонтального переноса генов в лаборатории, что дало людям новый способ вмешиваться в эволюцию микроорганизмов. Ледерберг был удостоен Нобелевской премии в возрасте тридцати трех лет.