сунок: палиндром, вставка (спейсер), опять палиндром и какая-то другая вставка. И вот вам еще один пример множественности в науке: одна японская лаборатория обнаружила эти палиндромные последовательности примерно за десять лет до Мохики.
Заподозрив, что это не случайность, Мохика начал искать этот странный рисунок в геномах других бактерий. Как можно догадаться, он обнаружил, что это удивительно распространенный тип последовательности, имеющийся более чем у двадцати видов. Такой четко выраженный и распространенный генетический рисунок должен нести какую-то функцию, но в чем она заключается?
К тому времени Мохика уже организовал собственную лабораторию в Испании, но для секвенирования или других высокотехнологичных лабораторных манипуляций ему не хватало финансирования. Однако он был настроен решительно и использовал свой настольный компьютер, несколько текстовых процессоров и возможности интернета для анализа генетических баз данных. Он вводил в программу последовательности палиндромов и разделяющих их спейсеров и искал, не встречаются ли они где-нибудь еще. И он их нашел, только не в бактериях. Наиболее точное совпадение он обнаружил с последовательностью вируса. Более того, это был один из вирусов, в отношении которых данный вид бактерий выработал устойчивость. Мохика на достигнутом не остановился и погрузился в изучение 88 спейсеров, разделяющих палиндромы. Более двух третей этих последовательностей соответствовали последовательностям вирусов, к которым бактерия была устойчива. Похоже, эти участки защищали бактерию от вторжения вируса.
Мохика выдвинул серьезную, но непроверенную гипотезу, что такие системы палиндромов со спейсерами представляют собой оружие бактерий против вирусов. Он написал на эту тему статью и послал ее в один из ведущих научных журналов. В первом журнале ее отвергли, даже не направив на рецензию. Из другого журнала ее вернули из-за отсутствия “значимости или новизны”. Процесс повторялся пять раз, пока наконец работу не приняли в журнал по молекулярной эволюции. В том же году статью на эту же тему независимым образом опубликовали исследователи из французской лаборатории, использовавшие несколько иные методы анализа.
Далее к поиску подключились и другие лаборатории. Бактериальная защита могла оказаться ценнейшим оружием для производителей йогуртов, поскольку йогуртовые культуры страдают от нападений вирусов. На этой волне вскоре было убедительно доказано, что данная система эволюционировала в гонке вооружений между бактериями и вирусами. Вирусы нападают на бактерии, как на людей. Люди побеждают большинство вирусов с помощью иммунной системы. И описанный бактериальный механизм является неким вариантом иммунной защиты. Механизм основан на действии молекулярного “гида” и “скальпеля”: палиндромы подводят молекулярный “скальпель” к месту назначения, чтобы вырезать вирусную ДНК и обезвредить вирус. Это защита против эгоистичной природы вирусов, заставляющей их инфицировать другие клетки, размножаться и заполонять чужие геномы.
После этих открытий в ряде лабораторий мира были выполнены изобретательные и невероятно важные исследования молекулярного “скальпеля” (эту последовательность называют Gas у) с целью установить, как перепрофилировать систему для редактирования не только вирусной ДНК, но ДНК любого существа. В научные журналы каждый месяц сыпались статьи, описывающие способы модификации бактериальной системы для использования в организмах других видов. Эта техника, названная CRISPR-Cas (та самая, которую Нипам Патель использует для перемещения конечностей в Parhyale), лежит в основе редактирования генома – теперь уже хорошо известной методологии изменения геномов растений, животных и человека, которая приносит пользу в самых разных областях от сельского хозяйства до медицины. И это только начало: почти каждый месяц появляются сообщения о разработке более точных, быстрых и эффективных методов.
Данная технология позволяет переписать части генома буквально за одну ночь. А в истории эволюции такого типа изменения протекали за миллионы лет. Технология только начинает развиваться, и новости часто не подтверждаются, но совершенно очевидно, что теперь мы способны быстро и без больших финансовых затрат переписывать участки генома растений и животных. В нашей лаборатории этот подход используют для изучения рыб, совершая самую простую процедуру – удаление генов. В других лабораториях вырезают и перемещают целые участки генома и переносят гены и их переключатели между разными особями или между разными видами.
Открытие системы редактирования генома CRISPR-Cas вполне вписывается в историю эволюционных изобретений длительностью в четыре миллиарда лет. Прорыв, приведший к этой технологической революции, произошел не тогда, когда стало возможным редактировать геномы растений и животных, а в другое время – при анализе экосистем соляных болот. Далее потянулся петляющий путь открытий – с участием многих изобретателей, которые одновременно рождают одни и те же идеи, комбинируют технологии и дышат одним и тем же воздухом открытий. И точно так же, как в случае биологических изобретений, ключевым моментом стало переназначение изобретения, возникшего у одного вида (бактерии), для использования другим видом (человеком). Разработка системы CRISPR-Cas – результат одновременной работы сотен опытных и молодых исследователей. Каприз истории: множественность, а также многочисленные неожиданные связи с прошлым делают этот пример чрезвычайно притягательным для одного вида организмов – юристов. История CRISPR-Cas неотделима от истории патентных баталий.
Есть нечто грандиозное в том, что наш мозг смог достичь тех же результатов, которых клетки и геномы добивались на протяжении миллиардов лет. Технология, придуманная одним существом (бактерией), была перенята, модифицирована и применена для изменения других существ. Мозг, который присвоил и модифицировал эти биологические изобретения, сам отчасти состоит из вирусных белков с измененной функцией и подпитывается энергией с помощью бывших свободноживущих бактерий. Новые комбинации изменяют мир.
Эпилог
В рождественский день 2018 года я вынужден был почти все утро просидеть в палатке из-за летней пурги. Когда прояснилось, я направился в горы над лагерем, чтобы размять ноги. С каждым шагом все больше ощущая свободу, я наконец оказался у подножия горы Ритчи – одной из вершин Трансантарктического хребта. Меня окружало ледяное пространство шире всей континентальной части Соединенных Штатов. Наша команда занималась поиском окаменелостей в горах, возраст которых превышал возраст гор на Северном полюсе, где была найдена рыба с ногами Tiktaalik roseae. Здесь, на противоположном полюсе планеты, мы искали следы самых первых рыб с костным скелетом. Поиск камней правильного типа и возраста, в которых могли бы обнаружиться такие окаменелости, привел нас в горы в этой части Антарктики.
Вершины гор выступают из-под ледников, как цветной слоеный пирог, создавая живой контраст с окружающим белоснежным морем. Слои красных, коричневых и зеленых камней хранят в себе следы 400 миллионов лет истории жизни и самой планеты. Содержащиеся в камнях структуры доказывают, что этот полярный регион когда-то был гигантской тропической дельтой размером с дельту Амазонки, а позднее – центром высокой вулканической активности. И жизнь здесь тоже менялась. Самым нижним камням около 400 миллионов лет, и в них главным образом содержатся останки рыб, тогда как возраст вершин составляет 200 миллионов лет, и в них остались следы экосистем с разнообразными пресмыкающимися.
С такого расстояния возникает искушение видеть в этих слоистых камнях отражение упорядоченной череды эволюционных изменений. Если говорить в общем, слои с первыми микроорганизмами должны залегать ниже слоев с первыми животными, слои с первыми рыбами – ниже слоев с земноводными, а слои с первыми земноводными – ниже слоев с пресмыкающимися и т. д.
Мы привыкли заполнять бреши в знаниях, исходя из собственных привычек, обычно сформированных под влиянием наших надежд, ожиданий и опасений. Наш разум стремится связывать точки в прошлом в общее повествование, в котором каждое изменение приводит к следующему линейным образом. Все видели схему эволюции человека, демонстрирующую процессию от обезьян до человекообразных обезьян и человека, сначала сгорбленных и на четырех ногах, а потом поднявшихся на две ноги. Часто эту картинку используют в ироническом плане, заканчивая линию эволюции человеком, сидящем на диване за просмотром телесериала “Симпсоны” или приклеенным к мобильному телефону. Это глубоко укоренившееся видение истории. Сколько раз вы слышали термин “недостающее звено”, как будто существует какая-то великая цепь эволюционных событий, в которой одно звено обязательно ведет к следующему? И должно ли это недостающее звено непременно выглядеть как нечто среднее между предками и потомками?
Это правда, что в виде окаменелостей первая рыба появилась раньше первых наземных существ. Но, как мы видели, чем больше мы анализируем окаменелости, эмбрионы и ДНК организмов разных видов, тем чаще обнаруживаем, что многие изменения, позволившие животным жить на суше, возникли раньше, пока рыбы еще жили в воде. И каждое важное революционное изменение в истории жизни следовало тем же путем. Ничто не начинается в тот момент, когда вы думаете, что оно началось: были какие-то предшествовавшие события в прошлом, причем не там, где нам кажется. И Дарвин, отвечая Сент-Джорджу Джексону Майварту более 150 лет назад, понимал, что история жизни не могла пойти каким-то иным путем.
Дарвин не знал о ДНК, о функциях клеток или о генетических рецептах построения тел на этапе эмбрионального развития. ДНК, которая постоянно меняется и находится в состоянии войны с самой собой и с внешними захватчиками, служит основой для эволюционных изменений. Десять процентов нашего генома составляет бывшая ДНК вирусов, а еще примерно 60 % – повторяющиеся последовательности, возникшие в результате прыжков одичавших генов. Только 2 % ДНК приходится на наши собственные гены. Из-за слияния клеточного и генетического материала разных видов и постоянного удвоения и переназначения генов история жизни больше похожа на запутанное и петляющее русло реки, чем на прямой канал. Мать-Природу можно сравнить с ленивым пекарем, который производит невероятное количество изделий путем переназначения, копирования и модификации старых рецептов и разных ингредиентов. Именно благодаря множеству импровизаций, удвоений и слияний одноклеточные микроорганизмы эволюционировали таким образом, что их потомки процветают во всех уголках планеты и даже ходили по Луне.