Mycoplasma genitalium, у которого меньше пятисот генов. Мы решили, что этот геном дополнит нашу работу по H. influenzae, потому что он принадлежит другой группе бактерий. Окраска по Граму, названная так в честь ее изобретателя Ханса Кристиана Грама (1853–1938), делит все виды бактерий на две категории в зависимости от того, как они реагируют на краску: грамположительные (как Bacillus subtilis, например) становятся фиолетовыми или синими, а грамотрицательные (как H. influenzae) приобретают розовый или красный цвет. Считалось, что M. genitalium эволюционно произошла от какой-то бациллы, поскольку она классифицировалась как одна из грамположительных бактерий.
Для завершения секвенирования этого генома потребовалось всего лишь три месяца, и в 1995 году мы опубликовали 580 000 пар оснований генома Mycoplasma genitalium в Science{89}. Наше достижение должно было послужить основой большого труда по сотворению синтетической клетки, но в то же время у него нашлись и более скорые последствия. Эта работа дала старт новой дисциплине, известной как сравнительная геномика. Сравнив два первых в истории секвенированных генома, мы могли поискать общие элементы, связанные с живой самовоспроизводящейся формой жизни. Сравнительная геномика разрабатывает одно из самых захватывающих открытий биологии: создав однажды белковую структуру, которая выполняет важную биологическую функцию, эволюция склонна использовать эту структуру/последовательность снова и снова.
Гены, которые управляют фундаментальным процессом деления клеток у дрожжей, например, похожи на те, которые используют наши клетки{90}. Поскольку из бактерии E. coli уже выделили, секвенировали и функционально охарактеризовали гены, кодирующие ДНК-полимеразу, наша группа могла использовать эту информацию для поиска сходных последовательностей в геноме H. influenzae. Если бы какие-либо из последовательностей ДНК близко соответствовали гену ДНК-полимеразы E. coli, мы могли бы сделать вывод, что ген H. influenzae – это тоже ген ДНК-полимеразы. Проблема была в том, что в 1995 году базы данных генов были весьма скудны, поэтому мы мало с чем могли сравнить наш геном. В целом почти 40 % предполагаемых генов в наших секвенированных геномах не имели соответствия в базе данных.
Наша статья в Science про M. genitalium описывала, как мы использовали данные из обоих секвенированных геномов, чтобы задать основные вопросы о рецепте жизни: каковы ключевые отличия в генном содержимом двух видов? У H. influenzae около 1740 белков, кодируемых каждый своим геном, и примерно восемьдесят генных последовательностей для РНК. У M. genitalium только 482 гена, кодирующих белки, и 42 гена для РНК. Геном M. genitalium меньше отчасти потому, что в нем отсутствуют все гены ферментов, производящих собственные аминокислоты (она может добывать их из человека-хозяина). Как и у M. genitalium, у нас тоже есть незаменимые аминокислоты – валин и триптофан, которые наши клетки не могут синтезировать, и их приходится получать с пищей.
Возможно, еще интереснее вопрос: какие гены общие у этих двух микроорганизмов? Если те же самые гены найдутся у организмов многих разных типов, они обретут гораздо большее значение. Общие гены предполагают общего предка и могут оказаться поистине важнейшими для самого процесса жизни. Ключевой абзац нашей статьи 1995 года гласит: «Обзор генов и их организации у M. genitalium позволяет описать минимальный набор генов, необходимый для выживания».
Мы начали думать над базовым набором жизненно важных генов. Какое минимальное число генов требуется клетке, чтобы выжить и процветать? Мы надеялись, что гены, присутствующие у обеих бактерий из двух разных групп, дадут представление о критическом наборе генов.
Скудость наших биологических познаний в 1995 году отражает уже то, что мы понятия не имели о функциях 736 генов (43 % от всего набора) у H. influenzae и 152 генов (32 %) M. genitalium. Во время написания статей мы много спорили о жизни и о том, действительно ли M. genitalium представляет собой минимальный набор генов. Эти наши дискуссии отразились в заключении статьи о M. genitalium: «Сравнение [новых секвенированных геномов] с генной последовательностью M. genitalium должно способствовать более точному определению фундаментального комплекта генов для самовоспроизводящегося организма и более полному пониманию разнообразия жизни». Другие группы также начали работать с нашими данными по двум первым опубликованным геномам. Евгений Кунин из НИЗ провозгласил, что эта разработка отмечает новую эру в геномной науке, и заключил путем компьютерного исследования, что у микробов очень невелико генное разнообразие. Он основывался на сходстве между наборами генов грамотрицательных (H. influenzae) и грамположительных (M. genitalium) бактерий{91}. Однако наш следующий геномный проект одним ударом изменил принятые представления о генетическом разнообразии.
В 1996-м мы намеренно выбрали для третьей работы над геномом необычный вид: Methanococcus jannaschii. Этот одноклеточный организм живет в экстремальной среде – гидротермальном источнике, где из-под дна океана бьет горячая, насыщенная минеральными соединениями жидкость. В этих адских условиях клетки противостоят давлению в 245 атмосфер и температурам около 85 градусов Цельсия. Это само по себе примечательно, потому что большинство белков денатурируют при температурах от 50 до 60 градусов (в частности, именно это происходит с яичным белком при варке). В отличие от жизни на поверхности Земли, зависящей от солнечного света, Methanococcus – хемотроф, то есть делает все, что ему нужно для существования, из неорганических веществ. Источником углерода для любого белка и липида в клетке Methanococcus служит диоксид углерода. Кроме того, превращая углекислоту в метан, этот микроб получает энергию для своей жизнедеятельности. Methanococcus принадлежит к предполагаемой третьей ветви жизни – так называемым археям, которые в 1977 году открыл Карл Вёзе из Университета Иллинойса в Урбане{92}. Вместе с Вёзе мы выбрали Methanococcus как первую архею, геном которой будет секвенирован и проанализирован.
Сиквенс не подвел. Геном Methanococcus{93} расширил наш взгляд на биологию и генетические богатства планеты. Почти 60 % генов Methanococcus были новыми для науки, ничего не знавшей об их функциях; только 44 % генов напоминали что-то описанное ранее. Некоторые из генов Methanococcus, включая те, которые связаны с основным энергетическим обменом, напоминают те, которые есть у бактериальной ветви жизни. В то же время другие его гены, включая те, что связаны с переработкой информации и репликацией генов и хромосом, лучше всего соответствуют эукариотным генам, в том числе некоторым человеческим и дрожжевым. Наше геномное исследование побывало на первой странице каждой крупной газеты в Америке и широко освещалась в большей части остального мира: The Economist выбрал заголовок «Горячая штучка», в то время как Popular Mechanics возвещала об «Инопланетной жизни на Земле», и ей вторили San Jose Mercury News с заголовком «За пределами научной фантастики»{94}. Кстати, современные исследования наводят на мысль, что эукариоты – это потомки архей, и если это окажется так, мы опять вернемся к двум главным ветвям жизни{95}.
В том же 1996 году в газетные «шапки» по всему миру попала и НАСА, когда опубликовала то, что некоторые приняли за свидетельство микробной жизни на Марсе. Эверетт Гибсон и его коллеги из агентства объявили, что нашли в метеорите ALH 84001 окаменелость не более нанометра размером. Это было сенсационной находкой, поскольку ALH 84001 был выбит из поверхности Красной планеты и затем упал на Землю примерно тринадцать тысяч лет назад.
Эти сообщения о микробах-марсианах, сопровождаемые интригующими картинками мелких клякс и микроскопических колбасок, еще больше подхлестнули дискуссии о том, из чего может состоять минимальный геном. Наши простые прикидочные расчеты показали, что объем упомянутой «нанобактерии» настолько мал, что просто не может содержать молекулы ДНК или РНК. Теперь уже ясно, что структуры, найденные в ALH 84001, не имеют отношения к живым существам и что отложения, напоминающие примитивные клетки, могут возникать просто в ходе роста кристаллов{96}.
Следующие несколько лет моя команда продолжала секвенировать множество уникальных видовых геномов, включая тот, на который нас вдохновила новаторская работа австралийца Барри Маршалла. Они с патологом Робином Уорреном считали, что язву желудка вызывает спиралевидная бактерия, позже названная Helicobacter pylori. На меня произвело впечатление упорство Маршалла, работа которого постоянно оспаривалась. Его коллеги не желали верить, что причиной язвы может быть бактерия, а не стресс. В 1984 году Маршалл, вдохновленный своей убежденностью, выпил раствор с бактерией. Вскоре у него начались приступы рвоты и развился гастрит. В конце концов его настойчивость окупилась. Благодаря его исследованию миллионы людей были вылечены антибиотиками вместо ежедневного приема лекарств, снижающих кислотность, – что заодно снизило риск развития рака желудка. Мы опубликовали геном Helicobacter pylori в 1997 году{97}, а в 2005-м Маршалл получил Нобелевскую премию по медицине{98}