Помоги проекту - поделись книгой:
Крейг Вентер
Жизнь на скорости света. От двойной спирали к рождению цифровой биологии
J. Craig Venter
Life at the Speed of Light
© 2013 by J. Craig Venter
© Перевод. Н. Жукова, 2016
© Издание на русском языке AST Publishers, 2018
Глава 1. Дублин, 1943–2012
Как могут физика и химия объяснить те явления в пространстве и времени, которые имеют место внутри живого организма?.. Явная неспособность современной физики и химии объяснить такие явления совершенно не дает оснований сомневаться в том, что они могут быть объяснены этими науками в будущем.
«Что такое жизнь?» Всего три простых слова, и однако каждое из них закручивает вселенную не менее сложных вопросов. Что именно отличает одушевленное от неодушевленного? Каковы основные ингредиенты жизни? Где впервые зашевелилась жизнь? Как эволюционировали первые организмы? Везде ли есть жизнь? Насколько жизнь рассеяна по космосу? Если на экзопланетах есть другие формы жизни, они так же умны, как мы, или еще умнее?
Сегодня эти вопросы о природе и происхождении жизни остаются важнейшими и самыми горячо обсуждаемыми во всей биологии. От них зависит вся данная дисциплина, и хотя мы поныне ищем ответы на ощупь, мы сильно продвинулись за прошедшие десятилетия в их исследовании. На самом деле мы сильнее продвинулись в этом поиске на памяти ныне живущих людей, чем за десять тысяч или более поколений, в течение которых современный человек ходит по планете{1}. Мы теперь вошли в то, что я называю «цифровой эрой биологии», в которую начинают сливаться ранее хорошо различимые области компьютерного программирования и тех программ, что определяют жизнь, и где возникают новые сочетания, которые будут определять принципиальные направления эволюции.[1]
Если бы мне надо было назвать место и время, когда, как я считаю, родилась современная биологическая наука, то это был бы Дублин, февраль 1943 года, когда австрийский физик Эрвин Шрёдингер (1887–1961) сосредоточился на центральной проблеме всей биологии. Шрёдингер поселился в Дублине в 1939 году, отчасти спасаясь от нацистов, отчасти вследствие здешней терпимости к его нетрадиционной личной жизни (он жил одновременно с двумя женщинами и устраивал «бурные сексуальные приключения» для вдохновения{2}), а отчасти по инициативе тогдашнего премьер-министра Ирландии Эймона де Валеры, который пригласил его туда на работу.
Шрёдингер получил Нобелевскую премию в 1933 году за создание уравнения для квантовых волн, способных объяснить поведение субатомных частиц, самой вселенной и всего, что есть между этим. Теперь, через десять лет, выступая под эгидой Дублинского института высших исследований, основанного при его и де Валеры участии, Шрёдингер прочитал серию из трех лекций в дублинском Тринити-колледже, и лекции эти цитируют по сей день. Носящие общий заголовок «Что такое жизнь? Физический аспект живой клетки», эти чтения отчасти были вдохновлены интересом его отца к биологии, а отчасти статьей 1935 года{3}, ставшей результатом предшествовавших встреч физиков и биологов в довоенной Германии. Тогда немецкие физики Карл Циммер и Макс Дельбрюк вместе с русским генетиком Николаем Тимофеевым-Ресовским, используя способность рентгеновских лучей повреждать гены и вызывать мутации у дрозофил, пытались оценить размер гена («около 1000 атомов»).
Шрёдингер начал чтения в 16.30 в пятницу 5 февраля, причем в аудитории перед ним сидел премьер-министр. Репортер из журнала
Шрёдингер сделал из своих лекций небольшую книгу, которая вышла в следующем году, за два года до моего рождения. Так «Что такое жизнь?» начала влиять на поколения биологов. (Через пятьдесят лет после прочтения этих замечательных лекций Майкл Мёрфи и Люк О’Нил из Тринити-колледжа отпраздновали годовщину, пригласив выдающихся ученых из разных дисциплин – в престижный список гостей вошли Джаред Даймонд, Стивен Джей Гулд, Стюарт Кауфман, Джон Мейнард Смит, Роджер Пенроуз, Льюис Вольперт и нобелевские лауреаты Кристиан де Дюв и Манфред Эйген, – чтобы предсказать, что может случиться в следующие полвека.) Я читал «Что такое жизнь?» как минимум раз пять по разным поводам, и каждый раз, в зависимости от этапа моей карьеры, ее основная идея принимала другой смысл, иные акценты и значение.
Причина, по которой эта тоненькая книжечка Шрёдингера оказалась такой влиятельной, по сути проста: он подходил к центральным проблемам биологии – наследственности и тому, как организмы управляют энергией, чтобы поддерживать порядок, – с новой, дерзкой, точки зрения. Он четко и кратко аргументировал, что жизнь должна подчиняться законам физики и что, следовательно, можно использовать физические законы, чтобы делать важные выводы о сущности жизни. Шрёдингер указал, что хромосомы должны содержать «в виде своего рода шифрованной записи весь “план” будущего развития индивидуума и его функционирования в зрелом состоянии». Он предположил, что эта запись должна представлять собой «высокоупорядоченную ассоциацию атомов, наделенную достаточной устойчивостью для длительного сохранения своей упорядоченности», и объяснил, как сумма атомов в «апериодическом кристалле» может нести достаточно информации для наследственности. Он использовал термин «кристалл», чтобы подчеркнуть стабильность, и характеризовал его как «апериодический», который, в отличие от периодического, с повторяющейся структурой (как объясняла
Одно из самых примечательных свойств жизни – это ее способность создавать порядок: ваять сложное и упорядоченное тело из химического хаоса, окружающего нас. На первый взгляд эта способность кажется чудом, которое бросает вызов мрачному второму закону термодинамики, гласящему, что всё стремится соскользнуть от порядка к беспорядку. Но этот закон приложим только к
Шрёдингер посвятил большую часть своей лекции термодинамике жизни – теме, в ту пору недостаточно изученной для его прозрений в генетике и молекулярной биологии. Он описывал удивительный дар живого «концентрировать на себе “поток порядка”, избегая таким образом распада в атомный хаос» и «пить упорядоченность» из подходящей среды. Он выяснил, какое отношение к этому подвигу креативности имеют «апериодические твердые тела». В кодированном тексте заложены средства, способные изменить близлежащие химические вещества таким образом, чтобы запрячь вихри в великом потоке энтропии и заставить их жить в виде клетки или организма.
Гипотеза Шрёдингера вдохновила ряд физиков и химиков обратить внимание на биологию – после того как они разочаровались во вкладе своих наук в проект «Манхэттен», создание атомной бомбы во время Второй мировой войны. Когда Шрёдингер читал свои лекции, научный мир считал, что основу генетического материала составляют не ДНК, а белки. В 1944 году появилось первое явное свидетельство того, что на самом деле носитель информации – не белок, а ДНК. Книга Шрёдингера подтолкнула американца Джеймса Уотсона и британца Фрэнсиса Крика на поиск этой «кодированной записи», что в конечном итоге привело их к открытию самой прекрасной структуры во всей биологии – двойной спирали ДНК, внутри которой лежат все тайны наследственности. Каждая цепочка двойной спирали комплементарна второй, и при этом они идут в противоположных (антипараллельных) направлениях. В результате двойная спираль способна „расстегиваться“ посередине, и каждая сторона может служить матрицей или образцом для другой, и так информация ДНК будет копироваться и передаваться потомству. В 1953 году, 12 августа, Крик послал Шрёдингеру письмо, в котором говорилось об этом, с добавлением: «Ваш термин „апериодический кристалл“, похоже, будет очень подходящим».
Детали того, как именно работает этот носитель информации, были открыты и затем подробно разобраны в 1960-х. Это привело к формулированию Криком в 1970 году «центральной догмы», определившей пути, по которым генетическая информация течет через биологические системы. В 1990-х я возглавлю группу, которая прочитает первый геном живой клетки, а потом одну из двух групп, которая прочитает человеческий геном в широко разрекламированной, часто жаркой, раздраженной и политизированной гонке с Уотсоном и другими. На рубеже тысячелетий мы на самом деле впервые увидели замечательные детали апериодического кристалла, содержащего зашифрованную запись человеческой жизни.
В мысли Шрёдингера неявно подразумевалось, что эта запись посылала свои сигналы с момента зарождения жизни, имевшего место больше четырех миллиардов лет назад. Рассмотрев эту идею подробнее, биолог и писатель Ричард Докинз предложил впечатляющий образ реки, текущей из Эдема{4}. Эта медленная река состоит из информации, из рецептов для построения живых существ. Точность копирования ДНК не абсолютна, и случавшиеся в череде поколений повреждения, вызванные кислородом или ультрафиолетом, породили достаточно замен в ДНК, чтобы обеспечить внутривидовую изменчивость. В результате река ветвится и раздваивается, порождая бесчисленные новые виды в течение миллиардов лет.
Полвека тому назад великий эволюционный генетик Мотоо Кимура прикинул, что количество генетической информации за последние пятьсот миллионов лет возросло на сто миллионов бит{5}. Запись в ДНК стала доминировать в биологической науке до такой степени, что в XXI веке биология стала информационной наукой. Сидней Бреннер, южноафриканский биолог, лауреат Нобелевской премии, заметил, что генетическая запись «должна сформировать ядро биологической теории»{6}. Систематики теперь используют штрих-коды ДНК, чтобы удобнее было отличать один вид от другого{7}. Другие начали использовать ДНК для вычислений{8} или как средство хранения информации{9}. Я руководил попытками не только читать цифровую программу жизни, но и писать ее, имитировать на компьютере и даже переписывать ее, чтобы сформировать новые живые клетки.
Почти через семьдесят лет после исходных лекций Шрёдингера, 12 июля 2012 года, я очутился в Дублине по приглашению Тринити-колледжа. Меня попросили вернуться к великой теме Шрёдингера и попытаться рассказать о том, как сейчас понимают и дают определение жизни, основываясь на современной науке. До сих пор этот вопрос по очевидным причинам интересует всех, и у меня тоже есть свой сугубо личный интерес. Будучи молодым санитаром во Вьетнаме, я усвоил, к своему изумлению, что разница между одушевленным и неодушевленным может быть очень тонкой: маленький кусочек ткани может отделять живую дышащую личность от трупа; даже при хорошем медицинском уходе выживание может частично зависеть от позитивного настроя пациента, от того, что он весел и оптимистичен, что доказывает, что из комбинаций живых клеток может возникать сложность более высокого порядка.
В 19.30 в четверг, имея за спиной десятилетия прогресса молекулярной биологии, я вышел на ту же сцену, на которую выходил и Шрёдингер, и, как и он, увидел перед собой премьер-министра в декорациях несравненного Экзаменационного зала Тринити-колледжа. Под огромной люстрой, перед портретами Уильяма Молино, Джонатана Свифта и им подобных я смотрел в аудиторию из четырехсот запрокинутых лиц и ярких огней камер всех видов и типов. В отличие от Шрёдингера я знал, что моя лекция будет записана, передана в прямом эфире, опубликована в блогах и выложена в твиттер, так как я снова затрону тот вопрос, для ответа на который так много сделал мой предшественник.
Следующий час с лишним я объяснял, что жизнь в основном состоит из биологических машин, управляемых ДНК. Все живые клетки работают на программах, записанных в ДНК, которые управляют сотнями тысяч белковых роботов. Мы оцифровывали жизнь десятилетиями, с тех пор как впервые представили, как читать программу жизни посредством секвенирования ДНК. Теперь мы можем идти в другом направлении, начиная с компьютерной цифровой основы, создавая новую форму жизни, химически синтезируя ее ДНК, а потом доводя ее до получения настоящего организма. И поскольку информация нынче цифровая, мы можем пересылать ее куда угодно со скоростью света и снова творить ДНК и жизнь на том конце. Рядом с премьер-министром Эндой Кенни сидел мой давний самопровозглашенный соперник Джеймс Уотсон. Когда я договорил, он взобрался на сцену, пожал мне руку и любезно поздравил меня с «прекрасной лекцией»{10}.
«Жизнь на скорости света», частично основанная на моей лекции в Тринити-колледже, задумана для того, чтобы описать наш невероятный научный прогресс. Всего за одну человеческую жизнь мы продвинулись от «апериодических кристаллов» Шрёдингера до понимания того, что если с записанного генома можно построить синтетическую хромосому и, следовательно, синтетическую клетку, то ДНК представляет собой программное обеспечение жизни. Эта работа опирается на потрясающие достижения в течение последнего полувека, которыми мы обязаны плеяде невероятно одаренных личностей в лабораториях всего мира. Я сделаю обзор этих разработок в молекулярной и синтетической биологии, отчасти чтобы отдать должное этому эпическому предприятию, отчасти чтобы признать вклады, сделанные ключевыми ведущими учеными. Я не ставил себе цели написать полную историю синтетической биологии, а только лишь пролить немного света на силу этого выдающегося совместного предприятия, которое мы называем наукой.
ДНК как оцифрованная информация не только накапливается в компьютерных базах данных, но теперь может передаваться как электромагнитная волна на скорости света или близко к ней, через биологический телепортер, чтобы заново сотворить белки, вирусы и живые клетки где-то далеко, возможно, навсегда меняя наш взгляд на жизнь. С этим новым пониманием жизни и недавними прорывами в наших способностях манипулировать ею широко раскрывается дверь, за которой появляются новые волнующие возможности. Индустриальная эпоха идет к концу, но мы становимся свидетелями начала эры биологического проектирования. Человечество вот-вот войдет в новую фазу эволюции.
Глава 2. Химический синтез как доказательство
Этот тип синтетической биологии, великая попытка сотворения искусственной жизни, также бросает вызов нашей привычной теории жизни. Если жизнь – это всего лишь самоподдерживающаяся химическая система, способная к эволюции по Дарвину, и мы действительно понимаем, как химия может поддерживать эволюцию, то мы должны быть способны синтезировать искусственную химическую систему, способную к эволюции по Дарвину. Если мы в этом преуспеем, то, значит, теории, на которых основывался наш успех, показали себя как правомочные… И напротив, если мы не сможем получить искусственную форму жизни при попытке создать химическую систему… мы должны сделать вывод, что наша теория жизни что-то упускает.
Людей издавна завораживала идея искусственной жизни. Начиная со средневекового гомункулуса Парацельса и голема из еврейского фольклора и до творения Франкенштейна Мэри Шелли и «репликантов» из «Бегущего по лезвию бритвы», мифология, легенды и популярная культура полны историями о синтетической и роботической жизни. Однако точное определение разницы между жизнью и не-жизнью или между жизнью биологической и машинной – большая и длительная задача равно для науки и философии. Веками принципиальной целью науки было, во-первых, понять жизнь на ее самом основном уровне и, во-вторых, научиться ею управлять. Американский биолог немецкого происхождения Жак Лёб (1859–1924) был, видимо, первым настоящим биологическим инженером. В своих лабораториях в Чикаго, Нью-Йорке и Вудс-Холе в Массачусетсе он конструировал то, что в своей книге 1906 года «Динамика живого вещества» назвал «долговечными машинами»{12}. Лёб делал двухголовых червей и, что наиболее известно, заставлял яйца морского ежа начинать эмбриональное деление без оплодотворения спермой{13}. Неудивительно, что Лёб стал прототипом Макса Готлиба – персонажа романа Синклера Льюиса «Эрроусмит», вышедшего в 1925 году и получившего Пулитцеровскую премию. Это было первое произведение серьезной литературы в жанре фантастики, идеализирующее чистую науку. Кстати, в нем фигурировало антибактериальное средство на основе вирусов, называемых бактериофагами.
В книге Филипа Дж. Паули «Управление жизнью: Жак Лёб и инженерный идеал в биологии» (1987) цитируется письмо, посланное в 1890 году Лёбом венскому физику и философу Эрнсту Маху (1838–1916), в котором Лёб утверждал: «Идеал, представляющийся мне сегодня, – это человек, способный сам действовать как создатель, даже в живой природе, формируя ее наконец-то по своей воле. Человек может наконец преуспеть в технологии живого вещества [
Впрочем, истоки механистического взгляда Лёба можно обнаружить в истории за столетия до его переписки с Махом. Некоторые из самых ранних теорий жизни были «материалистическими» по сравнению с теми, которые полагались на нефизические процессы, которые лежат за пределами материального мира, и на сверхъестественные способы творения. Эмпедокл (490–430 гг. до н. э.) говорил, что всё, включая жизнь, сделано из сочетаний четырех неизменных «элементов» или «корней всего сущего»: земли, воды, воздуха и огня. Аристотель (384–322 гг. до н. э.), один из ранних «материалистов», делил мир на три главные группы: животные, растения и минералы. Эту классификацию до сих пор учат в школах. В 1996 году моя группа секвенировала первый геном археи. Эта последовательность многими преподносилась как доказательство того, что археи, как первым предположил американский микробиолог Карл Вёзе, представляют третью ветвь жизни – наряду с бактериями и эукариотами[2]. Когда это попало в новости, телеведущий Том Брокау риторически вопросил: «У нас есть животные, растения и минералы. Что же может быть за новая ветвь?»
Понимание углублялось, и мыслители становились амбициознее. Для греков идея изменения природы в угоду человеческим стремлениям или поиск способов управления ею выглядели бы абсурдом. Но с начала научной революции в XVI веке принципиальной целью науки стало не только исследование основ вселенной, но и овладение оной. Фрэнсис Бэкон (1561–1626), английский энциклопедист, основатель эмпиризма[3], облек это в слова, которые лучше привести в оригинале, чем пересказывать: греки, несомненно, «были похожи на мальчишек; они могут только болтать и ссориться, но не могут делать; ибо их мудрость обильна словами, но пустынна трудами… Из всех этих греческих систем и их последствий для отдельных наук едва ли можно по истечении многих лет привести хоть один эксперимент, который направлен на облегчение и улучшение состояния человека».
В романе-утопии «Новая Атлантида» (1623){14} Бэкон обрисовал свое представление о будущем, отмеченном человеческими открытиями, и даже предвидел финансируемое государством научное учреждение, Дом Соломона, где целью ставится «познание причин и скрытых сил всех вещей; и расширение власти человека над природою, покуда все не станет для него возможным». В его романе описываются эксперименты со «зверями и птицами», звучащие как генетическая модификация: «С помощью науки делаем мы некоторые виды животных крупнее, чем положено их породе, или, напротив, превращаем в карликов, задерживая их рост; делаем их плодовитее, чем свойственно им от природы, или, напротив, бесплодными; а также всячески разнообразим их природный цвет, нрав и строение тела». Бэкон даже упоминает способность проектировать жизнь: «И это получается у нас не случайно, ибо мы знаем заранее, из каких веществ и соединений какое создание зародится»{15}.
Наука не только хочет понять природу – она хочет и поставить ее на службу человеку. Рене Декарт (1596–1650), первопроходец в оптике, которого мы все ассоциируем с фразой «Я мыслю, следовательно, существую», в «Рассуждении о методе» 1637 года также заглянул вперед – в тот день, когда человечество сможет стать «хозяином и господином природы». Декарт и его последователи распространили механистические объяснения природных явлений на биологические системы, а затем исследовали их приложения. С самого рождения этого великого дела, однако, критики выражали опасения, что в погоне за эффективным господством над природой будут забыты более важные моральные и философские проблемы. Вместе с фаустовым духом современной науки пришел спор о приемлемости для человечества «игры в Бога».
Для некоторых не было вопроса, что превосходным примером принятия роли божества было бы создание чего-нибудь живого в лаборатории. В своей книге «Природа и происхождение жизни: в свете новых знаний» 1906 года французский биолог и философ Феликс ле Дантек (1869–1917) обсуждает эволюцию – или «трансформизм», как ее называли в додарвиновских дискуссиях о том, как меняются виды, – современных видов от более ранних и простых организмов, «живой протоплазмы, сведенной к минимальной сумме наследственных признаков». Он писал: «Архимед высказал символическое утверждение, которое, если принять его буквально, абсурдно: „Дайте мне точку опоры, и я переверну Землю“. Примерно так же трансформист наших дней имеет право сказать: „Дайте мне живую протоплазму, и я воссоздам целиком животное и растительное царства“». Ле Дантек очень хорошо понимал, что теми примитивными методами, которые были у него в распоряжении, эту работу было бы трудно выполнить: «Наше знакомство с коллоидами [макромолекулами] еще столь недавнее и рудиментарное, что нам не стоит рассчитывать на скорый успех в попытках изготовить живую клетку». Ле Дантек был так уверен, что будущее принесет синтетические клетки, что говорил: «С новыми знаниями, полученными наукой, просвещенному разуму больше не нужно видеть изготовление протоплазмы для того, чтобы убедиться в отсутствии всякой существенной разницы и абсолютного разрыва между живой и неживой материей»{16}.
В предыдущем веке границу между одушевленным и неодушевленным провели химики, в том числе Йёнс Якоб Берцелиус (1779–1848), шведский ученый, который считается одним из пионеров современной химии. Берцелиус впервые применил атомную теорию к «живой» органической химии{17}, опираясь на работу французского отца химии Антуана Лавуазье (1743–1794) и других ученых. Он определил две крупных ветви химии как «органическую» и «неорганическую»; органические соединения – это те, которые отличаются от всех прочих тем, что включают в себя атомы углерода. В первый век применения термина «органический» он означал «происходящий от живого». Но примерно в то время, когда Берцелиус выдвинул эти определения, которые мы используем до сих пор, в своем влиятельном учебнике химии начала XIX века, виталисты и неовиталисты рассматривали органический мир еще более однозначно: «Органические вещества имеют по крайней мере три составляющие… они не могут быть приготовлены искусственно… но лишь через сродства, связанные с жизненной силой. Из этого ясно, что одни и те же правила неприменимы к органической и неорганической химии, так как здесь существенно влияние жизненной силы»{18}.
Немецкий химик Фридрих Вёлер (1800–1882), некоторое время работавший с Берцелиусом, совершил открытие, которое долго считалось «опровержением» витализма: химический синтез мочевины. В современных учебниках, в лекциях и статьях вы все еще найдете ссылки на его
Вёлер объяснил свой успех в письме к Берцелиусу, датированном 12 января 1828 года{19}, описав случай, когда в Политехнической школе в Берлине он нечаянно создал мочевину, основной азотсодержащий компонент в моче млекопитающих. Вёлер пытался синтезировать щавелевую кислоту, содержащуюся в ревене, из циана и водного раствора аммиака и в итоге получил белую кристаллическую субстанцию. Аккуратно экспериментируя, он сделал точный анализ натуральной мочевины и показал, что это то же самое вещество, что и его кристаллы. До тех пор мочевину получали только из животных источников.
Тревожась, что не получает ответа от Берцелиуса, Вёлер снова написал ему в письме от 12 февраля 1828 года: «Я надеюсь, что мое письмо от 12 января дошло до вас, и хотя я жил в ежедневном и ежечасном ожидании ответа, я не стану ждать дольше, но напишу вам сейчас, потому что не могу дольше, так сказать, придерживать свою химическую мочевину, и надеюсь опубликовать то, что я могу получить мочевину без участия почки, будь то человеческой или собачьей; аммиачная соль циановой кислоты[4] и есть мочевина». Вёлер продолжал: «Предполагаемый цианат аммония был легко получен путем взаимодействия цианата свинца с раствором аммония. Цианат серебра и раствор хлорида аммония тоже годятся. Были получены четырехгранные прямоугольные призмы, красиво кристаллизующиеся; если их обработать кислотами, то не выделяется циановая кислота, а если щелочами – ни следа аммиака. Но с азотной кислотой образуются блестящие хлопья легко кристаллизующегося соединения, причем сильно кислотного; я был склонен принять это вещество за новую кислоту, так как при нагревании не образовывалась ни азотная, ни азотистая кислота, зато выделялось много аммиака. Потом я обнаружил, что если раствор насытить щелочью, то снова появляется так называемый цианат аммония, и его можно экстрагировать спиртом. И вот, совершенно внезапно, я получил ее! Все, что было нужно, – это сравнить мочевину из мочи с мочевиной из цианата»{20}.
Когда Берцелиус наконец ответил, его реакция была шутливой и полной энтузиазма: «Тот, кто положил начало своему бессмертию в моче, имеет все основания завершить свой путь вознесения на небеса при помощи того же предмета… и поистине, герр доктор на самом деле придумал трюк, который ведет по истинному пути к бессмертному имени… Это, безусловно, будет очень полезным для будущих теорий».
Тут он попал в точку. В сентябре 1837 года в научное общество в Ливерпуле, известное как Британская ассоциация по развитию науки, обратился Юстус фон Либих (1803–1873), влиятельный ученый, совершивший ключевые открытия в химии, например, он установил важность азота как питательного вещества для растений{21}. Фон Либих обсуждал продемонстрированное Вёлером «удивительное и в какой-то степени необъяснимое получение мочевины без помощи жизненных функций», добавляя, что «началась новая эра в науке»{22}.
Достижение Вёлера вскоре попало в учебники, а именно в «Историю химии» Германа Франца Морица Коппа (1843), в которой было написано, что оно «разрушило ранее принятое разделение между органическими и неорганическими телами». К 1854 году значение Вёлерова синтеза мочевины было подчеркнуто, когда другой немецкий химик, Герман Кольбе, написал{23}: всегда считалось, что соединения в животных и растительных телах «обязаны своим образованием весьма загадочной силе, присущей исключительно живой природе, так называемой жизненной силе». Но теперь, в результате Вёлерова «эпохального и важного» открытия, разделение между органическими и неорганическими соединениями рассыпалось.
Однако, как бывает при непредвзятом рассмотрении многих исторических событий, «пересмотренная история» работы Вёлера может дать новое понимание, которое удивит всякого, придерживающегося традиционной точки зрения из учебников – той, что историк науки Питер Рамберг называет «вёлеровским мифом». Этот миф достигает апофеоза в 1937 году, в книге Бернарда Яффе «Тигли: Жизни и достижения великих химиков», популярной истории химии, где Вёлер описан как молодой ученый, тяжко трудившийся в «священном храме» своей лаборатории, чтобы развенчать загадочную жизненную силу.
Рамберг указывает, что если считать достижение Вёлера знаковым экспериментом, то удивительно, как мало свидетельств современников о реакции на него. Хотя Берцелиус был явно взволнован работой Вёлера, это было связано не столько с витализмом, сколько с тем, что синтез мочевины означал трансформацию солеподобного соединения в такое, у которого совсем не было свойств соли. Показав, что цианат аммония может стать мочевиной через внутреннюю перестановку атомов, ничего не набирая и не теряя, Вёлер предоставил один из первых и лучших примеров того, что химики называют изомерией. Сделав это, он способствовал преодолению прежних взглядов, согласно которым два вещества с разными физическими и химическими свойствами не могут иметь одинаковый состав{24}.
По единодушному мнению современных историков, область органической химии не могла быть открыта единственным экспериментом. Вёлеров синтез мочевины на самом деле почти не повлиял на витализм. Сам Берцелиус думал, что мочевина, по сути, отходы организма, не столько органическое соединение, сколько «промежуточное» вещество между органикой и неорганикой{25}. Более того, исходные материалы Вёлера скорее были органическими, чем неорганическими ингредиентами. Да и достижение его не было уникальным: четырьмя годами раньше он сам искусственно получил другое органическое соединение, щавелевую кислоту, из воды и циана{26}. Историк науки Джон Брук назвал Вёлеров синтез мочевины в конечном счете «не более чем маленьким камешком, слегка мешающим убедительному потоку виталистического мышления».
Витализм, подобно религии, не исчез просто в ответ на новые научные открытия. Чтобы сдвинуть систему убеждений, нужно накопить весомые доказательства путем многих экспериментов. Непрерывный прогресс науки все сильнее душил витализм, но на это ушли века, и даже сегодня программа по искоренению этого мистического поверья еще не выполнена до конца.
Ряд ключевых открытий, которые
В своем знаменитом исследовании 1859 года Луи Пастер (1822–1895) опроверг теорию самозарождения посредством простого опыта. Он прокипятил бульон в двух разных колбах, одна не закрывалась, и в нее попадал внешний воздух; вторая имела S-образный изгиб горлышка и была заткнута ватой. После остывания открытой колбы в ней выросли бактерии, но во второй колбе ничего не выросло. Считается, что Пастер доказал, что микроорганизмы есть везде, включая воздух. Как и в случае с Вёлером, результаты его экспериментов, если рассмотреть их во всех деталях, не были столь убедительными, как это часто изображается, и окончательные доказательства были получены только в последующих работах немецких ученых{27}.
Эксперименты Пастера привели некоторых ученых того времени к исключению возможности того, что жизнь исходно развилась (или может быть развита) из неорганических веществ. В 1906 году французский биолог и философ Феликс ле Дантек писал: «Часто говорится, что Пастер показал бесполезность попыток… людей науки воспроизвести жизнь в своих лабораториях. Пастер показал лишь вот что: приняв определенные меры предосторожности, мы можем исключить любое попадание уже существующих живых организмов в конкретные субстанции, которые могут служить им пищей. И всё. Проблема синтеза протоплазмы осталась там же, где была{28}».
Хотя Пастер и показал, как исключить жизнь из стерильной среды, он не помог нам понять, как миллиарды лет назад на юной Земле воцарилась жизнь. В 1880 году немецкий эволюционный биолог Август Вейсман (1834–1914) сформулировал важный вывод из биогенного закона, обращенный назад, к первоисточнику: «Ныне живущие клетки могут проследить свою родословную до древнейших времен». Другими словами, должна быть общая предковая клетка. И это, конечно, приводит нас к революционной работе Чарльза Дарвина «Происхождение видов», вышедшей в 1859 году. Дарвин (1809–1882), а также британский натуралист и исследователь Альфред Рассел Уоллес (1823–1913) утверждали, что у всех созданий случаются вариации или изменения видовых признаков, которые передаются последующим поколениям. Некоторые вариации оказываются выгодными формами, которые процветают в каждом последующем поколении, и так они – и их гены – становятся более распространенными. Это естественный отбор. Со временем, когда новые версии признаков накопятся, линия может измениться настолько, что больше не сможет обмениваться генами с другими линиями, которые когда-то были ее родичами. Так рождается новый вид.
Несмотря на эти продвижения в науке, у витализма даже в ХХ веке были пламенные защитники. Среди них был Ханс Дриш (1867–1941), выдающийся немецкий эмбриолог, обратившийся к идее энтелехии (от греческого слова
В наше время появилась новая разновидность витализма. В этой более изощренной форме упор делается не столько на присутствие искры жизни, сколько на то, что современные редукционистские, материалистические объяснения неспособны объяснить загадку жизни. Это направление мышления отражает убеждение, что сложность живой клетки возникает в ходе множества взаимодействующих химических процессов, образующих взаимосвязанные циклы с обратной связью, и все это не может быть описано лишь в понятиях тех процессов и реакций, из которых оно состоит. В результате витализм сегодня проявляется в облике смещения акцента с ДНК на «эмерджентные» свойства клетки, которые оказываются чем-то бóльшим, чем сумма ее молекулярных частей и того, как они работают в конкретной среде.
Результатом этого нового утонченного витализма становится стремление некоторых ученых принизить или даже игнорировать центральную роль ДНК. По иронии судьбы редукционизм не помог. Сложность клеток, вместе с продолжающимся подразделением биологии на учебные дисциплины в большинстве университетов, привела многих на путь „белкоцентричности“, противостоящей ДНК-центричному взгляду на биологию. В последние годы ДНК-центричная точка зрения все сильнее склоняется к эпигенетике, системе «переключателей», которые включают и выключают гены в ответ на такие факторы окружающей среды, как стресс или питание. Многие сейчас ведут себя так, как будто область эпигенетики на самом деле отделена и независима от биологии, основанной на ДНК. Когда кто-то начинает приписывать цитоплазме неизмеримые свойства, он тем самым невольно попадает в ловушку витализма. То же самое относится к подчеркиванию загадочных эмерджентных свойств клетки помимо ДНК, что равносильно возрождению принципа
Это, конечно, верно, что клетки оказались первичной биологической основой для всего, что мы знаем как жизнь. Понимание их структуры и содержимого стало в результате основой для важных фундаментальных дисциплин – клеточной биологии и биохимии. Однако, как я надеюсь показать, без своей генетической информационной системы клетки проживут от нескольких минут до нескольких дней. Без генетической информации у них нет средств для создания белковых компонентов или их оболочки из липидных молекул, которые образуют мембрану, удерживающую их водянистое содержимое. Они не будут эволюционировать, они не будут воспроизводиться, и они не будут жить.
Хотя мы осознаем, что миф, сложившийся вокруг Вёлерова синтеза мочевины, неточно отражает исторические факты, связанные с этим сюжетом, фундаментальная логика его эксперимента по-прежнему оказывает мощное и обоснованное влияние на научные методы. Сегодня стандартный способ доказать, что предполагаемая химическая структура исследуемого вещества верна, состоит в том, чтобы синтезировать такую структуру и показать, что результат синтеза имеет все свойства природного продукта. Десятки тысяч научных статей начинаются с такой предпосылки или содержат фразу «доказано синтезом». Мое собственное исследование руководствовалось принципами письма Вёлера от 1828 года. Когда в мае 2010 года моя группа в Институте Крейга Вентера (JCVI) синтезировала целую бактериальную хромосому посредством компьютерной программы и четырех бутылей химикатов, а потом вставила хромосому в клетку, создав первый синтетический организм, то мы действовали по аналогии с работой Вёлера{30} и его «синтезом как доказательством».
Материалистический взгляд на жизнь как машину приводил некоторых ученых к попытке сотворения искусственной жизни вне биологии, на основе механических систем и математических моделей. К 1950-м, когда ДНК окончательно признали материальным носителем генов, механистический подход уже маячил в научной литературе. В этой версии жизнь должна появляться из сложных
Логичный рецепт по сотворению этих сложных механизмов был разработан в следующем десятилетии. В 1936 году Алан Тьюринг, криптограф и пионер искусственного интеллекта, описал то, что обрело известность как машина Тьюринга, а именно набор инструкций, написанных на ленте. Тьюринг также определил универсальную машину Тьюринга, которая может выполнять любые вычисления, для которых можно написать инструкции. Это стало теоретической основой цифрового компьютера.
Идеи Тьюринга были развиты далее в 1940-х знаменитым американским математиком и энциклопедистом Джоном фон Нейманом, который задумал самовоспроизводящуюся машину. Подобно тому, как Тьюринг предвидел универсальную машину, фон Нейман предвидел универсальный конструктор. Родившийся в Венгрии гений очертил свои идеи в лекции «Общая и логическая теория автоматов» на симпозиуме Хиксона 1948 года в Пасадене, Калифорния. Он указал, что «живые организмы гораздо более сложны и тоньше устроены и, следовательно, значительно менее понятны в деталях, чем искусственные автоматы». Тем не менее он утверждал, что некоторые из закономерностей, которые мы наблюдаем у первых, могут быть поучительными для размышлений о последних и их проектирования.
Машина фон Неймана включает в себя «ленту» из ячеек, которая кодирует последовательность выполняемых машиной действий. Используя записывающую головку (обозначенную как «сборочный манипулятор»), машина может построить новую систему ячеек – в частности, может сделать полную копию и себя, и ленты. Репликатор фон Неймана был неуклюжей на вид структурой, состоящей из основной области в восемьдесят на четыреста квадратов, сборочного манипулятора и «хвоста Тьюринга» – полосы закодированных инструкций, состоящей из еще 150 000 квадратов. («Автоматы [Тьюринга] – это чисто вычислительные машины, – пояснял фон Нейман. – Что на самом деле нужно – так это автомат, производящий другие автоматы»{31}.) Все это творение состояло примерно из двухсот тысяч таких «клеток». Чтобы воспроизводиться, машина использовала «нейроны», обеспечивающие логическое управление, передающие клетки для передачи сообщений от центров управления, и «мышцы», чтобы изменять окружающие клетки. По инструкциям хвоста Тьюринга машина выдвигала манипулятор, а затем водила им вперед-назад, создавая копию себя при помощи ряда логических манипуляций. Копия затем могла сделать новую копию и так далее.
Природа этих инструкций стала с тех пор яснее по мере параллельного развития цифрового мира и биологических миров науки. Эрвин Шрёдингер писал тогда то, что вроде бы стало первым упоминанием его «кодированной записи»: «Именно эти хромосомы или, возможно, только осевая или скелетная нить того, что мы видим под микроскопом как хромосому, содержат в виде своего рода [кодированной записи[5] ] весь “план” будущего развития индивидуума и его функционирования в зрелом состоянии».
Шрёдингер продолжал утверждать, что «кодированная запись» может быть простой, как бинарный код: «Действительно, число атомов в такой структуре не обязано быть очень велико, чтобы получить практически неограниченное число возможных сочетаний. Для примера вспомним азбуку Морзе. Два разных знака – точка и тире – в хорошо упорядоченных группах не более чем по четыре символа дают тридцать разных спецификаций{32}».
Хотя фон Нейман придумал свой самовоспроизводящийся автомат за несколько лет до того, как в двойной спирали ДНК был открыт реальный наследственный код, он отметил, что у автомата должна быть способность эволюционировать. В своей Хиксоновской лекции он поведал аудитории, что каждая инструкция в такой машине «грубо говоря, выполняет функции гена», и продолжил описанием того, как ошибки автомата «могут проявлять некоторые характерные черты мутации – как правило, летальной, но иногда способной продолжать воспроизводиться вместе с соответствующим изменением признака». Как заметил генетик Сидней Бреннер, можно сказать, что биология дает наилучшие реальные образцы машин Тьюринга и фон Неймана: «Понятие гена как символического – в виде кодированной записи – представления организма – это фундаментальная черта живого мира»{33}.
Фон Нейман, упорно следуя своему исходному понятию репликатора, придумал чисто логический автомат, не требующий физического носителя и целого моря деталей, а основанный на изменяющемся состоянии ячеек в решетке. Его коллега по Лос-Аламосу (где они работали в проекте «Манхэттен») Станислав Улам предложил фон Нейману использовать для разработки его устройства математическую абстракцию вроде той, которую сам Улам применял для изучения роста кристаллов. Фон Нейман представил получившийся «самовоспроизводящийся автомат» – первый клеточный автомат – на Ванаксемских лекциях о «Машинах и организмах» в Принстонском университете между 2 и 5 марта 1953 года.
Попытки моделирования жизни продолжались, но тут изменилось наше понимание биологии, лежащее в их основе: 25 апреля 1953 года Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик опубликовали в журнале
Начало попыток создания другого рода самовоспроизводящихся автоматов, как и начало исследований искусственной жизни, датируются примерно этим же периодом, когда стали использоваться первые современные компьютеры. Открытие кодированной природы генетической информационной системы жизни естественным образом привело к параллели с машинами Тьюринга. Сам Тьюринг в своей важнейшей статье 1950 года об искусственном интеллекте обсуждал, что выживание наиболее приспособленных – это «медленный метод», который можно было бы подтолкнуть, и не в последнюю очередь потому, что экспериментатор не ограничен случайными мутациями{35}. Многие поверили, что искусственная жизнь появится из сложных логических взаимодействий в компьютере.
В этой точке сошлись разные течения мысли: теории фон Неймана с его работами по ранним компьютерам и самовоспроизводящимся автоматам; Тьюринга, поставившего основные вопросы о машинном разуме{36}; и американского математика Норберта Винера, который применил идеи из теории информации и саморегулирующихся процессов к живым существам в области кибернетики{37}, описав это в своей книге «Кибернетика», выпущенной в 1948 году. Было много последовательных попыток возжечь в компьютере жизнь. Одна из самых ранних случилась в Институте перспективных исследований в Принстоне в 1953 году, когда норвежско-итальянский генетик-вирусолог Нильс Аол Барричелли провел эксперименты «с целью проверить возможность эволюции, сходной с таковой у живых организмов, в искусственной вселенной»{38}. Он сообщил о различных «биофеноменах», например об успешном скрещивании родительских «организмов», роли пола в эволюционных изменениях и роли сотрудничества в эволюции{39}.
Возможно, наиболее убедительный эксперимент по созданию искусственной жизни был проведен несколько десятилетий спустя, в 1990 году, когда Томас Рэй из Делавэрского университета создал первое впечатляющее приближение к дарвиновской эволюции в компьютере. В его модели организмы – компьютерные подпрограммы – боролись за память (пространство) и вычислительные мощности (энергию) в специально выделенном «заповеднике» внутри машины. Для этого ему пришлось преодолеть ключевое препятствие: языки программирования «хрупкие», в них единичная мутация – строчка, буква или точка не в том месте – останавливает программу. Рэй предложил некоторые изменения, после которых мутации с меньшей вероятностью выключали его программу. Потом последовали другие варианты компьютерной эволюции, например Avida{40}, программа, созданная группой из Калифорнийского технологического института (Калтеха) в начале 1990-х для изучения эволюционной биологии самовоспроизводящихся компьютерных программ. Исследователи считали, что с ростом мощности компьютера они смогут создать более сложные существа – чем богаче компьютерная среда, тем богаче искусственная жизнь, которая может развиваться и множиться.
Даже сегодня есть такие, как Джордж Дайсон, который в своей книге «Собор Тьюринга» (2012) утверждает, что примитивные осколки реплицирующихся программ из вселенной Барричелли – это предки линий мультимегабайтных программ, плодящихся в современной цифровой вселенной, во Всемирной сети и за ее пределами{41}. Он утверждает, что теперь есть вселенная самовоспроизводящихся цифровых записей, которая прирастает на триллионы бит в секунду, «вселенная чисел с собственной жизнью»{42}. Эти виртуальные ландшафты расширяются экспоненциально и, как наблюдал сам Дайсон, начинают становиться цифровым аналогом вселенной ДНК.
Но эти виртуальные пастбища на самом деле относительно скудны. В 1953 году, всего через полгода после попытки создать эволюцию в искусственной вселенной, Барричелли обнаружил серьезные барьеры, в которые упирается любая попытка породить искусственную жизнь в компьютере. Он сообщал, что «для того чтобы объяснить формирование таких сложных органов и способностей, как у живых организмов, чего-то не хватает… Сколько бы мы ни делали мутаций, цифры всегда останутся цифрами. Цифры сами по себе никогда не станут живыми организмами!{43}»
Искусственная жизнь в своем исходно задуманном виде обрела новое виртуальное существование в форме игр и кинофильмов: смертоносный Hal 9000 из «Одиссеи 2001 года», кровожадный Скайнет из фильмов о Терминаторе, злонамеренные машины в «Матрице». Однако реальность пока сильно отстает. В компьютерной искусственной жизни нет разницы между генетической последовательностью (генотипом) произведенного организма и ее физическим выражением – фенотипом. В случае с живой клеткой текст ДНК выражается в форме РНК, белков и клеток, образующих все физические субстанции жизни. Искусственные системы жизни быстро выдыхаются, потому что генетические возможности в компьютерной модели не имеют открытого финала, но предопределены. В отличие от биологического мира, исход компьютерной эволюции заложен еще при ее программировании.
В науке предметы химии, биологии и информатики счастливо сошлись в моей дисциплине – геномике. Цифровые компьютеры, созданные ДНК-машинами (людьми), теперь научились читать зашифрованные в ДНК инструкции, анализировать их и писать, чтобы создавать новые разновидности ДНК-машин (синтетическую жизнь). Когда мы объявили о создании первой синтетической клетки, некоторые спрашивали нас, не «играем ли мы в Бога». В ограниченном смысле я полагаю, что играем – поскольку мы показали этим экспериментом, что для создания новой жизни Бог необязателен. Я считал, что созданием синтетической жизни из химикатов мы наконец-то раз и навсегда отправили на покой последние остатки виталистических представлений. Но, кажется, я недооценил, до какой степени современное научное мышление все еще пронизано виталистическими установками. Установка – это враг научного прогресса. Установка, что генетический материал – это белки, задержала открытие ДНК как носителя информации примерно на полвека.
В течение второй половины ХХ века мы пришли к пониманию, что ДНК и есть шрёдингеровская «кодированная запись», расшифровали ее сложный смысл и начали представлять, как именно она направляет жизненные процессы. Это эпическое приключение в понимании отметило рождение новой эры в науке – той науке, что лежит на стыке биологии и технологии.
Глава 3. Начало цифрового века в биологии
Если мы были правы, что, конечно, еще не доказано, то это значит, что нуклеиновые кислоты – не только структурно важные, но и функционально активные вещества в определении биохимических активностей и специфических характеристик клеток, и что посредством известных химических веществ возможно индуцировать предсказуемые и наследуемые изменения в клетках. Это было давнишней мечтой генетиков.
В том же году, когда Шрёдингер читал свои эпохальные лекции в Дублине, наконец была открыта химическая природа его «кодированной записи» и вообще наследственности. Это дало новый взгляд на тему, интересовавшую, интриговавшую, захватывавшую и морочившую наших предков с самой зари человеческого сознания. У великого воина могло быть много детей, но ни один из них не имел той же стати или склонностей к битвам. Иные семьи поражала некая болезнь, причем она проявлялась из поколения в поколение в каком-то случайном порядке, ею страдали одни потомки и не болели другие. Почему у индивидуумов проявляются или, чаще, не проявляются определенные физические черты родителей и даже более дальних родственников? Одни и те же вопросы задавали тысячи лет, и не только о нашем собственном виде, но и о скоте, посевных культурах, плодовых растениях, собаках и так далее.
На протяжении тысячелетий со времени зарождения земледелия и одомашнивания животных об этих тайнах появлялось много догадок. У Аристотеля было смутное представление о фундаментальных принципах, когда он писал, что в курином яйце заключено «понятие» цыпленка, а желудь «осведомлен» о том, как устроен дуб. В XVIII веке в результате развития знаний о растительном и животном разнообразии, а также систематики стали появляться новые идеи о наследственности. Дед Чарльза Дарвина, Эразм Дарвин (1731–1802), могучая интеллектуальная сила в Англии XVIII века, сформулировал одну из первых формальных теорий эволюции в первом томе «Зоономии, или Законов органической жизни»{45} (1794–1796), где он сказал, что «все живые животные произошли от одного живого волокна». Классическая генетика в том виде, как мы ее понимаем, началась в 1850-х и 1860-х, когда моравский монах Грегор Мендель (1822–1884) попытался составить правила наследственности, по которым происходит гибридизация растений. Но лишь в последние семьдесят лет ученые сделали замечательное открытие, что «волокна» или «нити», которые предложил Эразм Дарвин, действительно используются для программирования каждого организма на планете с помощью молекулярных роботов.
До середины прошлого века большинство ученых считали, что нести генетическую информацию могут только белки. С учетом того, что жизнь так сложна, они полагали, что ДНК – полимер, состоящий всего из четырех химических единиц, – слишком проста по строению, чтобы передавать достаточно данных следующему поколению, и что это просто поддерживающая структура для белкового генетического материала. Белки же сделаны из двадцати разных аминокислот и имеют сложную первичную, вторичную, третичную и четвертичную структуры, а ДНК – это всего лишь полимерная нить. Только белки, которые окутывают хромосомы, казались достаточно сложными, чтобы работать как шрёдингеровский «апериодический кристалл», способный нести весь объем информации, которую следует передавать от клетки к клетке во время ее деления.
Это отношение начало меняться в 1944 году, когда были опубликованы подробности красивого простого эксперимента. Открытие, что именно ДНК, а не белок, настоящий носитель наследственной информации, было сделано Освальдом Эвери (1877–1955) в Рокфеллеровском университете в Нью-Йорке. Выделив вещество, которое могло менять некоторые свойства одного штамма бактерий на свойства другого в процессе, называемом трансформацией, он обнаружил, что полимер ДНК и был на самом деле тем «трансформирующим фактором», который придавал клеткам новые свойства.
Эвери, которому тогда было 65 лет и который уже собирался на пенсию, и его коллеги Колин Манро Маклеод и Маклин Маккарти повторили то же наблюдение, что почти на двадцать лет раньше сделал бактериолог Фредерик Гриффит (1879–1941) в Лондоне. Гриффит изучал пневмококк (
Гриффит задумался, не превращаются ли друг в друга летальная и безобидная формы бактерии. Чтобы ответить на этот вопрос, он придумал хитрый эксперимент, в котором колол мышам безвредные
Ответ появился почти через двадцать лет, когда Эвери с коллегами повторили эксперимент Гриффита и доказали методом исключения, что этот фактор – ДНК. Они поочередно убирали белок, РНК и ДНК, используя ферменты, которые переваривают лишь каждый отдельный компонент клетки: в данном случае это были протеазы, РНКазы и ДНКазы соответственно{46}. Последовавшая статья оказала действие, однако вовсе не сразу, потому что научное сообщество не торопилось расставаться с уверенностью в том, что для объяснения генетики необходима сложность белков. В книге «Нобелевские премии и науки о жизни» (2010) Эрлинг Норрби, бывший генеральный секретарь Шведской королевской академии наук, обсуждает, почему так неохотно принимали открытие Эвери: хотя работа его группы была убедительной, скептики приводили рассуждения, что всё равно была возможность, что трансформацию обеспечивали малые количества какого-то другого вещества, например устойчивого к протеазам белка{47}.
Тем временем большие успехи были достигнуты в изучении белков, в частности в 1949 году, когда британец Фредерик Сэнгер определил последовательность аминокислот в гормоне инсулине – замечательное достижение, за которое он будет награжден Нобелевской премией. Его работа показала, что белки – это не комбинация близкородственных веществ без единой структуры, а на самом деле одно вещество{48}. Сэнгер, которого я глубоко уважаю, без сомнения, один из самых виртуозных научных новаторов всех времен благодаря его особому вниманию к разработке новых методов{49}. («Из трех главных видов деятельности, из которых состоит научная работа – думать, говорить и делать, – я предпочитаю последний и, вероятно, умею это лучше всего. Я вполне справляюсь с думанием, но не очень хорошо говорю»{50}.) Его подход принес отличные дивиденды.
Идея, что нуклеиновые кислоты держат ключ к наследственности, постепенно начала преобладать в конце 1940-х и в начале 1950-х, когда были поставлены другие успешные эксперименты по трансформации – например, было показано, что РНК из вируса табачной мозаики сама по себе заразна. И все же признание, что ДНК – это наследственный материал, приходило медленно. Истинное значение экспериментов Эвери, Маклеода и Маккарти стало ясно только в следующем десятилетии, когда накопилось достаточно данных. Один из ключевых для данной гипотезы фактов был получен в 1952 году, когда Альфред Херши и Марта Коулз Чейз продемонстрировали, что ДНК – это генетический материал вируса, известного как бактериофаг Т2, способный заражать бактерии{51}. Значительно лучше стали понимать, что ДНК – это генетический материал, в 1953 году, когда ее структура была выявлена Уотсоном и Криком во время работы в Кембридже (Англия). Предыдущие исследования установили, что ДНК состоит из кирпичиков, называемых нуклеотидами. Каждый нуклеотид состоит из сахара-дезоксирибозы, фосфатной группы и одного из четырех азотистых оснований – аденина (А), тимина (Т), гуанина (Г) и цитозина (Ц). Фосфаты и сахара соседних нуклеотидов сцепляются и образуют длинный полимер. Уотсон и Крик установили, как эти детали соединяются вместе в элегантную трехмерную структуру.
Чтобы достичь этого, они использовали критически важные данные, полученные другими учеными. От Эрвина Чаргаффа они узнали, что четыре разных химических основания в ДНК обнаруживаются парами, что чрезвычайно важно, когда дело доходит до понимания «ступенек», из которых состоит лестница жизни. (В мою коллекцию по истории науки в моем бесприбыльном Институте Крейга Вентера входит лабораторный блокнот Крика того времени, где записаны неудачные попытки повторить эксперимент Чаргаффа.) Они получили ключ к решению от Мориса Уилкинса, который первым поразил Уотсона своими новаторскими рентгеновскими исследованиями ДНК, и Розалинд Франклин. На фото № 51 (также экспонат коллекции в Институте Вентера), сделанном Рэймондом Гослингом в мае 1952 года, видны черные перекрещенные отражения, которые оказались ключом к молекулярной структуре ДНК, выявляющие, что это двойная спираль, в которой буквы текста ДНК соответствуют перекладинам{52}.
25 апреля 1953 года статья Уотсона и Крика «Молекулярная структура нуклеиновых кислот: структура дезоксирибонуклеиновой кислоты»{53} вышла в
Однако двое ученых, предоставивших важнейшие данные, не были включены в число лауреатов: Эрвин Чаргафф (и он был обижен и озлоблен до конца своих дней){54}, и Розалинд Франклин, умершая в 1958-м, в 37 лет от рака яичников. Освальд Эвери несколько раз номинировался на Нобелевскую премию, но он умер в 1955 году, до того, как признание его достижений стало достаточным, чтобы его наградить. Эрлинг Норрби приводит слова Горана Лильестранда, секретаря Нобелевского комитета Каролинского института, из его обзора 1970 года по Нобелевским премиям по физиологии и медицине: «Открытие Эвери в 1944 году роли ДНК как носителя наследственности представляет собой одно из самых важных достижений в генетике, и достойно сожаления, что он не получил Нобелевской премии. К тому времени, как утихли голоса несогласных, он уже умер»{55}.
История Эвери иллюстрирует, что даже в академической среде, где должен господствовать рациональный, основанный на доказательствах научный взгляд, вера в конкретную теорию или гипотезу может ослеплять ученых годами и даже десятилетиями. Эксперименты Эвери, Маклеода и Маккарти были так просты и элегантны, что их легко можно было повторить; для меня остается загадкой, почему этого не сделали раньше. Наука отличается от других областей приложения усилий тем, что старые идеи отпадают, когда набирается достаточно много противоречащих им данных. Но, к несчастью, этот процесс занимает время.
Жизнь клетки на самом деле зависит от двух типов нуклеиновых кислот: дезоксирибонуклеиновой (ДНК) и рибонуклеиновой (РНК). Современная теория считает, что жизнь началась в мире РНК, потому что она более универсальна, чем ДНК. РНК играет двойную роль – как носителя информации, так и фермента (рибозим), способного катализировать химические реакции. Как и ДНК, РНК состоит из линейной последовательности химических букв. Три из этих букв – А, Ц и Г – те же, что и в ДНК, а вместо тимина (Т) в РНК входит урацил (У). Ц всегда связывается с Г; А связывается только с Т или У. Так же как в ДНК, одиночная цепочка РНК может соединиться с другой цепочкой, состоящей из комплементарных букв. Уотсон и Крик предположили, что РНК – это копия записи ДНК в хромосоме, переносящая эту запись в рибосому, где производятся белки. Программа ДНК
Только в 1960-х ДНК была наконец широко признана «главным» генетическим материалом, но потребовались работы Маршалла Уоррена Ниренберга (1927–2010) в Национальных институтах здравоохранения (НИЗ) в Бетесде (Мэриленд) и уроженца Индии Хара Гобинда Кораны (1922–2011) в Университете Висконсина в Мэдисоне, чтобы действительно расшифровать генетический код, используя синтетические нуклеиновые кислоты. Они обнаружили, что ДНК использует свои четыре разных типа оснований наборами по три – так называемыми кодонами, чтобы обозначить каждую из двадцати разных аминокислот, используемых клетками для производства белков. Этот триплетный код, таким образом, дает шестьдесят четыре возможных кодона, часть которых служит знаками препинания (стоп-кодоны), обозначающими конец белковой последовательности. Роберт Холли (1922–1993) из Корнелла выяснил структуру другого вида РНК, называемого транспортной (тРНК), которая переносит определенные аминокислоты к великолепной молекулярной машине – рибосоме, где они собираются в белки. За эти многое прояснившие работы Ниренберг, Корана и Холли в 1968 году поделили Нобелевскую премию.
Мне повезло в разное время встречаться со всеми троими, но, работая в Национальных институтах здравоохранения, я особенно хорошо знал Маршалла Ниренберга. Его лаборатория и офис были этажом ниже моих в строении 36 обширного кампуса НИЗ, и я часто заходил к нему, когда только начинал заниматься секвенированием ДНК и геномикой. Открытый, доброжелательный человек, глубоко интересовавшийся всеми областями науки, он всегда увлекался новыми технологиями – до самой своей смерти. Открытие им совместно с Кораной генетического кода будут помнить как одно из самых значительных в науках о живом, так как оно объясняет, как линейный полимер ДНК кодирует линейную последовательность аминокислот в белках. Это основной принцип «центральной догмы» молекулярной биологии: информация переходит от нуклеиновых кислот к белкам.
1960-е стали началом молекулярно-биологической революции отчасти благодаря появлению возможности монтировать ДНК с помощью рестриктаз. Рестриктазы были независимо открыты Вернером Арбером в Женеве и Хэмилтоном О. Смитом, работавшим в Балтиморе. Хэм Смит, мой старый друг и сотрудник, опубликовал в 1970 году две важных статьи, описывающие рестрикционный фермент, полученный из бактерии
Семидесятые годы ХХ века принесли начало генно-инженерной революции – потенциально столь же глубокого изменения, как зарождение сельского хозяйства в неолите. Когда ДНК из одного организма искусственно помещают в геном другого и затем она воспроизводится и используется этим другим организмом, это называется рекомбинантной ДНК. Внедрение этой технологии было по большей части работой Пола Берга, Герберта Бойера и Стенли Нормана Коэна. Работая в Стэнфорде, Берг задумался, возможно ли вставить чужие гены в вирус, таким образом создав «переносчика», которого можно использовать, чтобы перенести эти гены в новые клетки. Его выдающийся эксперимент 1971 года состоял во внедрении участка ДНК бактериального вируса, известного как лямбда, в ДНК обезьяньего вируса SV40{56}.
Берг получил за эту работу свою долю Нобелевской премии 1980 года по химии, но он не сделал следующий шаг – не поместил рекомбинантную ДНК в животных. Первое трансгенное млекопитающее было создано в 1974 году Рудольфом Дженишем и Беатрис Минц, поместившими чужеродную ДНК в мышиный эмбрион{57}. Когда в обществе стало расти беспокойство на тему потенциальной опасности таких экспериментов, Берг сыграл активную роль в обсуждении того, насколько сдержаны и ограничены должны быть подобные разработки. В 1974 году группа американских ученых предложила мораторий на эти исследования. На очень представительной встрече, организованной в следующем году Бергом в отеле Asilomar Conference Grounds в Пасифик Гроув (Калифорния), были обозначены добровольные границы. Кое-кто опасался, что эти рекомбинантные организмы могут оказаться непредсказуемыми, болезнетворными и смертоносными, что они могут утечь из лабораторий и распространиться. Противовес этим страхам составляли аргументы в поддержку генетической инженерии, особенно те, что высказал Джошуа Ледерберг, профессор из Стэнфорда и нобелевский лауреат{58}. В 1976 году Национальные институты здравоохранения выпустили свои рекомендации по безопасному проведению исследований рекомбинантной ДНК, отзвуки которых до сих пор слышны в продолжающихся спорах о генно-модифицированных сельскохозяйственных растениях и в совсем недавних дискуссиях об использовании во благо и во зло исследований генетики гриппа.
После эксперимента Берга по внедрению генов в 1971 году следующим шагом вперед в молекулярном клонировании стала вставка ДНК бактерии одного вида в бактерию другого, где она воспроизводилась при каждом делении. Этот шаг сделали в 1972 году Бойер из Калифорнийского университета в Сан-Франциско и Коэн из Стэнфордского университета. Их исследование, в котором ДНК стафилококка была размножена в
На переднем крае биотехнологической революции была компания «Генентек», основанная в 1976 году Бойером и венчурным инвестором Робертом А. Суонсоном. В следующем году, еще до того, как «Генентек» переехал в собственные помещения, Бойер и Кеиити Итакура в медицинском центре «Город надежды» (
От этих первых открытий молекулярная биология стремительно разрослась до области, в которой практикуются все университеты мира и которая стала основой для многомиллиардного бизнеса, производящего наборы, тесты, реагенты, научное оборудование. Клонированы или клонируются и ежедневно изучаются гены едва ли не любых видов, включая бактерии, дрожжи, растения и млекопитающих. В исследовательских лабораториях и биотехнологических компаниях создаются метаболические пути, побуждающие клетки производить продукты в спектре от фармацевтики до еды, промышленных химикатов и энергоносителей.
Поделиться книгой: