Глава 17 Голубая планета и новая жизнь

Глава 17

Голубая планета и новая жизнь

Земная жизнь в безбрежном лоне вод

Среди пещер жемчужных океана

Возникла, получила свой исход,

Росла и стала развиваться рано;

Сперва в мельчайших формах все росло,

Не видимых и в толстое стекло,

Которые, киша, скрывались в иле

Иль водяную массу бороздили;

Но поколенья множились, цвели,

Усилились и члены обрели.

Эразм Дарвин. Храм природы

(Перевод Н. Холодковского)

Начиная с самых первых работ, с исследования клеток сердца, я всегда руководствовался тем, что интересовало меня, а не коллег. Так было и в ту мрачную пору, когда мне пришлось уйти из Celera. Всю жизнь увлекаясь нефтью (обожаю автомобили, мотоциклы, катера, яхты и самолеты), я сжег тонны этого продукта, добавив в окружающую среду гораздо больше углекислого газа, чем полагалось. За долгие годы, однако, я превратился из беззаботного суперпотребителя ископаемого топлива в человека, обеспокоенного состоянием окружающей среды, а потому задумался об альтернативных источниках энергии. Для моих новых приключений не найти было лучшего места, чем те самые океаны, которые не только поддерживают жизнь на планете, но и сохраняют мое душевное здоровье. Точная оценка последствий изменения климата, проблема очень важная, требует исследования океанов, решил я. В силу наземного образа жизни наши представления о последствиях изменений климата по преимуществу относятся к суше, даже более того – к существованию человека на суше. Но из космоса наша Земля выглядит как водная, голубая планета, и первые формы жизни, вероятно, зарождались (около 4 миллиардов лет назад) в соленых водах океанов, именно там появилось нечто, которое сегодня мы назвали бы живым. Это нечто представляло собой сложную смесь белков и генетического материала, завернутую в оболочку из липидов. В сегодняшних океанах невероятное разнообразие видов живых существ, от китов до микробов, о которых мы зачастую имеем слабое представление. Исследования этого разнообразия, изучение методов поглощения солнечных лучей и углекислого газа живыми организмами могли бы привести к решению самых разных экологических проблем. Я надеялся пойти еще дальше – попытаться воспроизвести события, происходившие в океанах миллиарды лет назад, и получить новые формы жизни, что сулило человечеству фантастические перспективы.

Вернувшись с Карибского моря, я основал новый некоммерческий институт под названием Центр развития геномики (TCAG) и подал заявление о его освобождении от налогообложения. Средства из Научного фонда Джона Крейга Вентера (JCVSF), а также от продажи моих акций как основателя компаний Human Genome Sciences, Diversa (центра изучения ферментов) и Celera давали мне возможность начать осуществление своих планов. Я нанял на работу сотрудников Celera Хизер, Линн и Крис. Поначалу мы сидели в подвале моего дома в Потомаке. Мне не терпелось заняться сразу несколькими проектами, однако на первом месте стояли экологические исследования. В настоящее время имеются убедительные доказательства того, что ежегодно выбрасываемые нами в атмосферу 3,5 миллиарда тонн углекислого газа меняют привычный климат по всему миру – иными словами, современная жизнь на планете неустойчива. Можно попытаться сократить использование нефти и газа путем установки солнечных панелей, но мне казалось, что геномика тут способна предложить уникальные решения. Секвенирование геномов микроорганизмов, обитателей океанских глубин, методом дробовика могло дать нам представление о состоянии океанической жизни, помочь отслеживать его в будущем, а также идентифицировать микроорганизмы, отвечающие за создание значительной части земной атмосферы. Механизмы метаболизма океанских микроорганизмов могли бы также научить нас новым методам получения таких видов альтернативного топлива, как водород, метан или этанол. Вот почему я учредил Институт альтернативных биологических энергоносителей, назначив Хэма Смита его директором по науке. Исследования геномики окружающей среды требовали организации серьезной лаборатории по секвенированию ДНК. Мне пришлось убедить членов совета директоров моего фонда пойти на риск в размере 40 миллионов долларов и построить новую лабораторию, которая могла бы соперничать с той, что имелась в Celera. Мы создали еще одну некоммерческую организацию под названием JTC (Объединенный технологический центр), которая должна была заниматься секвенированием и для TIGR. Хизер и другие члены моей новой команды переехали во временное помещение в Роквилле, а тем временем я приступил к строительству нового научно-исследовательского центра площадью в более 10 тысяч м? на участке, который я приобрел за несколько лет до этого за счет частных пожертвований. Мы находили сотрудников очень быстро, чему способствовали массовые увольнения в Celera. На работу в новые научно-исследовательские организации поступили многие мои бывшие коллеги. Хотя основным научным направлением должны были стать исследования окружающей среды, оставалась еще кое-какая незавершенная работа по геному. В своей новой лаборатории геномики я хотел вести дальнейшие исследования по секвенированию генома человека с учетом этических последствий, а также разрабатывать методы медицинского приложения полученных результатов. Не менее важным вопросом, затрагивавшим мою личную репутацию, являлся окончательный разгром критиковавших меня ученых-генетиков, участвовавших в государственной программе. По мере возвращения к нормальной жизни после геномной гонки нападки на меня не утихли, а напротив, продолжились с новой силой. Цель их заключалась в том, чтобы отобрать у меня первенство в расшифровке генома. Самый, вероятно, скандальный пример относится к 2002 году, когда Journal of Molecular Biology опубликовал статью «Проект расшифровки генома человека: точка зрения участника»{209}. Автором ее был Мейнард Олсон из Вашингтонского университета, которого коллеги называли «совестью геномного проекта»{210}. В своей плохо замаскированной попытке доказать, что его коллегам принадлежит больше заслуг, чем мне, он вновь ставил под сомнение реальную новизну моего подхода. «Претензии Вентера на “изобретение” секвенирования полного генома основано на том, что он являлся руководителем проекта по расшифровке крошечного бактериального генома, в котором практически отсутствовали повторы». Затем автор обвинял меня во лжи: «Несмотря на заявление Вентера, сделанное под присягой в июне 1998 года, Celera держала свои данные под строгим секретом». Правда, Олсон признавал, что «инициатива Celera, несомненно, приблизила срок получения черновика последовательности генома человека примерно на два года». К тому времени мы написали опровержение на статью Ландера, Салстона и Уотерстоуна, опубликованную в PNAS{211}, где авторы требовали признания их полного приоритета в секвенировании генома человека, поскольку секвенирование полного генома моим методом дробовика оказалось неэффективным{212}. После нашего опровержения Ландер и его соавторы повторили свои претензии с использованием демагогических аргументов в псевдонаучной статье для массового читателя{213}. Особенно сердился на Ландера Грейнджер Саттон, инженер-компьютерщик, работавший над сборкой геномов в TIGR и Celera. Он говорил, что Салстону и Уотерстону позволительно заблуждаться по поводу достижений Celera (в конце концов, оба они биологи, а не математики или компьютерщики), но Ландер должен в них разбираться, ведь он имел отличное математическое образование, а его сотрудники разрабатывали собственную версию сборки полного генома методом дробовика под названием «Арахна» на основе нашего метода.

Грейнджер, наивный, полагал, что к тому времени уже давно наступил прочный мир. В июне 2001 года, вскоре после праздника в Белом доме и задолго до появления статьи в PNAS, биологи-программисты из Celera и Международного консорциума по геному человека встретились по инициативе президента Клинтона на нейтральной территории (Медицинский институт имени Ховарда Хью в Чеви-Чейз, штат Мэриленд) для обсуждения стратегий секвенирования и сборки. Как отметила газета The New York Times, «встреча биологов-программистов, на которой отсутствовали руководители лабораторий, проходила в сердечной атмосфере»{214}. В своем выступлении Грейнджер рассказал о том, как сотрудникам Celera удалось осуществить сборку генома человека без какого бы то ни было использования общедоступных данных, причем с лучшими результатами. Неудивительно, что последовавшие за этим нападки привели его в такой гнев: выводы статьи в PNAS были уже опровергнуты за год до этого в Чеви-Чейз, где «мы представили ряд весьма убедительных данных о преимуществах сборки полного генома методом дробовика». К тому моменту на нашей стороне выступило уже немало заметных фигур из государственного консорциума. Одним из них был Джим Кент из Калифорнийского университета в Санта-Круз, бородатый здоровяк, считавшийся одним из наиболее выдающихся ученых. Еще будучи аспирантом, он сумел в одиночку написать программу для государственного проекта GigAssembler, с помощь которой 100 компьютеров на процессорах «Пентиум III» завершили сборку генома за четыре недели, то есть в срок для презентации в Белом доме{215}. Это достижение произвело на меня глубокое впечатление. Кент не согласился с выводами статьи PNAS, поскольку на основании расхождений между «государственными» и нашими данными понимал (еще до того, как мы завершили сборку генома мыши), «что реконструкция общедоступных данных, предположение о которой выдвигают Ландерс и др. в PNAS, не может быть полной правдой»{216}. Он заключал: «Думаю, Celera справилась со сборкой генома лучше, чем мы» и добавлял далее, что ландеровская программа сборки «Арахна» подозрительно близка к нашей, а это является «еще одним доказательством того, что методы Celera, несмотря на определенные ограничения, в основном весьма эффективны».

Вспомним, что перейдя от расшифровки генома человека к сборке генома мыши, мы вообще игнорировали данные государственной программы в GenBank, а пользовались только собственной информацией, полученной методом дробовика. С помощью усовершенствованной программы сборки мы получили более качественные результаты, чем в случае генома человека. Ари Патринос, входивший тогда в группу пяти компаний, перечитал статью Ландера в PNAS и констатировал, что «откровенно говоря, она производит грустное впечатление. Метод прекрасно работал, что и было доказано его применением для расшифровки мышиного генома». Даже мой старинный недруг Майкл Морган признал, что «плевать против ветра следует с большой осторожностью. Все эти статьи тем или иным образом навредили их авторам». После публикации нашего второго опровержения мне стало ясно, что единственный способ победить в научном споре – это использовать реальные данные{217}. Я связался с Майком Ханкапиллером из ABI. Также расстроенный выступлениями наших конкурпентов, он был готов к бою за истину. Помня о всех наших конфликтах с Applera и Тони Уайтом по вопросу о публикации данных, я добавил к нашему договору о покупке новых секвенаторов ДНК у ABI юридически обоснованное соглашение, предоставлявшее нам неограниченное право публиковать свои данные (полученные Celera), в том числе на общедоступных сайтах. (В 2005 году Celera прекратила продажу информации о геноме и стала размещать ее в открытом доступе.) Кроме того, по данному соглашению мой институт получал полный комплект данных о геноме человека для использования в научных целях. После подписания соглашения мы провели обширную совместную работу с учеными, оставшимися в Celera, с целью сравнить сборку полного генома этой компанией с другими версиями, включая «окончательный» результат государственной программы.

Это сотрудничество возглавил Сорин Истраил, один из ведущих сотрудников группы Джина Майерса, который к тому времени получил должность заведующего отделом биоинформатики в Celera. Проведение анализа заняло больше года и потребовало разработки множества новых вычислительных методов, которые позволили бы впервые сравнить полные геномы человека. Я поделился своими планами с одним из редакторов PNAS, который выразил удовлетворение нашим переходом к политике открытой публикации данных и заявил, что готов помочь в разрешении спора, опубликовав результаты совместного проекта в виде статьи. Наши данные однозначно доказывали точность полной сборки генома методом дробовика. Эта работа, опубликованная в начале 2004 года, позволила тщательно сравнить геномы, расшифрованные нами и участниками государственной программы. Результаты Celera отличались большей упорядоченностью и ориентированностью, а сборка государственного консорциума полнее охватывала повторы. Лаборатории, получавшие средства от государства и Wellcome Trust, вели работу над уточнением своей версии генома в течение четырех лет, что обошлось примерно в 100 миллионов долларов. Сравнительный анализ показал, что на каждом этапе этих исследований «государственная» версия становилась все ближе к версии Celera в плане как последовательности, так и ориентации фрагментов. Расшифровка Celera, в сущности, ликвидировала многочисленные пробелы в «окончательном» геноме, о получении которого участники государственной программы с большой помпой объявили в журнале Nature в 2004 году{218}. Мы же опубликовали свою статью без всяких заявлений для прессы, считая, что полученные данные говорят сами за себя{219}.

Когда открытая вражда пошла на убыль, я стал готовиться к новой фазе исследований генома человека. Итак, коллектив TCAG (после слияния трех из пяти некоммерческих институтов получивший название Института Вентера) приступил к секвенированию и анализу индивидуального генома. Объектом исследования стал я сам, причем не из тщеславия или эгоизма, а по научным причинам. В первых композитных версиях генома, в том числе и полученных Celera, катастрофически недооценивалась его вариативность от одного носителя к другому. «Государственный» геном был собран на основе разрозненных кусочков (клонов), полученных от ограниченного числа лиц, так что генетические вариации в нем были незаметны. Геном Celera представлял собой согласованную последовательность, построенную на основе геномов пяти человек, включая меня самого. Мы пользовались принципом «победителю достается все»: наш расшифрованный геном состоял из участков, которые встречались у большинства доноров. При подобном подходе также терялись вариации, вызванные инделами (полиморфизм за счет инсерций и делеций), то есть участками генетического кода, где изменено более одного нуклеотида. Наша программа сборки замечала существенные инсерции или делеции ДНК лишь в том случае, если они встречались в большинстве последовательностей. Иными словами, обе сборки генома, о которых было с большим шумом объявлено в июне 2000 года, никак не отвечали на вопрос, являвшийся одной из главных причин их расшифровки. В смеси или мозаике ДНК, полученной от разных людей, теряются индивидуальные различия, вызывающие у некоторых лиц предрасположенность к онкологическим, сердечно-сосудистым или другим заболеваниям (хотя, разумеется, делались попытки картировать и снипы, вариации одного нуклеотида). Кроме того, первые работы по расшифровке генома касались лишь одной копии генетического кода конкретного человека, в то время как мы наследуем две таких копии, по одной от каждого родителя. На некоторых участках доминантен ген отца, на других – матери. Для точной расшифровки человеческого генома следовало изучить не три, а шесть миллиардов пар оснований.

По понятным причинам мы с Хэмом никогда не объявляли публично, что входили в число доноров ДНК для первого секвенирования, однако и не скрывали этого. Рассказывая о соревновании по расшифровке генома, телепрограмма «60 минут» сообщила о моем донорстве, однако история с моим геномом заинтересовала публику позднее, после интервью с Николасом Уэйдом из The New York Times о моих новых институтах. Наша беседа не казалась мне особо примечательной, пока в следующую субботу я не получил номер газеты с заголовком на первой полосе: «Ученый раскрывает тайну: расшифрованный геном принадлежит ему самому»{220}. Заголовок не отличался точностью, однако подтверждал старую истину: любое событие становится событием, только когда о нем напишут в The New York Times.

Гены и слепота

В газетах смаковались некоторые малоприятные открытия, связанные с моим геномом. В одной статье, размещенной на первой полосе, описывалось, как «по просьбе газеты The Wall Street Journal сотрудники доктора Вентера проверили его гены, отвечающие за риск тех или иных заболеваний. Так доктор Вентер выяснил, что ему грозит слепота. Что ж, всякое может случиться, когда изучаешь свою собственную ДНК»{221}.

Газета имела в виду, что один из моих генов, известный под названием комплементарного фактора H (CFH), содержал вариацию одного основания (снип rs1061170), которая в ряде исследований связывалась с «весьма высоким» риском макулодистрофии, распространенного заболевания, вызывающего дегенерацию центра сетчатки и резкое ухудшение зрения.

Из двух копий моего гена CFH мутацию содержит только одна, а потому риск заболевания вырастает лишь в 3–4 раза. В случае мутации обоих генов этот риск увеличился бы в 10 раз.

Показано, что ген CFH может играть определенную роль в защите кровеносных сосудов от повреждений, так что его мутация способна вызывать воспаление и, соответственно, слепоту. Одно из известных свойств фактора H состоит в том, что он регулирует активацию системы комплемента, сложный комплекс взаимосвязанных белков, обеспечивающих передний край обороны организма. Эта врожденная система атакует внешних завоевателей, однако не нападает на «свои» здоровые клетки.

Действительно, при расшифровке генома в Celera именно мой геном играл ведущую роль. Как упоминалось в главе 14, группа секвенирования поставила задачу более подробно расшифровать один из пяти изучавшихся геномов с целью повышения точности сборки. В конечном счете, в библиотеки наиболее высокого качества (50 кб) попала ДНК Хэма, однако на ранних этапах исследования, когда формировались библиотеки в диапазоне 2–10 кб, наилучшие результаты были получены из моей ДНК. В целом на долю моей ДНК пришлось 60 % расшифрованного генома.

Рак и мой геном

Многие люди рождаются с мутацией, которая приближает их к онкологическим заболеваниям. Вообще говоря, одни снипы – орфографические ошибки в одну букву гена – резко меняют его поведение, а другие оказывают менее выраженное воздействие, например просто повышая восприимчивость к болезням в соответствии со структурой генов или окружающей средой (так, некоторые гены повышают вероятность развития рака легких у курильщиков, но не оказывают никакого влияния на некурящих). Имеются и недействующие снипы, совсем ни на что не влияющие.

Гены осуществляют кодировку белков, и из перечисленных трех типов снипов наиболее интересны те, что изменяют структуру белков, меняя один из аминокислотных «кирпичиков». Они называются «несинонимическими» снипами. Если говорить о хороших новостях, то поиск мутаций в четырех генах, которые связывают с онкологическими заболеваниями (Her2, Tp53, PIK3CA и RBL2), уже привел к обнаружению в моем геноме двух несинонимичных снипов, по имеющимся данным, не связанных с онкологическими заболеваниями, и двух новых с неизвестным воздействием. Один из этих новых снипов обнаружился в гене PIK3CA в так называемой законсервированной позиции, то есть он обеспечивает синтез участка белка, отличающегося неизменностью (возможно, в силу своей важности).

Неизвестно, подвергает ли меня эта мутация повышенному риску. PIK3CA, однако, принадлежит к семейству генов, кодирующих ферменты липидкиназы, которые изменяют молекулы жиров и командуют ростом, формой и движением клеток. Известно, что мутации PIK3CA наблюдаются во многих (до 30 %) случаях рака прямой кишки, желудка и глиобластомы, а с меньшей частотой – в случаях рака груди и легких. Мутации этого гена могут также спонтанно происходить в опухолях мозга. Возможно, я еще займусь изучением этого вопроса.

Секвенирование генома конкретного человека вызвало споры, как и многое другое в геномике. Члены научно-консультативного совета выступали против идентификации любых доноров. Арт Каплан сравнивал наш проект с могилой неизвестного солдата, сама неизвестность которого священна. В то же время вся цель анализа ДНК средствами современной военно-судебной медицины состоит, в сущности, в том, чтобы в будущем никогда не оставалось «неизвестных солдат». Как и в случае многих былых спорных тем в медицинской науке, от пересадки сердца до искусственного оплодотворения, отношение общества к ним со временем резко меняется. Прекрасной иллюстрацией этому служит известие о том, что геном Джима Уотсона в настоящее время секвенируется компанией 454 Life Sciences, коммерческой фирмой, разработавшей секвенатор на основе открытий шведа Матиаса Улена, изобретателя метода пиросеквенирования.

С тех пор, как я раскрыл свое участие в проекте, меня постоянно спрашивали, что же я узнал о своем геноме. (Кстати, расшифровка всех 6 миллиардов пар оснований моего кода завершилась только в 2006 году.) Первую диплоидную геномную последовательность для Homo sapiens мы опубликовали 4 сентября 2007 года в общедоступном журнале PLoS Biology{222}. Не беспокоят ли меня эти невероятные знания? Не боялся ли я их публикации в Интернете, сделавшей их доступными для читателей всего мира? Я неизменно утверждал, в том числе и на страницах этой книги, что индивидуальные геномы дают чрезвычайно мало определенных, недвусмысленных ответов на наши вопросы, да и те, в основном, – на языке вероятностей. Только получив полное представление о значении генов (а на это уйдут десятилетия), мы сумеем выяснить, что они означают. Что касается моего генома, то тут я испытал самое большое разочарование: в 2005 году у меня обнаружили два онкологических заболевания кожи: меланому и базалиому. К счастью, оба были диагностированы достаточно рано. У меня, однако, не оказалось достаточного количества ткани для анализа генетических изменений, вызвавших опухоли, с целью выяснить, каким образом мой геном в этих клетках вышел из-под контроля, и почему моя ДНК подвела меня, заставив клетки размножаться без всякого внимания к здоровью всего организма.

Тем не менее в общем плане я представляю себе возможные выводы. Считается, что онкологические заболевания возникают за счет накопления генетических дефектов. При этом «модно» полагать, что их последствия наиболее выражены в стволовых клетках, поставляющих клетки различного типа для конкретных органов и тканей. В случае рака прямой кишки первой стадией является возникновение дефекта в гене роста под названием ras. В результате клетки размножаются с образованием полипов, то есть предраковых образований. В большинстве случаев в клетке полипа повреждается еще один ген роста, и по мере увеличения опухоли возникают новые мутации. Причиной этого является обычная теория вероятности, а также тот факт, что быстро размножающиеся клетки чаще содержат мутации и даже «мутационные» гены, повышающие число ошибок в ДНК. Эту многоаспектную модель раковых заболеваний разработал мой бывший коллега Берт Фогельштейн из Университета Джона Хопкинса, возможно, лучший на сегодняшний день онколог в мире. В Институте Вентера под руководством Боба Страусберга и в постоянном сотрудничестве с рядом известных научных коллективов (включая группу Фогельштейна) исследуются соматические изменения генов в раковых клетках. Соматические изменения вызываются внешними факторами, например токсинами или радиацией, способными вызывать мутации генов в неполовых клетках. Это может вызвать онкологическое заболевание у отдельного человека, которое, правда, не будет передаваться потомству. В результате наследственных генетических дефектов возникает всего 3–5 % онкологических заболеваний, а остальные 95–97 % вызываются соматическими изменениями генов. В то время как многие научно-исследовательские группы изучают изменения в генах, связанные с возникновением рака, мы занимаемся в основном изменениями в генах, которые могут способствовать успешному лечению опухолей. Среди важнейших белков, регулирующих рост наших клеток, – рецепторы тирозинкиназы. Новые мощные химиотерапевтические средства обладают способностью блокировать эти рецепторы, однако их действенность зачастую зависит от типа мутаций в гене рецептора. Соответственно, мы занялись секвенированием генов семейства рецепторов тиразинкиназы в поисках соматических мутаций. Далеко ходить не пришлось: мы обнаружили ряд уникальных мутаций уже в первых опытах по исследованию генов в опухолях мозга. В настоящее время мы расширили сферу этих исследований, включив в нее другие виды опухолей, в частности рак груди и рак прямой кишки.

Секвенирование и онкология

В будущем врачи несомненно будут использовать методы «персонализированной» медицины. В одном недавнем исследовании секвенаторы ДНК нового поколения сумели предсказать, какие именно пациенты с раком легких могут быть вылечены определенными препаратами нового типа. Крупноклеточный рак легкого – сегодня одна из основных причин смерти от онкологических заболеваний. Ранее было установлено, что опухолевые клетки примерно у четверти пациентов содержат лишнюю копию гена EGFR (рецептор эпидермального фактора роста), в результате чего они более восприимчивы к действию таких лекарств класса ингибиторов, как гефитиниб и эрлотиниб. Корпорация 454 Life Sciences (штат Коннектикут) в сотрудничестве с учеными Онкологического института Даны Фарбер и Института Броуда (под Бостоном) использовали метод секвенирования, разработанный этой корпорацией и определяющий сотни тысяч последовательностей ДНК за один проход для анализа мутаций гена EGFR в опухолях 22 пациентов, страдавших раком легких. Это позволило выявить больных, которым лечение ингибиторами EGFR принесло бы наибольшую пользу.

Пока секвенаторы в моем новом институте выдавали новые и новые фрагменты моего генома, я переключился на проект, в котором сочетались обе великих любви моей жизни: наука и мореплавание. Концепция проекта была несложной. Из образца морской воды с помощью микрофильтров выделяются все плавающие в нем микроорганизмы, из которых одновременно извлекается ДНК для получения библиотек секвенирования методом дробовика. За один проход получаются тысячи и миллионы последовательностей, которые затем собираются обратно в хромосомы и фрагменты хромосом. Наконец, анализируются последовательности генов и пути метаболизма, что позволяет точно уяснить, какие формы жизни присутствуют на данном участке океана. Вместо того, чтобы заниматься поисками одного конкретного биологического вида, мы получили бы мгновенный снимок всего разнообразия микрофлоры в капле морской воды – геном самого океана. Это представлялось мне закономерным продолжением работы, которая началась с использования метода EST, привела к созданию полного анализа генома методом дробовика, затем – к получению первого генома живого организма, и наконец – к расшифровке генома человека. Новый мой проект, как и все его предшественники, был встречен с недоверием. Многие относились к секвенированию морской воды методом дробовика крайне скептически, поскольку речь шла об анализе «бульона», содержащего огромное число биологических видов. Возвращаясь к аналогии с пазлом, можно сказать, что задача состояла в перемешивании фрагментов от нескольких тысяч пазлов, а затем – в их одновременной сборке. Тем не менее из первых опытов по сборке генома в TIGR я уже знал, что наша вычислительная техника способна точно собрать не один полный геном из подобной сложной смеси. В 1996 году нам прислали полученный от пациента образец, предположительно содержавший бактерию Streptococcus pneumonia.

При секвенировании генома бактерии программа сборки установила присутствие в образце не одного, а двух геномов, принадлежавших родственным, но различным видам. И этот случай, и многие другие (не в последнюю очередь сборка 27 миллионов фрагментов ДНК человека обратно в хромосомы) убедили меня в том, что любая уникальная последовательность генома позволяет осуществить его уникальную математическую сборку. Дабы убедить комиссию Министерства энергетики выделить средства на опытный проект исследования океана, я провел простой демонстрационный опыт. Я взял все известные на тот момент геномы микроорганизмов (около ста) и разбил их на небольшие участки, содержавшие менее тысячи пар оснований. Смешав все эти фрагменты, я пропустил их через программу сборки. Результаты оказались весьма убедительными. Наши алгоритмы обеспечили правильную сборку каждого индивидуального генома без единой ошибки. Членов комиссии по рассмотрению заявок на получение грантов это впечатлило, однако они по-прежнему считали, что мои методы непригодны для работы с океаном. Тогда я решил разработать методику экспериментального проекта для реальных условий, вновь профинансировав его из своего собственного фонда, и связался с Энтони Кнаппом, директором Бермудской биостанции, который организовал отбор проб воды из Саргассова моря, куда я направил моего сотрудника Джеффа Хоффмана. Мы намеренно выбрали Саргассово море, известное ранее как океанская «пустыня», бедная питательными веществами и не отличающаяся особым разнообразием бактериальной жизни. В этих водах было обнаружено лишь считанное число микроорганизмов. После обработки фильтров, содержащих микроорганизмы из первых проб в лаборатории секвенирования, мы проанализировали результаты. Итак, я был прав! Мы раскрыли двери в мир, почти неизвестный современной науке. От освещенной солнцем поверхности до мрачных подводных каньонов простирается океан жизни, содержащий порядка 10³⁰ одноклеточных организмов и 10³¹ вирусов! Это означает 1 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 организмов, представленных миллионами уникальных видов, или миллиард триллионов организмов на каждого жителя Земли.

Данные научных исследований часто говорят нам лишь о том, что мы можем увидеть или измерить. В случае микроорганизмов мы немало знаем о тех, которых нам удается искусственно выращивать. Сложность состоит в том, что выделять и выращивать мы умеем лишь сравнительно небольшое число организмов (менее 1 %). Об остальных 99 %, которые не культивируются в лабораториях, мы почти ничего не знаем. Для нас, по сути, они практически не существуют. Идея использовать мой метод секвенирования методом дробовика для изучения 99 % жизни, до сих пор остававшейся неведомой, приводила меня в восторг. У нас появилась возможность расшифровать коды океана, варьирующиеся от одного моря к другому, для участков морского дна с выбросами сероводорода, окрестностей мягких коралловых зарослей, вершин подводных вулканов.

С тех пор мы открыли десятки тысяч новых видов, включая и весьма экзотические. В общей сложности в 200 л воды с поверхности моря было обнаружено 1,3 миллиона новых генов. Сообщу для справки, что анализ первых же образцов удвоил количество известных на планете генов. Открытие такого множества генов в море, считавшемся одним из самых бедных питательными веществами, бросило серьезный вызов теории эволюции.

Эти опыты имели и практические последствия. Около 20 тысяч выделенных нами белков оказались связаны с переработкой водорода. 800 отвечали за поглощение световой энергии. Эта цифра в 4 раза увеличивает число известных науке фоторецепторов (таких, как имеющиеся на задней стенке наших глаз) и говорит о том, что неожиданно высокое биоразнообразие Саргассова моря объясняется какими-то новыми биологическими процессами, основанными на энергии света.

Мы могли продолжать сбор образцов в Саргассовом море, однако мне хотелось проверить, отличаются ли другие участки океана бо?льшим биоразнообразием. Так началась экспедиция «Чародей-2», финансируемая Фондом Института Вентера, Фондом Гордона и Бетти Мур, Министерством энергетики и телеканалом «Дискавери». Мою яхту специально переоборудовали для кругосветных путешествий, чтобы она могла бороздить океаны, днем и ночью отбирая пробы. Эта экспедиция за открытиями положила начало новой области науки – геномике окружающей среды, которую ныне превозносят как нечто необыкновенное и увлекательное{223}. Мне казалось, наша инициатива окажет даже более благотворное и долгосрочное воздействие, чем секвенирование генома человека.

В течение двух лет я летал туда и обратно, присоединяясь к команде «Чародея-2», собиравшей образцы в морях от Галифакса (Новая Шотландия) до тропических областей на востоке Тихого океана. Одно из наших плаваний – через Панамский канал к острову Кокос и далее к Галапагосским островам – особенно запомнилось мне: я сочетал занятия геномикой с написанием этой книги и подводным плаванием с акулами, причем все это происходило под пристальными взглядами телекамер. Невероятно было ощущать себя участником экспедиции, отчасти вдохновленной знаменитыми плаваниями кораблей «Бигль» и «Челленджер»[9].

Для получения ДНК мы отбирали пробы воды через каждые 200 морских миль и пропускали ее через всё более тонкие фильтры с целью выделения бактерий, а затем и вирусов. Фильтры хранились в холодильниках на борту, после чего доставлялись самолетом в Роквилл для секвенирования. Там группа под руководством Шибу Юсефа, используя феноменальные вычислительные мощности (включая суперкомпьютер, применявшийся для съемок мультфильма «Шрек» и моделирования взрывов водородной бомбы), реконструировала и анализировала огромный объем данных по фрагментам микробной ДНК, полученной методом дробовика. Каждый фрагмент ДНК сравнивался со всеми остальными для получения кластеров связанных последовательностей и прогнозирования белков. В Институте Солка (Сан-Диего, Ла-Хойя) Джерард Маннинг также проводил сопоставление этой информации с базой данных Pfam, включающей характерные профили всех известных семейств белков, с помощью турбо-программы компании Time Logic. Его лаборатория провела почти 350 миллионов сопоставлений, что на порядок или два больше, чем за всю предшествовавшую историю. Окончательные подсчеты заняли две недели, но стандартному компьютеру для выполнения этой задачи потребовалось бы более сотни лет. От этой сокровищницы данных захватывало дух. В трех статьях, опубликованных в 2007 году в журнале PLoS Biology группой моих сотрудников под руководством Дуга Руша, описывалось открытие 400 новых видов микроорганизмов и 6 миллионов новых генов, что удваивало количество генов, известных на тот момент науке{224}.

Экспедиция оказала глубокое воздействие на устоявшиеся идеи о древе жизни. Например, белковый пигмент, с помощью которого глаза распознают свет, раньше считался сравнительно редким. Наш улов генов показал, однако, что все морские организмы в поверхностных слоях воды вырабатывают протеородопсины, способные обнаруживать свет различного цвета. Эти белки помогают микробам использовать лучи солнца подобно растениям, только без фотосинтеза, усваивая свет путем закачивания заряженных атомов в свое подобие солнечных батарей. В различных средах встречаются синий и зеленый варианты этих батарей: синий характерен для открытого океана, например для Саргассова моря с водой цвета индиго, а микробы с «зелеными» батареями обитают в прибрежных зонах.

Во время кругосветного плавания мои сотрудники открыли новые белки, защищающие микроорганизмы от ультрафиолетового излучения, а также излечивающие повреждения от него. Мы обнаружили, что некоторые белки чаще встречаются в океане, чем на суше. Например, наземные грамположительные бактерии известны прежде всего своими чрезвычайно стойкими спорами, однако у их морских родственников эта особенность отсутствует. Жгутики, гибкие «конечности», обеспечивающие поступательное движение бактерий, и фимбрии, короткие выступы, с помощью которых бактерии осуществляют обмен генетическим материалом (эквивалент секса в мире микробов), также встречаются в океанах реже. Мы с удивлением обнаружили, что многие виды белков, считавшиеся характерными лишь для одного биологического царства, оказались более распространенными. Возьмем, например, глютаминсинтетазу (ГС), белок, играющий важную роль в метаболизме азота. Мы обнаружили более 9 тысяч последовательностей, отвечающих за синтез ГС или близких к нему белков. Многие из них относились к ГС типа II, одному из трех основных типов данного белка. Этот результат был довольно неожиданным, поскольку ГС типа II преимущественно связана с эукариотами (такими, как наши собственные клетки), а не с «более примитивными» видами жизни (бактериями и вирусами), осевшими на подвергавшихся анализу фильтрах.

Из всех изученных семейств белков наиболее интересными оказались ферменты киназы, регулирующие многие базовые клеточные функции в нашем теле. Они контролируют активность белков и небольших молекул в клетках, присоединяя к ним фосфатные химические группы. В силу важности киназ они являются основными «мишенями» при лечении раковых и других заболеваний. Раньше считалось, что для различных биологических царств характерны различные семейства киназ. Наши собственные клетки предположительно использовали эукариотические протеинкиназы (эПК), а бактерии – гистидинкиназы. Мы, однако, обнаружили, что киназы типа эПК встречаются в бактериях даже чаще, чем гистидинкиназы. Выяснилось также, что почти во всех семействах киназ основные десять свойств белка совпадают, то есть являются определяющими характеристиками киназы. Данные по генам, общим для большого числа организмов, могут, таким образом, использоваться как нечто вроде машины времени. Мы можем выявить, какие киназы присутствовали в организме общего предка и, в данном конкретном случае, прийти к выводу о том, что несколько семейств киназ существовали перед разделением жизни на три царства, произошедшим миллиарды лет назад.

Поразительное открытие сделала экспедиция «Чародей-2» и в науке, изучающей изменения климата. Для некоторых участков океана, как выяснилось, характерна повышенная концентрация организмов, активно поглощающих двуокись углерода. Традиционно считалось, что эти популяции возникают в областях повышенного содержания питательных веществ. Реальность может оказаться куда сложнее. Пониженное содержание микроорганизмов в некоторых морях, по-видимому, объясняется деятельностью вирусов-бактериофагов. Если нам удастся разобраться в этих взаимоотношениях и научиться ингибировать вирусы либо повысить устойчивость бактерий к фагам, станет возможным резкое повышение количества организмов, поглощающих углекислый газ и смягчающих изменения климата. Благодаря этой новой концепции появляются и другие удивительные возможности. На основании открытия миллионов новых генов мы приступаем к формированию «набора инструментов», который позволит начать новую фазу эволюции. Микробы играют важнейшую роль в земной атмосфере. Деревья поглощают углекислый газ благодаря фотосинтезу. То же самое делают и океаны, хотя и по другим механизмам. Удастся ли нам спроектировать новые организмы, которые могли бы заселить системы очистки выбросов на теплоэлектростанциях, поглощая двуокись углерода? Можно ли приручить микроорганизмы, поставив их уникальную биохимию на службу святому делу очистки атмосферы? Можно ли убедить микробные легкие планеты дышать глубже? Все эти идеи не так безумны, как кажутся.

Далее, кислородом, которым мы дышим, мы обязаны изменениям в популяции микроорганизмов, произошедшим более 2 миллиардов лет назад. Эти микроорганизмы были вынуждены избавиться от кислорода, чтобы избежать отравления, и их «кислородные отходы» стали частью атмосферы. Возможно, для борьбы с последствиями сжигания ископаемого топлива почвенные микробы следует «убедить» поглощать побольше углерода. Сообщества микроорганизмов, которые формируют состав легких Земли, можно сконцентрировать в шахтах, глубоких водоносных слоях или в пустынях.

В первую очередь необходимо расшифровать геномы микроорганизмов, растений и тысяч других существ, которые борются с загрязнением окружающей среды, будь то углекислый газ, радионуклиды или тяжелые металлы. Большая часть таких геномов уже секвенирована, в основном, моими методами, а многие из них – моими же сотрудниками. Затем я использовал способ изучения микроорганизмов Саргассова моря для исследования воздуха, которым дышат на Манхэттене жители Нью-Йорка. В настоящее время этот город является испытательным полигоном для моего проекта «Геном воздуха», в котором я надеюсь выявить бактерии, грибы и вирусы, попадающие в наши легкие при каждом вдохе. Секвенирование многих других микроорганизмов продолжается, даже пока я пишу эту книгу. На основе информации, полученной при изучении огромного количества микроорганизмов, я сумею не только изучить новые способы мониторинга качества воздуха и противодействовать биотерроризму, но и узнать, можно ли использовать эти организмы и их «умную химию» для ликвидации последствий загрязнения окружающей среды.

Если говорить о попытках противодействия глобальному потеплению, у нас уже есть длинный список перспективных для изучения организмов. Торфяные болота содержат Methylococcus capsulatus, участвующие в круговороте парникового газа метана. Rhodopseudomonas – это почвенные бактерии, преобразующие углекислый газ в вещества клеток, а газообразный азот в аммиак; они также могут выделять водород. Nitrosomonas europaea и Nostoc punctiforme тоже принимают участие в фиксации азота. Из множества морских микроорганизмов наибольшую роль в трансфере углерода в океанские глубины играют диатомовые водоросли Thalassiosira pseudonana. С помощью всех этих микроорганизмов мы сумеем управлять процессами загрязнения нашей атмосферы.

Но это еще не всё! Давайте пойдем дальше. Возможно ли применить наши сегодняшние знания для проектирования и создания, химическим путем, хромосом новых видов и первых саморазмножающихся искусственных форм жизни – для разработки новых альтернативных источников энергии? Это предложение не может не вызвать беспокойства биофундаменталистов, но является, однако, естественным продолжением тысячелетних усилий человечества по использованию биологических процессов в промышленном производстве. Биотехнология уходит корнями в глубь веков, когда путем сбраживания винограда впервые был получен этиловый спирт, первое биотопливо.

Уже имеются свидетельства, что микроорганизмы могут произвести настоящую революцию в нефтехимической промышленности. DuPont – одна из многих компаний, которые традиционно полагались на недорогую нефть и синтез из нее полимеров, используемых для производства одежды, ковров, различных волокон, канатов и пуленепро биваемых жилетов. Сегодня эта компания находится в авангарде исследований, цель которых – отказ от нефти и использование искусственных бактерий, питающихся углеводами, возобновляемым источником углерода из растений, производящих углеводы из углекислого газа воздуха.

Исследователи компании DuPont, работающие с Genencor в Пало-Альто, уже модифицировали бактерии E. coli для превращения глюкозы в соединение под названием «пропандиол». На заводе в Теннесси используют тонны бактерий для получения из кукурузного сиропа полимера Sorona, применяемого этой компанией в производстве ковров и одежды с грязезащитным покрытием. И это только начало. Что, если бы мы могли создать бактерии для получения различных видов топлива – бутана, пропана и даже октана только из углеводов? А еще лучше, если бы мы создали такие бактерии, которые будут использовать целлюлозу – углеродсодержащий полимер, главную составную часть структуры растений. Такая фантастическая технология совершенно преобразила бы наш мир, ведь ограниченность запасов нефти на Земле приводит к чрезвычайно непропорциональному распределению богатства, что вызывает войны, способствует всеобъемлющему загрязнению природы и приводит к изменению климата, ураганам и засухе.

Идея создать искусственный геном зародилась у меня еще в 1995 году. Впервые в истории секвенировав в TIGR два генома, мы предприняли крупное исследование, чтобы попытаться определить минимальный набор генов, необходимый для жизнедеятельности одной клетки. До создания синтетической хромосомы, содержащей лишь гены, теоретически необходимые для жизни, оставался всего один шаг. Мы надеялись, что понимание самой сути жизни проложит путь к новому уровню управления генетической «архитектурой» организма.

Прежде чем приступить к такому смелому проекту, я поручил провести этическую экспертизу идеи создания генома «с нуля». На это ушло более 18 месяцев. Мы спросили представителей большинства основных религий, что они об этом думают. Хотя наш подход был научно обоснован, он вызвал немало вопросов, начиная от потенциальной технологической опасности (биологического оружия, непредвиденных экологических последствий) до обвинений в попытке подвергнуть сомнению саму концепцию смысла жизни. Однако к моменту завершения этого опроса я уже запустил компанию Celera и начал секвенирование генома человека. Создание искусственного генома пришлось на время отложить.

Данный текст является ознакомительным фрагментом.