Максим Либанов - Почему наш мир таков, каков он есть. Природа. Человек. Общество (сборник)
Чарльз Роберт Дарвин – 1809–1882 – Английский натуралист, предположивший в своем труде «Происхождение видов», что движущей силой эволюции является естественный отбор небольших ненаправленных наследственных изменений (позднее названных мутациями).
В условиях нашего опыта выбор между первым и вторым вариантом можно сформулировать так: возникает ли у клеток устойчивость к вирусу только в процессе вирусной инфекции или в любой момент времени, независимо от того, есть вирус или нет? Если вы задумаетесь, то поймете, что различить эти два варианта в эксперименте не так уж просто. Ведь для того, чтобы увидеть, возникла ли у клетки устойчивость к вирусу, надо ее этим вирусом заразить. А после того как вирус и клетка встретились, всякий может сказать, что именно эта встреча и стала причиной возникновения устойчивости (как в первом варианте). Даже если верен второй вариант и мутации возникают тогда, когда никаких вирусов вокруг нет, то у нас не будет никакого способа их заметить без добавления вируса.
Опыт Дельбрюка и Лурии позволил сделать выбор между этими двумя возможностями. Этот опыт настолько простой, что каждый может повторить его у себя на кухне. Возьмем десять пробирок, посадим в каждую по одной клетке кишечной палочки[24] и дадим им делиться, пока из каждой клетки не возникнут сотни тысяч потомков. Потом добавим в каждую пробирку вирус, так чтобы на каждую бактерию приходилась хотя бы одна частица вируса.
Если верен первый вариант – мутации возникают как результат борьбы с вирусом с вероятностью победы в 0,001 %, – в каждой пробирке победителями окажется некоторое количество клеток. Эти клетки образуют колонии на чашках с питательной средой, когда мы выльем на них содержимое наших пробирок с выжившими клетками. Количество образованных колоний не будет одинаковым, но в целом число колоний, образованных на разных чашках, окажется более или менее сходным: например, на одной чашке будет пять, на другой – возможно, четырнадцать, на третьей – десять. В целом распределение колоний на разных чашках будет довольно равномерным.
Но если верен вариант номер два, тогда спонтанные мутации могут произойти в любой из пробирок задолго до встречи с вирусом. Например, у самой первой клетки или у одного из двух, четырех, восьми ее потомков, возникших соответственно после первого, второго или третьего деления. В этом случае в какой-то из культур устойчивых клеток окажется гораздо больше. А у числа устойчивых клеток из разных пробирок будет совсем другое, неравномерное распределение. Именно такое крайне неравномерное распределение и наблюдали Лурия и Дельбрюк.
Их вывод: мутации возникают спонтанно. Окружающая среда лишь позволяет им проявиться и принести пользу (или вред). Те, кто и раньше догадывались, что дело именно так и обстоит, в те годы назывались генетиками, а приверженцев противоположной точки зрения в СССР называли лысенковцами: первые оказались правы, вторые – нет.
Дельбрюк и Лурия получили за свое открытие Нобелевскую премию, а генетики в последующие пару десятилетий поняли, как все на самом деле происходит. В ДНК хранится генетическая информация, при ее копировании случаются ошибки, эти ошибки иногда могут быть полезными, а все изменения в ДНК, как вредные, так и полезные, передаются от предков к потомкам. Таким образом, центральная догма молекулярной биологии возникла из эксперимента Дельбрюка и Лурии. Это очень красивый эксперимент, потому что он прост. Все красивые эксперименты просты.
Загадочный автограф
Промотаем время на сорок лет вперед. Мы окажемся в конце 1980-х годов, когда только-только стала возникать наука геномика. Люди научились определять последовательность букв в генах. Геном бактерии – несколько миллионов букв, и есть технология, которая позволяет читать эти и даже гораздо более длинные генетические тексты, например геном человека, длина которого составляет три миллиарда букв. Генетические тексты можно читать и анализировать с помощью компьютера, занимается этим новая отрасль биологии – биоинформатика.
При анализе генетических текстов выяснилось, что некоторые из них являются генами, то есть кодируют белки. Но есть и такие участки, которые, казалось бы, ничего не кодируют. Один такой любопытный участок был обнаружен в ДНК кишечной палочки. Он сложен из многократно повторенной короткой последовательности длиной всего тридцать-сорок букв-нуклеотидов. А между этими повторами заключены другие кусочки, примерно такой же длины, но имеющие разные, неповторяющиеся последовательности. То есть имеется кассета с повторами и находящимися между ними спейсерами-разделителями. Позже подобные кассеты были обнаружены у самых разных бактерий, но для чего они нужны, какая у них функция, ученые не знали. Назвали такие кассеты CRISPR – от английского «сгруппированные, регулярно разделенные короткие палиндромные повторы».
Но тот факт, что ученые не понимали биологическую роль CRISPR, совершенно не помешал предприимчивым людям их использовать. Выяснилось, например, что у бактерий, вызывающих туберкулез[25], почти все гены одинаковые, а CRISPR-участки – разные. Бактерия, выделенная в томской тюрьме, и бактерия, выделенная в омской тюрьме (а туберкулез распространяется в основном в тюрьмах), содержат совершенно разные спейсеры-разделители в своих CRISPR-кассетах. Если в московский госпиталь приходит человек с туберкулезом, там выясняют, каков набор спейсеров в ДНК заразивших его бактерий. Когда выяснится, что у него скорее «омская», чем «томская» бактерия, можно принять соответствующие эпидемиологические меры.
А можно использовать CRISPR и по-другому. Компания Danisco[26] контролировала около 40 % мирового рынка культур-заквасок для кисломолочных продуктов. Компания располагала огромным каталогом различных штаммов бактерий, и каждый штамм позволял делать какой-то кисломолочный продукт с определенными коммерческими свойствами. Свои штаммы они продавали на молочные заводы. Надо сказать, что это непростой бизнес: если вы продаете кому-то живую культуру, то у вас ее купят один раз, а больше покупать не будут, а начнут выращивать сами, да еще и передавать другим, как русские бабушки передают друг другу культуру чайного гриба. К счастью, CRISPR можно использовать для выявления, кто у кого что украл. Дело в том, что все бактерии, которые делают молочнокислые продукты, родственны друг другу, но все-таки чуть-чуть различаются. В частности, очень сильно различаются последовательности и число CRISPR-спейсеров, то есть они являются диагностическим признаком того или другого штамма. По этому признаку можно достоверно выявить штамм, похищенный из Danisco, и доказать факт нарушения контракта. Поэтому работники компании составили каталог CRISPR-спейсеров во всех культурах из своей коллекции и пользовались ими как базой отпечатков пальцев. По-прежнему не понимая, зачем они на самом деле нужны бактериям.
Тем временем владельцев молочных заводов мучила другая проблема. Помните, мы говорили о вирусах-бактериофагах? На земле их живет очень много, примерно в триллион миллиардов раз больше, чем людей. Бактериофаги любят жить там, где есть их еда, то есть бактерии, и часть их живет на молочных заводах, где они заражают бактерии заквасок. Вы купили молоко, внесли закваску, потираете руки в ожидании барышей, но вдруг появляется бактериофаг, культура портится, молоко приходится вылить. В ценовом выражении потери составляют до общего объема этого бизнеса.
Как помочь людям, которые хотят доставить на прилавки вкусные молочные продукты? Нужно сделать тот самый эксперимент, что делали Дельбрюк и Лурия в 1943 году: получить бактерии, устойчивые к вирусу. Это и делали в компании Danisco: брали бактерию из своего каталога, брали вирус, доставляющий проблемы на каком-то молочном заводе, и получали устойчивую к вирусу культуру. Только теперь это уже не кишечная палочка, за которую когда-то была получена Нобелевская премия, а лактобациллы[27].
А перед тем как продать эту культуру промышленникам, ее каталогизируют, чтобы никто не украл: это все-таки бизнес. Для этого подробно описывают кассету CRISPR – берут «автограф», отпечаток пальца полученной линии бактерий. Тут-то и заметили, что у всех устойчивых к вирусу культур в кассете появлялись новые фрагменты-спейсеры, в точности до одной буквы повторяющие кусочек генома того самого вируса, к которому появилась устойчивость. Вот такой любопытный научный результат.
Мы начинаем думать, что это неспроста: возможно, устойчивость связана с добавлением фрагмента из ДНК вируса в CRISPR-кассету бактерии. Говоря математическим языком, мы уже доказали, что это «необходимо»: у всех устойчивых культур в геноме появлялся новый вирусный кусочек. Чтобы доказать «достаточность», поставили молекулярно-генетический эксперимент: ученые сами взяли из вируса кусочек ДНК и вставили его в бактериальную клетку методами молекулярной генетики. И получили устойчивые к вирусу бактерии! Значит, для устойчивости необходимо и достаточно попадания небольшого участка вирусной ДНК в CRISPR-кассету бактерии.
