Микрокосм. E. coli и новая наука о жизни
Шрифт:
Только так, считает Фортер, РНК — жизнь могла перейти к использованию ДНК. Время от времени возникали мутации, в результате которых гены из РНК — хромосомы встраивались в ДНК — хромосому вируса. Они оказывались более стабильными и менее склонными к губительным мутациям, чем прежние РНК — гены. Естественный отбор благоприятствовал организмам с большим количеством генов в ДНК — хромосоме, чем в РНК. Со временем РНК- хромосома съеживалась, а ДНК — хромосома, наоборот, росла, и в конце концов организм полностью перешел на хранение информации в двойной спирали. На язык ДНК оказались переведены даже гены рибопереключа- телей и других реликтов «мира РНК». Фортер предполагает, что подобный «вирусный захват» в истории жизни на Земле произошел трижды, и каждое из трех вторжений ДНК — содержащих вирусов привело к рождению одной
Фортер утверждает, что его сценарий объясняет, в частности, принципиальную разницу между генами, общими для всех трех доменов (надцарств) живой природы, и генами, уникальными для каждого из них в отдельности. В начале своей научной карьеры Фортер занимался изучением ферментов, при помощи которых E. coli синтезирует ДНК. Подобные ферменты существуют и у других видов бактерий. Но у архей и эукариот вы ничего подобного не найдете. Разница, по мнению Фортера, состоит в том, что предки E. coli и других бактерий получили свои ферменты, участвующие в репликации ДНК, от какого-то одного штамма вирусов, архей — от другого, в то время как для появления эукариот потребовалось несколько разных вирусов — основателей.
После того как три ветви жизни разошлись, их развитие пошло разными путями. Наши собственные предки — первые эукариоты — возможно, получили ряд признаков также от вирусов. Эукариоты со временем стали крупнее, чем бактерии и архей, а их популяции, соответственно, малочисленнее. Надо сказать, что в небольших популяциях мутации с незначительным вредным эффектом распространяются легче просто благодаря случайным процессам, и, может быть, только в этот период геном эукариот начал расширяться. Вставки некодирующей ДНК в геном, возможно, поначалу мешали их обладателю, но со временем они, вероятно, дали эукариотам способность осуществлять перестановки генных сегментов, чтобы кодировать разные белки. У человека насчитывается 18 000 генов, но с их помощью каждый из нас может синтезировать около 100000 различных белков.
Сегодня предположение Фортера радикально примерно настолько же, насколько радикальным было в 1968 г. предположение о том, что вся жизнь на Земле когда-то основывалась на РНК. И проверка этой гипотезы потребует не меньше усилий. Но размышлять о том, что означала бы правота Фортера, чрезвычайно интересно. В этом случае разница между слоном и E. coli означала бы на самом деле еще одно фундаментальное сходство. Мы — все живые существа — различаемся между собой только потому, что болеем от разных вирусов.
Глава 10. Играющая природа
Портрет в протоплазме
В лаборатории Кристофера Войта в Калифорнийском университете в Сан — Франциско E. coli может изготовить для вас портрет. Войт поместит вашу фотографию перед специально затененным хитроумным устройством. Отраженный от картинки свет попадает на пластинку покрытую тонким слоем E. coli. Этот штамм Войт и его коллеги создали в 2005 г. Они пересадили бактерии гены, часть из которых позволяет им чувствовать свет, а часть — продуцировать темный пигмент. Гены подключены таким образом, что если микроорганизм ощущает свет — к примеру, отраженный от фотографии, — то гены, отвечающие за синтез пигмента, блокируются. Бактерии, на которые попадают фотоны, отразившиеся от светлой части фотографии, остаются прозрачными. Те же, на которые свет не попадает, продолжают вырабатывать пигмент и постепенно темнеют. На пластинке проявляется изображение — мутноватое и нерезкое, но вполне узнаваемое.
Кристофер Войт — доцент с длинным списком научных публикацией. Но, помимо этого, он настоящий сын века биотехнологий. Он еще не родился, когда в 1970–е гг. ученым впервые удалось встроить чужеродные гены в геном E. coli. Этот успех стал одним из важнейших событий в истории биологии. При помощи генной инженерии ученым удалось разобраться в некоторых загадочнейших особенностях генома. E. coli превратили в рабочую лошадку. Возникла целая отрасль промышленности, в которой задействовано $75 млрд. Освоив искусство встраивания генов в геном на E. coli, специалисты начали встраивать их в другие микроорганизмы, а затем в животных и растения. Сегодня козы вместе с молоком вырабатывают лекарства, а на 250 млн га сельскохозяйственных земель выращиваются растения с искусственно встроенными в них генами, обеспечивающими устойчивость к гербицидам и пестицидам.
Но это не значит, что E. coli как объект исследований отошла в тень. Ученые по — прежнему с удовольствием используют ее при разработке новых инструментов и методов управления жизнью. Работа Войта, к примеру, — часть новой разновидности генной инженерии, получившей название синтетической биологии. Вместо того чтобы переносить гены поштучно от одного вида к другому, специалисты по синтетической биологии стремятся создавать с нуля целые генетические схемы. Они соединяют гены разных видов в систему, а затем настраивают ее на выполнение новых функций. Пока им удается создавать лишь красивые и наглядные доказательства принципиальной осуществимости этой идеи — такие, к примеру, как бактериальная фотокамера Войта. Однако в будущем эти эксперименты могут привести к созданию микроорганизмов, вырабатывающих электроэнергию из солнечного света или лекарства, но только в заданных условиях (назовем их «умными» лекарствами). Специалисты по синтетической биологии пытаются даже разобрать E. coli на составные части и вновь использовать некоторые из них при создании жизни.
В новом направлении исследований полно противоречий. В настоящий момент идут горячие споры о рисках, связанных с синтетической биологией и другими достижениями биотехнологии. Эти риски разнообразны и многочисленны — это и случайное попадание в природу опасных искусственных организмов, и намеренное создание всевозможных типов биологического оружия. «Умные» лекарства несложно превратить в «умную» инфекцию. Кроме того, синтетическая биология дала новый толчок старым спорам о моральной допустимости биотехнологий как таковых. Сегодня мир столкнулся с массой самых разных научных исследований, разобраться в которых порой просто невозможно, — от мышей, выращивающих в своем мозгу человеческие нейроны, до созданных смертоносных вирусов. Чтобы прийти в этих спорах хоть к какому-то результату, нам необходимо серьезно обдумать, что значить быть живым и как биотехнология меняет смысл этого понятия. E. coli, главный микроорганизм биотехнологического века, может многое нам рассказать. Лицо на пластинке смотрит на оригинал — это скорее зеркало, чем портрет.
Неолитические биотехнологии
Биотехнологии рождались многократно, и каждый раз это происходило вслепую.
Человек начал манипулировать другими формами жизни по крайней мере 10 000 лет назад: его целью было получение полезных вещей, таких как пища и одежда. В Юго — Восточной Азии, Турции, Западной Африке и Мексике люди одомашнивали животных и растения. Вероятно, сначала это происходило неосознанно. Собирая растения, люди предпочитали определенные разновидности, и их семена случайно сыпались на землю возле стоянки. Дикие предки собак, бродившие вокруг костров и питавшиеся объедками, вероятно, передавали своим щенкам гены общительности. Эти виды адаптировались к жизни с человеком посредством естественного отбора. Как только человек начал возделывать землю и выращивать скот, естественный отбор уступил место отбору искусственному, поскольку человек уже сознательно отбирал для продолжения рода особей с нужными ему свойствами. Эволюция ускорилась, и человек создал целую галерею гротескных тварей — от плоскомордых мопсов до тыкв размером с приличный валун.
Надо сказать, что неолитические биотехнологи манипулировали и микроорганизмами тоже. Они научились делать пиво и вино или, вернее, поняли, как заставить дрожжи сделать пиво и вино. Человеку достаточно было просто создать условия, при которых дрожжам удобнее всего будет превращать сахар в спирт. Дрожжи, выделяя углекислый газ, заставляли хлеб подниматься. Одомашненные микроорганизмы эволюционировали, точно так же как дикорастущий злак теосинте эволюционировал в кукурузу, а жилистая дикая курица — в упитанную домашнюю птицу. Дрожжи сегодняшних виноделов отличаются от своих диких родичей, покрывающих древесную кору.