Взломавшая код. Дженнифер Даудна, редактирование генома и будущее человечества
Шрифт:
Он вырос в сельской глубинке Англии и знал, что лошади и коровы порой рождаются с незначительными различиями и за годы заводчики выбирают лучшие из них, чтобы наделять целые стада более желанными характеристиками. Возможно, природа поступала точно так же. Дарвин назвал это “естественным отбором”. Он предположил, что в некоторых изолированных районах, например на Галапагосских островах, в каждом поколении происходило несколько мутаций, носители которых, возможно, чаще выигрывали конкуренцию за скудные ресурсы при изменении условий окружающей среды и потому с большей вероятностью производили потомство. Допустим, клюв одного вида вьюрков был приспособлен так, чтобы удобно было питаться фруктами, но затем во время засухи плодовые деревья погибли, поэтому несколько случайно мутировавших особей с клювами, лучше приспособленными для раскалывания орехов, получили преимущество. “При таких условиях благоприятные изменения должны иметь тенденцию сохраняться, а неблагоприятные – уничтожаться, – написал он. – Результатом этого и должно
12
Здесь и далее сочинения Дарвина цитируются по изданию: Ч. Дарвин. Сочинения / Пер. С. Л. Соболя под ред. акад. В. Н. Сукачева. М.: Изд-во АН СССР, 1959.
Дарвин не спешил публиковать свою теорию, считая ее еретической, но тут, как часто случается в истории науки, в дело вмешалась конкуренция. В 1858 году молодой натуралист Альфред Рассел Уоллес прислал Дарвину черновик статьи, в которой предложил подобную теорию. Дарвин поспешил подготовить собственную статью к публикации, и они с Уоллесом договорились представить свои работы в один день на грядущем заседании видного научного общества.
Дарвин и Уоллес обладали ключевой чертой, подстегивающей креативность: спектр их интересов был широк, и они умели устанавливать связи между разными дисциплинами. Оба натуралиста бывали в экзотических местах, где наблюдали изменчивость видов, и оба читали “Опыт закона о народонаселении” английского экономиста Томаса Мальтуса. Мальтус утверждал, что численность населения на планете, вероятно, будет возрастать быстрее, чем количество пищевых ресурсов. В результате перенаселения начнется голод, который приведет к гибели слабых и бедных людей. Дарвин и Уоллес поняли, что описанный принцип применим ко всем видам и потому позволяет сформулировать теорию эволюции путем выживания сильнейших. “Я случайно, ради развлечения прочитал книгу Мальтуса «О народонаселении», и <…> меня сразу поразила мысль, что при таких условиях благоприятные изменения должны иметь тенденцию сохраняться, а неблагоприятные – уничтожаться”, – вспоминал Дарвин. Позже писатель-фантаст и профессор биохимии Айзек Азимов, обсуждая происхождение теории эволюции, отметил: “Нужен был человек, который изучал виды, читал Мальтуса и мог установить взаимосвязь” [13] .
13
Isaac Asimov. “How Do People Get New Ideas”. 1959, reprinted in MIT Technology Review, 20 октября 2014 г.; Steven Johnson. Where Good Ideas Come From (Riverhead, 2010), 81; Charles Darwin. Autobiography, describing events of October 1838. Darwin Online, darwin-online.org.uk.
Дарвин
Мендель
Когда стало понятно, что виды эволюционируют с помощью мутаций и естественного отбора, на повестке дня оказался важный вопрос: каков механизм этого процесса? Как происходят благоприятные изменения клюва вьюрка и шеи жирафа и каким образом они потом передаются будущим поколениям? Дарвин полагал, что в организмах могут содержаться крошечные частицы, выступающие носителями наследственной информации, и предположил, что информация от мужских и женских особей сливается в эмбрионе. Но вскоре он понял, как и остальные, что в таком случае любой новый благоприятный признак с каждым следующим поколением будет размываться, а не передаваться в неизменном состоянии.
В личной библиотеке Дарвина хранился номер малоизвестного научного журнала, в котором была опубликована написанная в 1866 году статья, содержащая ответ на эти вопросы. Однако ни Дарвин, ни большинство других ученых его времени так и не прочитали эту статью.
Ее автором был Грегор Мендель, невысокий полноватый монах, родившийся в 1822 году в семье немецкоязычных фермеров в Моравии, которая в то время входила в состав Австрийской империи. Ему больше нравилось работать в саду монастыря в Брно, чем исполнять обязанности приходского священника: он плохо говорил по-чешски, а из-за своей застенчивости был не слишком хорошим пастором. Он решил стать учителем математики и естествознания, но, к несчастью, несколько раз провалил квалификационные экзамены даже после обучения в Венском университете. Особенно плохой результат он показал на экзамене по биологии [14] .
14
Помимо работ Мукерджи, Джадсона и Стертеванта, при
Не сдав экзамены в последний раз и не имея лучшего занятия, Мендель удалился в монастырский сад, где принялся с настоящей одержимостью проводить селекцию гороха. Ранее он главным образом создавал чистопородные сорта. Его растения обладали семью признаками с двумя вариациями: желтые или зеленые семена, белые или фиолетовые цветки, гладкие или морщинистые семена и так далее. Путем тщательной селекции он получал чистопородные растения, у которых, например, были только фиолетовые цветки или только морщинистые семена.
В следующем году он приступил к новым опытам и начал скрещивать растения с разными признаками, например растения с белыми цветками и растения с фиолетовыми цветками. Это была тяжелейшая задача: Менделю приходилось щипцами удалять все тычинки растения и крошечной кисточкой переносить пыльцу.
Его опыты принесли судьбоносные результаты, учитывая, что тогда писал Дарвин. Признаки не сливались. Высокие растения при скрещивании с низкими не давали потомство средней высоты, а при скрещивании растений с фиолетовыми цветками с растениями с белыми цветками не получались растения с бледно-лиловыми цветками. Все потомство высоких и низких растений было высоким, а потомство растений с фиолетовыми и белыми цветками давало только фиолетовые цветки. Мендель назвал преобладающие признаки доминантными, а признаки, которые не получали приоритета, – рецессивными.
Еще более значимое открытие произошло следующим летом, когда он получил потомство от своих гибридов. Хотя в первом поколении гибриды проявляли только доминантные признаки (такие как фиолетовые цветы и высокие стебли), рецессивный признак возвращался в следующем поколении. В записях Менделя наблюдалась закономерность: во втором поколении доминантный признак проявлялся в трех из четырех случаев, а рецессивный – в одном. Когда растение наследовало два доминантных варианта гена или доминантный и рецессивный варианты, проявлялся доминантный признак. Но если оно получало два рецессивных варианта гена, то проявлялся менее распространенный признак.
Развитию науки способствует публичность. Но смиренный монах Мендель, казалось, с самого рождения был невидимкой. В 1865 году он представил свою статью, разбитую на две части для двух ежемесячных заседаний, сорока фермерам и селекционерам из Общества естествоиспытателей в Брно, которое впоследствии опубликовало ее в своем ежегоднике. На нее почти не ссылались до 1900 года, когда ее снова обнаружили ученые, проводившие подобные эксперименты [15] .
Открытия Менделя и его последователей привели к появлению концепции наследственной единицы, которую датский ботаник Вильгельм Йоханссен в 1905 году назвал “геном”. Очевидно, существовала некая молекула, в которой содержалась зашифрованная наследственная информация. Многие десятилетия ученые тщательнейшим образом изучали живые клетки, пытаясь определить, что это за молекула.
15
Erwin Chargaff. “Preface to a Grammar of Biology” // Science, 14 мая 1971 г.
Уотсон и Крик с моделью ДНК, 1953 год
Глава 3. ДНК
Сначала ученые полагали, что носителями генов выступают белки. В конце концов, белки выполняют большинство важных задач в организмах. Но позже ученые установили, что рабочими лошадками наследственности выступают другие распространенные в живых клетках вещества – нуклеиновые кислоты. Эти молекулы состоят из сахара, фосфатов и четырех веществ, называемых основаниями, которые связаны в цепи. Они бывают двух типов: рибонуклеиновая кислота (РНК) и похожая молекула, в которой недостает одного атома кислорода, в связи с чем она называется дезоксирибонуклеиновой кислотой (ДНК). С точки зрения эволюции как простейший коронавирус, так и сложнейший человек, по сути, представляют собой упакованные белками модули, содержащие генетический материал, закодированный в нуклеиновых кислотах, и стремящиеся к его воспроизводству.
Первое открытие, позволившее разглядеть в ДНК репозиторий генетической информации, было сделано в 1944 году биохимиком Освальдом Эвери и его коллегами из Рокфеллеровского университета в Нью-Йорке. Они выделили ДНК из штамма бактерии, смешали ее с другим штаммом и продемонстрировали, что ДНК выступает носителем наследуемых изменений.
Чтобы сделать следующий шаг к решению загадки жизни, необходимо было понять, каким образом ДНК переносит информацию. Для этого пришлось найти признак, фундаментальный для всех тайн природы. Изучив структуру ДНК – то, как атомы связываются друг с другом и молекула какой формы получается в результате, – можно было понять, как она работает. Решение этой задачи потребовало объединения трех научных дисциплин, появившихся в XX веке: генетики, биохимии и структурной биологии.