Ген. Очень личная история - Сиддхартха Мукерджи

– организмы, выживающие в самых неблагополучных задворках природы, где ресурсы катастрофически ограничены, борьба за существование обострена, а соседи суровы, – вынуждены были обзавестись такими ножеподобными ферментами для защиты от вирусов. Эти ферменты, будто выкидные ножи, распарывают ДНК захватчика, и атака проваливается. Такие белки назвали «ферменты рестрикции» (ограничения), потому что они ограничивают заражение некоторыми вирусами. Эти молекулярные ножницы узнают определенную последовательность нуклеотидов и разрезают двойную цепь в строго определенном месте. Специфичность – это главное: в молекулярном мире прицельный удар в уязвимое место может стать летальным. Микробы парализуют молекулярных вторженцев, разрезая их информационные цепи.

Этот ферментный инструментарий, заимствованный у микробов, должен был стать основой экспериментов Берга. Ученый знал, что ключевые компоненты для генной инженерии лежат в пяти морозильных камерах пяти разных лабораторий. Ему требовалось лишь пройти по лабораториям, собрать ферменты и выстроить цепь реакций. Разрезать одним ферментом, склеить другим. Любые два фрагмента ДНК можно будет сшивать, и ученые смогут манипулировать генами невероятно изящно и ловко.

Берг осознавал значение рождающейся технологии. Гены можно будет объединять, создавая новые комбинации или комбинации комбинаций; их можно будет перекраивать, изменять действием мутагенов и тасовать между организмами. Ген лягушки, к примеру, можно вставить в геном вируса и таким образом ввести его в клетку человека. Человеческий ген можно передать бактериальной клетке. Если развить технологию до крайности, гены станут бесконечно податливыми: мы сможем создавать новые мутации или стирать старые; не исключено, что мы покусимся даже на наследственность – научимся отмывать ее метки, вычищать их, изменять на собственное усмотрение. Берг вспоминал относительно своих генетических химер, что «ни одна из отдельных процедур и манипуляций[613], ни один из реагентов, использованных для создания рекомбинантной ДНК, не были новыми; новизна заключалась в особой схеме их комбинирования». Воистину решающим прорывом стало нарезание и сшивание идей – перегруппировка и сплавление знаний и методик, уже почти десятилетие существовавших в области генетики.

Зимой 1970 года Берг и Дэвид Джексон[614], выполнявший постдокторантское исследование в лаборатории Берга, предприняли первые попытки разрезать и соединить два кусочка ДНК. Это были утомительнейшие эксперименты – «кошмар биохимика», по словам Берга. Необходимо было очистить ДНК, смешать ее с тем или иным ферментом, еще раз очистить в охлажденных колонках, а затем повторять процесс до тех пор, пока каждая реакция не пройдет безупречно. Проблема заключалась в том, что работа режущих ферментов – рестриктаз, если кратко – не была оптимизирована, и эффективность реакции оказывалась мизерной. Лоббан, занятый конструированием собственных генных гибридов, тем не менее продолжал снабжать Джексона важными техническими идеями. Он придумал способ добавлять на концы сшиваемых молекул маленькие фрагменты ДНК, чтобы получались как бы две части застежки, смыкающиеся по принципу комплементарности. Эти «липкие концы» значительно повышали эффективность формирования генетических гибридов.

Несмотря на мучительные технические препятствия, Берг и Джексон сумели соединить целый геном SV40 с фрагментом ДНК бактериального вируса лямбда (бактериофага λ) и тремя генами бактерии E. coli.

По тем временам это было выдающееся достижение. Хотя и фаг λ, и SV40 – вирусы, они отличаются друг от друга так, как, скажем, конь и морской конек: SV40 проникает в клетки приматов, а λ заражает исключительно бактерий. Ну а E. coli – это и вовсе другая «зверюшка» – бактерия из человеческого кишечника. В итоге вышла странная химера: в единую молекулу ДНК были сшиты гены с далеких ветвей эволюционного древа.

Берг назвал гибрид рекомбинантной ДНК. Этот осмотрительно выбранный термин отсылал к естественному феномену рекомбинации – к образованию гибридных генов в ходе полового размножения. В природе генетическая информация нередко перемешивается между хромосомами для повышения разнообразия. Участок ДНК мужской хромосомы меняется местами с аналогичным участком женской, образуя «отцовско-материнский» генный гибрид – Морган назвал этот феномен кроссинговером, то есть пересечением. Берг, создавая свои гибриды с помощью тех же инструментов, которые в естественных условиях разрезают, соединяют и чинят гены, расширил принцип кроссинговера, вывел его за рамки размножения. Он получал такие же гибриды, но из генетического материала разных организмов, смешивая его в пробирке. Рекомбинация без репродукции: Берг пересек границу, за которой простирался новый биологический космос.

Рисунок взят из бумаг Пола Берга, посвященных рекомбинантной ДНК. Научившись объединять гены любых организмов, ученые смогут конструировать генетическую информацию по собственному желанию и откроют эру генотерапии и геномной инженерии человека.

* «ДНК из организма 2» – это плазмида (способная к репликации и поддержанию в клетке молекула ДНК, чаще кольцевая), которая содержит генетический материал из двух источников: область фага λ, обеспечивающую его и этой плазмиды репликацию, и полный галактозный оперон E. coli. Иными словами, это «ДНК из геномов 2 и 3», полученная заранее по тому же принципу, что показан на схеме.

Той зимой к команде Берга решила присоединиться аспирантка Джанет Мерц. Она не стеснялась высказывать собственное мнение, была упорной и «чертовски умной», как описывал ее Берг. Мерц представляла собой аномалию в мире биохимиков: она была одной из двух женщин, связавших свою жизнь со стэнфордской кафедрой биохимии за 10 лет ее существования. Как и Лоббан, Мерц пришла в Стэнфорд из МТИ, где обучалась инженерии и биологии. Ее заинтересовали эксперименты Джексона, и она увлеклась идеей создания химер из генов разных организмов.

Но что, если «вывернуть» экспериментальную цель Джексона? Он внедрял генетический материал бактерии в геном SV40. А что, если Мерц сконструирует гибрид с генами SV40 в геноме E. coli, то есть не вирус будет нести бактериальные гены, а наоборот?

Эта инверсия логики – или, скорее, инверсия объектов – давала значительные технологические преимущества. Как и во многих бактериях, в E. coli помимо хромосомы содержатся крошечные дополнительные молекулы ДНК, или плазмиды. Как и геном SV40, плазмиды – кольцевые структуры, ДНК-ожерелья, которые «живут» и размножаются копированием внутри бактерии. По мере увеличения бактериальной биомассы умножается и количество плазмид. Мерц поняла, что если бы ей удалось поместить гены SV40 в плазмиду E. coli, то можно было бы использовать бактерию как фабрику по наработке новых генных гибридов. Бактерия будет расти и делиться, и число плазмид с чужеродным геном многократно возрастет. Копии копий модифицированных молекул ДНК, нагруженных чужими генами, бактерия будет создавать сама. В конце концов образуются миллионы реплик фрагмента ДНК – клоны[615].

В июне 1971-го Мерц отправилась из Стэнфорда[616] в Колд-Спринг-Харбор, штат Нью-Йорк, на обучающие курсы, посвященные животным клеткам и вирусам. В рамках программы студенты должны были представить исследовательский проект, который они хотели бы осуществить в будущем. В