Расшифрованная жизнь. Мой геном, моя жизнь - Крейг Вентер

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 бо́льшим 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.