Расшифрованная жизнь. Мой геном, моя жизнь - Крейг Вентер

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.

Далее, кислородом, которым мы дышим, мы обязаны изменениям в популяции микроорганизмов, произошедшим более 2 миллиардов лет назад. Эти микроорганизмы были вынуждены избавиться от кислорода, чтобы избежать отравления, и их «кислородные отходы» стали частью атмосферы. Возможно, для борьбы с последствиями сжигания ископаемого топлива почвенные микробы следует «убедить» поглощать побольше углерода. Сообщества микроорганизмов, которые формируют состав легких Земли, можно сконцентрировать в шахтах, глубоких водоносных слоях или в пустынях.

В первую очередь необходимо расшифровать геномы микроорганизмов, растений и тысяч других существ, которые борются с загрязнением окружающей среды, будь то углекислый газ, радионуклиды или тяжелые металлы. Большая часть таких геномов уже секвенирована, в основном, моими методами, а многие из них – моими же сотрудниками. Затем я использовал способ изучения микроорганизмов Саргассова моря для исследования воздуха, которым дышат на Манхэттене жители Нью-Йорка. В настоящее время этот город является испытательным полигоном для моего проекта «Геном воздуха», в котором я надеюсь выявить бактерии, грибы и вирусы, попадающие в наши легкие при каждом вдохе. Секвенирование многих других микроорганизмов продолжается, даже пока я пишу эту книгу. На основе информации, полученной при изучении огромного количества микроорганизмов, я сумею не только изучить новые способы мониторинга качества воздуха и противодействовать биотерроризму, но и узнать, можно ли использовать эти организмы и их «умную химию» для ликвидации последствий загрязнения окружающей среды.

Если говорить о попытках противодействия глобальному потеплению, у нас уже есть длинный список перспективных для изучения организмов. Торфяные болота содержат Methylococcus capsulatus, участвующие в круговороте парникового газа метана. Rhodopseudomonas – это почвенные бактерии, преобразующие углекислый газ в вещества клеток, а газообразный азот в аммиак; они также могут выделять водород. Nitrosomonas europaea и Nostoc punctiforme тоже принимают участие в фиксации азота. Из множества морских микроорганизмов наибольшую роль в трансфере углерода в океанские глубины играют диатомовые водоросли Thalassiosira pseudonana. С помощью всех этих микроорганизмов мы сумеем управлять процессами загрязнения нашей атмосферы.

Но это еще не всё! Давайте пойдем дальше. Возможно ли применить наши сегодняшние знания для проектирования и создания, химическим путем, хромосом новых видов и первых саморазмножающихся искусственных форм жизни – для разработки новых альтернативных источников энергии? Это предложение не может не вызвать беспокойства биофундаменталистов, но является, однако, естественным продолжением тысячелетних усилий человечества по использованию биологических процессов в промышленном производстве. Биотехнология уходит корнями в глубь веков, когда путем сбраживания винограда впервые был получен этиловый спирт, первое биотопливо.

Уже имеются свидетельства, что микроорганизмы могут произвести настоящую революцию в нефтехимической промышленности. DuPont – одна из многих компаний, которые традиционно полагались на недорогую нефть и синтез из нее полимеров, используемых для производства одежды, ковров, различных волокон, канатов и пуленепро биваемых жилетов. Сегодня эта компания находится в авангарде исследований, цель которых – отказ от нефти и использование искусственных бактерий, питающихся углеводами, возобновляемым источником углерода из растений, производящих углеводы из углекислого газа воздуха.

Исследователи компании DuPont, работающие с Genencor в Пало-Альто, уже модифицировали бактерии E. coli для превращения глюкозы в соединение под названием «пропандиол». На заводе в Теннесси используют тонны бактерий для получения из кукурузного сиропа полимера Sorona, применяемого этой компанией в производстве ковров и одежды с грязезащитным покрытием. И это только начало. Что, если бы мы могли создать бактерии для получения различных видов топлива – бутана, пропана и даже октана только из углеводов? А еще лучше, если бы мы создали такие бактерии, которые будут использовать целлюлозу – углеродсодержащий полимер, главную составную часть структуры растений. Такая фантастическая технология совершенно преобразила бы наш мир, ведь ограниченность запасов нефти на Земле приводит к чрезвычайно непропорциональному распределению богатства, что вызывает войны, способствует всеобъемлющему загрязнению природы и приводит к изменению климата, ураганам и засухе.

Идея создать искусственный геном зародилась у меня еще в 1995 году. Впервые в истории секвенировав в TIGR два генома, мы предприняли крупное исследование, чтобы попытаться определить минимальный набор генов, необходимый для жизнедеятельности одной клетки. До создания синтетической хромосомы, содержащей лишь гены, теоретически необходимые для жизни, оставался всего один шаг. Мы надеялись, что понимание самой сути жизни проложит путь к новому уровню управления генетической «архитектурой» организма.

Прежде чем приступить к такому смелому проекту, я поручил провести этическую экспертизу идеи создания генома «с нуля». На это ушло более 18 месяцев. Мы спросили представителей большинства основных религий, что они об этом думают. Хотя наш подход был научно обоснован, он вызвал немало вопросов, начиная от потенциальной технологической опасности (биологического оружия, непредвиденных экологических последствий) до обвинений в попытке подвергнуть сомнению саму концепцию смысла жизни. Однако к моменту завершения этого опроса я уже запустил компанию Celera и начал секвенирование генома человека. Создание искусственного генома пришлось на время отложить.

После ухода из Celera я вернулся к проблеме «сотворения» синтетической жизни с удвоенной силой. Пожалуй, следующей важной вехой в этой истории можно назвать событие, произошедшее после того, как я на своем автомобиле припарковался у ресторана «Овальный зал» на Коннектикут-авеню, 800, в нескольких кварталах от Овального кабинета на Пенсильвания-авеню. Это произошло в пятницу, 3 сентября 2003 года. Меня срочно вызвал на бизнес-ланч Ари Патринос, тот самый Ари, который добился перемирия в «геномной войне». В то время он еще работал в управлении биологии Министерства энергетики. К нам присоединились его босс Раймонд Ли Орбах, директор управления по науке Министерства энергетики, Джон Марбургер III, советник по науке президента и директор управления научно-технической политики, Лоуренс Керр, директор управления по биотерроризму, исследованиям и развитию Совета национальной безопасности, и еще один высокопоставленный чиновник Министерства энергетики. Поразительнее всего было то, что встреча столь высокого уровня была организована всего за два часа до ее начала!

Участники встречи хотели обсудить прорыв в проводимом моим Институтом альтернативных биологических энергоносителей (в 2004 году он вошел в состав Института Вентера) исследовании синтетического генома, финансируемом Министерством энергетики. Целью этого проекта стоимостью 3 миллиона долларов была «разработка синтетической хромосомы», первый шаг к созданию саморазмножающегося организма с полностью искусственным геномом. Накануне я позвонил Ари и сообщил, что наша команда, а именно Хэм Смит и Клайд Хатчисон, совершили огромный скачок, приблизив возможность синтезирования ДНК небольшого генома. Это было важным этапом в нашем проекте по созданию синтетических видов живого. Мы синтезировали биологически активный бактериофаг Phi-X174, инфицирующий бактерию E. coli, получив, наконец, результат, которого безуспешно пытались добиться в течение более 5 лет.