Текст книги "Редактируя человечество: Революция CRISPR и новая эра изменения генома"

Все изменилось, когда Danisco приобрела Rhodia, в результате чего датская компания по производству пищевых ингредиентов заняла второе место на рынке заквасочных культур, уступив лишь другой датской компании, Chrysanthum. В 2004 г. каждая вторая буханка хлеба и треть продукции мороженого содержали ингредиенты Danisco, такие как красители, загустители и эмульгаторы. Хорват начал получать хорошие деньги и почувствовал себя так, словно заново родился. В декабре того же года он наконец смог купить секвенатор. «Что же мы сделали? Секвенирование CRISPR! Чем больше мы секвенировали, тем очевиднее становилось все для нас!»

Хорват был на пороге важного открытия в краткой истории CRISPR. Однако оно было сделано его новым коллегой, французским эмигрантом из Висконсина – «сырного» штата.

«Раньше я был французом»[111]111
  K. Davies and R. Barrangou, «MasterChef at Work: An Interview with Rodolphe Barrangou,» The CRISPR Journal 1, 219–222 (2018), https://www.liebertpub.com/doi/10.1089/crispr.2018.29015.int.


[Закрыть], – говорит Родольф Баррангу, профессор кафедры пищевых продуктов, биотехнологий и услуг в сфере питания в Государственном университете Северной Каролины. Наш разговор проходит в эффектной обстановке университетской библиотеки им. Ханта XXI в., как будто из мультсериала «Джетсоны» (The Jetsons). Самоуверенность Баррангу граничит с хвастовством, и это впечатление усиливается его склонностью носить ковбойские сапоги, чтобы уменьшить нагрузку на спину после серьезной баскетбольной травмы. Еще со времен аспирантуры он водит скромный автомобиль Honda Accord, украшенный сделанным на заказ номерным знаком с надписью CRISPR.

Баррангу родился в Париже, но, переехав в Северную Каролину для получения научной степени, он влюбился в этот штат. Учебу в аспирантуре, которую финансировала Danisco, Баррангу совмещал с разработкой пробиотиков нового поколения и заквасок для ферментации молока («Немного в духе Пастера», – говорит он несколько манерно). Его первые публикации были посвящены бактериям и соответствующим вирусам, участвующим в ферментации квашеной капусты, а также повторам SPIDR.

В феврале 2005 г. Баррангу с женой переехали на своей «хонде» в Мэдисон, штат Висконсин, где Родольф присоединился к Danisco. Статьи, опубликованные в том же году Мохикой и другими учеными, стали первыми сигналами о прямой связи между элементами CRISPR и вирусами. Баррангу начал описывать геномы заквасочных культур, сверяясь с данными Хорвата. Он использовал повторы CRISPR для идентификации бактерий S. thermophilus (ключевого ингредиента в производстве йогуртов), оперируя «этими своеобразными локусами, чтобы определить штаммы и их происхождение». Чем больше они секвенировали, сравнивая новые штаммы со старыми культурами, взятыми из морозильной камеры Хорвата в Данже-Сен-Роман, тем более очевидным становилось то, что повторы CRISPR могут увеличиваться и изменяться.

Эту связь подтвердили три эксперимента. Сначала Баррангу задался вопросом, что происходит со штаммом бактерий, когда он подвергается воздействию вируса. «Мы видели, что [бактериальная] иммунная система активируется, она собирает новые фрагменты ДНК из вирусного генома и внедряет их в локус CRISPR в определенном порядке», – говорит он. Это решительно подтвердило идею о связи между последовательностью спейсера и устойчивостью к фагам.

Баррангу руководил и вторым экспериментом, поскольку его лаборатория в Висконсине была единственной в Danisco, где было разрешено проводить работы по генной инженерии. Хорват сравнивал два бактериальных штамма: DGCC7710 и дочерний (мутантный) штамм под названием 7778, который возник после воздействия на бактерии фагами в 1990 г. «Внезапно черный ящик открылся!» – восклицает Хорват. В устойчивом дочернем штамме Баррангу обнаружил два дополнительных спейсера в области CRISPR. «У нас была последовательность фага, используемого в 1990 г.: в нем присутствовали спейсеры 1 и 2. И что же мы сделали? Мы запланировали эксперимент, чтобы доказать, что этого достаточно для формирования устойчивости». Удаление обоих спейсеров из генома дочернего штамма привело к утрате резистентности. «Добавьте два спейсера в родительский штамм, и он без проблем станет устойчивым. Бинго!»

По вполне понятным причинам Баррангу называет этот эксперимент своим самым любимым. «Когда вы производите обмен иммунными системами между двумя штаммами, вы меняете их устойчивость на некоторую чувствительность к вирусам. По сути, это было доказательством того, что существует прямая связь между генотипом CRISPR и антивирусным фенотипом».

Третий эксперимент, признает Баррангу, отчасти был случайным. К мотивам CRISPR примыкают гены, связанные с CRISPR, или гены Cas, которые кодируют нуклеазы, расщепляющие вирусную ДНК. Инактивация двух крупнейших генов Cas оказала серьезное влияние на работу системы CRISPR: отключение Cas9 уничтожило потенциал иммунного ответа, в то время как инактивация другого гена, Csn2, не оказала на него никакого влияния, но лишила массив CRISPR способности приобретать новые спейсеры. «В таких случаях иногда просто везет, не так ли»

Приоритетом для Danisco было не столько опубликовать результаты исследования в солидном научном журнале, сколько запатентовать открытие CRISPR. Подача первоначальной заявки на патент 26 августа 2005 г. дала компании один год на то, чтобы предоставить дополнительные примеры, подтверждающие открытие. Группе Хорвата пришлось делать это тихо и надеяться, что их не обойдут конкуренты. Среди изобретателей были указаны Хорват, Баррангу, их руководители Кристоф Фремо и Деннис Ромеро, а также Патрик Буаяваль (начальник Фремо и Ромеро). Так как время поджимало, Хорват и Фремо обратились к канадскому вирусологу Сильвену Муано, который тоже был экспертом по S. thermophilus. Вначале Муано был настроен скептически, пока не воспроизвел результаты команды Danisco в своей лаборатории. Одна из постдоков Муано, Элен Дево, однажды пришла к нему в кабинет и сказала: «Вы не поверите в это». Анализ ДНК показал, что массив CRISPR увеличился в размере во время того, как бактерия, которую она изучала, выработала устойчивость к фагам. «С этого момента началась совершенно другая история», – говорит Муано[112]112
  K. Davies and S. Moineau, «The Phage Whisperer: An Interview with Sylvain Moineau,» The CRISPR Journal 1, (2018): 363–366, https://www.liebertpub.com/doi/10.1089/crispr.2018.29037.kda.


[Закрыть].

Патент был получен в августе 2006 г., и это означало, что теперь результаты стали общедоступными. Глава отдела разработок, Иган Бек Хансен, имел научную степень в области биологии фагов, поэтому он понимал значение открытия и согласился с Хорватом, что пришло время для публикации данных. Хорват обычно предпочитал работать со специализированными журналами по микробиологии, но Баррангу смело предложил попробовать Science. Его коллеги посмеялись над этой идеей, но Баррангу настоял на своем. Кроме того, если статью отклонят, они потеряют всего несколько недель и смогут подать статью повторно в другой журнал.

Хотя первым автором был указан Хорват, Баррангу написал большую часть рукописи. «У него хорошо получается нарисовать общую картину, а я лучше разбираюсь в деталях», – отметил Хорват. Ученые отправили свою рукопись в Science в октябре 2006 г., но ее отклонили. Тема CRISPR не была еще так популярна, как сейчас. Один из трех рецензентов высказал неодобрение, что не были получены результаты на таких классических модельных бактериях, как E. coli или Bacillus subtilus. Тем не менее Кэролайн Эш, редактор, курирующий статью, сказала Хорвату, что он может подать рукопись повторно, если в нее будут добавлены некоторые данные. Баррангу и Хорват принялись за эксперименты по нарушению работы большего числа генов Cas, чтобы показать их участие в формировании резистентности к фагам, и произвели больше нечувствительных к бактериофагам мутантов и последовательностей спейсеров. Эш приняла исправленную версию статьи, которая была опубликована в марте 2007 г. – к 20-летию первого сообщения о таинственных последовательностях, ставших притчей во языцех[113]113
  R. Barrangou et al., «CRISPR Provides Acquired Resistance Against Viruses in Prokaryotes,» Science 315, (2007): 1709–1712, DOI: 10.1126/science.1138140.


[Закрыть].

Команда Danisco экспериментально показала, что биологическая функция CRISPR-Cas систем заключается в обеспечении адаптивного иммунитета бактерий против вирусов. Это было первое появление CRISPR на страницах знаменитого журнала Science. Что еще важнее, предположения Мохики, Верно и Болотина оказались правильными. Победа за йогуртом!

Оглядываясь назад, Хорват считает, что эта статья «знаменует собой небольшую революцию в микробиологии, описание новой иммунной системы, но не ту большую революцию, которая произошла в 2012 г.». Статья сразу же нашла отклик у биохимиков от стран Балтии до Беркли. Хорват и Баррангу начали представлять свои результаты научным кругам. В течение последующих нескольких лет CRISPR приобретал все большее и большее значение. «Мы знали, что это круто, – говорит Баррангу. – Вы можете использовать его для генотипирования, вакцинации и разрезания вирусной ДНК». Однако возникли сложности. «Как только вы говорите про ДНК, в молочной промышленности сразу начинают подозревать манипуляции с ГМО и генную инженерию, – говорит Хорват. – Это деликатная тема».

В мае 2011 г. DuPont приобретает Danisco за $6,3 млрд. Сегодня свойства 100 % всех коммерческих культур, используемых DuPont (и другими компаниями), улучшены с помощью скрининга CRISPR. «Пьете ли вы йогурт, откусываете ли кусочек сыра, добавляете ли что-то в свои начос, пиццу или чизбургер в Пекине или Париже, Лондоне, Нью-Йорке или Буэнос-Айресе, вы употребляете кисломолочный продукт, который был произведен с использованием закваски, улучшенной при помощи CRISPR», – говорит Баррангу. В наши дни наследие открытия Хорвата и Баррангу можно найти в таких продуктах, как CHOOZIT SWIFT 600, одной из самых успешных заквасок компании DuPont, специально созданных для изготовления сыра для пиццы. DuPont продает сотни наборов заквасочных культур, разработанных на основе исследований с использованием библиотеки Хорвата, содержащей около 7000 фагов.

Через год после публикации выдающейся статьи Хорвата спросили, почему на эту работу в Science так часто ссылаются. Он предположил, что CRISPR окажет серьезное влияние на улучшение качества функциональных пищевых ингредиентов и пагубно скажется на популяции бактериальных вирусов[114]114
  Philippe Horvath, «New Hot Papers-2008,» Science Watch, July 2008, http://archive.sciencewatch.com/dr/nhp/2008/pdf/08julnhpHorvath.pdf.


[Закрыть]. На вопрос, имеет ли их работа более широкое значение, Хорват ответил: «С социальными или политическими вопросами наше исследование не связано».

Гениальный создатель йогуртов скоро возьмет свои слова обратно.

Глава 4
«Тельма и Луиза»

Спустя пятнадцать лет после торжественного мероприятия, посвященного расшифровке генома человека, проведенного во главе с президентом Клинтоном в Белом доме в июне 2000 г., Дженнифер Дудна позировала в своей лаборатории в Университете Беркли фотографу из The New York Times. На заднем плане – типичные лабораторные принадлежности: морозильные камеры под столом, пипетки на стене, старая желтая лента со знаком радиоактивной угрозы. Дудна смотрит в сторону, на ней двубортный пиджак в тонкую полоску, в руках она держит чистый белый лабораторный халат (на нем еще видны заутюженные складки).

Это фото напоминает мне классическую обложку Time с Крейгом Вентером в разгар геномных войн. Его лабораторный халат лишь наполовину прикрывал темный деловой костюм, из-за чего он напоминал героя из «Странной истории доктора Джекила и мистера Хайда». Как и в случае с Вентером, имя Дудны в короткие сроки стало ассоциироваться не с преданным своему делу академическим исследователем, работающим в малоизвестной области биохимии, а с мировой знаменитостью, которой приписывают лидерство в революционной области науки о геноме. Вентер был символом биотехнологической революции в секвенировании генома, а Дудна стала лицом революции CRISPR. Именно с ней связывают разработки универсального инструмента молекулярной биологии, позволяющего ученым всего мира редактировать ДНК – от учебного класса и клиники до фермы и фармацевтического предприятия. Задумчивый взгляд Дудны вполне мог выражать этические противоречия, которые витали в воздухе и серьезно ее беспокоили. Последовавшая за этим статья в Times была озаглавлена «Дилемма CRISPR»[115]115
  Jennifer Kahn, «The CRISPR Quandary,» The New York Times Magazine, November 9, 2015, https://www.nytimes.com/2015/11/15/magazine/the-crispr-quandary.html.


[Закрыть].

Я познакомился с Дудной в 1998 г. Она стала восходящей звездой за много лет до того, как заговорили о CRISPR. В то время ей было 35, и она впервые посетила штаб-квартиру Медицинского института Говарда Хьюза (HHMI)[116]116
  Медицинский институт Говарда Хьюза (HHMI) был создан предпринимателем-инвестором, авиатором Говардом Хьюзом как некоммерческое медицинское заведение. Изначально он был не более чем налоговым прикрытием, но сегодня HHMI тратит часть своих пожертвований ($20 млрд), финансируя сотни ученых из областей естественных наук. Дудна работала в нем исследователем более 20 лет и, похоже, проработает еще столько же. Несколько других ведущих ученых в области CRISPR, включая Фэн Чжана и Лучано Марраффини, также работают исследователями в HHMI.


[Закрыть] – двадцать ухоженных акров в Чеви-Чейз в штате Мэриленд, недалеко от Вашингтона, округ Колумбия. На факультете Йельского университета Дудна прошла отбор в рамках строгого общенационального конкурса как одна из наиболее талантливых молодых ученых страны, заслужив право быть новоиспеченным исследователем этой некоммерческой организации.

У Дудны блестящая научная родословная, поскольку она прошла обучение не у одного, а у двух нобелевских лауреатов. При огромной ежегодной финансовой поддержке HHMI в размере около $1 млн (небольшая сумма по тем временам по сравнению с пожертвованием в $10 млрд) Дудна могла удовлетворять свое научное любопытство. Я поздравил ее с назначением на должность за бокалом вина. Она любезно рассказала о своих научных планах. Я с энтузиазмом кивал, надеясь, что мой недостаток знаний по структурной биологии не будет слишком очевиден.

Дудна родилась в Вашингтоне, округ Колумбия, и ей было семь лет, когда ее родители переехали в Хило, расположенный на большом острове Гавайи. Ее отец был профессором английского языка в Гавайском университете в Хило, а мать преподавала историю в местном колледже. Благодаря местным пейзажам Дудна имела возможность наблюдать за многими растениями и животными и размышлять об их эволюции. Когда ей было около двенадцати, отец оставил на ее кровати книгу – растрепанный экземпляр «Двойной спирали» в мягкой обложке, захватывающую историю Джеймса Уотсона об открытии структуры ДНК. Вначале она не обратила на нее внимания, решив, что это детективный роман, чем в некотором смысле книга и была.

«Двойная спираль» остается удивительной историей научных амбиций и ожесточенного соперничества. Уотсон подвергся широкой критике за сексистскую манеру, в которой он изобразил Розалинд Франклин. Именно неопубликованное рентгеновское изображение спирали ДНК – фотография 51 – вдохновило Крика и Уотсона на создание их классической модели. Уотсон буквально собрал воедино последние части трехмерной головоломки, показав, как четыре основания ДНК подходят друг к другу: аденин (А) всегда соединяется с тимином (Т), а цитозин (Ц) образует пару с гуанином (Г). Статья была опубликована в Nature, 800 слов из чистого золота, «глубоких, как сонет», по выражению Колина Таджа[117]117
  Colin Tudge, The Engineer in the Garden (New York: Hill and Wang, 1994).


[Закрыть]. Франклин умерла в 1958 г., поэтому ей не удалось разделить Нобелевскую премию, которая была присуждена Крику, Уотсону и ее бывшему коллеге, Морису Уилкинсу, в 1962 г.

«Двойная спираль» захватила воображение Дудны, как и многих других молодых ученых. В ней описывалось, как биологи смогли разгадать секрет жизни, исследуя атомную структуру биомолекул, таких как ДНК. Вне школы Дудна переживала отчуждение и остракизм. Она входила в меньшинство, которое местные жители называли хаоле (уничижительный термин для представителей некоренного населения). Она нашла прибежище в библиотеке и лаборатории, с удовольствием наматывая полупрозрачные волокна ДНК на стеклянный стержень. Друг семьи Дон Хеммес позволил Дудне провести лето в его лаборатории в Гавайском университете, где она играла с электронным микроскопом, изучая червей и грибы. Когда учитель-методист в ее школе объявил, что «девочки не занимаются наукой», это только укрепило решимость Дудны.

Дудна окончила химический факультет колледжа Помона в Калифорнии и подумывала даже перейти на изучение французского языка, эту идею поддерживала ее наставница и советник бакалавриата Шэрон Панасенко[118]118
  Melissa Marino, «Biography of Jennifer A. Doudna,» Proceedings of the National Academy of Sciences 101, (2004): 16987–16989, https://www.pnas.org/content/101/49/16987.


[Закрыть]. Она переехала в Бостон в 1985 г., чтобы защитить диссертацию в Гарвардской медицинской школе, работая с Джеком Шостаком, блестящим биохимиком в области РНК, впоследствии получившим Нобелевскую премию. В 1989 г. в соавторстве с ним она опубликовала большую статью об удивительной ферментативной функции некоторых молекул РНК. Дудна увлеклась РНК не потому, что это было модно, а потому, что хотела узнать больше об универсальности и функциональности рибонуклеиновой кислоты.

В центральной догме молекулярной биологии, впервые сформулированной Фрэнсисом Криком (ДНК >>> РНК >>> белок), ученые иногда не обращали внимания на РНК. Она считалась одноразовой копией генома, лишенной величественной симметрии двойной спирали или изысканной трехмерной сложности и разнообразия белков, которые выполняют важнейшие функции жизни. В 1960 г. Крик и Сидни Бреннер установили, что существует информационная, или матричная, РНК (мРНК), факсимиле ДНК, передающая только что скопированные инструкции из книги жизни за пределы клеточного ядра к фабрикам по производству белков – рибосомам.

Пока Дудна изучала РНК, она была прекрасно осведомлена об ученых, которые открывали новые горизонты в других областях генетики. Одним из них был Джим Гузелла, который хотел помочь пациентам с неизлечимой болезнью Хантингтона. Подобно игроку в дартс, попавшему дротиком в яблочко, Гузелла случайно определил местоположение гена этого заболевания на 4-й хромосоме во время одного из своих первых экспериментов в 1983 г. Однако члены его команды были обречены на десять лет тяжелого труда, прежде чем им удалось определить сам ген.

Следующий шаг Дудны состоял в том, чтобы присоединиться к другому нобелевскому лауреату. Она провела три года в Колорадо, работая над ферментативными свойствами РНК вместе с Томасом Чеком, получившим Нобелевскую премию в 1989 г. «Я думаю, Дженнифер была причастна к этим двум открытиям [за которые ученые получили Нобелевские премии]», – говорит ее коллега Барбара Майер, хотя для этого Дудне понадобилось бы уметь путешествовать во времени. Дудна открыла собственную лабораторию в Йельском университете и сразу же произвела впечатление. Вик Майер, ведущий специалист по редактированию генов, вспоминает: «Она была умной, энергичной, проницательной, всегда задавала правильные вопросы. По сути, ею движет наука, она увлечена наукой, а кроме того, она прекрасный человек»[119]119
  Vic Myer, Keystone symposium, Banff, Canada, February 9, 2020.


[Закрыть].

В 2002 г. Дудна перевезла свою лабораторию через всю страну из Йеля в Беркли, штат Калифорния, чтобы быть ближе к дому, семье и главному источнику синхротронов для ее исследований по структурной биологии. Ее муж, Джейми Кейт, с которым она познакомилась в лаборатории Чека, по соседству основал свою собственную лабораторию. В то время главный вопрос научного сообщества заключался в гипотезе мира РНК – идее о том, что жизнь на Земле зародилась в форме молекулы РНК.

Джилл Бэнфилд, микробиолог из Университета Беркли, занимается описанием новых видов бактерий и архей, расширяя наше представление об эволюционном древе жизни. Подобно археологу, ищущему редкие живые микроорганизмы, она путешествует по всему миру и исследует самые разные среды обитания, некоторые из которых особенно экзотичны: соленые озера в ее родной Австралии, шахты в Колорадо, гейзеры в Йеллоустонском национальном парке и даже простые скважины с грунтовыми водами. Команда Бэнфилд описала буквально сотни новых видов микроорганизмов из этих мест с экстремальными условиями – победителей в своего рода реалити-шоу «Последний герой», которое длится уже миллиард лет.

В 2006 г. Бэнфилд оказалась в тупике. По ее мнению, образцы одного и того же вида микроорганизмов, собранные в одном месте, должны были иметь идентичные последовательности, но, к ее удивлению, не было даже двух образцов ДНК с одинаковой последовательностью. «Это меня потрясло», – вспоминает она. Она наткнулась на информацию о развитии исследований CRISPR. Последние новости на эту тему были опубликованы в статье Киры Макаровой и Евгения Кунина из Национального института здравоохранения США, которая содержала редкое для науки явление – признание ошибки. Ранее пара предположила, что функция генов, связанных с CRISPR, заключалась в репарации ДНК. Они ошибались. Отказавшись от этой гипотезы, они допустили, что CRISPR – это генетическая система защиты, которая нацеливается на вирусы с помощью механизма РНК-интерференции (RNAi). Это явление принесет его первооткрывателям, Энди Файру и Крейгу Мелло из Массачусетского университета, в этом же году Нобелевскую премию[120]120
  K. Makarova et al., «A putative RNA-interference-based immune system in prokaryotes: computational analysis of the predicted enzymatic machinery, functional analogies with eukaryotic RNAi, and hypothetical mechanisms of action,» Biology Direct 1, (2006): 7, https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC1462988/.


[Закрыть].

Бэнфилд ввела запросы «RNAi» и «UC Berkeley» (Калифорнийский университет в Беркли) в поисковую систему. Первым высветилось имя Дудны. Бэнфилд решила позвонить коллеге. «Вы проводите исследования, которые, мне кажется, могут быть очень интересными, поскольку я в своей работе кое с чем столкнулась», – сообщила она[121]121
  Jennifer Doudna, «Jennifer Doudna on the future of gene editing,» Berkeley News, April 10, 2019, https://news.berkeley.edu/2019/04/10/berkeley-talks-transcript-jennifer-doudna-future-of-gene-editing/.


[Закрыть]. И она же познакомила Дудну с новым научным жаргоном – CRISPR. Теперь настал черед Дудны искать в Google информацию о Бэнфилд. Несколько дней спустя геомикробиолог и биохимик РНК встретились в кафе Free Speech Movement, популярном месте встреч в самом сердце кампуса Университета Беркли. Сидя за столиком на веранде, Бэнфилд взволнованно рассказала Дудне о своей работе по секвенированию бактериальных геномов и о кластерах странных палиндромных повторов, содержащихся в некоторых из недавно открытых ею организмов.

Бэнфилд достала блокнот и набросала кольцевой геном бактерий, а затем, увеличив участок ДНК, нарисовала ряд символов.

Световой строй. Во время своей первой встречи с Дудной Джилл Бэнфилд сделала схематичный набросок фрагмента CRISPR, показывающий чередующуюся последовательность повторов (ромбы) и спейсеров (квадраты), полученную из вирусной ДНК

Это были выстроившиеся в шеренгу из CRISPR идентичные мотивы длиной около 30 оснований, перемежавшиеся с другими последовательностями (Бэнфилд нарисовала их в виде квадратов и пронумеровала), которые, очевидно, не имели ничего общего друг с другом. Бэнфилд знала, что спейсеры произошли от вирусов и что они эволюционировали быстрее, чем другие части бактериального генома. И тогда она предположила, что CRISPR – это система противовирусной защиты, включающей РНК-интерференцию. В лице Дудны, одного из мировых экспертов по структуре и функциям РНК, она нашла идеального союзника.

Опыт Бэнфилд в каталогизации огромного разнообразия микроорганизмов – «груз эволюционной истории», как она его называет, – обещает открыть множество новых инструментов для CRISPR. В 2013 г. Ким Сид с коллегами из Университета Тафтса сделали удивительное открытие: фаг, который выкрал повторы CRISPR у бактерии – подобно заложнику, схватившему оружие нападавшего, атаковал ими клетку-хозяина[122]122
  K. D. Seed et al., «A bacteriophage encodes its own CRISPR/Cas adaptive response to evade host innate immunity,» Nature 494, (2013): 489–491, https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3587790/.


[Закрыть]. Команда Бэнфилд тоже обнаружила сходное явление у так называемых гигантских фагов – вирусов с огромными геномами, превосходящими по размеру некоторые бактерии, стирающие границы между жизнью и смертью, которые скрываются в микробиоме кишечника жителей Бангладеш, не придерживающихся западной диеты. Механизм CRISPR не только помогает вирусам обходить бактериальные системы защиты, но также может препятствовать действию конкурирующих вирусов[123]123
  B. Al-Shayeb et al., «Clades of huge phages from across Earth's ecosystems,» Nature 578, (2013): 425–431, https://www.nature.com/articles/s41586–020–2007–4.


[Закрыть].

Прошло несколько лет, прежде чем две женщины, возглавлявшие большие группы с разными научными интересами в разных областях знаний, смогли подготовить совместную статью, но Бэнфилд задела Дудну за живое. Оглядываясь назад на свою ключевую роль в драме CRISPR, Бэнфилд, одна из самых выдающихся микробиологов в мире, лишь смеется. «На моем надгробии напишут вот что: "Рассказала Дженнифер Дудне о CRISPR-Cas". Вот это и будет итог моей жизни!»[124]124
  Jill Banfield, in Human Nature, 2019, https://wondercollaborative.org/human-nature-documentary-film/.


[Закрыть]

В начале 2007 г. к лаборатории Дудны присоединились два новых научных сотрудника. Блейк Виденхефт познакомил коллег с CRISPR, а Мартин Джинек обеспечил преемственность в лаборатории.

Джинек родился в Тршинце, городе на границе Чехии и Польши. В ста милях к западу находится Брно, родина генетики. Удивительно, но Джинек посетил монастырь Грегора Менделя лишь несколько лет назад, когда его пригласили в этот город прочитать лекцию. В 16 лет Джинек выиграл стипендию для учебы в частной школе-интернате в Англии. После этого он провел четыре года, изучая химию в Кембриджском университете, но всегда имел склонность к биологии, особенно к изучению РНК, в немалой степени благодаря череде успехов Дудны с Шостаком и Чеком. «Это такая универсальная молекула, – сказал он мне. – Она может быть катализатором, складываться в трехмерные структуры, а еще она носитель информации. Она универсальный игрок».

После получения кандидатской степени в Германии Джинек захотел изучать РНК-интерференцию. Лаборатория Дудны недавно опубликовала данные о структуре важного фермента, рибонуклеазы, под названием «дайсер». Дудна назвала его «молекулярной линейкой», которая измеряет последовательность РНК, прежде чем разрезать ее на участки определенной длины. Процесс РНК-интерференции вызывал огромный интерес с точки зрения биотехнологий и лег в основу создания новых компаний, таких как Alnylam Pharmaceuticals и Moderna. Джинек приехал в Беркли незадолго до выхода в журнале Science статьи Баррангу и его соавторов, которая привлекла к CRISPR всеобщее внимание. Группа Дудны обсудила эту публикацию на заседании журнального клуба. «Все были в восторге, – вспоминает Джинек. – Мы решили, что это будет механизм, управляемый РНК, подобно РНК-интерференции. Между ними будет выявлена какая-то связь».

Спустя некоторое время Виденхефт, молодой ученый из Монтаны, приехал к Дудне на собеседование и обсудил с ней возможность изучения CRISPR у нее в лаборатории. «Мы были готовы к этому, спасибо журнальному клубу и, конечно же, самой Дженнифер», – сказал Джинек. Парень из Монтаны получил работу и провел первые эксперименты с CRISPR в лаборатории Дудны. Виденхефта интересовали механизмы фагов, с помощью которых они заражают бактерии, и, наоборот, то, как бактерии борются с фаговой инфекцией. Подобно Бэнфилд, он занимался сбором образцов микроорганизмов в Йеллоустоуне и других местах с экстремальными условиями. «Если бы Блейк не был в окопах, я не уверен, что лаборатория Дудны смогла бы сделать такой рывок в этом направлении», – заметил Росс Уилсон, присоединившийся к их группе два года спустя[125]125
  Ross Wilson, interview, San Francisco, March 13, 2019.


[Закрыть].

Джинек сам не работал с CRISPR, но регулярно обсуждал эти вопросы с Виденхефтом. Первым делом чешский коллега помог ему узнать больше о кристаллических структурах белка, чтобы он мог впервые взглянуть на фермент, разрезающий ДНК, под названием Cas1, данные о котором были опубликованы в 2009 г.[126]126
  B. Wiedenheft et al., «Structural basis for DNase activity of a conserved protein implicated in CRISPR-mediated genome defense,» Structure 17, (2009): 904–912, https://doi.org/10.1016/j.str.2009.03.019.


[Закрыть] Иногда во второй половине дня мужчины делали перерыв в работе и уезжали кататься на велосипедах по холмам Беркли. Уилсон качает головой, вспоминая, как эта вспотевшая парочка возвращалась в лабораторию в шортах из спандекса.

Интерес Дудны к CRISPR стремительно рос, но в 2009 г. ее отвлекло заманчивое предложение от одной из самых известных фигур в биотехнологии. Она признает, что переживала небольшой кризис среднего возраста и искала новую научную задачу. «Неужели я подойду к концу своей карьеры с ощущением, что сделала несколько крутых вещей, повеселилась, опубликовала несколько статей, которыми мы гордимся, но при этом испытываю сомнение в том, что я действительно решила какие-то проблемы?» – заявила она журналистке Лизе Джарвис[127]127
  Lisa Jarvis, «A day in the life of Jennifer Doudna,» Chemical & Engineering News, March 8, 2020, https://cen.acs.org/biological-chemistry/gene-editing/A-day-with-Jennifer-Doudna-Trying-to-keep-up-with-one-of-the-world-most-sought-after-scientists/98/i9.


[Закрыть].

Предложение поступило от Ричарда Шеллера, бывшего коллеги Дудны по Медицинскому институту Говарда Хьюза, который позже возглавил отдел исследований и разработок в Genentech, одной из самых успешных и крутых биотехнологических компаний в мире[128]128
  Press release, «Genentech announces vice president appointment in research,» January 21, 2009, https://www.gene.com/media/press-releases/11787/2009–01–21/genentech-announces-vice-president-appoi.


[Закрыть]. У Дудны появилась бы возможность применить свои знания о РНК для поиска новых лекарств и методов лечения. О ее назначении новым вице-президентом отдела научных исследований в Genentech было объявлено в пресс-релизе, а смену адреса она указала в совместной с Джинеком статье, которую они опубликовали в журнале Nature[129]129
  M. Jínek and J. A. Doudna, «A three-dimensional view of the molecular machinery of RNA interference,» Nature 457, (2009): 405–412, https://www.nature.com/articles/nature07755.


[Закрыть]. Она надеялась, что большинство членов ее группы присоединится к ней в южном Сан-Франциско, но работа в бизнесе не привлекала Джинека. Его план Б заключался в том, чтобы вернуться немного назад и все-таки завершить свою диссертацию в лаборатории мужа Дудны.

Однако вскоре Дудна изменила свое мнение. «Я поняла, что именно получается у меня лучше всего и что мне действительно нравится. Все сводилось к творческой науке без границ», – вспоминает она. После двух мучительных месяцев она уволилась и вернулась в Беркли, где вновь стала профессором HHMI. Отказавшись от большинства своих административных обязанностей, она смогла заниматься «безумными творческими проектами», которые, может, и не имели клинического значения, но Дудна считала их крутой наукой. А самым безумным проектом в лаборатории был CRISPR. «Если бы я не совершила вылазку в Genentech, а затем не вернулась обратно в Беркли, я, возможно, не сделала бы ничего в области CRISPR», – признавалась она[130]130
  Katrin Koller, «You should always have something crazy cooking on the back burner,» BaseLaunch, October 17, 2017, https://www.baselaunch.ch/you-should-always-have-something-crazy-cooking-on-the-back-burner-2/.


[Закрыть].

На совместной фотографии сотрудников лаборатории, сделанной в 2010 г., Дудна стоит с командой соратников – Виденхефтом, Джинеком, аспиранткой Рейчел Хаурвиц и давним лаборантом Кайхон Чжоу. У всех участников вид несколько наивных людей, пребывающих в блаженном неведении о том, что их жизнь вскоре сильно изменится. После четырех лет исследований Джинек перестал получать независимое финансирование, но Дудна была рада оставить его при себе. В 2011 г. он начал подыскивать работу преподавателя где-нибудь в Европе, но хотел насладиться последним «ура» и завершить свое приключение в Калифорнии. Джинек решил поближе познакомиться с малоизвестной системой CRISPR II типа. Вскоре Дудна предоставила ему для этого первоклассную возможность.

История CRISPR и Danisco поразила не только членов лаборатории Дудны. 23 мая 2007 г., лишь через два дня после выхода статьи в журнале Science, Хорват получил электронное письмо от Виргиниюса Шикшниса с предложением о сотрудничестве. Для литовского мира открытие новой системы противовирусной защиты CRISPR было почти таким же важным событием, как и распад СССР. В течение многих лет Шикшнис пытался понять, как бактерии защищаются от вирусов. Неожиданно ученые из компании по производству йогурта описали новую бактериальную иммунную систему. Это было началом важного партнерства, которое окажет большое влияние на развитие редактирования генома.

Столицу Литвы Вильнюс нельзя назвать Меккой молекулярной биологии. Когда я впервые приехал туда весной 2017 г., главной культурной достопримечательностью была бывшая штаб-квартира КГБ[131]131
  В здании бывшей штаб-квартиры КГБ в Вильнюсе в 1992 г. был открыт Музей жертв геноцида, переименованный в 2018 г. в Музей оккупации и борьбы за свободу.


[Закрыть]. Центр города представляет собой любопытное сочетание рядов бутиков дизайнерской одежды и узких средневековых улочек старого города, где я съел острый гуляш из мяса бобра и запил его настоящей медовухой.

Вильнюсский институт биотехнологии находится в нескольких километрах от центра города. Химик по образованию, Шикшнис заработал репутацию, изучая трехмерную структуру и свойства бактериальных рестриктаз (в общей сложности их 4000)[132]132
  Я входил в первую волну аспирантов, которые в 1980-х гг. имели возможность просто заказывать эти ферменты по каталогу. Мои предшественники рассказывали страшные истории о том, как они часами проводили время в холодной комнате, выделяя их с нуля.


[Закрыть]. CRISPR предоставлял новые захватывающие возможности для исследований. Однако вначале ему было необходимо перенести систему CRISPR в другую бактерию, а не в S. thermophilus, и на то были серьезные причины. «Так мы не сделаем сыр и йогурт!» – шутил Шикшнис.