Текст книги "Взломавшая код. Дженнифер Даудна, редактирование генома и будущее человечества"

В тот визит стало понятно, как время углубило отношения Даудны с отцом. Он серьезно относился к науке и всерьез воспринимал свою дочь. Ему нравилось разбираться в деталях, но при этом он любил и наблюдать картину в целом. Даудна вспоминала, как приходила к нему на занятия и видела, с каким воодушевлением он рассказывает о предметах своей страсти. У нее были и не столь счастливые воспоминания о том, как порой она сердилась на него, считая, что он делает скоропалительные выводы о людях, иногда проявляя предвзятость. Связи бывают разными – и в химии, и в жизни. Интеллектуальная связь подчас оказывается самой сильной.

Несколько месяцев спустя Мартин Даудна умер. Дженнифер с матерью, сестрами и друзьями отправились рассеять его прах высоко в долине Вайпио, неподалеку от Хило. Название долины в переводе значит “изогнутая вода”, и на реке, петляющей по буйной растительности, немало прекрасных водопадов. Среди прочих в последний путь отца Даудны провожали Дон Хеммес, профессор биологии и наставник Дженнифер, и ее ближайшая подруга детства Лиза Хинкли Туигг-Смит. “Когда мы рассеяли его прах по ветру, – вспоминает та, – в небе пролетел эндемичный канюк-отшельник, или ио, которого считают птицей богов”[49]49
  Интервью автора с Лизой Туигг-Смит.


[Закрыть].

“Только после его смерти я поняла, как сильно он повлиял на мое решение стать ученым”, – говорит Даудна. Он дал ей очень многое, и одним из его подарков стала любовь к гуманитарным наукам и их взаимосвязи с науками естественными. Потребность в этом становилась ей все очевиднее по мере того, как исследования заводили ее все глубже в сферу, где нужны были не только карты электронной плотности, но и моральные ориентиры. “Думаю, отец был бы счастлив разобраться в CRISPR, – размышляет Даудна. – Он был гуманистом, преподавал гуманитарные науки, но любил и естественные науки. Когда я говорю о влиянии CRISPR на наше общество, в голове у меня звучит голос отца”.

Триумф

Смерть отца совпала по времени с ее первым крупным научным успехом. Даудна и Кейт – вместе с другими коллегами по лаборатории – смогли установить местоположение каждого атома в самосплайсирующейся молекуле РНК. В частности, они показали, как структура ключевой области молекулы позволяет РНК складывать спирали в трехмерную форму. Скопление ионов металла в этой области формировало ядро, вокруг которого выстраивалась структура молекулы. Если двойная спиральная структура ДНК показала, как молекула хранит и переносит генетическую информацию, то структура, открытая Даудной и ее командой, объяснила, как РНК может выступать в качестве фермента, а также разрезать, сплайсировать и воспроизводить саму себя[50]50
  Jamie Cate… Thomas Cech, Jennifer Doudna, et al. “Crystal Structure of a Group I Ribozyme Domain: Principles of RNA Packing” // Science, 20 сентября 1996 г. О первом значительном шаге в исследовании Боулдера см. в работе: Jennifer Doudna and Thomas Cech. “Self-Assembly of a Group I Intron Active Site from Its Component Tertiary Structural Domains” // RNA, март 1995 г.


[Закрыть].

Когда их статью опубликовали, Йель разослал пресс-релиз, который привлек внимание местного нью-хейвенского телеканала. Ведущий попытался объяснить, что такое рибозим, а затем сказал, что он долгое время оставался загадкой для ученых, поскольку они не могли разглядеть его форму. “Но теперь команда под руководством исследовательницы из Йеля Дженнифер Даудны наконец смогла получить снимок молекулы”, – заявил ведущий. В сюжете молодая темноволосая Даудна сидела в лаборатории и показывала нечеткое изображение на экране компьютера. “Мы надеемся, что наше открытие поможет понять, как модифицировать рибозим, чтобы он исправлял дефективные гены”, – сказала она. Это было судьбоносное заявление, но тогда она об этом еще не думала. Так было положено начало проекту по созданию инструмента для редактирования генов на основе данных фундаментальной науки об РНК.

В другом, более основательном телевизионном репортаже, подготовленном новостной программой о науке, Даудна в белом халате с помощью пипетки поместила раствор в пробирку. “Уже пятнадцать лет известно, что молекулы РНК в клетках могут вести себя на манер белков, но никто не понимал, как такое возможно, поскольку никто не знал, как выглядят молекулы РНК, – пояснила она. – Теперь мы понимаем, как молекула РНК складывается в сложную трехмерную структуру”. Когда Даудну спросили, что дает это открытие, она снова указала на направление своей дальнейшей работы: “Возможно, у нас появится способ исцелять или лечить людей, имеющих генетические дефекты”[51]51
  NewsChannel 8 report, “High Tech Shower International”. YouTube, 29 мая 2018 г., https://www.youtube.com/watch?v=FxPFLbfrpNk&feature=share.


[Закрыть].

В последующие два десятилетия многие люди внесли свой вклад в развитие технологий редактирования генов. История Даудны уникальна в том, что к моменту, когда она подошла к редактированию генов, она успела завоевать авторитет и получить признание в лежащей в ее основе фундаментальной науке, открыв структуру РНК.

Глава 8. Беркли

На запад

В статье, которую Даудна с коллегами написали об открытии структуры РНК и которая была опубликована в журнале Science в сентябре 1996 года, ее имя указано последним, а это значит, что Даудна была руководителем проекта и возглавляла лабораторию. Первым идет имя Джейми Кейта, который проводил наиболее важные эксперименты[52]52
  Cate et al. “Crystal Structure of a Group I Ribozyme Domain.”


[Закрыть]. К тому времени Даудна и Кейт стали партнерами не только в науке: у них завязался роман. После того как она оформила развод, они поженились летом 2000 года в отеле “Мелака-Бич”, расположенном на другом конце Большого острова Гавайев относительно Хило. Через два года у них родился их единственный ребенок Эндрю.

Кейт тогда уже занял позицию доцента в Массачусетском технологическом институте (MIT), поэтому они постоянно перемещались между Нью-Хейвеном и Кембриджем. На поезде путь занимает меньше трех часов, но молодоженам и это казалось слишком долгим, поэтому они решили поискать работу в одном городе[53]53
  Интервью автора с Джейми Кейтом и Дженнифер Даудной.


[Закрыть].

Стремясь удержать Даудну, Йель повысил ее в должности. Чтобы решить “задачу о двух телах”, как называют такую ситуацию в академической среде, университет предложил работу и Кейту. Но Том Стейц, специалист по структурной биологии, показавший им техники криогенного охлаждения, уже проводил в Йеле исследования того же типа, которым хотел заняться Кейт, и Кейту казалось, что из-за этого у него не будет шансов раскрыться. “Там работал мой прямой конкурент, – говорит Кейт. – Он отличный парень, но нам было бы сложно работать в одном институте”.

С мужем Джейми Кейтом и сыном Энди на Гавайях, 2003 г.

Гарвард предложил Даудне должность на факультете химии и химической биологии, который рос и расширялся, только что получив новое название. Даудна приехала туда в качестве приглашенного преподавателя, и уже в первый день декан вручил ей письмо с официальным предложением занять постоянную должность. Пока Кейт работал в MIT, вариант казался идеальным. “Я радовалась возможности вернуться в Бостон, ведь мне было там очень хорошо, пока я училась в магистратуре”, – говорит Даудна.

Любопытно представить, как развивалась бы ее карьера, если бы она осталась в Гарварде. Наряду с MIT и совместно управляемым Институтом Брода Гарвард был котлом биотехнологических исследований, особенно в сфере генной инженерии. Десять лет спустя, вступив в конкурентную борьбу за превращение CRISPR в инструмент для редактирования генома, Даудна обнаружила в числе своих соперников разных кембриджских исследователей, включая Джорджа Черча из Гарварда и ученых, которые стали ее главными противниками, Фэна Чжана и Эрика Лэндера из Института Брода.

Но затем ей позвонили из Калифорнийского университета в Беркли. Сначала Даудна хотела ответить отказом на любое предложение, но, когда она сообщила об этом Кейту, тот сильно удивился. “Перезвони им, – сказал он. – Беркли – хорошее место”. Работая постдоком в Санта-Крузе, он часто посещал функционирующую при университете Национальную лабораторию имени Лоуренса, где проводил эксперименты на циклотроне, ускорителе частиц.

Когда они посетили кампус университета, Даудна не почувствовала желания туда переезжать. Кейт, однако, загорелся этой мыслью. “Я скорее западный человек, – говорит он. – Кембридж казался мне слишком чопорным. Мой директор в то время не появлялся на работе без галстука-бабочки. Мне больше хотелось оказаться в Беркли, где чувствовалась энергия”. Даудне понравилось, что Беркли имеет статус публичного университета, и убедить ее оказалось несложно. К лету 2002 года они переехали.

Они выбрали Беркли, отдав должное американской системе государственного финансирования образования. Она восходит ко временам Авраама Линкольна, который в разгар Гражданской войны посчитал государственное образование достаточно важным, чтобы в 1862 году провести закон Моррилла, позволявший использовать средства от продаж федеральных земель на организацию новых сельскохозяйственных и технических колледжей.

В их число вошел Колледж сельскохозяйственных, горных и механических ремесел, основанный в 1866 году неподалеку от Окленда в Калифорнии. Два года спустя он объединился с соседним частным Калифорнийским колледжем, стал Калифорнийским университетом в Беркли и вырос до одного из лучших в мире образовательных и исследовательских институтов. В 1980-х годах Беркли более чем наполовину финансировался штатом. Но впоследствии финансирование Беркли, как и большинства других публичных университетов, было урезано. Когда Даудна поступила на работу, штат обеспечивал лишь 30 % бюджета Беркли. В 2018 году объем финансирования снова сократили, и оно составило всего 14 %. В результате плата за обучение в бакалавриате Беркли в 2020 году составила 14 250 долларов в год, что более чем в три раза выше, чем в 2000 году. С учетом проживания, питания и других расходов на учебу приходится ежегодно тратить примерно 36 264 доллара. Для студентов из других штатов общие затраты составляют около 66 тысяч долларов в год.

РНК-интерференция

Изучение структуры РНК привело Даудну в сферу, которая приобрела неожиданно большую значимость на более поздних этапах ее карьеры: изучение вирусов. В частности, ее интересовало, как РНК некоторых вирусов, например коронавирусов, позволяет им захватывать контроль над механизмами клеток, отвечающими за производство белка. В первый семестр Даудны в Беркли, осенью 2002 года, в Китае возникла вспышка вируса, вызывавшего тяжелый острый респираторный синдром, ТОРС (SARS). Многие вирусы состоят из ДНК, но SARS был коронавирусом и содержал РНК. Вспышка вируса закончилась через полтора года, но за это время вирус успел убить по всему миру почти восемьсот человек. Официально он назывался SARS-CoV. В 2020 году ему присвоили новое имя – SARS-CoV-1.

Даудна также заинтересовалась феноменом, называемым РНК-интерференцией. В обычных условиях гены, закодированные ДНК в клетках, отправляют матричную РНК руководить процессом построения белка. При РНК-интерференции малые молекулы находят способ оказывать влияние на матричные РНК.

РНК-интерференция была открыта в 1990-х годах, и отчасти заслуга принадлежит исследователям, которые пытались сделать пурпурные петунии более яркими, повысив экспрессию гена окраски цветка. Но в результате эксперимента экспрессия некоторых генов, напротив, оказалась снижена, и появились крапчатые и пятнистые петунии. Крейг Мелло и Эндрю Файер предложили термин “РНК-интерференция” в опубликованной в 1998 году статье и впоследствии получили Нобелевскую премию, изучив, как этот феномен работает у крошечных круглых червей[54]54
  Andrew Fire… Craig Mello, et al. “Potent and Specific Genetic Interference by Double-Stranded RNA in Caenorhabditis elegans” // Nature, 19 февраля 1998 г.


[Закрыть].

РНК-интерференция происходит при посредстве фермента Dicer. Он делит длинный фрагмент РНК на короткие части. Эти маленькие фрагменты выполняют миссию “найти и уничтожить”: они обнаруживают молекулу матричной РНК с совпадающими буквами, а затем применяют подобный ножницам фермент, чтобы ее разбить. В итоге генетическая информация, переносимая в этой матричной РНК, оказывается подавленной.

Даудна поставила перед собой задачу изучить молекулярную структуру фермента Dicer. Как и ранее при работе с самосплайсирующимися РНК-интронами, она применяла рентгеновскую кристаллографию, чтобы исследовать все особенности молекулы, и надеялась, что таким образом сумеет понять, как именно она работает. До тех пор исследователи не знали, как Dicer разрезает РНК ровно на такие буквенные последовательности, которые необходимы для подавления экспрессии конкретного гена. Изучая структуру фермента Dicer, Даудна продемонстрировала, что он работает на манер линейки, на одном конце которой находится зажим для захвата длинного фрагмента РНК, а на другом – нож, отрезающий сегменты нужной длины.

Далее Даудна и ее команда показали, как заменять определенный домен фермента Dicer, чтобы создавать инструменты для подавления экспрессии других генов. “Пожалуй, самым удивительным открытием в этом исследовании стало то, что Dicer можно перестраивать”, – отметили ученые в статье, опубликованной в 2004 году[55]55
  Интервью автора с Дженнифер Даудной, Мартином Йинеком и Россом Уилсоном; Ian MacRae, Kaihong Zhou… Jennifer Doudna, et al. “Structural Basis for Double-Stranded RNA Processing by Dicer” // Science, 13 января 2006 г.; Ian MacRae, Kaihong Zhou, and Jennifer Doudna. “Structural Determinants of RNA Recognition and Cleavage by Dicer” // Natural Structural and Molecular Biology, 1 октября 2007 г.; Ross Wilson and Jennifer Doudna. “Molecular Mechanisms of RNA Interference” // Annual Review of Biophysics, 2013; Martin Jinek and Jennifer Doudna. “A Three-Dimensional View of the Molecular Machinery of RNA Interference” // Nature, 22 января 2009 г.


[Закрыть]. Это было очень полезное открытие. Оно позволяло исследователям использовать РНК-интерференцию для отключения широкого диапазона генов, чтобы узнавать, за что ответственен каждый из них, а также регулировать его активность в медицинских целях.

В эпоху коронавирусов РНК-интерференция может играть и еще одну роль. С момента зарождения жизни на нашей планете некоторые организмы (но не человек) в ходе эволюции научились использовать РНК-интерференцию для борьбы с вирусами[56]56
  Bryan Cullen. “Viruses and RNA Interference: Issues and Controversies” // Journal of Virology, ноябрь 2014 г.


[Закрыть]. В опубликованной в 2013 году научной статье Даудна написала, что ученые хотят найти способ использовать РНК-интерференцию для защиты людей от инфекций[57]57
  Ross Wilson and Jennifer Doudna. “Molecular Mechanisms of RNA Interference” // Annual Review of Biophysics, май 2013 г.


[Закрыть]. В двух статьях, вышедших в том году в журнале Science, содержались веские свидетельства в пользу такого ее применения. Тогда высказывалась надежда, что настанет день, когда препараты на основе РНК-интерференции смогут лечить тяжелые вирусные инфекции, в том числе вызываемые новыми коронавирусами[58]58
  Alesia Levanova and Minna Poranen. “RNA Interference as a Prospective Tool for the Control of Human Viral Infections” // Frontiers of Microbiology, 11 сентября 2018 г.; Ruth Williams. “Fighting Viruses with RNAi” // The Scientist, 10 октября 2013 г.; Yang Li… Shou-Wei Ding, et al. “RNA Interference Functions as an Antiviral Immunity Mechanism in Mammals” // Science, 11 октября 2013 г.; Pierre Maillard… Olivier Voinnet, et al. “Antiviral RNA Interference in Mammalian Cells” // Science, 11 октября 2013 г.


[Закрыть].

Статья Даудны об РНК-интерференции вышла в журнале Science в январе 2006 года. Через несколько месяцев в статье, опубликованной в не столь популярном журнале, были описаны различные механизмы борьбы с вирусами, существующие в природе. Эту работу написал малоизвестный испанский исследователь, открывший механизм в таких микроорганизмах, как бактерии, которые ведут борьбу с вирусами гораздо дольше человека, хотя борьба эта порой и принимает более ожесточенные формы. Сначала немногочисленные ученые, исследовавшие эту систему, полагали, что в своей работе она опирается на РНК-интерференцию. Но вскоре они установили, что на самом деле этот феномен еще интереснее.

Часть вторая. CRISPR

Ученый изучает природу не потому, что это полезно; он исследует ее потому, что это доставляет ему наслаждение, а наслаждение это ему дает потому, что природа прекрасна[59]59
  Перевод И. К. Брусиловского.


[Закрыть].

Анри Пуанкаре. Наука и метод. 1908

Глава 9. Сгруппированные повторы

Франсиско Мохика

Когда Ёсидзуми Исино учился в Осакском университете в Японии, в рамках своего диссертационного исследования он должен был секвенировать ген бактерии E. coli. Шел 1986 год, и процесс секвенирования генов был трудоемким, но в конце концов Исино сумел определить 1038 спаренных оснований, из которых состоял нужный ген. В последнем абзаце длинной статьи о гене, опубликованной на следующий год, он отметил странность, которую счел, однако, недостаточно значимой, чтобы упомянуть о ней в аннотации. “Была обнаружена необычная структура, – написал он. – Пять в высокой степени гомологичных последовательностей из 29 нуклеотидов были выстроены прямыми повторами”. Иными словами, он нашел пять сегментов ДНК, идентичных друг другу. Эти повторяющиеся последовательности, в каждой из которых было по двадцать девять спаренных оснований, перемежались обычными нуклеотидными последовательностями, названными “спейсерами”. Исино понятия не имел, что это за сгруппированные повторы. Он завершил свою статью такой строкой: “Биологическое значение этих последовательностей неизвестно”. И не стал погружаться в тему[60]60
  Yoshizumi Ishino… Atsuo Nakata, et al. “Nucleotide Sequence of the iap Gene, Responsible for Alkaline Phosphatase Isozyme Conversion in Escherichia coli” // Journal of Bacteriology, 22 августа 1987 г.; Yoshizumi Ishino et al. “History of CRISPR-Cas from Encounter with a Mysterious Repeated Sequence to Genome Editing Technology” // Journal of Bacteriology, 22 января 2018 г.; Carl Zimmer. “Breakthrough DNA Editor Born of Bacteria” // Quanta, 6 февраля 2015 г.


[Закрыть].

Франсиско Мохика

Первым функцию повторяющихся последовательностей установил Франсиско Мохика, аспирант Университета Аликанте, находящегося на средиземноморском побережье Испании. В 1990 году он приступил к работе над диссертацией об археях, которые, как и бактерии, представляют собой одноклеточные организмы, не имеющие ядер. Археи, которые он изучал, живут в соленых водоемах, где концентрация соли в десять раз выше, чем в океане. Мохика секвенировал области, которые, как он полагал, могли объяснить любовь архей к соли, и заметил четырнадцать идентичных последовательностей ДНК, повторяющихся с регулярными интервалами. Они были палиндромными, то есть читались одинаково в обоих направлениях[61]61
  Интервью автора с Франсиско Мохикой. При подготовке этого раздела также использовались работы Kevin Davies. “Crazy about CRISPR: An Interview with Francisco Mojica” // CRISPR Journal, 1 февраля 2018 г.; Heidi Ledford. “Five Big Mysteries about CRISPR’s Origins” // Nature, 12 января 2017 г.; Clara Rodríguez Fernández, “Interview with Francis Mojica, the Spanish Scientist Who Discovered CRISPR” // Labiotech, 8 апреля 2019 г.; Veronique Greenwood. “The Unbearable Weirdness of CRISPR” // Nautilus, март 2017 г.; Francisco Mojica and Lluis Montoliu. “On the Origin of CRISPR-Cas Technology” // Trends in Microbiology, 8 июля 2016 г.; Kevin Davies. Editing Humanity (Simon & Schuster, 2020).


[Закрыть].

Сначала Мохика решил, что напортачил с секвенированием. “Я подумал, что совершил ошибку, ведь секвенирование тогда было непростым делом”, – со смехом вспоминает он. Но уже к 1992 году, снова и снова замечая в своих данных регулярные повторы, Мохика заинтересовался, не сталкивался ли кто-нибудь с подобным. Еще не существовало ни Google, ни онлайн-баз, поэтому он вручную перебирал упоминания слова “повтор” в печатном каталоге научных статей Current Contents. Поскольку дело было в прошлом веке, когда в интернет выкладывалось лишь малое число публикаций, всякий раз, когда Мохика обнаруживал любопытную статью, ему приходилось идти в библиотеку и искать соответствующий журнал. В конце концов он добрался до статьи Исино.

Бактерия E. coli, которую изучал Исино, сильно отличается от архей Мохико. Было удивительно, что в ДНК обоих организмов присутствовали повторяющиеся последовательности и спейсеры. Отметив это, Мохико пришел к выводу, что исследуемый феномен имеет важное биологическое значение. В статье, опубликованной в 1995 году, Мохика и его научный руководитель назвали такие повторы “тандемными” и сделали предположение – как оказалось, неверное, – что они каким-то образом задействованы в процессе воспроизводства клетки[62]62
  Francesco Mojica… Francisco Rodriguez-Valera, et al. “Long Stretches of Short Tandem Repeats Are Present in the Largest Replicons of the Archaea Haloferax mediterranei and Haloferax volcanii and Could Be Involved in Replicon Partitioning” // Journal of Molecular Microbiology, июль 1995 г.


[Закрыть].

Мохика недолго проработал на позиции постдока в Солт-Лейк-Сити, а затем в Оксфорде, но после этого в 1997 году вернулся в Университет Аликанте, расположенный совсем недалеко от места его рождения, и организовал исследовательскую группу для изучения загадочных повторяющихся последовательностей. Обеспечить финансирование проекта оказалось непросто. “Мне говорили, что не стоит зацикливаться на повторах, потому что в организмах наблюдается множество подобных феноменов и в моем, вероятно, нет ничего особенного”, – вспоминает Мохика.

И все-таки он знал, что у бактерий и архей очень мало генетического материала. Они не могут позволить себе расходовать его на создание последовательностей, не имеющих важной функции. Он пытался определить назначение сгруппированных повторов. Возможно, они помогали формировать структуру ДНК или создавали петли, за которые цеплялись белки? Обе гипотезы также оказались неверными.

Название CRISPR

К тому времени ученые обнаружили повторяющиеся последовательности у двадцати разных видов бактерий и архей, и появилось множество разных названий для их обозначения. Мохике не нравился термин “тандемные повторы”, на котором настоял его научный руководитель. Последовательности располагались с интервалами, а не стояли в тандеме. Он предложил другое название – “короткие повторы, регулярно разделенные промежутками” (short regularly spaced repeats, SRSR). Хотя оно лучше описывало феномен, название не запоминалось, а его аббревиатура была непроизносимой.

Мохика переписывался с Рудом Янсеном из Утрехтского университета в Нидерландах. Янсен изучал такие последовательности в бактериях туберкулеза и называл их “прямыми повторами”, но тоже считал, что нужно придумать им более удачное наименование. Однажды вечером, когда Мохика ехал домой из лаборатории, ему в голову пришло название CRISPR, от clustered regularly interspaced short palindromic repeats (“короткие палиндромные повторы, регулярно расположенные группами”). Хотя запомнить длинную и неуклюжую фразу было практически невозможно, аббревиатура CRISPR оказалась короткой и звучной. Она звучала приятно, а не грозно, и выглядела достаточно футуристично. Приехав домой, Мохика спросил жену, как ей такое название. “Хорошая кличка для собаки, – ответила она. – Криспер, Криспер, ко мне, малыш!” Мохика рассмеялся и решил, что название подойдет.

Двадцать первого ноября 2001 года Янсен похвалил название, отвечая на письмо с предложением, пришедшее от Мохики. “Дорогой Фрэнсис, – написал он, – какая прекрасная аббревиатура – CRISPR! Такое впечатление, что недостаток букв в альтернативных вариантах делает их менее звучными, поэтому я выбираю колкое CRISPR вместо SRSR и SPIDR”[63]63
  Электронное письмо от Руда Янсена Франсиско Мохике, 21.11.2001.


[Закрыть].

Янсен официально ввел название в обиход в статье, опубликованной в апреле 2002 года, где сообщил об открытии генов, предположительно связанных с CRISPR. В большинстве организмов, имеющих CRISPR, повторяющиеся последовательности фланкируются одним из этих генов, кодирующих инструкции для создания фермента. Янсен назвал их ферментами Cas (от CRISPR-associated, “CRISPR-ассоциированный”)[64]64
  Ruud Jansen… Leo Schouls, et al. “Identification of Genes That Are Associated with DNA Repeats in Prokaryotes” // Molecular Biology, 25 апреля 2002 г.


[Закрыть].

Защита от вируса

Когда в 1989 году Мохика начал секвенировать ДНК микробов, которые обожали соль, процесс секвенирования гена был весьма медленным. Но впоследствии в рамках проекта “Геном человека”, который тогда лишь начинал свою работу, были созданы новые высокоскоростные методы секвенирования. К 2003 году, когда Мохика сосредоточился на том, чтобы выяснить, какую роль играли CRISPR, были секвенированы геномы почти двухсот бактерий (а также геномы человека и мыши).

В том августе Мохика проводил отпуск в прибрежном городке Санта-Пола, расположенном примерно в двадцати километрах к югу от Аликанте, в гостях у родителей жены. Такой отдых был ему не по душе. “Я терпеть не могу песок и ненавижу бывать на пляже летом, когда там жарко и полно народу, – говорит он. – Пока моя жена загорала на пляже, я ездил в свою лабораторию в Аликанте. Жена прекрасно проводила время на пляже, а мне было гораздо интереснее анализировать последовательности из бактерий E. coli”[65]65
  Интервью автора с Франсиско Мохикой.


[Закрыть]. Настоящего ученого видно за версту.

Ему не давали покоя “спейсеры” – области обычных на вид последовательностей ДНК, которые разделяли повторяющиеся сегменты CRISPR. Он взял спейсеры E. coli и сравнил их с имеющимися в базах данными. Открылась любопытная вещь: спейсеры совпадали с последовательностями, которые обнаруживались в вирусах, атакующих E. coli. Мохика увидел такую же картину, когда посмотрел на другие бактерии с последовательностями CRISPR: их спейсеры совпадали с последовательностями из вирусов, атакующих эти бактерии. “Вот это да!” – воскликнул он.

Однажды вечером, удостоверившись в своем открытии, он рассказал о нем жене, когда вернулся в дом у моря. “Я только что открыл кое-что удивительное, – сказал он. – У бактерий есть иммунная система. Они запоминают, какие вирусы атаковали их в прошлом”. Его жена рассмеялась, призналась, что не совсем понимает, о чем он говорит, но заверила его, что нисколько не сомневается в важности его открытия, раз Мохика так взволнован. “Вот увидишь, через несколько лет о том, что я только что открыл, будут писать в газетах и учебниках истории”, – ответил он. Но в это она не поверила.

Оказалось, что Мохика обнаружил поле битвы самой долгой, самой масштабной и самой жестокой войны на этой планете: войны бактерий и атакующих их вирусов, называемых “бактериофагами” или просто “фагами”. Фаги – самая многочисленная группа вирусов в природе и самая многочисленная биологическая общность на земле. Их количество составляет 10³¹ – их больше, чем всех остальных организмов (включая бактерии), вместе взятых, и на каждую песчинку приходится по триллиону фагов. В одном миллилитре морской воды может содержаться до 900 млн таких вирусов[66]66
  Sanne Klompe and Samuel Sternberg. “Harnessing ‘a Billion Years of Experimentation’” // CRISPR Journal, 1 апреля 2018 г.; Eric Keen. “A Century of Phage Research” // Bioessays, январь 2015 г.; Graham Hatfull and Roger Hendrix. “Bacteriophages and Their Genomes” // Current Opinions in Virology, 1 октября 2011 г.


[Закрыть].

Нам, людям, нелегко бороться с новыми штаммами вирусов, и стоит отметить, что бактерии занимаются этим около трех миллиардов лет (плюс-минус несколько миллионов столетий). Почти с самого зарождения жизни на нашей планете идет активная гонка вооружений между бактериями, у которых в ходе эволюции появились сложные механизмы защиты от вирусов, и эволюционирующими вирусами, ищущими способы прорвать их оборону.

Мохика обнаружил, что бактерии со спейсерами CRISPR обладают иммунитетом к инфекции, которая переносится вирусом с такими же последовательностями. Но бактерии без спейсеров оказываются инфицированными. Такая хитроумная система защиты имела и еще одну любопытную характеристику: судя по всему, она адаптировалась к новым угрозам. Когда появлялся новый вирус, выживавшие в борьбе с ним бактерии интегрировали в свой геном часть его ДНК и таким образом передавали своему потомству приобретенный иммунитет к этому вирусу. Мохика вспоминает, как прослезился, осознав это[67]67
  Rodríguez Fernández. “Interview with Francis Mojica”; Greenwood. “The Unbearable Weirdness of CRISPR”.


[Закрыть]. Природа и правда бывает удивительно прекрасна.

Это было оригинальное и поразительное открытие, которое привело к серьезным последствиям. Но опубликовать его Мохике оказалось на удивление непросто. В октябре 2003 года он отправил статью с названием “Прокариотические повторы задействованы в иммунной системе” в журнал Nature, фактически показывая, что системы CRISPR позволяли бактериям приобретать иммунитет к вирусам. Редакторы даже не представили статью на рецензию. Они сочли – и оказались в этом неправы, – что в ней не содержится ничего существенно нового относительно ранее опубликованных работ о CRISPR. Они также отметили – уже вполне справедливо, – что Мохика не представил данных лабораторных экспериментов, демонстрирующих принцип работы системы CRISPR.

Статью Мохики отклонили еще два журнала. Наконец, он смог опубликовать ее в Journal of Molecular Evolution, который был не столь престижным, но все же позволил ему представить свои результаты в рецензируемом издании. Но даже при взаимодействии с этим журналом Мохике пришлось снова и снова напоминать о себе нерасторопным редакторам. “Я пытался связаться с редакторами почти еженедельно, – говорит он. – И каждая неделя была для меня настоящим кошмаром, ведь я понимал, что мы сделали поистине великое открытие. Я не сомневался, что рано или поздно его сделают и другие ученые. Но у меня никак не получалось донести до [редакторов] его значимость”[68]68
  Интервью автора с Франсиско Мохикой; Rodríguez Fernández. “Interview with Francis Mojica”; Davies, “Crazy about CRISPR”.


[Закрыть]. Журнал получил статью в феврале 2004 года, вынес решение о ее публикации лишь в октябре, и поэтому вышла она лишь в феврале 2005 года, через два года после того, как Мохика совершил свое открытие[69]69
  Francisco Mojica… Elena Soria, et al. “Intervening Sequences of Regularly Spaced Prokaryotic Repeats Derive from Foreign Genetic Elements” // Journal of Molecular Evolution, февраль 2005 г. (получено 6 февраля 2004 г.; принято 1 октября 2004 г.).


[Закрыть].

Мохика говорит, что им руководила любовь к красотам природы. В лаборатории в Аликанте он мог позволить себе заниматься фундаментальными исследованиями, не думая о том, как конвертировать их в нечто полезное на практике, и потому он даже не пытался запатентовать свои открытия, связанные с CRISPR. “Когда изучаешь, как я, странные организмы, живущие в необычных средах, например в очень соленых озерах, тобой движет лишь любопытство, – говорит он. – Казалось, что наше открытие вряд ли имеет связь с более типичными организмами. Но в этом мы ошибались”.

Как показывает история науки, открытия порой находят необычное применение. “Когда занимаешься исследованиями из любопытства, никогда не знаешь, к чему они однажды приведут, – отмечает Мохика. – Простые вещи могут иметь масштабные последствия”. Он оказался прав, когда заверил жену, что однажды его имя войдет в учебники истории.

Статья Мохики положила начало целой волне публикаций, демонстрирующих, что система CRISPR действительно была иммунной системой, которую бактерии адаптировали всякий раз, когда их атаковал вирус нового типа. Не прошло и года, как Евгений Кунин, исследователь из Национального центра биотехнологической информации США, расширил теорию Мохики и показал, что CRISPR-ассоциированные ферменты берут фрагменты ДНК атакующих вирусов и интегрируют их в собственную ДНК бактерий, то есть, по сути, копируют и вставляют в память “разыскные ориентировки” на опасные вирусы[70]70
  Kira Makarova… Eugene Koonin, et al. “A Putative RNA-Interference-Based Immune System in Prokaryotes” // Biology Direct, 16 марта 2006 г.


[Закрыть]. Но в одном Кунин с командой ошиблись. Ученые предположили, что защитная система CRISPR работает с помощью РНК-интерференции. Иными словами, они считали, что бактерии используют “ориентировки” на вирусы, чтобы находить способ воздействовать на матричные РНК, переносящие инструкции, закодированные в ДНК.

Так думали и другие исследователи. Именно поэтому с Дженнифер Даудной, ведущим специалистом Беркли по РНК-интерференции, неожиданно связалась коллега, которая пыталась разобраться в CRISPR.

Джиллиан Бэнфилд