Крейг Вентер: О ДНК и море

В перерыве меня спросили о моем отношении к дебатам о старении. У меня есть только один комментарий по этому поводу — насколько я знаю, оптимисты живут намного дольше пессимистов.

В последующие 18 минут я расскажу вам, как мы переходим от считывания генетического кода к начальным стадиям возможности писать этот код самим. Ровно 10 лет назад мы опубликовали первую нуклеотидную последовательность свободноживущего организма, а именно гемофильной палочки. Мы сократили расшифровку генома с 13 лет до четырех месяцев. Сейчас тот же самый проект по расшифровке займет примерно от двух до восьми часов. Поэтому за последнее десятилетие были расшифрованы многие геномы: большинство человеческих патогенов, пару растений, несколько насекомых и млекопитающих, включая геном человека. Геномика, как она существовала чуть больше 10 лет назад, предполагала, что к концу этого года у нас могло бы быть расшифровано от трех до пяти геномов, их же примерно несколько сотен. Мы только что получили грант от фонда Гордона и Бетти Мур на расшифровку 130 геномов в этом году, в свободное время от организмов, присутствующих в окружающей среде. Темп расшифровки генетического кода изменился.

Но, если посмотреть вокруг, мы лишь поверхностно изучили, что еще есть на этой планете. Большинство даже не представляет, потому как они невидимы, но микробы составляют почти половину биомассы Земли, а все животные лишь одну одну тысячную. Возможно, люди из Оксфорда делают это очень редко, но если вы все же доберетесь до моря и проглотите полный рот морской воды, не забывайте, что каждый миллилитр содержит миллион бактерий и почти 10 млн вирусов.

Менее чем 5 тысяч разновидностей микробов были изучены лишь два года назад, и мы решили это изменить. Мы запустили экспедицию Сорсерер II, где мы, как и в других океанографических экспедициях, планировали брать образцы океана каждые 200 миль. Мы начали с испытательного проекта на Бермудских островах, а потом поплыли на Галифакс вниз до Восточного побережья США, Карибского моря, Панамского канала, через Галапагосские острова, пересекли Тихий океан и в данный момент мы пересекаем Индийский океан. Это очень тяжелая работа. Мы путешествуем на парусном судне – отчасти, чтобы заинтересовать молодежь заниматься наукой. Сами эксперименты невероятно простые. Мы просто фильтруем морскую воду, и отбираем организмы на мембранах разного размера, затем мы пересылаем их ДНК в нашу лабораторию в Роквиле, где мы можем считывать сотни миллионов букв генетического кода каждые 24 часа. В результате этого процесса мы сделали несколько удивительных открытий.

К примеру, считалось, что визуальные пигменты нашего глаза есть еще лишь у одного или двух организмов в среде, где также присутствовали эти пигменты. А оказалось, что почти у всех существ в верхних слоях океана в теплых частях мира также есть эти фоторецепторы, и они используют солнечный свет для энергии и коммуникаций. Из одного участка, из одной бочки морской воды, мы открыли 1,3 млн новых генов и почти 50 тысяч новых организмов.

Мы также занялись и воздухом при поддержке гранта от фонда Слоуна. Мы измеряем, сколько вирусов и бактерий все мы вдыхаем и выдыхаем каждый день, в частности в самолетах или в закрытых аудиториях. Фильтруя через простые аппараты, мы собираем почти миллиард микробов каждый день, фильтруя на крыше здания в Нью-Йорке. В данный момент мы занимаемся расшифровкой всего этого.

С точки зрения сбора данных, к моменту прохождения Галапагосских островов мы открыли, что каждые 200 миль мы видим невероятное разнообразие в образцах собранных в океане. Многое вполне объяснимо логически, ввиду градиента температур. Это спутниковая фотография, отражающая температуры — красное, где тепло, голубое, где холодно — мы узнали, что существует огромная разница между тепловодными образцами и холодноводными, в плане количества видов организмов. Нас также удивило, что эти рецепторы регистрируют разные длины световой волны, и теперь мы можем предсказать это, используя их аминокислотную последовательность. Они сильно отличаются друг от друга в зависимости от региона. Может быть, это неудивительно, но в глубоких водах океана, где почти все синее, фоторецепторы чаще всего регистрируют синий цвет. Там, где много хлорофилла, они регистрируют много зеленого света. Они различаются еще больше, иногда отклоняясь до инфракрасного или ультрафиолетового спектра, в неких исключительных случаях.

Чтобы попытаться оценить полный состав генов у нас в наличии, мы собрали все данные — включая наши на данный момент в экспедиции, что кстати больше чем половина всей геномной информации на планете — и получили 29 млн генов. Мы пробовали распределить их по семействам генов, чтобы понять, какие именно открытия мы осуществили: находим ли мы новые члены существующих семейств или же мы открываем новые семейства? Оказывается, мы знаем примерно 50 тысяч крупных генных семейств, и каждый новый образец, собранный нами в окружающей среде линейно расширяет эти семейства. Значит, мы находимся лишь на начальной стадии открытия простых генов, компонентов жизни на этой планете.

Если посмотреть на пресловутое эволюционное дерево, мы находимся в правом верхнем углу, вместе с животными. Из примерно 29 млн генов, у нас есть около 24 тысяч в нашем геноме. Если собрать всех животных, наша доля возрастает до 30 тысяч и, скорее всего, может быть 10 или больше тысяч разных семейств генов. Я считаю, что теперь эти гены не только составляющие компоненты эволюции. И мы мыслим в рамках геноцентричного взгляда — быть может, возвращаясь к идеям Ричарда Докинза — нежели чем в геномоцентричном взгляде, разными комбинациями этих генных компонентов.

Синтетическое ДНК, возможность синтезировать ДНК, также изменилось в похожем темпе, как и секвенирование ДНК за последнюю декаду или две, оно становится очень быстрым и очень дешевым. Мы впервые задумались о синтетическом геноме, когда расшифровали второй геном в 1995 году, это был геном mycoplasma genitalium. Теперь у нас есть хорошие футболки с надписью — «Я люблю свой гениталиум». Это всего лишь микроорганизм, но в нем порядка 500 генов. В гемофилюсе 1 800 генов. Мы задали себе вопрос — если одному организму нужно 800, а другому 500, существует ли наименьший набор генов, составляющий минимальный работающий механизм?

Мы стали работать с мутагенезом транспозонов. Транспозоны — маленькие кусочки ДНК, перемещающиеся внутри хромосомы. Попадая на середину гена, они нарушают его функцию. Мы создали карту всех генов, где присутствуют транспозоны, и назвали их «второстепенным генами». Среда обитания оказалась очень важным фактором. Категоризовать ген как существенный или второстепенный можно только по составу его среды. Мы также пробовали более структурированный анализ, сравнивая геномы 13 родственных организмов в поиске общих элементов. Мы нашли эти общие элементы, их было лишь 173 гена в 13 родственных организмах. Эта группа расширялась, если исключить одного внутриклеточного паразита. И еще шире, если рассматривать основной набор генов, их примерно 310. Число генов в геноме меняется, смотря как считать, от 300 до 400 генов от минимума 500.

Единственный способ доказать эти теории – создать искусственную хромосому с этим набором генов при помощи генных кассет. Оказалось, что синтезировать ДНК большими кусками, без ошибок, очень сложно. Мои коллеги, Хэм Смит и Клайд Хатчисон, разработали новый метод, позволяющий синтезировать 5 тысяч геном вируса, в течение двух недель, без ошибок в последовательности и биологических характеристиках. Это был очень волнующий эксперимент — мы внедрили кусок синтетического ДНК в бактерию, и они начали производить вирусные частицы, которые, в конце концов, ее же и погубили. Это не первый синтетический вирус, за год до этого был создан полиовирус, на это потребовалось три года, и его активность не составляла и одной десятитысячной части. Это схема структуры phi X 174. В этом случае программное обеспечение создает свое собственное аппаратное обеспечение, как и бывает в природе.

Многие волнуются о биологическом оружии. Совсем недавно я отвечал на вопросы специальной правительственной комиссии по этому вопросу. Я считаю, что надо быть реалистичнее, нежели поддаваться воображению. Мы можем создать любой из вирусов, чей геном был расшифрован. Все начинают вопить об Эболе и оспе, но само по себе ДНК не заразно. И даже если кто-нибудь сможет синтезировать геном оспы, это ДНК заразить никого не сможет. Органы безопасности на самом деле больше озабочены спроектированными вирусами. США и бывший Советский Союз, единственные страны, с серьезными разработками в области биологического оружия. Если эти исследования и правда прекращены, то мы не должны ожидать прогресса в навыках производства спроектированных вирусов в будущем.

Я считаю, что одноклеточные организмы появятся в ближайшие два года. Возможно и эукариоты, о которых мы знаем, появятся в следующем десятилетии. Сейчас мы создаем несколько десятков разных геномов, потому как мы можем контролировать состав генов в искусственной хромосоме при помощи генных кассет. Самый важный вопрос: «Как внедрить все остальные?». Эти обрезки, благодаря гомологической рекомбинации, соединяются в единую хромосому.

Это получено из организма deinococcus radiodurans. Оно не умирает даже при радиации в три миллиона рад. Ему требуется от 12 до 24 часов, чтобы произвести собственный геном после облучения радиацией, раздирающей хромосомы на части. Этот организм существует повсеместно на нашей планете и скорее всего теперь есть и в космосе, благодаря нашим полетам туда. Это стеклянная мензурка после полмиллиона рад облучения. Стекло обожжено и потрескалось, а вот микробы живут припеваючи. Вот схема того, что произошло: в верхней части вы видите геном после облучения в 1,7 млн рад. Хромосому разорвало на части. Спустя 24 часа тот же самый ДНК автоматически восстановился. Это невероятно, что есть организмы, способные на это, и скорее всего, есть тысячи если не десятки тысяч разных организмов на этой планете, которые способны на это. Как только эти геномы синтезированы, нужно переселить их в клетку без собственного генома.

Поэтому, мы считаем, что синтетические клетки очень важны не только для биологических задач, но и для проблем окружающей среды и общества. Например, третий секвенированный организм был methanococcus jannaschii, процветающий даже в кипящей воде. Этот организм растет на водороде, а весь требуемый углерод он получает из углекислого газа в окружающей среде. Мы знаем много разных процессов и тысячи организмов, потребляющих углекислый газ. Мы можем делать то же самое. И вместо потребления углерода из нефти для синтетических процессов, мы могли бы использовать углерод из нашей атмосферы, перерабатывая его в биополимеры или иные продукты. Есть организм, потребляющий монооксид углерода, и при помощи окислительных процессов мы расщепляем воду для производства водорода или кислорода. Есть несколько процессов, которые могут быть адаптированы для усвоения метана. DuPont и Statoil запустили крупную программу в Норвегии по переработке метана на газовых месторождениях в полезные продукты.

Я уверен, что скоро появится новая наука — «Комбинаторная Геномика», благодаря современному синтезу, множеству генов и гомологической рекомбинации. Мы надеемся спроектировать робота, способного синтезировать миллион хромосом за один день. Следовательно, как и во всей биологии, нам будет доступно обнаружение, благодаря отбору. Не важно, какие качества вас интересуют — производство водорода, иных химикатов или просто жизнеспособность. Также мы сможем узнать о роли каждого из этих генов.

Мы хотим изменить фотосинтез на производство водорода, используя солнечный свет. Фотосинтез контролируется кислородом, но у нас теперь есть гидрогеназа, не требующая кислорода. Это полностью изменит весь процесс! Мы соединили целлюлазы, энзимы, расщепляющие олигосахариды, и ферментацию в единой клетке для производства этанола. Несколько крупных лабораторий уже занимаются производством этих клеток в микробах. Производство химических соединений в окружающей среде на порядок сложнее, чем любой синтез в руках наших лучших химиков. Искусственные организмы могут стать источником еды, и, я надеюсь, энергии восстановления природы и, возможно, заменят нефтехимическую индустрию.

Позвольте закончить мое выступление обзором этических и политических исследований. В 1999 году мы задержали свои эксперименты на полтора года, пока мы не прошли биоэтическую экспертизу, которая пыталась решить, стоит ли нам пытаться создать искусственный организм. В этом участвовали представители всех крупных религий. Это был очень странный процесс, все религиозные деятели применяли священные писания для консультации по юридическим вопросам, но так и не нашли запрета на создание жизни. Основное опасение чаще всего было по поводу биологического оружия, но нам все же разрешили продолжить эксперименты, основываясь на наших заявленных целях.

Фонд Слоуна спонсирует исследования в нескольких организациях с целью понять и оценить риск и пользу для общества, а также установить правила для исследователей в этой области. Мы пытаемся показать правильный пример подражания. Это все очень сложные вопросы. Естественно, за исключением биотерроризма, все очень просто, учитывая, что у нас есть шанс радикально изменить происходящее в развивающихся странах путем элементарных процессов для производства экологически чистой энергии.

Перевод: Сергей Менис
Редактор: Александр Автаев

Источник