Читать книгу Жизнь на скорости света. От двойной спирали к рождению цифровой биологии - Крейг Вентер - Страница 3

«Что такое жизнь?» Всего три простых слова, и однако каждое из них закручивает вселенную не менее сложных вопросов. Что именно отличает одушевленное от неодушевленного? Каковы основные ингредиенты жизни? Где впервые зашевелилась жизнь? Как эволюционировали первые организмы? Везде ли есть жизнь? Насколько жизнь рассеяна по космосу? Если на экзопланетах есть другие формы жизни, они так же умны, как мы, или еще умнее?

Сегодня эти вопросы о природе и происхождении жизни остаются важнейшими и самыми горячо обсуждаемыми во всей биологии. От них зависит вся данная дисциплина, и хотя мы поныне ищем ответы на ощупь, мы сильно продвинулись за прошедшие десятилетия в их исследовании. На самом деле мы сильнее продвинулись в этом поиске на памяти ныне живущих людей, чем за десять тысяч или более поколений, в течение которых современный человек ходит по планете{1}. Мы теперь вошли в то, что я называю «цифровой эрой биологии», в которую начинают сливаться ранее хорошо различимые области компьютерного программирования и тех программ, что определяют жизнь, и где возникают новые сочетания, которые будут определять принципиальные направления эволюции.[1]

Если бы мне надо было назвать место и время, когда, как я считаю, родилась современная биологическая наука, то это был бы Дублин, февраль 1943 года, когда австрийский физик Эрвин Шрёдингер (1887–1961) сосредоточился на центральной проблеме всей биологии. Шрёдингер поселился в Дублине в 1939 году, отчасти спасаясь от нацистов, отчасти вследствие здешней терпимости к его нетрадиционной личной жизни (он жил одновременно с двумя женщинами и устраивал «бурные сексуальные приключения» для вдохновения{2}), а отчасти по инициативе тогдашнего премьер-министра Ирландии Эймона де Валеры, который пригласил его туда на работу.

Шрёдингер получил Нобелевскую премию в 1933 году за создание уравнения для квантовых волн, способных объяснить поведение субатомных частиц, самой вселенной и всего, что есть между этим. Теперь, через десять лет, выступая под эгидой Дублинского института высших исследований, основанного при его и де Валеры участии, Шрёдингер прочитал серию из трех лекций в дублинском Тринити-колледже, и лекции эти цитируют по сей день. Носящие общий заголовок «Что такое жизнь? Физический аспект живой клетки», эти чтения отчасти были вдохновлены интересом его отца к биологии, а отчасти статьей 1935 года{3}, ставшей результатом предшествовавших встреч физиков и биологов в довоенной Германии. Тогда немецкие физики Карл Циммер и Макс Дельбрюк вместе с русским генетиком Николаем Тимофеевым-Ресовским, используя способность рентгеновских лучей повреждать гены и вызывать мутации у дрозофил, пытались оценить размер гена («около 1000 атомов»).

Шрёдингер начал чтения в 16.30 в пятницу 5 февраля, причем в аудитории перед ним сидел премьер-министр. Репортер из журнала Time, бывший там, описал, как «от уже переполненной аудитории заворачивали толпы желающих. Министры, дипломаты, ученые и общественные деятели громко аплодировали худощавому профессору физики из Вены, превзошедшему амбиции всех прочих математиков». На следующий день в The Irish Times вышла статья «Живая клетка и атом», начинавшаяся изложением цели Шрёдингера – описать события внутри живой клетки посредством только химии и физики. Лекции были настолько популярны, что ученому пришлось повторять всю серию по понедельникам.

Шрёдингер сделал из своих лекций небольшую книгу, которая вышла в следующем году, за два года до моего рождения. Так «Что такое жизнь?» начала влиять на поколения биологов. (Через пятьдесят лет после прочтения этих замечательных лекций Майкл Мёрфи и Люк О’Нил из Тринити-колледжа отпраздновали годовщину, пригласив выдающихся ученых из разных дисциплин – в престижный список гостей вошли Джаред Даймонд, Стивен Джей Гулд, Стюарт Кауфман, Джон Мейнард Смит, Роджер Пенроуз, Льюис Вольперт и нобелевские лауреаты Кристиан де Дюв и Манфред Эйген, – чтобы предсказать, что может случиться в следующие полвека.) Я читал «Что такое жизнь?» как минимум раз пять по разным поводам, и каждый раз, в зависимости от этапа моей карьеры, ее основная идея принимала другой смысл, иные акценты и значение.

Причина, по которой эта тоненькая книжечка Шрёдингера оказалась такой влиятельной, по сути проста: он подходил к центральным проблемам биологии – наследственности и тому, как организмы управляют энергией, чтобы поддерживать порядок, – с новой, дерзкой, точки зрения. Он четко и кратко аргументировал, что жизнь должна подчиняться законам физики и что, следовательно, можно использовать физические законы, чтобы делать важные выводы о сущности жизни. Шрёдингер указал, что хромосомы должны содержать «в виде своего рода шифрованной записи весь “план” будущего развития индивидуума и его функционирования в зрелом состоянии». Он предположил, что эта запись должна представлять собой «высокоупорядоченную ассоциацию атомов, наделенную достаточной устойчивостью для длительного сохранения своей упорядоченности», и объяснил, как сумма атомов в «апериодическом кристалле» может нести достаточно информации для наследственности. Он использовал термин «кристалл», чтобы подчеркнуть стабильность, и характеризовал его как «апериодический», который, в отличие от периодического, с повторяющейся структурой (как объясняла The Irish Times, это как сравнивать сложный гобелен и рулон обычных обоев), мог бы нести большую информационную нагрузку. Шрёдингер утверждал, что для того, чтобы содержать много информации, этот кристалл не обязан быть слишком сложным и может быть таким же простым, как бинарный код вроде азбуки Морзе. Насколько я знаю, это первое упоминание того факта, что генетический код может быть простым, как бинарный.

Одно из самых примечательных свойств жизни – это ее способность создавать порядок: ваять сложное и упорядоченное тело из химического хаоса, окружающего нас. На первый взгляд эта способность кажется чудом, которое бросает вызов мрачному второму закону термодинамики, гласящему, что всё стремится соскользнуть от порядка к беспорядку. Но этот закон приложим только к закрытой системе вроде запечатанной пробирки, а живые существа – это открытые системы (или маленькие части большой закрытой системы), обменивающиеся веществом и энергией со своим окружением. Они тратят много энергии, чтобы создавать порядок и сложность в виде клеток.

Шрёдингер посвятил большую часть своей лекции термодинамике жизни – теме, в ту пору недостаточно изученной для его прозрений в генетике и молекулярной биологии. Он описывал удивительный дар живого «концентрировать на себе “поток порядка”, избегая таким образом распада в атомный хаос» и «пить упорядоченность» из подходящей среды. Он выяснил, какое отношение к этому подвигу креативности имеют «апериодические твердые тела». В кодированном тексте заложены средства, способные изменить близлежащие химические вещества таким образом, чтобы запрячь вихри в великом потоке энтропии и заставить их жить в виде клетки или организма.

Гипотеза Шрёдингера вдохновила ряд физиков и химиков обратить внимание на биологию – после того как они разочаровались во вкладе своих наук в проект «Манхэттен», создание атомной бомбы во время Второй мировой войны. Когда Шрёдингер читал свои лекции, научный мир считал, что основу генетического материала составляют не ДНК, а белки. В 1944 году появилось первое явное свидетельство того, что на самом деле носитель информации – не белок, а ДНК. Книга Шрёдингера подтолкнула американца Джеймса Уотсона и британца Фрэнсиса Крика на поиск этой «кодированной записи», что в конечном итоге привело их к открытию самой прекрасной структуры во всей биологии – двойной спирали ДНК, внутри которой лежат все тайны наследственности. Каждая цепочка двойной спирали комплементарна второй, и при этом они идут в противоположных (антипараллельных) направлениях. В результате двойная спираль способна „расстегиваться“ посередине, и каждая сторона может служить матрицей или образцом для другой, и так информация ДНК будет копироваться и передаваться потомству. В 1953 году, 12 августа, Крик послал Шрёдингеру письмо, в котором говорилось об этом, с добавлением: «Ваш термин „апериодический кристалл“, похоже, будет очень подходящим».

Детали того, как именно работает этот носитель информации, были открыты и затем подробно разобраны в 1960-х. Это привело к формулированию Криком в 1970 году «центральной догмы», определившей пути, по которым генетическая информация течет через биологические системы. В 1990-х я возглавлю группу, которая прочитает первый геном живой клетки, а потом одну из двух групп, которая прочитает человеческий геном в широко разрекламированной, часто жаркой, раздраженной и политизированной гонке с Уотсоном и другими. На рубеже тысячелетий мы на самом деле впервые увидели замечательные детали апериодического кристалла, содержащего зашифрованную запись человеческой жизни.

В мысли Шрёдингера неявно подразумевалось, что эта запись посылала свои сигналы с момента зарождения жизни, имевшего место больше четырех миллиардов лет назад. Рассмотрев эту идею подробнее, биолог и писатель Ричард Докинз предложил впечатляющий образ реки, текущей из Эдема{4}. Эта медленная река состоит из информации, из рецептов для построения живых существ. Точность копирования ДНК не абсолютна, и случавшиеся в череде поколений повреждения, вызванные кислородом или ультрафиолетом, породили достаточно замен в ДНК, чтобы обеспечить внутривидовую изменчивость. В результате река ветвится и раздваивается, порождая бесчисленные новые виды в течение миллиардов лет.

Полвека тому назад великий эволюционный генетик Мотоо Кимура прикинул, что количество генетической информации за последние пятьсот миллионов лет возросло на сто миллионов бит{5}. Запись в ДНК стала доминировать в биологической науке до такой степени, что в XXI веке биология стала информационной наукой. Сидней Бреннер, южноафриканский биолог, лауреат Нобелевской премии, заметил, что генетическая запись «должна сформировать ядро биологической теории»{6}. Систематики теперь используют штрих-коды ДНК, чтобы удобнее было отличать один вид от другого{7}. Другие начали использовать ДНК для вычислений{8} или как средство хранения информации{9}. Я руководил попытками не только читать цифровую программу жизни, но и писать ее, имитировать на компьютере и даже переписывать ее, чтобы сформировать новые живые клетки.

Почти через семьдесят лет после исходных лекций Шрёдингера, 12 июля 2012 года, я очутился в Дублине по приглашению Тринити-колледжа. Меня попросили вернуться к великой теме Шрёдингера и попытаться рассказать о том, как сейчас понимают и дают определение жизни, основываясь на современной науке. До сих пор этот вопрос по очевидным причинам интересует всех, и у меня тоже есть свой сугубо личный интерес. Будучи молодым санитаром во Вьетнаме, я усвоил, к своему изумлению, что разница между одушевленным и неодушевленным может быть очень тонкой: маленький кусочек ткани может отделять живую дышащую личность от трупа; даже при хорошем медицинском уходе выживание может частично зависеть от позитивного настроя пациента, от того, что он весел и оптимистичен, что доказывает, что из комбинаций живых клеток может возникать сложность более высокого порядка.

В 19.30 в четверг, имея за спиной десятилетия прогресса молекулярной биологии, я вышел на ту же сцену, на которую выходил и Шрёдингер, и, как и он, увидел перед собой премьер-министра в декорациях несравненного Экзаменационного зала Тринити-колледжа. Под огромной люстрой, перед портретами Уильяма Молино, Джонатана Свифта и им подобных я смотрел в аудиторию из четырехсот запрокинутых лиц и ярких огней камер всех видов и типов. В отличие от Шрёдингера я знал, что моя лекция будет записана, передана в прямом эфире, опубликована в блогах и выложена в твиттер, так как я снова затрону тот вопрос, для ответа на который так много сделал мой предшественник.

Следующий час с лишним я объяснял, что жизнь в основном состоит из биологических машин, управляемых ДНК. Все живые клетки работают на программах, записанных в ДНК, которые управляют сотнями тысяч белковых роботов. Мы оцифровывали жизнь десятилетиями, с тех пор как впервые представили, как читать программу жизни посредством секвенирования ДНК. Теперь мы можем идти в другом направлении, начиная с компьютерной цифровой основы, создавая новую форму жизни, химически синтезируя ее ДНК, а потом доводя ее до получения настоящего организма. И поскольку информация нынче цифровая, мы можем пересылать ее куда угодно со скоростью света и снова творить ДНК и жизнь на том конце. Рядом с премьер-министром Эндой Кенни сидел мой давний самопровозглашенный соперник Джеймс Уотсон. Когда я договорил, он взобрался на сцену, пожал мне руку и любезно поздравил меня с «прекрасной лекцией»{10}.

«Жизнь на скорости света», частично основанная на моей лекции в Тринити-колледже, задумана для того, чтобы описать наш невероятный научный прогресс. Всего за одну человеческую жизнь мы продвинулись от «апериодических кристаллов» Шрёдингера до понимания того, что если с записанного генома можно построить синтетическую хромосому и, следовательно, синтетическую клетку, то ДНК представляет собой программное обеспечение жизни. Эта работа опирается на потрясающие достижения в течение последнего полувека, которыми мы обязаны плеяде невероятно одаренных личностей в лабораториях всего мира. Я сделаю обзор этих разработок в молекулярной и синтетической биологии, отчасти чтобы отдать должное этому эпическому предприятию, отчасти чтобы признать вклады, сделанные ключевыми ведущими учеными. Я не ставил себе цели написать полную историю синтетической биологии, а только лишь пролить немного света на силу этого выдающегося совместного предприятия, которое мы называем наукой.

ДНК как оцифрованная информация не только накапливается в компьютерных базах данных, но теперь может передаваться как электромагнитная волна на скорости света или близко к ней, через биологический телепортер, чтобы заново сотворить белки, вирусы и живые клетки где-то далеко, возможно, навсегда меняя наш взгляд на жизнь. С этим новым пониманием жизни и недавними прорывами в наших способностях манипулировать ею широко раскрывается дверь, за которой появляются новые волнующие возможности. Индустриальная эпоха идет к концу, но мы становимся свидетелями начала эры биологического проектирования. Человечество вот-вот войдет в новую фазу эволюции.