Читать книгу Жизнь на скорости света. От двойной спирали к рождению цифровой биологии - Крейг Вентер - Страница 6

Настала эра цифровой биологии, в которой белки и другие взаимодействующие молекулы в клетке можно рассматривать как компьютерное «железо», а информацию, закодированную в ДНК, – как клеточный «софт», то есть программы. Вся информация, нужная для создания живой самовоспроизводящейся клетки, заключена в цепочках двойной спирали ДНК. По мере чтения и истолкования этого текста мы в конце концов сможем полностью понять, как работают клетки, а затем изменять и улучшать их путем написания новых клеточных программ. Но, конечно, это легче сказать, чем выполнить: изучение этих программ – ДНК – показывает, что они значительно сложнее, чем мы думали даже лет десять назад.

В то время как первая линейная последовательность аминокислот в белке (инсулине) была установлена Фредом Сэнгером в 1949 году, разработка методов чтения ДНК оказалась делом долгим. В 1960-х и 1970-х продвижение было медленным и секвенирование измерялось в нескольких парах оснований в месяц или даже в год. Например, в 1973 году Аллан Максэм и Уолтер Гилберт из Гарвардского университета опубликовали статью, описывающую, как с помощью их нового метода секвенирования{76} были установлены двадцать четыре пары оснований. Одновременно шло и секвенирование РНК, продвигавшееся несколько быстрее. И все же по сравнению с возможностями современных технологий даже для чтения нескольких букв кодированного текста в ту пору требовались поистине героические усилия.

Большинство людей узнали о геномике при первой расшифровке человеческого генома, которая увенчалась моим появлением в Белом доме в 2000 году рядом с моими коллегами-соперниками и президентом Клинтоном, где мы торжественно объявили об открытии последовательности человеческого генома. На самом деле первые идеи о расшифровке ДНК относятся к временам полувековой давности, когда Уотсон и Крик предложили модель ее атомной структуры. Большой скачок в нашем познании случился, когда в 1965-м группа под руководством Роберта Холли из Корнеллского университета опубликовала последовательность из семидесяти семи рибонуклеотидов аланиновой транспортной РНК (тРНК) из клетки дрожжей Saccharomyces cerevisiae{77} как часть работы по выявлению того, как тРНК помогает собирать аминокислоты в белки. Секвенирование РНК продолжало лидировать, когда в 1967 году группа Фреда Сэнгера установила последовательность нуклеотидов рибосомальной 5S-РНК E. coli, короткой молекулы из 120 нуклеотидов{78}. Первый реальный геном, который был успешно расшифрован, был вирусной РНК: в 1976 году лабораторией Вальтера Фирса в Гентском университете в Бельгии был секвенирован бактериофаг MS2. Фирс изучал бактериофаги (которые захватывают для своего размножения бактерии) совместно с Робертом Л. Синшаймером из Калтеха, а потом с Харом Гобиндом Кораной в Мэдисоне (Висконсин).

Технология секвенирования ДНК, которая дала мне возможность секвенировать человеческий геном, зародилась в середине 1970-х, когда группа Фреда Сэнгера в Кембридже разработала новую технику – первую, которую можно было назвать «более-менее секвенированием». За ней последовала методика, которую Сэнгер назвал дидезокси-секвенированием ДНК, но которая в его честь теперь называется «секвенированием по Сэнгеру». В нем применяются дидезоксинуклеотиды, или нуклеотиды-терминаторы, которые останавливают ДНК-полимеразу, не давая ей добавлять нуклеотиды к растущей цепочке ДНК. У дидезоксинуклеотидов нет гидроксильной группы (–ОН), что означает, что после того, как ДНК-полимераза прицепит их к растущей нуклеотидной цепочке, дальше нельзя добавить никаких нуклеотидов. Прикрепив радиоактивный фосфат к одному из четырех нуклеотидов, чтобы пометить фрагменты, стало возможным прочесть порядок А, Т, Ц и Г, прикладывая гель, использованный для разделения оснований, к рентгеновской пленке[7].

Группа Сэнгера использовала его новые инструменты секвенирования для установления первой последовательности генома ДНК-вируса, принадлежащего бактериофагу phi X 174{79}; эта последовательность была опубликована в Nature в 1977 году. Клайд Хатчинсон (ныне сотрудник Института Вентера) стажировался в лаборатории Сэнгера (от Университета Северной Каролины, где он с 1968 года был штатным преподавателем) и внес свой вклад в секвенирование генома phi X 174. В 1950-х Синшаймер, использовав рассеяние света, оценил размер генома phi X 174 примерно в 5400 оснований и был удовлетворен, когда Сэнгер выяснил, что точное количество – 5386{80}.

За два года до появления статьи Сэнгера я закончил свою диссертацию в Калифорнийском университете в Сан-Диего (UCSD) и успел перейти в Университет штата Нью-Йорк в Баффало, чтобы начать собственную научную и преподавательскую карьеру. Я пропустил публикацию Сэнгера, потому что она вышла в самый разгар Бурана-77[8], к тому же спустя две недели после публикации у меня родился сын{81}. Моя лаборатория в это время работала над выделением и описанием рецепторов для нейромедиаторов – белков, обеспечивающих передачу сигналов между нервными клетками.

За десять лет, последовавших за работой над геномом phi X 174, секвенирование ДНК постепенно прогрессировало. Хотя секвенирование по Сэнгеру стало мировым стандартом, оно было медленным, очень трудоемким и требовало заметных количеств радиоактивного фосфора, у которого период полураспада – всего пара недель. Кроме того, чтение гелей с последовательностями было скорее искусством, чем наукой. В своей второй Нобелевской лекции Сэнгер описывал утомительные усилия, которых требовало раннее секвенирование ДНК, и заключал: «Судя по всему, для секвенирования генетического материала был весьма желателен новый подход»{82}.

В 1984 году я перевел свою исследовательскую команду в Национальный институт здоровья, и мы начали учиться молекулярной биологии с помощью нескольких хороших сборников рецептов по этому предмету и моих взаимодействий с Маршаллом Ниренбергом и его лабораторией, которая располагалась этажом ниже нашей в корпусе 36. За мой первый год в НИЗ мы секвенировали только один ген, адреналинового рецептора человеческого мозга{83}, используя радиоактивное секвенирование по Сэнгеру, но это заняло большую часть года. Как и Сэнгер, я был уверен, что должен быть способ получше. К счастью, это было примерно в то время, когда Лерой Худ и его команда в Калтехе опубликовали ключевую статью с описанием, как они заменили в нуклеотидах-терминаторах радиоактивный фосфат на четыре разных флюоресцентных красителя, которые, если их активировать лазерным лучом, можно было последовательно считывать прямо в компьютер{84}. Я раздобыл одну из первых автоматических ДНК-секвенирующих машин в новой компании Applied Biosystems, как раз когда начались серьезные обсуждения дикого предложения секвенировать целиком человеческий геном.

Используя новую технологию секвенирования ДНК в сочетании с компьютерным анализом, моя лаборатория быстро секвенировала тысячи человеческих генов по разработанной мною новой методике, фокусировавшейся на относительно коротких последовательностях, которые я назвал «экспрессированными метками сиквенса» (expressed sequence tags; EST){85}. Метод EST включал секвенирование экспрессированного[9] генетического материала – матричной РНК (точнее, синтезированной на ней комплементарной ДНК). Хотя с помощью методики EST мы успешно прочли несколько тысяч человеческих генов, мой подход не встретил немедленно всеобщего одобрения. Многие увидели в нем угрозу традиционному пути работы с генами: мы могли за день открыть больше генов, чем всё научное сообщество – за предыдущие десять лет. Не улучшило ситуации и то, что правительство США решило зарегистрировать патенты на все гены, идентифицированные моей командой. Наши открытия вызывали атаки и возражения, но они же приводили к некоторым заманчивым предложениям, в том числе – создать мой собственный базовый научно-исследовательский институт, каковое я и принял в 1992 году. Я назвал его Институтом геномных исследований (The Institute for Genomic Research, TIGR), и именно там, в Роквилле (штат Мэриленд), мы построили самую крупную в мире фабрику секвенирования ДНК, используя последние версии автоматических ДНК-секвенирующих машин.

Ход истории геномики изменился в 1993 году после случайной встречи на научной конференции в Бильбао, в Испании, где я обрисовал наше быстрое продвижение в открытии генов. Многие в аудитории как будто были шокированы масштабными результатами наших работ по EST и самой природой наших открытий – особенно генов, ответственных за неполипозный рак толстой кишки, открытых в сотрудничестве с Бертом Фогельштайном из Киммелевского онкологического центра Университета Джонса Хопкинса в Балтиморе. Как только рассеялась толпа, пришедшая задавать прямые вопросы, передо мной появился высокий приятного вида человек с серебристыми волосами и в очках. «Я думал, у вас есть рожки», – сказал он, намекая на демонический образ, который часто использовала пресса, изображая меня. Он представился Хэмилтоном Смитом из Университета Джонса Хопкинса. Я уже знал о Хэме по его серьезной репутации в нашей области и по Нобелевке, и мне он сразу понравился – он явно решил составить обо мне и моей науке собственное впечатление и не давать окружающим влиять на его мнение{86}.

Хэм к тому времени сделал долгую и плодотворную карьеру и теперь, в 62 года, подумывал об отставке. Когда мы разговаривали в баре, а потом на обеде после моей лекции, он высказал интересную идею: предложил свою любимую бактерию Haemophilus influenzae,