Некоторые черты сходства между нами — результат общего происхождения и наследие самых ранних стадий развития жизни на Земле. В других случаях сходство — результат конвергенции[25] разных эволюционных путей, которые привели нас к одному и тому же решению проблемы. Но случаи конвергенции лишь подтверждают слова Моно. Они свидетельствуют о том, что несмотря на 4 млрд лет независимого развития и человек, и E. coli сформированы одними и теми же мощными эволюционными силами.
Однако мне доводилось встречать ученых, которые выходят из себя всякий раз при упоминании замечания Моно. Ничего удивительного — ведь оно игнорирует самые фундаментальные различия между слоном и E. coli. Геном слона — а также человека, лишайника и всех прочих эукариот — намного больше генома E. coli. В геноме человека, к примеру, генов примерно впятеро больше. Кроме того, наш геном разбавлен большим количеством ДНК, в которой не закодированы никакие белки. Еще одно серьезное различие заключается в белках, при помощи которых происходит репликация ДНК. Судя по всему, они никак не связаны с белками, которые используют E. coli и другие бактерии. Эукариоты иногда обмениваются генами, но происходит это намного реже, чем у E. coli. Невозможно через рукопожатие получить от приятеля гены голубых глаз. Да и способы размножения у нас и у £ coli совершенно разные. Лишь крохотная доля клеток человеческого тела способна успешно передать гены следующему поколению, и геном человека несет в себе достаточно информации для величественного развития нового тела с триллионом клеток, двумя сотнями клеточных типов и десятками органов.
Различия между нами велики и бесспорны, но ученые на удивление слабо представляют себе, как они могли возникнуть. Вопрос о том, почему мы в некоторых отношениях так мало похожи на E. coli, остается открытым. Должно быть, ответ на него кроется где‑то в туманных глубинах прошлого, в тех временах, когда жизнь на Земле только начинала свое развитие. Ученые сходятся в том, что жизнь очень рано разделилась на три ветви, и различия между ними — особенно отделяющие эукариот от бактерий и архей — с самого начала были очень глубокими. Однако в данный момент среди специалистов распространено несколько принципиально разных теорий о том, как возникло такое деление. Одни утверждают, что эукариоты произошли от архей, заглотивших аэробные (кислорододышащие) бактерии. Другие считают, что раскол произошел намного раньше, еще до того, как жизнь пересекла границу, разделяющую «мир РНК» от «мира ДНК».
Лично мне особенно интересным представляется другое объяснение, выдвинутое Патриком Фортером, биологом — эволюционистом из парижского Института Пастера. Он полагает, что принципиальный раскол между нами и E. coli — результат работы вирусов.
Действие в сценарии Фортера начинается в «мире РНК» еще до разделения всего живого на три ветви. РНК- содержащие организмы беспорядочно обменивались генами. Через какое‑то время некоторые из этих генов «выбрали» для себя специализацию паразитов и начали развиваться в этом направлении. Они отказались от собственных устройств для репликации генов, но стали проникать в другие организмы и использовать их механизмы. Это были первые вирусы, и они до сих пор с нами; это РНК- содержащие вирусы, такие как вирусы гриппа и обычной простуды, а также ВИЧ.
Именно РНК — содержащие вирусы, утверждает Фортер, «изобрели» ДНК, ведь именно вирусы получили от нее немедленное и очень мощное преимущество. Вирус мог объединять комплементарные однонитевые молекулы РНК в двойные спирали, которые более защищены от атак ферментов хозяина. Это был как бы прообраз будущей ДНК — гораздо более устойчивой и стабильной молекулы. Для появления ДНК должны были образоваться ферменты, способные превращать субстраты для синтеза РНК (рибонуклеотиды) в субстраты для синтеза ДНК (дезоксирибонуклеотиды). Первые ДНК появились в результате синтеза на матрице РНК. Для этого тоже понадобились специальные ферменты. Наконец, появление еще одного нового класса ферментов, с помощью которых происходит репликация ДНК, ознаменовало закат «мира РНК» и возникновение «эпохи ДНК». Превращение клеток с РНК — геномом в клетки с привычным для нас ДНК- геномом произошло, по предположению Фортера, в результате заражения ДНК — содержащими вирусами.
Первые вирусы, вероятно, сформировали целый спектр различных вариантов взаимоотношений с хозяевами. Полезно вспомнить современные вирусы, паразитирующие на E. coli: смертельно опасные, от которых бактерия просто лопается, выпуская наружу сотни новых вирусов; тихие, которые вызывают у хозяина проблемы только в стрессовой ситуации; и полезные, которые навсегда встроились в организм хозяина и живут с ним в мирном сотрудничестве. Фортер утверждает, что и в те далекие времена некоторым ДНК — содержащнм вирусам удалось прочно и навсегда обосноваться в РНК — содержащих хозяевах. Одомашнившись, они потеряли гены, нужные для выхода из хозяина наружу и для формирования белковой оболочки, и превратились в «голую» ДНК, хранящую гены, нужные для собственного воспроизводства.
Только так, считает Фортер, РНК — жизнь могла перейти к использованию ДНК. Время от времени возникали мутации, в результате которых гены из РНК — хромосомы встраивались в ДНК — хромосому вируса. Они оказывались более стабильными и менее склонными к губительным мутациям, чем прежние РНК — гены. Естественный отбор благоприятствовал организмам с большим количеством генов в ДНК — хромосоме, чем в РНК. Со временем РНК- хромосома съеживалась, а ДНК — хромосома, наоборот, росла, и в конце концов организм полностью перешел на хранение информации в двойной спирали. На язык ДНК оказались переведены даже гены рибопереключа- телей и других реликтов «мира РНК». Фортер предполагает, что подобный «вирусный захват» в истории жизни на Земле произошел трижды, и каждое из трех вторжений ДНК — содержащих вирусов привело к рождению одной из трех ветвей жизни.
Фортер утверждает, что его сценарий объясняет, в частности, принципиальную разницу между генами, общими для всех трех доменов (надцарств) живой природы, и генами, уникальными для каждого из них в отдельности. В начале своей научной карьеры Фортер занимался изучением ферментов, при помощи которых E. coli синтезирует ДНК. Подобные ферменты существуют и у других видов бактерий. Но у архей и эукариот вы ничего подобного не найдете. Разница, по мнению Фортера, состоит в том, что предки E. coli и других бактерий получили свои ферменты, участвующие в репликации ДНК, от какого‑то одного штамма вирусов, архей — от другого, в то время как для появления эукариот потребовалось несколько разных вирусов — основателей.
После того как три ветви жизни разошлись, их развитие пошло разными путями. Наши собственные предки — первые эукариоты — возможно, получили ряд признаков также от вирусов. Эукариоты со временем стали крупнее, чем бактерии и архей, а их популяции, соответственно, малочисленнее. Надо сказать, что в небольших популяциях мутации с незначительным вредным эффектом распространяются легче просто благодаря случайным процессам, и, может быть, только в этот период геном эукариот начал расширяться. Вставки некодирующей ДНК в геном, возможно, поначалу мешали их обладателю, но со временем они, вероятно, дали эукариотам способность осуществлять перестановки генных сегментов, чтобы кодировать разные белки. У человека насчитывается 18 000 генов, но с их помощью каждый из нас может синтезировать около 100000 различных белков.
Сегодня предположение Фортера радикально примерно настолько же, насколько радикальным было в 1968 г. предположение о том, что вся жизнь на Земле когда‑то основывалась на РНК. И проверка этой гипотезы потребует не меньше усилий. Но размышлять о том, что означала бы правота Фортера, чрезвычайно интересно. В этом случае разница между слоном и E. coli означала бы на самом деле еще одно фундаментальное сходство. Мы — все живые существа — различаемся между собой только потому, что болеем от разных вирусов.
Глава 10. Играющая природа
Портрет в протоплазме
В лаборатории Кристофера Войта в Калифорнийском университете в Сан — Франциско E. coli может изготовить для вас портрет. Войт поместит вашу фотографию перед специально затененным хитроумным устройством. Отраженный от картинки свет попадает на пластинку покрытую тонким слоем E. coli. Этот штамм Войт и его коллеги создали в 2005 г. Они пересадили бактерии гены, часть из которых позволяет им чувствовать свет, а часть — продуцировать темный пигмент. Гены подключены таким образом, что если микроорганизм ощущает свет — к примеру, отраженный от фотографии, — то гены, отвечающие за синтез пигмента, блокируются. Бактерии, на которые попадают фотоны, отразившиеся от светлой части фотографии, остаются прозрачными. Те же, на которые свет не попадает, продолжают вырабатывать пигмент и постепенно темнеют. На пластинке проявляется изображение — мутноватое и нерезкое, но вполне узнаваемое.
Глава 10. Играющая природа
Портрет в протоплазме
В лаборатории Кристофера Войта в Калифорнийском университете в Сан — Франциско E. coli может изготовить для вас портрет. Войт поместит вашу фотографию перед специально затененным хитроумным устройством. Отраженный от картинки свет попадает на пластинку покрытую тонким слоем E. coli. Этот штамм Войт и его коллеги создали в 2005 г. Они пересадили бактерии гены, часть из которых позволяет им чувствовать свет, а часть — продуцировать темный пигмент. Гены подключены таким образом, что если микроорганизм ощущает свет — к примеру, отраженный от фотографии, — то гены, отвечающие за синтез пигмента, блокируются. Бактерии, на которые попадают фотоны, отразившиеся от светлой части фотографии, остаются прозрачными. Те же, на которые свет не попадает, продолжают вырабатывать пигмент и постепенно темнеют. На пластинке проявляется изображение — мутноватое и нерезкое, но вполне узнаваемое.
Кристофер Войт — доцент с длинным списком научных публикацией. Но, помимо этого, он настоящий сын века биотехнологий. Он еще не родился, когда в 1970–е гг. ученым впервые удалось встроить чужеродные гены в геном E. coli. Этот успех стал одним из важнейших событий в истории биологии. При помощи генной инженерии ученым удалось разобраться в некоторых загадочнейших особенностях генома. E. coli превратили в рабочую лошадку. Возникла целая отрасль промышленности, в которой задействовано $75 млрд. Освоив искусство встраивания генов в геном на E. coli, специалисты начали встраивать их в другие микроорганизмы, а затем в животных и растения. Сегодня козы вместе с молоком вырабатывают лекарства, а на 250 млн га сельскохозяйственных земель выращиваются растения с искусственно встроенными в них генами, обеспечивающими устойчивость к гербицидам и пестицидам.
Но это не значит, что E. coli как объект исследований отошла в тень. Ученые по — прежнему с удовольствием используют ее при разработке новых инструментов и методов управления жизнью. Работа Войта, к примеру, — часть новой разновидности генной инженерии, получившей название синтетической биологии. Вместо того чтобы переносить гены поштучно от одного вида к другому, специалисты по синтетической биологии стремятся создавать с нуля целые генетические схемы. Они соединяют гены разных видов в систему, а затем настраивают ее на выполнение новых функций. Пока им удается создавать лишь красивые и наглядные доказательства принципиальной осуществимости этой идеи — такие, к примеру, как бактериальная фотокамера Войта. Однако в будущем эти эксперименты могут привести к созданию микроорганизмов, вырабатывающих электроэнергию из солнечного света или лекарства, но только в заданных условиях (назовем их «умными» лекарствами). Специалисты по синтетической биологии пытаются даже разобрать E. coli на составные части и вновь использовать некоторые из них при создании жизни.
В новом направлении исследований полно противоречий. В настоящий момент идут горячие споры о рисках, связанных с синтетической биологией и другими достижениями биотехнологии. Эти риски разнообразны и многочисленны — это и случайное попадание в природу опасных искусственных организмов, и намеренное создание всевозможных типов биологического оружия. «Умные» лекарства несложно превратить в «умную» инфекцию. Кроме того, синтетическая биология дала новый толчок старым спорам о моральной допустимости биотехнологий как таковых. Сегодня мир столкнулся с массой самых разных научных исследований, разобраться в которых порой просто невозможно, — от мышей, выращивающих в своем мозгу человеческие нейроны, до созданных смертоносных вирусов. Чтобы прийти в этих спорах хоть к какому‑то результату, нам необходимо серьезно обдумать, что значить быть живым и как биотехнология меняет смысл этого понятия. E. coli, главный микроорганизм биотехнологического века, может многое нам рассказать. Лицо на пластинке смотрит на оригинал — это скорее зеркало, чем портрет.
Неолитические биотехнологии
Биотехнологии рождались многократно, и каждый раз это происходило вслепую.
Человек начал манипулировать другими формами жизни по крайней мере 10 000 лет назад: его целью было получение полезных вещей, таких как пища и одежда. В Юго — Восточной Азии, Турции, Западной Африке и Мексике люди одомашнивали животных и растения. Вероятно, сначала это происходило неосознанно. Собирая растения, люди предпочитали определенные разновидности, и их семена случайно сыпались на землю возле стоянки. Дикие предки собак, бродившие вокруг костров и питавшиеся объедками, вероятно, передавали своим щенкам гены общительности. Эти виды адаптировались к жизни с человеком посредством естественного отбора. Как только человек начал возделывать землю и выращивать скот, естественный отбор уступил место отбору искусственному, поскольку человек уже сознательно отбирал для продолжения рода особей с нужными ему свойствами. Эволюция ускорилась, и человек создал целую галерею гротескных тварей — от плоскомордых мопсов до тыкв размером с приличный валун.
Надо сказать, что неолитические биотехнологи манипулировали и микроорганизмами тоже. Они научились делать пиво и вино или, вернее, поняли, как заставить дрожжи сделать пиво и вино. Человеку достаточно было просто создать условия, при которых дрожжам удобнее всего будет превращать сахар в спирт. Дрожжи, выделяя углекислый газ, заставляли хлеб подниматься. Одомашненные микроорганизмы эволюционировали, точно так же как дикорастущий злак теосинте эволюционировал в кукурузу, а жилистая дикая курица — в упитанную домашнюю птицу. Дрожжи сегодняшних виноделов отличаются от своих диких родичей, покрывающих древесную кору.
К примеру, с появлением йогурта развилась целая бактериальная экосистема. Его изобрели пастухи — кочевники, жившие на Ближнем Востоке, около 5000 лет назад. Возможно, однажды они обратили внимание на то, что молоко загустело и приобрело характерный вкус, а протухать не торопилось. По всей видимости, бактерии, которые прежде питались растениями, случайно попали в молоко и, размножаясь в нем, изменили его химический состав. Пастухи обнаружили, что если положить немного такого загустевшего продукта в свежее молоко, то оно тоже изменится. Бактерии в этих культурах оказались в плену новых экосистем и адаптировались к подобным условиям, развивая умение все лучше утилизировать молоко и отбросив ненужные для этого гены.
Человек полуосознанно экспериментировал с животными, растениями и микроорганизмами тысячи лет. Но в XIX в., когда началось проникновение в микромир, у ученых появились новые способы управлять природными объектами. При первых попытках такого рода методы использовались простые, но мощные и наглядные. Луи Пастер продемонстрировал, что именно бактерии делают вино кислым, а молоко — опасным. Сильное нагревание убивает эти вредные бактерии, отчего дети становятся здоровее, а любители и знатоки вина — счастливее.
Обнаружив подобные алхимические свойства бактерий, микробиологи начали активно искать виды микроорганизмов, которые могли бы выполнять новые полезные химические задачи. Хаим Вейцман, первый президент Израиля, первоначально прославился именно в области биотехнологий. Во время Первой мировой войны, проживая в Британии, он открыл бактерии, способные производить ацетон — важный компонент взрывчатых веществ. Уинстон Черчилль быстро воспользовался этим открытием, построив целую сеть фабрик, на которых бактерии делали дешевый ацетон для военно — морского флота Великобритании. Следующее поколение микробиологов, пытаясь заставить бактерии работать эффективнее, занималось уже их генами. Подвергнув пенициллиновую плесень облучению, ученые получили мутантные экземпляры с дополнительными копиями генов, отвечающих за производство пенициллина, которые позволили увеличить производство ценного лекарства.
Научившись манипулировать живыми организмами, ученые задумались о том, что ожидает нас впереди. В 1923 г. британский биолог Джон Холдейн написал произведение в жанре научной фантастики. От лица воображаемого историка будущих времен он рассказывает о создании в 1940 г. нового штамма водорослей, способных извлекать азот из воздуха. Будучи рассыпанными над полем, они так эффективно удобряли почву, что удваивали урожай. Но затем часть водорослей случайно попала в море, и поверхность Атлантики превратилась практически в желе. Это вызвало вспышку численности рыбы, которой после этого стало столько, что ею могло прокормиться все человечество.
«Разумеется, именно в результате вторжения Porphyrococcus море приобрело фиолетовый цвет, который сегодня кажется нам столь естественным, но который очень расстраивал эстетически настроенную часть наших прародителей, бывших свидетелями перемены, — писал Холдейн. — Нам, конечно, любопытно читать о том, что море когда‑то было голубым или зеленым».