Расшифрованная жизнь. Мой геном, моя жизнь - Крейг Вентер

Из всех изученных семейств белков наиболее интересными оказались ферменты киназы, регулирующие многие базовые клеточные функции в нашем теле. Они контролируют активность белков и небольших молекул в клетках, присоединяя к ним фосфатные химические группы. В силу важности киназ они являются основными «мишенями» при лечении раковых и других заболеваний. Раньше считалось, что для различных биологических царств характерны различные семейства киназ. Наши собственные клетки предположительно использовали эукариотические протеинкиназы (эПК), а бактерии – гистидинкиназы. Мы, однако, обнаружили, что киназы типа эПК встречаются в бактериях даже чаще, чем гистидинкиназы. Выяснилось также, что почти во всех семействах киназ основные десять свойств белка совпадают, то есть являются определяющими характеристиками киназы. Данные по генам, общим для большого числа организмов, могут, таким образом, использоваться как нечто вроде машины времени. Мы можем выявить, какие киназы присутствовали в организме общего предка и, в данном конкретном случае, прийти к выводу о том, что несколько семейств киназ существовали перед разделением жизни на три царства, произошедшим миллиарды лет назад.

Поразительное открытие сделала экспедиция «Чародей-2» и в науке, изучающей изменения климата. Для некоторых участков океана, как выяснилось, характерна повышенная концентрация организмов, активно поглощающих двуокись углерода. Традиционно считалось, что эти популяции возникают в областях повышенного содержания питательных веществ. Реальность может оказаться куда сложнее. Пониженное содержание микроорганизмов в некоторых морях, по-видимому, объясняется деятельностью вирусов-бактериофагов. Если нам удастся разобраться в этих взаимоотношениях и научиться ингибировать вирусы либо повысить устойчивость бактерий к фагам, станет возможным резкое повышение количества организмов, поглощающих углекислый газ и смягчающих изменения климата. Благодаря этой новой концепции появляются и другие удивительные возможности. На основании открытия миллионов новых генов мы приступаем к формированию «набора инструментов», который позволит начать новую фазу эволюции. Микробы играют важнейшую роль в земной атмосфере. Деревья поглощают углекислый газ благодаря фотосинтезу. То же самое делают и океаны, хотя и по другим механизмам. Удастся ли нам спроектировать новые организмы, которые могли бы заселить системы очистки выбросов на теплоэлектростанциях, поглощая двуокись углерода? Можно ли приручить микроорганизмы, поставив их уникальную биохимию на службу святому делу очистки атмосферы? Можно ли убедить микробные легкие планеты дышать глубже? Все эти идеи не так безумны, как кажутся.

Далее, кислородом, которым мы дышим, мы обязаны изменениям в популяции микроорганизмов, произошедшим более 2 миллиардов лет назад. Эти микроорганизмы были вынуждены избавиться от кислорода, чтобы избежать отравления, и их «кислородные отходы» стали частью атмосферы. Возможно, для борьбы с последствиями сжигания ископаемого топлива почвенные микробы следует «убедить» поглощать побольше углерода. Сообщества микроорганизмов, которые формируют состав легких Земли, можно сконцентрировать в шахтах, глубоких водоносных слоях или в пустынях.

В первую очередь необходимо расшифровать геномы микроорганизмов, растений и тысяч других существ, которые борются с загрязнением окружающей среды, будь то углекислый газ, радионуклиды или тяжелые металлы. Большая часть таких геномов уже секвенирована, в основном, моими методами, а многие из них – моими же сотрудниками. Затем я использовал способ изучения микроорганизмов Саргассова моря для исследования воздуха, которым дышат на Манхэттене жители Нью-Йорка. В настоящее время этот город является испытательным полигоном для моего проекта «Геном воздуха», в котором я надеюсь выявить бактерии, грибы и вирусы, попадающие в наши легкие при каждом вдохе. Секвенирование многих других микроорганизмов продолжается, даже пока я пишу эту книгу. На основе информации, полученной при изучении огромного количества микроорганизмов, я сумею не только изучить новые способы мониторинга качества воздуха и противодействовать биотерроризму, но и узнать, можно ли использовать эти организмы и их «умную химию» для ликвидации последствий загрязнения окружающей среды.

Если говорить о попытках противодействия глобальному потеплению, у нас уже есть длинный список перспективных для изучения организмов. Торфяные болота содержат Methylococcus capsulatus, участвующие в круговороте парникового газа метана. Rhodopseudomonas – это почвенные бактерии, преобразующие углекислый газ в вещества клеток, а газообразный азот в аммиак; они также могут выделять водород. Nitrosomonas europaea и Nostoc punctiforme тоже принимают участие в фиксации азота. Из множества морских микроорганизмов наибольшую роль в трансфере углерода в океанские глубины играют диатомовые водоросли Thalassiosira pseudonana. С помощью всех этих микроорганизмов мы сумеем управлять процессами загрязнения нашей атмосферы.

Но это еще не всё! Давайте пойдем дальше. Возможно ли применить наши сегодняшние знания для проектирования и создания, химическим путем, хромосом новых видов и первых саморазмножающихся искусственных форм жизни – для разработки новых альтернативных источников энергии? Это предложение не может не вызвать беспокойства биофундаменталистов, но является, однако, естественным продолжением тысячелетних усилий человечества по использованию биологических процессов в промышленном производстве. Биотехнология уходит корнями в глубь веков, когда путем сбраживания винограда впервые был получен этиловый спирт, первое биотопливо.

Уже имеются свидетельства, что микроорганизмы могут произвести настоящую революцию в нефтехимической промышленности. DuPont – одна из многих компаний, которые традиционно полагались на недорогую нефть и синтез из нее полимеров, используемых для производства одежды, ковров, различных волокон, канатов и пуленепро биваемых жилетов. Сегодня эта компания находится в авангарде исследований, цель которых – отказ от нефти и использование искусственных бактерий, питающихся углеводами, возобновляемым источником углерода из растений, производящих углеводы из углекислого газа воздуха.

Исследователи компании DuPont, работающие с Genencor в Пало-Альто, уже модифицировали бактерии E. coli для превращения глюкозы в соединение под названием «пропандиол». На заводе в Теннесси используют тонны бактерий для получения из кукурузного сиропа полимера Sorona, применяемого этой компанией в производстве ковров и одежды с грязезащитным покрытием. И это только начало. Что, если бы мы могли создать бактерии для получения различных видов топлива – бутана, пропана и даже октана только из углеводов? А еще лучше, если бы мы создали такие бактерии, которые будут использовать целлюлозу – углеродсодержащий полимер, главную составную часть структуры растений. Такая фантастическая технология совершенно преобразила бы наш мир, ведь ограниченность запасов нефти на Земле приводит к чрезвычайно непропорциональному распределению богатства, что вызывает войны, способствует всеобъемлющему загрязнению природы и приводит к изменению климата, ураганам и засухе.

Идея создать искусственный геном зародилась у меня еще в 1995 году. Впервые в истории секвенировав в TIGR два генома, мы предприняли крупное исследование, чтобы попытаться определить минимальный набор генов, необходимый для жизнедеятельности одной клетки. До создания синтетической хромосомы, содержащей лишь гены, теоретически необходимые для жизни, оставался всего один шаг. Мы надеялись, что понимание самой сути жизни проложит путь к новому уровню управления генетической «архитектурой» организма.