Неандерталец. В поисках исчезнувших геномов - Сванте Пэабо

Рис. 12.2. Павао Рудан, Желько Кучан и Иван “Джонни” Гушич, трое членов Хорватской академии наук, которые помогли нам с образцами неандертальских костей из пещеры Виндия. Фото: Павао Рудан, HAZU

Мы с Йоханнесом пробыли в Загребе четыре дня и вернулись в компании Павао, Желько и Джонни, а у Джонни в чемоданчике лежали стерильные упаковки с восемью вожделенными костями, и среди них знаменитая Vi-80, теперь официально переименованная Vi-33.16 (рис. 12.1).

Мы прибыли в Лейпциг поздно вечером. А с утра первым делом отнесли кости к нам в отдел эволюции человека, где их, не вынимая из упаковок, просканировали на томографе – теперь их морфологическое строение навечно зафиксировано в электронном виде. А потом в игру вступил Йоханнес и забрал кости в “чистую комнату”.

Рис.12.3. Отбор проб из неандертальской кости стерильным буром. Фото: MPI-EVA

С помощью стерильного зубоврачебного сверла он удалял два-три миллиметра поверхности с каждой из костей. Затем сверлил маленькую дырочку до плотной внутренней части кости. Ему приходилось часто останавливаться, чтобы сверло не нагрелось и чтобы из-за нагрева не потерять потенциальную ДНК (рис. 12.3). Ему требовалось примерно 0,2 грамма костного материала; этот материал опускался в раствор, который в течение нескольких часов растворял и связывал костный кальций. От кости оставались комочки белков и других неминеральных компонентов, ДНК же попадали в раствор, то есть в жидкую часть смеси. Йоханнес изолировал молекулы ДНК, соединяя их с кремнием – этот метод четырнадцать лет назад с успехом применял Матиас Хёсс для выделения ДНК из древних костей.

Чтобы подготовить молекулы ДНК для секвенирования по методу 454, Йоханнесу нужно было с помощью определенных ферментов убрать раскрученные и одиночные кусочки нитей ДНК на концах. Потом, используя следующий фермент, он пришивал к концам древних фрагментов специально синтезированные короткие отрезки современной ДНК, так называемые адаптеры. С присоединенными адаптерами отдельные фрагменты ДНК можно было “читать” на секвенаторе, как книгу; коллекция таких прочтенных “книг” складывалась в библиотеку. Адаптеры специально синтезировали для нашего проекта: они содержали короткую последовательность из четырех оснований, ТГАЦ, и эта цепочка должна была оказаться на стыке синтезированной и древней ДНК и служить своеобразным маркером искомых фрагментов. Это была одна из тех незаметных технических мелочей, которые часто играют огромную роль в продвижении молекулярной биологии в целом и в области исследования палео-ДНК в частности. Мы применили эти маркеры, так как наши библиотеки древних ДНК должны в какой-то момент покинуть чистые помещения и отправиться на секвенаторы 454. Чтобы наверняка быть уверенными, что ДНК из других библиотек, с которыми мы работаем в лаборатории, не попали в неандертальские библиотеки, мы будем обращать внимание только на те последовательности, которые начинаются с ТГАЦ. Идею адаптеров мы разработали и опубликовали в 2007 году[53] .

Проведя все эти процедуры, Йоханнес приготовил вытяжки из восьми новых костей из Виндии. Затем он прогнал экстракты через ПЦР, чтобы проверить содержание неандертальской мтДНК и уровень зараженности современной ДНК. Почти во всех костях он нашел неандертальскую мтДНК. Это вдохновляло, но после всех разочарований с костями из России, Германии и Испании я придерживал свой энтузиазм. Мы немедленно отсеквенировали случайную выборку фрагментов ДНК из каждой библиотеки, чтобы оценить долю ядерной неандертальской ДНК. Процесс этот занял несколько дней, и пока мы ждали результата, я едва мог сосредоточиться на чем-то другом и заниматься остальными проектами. Мы же сказали во всеуслышание по всему миру, что составим неандертальский геном. И если в костях из Виндии недостаточно ядерной ДНК, то придется столь же громко объявлять о неудаче. Я не знал, где еще искать кости, лучших не было.

И вот перед нами результаты. Некоторые кости содержали от 0,06 до 0,2 процента ядерной ДНК, так же как и в остальных местонахождениях. Но в трех костях мы нашли 1 процент, а в одной почти 3 процента ядерной ДНК! Эта одна и есть знаменитая Vi-33.16, бывшая Vi-80. Мы не отыскали “волшебную косточку” с сохранной ядерной ДНК, но с тем, что у нас есть, можно было работать.

Итак, не все потеряно!

Новогодние каникулы я провел в размышлениях: дела наши шли отнюдь не блестяще. Подсчитав, сколько нам потребуется костного материала, чтобы отсеквенировать полный геном, я получил десятки граммов. Столько не весили все имеющиеся у нас кости. Я чувствовал себя ужасно. Неужели я настолько безнадежный оптимист или просто сверх меры наивен? Что за идиотизм – верить в существование кости с бóльшим содержанием ДНК, чем в той первой кости из Виндии… Или я слишком понадеялся на 454, что она волшебным образом вытащит из рукава сверхмощную методику прочтения ДНК… Зачем я так лихо рискнул спокойствием и размеренной научной жизнью? Теперь я всего этого запросто могу лишиться.

Те двадцать пять лет, которые пришлись на мою работу в молекулярной биологии, были временем безостановочной технической революции. Те задачи, которые требовали в мои студенческие годы дней и недель изнурительного труда, теперь превратились в несложную процедуру: секвенаторы, пришедшие на современный рынок, выполняют ее за одну ночь. Трудоемкое и кропотливое бактериальное клонирование сменилось ПЦР, с помощью которой за несколько часов достигается результат тех прошлых многонедельных или многомесячных стараний. Вероятно, из-за этого я так легко решил, что за год-два мы сможем секвенировать в три тысячи раз быстрее, чем раньше, когда анализировались результаты для нашей концептуальной статьи в Nature. Действительно, с чего бы технологической революции останавливаться? За годы работы я усвоил, что в обычном случае, если речь не идет о сверхгениях, прорывы случаются, когда используются новейшие технологические достижения. Но это вовсе не означает, что мы должны становиться пленниками технологий и ждать, когда какое-нибудь изобретение чудесно разрешит наши трудности. Мы ведь можем немножко подсобить технологиям.

Я рассуждал так: если у нас мало костного материала и если в них ничтожное количество ДНК, то нужно хотя бы снизить потери ДНК на пути от экстракта к библиотеке. И после каникул на пятничном собрании я постарался донести до нашей группы чувство глубочайшего кризиса, в котором мы оказались. Я сказал, что на волшебную кость с кучей ДНК не осталось надежды и ничто чудесным образом нас не спасет. Мы должны использовать только то, что имеем, а это значит – заново переосмыслить каждый шаг лабораторных манипуляций. Например, что мы делаем при очистке ДНК-содержащих растворов? Ведь белков и других веществ в этих растворах совсем чуточка, а цена очистки – потеря большой доли ДНК. Если как-то минимизировать эти потери, то нам, может, и хватит имеющихся костей, и мы тогда дотянем до выпуска новых технологий 454.