Требуется сборка. Расшифровываем четыре миллиарда лет истории жизни – от древних окаменелостей до ДНК - Нил Шубин

Колесо существует на Земле около шести тысяч лет. Чемодан – несколько столетий. Чемоданы на колесах были изобретены несколько десятков лет назад и изменили жизнь многих путешественников. Каждый раз, когда я оказываюсь в аэропорту, я радуюсь тому, как в результате нового сочетания вещей может получиться революционное изобретение.

Органеллы Маргулис продемонстрировали мощь новых сочетаний как источника изобретений в мире природы. Что, если линия организмов не будет изобретать что-либо самостоятельно, а позаимствует признак, возникший у другого вида? Митохондрии, снабжающие энергией наши клетки, не были изобретены в результате изменений нашего генома, когда наш предок был еще одноклеточным существом. Они были изобретены кем-то другим, а затем переняты и перепрофилированы в тот момент, когда эти древние бактерии слились с нашей линией. Аналогичным образом, инфицируя геномы на протяжении миллионов лет, вирусы обеспечили им возможность синтезировать новые белки. Когда эти вирусы стали применяться по иному назначению, возникли новые молекулы, поддерживающие механизмы беременности и памяти.

Случается, что признаки появляются у одних видов, а затем заимствуются, воруются или модифицируются для нового использования другими видами. Новые хозяева могут приобретать готовые изобретения, вместо того чтобы выдумывать их самостоятельно. Комбинация частей и новые типы существ, которые могут из них формироваться, открывают возможности для эволюции.

На протяжении миллиардов лет жизнь существовала в виде одноклеточных организмов, и изобретения касались способов переработки энергии и химических соединений из окружающей среды. Жизнь была крохотной. Появление более крупных существ создало новые возможности для производства белков, для движения и питания. Телесные существа – животные, растения, грибы – появились на планете сравнительно недавно, и все они состоят из клеток, возникших в результате слияния разных существ. Изобретение тела открыло новый путь эволюции. Существа, состоящие из многих клеток, получающих энергию от собственных органелл, могут увеличиваться в размере и обзаводиться новыми тканями и органами. Результат этого процесса – разнообразие тканей и органов, помогающих животным взлетать на большую высоту, погружаться в глубины океана и конструировать спутники для изучения отдаленных уголков Солнечной системы.

Комбинирование, заимствование и переназначение технологий и изобретений, сделанных другими видами, служило нам в прошлом на протяжении миллиардов лет. Но это также часть нашего будущего.

В 1993 году испанский микробиолог Франсиско Мохика исследовал соляные болота на побережье Коста-Бланка на юге Испании. Он хотел понять, как бактерии смогли приспособиться к жизни в средах с очень высоким содержанием соли. Что-то в их геноме обеспечивало им устойчивость к факторам окружающей среды, которые для большинства видов смертельны. В результате почти десятилетней работы Мохика расшифровал геном бактерий и нашел объяснение этого странного признака. Большая часть ДНК этих бактерий представляла собой стандартную бактериальную последовательность букв. Но в некоторых местах встречался короткий фрагмент, образующий палиндром, который одинаково читается в обоих направлениях, как имя Анна, только в этом случае последовательность состоит из букв А, Т, G и С. Кроме того, все короткие блоки палиндромов равномерно отделены друг от друга другими последовательностями, в результате чего возникает повторяющийся рисунок: палиндром, вставка (спейсер), опять палиндром и какая-то другая вставка. И вот вам еще один пример множественности в науке: одна японская лаборатория обнаружила эти палиндромные последовательности примерно за десять лет до Мохики.

Заподозрив, что это не случайность, Мохика начал искать этот странный рисунок в геномах других бактерий. Как можно догадаться, он обнаружил, что это удивительно распространенный тип последовательности, имеющийся более чем у двадцати видов. Такой четко выраженный и распространенный генетический рисунок должен нести какую-то функцию, но в чем она заключается?

К тому времени Мохика уже организовал собственную лабораторию в Испании, но для секвенирования или других высокотехнологичных лабораторных манипуляций ему не хватало финансирования. Однако он был настроен решительно и использовал свой настольный компьютер, несколько текстовых процессоров и возможности интернета для анализа генетических баз данных. Он вводил в программу последовательности палиндромов и разделяющих их спейсеров и искал, не встречаются ли они где-нибудь еще. И он их нашел, только не в бактериях. Наиболее точное совпадение он обнаружил с последовательностью вируса. Более того, это был один из вирусов, в отношении которых данный вид бактерий выработал устойчивость. Мохика на достигнутом не остановился и погрузился в изучение 88 спейсеров, разделяющих палиндромы. Более двух третей этих последовательностей соответствовали последовательностям вирусов, к которым бактерия была устойчива. Похоже, эти участки защищали бактерию от вторжения вируса.

Мохика выдвинул серьезную, но непроверенную гипотезу, что такие системы палиндромов со спейсерами представляют собой оружие бактерий против вирусов. Он написал на эту тему статью и послал ее в один из ведущих научных журналов. В первом журнале ее отвергли, даже не направив на рецензию. Из другого журнала ее вернули из-за отсутствия “значимости или новизны”. Процесс повторялся пять раз, пока наконец работу не приняли в журнал по молекулярной эволюции. В том же году статью на эту же тему независимым образом опубликовали исследователи из французской лаборатории, использовавшие несколько иные методы анализа.

Далее к поиску подключились и другие лаборатории. Бактериальная защита могла оказаться ценнейшим оружием для производителей йогуртов, поскольку йогуртовые культуры страдают от нападений вирусов. На этой волне вскоре было убедительно доказано, что данная система эволюционировала в гонке вооружений между бактериями и вирусами. Вирусы нападают на бактерии, как на людей. Люди побеждают большинство вирусов с помощью иммунной системы. И описанный бактериальный механизм является неким вариантом иммунной защиты. Механизм основан на действии молекулярного “гида” и “скальпеля”: палиндромы подводят молекулярный “скальпель” к месту назначения, чтобы вырезать вирусную ДНК и обезвредить вирус. Это защита против эгоистичной природы вирусов, заставляющей их инфицировать другие клетки, размножаться и заполонять чужие геномы.

После этих открытий в ряде лабораторий мира были выполнены изобретательные и невероятно важные исследования молекулярного “скальпеля” (эту последовательность называют Gas у) с целью установить, как перепрофилировать систему для редактирования не только вирусной ДНК, но ДНК любого существа. В научные журналы каждый месяц сыпались статьи, описывающие способы модификации бактериальной системы для использования в организмах других видов. Эта техника, названная CRISPR-Cas (та самая, которую Нипам Патель использует для перемещения конечностей в Parhyale), лежит в основе редактирования генома – теперь уже хорошо известной методологии изменения геномов растений, животных и человека, которая приносит пользу в самых разных областях от сельского хозяйства до медицины. И это только начало: почти каждый месяц появляются сообщения о разработке более точных, быстрых и эффективных методов.