Загадочный автограф

Загадочный автограф

Промотаем время на сорок лет вперед. Мы окажемся в конце 1980-х годов, когда только-только стала возникать наука геномика. Люди научились определять последовательность букв в генах. Геном бактерии – несколько миллионов букв, и есть технология, которая позволяет читать эти и даже гораздо более длинные генетические тексты, например геном человека, длина которого составляет три миллиарда букв. Генетические тексты можно читать и анализировать с помощью компьютера, занимается этим новая отрасль биологии – биоинформатика.

При анализе генетических текстов выяснилось, что некоторые из них являются генами, то есть кодируют белки. Но есть и такие участки, которые, казалось бы, ничего не кодируют. Один такой любопытный участок был обнаружен в ДНК кишечной палочки. Он сложен из многократно повторенной короткой последовательности длиной всего тридцать-сорок букв-нуклеотидов. А между этими повторами заключены другие кусочки, примерно такой же длины, но имеющие разные, неповторяющиеся последовательности. То есть имеется кассета с повторами и находящимися между ними спейсерами-разделителями. Позже подобные кассеты были обнаружены у самых разных бактерий, но для чего они нужны, какая у них функция, ученые не знали. Назвали такие кассеты CRISPR – от английского «сгруппированные, регулярно разделенные короткие палиндромные повторы».

Но тот факт, что ученые не понимали биологическую роль CRISPR, совершенно не помешал предприимчивым людям их использовать. Выяснилось, например, что у бактерий, вызывающих туберкулез[25], почти все гены одинаковые, а CRISPR-участки – разные. Бактерия, выделенная в томской тюрьме, и бактерия, выделенная в омской тюрьме (а туберкулез распространяется в основном в тюрьмах), содержат совершенно разные спейсеры-разделители в своих CRISPR-кассетах. Если в московский госпиталь приходит человек с туберкулезом, там выясняют, каков набор спейсеров в ДНК заразивших его бактерий. Когда выяснится, что у него скорее «омская», чем «томская» бактерия, можно принять соответствующие эпидемиологические меры.

А можно использовать CRISPR и по-другому. Компания Danisco[26] контролировала около 40 % мирового рынка культур-заквасок для кисломолочных продуктов. Компания располагала огромным каталогом различных штаммов бактерий, и каждый штамм позволял делать какой-то кисломолочный продукт с определенными коммерческими свойствами. Свои штаммы они продавали на молочные заводы. Надо сказать, что это непростой бизнес: если вы продаете кому-то живую культуру, то у вас ее купят один раз, а больше покупать не будут, а начнут выращивать сами, да еще и передавать другим, как русские бабушки передают друг другу культуру чайного гриба. К счастью, CRISPR можно использовать для выявления, кто у кого что украл. Дело в том, что все бактерии, которые делают молочнокислые продукты, родственны друг другу, но все-таки чуть-чуть различаются. В частности, очень сильно различаются последовательности и число CRISPR-спейсеров, то есть они являются диагностическим признаком того или другого штамма. По этому признаку можно достоверно выявить штамм, похищенный из Danisco, и доказать факт нарушения контракта. Поэтому работники компании составили каталог CRISPR-спейсеров во всех культурах из своей коллекции и пользовались ими как базой отпечатков пальцев. По-прежнему не понимая, зачем они на самом деле нужны бактериям.

Тем временем владельцев молочных заводов мучила другая проблема. Помните, мы говорили о вирусах-бактериофагах? На земле их живет очень много, примерно в триллион миллиардов раз больше, чем людей. Бактериофаги любят жить там, где есть их еда, то есть бактерии, и часть их живет на молочных заводах, где они заражают бактерии заквасок. Вы купили молоко, внесли закваску, потираете руки в ожидании барышей, но вдруг появляется бактериофаг, культура портится, молоко приходится вылить. В ценовом выражении потери составляют до общего объема этого бизнеса.

Как помочь людям, которые хотят доставить на прилавки вкусные молочные продукты? Нужно сделать тот самый эксперимент, что делали Дельбрюк и Лурия в 1943 году: получить бактерии, устойчивые к вирусу. Это и делали в компании Danisco: брали бактерию из своего каталога, брали вирус, доставляющий проблемы на каком-то молочном заводе, и получали устойчивую к вирусу культуру. Только теперь это уже не кишечная палочка, за которую когда-то была получена Нобелевская премия, а лактобациллы[27].

А перед тем как продать эту культуру промышленникам, ее каталогизируют, чтобы никто не украл: это все-таки бизнес. Для этого подробно описывают кассету CRISPR – берут «автограф», отпечаток пальца полученной линии бактерий. Тут-то и заметили, что у всех устойчивых к вирусу культур в кассете появлялись новые фрагменты-спейсеры, в точности до одной буквы повторяющие кусочек генома того самого вируса, к которому появилась устойчивость. Вот такой любопытный научный результат.

Мы начинаем думать, что это неспроста: возможно, устойчивость связана с добавлением фрагмента из ДНК вируса в CRISPR-кассету бактерии. Говоря математическим языком, мы уже доказали, что это «необходимо»: у всех устойчивых культур в геноме появлялся новый вирусный кусочек. Чтобы доказать «достаточность», поставили молекулярно-генетический эксперимент: ученые сами взяли из вируса кусочек ДНК и вставили его в бактериальную клетку методами молекулярной генетики. И получили устойчивые к вирусу бактерии! Значит, для устойчивости необходимо и достаточно попадания небольшого участка вирусной ДНК в CRISPR-кассету бактерии.

Этот результат был опубликован в 2007 году в журнале Science, и он много что перевернул в биологической науке. Помните спонтанность мутаций? Это был основной вывод из работы Дельбрюка и Лурии, которые за это получили Нобелевскую премию. А в этом опыте, проведенном сотрудниками Danisco, результат оказался ровно обратным: ведь чтобы вставить кусок ДНК из вируса в CRISPR-кассету, надо хотя бы с этим вирусом встретиться. Если вируса нет, то и вставлять в кассету нечего.

Опыт, проведенный сотрудниками Danisco, фактически идентичен тому, что ставили Лурия и Дельбрюк, но результат получился противоположный. Люди ели кефир и в 1943 году, и если бы Лурия и Дельбрюк случайно взяли для своего опыта не кишечную палочку, а лактобациллу или какой-нибудь другой микроб, они пришли бы к другому выводу. Получается, что здание молекулярной биологии строится на довольно хлипких основаниях. Неужели зашаталась центральная догма?

Нет, мир не перевернулся. Дельбрюк и Лурия работали с изнеженной лабораторной культурой кишечной палочки, у которой по каким-то причинам механизм приобретенного иммунитета за счет действия CRISPR просто отсутствовал. Именно это и позволило им обнаружить важнейший факт спонтанного возникновения мутаций. Если бы у их бактерий работала кассета CRISPR, результат эксперимента был бы в некотором смысле безнадежно испорчен. Что, конечно, не помешало бы спонтанным мутациям оставаться главным механизмом дарвиновской эволюции – за исключением ламарковского явления приобретенного бактериального иммунитета под действием CRISPR-систем и еще, возможно, пары-тройки других особых случаев.