Микрокосм. E. coli и новая наука о жизни

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».

Следующие 50 лет ученые разрывались между надеждой и страхом. Некоторые надеялись, что биотехнологии помогут человечеству создать альтернативу загрязненному современному миру, работающему на ядерной энергии; они придумали для себя утопию, в которой бедные страны могли обеспечить себе пищу и здоровье, не разрушая собственных природных ресурсов. Тем не менее идея о том, что можно заново написать рецепт жизни, вызывала у некоторых не восторг, а отвращение. Да, возможно, ученым удастся создать съедобный штамм дрожжей, способных питаться нефтью. Но кто же захочет его есть?

Помимо ученых, мало кто принимал все эти рассуждения сколько-нибудь всерьез. Несмотря на все успехи биотехнологий, к 1970 г. не наблюдалось никаких признаков того, что жизнь в обозримое время может измениться. А затем, совершенно неожиданно, ученые осознали, что могут менять генетический код по своему желанию и создать химеру, совместив в одном организме гены разных видов. И они вместе с E. coli занялись преобразованием нашей жизни. Девиз Моно приобрел еще одно значение: если ученые могут конструировать штаммы E. coli методами генной инженерии, то есть все основания полагать, что когда-нибудь они доберутся и до слонов.

Вырезать и вставить

До 1970 г. E. coli не играла в биотехнологиях никакой роли. В природе она не производила пенициллин или какое-нибудь другое ценное вещество. Она не превращала ячмень в пиво. Целью большинства ученых, исследовавших в те времена E. coli, была не прибыль, а знания о том, как устроены живые организмы. Они много узнали о том, как E. coli при помощи генов строит молекулы белков, как включаются и выключаются эти гены, как белки обеспечивают жизнь бактерии. Но, чтобы понять, как живет E. coli, им пришлось изготовить инструменты, при помощи которых с бактерией можно было работать. Со временем с помощью этих же инструментов ученые будут не только исследовать жизнь, но и зарабатывать состояния.

Возможности генетического конструирования застали специалистов по E. coli практически врасплох. В конце 1960–х гг. биолог Джонатан Беквит из Гарварда занимался исследованием lac — оперона — набора генов, которые включает E. coli, переходя на утилизацию лактозы. Чтобы разобраться в природе бактериального переключателя,

Беквит решил «вырезать» оперой из хромосомы E. coli. Он воспользовался тем фактом, что некоторые вирусы, инфицирующие эту бактерию, иногда случайно копируют lac — оперон вместе с собственными генами. Беквит с коллегами разделил двойные спирали ДНК двух разных вирусов и свел вместе по одной нити от каждого вируса. На участках, содержащих lac — оперон, нуклеотидные последовательности были комплементарными и смогли соединяться. Остальные части ДНК остались в виде одинарных нитей. Беквит с коллегами добавил к смеси вирусов вещества, разрушающие одинарные нити ДНК, и получил чистый оперон. Впервые в истории человеку удалось выделить определенные гены.

22 ноября 1969 г. Беквит встретился с прессой и объявил о своем открытии. И сообщил всему миру о том, что глубоко встревожен собственным достижением. Если он смог выделить гены из E. coli, то, возможно, в скором времени кто-то другой обернет его метод во зло — создаст с его помощью новую чуму или сконструирует новые разновидности человека. «Сегодня таких методов не существует, — сказал он, — но, скорее всего, пройдет не так уж много времени, и их можно будет использовать. Становится все страшнее и страшнее — особенно когда видишь, как наше правительство использует результаты биологических исследований во Вьетнаме, разрабатывает химическое и биологическое оружие».

Беквит мелькнул крупными заголовками на первых полосах The New York Times и других газет и пропал. Споры об опасностях генной инженерии смолкли. Ученые, не думая об опасности, вернулись к поискам новых способов работы с генами. Те, кто изучал человека, с завистью смотрели на инструменты, при помощи которых Беквит и его товарищи экспериментировали на E. coli.

Для исследования одного — единственного мышиного гена ученому может потребоваться ДНК сотен тысяч мышей. В результате было очень мало известно о том, каким образом генетическая информация в клетках животных транслируется в белки. Еще меньше было известно о самих генах — к примеру, о том, сколько их у человека или какую функцию каждый из них выполняет.