Ген. Очень личная история - Сиддхартха Мукерджи

А что, если Коэн вырежет ген устойчивости к антибиотику из одной плазмиды и вставит его в другую? Будут ли тогда бактерии, прежде погибавшие от антибиотика, выживать, плодиться и получать селективное преимущество, в то время как бактерии с негибридными плазмидами продолжат гибнуть?

Мысль блеснула словно неоновая вывеска в островной тьме. В своих пионерских экспериментах Берг и Джексон не могли быстро опознавать бактерию или вирус, в которые попал чужеродный ген. Гибридную молекулу можно было вычленить из биохимического супа только по размеру: А + Б больше, чем А или Б. Плазмиды Коэна, несущие гены устойчивости к антибиотикам, давали мощное средство для отлова рекомбинантов. На помощь экспериментаторам придет сама эволюция. Естественный отбор, разворачивающийся в чашке Петри, природным путем отберет обладателей гибридных плазмид. Перенос устойчивости к антибиотикам от бактерии к бактерии подтвердит, что создание гибрида, то есть рекомбинантной плазмидной ДНК, прошло успешно.

Но как быть с основными техническими затруднениями Берга и Джексона? Если генетические химеры образуются с частотой одна на миллион, то даже самый искусный и эффективный метод отбора не сработает: отбирать здесь, по сути, нечего. Вдруг Бойера что-то толкнуло заговорить о ферментах, режущих ДНК, и о том, как Мерц усовершенствовала процесс создания генетических гибридов. Затем наступила тишина: у Коэна и Бойера в головах закрутилась одна и та же мысль. Конвергенция была неизбежна. Бойер очистил ферменты, позволяющие гораздо эффективнее создавать ДНК-гибриды; Коэн выделил плазмиды с простыми маркерами для отбора и способностью легко распространяться между бактериями. «Идея, – вспоминал Фалкоу, – была слишком очевидной, чтобы ее упустить».

«Это значит…» – начал Коэн медленно и отчетливо.

Берг прервал его на полуслове: «Точно… это могло бы получиться…» «Иногда в науке, как и вообще в жизни, – писал потом Фалкоу, – не обязательно заканчивать мысль или фразу». Эксперимент представлялся столь очевидным, столь восхитительно простым, что его можно было бы провести со стандартными реактивами за один вечер: «Смешаем разрезанные EcoRI плазмиды, воссоединим их и получим какой-то процент рекомбинантных молекул. Отобрав по признаку устойчивости к антибиотикам бактерии, которые получили чужеродный ген, мы отберем и эти самые гибридные ДНК. Вырастив миллион потомков одной из таких бактерий, получим миллионы гибридных ДНК. Мы клонируем рекомбинантную ДНК».

Такой эксперимент был бы не только новаторским и эффективным, но и потенциально куда более безопасным. В отличие от вирусо-бактериальных гибридов Берга и Мерц, химеры Коэна и Бойера состояли бы только из бактериальных генов, которые представлялись куда менее угрожающими. Ученые так и не нашли причин откладывать создание подобных плазмид. В конце концов, бактериям от природы дано обмениваться генетическим материалом, словно сплетнями; свободный рынок генов – одна из главных отличительных черт микромира.

Той зимой и ранней весной 1973-го Бойер и Коэн неистово работали над созданием генетических гибридов. Плазмиды и ферменты курсировали между Стэнфордом и Калифорнийским университетом в Сан-Франциско (КУСФ) по шоссе 101 в «Фольксвагене-жуке», за рулем которого сидел ассистент из лаборатории Бойера. К концу лета работа ученых увенчалась успехом: два фрагмента ДНК из двух бактерий удалось объединить в химерную молекулу. Бойер запомнил прорывной момент совершенно отчетливо: «Я смотрел на первые гели[625], и, помню, на глаза наворачивались слезы – настолько это было здорово». Наследственные идентичности, взятые у двух организмов, были перетасованы и собраны в одну новую – подобраться к философии бытия ближе было уже невозможно.

В феврале 1973-го Бойер и Коэн были готовы к размножению первой искусственно созданной химеры в живых клетках. Они разрезали две бактериальные плазмиды одинаковыми ферментами рестрикции и переместили генетический материал с одной на другую. Целостность гибридной плазмиды восстановили лигазой, и готовую химеру внедрили в бактериальные клетки с помощью модифицированной версии трансформации. Бактерии с гибридной ДНК образовали на чашке Петри крошечные полупрозрачные колонии, жемчужинами блестящие на селективном агаре.

Однажды вечером Коэн перенес в колбу со стерильным питательным бульоном одну колонию бактерий с гибридным геномом. Всю ночь бактерии размножались при непрерывном взбалтывании среды на лабораторной «качалке». В колбе постепенно появлялись сотни, тысячи, а затем и миллионы копий генетических химер, каждая из которых сочетала в себе наследственный материал двух совершенно разных организмов. Новый мир тихонько рождался в ночи под механическое «тук-тук-тук» бактериального инкубатора.

Новая музыка

Каждому поколению нужна новая музыка[626].

Фрэнсис Крик[627]

Люди сегодня из всего делают музыку[628].

Ричард Пауэрс,

«Орфей» (Orfeo)

Пока Берг, Бойер и Коэн перемешивали в пробирках фрагменты генов в Стэнфорде и КУСФ, не менее важный прорыв в генетике случился в Англии, в одной из лабораторий Кембриджа. Чтобы понять суть этого открытия, нужно вновь обратиться к официальному языку генетики. Основные структурные элементы генетического, как и любого другого языка, – это алфавит, словарь, синтаксис и грамматика. В «алфавите» генов всего четыре буквы – А, Ц, Г и Т. «Словарь» состоит из триплетов – три нуклеотида ДНК, прочтенные вместе, кодируют одну аминокислоту в белке: АЦТ кодирует треонин, ЦАТ кодирует гистидин, ГГТ кодирует глицин, и так далее. Белки – это «предложения», зашифрованные в генах, где определяемые трехбуквенным кодом «слова» выстроены цепочкой: АЦТ-ЦАТ-ГГТ кодирует пептид треонин-гистидин-глицин. А система регуляции генов, как обнаружили Моно и Жакоб, создает контекст для этих слов и предложений, тем самым придавая им значение. Регуляторные последовательности, примыкающие к гену и служащие сигналами для его включения или выключения в определенное время в определенной клетке, можно рассматривать как внутреннюю грамматику генома.

Но алфавит, грамматика и синтаксис генетики существуют исключительно внутри клетки, для человека это не родной язык. Чтобы биологи могли читать и писать на нем, нужно было изобрести новый набор инструментов. «Писать» – значит собирать слова и фразы в уникальные комбинации, создавая новые смыслы. В Стэнфорде Берг, Коэн и Бойер уже учились писать «на генетическом», используя молекулярное клонирование: они строили из ДНК предложения, которых раньше в природе не было (бактериальный ген в соединении с вирусным давал новый генетический элемент). А вот «чтение» генов, то есть определение последовательности нуклеотидов того или иного участка ДНК, все еще было гигантской технической проблемой.

Забавно, что именно те свойства, которые позволяют клеткам читать ДНК, делают ее неразборчивой для людей – в частности, для химиков. ДНК, как предсказывал Шрёдингер, уже своей структурой бросает им вызов: это молекула изумительных противоречий – однородная и в то же время бесконечно разнообразная, до предела повторяющаяся и при этом до предела своеобразная. Обычно химики, определяя структуру молекулы, разбивают ее на все