1 000 000 000 лет эволюции VS 100 лет в лаборатории
Вам никогда не стать Ньютоном или да Винчи, и дело даже не в природном гении. Вы можете быть умнее Хокинга, но это вам не поможет. Потому что всё простое уже открыто, а всё сложное требует не одной гениальной головы, а целого института, а лучше пары десятков и желательно из разных стран.
Сейчас никто не делает научных открытий в одиночку. Закрыться в лаборатории и часами смешивать склянки, преломлять лучи, баловаться с реактивами - об этом можно забыть, если твоя цель стать Нобелевским лауреатом. Первое и главное правило Нобелевского комитета: спасай мир, конкурируй и сотрудничай.
Второе правило: желательно будь мужчиной. Но второе правило - шутка, а точнее, жестокая и очевидная статистика и по вполне понятным причинам - девочки в науку обычно не идут. Например, до 2020 года Нобелевскую премию по химии получили 184 человека, но только 5 из них, начиная с Марии Кюри в 1911 году, были женщинами.
Фото из книги «Взломавшая код» Уолтер Айзексон
Любопытен и случай с Розалиндой Франклин - специалиста по структурной биологии и кристаллографии, результаты работы которой Нобелевский лауреат Джеймс Уотсон использовал без спроса. Только благодаря рентгеновским снимкам Розалинды Франклин, которую он небрежно называл «Рози», хотя они никогда не были друзьями, Уотсон и его коллега Фрэнсис Крик открыли спиралевидное строение молекулы ДНК.
Фото из книги «Взломавшая код» Уолтер Айзексон
Конечно, времена меняются, в науке становится проще добиться успеха и женщинам. Однако ещё 40 лет назад будущий нобелевский лауреат по химии Дженнифер Даудна решила, что в колледже хочет изучать химию, но школьный карьерный консультант сказал ей: «Нет, нет, нет. Девочки не занимаются наукой» - и посоветовал даже не пытаться сдать вступительный экзамен по химии.
Что ж, хорошо, что она его не послушалась и в итоге стала первооткрывателем техники редактирования генома CRISPR и Нобелевским лауреатом по химии. Генная инженерия стала возможна благодаря её усердной работе, вниманию к деталям и умению мыслить не так, как её коллеги.
Фото Дженнифер Даудны из книги «Взломавшая код» Уолтер Айзексон
Что такое CRISPR?
CRISPR расшифровывается как: Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats - короткие палиндромные повторы, регулярно расположенные группами. Эти палиндромы, или иначе локусы, расположены как предложения в тексте, где текст - ДНК. А разделяют эти локусы CRISPR спейсеры - в данной аналогии знаки препинания. Представить это можно так:
Довод. Довод? Довод!
«Довод» - и есть тот самый CRISPR. Именно такие палиндромы и привлекли внимание учёных. Зачем природе, которая любит экономить ресурсы, повторять в ДНК много раз одно и то же?
Оказалось, что знаки препинания (в ДНК - спейсеры) - кусочки ДНК вирусов, с которыми организм сталкивался, и захотел на будущее записать себе в ДНК ориентировку на вирус. Грубо говоря, разгадав методику CRISPR, мы научились понимать язык полинуклеотидных цепочек - ДНК и РНК - а именно самых любопытных для нас частей CRISPR - тех, что умеют убивать вирусы.
CRISPR превратился из термина в инновационный инструмент для редактирования генома в 2012 году, и разработали его Даудна и другие учёные. Но вообще природа придумала свой механизм CRISPR более 1 000 000 000 лет назад. В бактериях он появился в процессе эволюции для успешной борьбы с вирусами. Иными словами, повторяющиеся локусы CRISPR - это иммунная система, способная адаптироваться для борьбы с каждой новой волной вирусов.
Что такое ДНК и РНК и чем они отличаются?
Говоря жизнь, подразумеваем ДНК или РНК. Это цепочки нуклеотидов, в которых зашита вся нужная информация для создания новых и абсолютно таких же ДНК и РНК. Потому что жизнь обязана уметь реплицировать себя.
Нуклеотиды - это блоки, из которых состоят ДНК и РНК наряду с сахарами и фосфатами. На уроках биологии в школе вы могли запомнить их как 5 букв: A - Аденин; G - Гуанин, C -Цитозин, T - Тимин (у ДНК), U - Урацил (у РНК). У каждого живого организма эта последовательность букв уникальна. В ДНК человека около 3 000 000 000 таких нуклеотидов.
Если вы хотите наизусть переписать всю «Войну и мир», то для этого даже не нужно понимать русский язык - просто копируйте буквы. Именно это и происходит при репликации ДНК. А если в ДНК происходит мутация, то это означает, что один нуклеотид в цепочке заменили на какой-то другой.
ДНК (Дезоксирибонуклеиновая кислота) - надёжное хранилище информации, прочная последовательность нуклеотидов, состоящая из двух цепочек, скрученных в спираль. В ней хранится информация о различных РНК и белках организма. ДНК никогда не покидает ядра клетки. РНК (Рибонуклеиновая кислота) - буйная, извивающаяся одиночная цепочка нуклеотидов, способная извиваться в 3D-структуры и «склеиваться» с самой собой.
Долгое время наука игнорировала РНК, считая их недоразвитыми и вытворяющими трюки родственниками ДНК. Но оказалось, что именно РНК в нашем организме и выполняют всю реальную работу - например, запускает сборку нужной последовательности аминокислот для создания конкретного белка. А вот ДНК не может естественным образом воспроизводиться в отсутствие белков, запускающих химические реакции. Так что Дженнифер неспроста интересовалась именно молекулой РНК, способной к репликации себя.
Истоки жизни на Земле и идеальные дети - все ответы в РНК
В это трудно поверить, но у всех живых организмов, живущих сейчас, был один предок, которого учёные называют LUCA (Last Universal Common Ancestor - последний универсальный общий предок). В безжизненном бульоне аминокислот LUCA умела размножаться и передавать генетическую информацию, а делать это она могла только с помощью либо РНК, либо ДНК.
Учёные понимали, что устойчивая и тяжеловесная ДНК не могла появиться из ниоткуда. А значит, первая жизнь (а значит, и первые ДНК) на Земле и вообще во вселенной могла появиться только благодаря РНК. Именно вопросы возникновения жизни на Земле изначально и волновали Дженнифер. Она начала работать с биохимией РНК, а позже на неё вышли специалисты, изучающие CRISPR.
Дженнифер заинтересовало, как РНК некоторых вирусов, например коронавирусов, позволяет им захватывать контроль над механизмами клеток, отвечающими за производство белка?
Как именно работает CRISPR‐Cas9?
Вот как сама Дженнифер объяснила этот механизм своему 9-летнему сыну:
«За миллиарды лет бактерии выработали весьма странный и необычный способ защищаться от вирусов. И он способен к адаптации: всякий раз, когда появляется новый вирус, механизм учится распознавать его и давать ему отпор. И мы нашли один белок - фермент Cas9. Его можно запрограммировать, чтобы он находил и разрезал вирусы».
Ферменты - белки, которые служат катализаторами процессов. Они запускают, ускоряют и замедляют химические реакции во всех живых организмах. К 2008 году ученые открыли ряд ферментов, производимых генами, которые расположены в ДНК бактерий по соседству с палиндромами CRISPR.
Эти CRISPR‐ассоциированные ферменты (ферменты Cas) и позволяют системе вырезать и вставлять в геном ориентировки о вирусах, атакующих бактерии. И именно фермент Cas9 оказался необходимым для успешного разрезания ДНК вирусов.
В итоге система, за которую Даудна и Шарпантье получили Нобелевскую премию, называлась CRISPR‐Cas9. В неё входят три компонента: tracrРНК, crРНК и фермент Cas9.
crРНК - это маленькие фрагменты РНК, содержащие часть генетической̆ информации вируса, атаковавшего бактерию в прошлом.
tracrРНК - фрагмент РНК, который инициирует создание crРНК и служит рукояткой̆, с помощью которой̆ происходит прикрепление к атакующему вирусу, чтобы crРНК могла найти нужное место, где ферменту Cas9 предстоит сделать разрез.
Сначала tracrРНК разбивает длинные фрагменты РНК на малые crРНК, а затем эти crРНК направляются к конкретным последовательностям в ДНК атакующего вируса.
Команда Даудны и Шарпантье не только выяснила, как бактерии уничтожают вирусы, но и создали в лаборатории собственную молекулу - единую РНК, которая содержала бы и направляющую информацию с одной̆ стороны, и идентификатор привязки с другой̆. В итоге получилась так называемая одиночная направляющая РНК (sgРНК).
Не только борьба с вирусами
Хотелось бы, чтобы по наследству передавались не только опасные мутации, но и полезные - впрочем, именно так миллиарды лет и работала эволюция, поощряя полезные мутации. Но генная инженерия позволят людям контролировать процесс мутаций и не только обнулить вероятность редких генетических заболеваний, но и заняться конструированием безопасных и заряженных на здоровье и успех молекул ДНК.
Пока что технология CRISPR-Cas - наиболее простой и многообещающий метод изменения генома человека. И приятно, что научное сообщество убивает двух зайцев: изучает вирусы и методы борьбы с ними, а заодно узнаёт что-то новое для передовых инноваций в генной инженерии.
Потому что, сотрудничество - главный механизм эволюции наряду с конкуренцией. Да, выживает сильнейший, но и только объединяясь, клетки превратились в системы и стали ещё успешнее противостоять врагам. Главное определиться, кто тот самый враг человечества и объединиться против него. А ситуация с коронавирусом как раз помогла ранее конкурирующим лабораториям сотрудничать на фоне глобальной эпидемии.
Человечеству стоит знать, когда соперничать в науке, а когда сотрудничать, ведь продвинутая генная инженерия гарантированно спасёт нас от ещё более опасных вирусов, чем COVID. И чем раньше, мы подчиним геном, тем быстрее окажемся готовы. У вас же тоже нет в запасе пары миллионов лет на терпеливую эволюцию?
Самая недавняя биографическая книга Уолтера Айзексона не только расскажет вам о жизни выдающейся ученой, но и откроет судьбу одного из важнейших научных открытий последних лет. «Взломавшая код» - книга о жизни Нобелевского лауреата Дженнифер Даудны, посвятившей себя тому, чтобы разгадать важнейшую тайну живого мира.
Подробнее о книге
Любите научно-популярную литературу?