Она смеётся, как мать. Могущество и причуды наследственности

У многих видов бактерий есть специальные белки-рестриктазы, которые распознают определенную последовательность нуклеотидов в ДНК и разрезают молекулу строго в этом месте. Микроорганизмы используют свои рестриктазы для самозащиты, точнее говоря, они разрушают ДНК внедрившихся вирусов. Поколдовав с этими белками, ученые обнаружили, что их можно применять для вырезания участков ДНК, в том числе человеческих генов. Такой вырезанный ген удавалось встроить в плазмиду – кольцевую структуру ДНК, а затем исследователи могли отправить ее в бактерию.

В конце 1970-х гг. ученые создали штамм бактерий, в которые был встроен ген человеческого инсулина. Исследователи могли использовать бродильные чаны, где росли такие бактерии, в качестве живых фабрик по производству инсулина. Аналогичными методами и другие ученые решали множество задач – от противовирусной защиты сельскохозяйственных культур до моделирования на мышах человеческих наследственных заболеваний.

Однако к этим достижениям вел долгий путь, полный изнурительного труда и безуспешных попыток. Ученым могли понадобиться годы, чтобы найти ген, который необходимо перенести от одного вида к другому, и еще годы, чтобы загрузить этот ген на носитель, способный преодолеть видовой барьер. И пусть вы знаете, как перенести ген к одному виду, – это может не сработать в случае другого вида. Метод, позволяющий импортировать гены медузы в крысу, неприменим для переноса генов нарцисса в рис.

Даже если исследователям и удавалось доставить ген в новое место, их все равно могла подстерегать неудача. Ученые почти не умели контролировать, куда конкретно в ДНК встроится новый ген. Он мог оказаться там, где стал бы работать стабильно, а мог и попасть в гущу других генов, повредив их и убив таким образом нового хозяина. Хотя ни одна из этих проблем не вынесла генной инженерии смертного приговора, они сделали данную отрасль весьма дорогостоящей и не позволили ей выйти за пределы лабораторий, где ученые добывали знания своим нелегким трудом.

Только в 2013 г., через более чем 100 лет после работы Шелла с гибридной кукурузой, ученые сообщили об открытии универсального дешевого способа управлять наследственной информацией почти любого вида. Но не они изобрели его. Как и открытые ранее рестриктазы, то была система молекул, которую бактерии уже использовали миллиарды лет, чтобы менять свою наследственность.

__________

В один из дней 2006 г. Дженнифер Дудна сидела в своем кабинете Калифорнийского университета в Беркли, когда ей неожиданно позвонили[1041]. Микробиолог из того же университета Джиллиан Бэнфилд хотела обсудить с ней какой-то криспер.

Дудна не поняла, о чем речь и чего от нее хотела собеседница. Однако Бэнфилд, занимавшаяся поиском новых видов бактерий на вершинах гор и океанском дне, была ученым, с которым без сомнения имело смысл поговорить. В то время Дудна занималась молекулами РНК, которые были синтезированы бактериями, человеком и другими организмами. Бóльшая часть ее работы проходила в тишине и покое, защищенных стенками лабораторной пробирки. Бэнфилд могла поделиться с ней информацией о мире за пределами пробирки.

На следующей неделе Дудна и Бэнфилд встретились в кафе. Бэнфилд рассказала Дудне о системе CRISPR – по крайней мере, все то, что было известно к 2006 г. Она нарисовала для Дудны в блокноте схему, где показала повторяющиеся последовательности ДНК с различающимися ДНК-вставками между ними, которые можно увидеть у некоторых бактерий.

В то время Бэнфилд описывала участки CRISPR у одного вида за другим. И она заметила, что некоторые из этих ДНК-вставок имеют вирусное происхождение. Другие ученые начали проверять предположение, что CRISPR – это своего рода защитная система, которую бактерии используют против вирусов и которая может передаваться по наследству. Но никто не знал, как она работает. Была версия, что для поиска вирусов бактерии синтезируют молекулы РНК. А поскольку Дудна была опытным специалистом по бактериальной РНК, Бэнфилд решила узнать, не захочет ли та помочь разобраться.

Дудна приняла это предложение. Она пригласила постдока Блейка Виденхефта для работы конкретно по CRISPR, но затем постепенно и вся ее лаборатория переключилась на эту тему. CRISPR в то время изучали также в нескольких других исследовательских учреждениях. В 2011 г. Дудна объединила усилия с французским биологом Эммануэль Шарпентье, и вместе они обнаружили, что система CRISPR, как и рестриктазы, разрушает вирусную ДНК.

Однако между этими двумя способами защиты существовала заметная разница. Форма рестриктаз была такова, что они умели распознавать только одну небольшую последовательность ДНК, которая могла встречаться в геноме много раз. Чтобы рестриктазы не нападали на собственную ДНК, бактерии защищали ее с помощью метилирования. Вирусы же не умели прикреплять метильные группы на свою ДНК и поэтому оказывались уязвимы.