Простое начало. Как четыре закона физики формируют живой мир

Природа, если воспользоваться образом Теннисона, была красна от клыков и когтей задолго до появления этих самых клыков и когтей. Даже микроорганизмы борются друг с другом. Бактерии пронзают и травят своих сородичей, амебы пожирают бактерий, вирусы заражают клетки и бесчинствуют в их геномах. Помимо вооружения у каждого из этих созданий вырабатывается защита. До недавних пор считалось, что защитные механизмы бактерий работают только в настоящем, выявляя угрозы по мере их возникновения и не запоминая прошлые обиды. Но теперь мы знаем, что бактерии обладают памятью. Как и клетки нашей иммунной системы, они ведут учет уже знакомых противников, чтобы незамедлительно среагировать при новой встрече с ними. Само открытие адаптивного бактериального иммунитета может служить символом нашего биотехнологического века, ведь оно не состоялось бы без внедрения секвенирования ДНК и современных компьютеров.

В 1987 году японские биологи, изучавшие один из генов модельной бактерии E. coli, мимоходом заметили у нее «необычную структуру» – последовательность из 29 нуклеотидов, которая повторялась в геноме пять раз через равные 32-нуклеотидные интервалы (спейсеры)¹⁵. Каково ее назначение и встречается ли она в других геномах, так и осталось загадкой. На это наблюдение особо не обратили внимания: жизнь полна странностей, по большей части не имеющих никакого значения.

В 1990-х Франсиско Мохика и его коллеги из испанского Университета Аликанте обнаружили похожие повторы ДНК в геномах нескольких архей¹⁶. Археи – это тоже одноклеточные микроорганизмы, лишенные ядер и мембранных органелл (см. главу 5). Внешне они малоотличимы от бактерий, но формируют отдельную ветвь древа жизни: как и нас, их отделяют от бактерий миллиарды лет эволюции. Мохика наткнулся на статью японцев и понял, что закрепление похожих генетических структур у столь неродственных организмов должно свидетельствовать о важности их роли в жизни микробов. В конце 1990-х, когда количество прочитанных бактериальных геномов возросло, а вычислительные инструменты позволили возиться с их сиквенсами на обычном компьютере, Мохика с коллегами нашел похожие расположенные кластерами повторы в геномах многих других бактерий и архей. Впрочем, их многочисленность и загадочность не принесли лаборатории Мохики славы и денег: она годами не могла добиться финансирования этих исследований, причем отказы обычно обосновывали ничтожной значимостью ДНК-повторов. А содержащих их геномов между тем становилось все больше. В 2002 году Мохика и Рууд Янсен из Утрехтского университета предложили назвать эти геномные структуры CRISPR: clustered regularly interspaced short palindromic repeats, «короткие палиндромные повторы, регулярно расположенные группами». Ученые заметили и то, что вплотную к этим структурам примыкает серия генов, которые назвали Cas (CRISPR-associated, «ассоциированные с CRISPR»). Итак, CRISPR получили имя, однако их функции по-прежнему оставались тайной.

И снова на помощь пришли геномы и компьютеры. Сразу три статьи 2005 года – одна от группы Мохики и две другие из Франции, от команд Кристин Пурсел и Александра Болотина¹⁷ – сообщали, что нуклеотидные последовательности спейсеров в CRISPR совпадают чаще всего с участками геномов вирусов[65]. С незапамятных времен вирусы заражали клетки, и такое совпадение позволяло заподозрить в CRISPR элементы неизвестного прежде защитного механизма. Хотя внимание к этой теме постепенно нарастало, ни одну из трех работ сначала не оценили по достоинству. Статью Мохики, написанную первой, один за другим отвергли все престижные журналы, и ей пришлось найти более скромный приют. Тем не менее сущность CRISPR начинала вырисовываться. Зачем бережно хранить каталог ДНК-фрагментов заражавших тебя вирусов? Не иначе как для узнавания по этим «фотороботам» и обезвреживания вторженцев, если они решат атаковать тебя вновь[66].