Расшифрованная жизнь

В течение двух лет я летал туда и обратно, присоединяясь к команде «Чародея-2», собиравшей образцы в морях от Галифакса (Новая Шотландия) до тропических областей на востоке Тихого океана. Одно из наших плаваний – через Панамский канал к острову Кокос и далее к Галапагосским островам – особенно запомнилось мне: я сочетал занятия геномикой с написанием этой книги и подводным плаванием с акулами, причем все это происходило под пристальными взглядами телекамер. Невероятно было ощущать себя участником экспедиции, отчасти вдохновленной знаменитыми плаваниями кораблей «Бигль» и «Челленджер»[9].

Для получения ДНК мы отбирали пробы воды через каждые 200 морских миль и пропускали ее через всё более тонкие фильтры с целью выделения бактерий, а затем и вирусов. Фильтры хранились в холодильниках на борту, после чего доставлялись самолетом в Роквилл для секвенирования. Там группа под руководством Шибу Юсефа, используя феноменальные вычислительные мощности (включая суперкомпьютер, применявшийся для съемок мультфильма «Шрек» и моделирования взрывов водородной бомбы), реконструировала и анализировала огромный объем данных по фрагментам микробной ДНК, полученной методом дробовика. Каждый фрагмент ДНК сравнивался со всеми остальными для получения кластеров связанных последовательностей и прогнозирования белков. В Институте Солка (Сан-Диего, Ла-Хойя) Джерард Маннинг также проводил сопоставление этой информации с базой данных Pfam, включающей характерные профили всех известных семейств белков, с помощью турбо-программы компании Time Logic. Его лаборатория провела почти 350 миллионов сопоставлений, что на порядок или два больше, чем за всю предшествовавшую историю. Окончательные подсчеты заняли две недели, но стандартному компьютеру для выполнения этой задачи потребовалось бы более сотни лет. От этой сокровищницы данных захватывало дух. В трех статьях, опубликованных в 2007 году в журнале PLoS Biology группой моих сотрудников под руководством Дуга Руша, описывалось открытие 400 новых видов микроорганизмов и 6 миллионов новых генов, что удваивало количество генов, известных на тот момент науке{224}.

Экспедиция оказала глубокое воздействие на устоявшиеся идеи о древе жизни. Например, белковый пигмент, с помощью которого глаза распознают свет, раньше считался сравнительно редким. Наш улов генов показал, однако, что все морские организмы в поверхностных слоях воды вырабатывают протеородопсины, способные обнаруживать свет различного цвета. Эти белки помогают микробам использовать лучи солнца подобно растениям, только без фотосинтеза, усваивая свет путем закачивания заряженных атомов в свое подобие солнечных батарей. В различных средах встречаются синий и зеленый варианты этих батарей: синий характерен для открытого океана, например для Саргассова моря с водой цвета индиго, а микробы с «зелеными» батареями обитают в прибрежных зонах.

Во время кругосветного плавания мои сотрудники открыли новые белки, защищающие микроорганизмы от ультрафиолетового излучения, а также излечивающие повреждения от него. Мы обнаружили, что некоторые белки чаще встречаются в океане, чем на суше. Например, наземные грамположительные бактерии известны прежде всего своими чрезвычайно стойкими спорами, однако у их морских родственников эта особенность отсутствует. Жгутики, гибкие «конечности», обеспечивающие поступательное движение бактерий, и фимбрии, короткие выступы, с помощью которых бактерии осуществляют обмен генетическим материалом (эквивалент секса в мире микробов), также встречаются в океанах реже. Мы с удивлением обнаружили, что многие виды белков, считавшиеся характерными лишь для одного биологического царства, оказались более распространенными. Возьмем, например, глютаминсинтетазу (ГС), белок, играющий важную роль в метаболизме азота. Мы обнаружили более 9 тысяч последовательностей, отвечающих за синтез ГС или близких к нему белков. Многие из них относились к ГС типа II, одному из трех основных типов данного белка. Этот результат был довольно неожиданным, поскольку ГС типа II преимущественно связана с эукариотами (такими, как наши собственные клетки), а не с «более примитивными» видами жизни (бактериями и вирусами), осевшими на подвергавшихся анализу фильтрах.