Трещина в мироздании
Шрифт:
Литический жизненный цикл бактериофага
Может ли CRISPR быть еще одним механизмом антивирусной защиты? Чем больше я читала о гонке вооружений между бактериями и бактериофагами, тем более вероятным мне казалось существование других, еще не открытых, орудий, которые они используют в борьбе друг с другом.
Более того, узнавая все больше о CRISPR, я начинала понимать, в каком направлении будут двигаться исследования в нашей лаборатории, если мы примем предложение Джилл. Расчеты голландца Рююда Янсена и его коллег [58] – это они в 2002-м предложили аббревиатуру CRISPR – выявили набор генов, которые в бактериальных хромосомах почти всегда примыкали к участкам с CRISPR. Они разительно отличались и от повторяющихся последовательностей, и от спейсеров
58
R. Jansen et al., “Identification of Genes That Are Associated with DNA Repeats in Prokaryotes”, Molecular Microbiology 43 (2002): 1565–1575.
Даже то немногое, что мы тогда знали об этих ассоциированных с CRISPR генах, или cas– генах, подсказывало, что они представляют собой нечто крайне интересное. Сравнение их строения со строением уже известных генов позволило предположить, что cas– гены кодируют специализированные ферменты, в чьи функции может входить разделение двух цепочек двойной спирали ДНК или разрезание молекул РНК либо ДНК, как у эндонуклеаз рестрикции (последние режут только ДНК).
Учитывая, насколько полезным оказалось открытие эндонуклеаз рестрикции для развития технологии рекомбинантных ДНК в 1970-е годы, казалось весьма вероятным, что при более глубоком изучении разных аспектов работы CRISPR мы обнаружим целый клондайк новых ферментов – и эти белки тоже будут иметь значительный биотехнологический потенциал.
Вот так все это и случилось. Я оказалась на крючке.
Учеными, которые занимаются фундаментальными исследованиями, движут азарт, любопытство, интуиция и упорство – но вдобавок к этим возвышенным качествам нам необходима здоровая доза практичности. Это и банальные поиски финансирования, и непрерывное решение вопросов управления. Те из нас, кто руководит собственными лабораториями, вынуждены делегировать другим ученым множество задач, которые мы прекрасно умеем выполнять самостоятельно. Часто это означает, что каждый раз, когда мы приступаем к новому для нас направлению исследований, нам нужно найти подходящего человека, который отвечал бы за этот участок.
По счастью, моя лаборатория в Беркли получала довольно хорошее финансирование, но когда Джилл рассказала мне о CRISPR, никто из моих сотрудников не был достаточно квалифицирован для того, чтобы взять на себя этот новый, непредсказуемый и потенциально рискованный проект. И тут нам повезло: на собеседование на вакансию постдока пришел Блейк Виденхефт. Когда я спросила молодого претендента на вакансию, над чем он хотел бы работать, то, к своему восхищению, получила в ответ встречный вопрос: “А вы слышали когда-нибудь о CRISPR?” Я тут же взяла Виденхефта на работу. Всего несколько месяцев спустя Блейк обжился в Беркли и самозабвенно работал над успешным запуском проекта по изучению CRISPR.
Дружелюбный и располагающий к себе уроженец Монтаны, впитавший вместе с любовью к спортивным играм присущий им дух соперничества, Блейк приехал в Беркли из Бозмена, из Университета штата Монтана, где он получил и высшее образование, и степень доктора философии. В отличие от большинства исследователей, которых мне приходилось брать на работу до него (все они специализировались на биохимии или структурной биологии), Блейк был прирожденным микробиологом. Подобно Джилл, часть своих исследований он проводил в лаборатории, а часть – собирая образцы в полевых условиях. Работа над докторской диссертацией заносила его и в Йеллоустонский национальный парк, и в Россию, на Камчатку, где в кислотной воде горячих источников он обнаружил ранее неизвестные вирусы, способные выживать и сохранять способность к заражению при температурах выше 75 °C. Стало известно, что эти вирусы инфицируют архей – одноклеточные организмы, похожие на бактерии; в геноме почти у каждой археи есть CRISPR. После секвенирования геномов двух выделенных им вирусов Блейк обнаружил, что значительная часть ДНК у них совпадает. Это означало, что у вирусов должен был быть общий предок – несмотря на огромное расстояние, отделяющее Йеллоустон от Камчатки. Геномы вирусов также содержали ответы на вопрос, каким образом они заражают своих хозяев; анализируя конкретные вирусные гены, Блейк вычислил, какой именно фермент, скорее всего, давал вирусам возможность встраивать фрагменты своих геномов в ДНК ничего не подозревающих хозяев.
Именно такого рода “расследование” нам надо было провести в отношении CRISPR – только в обратную сторону. Вместо того чтобы сконцентрироваться на вирусных генах, обеспечивающих инфицирование, нам необходимо было выследить те гены в бактериях, которые препятствуют заражению – и ассоциированы с CRISPR. Или гены, которые, как мы считаем, препятствуют заражению. Мы в то время еще не были уверены, что именно обеспечивает этот эффект – cas– гены или сам CRISPR.
Большая часть наших ранних обсуждений вращалась вокруг привлекательной гипотезы, согласно которой CRISPR и cas– гены представляют собой части одной системы иммунной защиты от вирусов и РНК используется в этой системе для обнаружения последних. Но гипотеза – лишь первый этап любого обстоятельного научного исследования. Так что нам нужно было еще проверить эту гипотезу и собрать сведения, подтверждающие или опровергающие ее.
На встречах с Джилл и несколькими
Другим “кандидатом” выступала кишечная палочка Escherichia coli, которую часто называют просто E. coli. Наиболее хорошо изученный на данный момент вид бактерий, E. coli подвержена заражению десятками одинаково хорошо изученных фагов, многие из которых можно просто заказать в интернете. (Также E. coli принадлежит честь быть первой бактерией, у которой определили последовательность CRISPR [59] .) В дополнение к этому Блейк предложил Pseudomonas aeruginosa, патогенную бактерию, которая, как было известно, устойчива ко многим антибиотикам и несет в себе CRISPR. Мы знали, что сможем манипулировать ДНК P. aeruginosa, используя разнообразные инструменты генной инженерии, и что эту бактерию инфицируют многочисленные фаги (Блейк провел некоторое время в поисках новых фагов Pseudomonas, но не в экзотических местах вроде Йеллоустона, а на местных канализационных очистных сооружениях области залива Сан-Франциско).
59
Y. Ishino et al., “Nucleotide Sequence of the Iap Gene, Responsible for Alkaline Phosphatase Isozyme Conversion in Escherichia coli, and Identification of the Gene Product”, Journal of Bacteriology 169 (1987): 5429–5433.
Блейк четко дал мне понять, что он хочет сфокусироваться на изучении биохимии и структурной биологии во время работы в моей лаборатории, и ему не терпелось приступить к научной работе в новом направлении. Перед исследованиями CRISPR он очистил белки семейства Cas, закодированные в геноме P. aeruginosa, и стал проверять их на способность каким-либо образом распознавать или разрушать вирусную ДНК, начав с наиболее распространенного из них – белка Cas1. Затем (это было в 2007 году, примерно в то же время, когда Блейк начал работать в моей лаборатории) Джилл сообщила нам, что скоро будет опубликована важная статья исследователей из Danisco – датской биотехнологической компании и одновременно одного из ведущих мировых производителей пищевых ингредиентов. В своем исследовании они с помощью генетических методов показали, что CRISPR действительно представляет собой бактериальную иммунную систему [60] – хотя спектр ее возможностей на тот момент оставался неизвестным.
60
R. Barrangou et al., “CRISPR Provides Acquired Resistance Against Viruses in Prokaryotes”, Science 315 (2007): 1709–1712.
Предметом исследования ученых из Danisco была ферментирующая молоко бактерия под названием Streptococcus thermophilus, один из ключевых пробиотиков, используемых в производстве йогурта, сыра моцарелла и бесчисленного множества других молочных продуктов. Человечество поглощает существенно больше миллиарда триллионов клеток живых S. thermophilus в год, и годовая рыночная стоимость культур этих бактерий превышает сорок миллиардов долларов [61] . Вероятно, не стоит удивляться, что эти масштабные инвестиции в молочную промышленность постоянно находятся под угрозой фаговых инфекций – наиболее распространенной причины потерь продукции и неполного брожения. В одной капле сырого молока содержится от десятка до тысячи вирусных частиц, что делает полное уничтожение фагов в нем просто невозможным. Компании, подобные Danisco, пытались бороться с фагами, совершенствуя технологии очистки молока и оборудование фабрик, а также принимая другие меры, – но проблему так и удалось решить [62] .
61
A. Bolotin et al., “Complete Sequence and Comparative Genome Analysis of the Dairy Bacterium Streptococcus thermophilus”, Nature Biotechnology 22 (2004): 1554–1558.
62
M. B. Marc'O, S. Moineau, and A. Quiberoni, “Bacteriophages and Dairy Fermentations”, Bacteriophage 2 (2012): 149–158.