Взломавшая код. Дженнифер Даудна, редактирование генома и будущее человечества - Уолтер Айзексон

Существует множество типов таких белков. Например, фибриллярные белки формируют такие структуры, как кости, ткани, мышцы, волосы, ногти, сухожилия и клетки кожи. Мембранные белки передают сигналы внутри клеток. Самый удивительный тип белков – ферменты, или энзимы. Они служат катализаторами процессов. Они запускают, ускоряют и замедляют химические реакции во всех живых организмах. Почти все, что происходит в клетке, требует участия фермента-катализатора. Обратите внимание на ферменты. В этой книге они будут сиять вместе с РНК, становясь ее партнерами в танце.

Через пять лет после открытия структуры ДНК Фрэнсис Крик, принявший в этой работе непосредственное участие, дал название процессу перемещения генетической информации от ДНК к РНК и построения белков. Он назвал его “центральной догмой” молекулярной биологии. Позже он признал, что не слишком удачно выбрал слово “догма”, предполагающее неизменную и непререкаемую веру[35]. Но слово “центральный” подходило как нельзя лучше. Хотя догма и была скорректирована, процесс остался центральным для биологии.

Рибозимы

Одно из первых изменений в центральной догме произошло, когда Томас Чек и Сидни Олтмен независимо друг от друга открыли, что белки – это не единственные в клетке молекулы, которые могут быть ферментами. В начале 1980-х они провели исследование, которое впоследствии принесло им Нобелевскую премию, и неожиданно обнаружили, что некоторые формы РНК тоже могут быть ферментами. В частности, они открыли, что некоторые молекулы РНК могут делиться, запуская химические реакции. Они назвали такие каталитические РНК “рибозимами”, составив термин из понятий “рибонуклеиновая кислота” и “энзимы”[36].

Чек и Олтмен совершили это открытие, изучая интроны. Некоторые фрагменты нуклеотидных последовательностей не кодируют инструкции по созданию белков. Когда такие последовательности транскрибируются в молекулы РНК, они начинают мешать нормальной работе молекулы. В связи с этим их необходимо отрезать, осуществляя так называемый сплайсинг, прежде чем РНК сможет продолжить свою миссию по руководству строительством белков. Чтобы вырезать интроны и заново соединять полезные фрагменты РНК, нужен катализатор, роль которого обычно выполняет белковый фермент. Но Чек и Олтмен обнаружили, что некоторые интроны РНК выполняют сплайсинг самостоятельно!

Это открытие имеет любопытные последствия. Если некоторые молекулы РНК могут хранить генетическую информацию и также выступать в качестве катализаторов химических реакций, то они могут играть более важную роль в происхождении жизни, чем ДНК, которая не может естественным образом воспроизводиться в отсутствие белков, запускающих химические реакции[37].

РНК, а не ДНК

Когда весной 1986 года Даудне больше не нужно было менять лаборатории, она спросила Джека Шостака, может ли она остаться в его лаборатории и заняться диссертационным исследованием под его руководством. Шостак согласился, но с оговоркой. Он больше не собирался заниматься ДНК дрожжей. Пока другие биохимики восторженно обсуждали секвенирование ДНК в проекте “Геном человека”, он решил переключиться на РНК, которая, как он полагал, могла раскрыть секреты, приблизив ученых к разгадке главной из биологических загадок – загадки о происхождении жизни.

Шостак сказал Даудне, что заинтересовался открытиями Чека и Олтмена, показавшими, что некоторые молекулы РНК имеют каталитические свойства ферментов. Он намеревался выяснить, могут ли рибозимы использовать эту способность для самовоспроизводства. “Хватит ли этому фрагменту РНК химических силенок, чтобы создать свою копию?” – спросил он у Даудны. Он предложил, чтобы именно этим она и занялась в своем диссертационном исследовании[38].

Заразившись энтузиазмом Шостака, Даудна вызвалась стать первой в этой лаборатории аспиранткой, работающей над РНК. “Когда я изучала биологию, нам подробно расписывали структуру и код ДНК и говорили, что всю тяжелую работу в клетках выполняют белки, в то время как РНК считали бестолковым посредником, своего рода руководителем среднего звена, – вспоминает Даудна. – Я очень удивилась, когда выяснилось, что в Гарварде работает молодой гений Джек Шостак, который хочет на сто процентов посвятить себя исследованию РНК, поскольку считает ее ключом к разгадке тайны о происхождении жизни”.

И для Шостака, который уже завоевал авторитет, и для Даудны, которая пока еще не имела солидной репутации, решение заняться РНК было рискованным. “Вместо того чтобы вместе со всеми изучать ДНК, – вспоминает Шостак, – мы решили стать первопроходцами в новой сфере, отправиться на новые рубежи, которые были несколько обделены вниманием, но нам казались весьма интересными”. Это было задолго до того, как в РНК увидели технологию, которая позволяет оказывать влияние на экспрессию генов и вносить изменения в человеческие гены. Шостак и Даудна обратились к РНК из чистого любопытства, в стремлении разобраться, как работает природа.

У Шостака был принцип: “Никогда не делай того, чем занимается еще тысяча человек”. Даудне он пришелся по душе. “Это было как на футбольном поле, где я хотела играть на позиции, которую не жаловали другие дети, – говорит она. – Джек научил меня, что, вторгаясь на неизведанную территорию, рискуешь сильнее, но при этом получаешь возможность выиграть больше”.

К тому времени она знала, что важнее всего при изучении природного явления понять, как устроены участвующие в нем молекулы. Для этого ей нужно было освоить некоторые техники, использовавшиеся Уотсоном, Криком и Франклин при изучении структуры ДНК. Если бы у них с Шостаком все получилось, это могло бы стать большим шагом к ответу на один из самых главных биологических вопросов, а возможно, и на самый главный вопрос: как зародилась жизнь?

Происхождение жизни

Шостак загорелся идеей узнать, как зародилась жизнь, и его энтузиазм преподнес Даудне второй важный урок: поняв, что не стоит бояться рисковать, вторгаясь на новые территории, она также осознала, что ученому положено задавать грандиозные вопросы. Хотя Шостаку нравилось погружаться в детали экспериментов, он постоянно размышлял на поистине глубокие темы. “Зачем еще заниматься наукой?” – говорил он Даудне. И этот вопрос стал одним из ее руководящих принципов[39].

Существуют великие вопросы, на которые мы, смертные, возможно, никогда не найдем ответа: как зародилась Вселенная? почему в мире есть что-то, когда могло бы не быть ничего? что такое сознание? Есть и вопросы, которые, возможно, поддадутся нам до конца этого столетия: все ли во Вселенной предопределено? обладаем ли мы свободой воли? Если говорить о грандиозных вопросах, то ближе всего мы подошли к ответу на вопрос о происхождении жизни.

Центральная догма биологии требует наличия ДНК, РНК и белков. Поскольку маловероятно, чтобы все они одновременно выплыли из первичного бульона, в начале 1960-х годов появилась гипотеза, которую независимо друг от друга сформулировали вездесущий Фрэнсис Крик и другие ученые, и она гласит, что ранее существовала более простая система. Крик предположил, что на заре земной истории РНК была способна к самовоспроизводству. Это оставляет открытым вопрос, откуда появилась первая РНК.