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

Еще в 1970-х годах биологи изучили структуру более мелкой и простой молекулы РНК, но с тех пор на протяжении двадцати лет прогресса в этой сфере почти не наблюдалось, поскольку ученым было сложно изолировать более крупные РНК и получить их изображения. Коллеги говорили Даудне, что в то время попытка получить хороший снимок крупной молекулы РНК была гиблым делом. Чек сказал: “Если бы мы попросили Национальные институты здоровья профинансировать этот проект, нас бы подняли на смех и выгнали вон”[48].

На первом этапе нужно было кристаллизовать РНК – иными словами, преобразовать жидкую молекулу РНК в хорошо организованную твердую структуру. Это было необходимо, чтобы применить рентгеновскую кристаллографию и другие техники визуализации и изучить компоненты и форму молекулы.

Даудне помогал сдержанный, но жизнерадостный студент-магистр Джейми Кейт. Он применял рентгеновскую кристаллографию для изучения структуры белков, но, познакомившись с Даудной, присоединился к ней и занялся РНК. “Я рассказала ему о проекте, над которым работаю, и он очень им заинтересовался, – говорит она. – Это было весьма необычное начинание. Мы понятия не имели, что нам предстоит обнаружить”. Они исследовали новую сферу. Нельзя было даже сказать наверняка, что молекулы РНК, как и белки, обладают четко определенной структурой. В отличие от Тома Гриффина, Кейт был сосредоточен на лабораторной работе. Они с Даудной каждый день разговаривали о том, как кристаллизовать РНК, и вскоре стали продолжать свои беседы за кофе, а порой и за ужином.

Один прорыв произошел случайно, как нередко бывает в науке: была допущена небольшая ошибка, как тогда, когда плесень, выросшая в чашках Петри, забытых Александром Флемингом, привела к открытию пенициллина. Однажды лаборантка работала с Даудной и, пытаясь создать кристаллы, поместила препарат в неисправный инкубатор. Они решили, что эксперимент погублен, но затем, рассмотрев образцы под микроскопом, увидели растущие кристаллы. “Кристаллы содержали РНК и были прекрасны, – вспоминает Даудна, – и этот первый прорыв показал нам, что для формирования этих кристаллов необходимо повысить температуру”.

Другой шаг вперед демонстрирует огромную выгоду от соседства с другими умными людьми. Биохимики Том и Джоан Стейц, муж и жена, изучавшие РНК в Йеле, приехали в Боулдер в годичный академический отпуск. Том отличался особенной общительностью и частенько заходил выпить кофе в столовую лаборатории Чека. Однажды утром Даудна упомянула в разговоре с ним, что получила хорошие кристаллы исследуемой молекулы РНК, но под действием рентгеновских лучей они слишком быстро разрушаются.

Стейц ответил, что в своей йельской лаборатории он испытывал новую технику криогенного охлаждения кристаллов. Кристаллы погружали в жидкий азот, где они очень быстро замерзали. Это помогало сохранить структуру кристаллов, даже когда они подвергались воздействию рентгеновских лучей. Стейц договорился, чтобы она слетала в Йель и пообщалась с работавшими в его лаборатории учеными, которые испытывали эту технику. Все сложилось идеально. “В этот момент мы поняли, что у нас есть кристаллы, которые достаточно упорядочены, чтобы мы в конце концов смогли открыть структуру”, – говорит Даудна.

Йель

Визит в лабораторию Тома Стейца в Йеле, где выделялось финансирование на инновационные техники и такое оборудование, как криокамеры, убедил Даудну принять поступившее осенью 1993 года предложение занять там должность кандидата в штатные профессора. Как и следовало ожидать, Джейми Кейт решил отправиться в Йель вместе с ней. Даудна связалась с руководством университета и помогла договориться о его переводе в качестве магистранта в ее лабораторию. “Ему пришлось пересдать выпускные экзамены, – говорит Даудна, – и, как вы догадываетесь, он справился блестяще”.

Применяя техники переохлаждения, Даудна и Кейт смогли создать кристаллы, которые хорошо отклоняли рентгеновские лучи. Но они столкнулись с известной в кристаллографии “фазовой проблемой”. Детекторы рентгеновского излучения могут точно изменять лишь интенсивность волны, однако не справляются с определением ее фазы. Для решения этой проблемы можно внедрить в несколько зон кристалла по иону металла. Дифракционные рентгенограммы покажут положение внедренных ионов, и на основе этих данных можно будет вычислить остальную структуру молекулы. Так поступали с молекулами белка, но никто не знал, как применить эту технику к РНК.

Кейт решил проблему. Он использовал молекулу под названием гексааммин осмия, которая имеет интересную структуру и вступает во взаимодействие с несколькими точками молекул РНК. В результате рентгеновская дифракция позволила составить карту электронной плотности, которая сообщила информацию о структуре важной складчатой области изучаемой РНК. Ученые принялись составлять такие карты плотности и строить модели потенциальных структур, как Уотсон и Крик делали с ДНК.

Прощание с отцом

Когда осенью 1995 года их работа подходила к кульминации, Даудне позвонил отец. У него обнаружили меланому, которая дала метастазы в мозг. Он сказал дочери, что, по прогнозам врачей, жить ему осталось всего три месяца.

Остаток осени Даудна разрывалась между Нью-Хейвеном и Хило, тратя на каждый перелет более двенадцати часов. Она то сидела у постели отца, то часами говорила по телефону с Кейтом. Каждый день Кейт присылал ей по факсу или по интернету новую карту электронной плотности, и они вместе ее интерпретировали. “Это было невероятное время взлетов и падений и сильнейших перепадов настроения”, – вспоминает она.

К счастью, отец искренне интересовался ее работой, и это несколько облегчало ситуацию. Когда боль отступала, он просил Даудну объяснить, что изображено на последних полученных снимках. Она приходила к нему в комнату, и он, лежа, изучал свежие данные. Не желая обсуждать свое здоровье, он начинал задавать вопросы. “И тогда я вспоминала об его интересе к науке, которым он заразил меня в детстве”, – говорит Даудна.

В ноябре, когда она приехала проведать отца и осталась на День благодарения, из Нью-Хейвена пришла карта электронной плотности, которая оказалась достаточно хороша, чтобы определить структуру молекулы РНК. Даудна видела, как РНК складывается в удивительную трехмерную форму. Они с Кейтом трудились над этим более двух лет, пока многочисленные коллеги утверждали, что их задача невыполнима, но последние данные показывали, что им все же удалось достичь триумфа.

К тому времени отец Даудны уже не вставал с постели и едва двигался. Но разум его был ясен. Даудна вошла к нему и показала цветную распечатку последней карты. На ней была зеленая лента, скрученная чудесным образом. “Похоже на зеленую макаронину”, – пошутил отец. Затем к нему вернулась серьезность. “Что это значит?” – спросил он.

Пытаясь объяснить ему, что изображено на карте, Даудна смогла упорядочить свои мысли о трактовке данных. Они с отцом разглядывали на карте область, где находилось скопление ионов металла, и Даудна строила предположения о том,