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

будет интересно, как у меня по спине пробежал холодок”, – вспоминает она. Даудну соблазняло и то, что грядущая работа напоминала детективную историю, участие в которой придавало ее жизни смысл: она искала ключ к одной из главных загадок жизни.

Накануне отъезда в Пуэрто-Рико Даудна обсуждала карьерные планы с Мартином Йинеком, работающим в ее лаборатории постдоком, который изучал структуру Cas1 и Cas6. Йинек сомневался – как оказалось, совершенно зря, – что добьется успеха в науке, и подумывал стать редактором медицинского журнала. Но в конце концов он отказался от этого плана. “Пожалуй, я останусь у вас в лаборатории еще на год, – сказал он. – Что вы мне поручите?” Он подчеркнул, что больше всего ему хочется найти собственный проект, связанный с исследованиями CRISPR.

Выслушав предложение Шарпантье, Даудна сочла, что такой проект идеально подойдет для Йинека. “У меня есть замечательный биохимик, который также разбирается в структурной биологии”, – сказала она Шарпантье[136]. Они решили связать Йинека с постдоком из лаборатории Шарпантье, работавшим над ее более ранней статьей о Cas9, Кшиштофом Хылинским, специалистом по молекулярной биологии из Польши, который остался в Вене, когда Шарпантье переехала в Умео. Вместе эти четверо сделали одно из главных открытий в современной науке.

Эмманюэль Шарпантье, Дженнифер Даудна, Мартин Йинек и Кшиштоф Хылинский в Беркли, 2012 г.

Глава 17. CRISPR-Cas9

Успех

Когда Даудна вернулась в Беркли, они с Йинеком начали через Skype созваниваться с Шарпантье в Умео и Хылинским в Вене, чтобы вместе выработать стратегию выявления механизмов CRISPR-Cas9. Рабочая группа напоминала модель ООН: профессор Беркли с Гавайев, ее постдок из Чехии, профессор из Парижа, работающая в Швеции, и ее постдок родом из Польши, находящийся в Вене.

“Работа велась круглосуточно, – вспоминает Йинек. – Я проводил эксперимент в конце дня, отправлял письмо в Вену, а там Кшиштоф читал его, как только просыпался утром”. Затем они созванивались в Skype и решали, каким должен быть следующий шаг. “Днем Кшиштоф проводил этот эксперимент и отправлял мне результаты, пока я спал, поэтому, когда я просыпался и открывал почту, меня уже ждали новости”[137].

Сначала Шарпантье и Даудна участвовали в звонках лишь раз или два в месяц. В июле 2011 года ситуация изменилась, когда Шарпантье и Хылинский прилетели в Беркли на ежегодную конференцию по CRISPR, которая быстро набирала обороты. Хотя они тесно общались в Skype, Йинек тогда впервые лично встретился с Хылинским, дружелюбным долговязым парнем, которому очень хотелось поучаствовать в превращении фундаментальных исследований в полезный инструмент[138].

При личных встречах рождаются такие идеи, которые не приходят на телефонных конференциях и за разговорами в зуме. Так случилось в Пуэрто-Рико, а потом и еще раз, когда четверо исследователей впервые встретились в Беркли. Именно там они разработали стратегию, чтобы выяснить, какие молекулы необходимы системе CRISPR для разрезания ДНК. Личные встречи особенно полезны на ранних этапах проекта. “Ничто не сравнится с возможностью сидеть рядом с людьми, видеть их реакцию и обмениваться идеями лицом к лицу, – говорит Даудна. – Это краеугольный камень всех наших совместных проектов, включая и те, где огромный объем работы производится по электронной связи”.

Сначала у Йинека и Хылинского не получалось заставить CRISPR-Cas9 разрезать ДНК вируса в пробирке. Они пытались задействовать лишь два компонента: фермент Cas9 и cгРНК. Теоретически cгРНК должна была направлять фермент Cas9 к вирусу, чтобы далее он разрезал мишень. Но ничего не получалось. Чего-то не хватало. “Мы недоумевали”, – вспоминает Йинек.

Именно здесь в наш рассказ возвращается tracгРНК. В статье 2011 года Шарпантье показала, что tracгРНК необходима для создания направляющей cгРНК. Позже она высказала подозрения, что tracгРНК играет еще большую, постоянную роль, но серия их изначальных экспериментов не предполагала проверку этой вероятности. Когда эти эксперименты провалились, Хылинский решил добавить в пробирку tracгРНК.

План сработал: трехкомпонентный состав стабильно разрезал ДНК-мишень. Йинек сразу поделился новостью с Даудной: “Без tracгРНК направляющая cгРНК не связывается с ферментом Cas9”. После этого прорыва Даудна и Шарпантье стали принимать более активное участие в повседневной работе. Они явно шли к важному открытию – определению главных компонентов системы CRISPR, разрезающей гены.

Ночь за ночью Хылинский и Йинек обменивались результатами, понемногу продвигаясь к разгадке, а Шарпантье и Даудна все чаще обсуждали стратегию. Они сумели выяснить точный механизм действия каждого из трех важнейших компонентов комплекса CRISPR-Cas9. cгРНК содержала 20-буквенную последовательность, которая выступала в качестве набора координат для направления комплекса к фрагменту ДНК с подобной последовательностью. tracгРНК, которая участвовала в создании этой cгРНК, теперь играла дополнительную роль, формируя структуру, удерживающую другие компоненты на нужных местах при привязке к ДНК-мишени. Фермент Cas9 делал разрез.

Однажды, сразу после того, как ключевой эксперимент дал положительный результат, Даудна у себя дома готовила спагетти. Наблюдая, как они закручиваются в кипящей воде, она вспомнила, как в школе, изучая ДНК, рассматривала под микроскопом сперму лосося, и рассмеялась. Ее сын Энди, которому тогда было девять лет, спросил, что ее рассмешило. “Мы нашли один белок, фермент Cas9, – пояснила Даудна. – Его можно запрограммировать, чтобы он находил и разрезал вирусы. И это невероятно”. Энди продолжал расспрашивать, как он работает. За миллиарды лет, сказала она, бактерии выработали весьма странный и необычный способ защищаться от вирусов. И он способен к адаптации: всякий раз, когда появляется новый вирус, механизм учится распознавать его и давать ему отпор. Энди был поражен. “Я испытала двойную радость, – вспоминала Даудна, – радость от фундаментального открытия такой классной вещи и радость от возможности поделиться этим с сыном и объяснить все на понятном ему языке”. Любопытство в таком случае прекрасно[139].

Инструмент редактирования генов

Эта удивительная маленькая система, как скоро стало ясно, имела поистине судьбоносный потенциал: направляющую cгРНК можно было модифицировать, делая мишенью любую ДНК-последовательность по собственному выбору. Она поддавалась программированию. Она могла стать инструментом для редактирования генома.

Исследование CRISPR стало ярким примером переклички фундаментальной науки и трансляционной медицины. Сначала оно было движимо чистым любопытством охотников за микробами, стремившихся объяснить одну странность, с которой они столкнулись при секвенировании ДНК неординарных бактерий. Затем CRISPR изучали в попытке защитить бактерии йогуртовых культур от атакующих их вирусов. Это привело к фундаментальному открытию о рабочих механизмах биологии. Теперь биохимический анализ показывал путь к изобретению инструмента с практическим потенциалом. “Выявив компоненты системы CRISPR-Cas9, мы поняли, что можем программировать ее на свой лад, – говорит Даудна. – Иными словами, мы могли добавить