Сиддхартха Мукерджи – Ген. Очень личная история (страница 97)

Круговорот биологической информации, видимо, представляет собой одно из немногочисленных организующих, обобщающих правил в биологии.

Безусловно, из направленности этого потока информации есть исключения (ретровирусы способны «крутить педали назад», от РНК к ДНК). И есть еще нераскрытые механизмы в биологическом мире, способные поменять порядок или компоненты информационного потока в живых системах (теперь известно, к примеру, что РНК может влиять на генную регуляцию). Но концептуально круговорот биологической информации уже неизменен.

Из всего нам доступного этот информационный поток более всего приближается к биологическому закону. Когда будет освоена технология управления этим законом, мы совершим один из важнейших переходов за всю историю. Мы научимся читать и писать себя – сами.

Но перед тем как мы перенесемся в геномное будущее, позвольте мне слегка отвлечься на прошлое. Мы не знаем, откуда и как возникли гены. Не знаем мы и того, почему именно этот способ передачи информации и хранения данных выиграл у всех остальных возможных в биологии способов. Но мы можем попробовать воспроизвести в пробирке первичное происхождение генов. В Гарварде биохимик Джек Шостак[1059], обладатель мягчайшего голоса, целых два десятилетия бился над созданием самовоспроизводящейся генетической системы в пробирке – чтобы реконструировать возникновение генов.

Эксперимент Шостака наследовал работам Стэнли Миллера, химика-визионера[1060], который пытался приготовить «первичный бульон» из основных химических компонентов, предположительно существовавших в древней атмосфере. Работая в 1950-х в Чикагском университете, Миллер собрал систему из двух стеклянных колб, соединенных стеклянными трубками; в одну из колб он налил воду, а в отходящую от нее ко второй колбе трубку вакуумным насосом закачивал метан, аммиак и водород. Во вторую колбу, куда поступала газовая смесь с горячим водяным паром, Миллер внедрил электроды: электрические разряды должны были имитировать древние молнии. Затем он начал циклически нагревать и охлаждать колбу с водой, воспроизводя изменчивые условия древнего мира. В стеклянной установке теснились гром и молнии, рай и ад, газы и вода.

Прошло три недели, и ни один организм не выполз из установки Миллера. Но в колбе со смесью газов, теплого пара и электричества Миллер обнаружил следы аминокислот – строительных элементов белка – и небольшое количество простейших сахаров. В последующих вариациях эксперимента[1061] в колбу добавляли глину, базальт и вулканические породы, и в итоге ученым удалось получить зачатки липидов, жиров и даже строительных блоков РНК и ДНК.

Шостак верил, что гены появились в таком бульоне благодаря счастливой встрече двух маловероятных партнеров. Во-первых, липиды, созданные в бульоне, соединились друг с другом и образовали мицеллы – похожие на мыльные пузыри пустотелые сферы, окруженные мембраной, которая запирает жидкость внутри и имитирует оболочку клетки (некоторые жиры, смешанные в водном растворе, естественным образом склонны объединяться в такие пузырьки). В лабораторных экспериментах Шостак продемонстрировал, что подобные мицеллы[1062] могут вести себя как протоклетки: если добавлять в раствор все больше и больше липидов, то эти пустотелые «клетки» растут. Они увеличиваются, перемещаются и формируют тонкие выпячивания, похожие на волны клеточной мембраны. В конце концов они делятся, образуя две мицеллы из одной.

Во-вторых, одновременно с самосборкой мицелл, друг с другом объединялись нуклеотиды (А, Ц, Г, У или их химические предшественники), и так возникли цепочки РНК. Основная масса этих цепочек не обладала репродуктивной способностью: они не умели копировать себя. Но среди миллиардов нереплицирующихся РНК случайно возникла одна, та самая молекула, наделенная уникальной способностью создавать отражение себя – или, скорее, создавать свои копии по зеркальному отражению себя (сама химическая структура РНК и ДНК, напомню, предполагает производство зеркально подобных молекул). Эта молекула обладала невероятной способностью вытаскивать нуклеотиды из химической смеси и сшивать их друг с другом, формируя новую копию РНК. Это уже было самовоспроизводящееся вещество.

Следующим шагом был счастливый брак. Где-то на земле – Шостак считает, что это должно было случиться на краю пруда или болота – самокопирующаяся молекула РНК столкнулась с самоудваивающейся мицеллой. Это была, образно говоря, любовь с первого взгляда: две молекулы встретились, потеряли головы и вступили в длительную супружескую связь. Самокопирующаяся РНК поселилась в делящейся мицелле. Мицелла изолировала и защищала РНК, позволяя особым химическим реакциям протекать в своем надежном пузырьке. Молекула РНК, в свою очередь, начала кодировать информацию, дающую преимущества для умножения не только самой себя, но и целой РНК-мицеллярной единицы. Со временем информация, закодированная в РНК-мицеллярном комплексе, позволила производить больше таких же комплексов.

«Довольно просто представить[1063], как могли эволюционировать протоклетки на базе РНК, – писал Шостак. – Метаболизм, должно быть, складывался постепенно, по мере того, как <…> [протоклетки учились] синтезировать питательные вещества внутри себя из более простых и пребывающих в изобилии исходных материалов. А затем организмы смогли добавить в свою копилку химических трюков синтез белков». «Протогены» РНК, вероятно, научились заставлять аминокислоты собираться в цепочки и таким образом строить белки – универсальные и многообразные молекулярные машины, способные сильно повысить эффективность метаболизма, размножения и передачи информации.

Когда и почему отдельные «гены» – модули информации – появились на цепочке РНК? Существовали ли гены в своей модульной форме с самого начала или была какая-то промежуточная либо альтернативная система хранения информации? Опять же, на эти вопросы просто невозможно ответить, но, вероятно, важную подсказку может дать теория информации. Проблема непрерывной, монолитной информации в том, что ей заведомо сложно управлять. Она норовит рассеяться; она норовит испортиться; она норовит запутаться, разбавиться и разрушиться. Тянешь за один конец – разматывается другой. Если информация перетекает в информацию, то риск искажений значительно выше: представьте виниловую пластинку, на которой появилась единственная царапина. Оцифрованную информацию, наоборот, куда проще исправлять и восстанавливать. Мы спокойно можем добраться до одного слова в книге и изменить его, не реорганизуя целую библиотеку. Гены могли возникнуть по той же причине: в дискретных информационных модулях цепи РНК кодировались инструкции по выполнению отдельных, разных функций.

Прерывистая структура информации давала еще одно преимущество: мутация может изменить один ген, и только его, остальные же останутся нетронутыми. Вместо того чтобы нарушать функции всего организма, мутации могли влиять на отдельные модули информации – и тем самым ускорять эволюцию. Правда, это преимущество было сопряжено с одной опасностью: слишком большое количество мутаций повлекло бы за собой повреждение или утрату информации. Видимо, поэтому требовалась резервная копия – зеркальное отражение, способное защитить оригинал или послужить матрицей для восстановления поврежденного прототипа. Может, в этом и заключался главный стимул к созданию двухцепочечных нуклеиновых кислот. Данные одной цепи полностью дублировались бы на второй, и их можно было бы использовать для починки любых повреждений: инь защищало бы ян. Так жизнь изобрела свой собственный жесткий диск.

Со временем эта новая копия – ДНК – стала главной. ДНК была изобретением мира РНК, но быстро превзошла РНК в роли носителя генов и стала основным хранителем генетической информации в живых системах[1064]. Итак, еще один древний миф – о ребенке, победившем отца, о свержении Кроноса Зевсом – оказался впечатанным в историю наших геномов.

Часть VI

Постгеном

Генетика судьбы и будущего (2015—…)

Попытка создать рай на земле[1065] неизбежно приводит к созданию преисподней.

Только люди хотят быть хозяевами[1067] своего будущего.

Будущее будущего

Наверное, из всех наук о ДНК[1069] ни одна не кажется одновременно столь обнадеживающей, столь противоречивой, раскрученной и потенциально опасной, как генотерапия.

Воздух очистим! вычистим небо![1070] вымоем ветер! Камень от камня отнимем, и кожу от плоти, и плоть от кости, и отмоем их. Вымоем камень и кость, мозг и душу – отмоем, отмоем, отмоем.

Давайте на миг вернемся к беседе на крепостном валу. Конец лета 1972-го. Мы в Эриче, на научной конференции по генетике. Ночь уже опустилась на Сицилию, а Берг с группой студентов вскарабкался на холм полюбоваться россыпью городских огней. Известие Берга – о возможности объединить два фрагмента ДНК в «рекомбинантную» молекулу – запустило разбежавшиеся по конференции волны изумления и тревоги. Тогда студенты озаботились рисками создания подобных неизведанных молекул: если неверный ген попадет в неверный организм, то эксперимент может спровоцировать биологическую или экологическую катастрофу. Но собеседников Берга волновали не только патогены. Они вникали, как то нередко делают студенты, в самую суть: все хотели знать о перспективах генной инженерии человека – о новых генах, которые можно на всю жизнь внедрить в человеческий геном. Что насчет предсказания судьбы по генам и ее изменения с помощью генетических манипуляций? «Они уже тогда думали на несколько шагов вперед, – говорил мне Берг позднее. – Я беспокоился насчет будущего, а их беспокоило будущее будущего».