Алексей Алексенко:  Кривой путь к истине

Лекция Константина Северинова собрала полную аудиторию «библиотеки» на втором этаже гостиницы «Украина». Как всегда бывает в переполненных аудиториях, кто-то понял все, а кто-то лишь кое-что; кто-то же и вовсе не смог попасть на лекцию. Учитывая интересы двух последних категорий публики, мы перескажем здесь своими словами потрясающую историю научного исследования, которой поделился со слушателями Константин. Она показывает, насколько извилист и непредсказуем путь от незнания к знанию, сколько раз приходится возвращаться по этому пути назад, переосмысливать догмы, переходить от теории к практике и — что особенно любопытно — обратно, от практики к теории. 

Глава первая. Дарвин против Ламарка

Эта история началась 70 лет назад. Тогда биологи еще почти ничего не знали о генах и ДНК. Зато они хорошо знали учение Дарвина о том, что эволюция идет путем естественного отбора, а материал для отбора — небольшие случайные изменения в наследственной программе организма. Но существовала и альтернативная гипотеза: изменения эти могут ведь быть и не случайными, а продиктованными средой. Среда заставляет организм изменяться определенным образом, а потом эти изменения наследуют его потомки (эта идея известна как «ламаркизм»).

Возьмем, например, бактерии. У них есть естественный враг — бактериальные вирусы (бактериофаги). Если заразить вирусом бактерий, они почти все умрут. Но среди обезображенных трупов непременно найдутся пара-тройка клеток, устойчивых к вирусу. Эту устойчивость они передадут своим детишкам.

Спрашивается: возникла ли эта устойчивость случайно, еще когда никакого вируса вокруг не было? Или она выковалась именно в процессе борьбы с вирусом (то есть под действием среды)?

Различить эти два варианта в эксперименте не так просто. Подумайте сами: чтобы убедиться, что клетка устойчива, придется попробовать ее заразить вирусом — а после того, как встреча уже произошла, как доказать, что не эта встреча стала причиной устойчивости?

Как это сделать, придумали в 1943 году будущие нобелевские лауреаты Макс Дельбрюк и Сальвадор Лурия. Идея вот в чем. Возьмем сотню бактерий, рассадим их по отдельным пробиркам и дадим делиться, чтобы в каждой пробирке накопилось, например, 10 000 клеток. А потом добавим вирус. Если при встрече с вирусом некоторые бактерии становятся устойчивыми — например, 0,1% — то в каждой культуре окажется примерно десять устойчивых клеток. То есть в среднем десять. Может, где-то будет 6 или 17, это дело случая. Но вряд ли будет 0 или 50, слишком уж маловероятно.

А вот если устойчивость возникает независимо от вируса, то в какой-то пробирке она могла возникнуть еще у самой первой клетки — и тогда все потомки окажутся устойчивыми. А в какой-то — в третьем поколении (тогда устойчивыми окажутся четверть клеток).

В любом случае, разброс числа устойчивых клеток окажется куда больше. Именно это и наблюдали Лурия с Дельбрюком. За что в надлежащем порядке получили свою Нобелевку, пусть и спустя четверть века.

Вывод их работы такой: мутации — в том числе устойчивость бактерии к вирусу — возникают спонтанно. Случайно. Когда угодно. Сам вирус для этого не нужен. Гены влияют на обстоятельства жизни, но обстоятельства жизни не влияют на гены. Приобретенные признаки не наследуются.

В этом убеждении наука пребывала еще полсотни лет. 

Глава вторая. Наука о простокваше

Перед специалистами датской компании Danisco, производящей молочные закваски, стояли задачи не столь масштабные, как те, за решение которых раздают Нобелевки. Они думали о том, как бороться с биотехнологическим пиратством. Ведь закваску можно купить за деньги у производителя, а можно позаимствовать ее у друзей (примерно как хозяйки делятся чайным грибом), не заплатив производителю ни одного эре. Чтобы вывести пиратов на чистую воду, надо было придумать, как безошибочно отличать породы молочнокислых бактерий, выведенные в лабораториях компании.

К счастью, к этому времени (1990-м годам) про гены и ДНК было известно уже очень многое. Ученые пристально посмотрели на геном своих бактерий и увидели в нем одну любопытную штуку: определенная область генома очень сильно различалась даже у близкородственных линий бактерий. Ее и решено было использовать как своего рода «отпечатки пальцев», для того чтобы отличать «свои» породы и привлекать к ответу похитителей.

Эта область генома выглядела довольно любопытно: там был много раз повторен один кусочек ДНК, а в промежутках рассыпаны другие, ни на что не похожие кусочки. Напомним, что ДНК состоит из четырех букв A, G, C и T. Текст же выглядел примерно таким образом:

ЗДЕСЬБЫЛВАСЯЗДЕСЬБЫЛПЕТЯЗДЕСЬБЫЛКОЛЯЗДЕСЬБЫЛВИТЯ...

Только и «имена», и разделявший их рефрен был длиной примерно букв по 30, причем рефрен был записан «палиндромом»: то справа налево, то слева направо. Но главное вот в чем: порядок и количество «имен» и составляли индивидуальную подпись заквасочной бактерии, по которой ее можно было легко вычислить, в чьи бы руки она ни попала.

Назвали эту штуку CRISPR — Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats — и начали использовать по назначению, для идентификации закваски. А зачем такая штука нужна в природе — это биологам из Danisco никто исследовать не велел, ибо прикладная наука должна концентрироваться на задачах, важных для практики. 

Глава третья. Нобелевка под вопросом

Между тем очередной важной для практики задачей простоквашной науки было выведение молочнокислых бактерий, устойчивых к вирусам — к тем самым бактериофагам, опыт с которыми позволил когда-то Дельбрюку и Лурии установить спонтанность мутаций. Специалисты Danisco обрабатывали свои культуры разными вирусами и выделяли клетки, приобретшие устойчивость.

А потом, естественно, заносили новые устойчивые культуры в каталог — в том числе определяли их «подпись», их «отпечаток пальца», то есть конфигурацию участка CRISPR. Тут-то и оказалось, что у большинства устойчивых микробов «подпись» менялась. В однообразной череде повторов появлялось новое звено. В перечне имен появлялось новое имя:

...ЗДЕСЬБЫЛЗЯМА...

У разных устойчивых микробов этот добавленный кусочек был разный. Но у всех он в точности соответствовал разным кусочкам хромосомы того самого вируса, к которому возникла устойчивость!

Не в этом ли механизм иммунитета бактерии к вирусу? Проверить это проще пареной репы: берем кусочек вирусной ДНК, вставляем в хромосому бактерии между двумя фрагментами ЗДЕСЬБЫЛ и смотрим: появилась ли устойчивость?

Появилась.

Так был открыт механизм приобретенного иммунитета у бактерий. Не только у молочнокислых: описанная штука, как оказалось, повсеместно распространена в природе. Получается, происходит вот что: некоторые бактерии, зараженные вирусом, успевают вставить себе в участок CRISPR кусочек вирусного генома — и тотчас приобретают неведомое оружие против вируса, которое передают своим потомкам.

А пока вируса нет — естественно, кусок его генома взять неоткуда.

Но позвольте! Дельбрюк и Лурия вроде бы давным-давно доказали, что устойчивость не зависит от присутствия вируса! Значит, их опыт был ошибкой? Премию отнимаем, деньги делим?

Нет. Ошибки не было, была случайность. Дельбрюк и Лурия работали с лабораторной линией клеток, изнеженной и избалованной. Описанный механизм иммунитета у нее почему-то не работал. Именно это и позволило ученым установить факт наличия спонтанных мутаций. А то, что кроме спонтанных мутаций бывают и направленные приспособления к среде — это дополнительная сложность, которыми так богата биология. Дарвина это нисколько не опровергает. 

Глава четвертая. О пользе бесполезного знания

Случай наследования приобретенных признаков — это вам не простокваша: конечно, серьезные ученые из университетских лабораторий тут же заинтересовались системой приобретенного иммунитета и скоро разобрались, как она работает.

Оказывается, со всех уникальных фрагментов ДНК области CRISPR, то есть со всех «имен» парней, которые «здесь были», считываются короткие молекулы РНК. Когда один из кусочков РНК совпадает с участком ДНК вируса, заразившего клетку — а он наверняка совпадет, если вирус в клетке уже побывал и оставил там свою подпись, — в дело вступает особая система. Ее работа начинается с того, что в вирусную хромосому вносится надрез. А затем — дело техники: клеточные ферменты разносят пришельца в пух и прах. Если кому интересны детали, то вот они.

Ученый, которому интересно лишь устройство природы — и которого не слишком беспокоит счастье человечества, — на этом бы и остановился. Но таких, слава Богу, не так уж много. А остальных в этой истории заинтриговал малозначительный, на первый взгляд, факт. Длина «имен» побежденных вирусов-пришельцев в повторах CRISPR не так уж велика — всего 30 букв. В реальном геноме (и бактерии, и человека) кусочек такой длины статистически встречается лишь один раз. Но если допустить возможность хотя бы одной опечатки, совпадений сразу становится гораздо больше. Другими словами, если бы эта система допускала опечатки, клетка бы находила похожие «имена» даже там, где их нет, и в итоге разнесла бы в пух и прах свою собственную хромосому. То есть погибла бы. А значит, система работает абсолютно точно.

А раз так — ее можно использовать для того, чтобы находить в геноме ошибки в единственной букве. От таких ошибок, между прочим, иногда зависит жизнь и смерть человека.

Глава пятая. Вопросы жизни и смерти

Единственная опечатка в ДНК может быть причиной тяжелых и даже смертельных заболеваний — например, серповидноклеточной анемии или некоторых видов рака крови. Костный мозг больного производит клетки, содержащие ошибку. Единственная надежда — заменить такой костный мозг донорским, в котором ошибки нет.

А ведь есть и другой вариант. Берем у больного его стволовые клетки и исправляем в них ошибку искусственно, в пробирке. А потом вводим ему обратно. И больные клетки постепенно замещаются здоровыми, отредактированными. Никакой проблемы отторжения: клетки-то свои собственные.

Но как исправить ошибку сразу во многих клетках, как найти ее среди миллиардов букв ДНК? Тут-то и приходят на помощь ферменты системы CRISPR. Мы уже знаем, что они это умеют. И они умеют кое-что еще: найдя ошибку (в единственной букве), они вносят в хромосому надрез.

Остальную разрушительную работу им делать уже никто не позволит. А разрез хромосомы — именно то событие, с которого начинается обмен («кроссинговер») между двумя гомологичными хромосомами, папиной и маминой, присутствующими во всех клетках организма. Ошибка на одной хромосоме исправляется по образцу другой, здоровой. Клетка выздоравливает. Потом делится. А потом возвращается к больному, чтобы сделать его здоровым.

Это не фантазии, это будущее. Таким способом уже научились лечить мышей. Скоро научатся и людей спасать, за этим ведь все и затевалось.

А вы говорили: фу, дарвинизм, абстрактная теория! Фи, простокваша, приземленная практика! 

Заключение

Из этой захватывающей истории можно сделать два вывода. Во-первых, сложность жизни невозможно свести ни к каким догмам, и даже самые бесспорные открытия могут нуждаться в пересмотре и дополнениях. Опыт Дельбрюка и Лурии по-прежнему проходят все студенты-биологи, но о том, что жизнь сложнее любой теории, их тоже не забывают предупредить.

Во-вторых, вместо прямого пути «от теории к практике» познание порой движется извилистыми и непредсказуемыми тропами. Никто не знал, к чему приведет попытка разобраться в одном участке хромосомы молочной закваски. Как раз в то время, когда в Копенгагене скромные корпоративные исследователи ковырялись в малоинтересном повторе CRISPR, в США были выделены миллиарды на программу борьбы с раком. И где те миллиарды, и где этот рак. А решение проблемы — маленькое решение одной частной проблемы, но все же — пришло с неожиданной стороны.

Этот пример может кое-чему научить любителей всевозможных «целевых программ», когда все ресурсы бросают на одно направление и ждут там неизбежного прорыва (а если прорыва нет — значит, либо диверсия, либо деньги попилили). Не бывает так, ребята, не будет у вас прорыва. Наука может развиваться только как целое — или уж вовсе не развиваться. Не надо указывать науке, куда ей двигаться: чтобы узнать точный путь к истине, надо сначала его пройти.

А потом оглянуться и сказать: «Ну ничего себе!»