Максим Либанов - Почему наш мир таков, каков он есть. Природа. Человек. Общество (сборник)

Тем временем владельцев молочных заводов мучила другая проблема. Помните, мы говорили о вирусах-бактериофагах? На земле их живет очень много, примерно в триллион миллиардов раз больше, чем людей. Бактериофаги любят жить там, где есть их еда, то есть бактерии, и часть их живет на молочных заводах, где они заражают бактерии заквасок. Вы купили молоко, внесли закваску, потираете руки в ожидании барышей, но вдруг появляется бактериофаг, культура портится, молоко приходится вылить. В ценовом выражении потери составляют до общего объема этого бизнеса.

Как помочь людям, которые хотят доставить на прилавки вкусные молочные продукты? Нужно сделать тот самый эксперимент, что делали Дельбрюк и Лурия в 1943 году: получить бактерии, устойчивые к вирусу. Это и делали в компании Danisco: брали бактерию из своего каталога, брали вирус, доставляющий проблемы на каком-то молочном заводе, и получали устойчивую к вирусу культуру. Только теперь это уже не кишечная палочка, за которую когда-то была получена Нобелевская премия, а лактобациллы [27].

А перед тем как продать эту культуру промышленникам, ее каталогизируют, чтобы никто не украл: это все-таки бизнес. Для этого подробно описывают кассету CRISPR – берут «автограф», отпечаток пальца полученной линии бактерий. Тут-то и заметили, что у всех устойчивых к вирусу культур в кассете появлялись новые фрагменты-спейсеры, в точности до одной буквы повторяющие кусочек генома того самого вируса, к которому появилась устойчивость. Вот такой любопытный научный результат.

Мы начинаем думать, что это неспроста: возможно, устойчивость связана с добавлением фрагмента из ДНК вируса в CRISPR-кассету бактерии. Говоря математическим языком, мы уже доказали, что это «необходимо»: у всех устойчивых культур в геноме появлялся новый вирусный кусочек. Чтобы доказать «достаточность», поставили молекулярно-генетический эксперимент: ученые сами взяли из вируса кусочек ДНК и вставили его в бактериальную клетку методами молекулярной генетики. И получили устойчивые к вирусу бактерии! Значит, для устойчивости необходимо и достаточно попадания небольшого участка вирусной ДНК в CRISPR-кассету бактерии.

Этот результат был опубликован в 2007 году в журнале Science, и он много что перевернул в биологической науке. Помните спонтанность мутаций? Это был основной вывод из работы Дельбрюка и Лурии, которые за это получили Нобелевскую премию. А в этом опыте, проведенном сотрудниками Danisco, результат оказался ровно обратным: ведь чтобы вставить кусок ДНК из вируса в CRISPR-кассету, надо хотя бы с этим вирусом встретиться. Если вируса нет, то и вставлять в кассету нечего.

Опыт, проведенный сотрудниками Danisco, фактически идентичен тому, что ставили Лурия и Дельбрюк, но результат получился противоположный. Люди ели кефир и в 1943 году, и если бы Лурия и Дельбрюк случайно взяли для своего опыта не кишечную палочку, а лактобациллу или какой-нибудь другой микроб, они пришли бы к другому выводу. Получается, что здание молекулярной биологии строится на довольно хлипких основаниях. Неужели зашаталась центральная догма?

Нет, мир не перевернулся. Дельбрюк и Лурия работали с изнеженной лабораторной культурой кишечной палочки, у которой по каким-то причинам механизм приобретенного иммунитета за счет действия CRISPR просто отсутствовал. Именно это и позволило им обнаружить важнейший факт спонтанного возникновения мутаций. Если бы у их бактерий работала кассета CRISPR, результат эксперимента был бы в некотором смысле безнадежно испорчен. Что, конечно, не помешало бы спонтанным мутациям оставаться главным механизмом дарвиновской эволюции – за исключением ламарковского явления приобретенного бактериального иммунитета под действием CRISPR-систем и еще, возможно, пары-тройки других особых случаев.

Прикладные специалисты из Danisco свою проблему решили, но фундаментальным ученым (типа меня) стало крайне интересно, как работает приобретенный, адаптивный иммунитет бактерий на молекулярном уровне. Выяснилось следующее. Система бактериального иммунитета основана на РНК (помните: ДНК –> РНК –> белок?). Когда вирус заражает клетку, он иногда не сразу убивает ее, и маленький кусочек ДНК вируса успевает встроиться между двумя повторами в CRISPR-кассету бактерии. Потом ДНК кассеты транскрибируется – с нее считывается РНК. Эта РНК специальными белками разрезается на кусочки длиной в шестьдесят нуклеотидов, в шестьдесят букв. У каждой из возникающих коротких молекул РНК концевые участки одинаковые – они соответствуют CRISPR-повторам, а средние участки разные, их последовательности соответствуют спейсерам. Если теперь в клетку сунется вирус, в ДНК которого есть участок, соответствующий одному из спейсеров, то одна из коротких молекул РНК узнает ДНК этого вируса – просто по правилу комплементарности (ведь РНК – это фактически копия вирусной ДНК). А после узнавания в дело вступает специальный белок (его называют Cas, и он является существенным компонентом CRISPR-системы), который раскусывает ДНК вируса в месте узнавания. И все, больше нет вируса, клетка спасена.