Глава 5. Синтетический phi X 174

Хотя большинство людей никогда не слышали о phi X 174, этот простой бактериофаг уже завоевал место в истории. Фаг был первым ДНКовым вирусом, подвергшимся секвенированию, и первым, чей геном искусственно скопировали и активировали. Найденный в парижской канализации phi X 174 поражает бактерию из человеческого кишечника E. coli. Можно удивиться, почему так много внимания уделено такому вроде бы неприметному вирусу, но причина проста: в этом вирусе, если изучать его на молекулярном уровне, почти ничего нет. Phi X 174 состоит из хромосомы – кольцевой молекулы ДНК, в которой всего 11 генов, – упакованной в икосаэдрическую «одежку» из белков, включая дюжину пятиугольных «шипов». Хотя под электронным микроскопом фаг выглядит красивым, как цветок, на самом деле это холодная геометрическая форма. Вирус не живее кристалла соли. Его жизненный цикл таков: фаг впрыскивает свою ДНК в бактериальную клетку, где она перехватывает управление биохимической машиной клетки, заставляя ее производить множество новых вирусов. Затем потомство вырывается из клетки, будучи готово заразить еще больше бактерий E. coli.

До появления секвенирования ДНК и даже до того, как стало известно строение генома фага, вирус в 1960 году воссоздала в лаборатории Стэнфордского университета группа под руководством биохимика Артура Корнберга. Ключом к этому достижению стало открытие Корнбергом ДНК-полимеразы, главнейшего фермента для репликации ДНК. Лаборатория Корнберга, используя новооткрытый фермент, начала копировать ДНК in vitro. Судя по статьям Корнберга, его команда сначала попыталась скопировать бактериальный геном, но успеха не имела из-за неспособности полимеразы прочесть безостановочно насквозь весь геном, который состоит из миллионов оснований ДНК.

После провалившегося эксперимента Корнберг решил сделать то, что тридцать лет спустя собиралась сделать моя группа: он поставил себе целью воспроизвести какую-нибудь ДНК попроще, а именно phi X 174. К тому времени один из первопроходцев в генном синтезе и секвенировании, Роберт Синшаймер открыл некоторые важные детали в жизненном цикле фага. Хотя ДНК вируса phi X 174 состоит из одной кольцевой цепочки, Синшаймер обнаружил, что немедленно после заражения хозяина ферменты бактерии превращают кольцевую ДНК в привычную линейную двойную спираль. Это открытие высветило проблему, с которой столкнулся Корнберг при попытках сделать копию вирусного генома: хотя ДНК-полимераза может скопировать весь геном phi X 174 (5386 пар оснований) в линейной форме, она не может создать инфекционную кольцевую форму. Мы все знаем, как превратить линию в окружность, но сделать это на молекулярном уровне полвека назад было для ученых не так просто.

Природа, конечно, превзошла мастерство, и несколько групп ученых, включая команду Корнберга, стали искать бактериальный фермент, который мог бы соединить два конца линейной двухцепочечной ДНК, чтобы превратить ее в замкнутую окружность, наподобие молекулярного уробороса. Этот поиск завершился в 1967 году, когда пять групп открыли ДНК-лигазу – фермент, который мог замкнуть ДНК в колечко. К концу года Корнберг использовал ДНК-лигазу для соединения концов ДНК phi X 174, скопированной ДНК-полимеразой. Воспроизведенная ДНК теперь могла заразить бактерию. Вот так Корнберг преуспел в копировании генома phi X 174, закольцевав его, использовав ферментативно скопированную ДНК для заражения E. coli и продуцирования множества копий этого вируса.

Он, конечно, знал в общих чертах свой объект, но не знал состава генома phi X 174 – последовательности ДНК. Корнберг понял, что он «оживил», лишь спустя десять лет, в 1977 году, когда группа Фреда Сэнгера использовала ДНК-полимеразу в своем новом методе секвенирования, применив ее к геному phi X 174. Тем не менее работа Корнберга стала сенсацией. 14 декабря 1967 года Стэнфордский университет организовал пресс-конференцию Корнберга, приурочив ее к публикации его статьи в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences. Организаторы попросили журналистов не называть его достижение «синтетической жизнью», поскольку вирусы – не живые существа; они могут размножаться только при помощи других организмов. Но, как оказалось, предупредили не всех.

В тот же день президент Линдон Джонсон должен был произнести речь в Смитсонианском институте на праздновании двухсотлетия Encyclopaedia Britannica, и его спичрайтер попросил Стэнфорд дать ему абзац про работу над ДНК. Просьба была выполнена, но когда Джонсон начал читать подготовленную речь, он резко отложил ее в сторону и не смог сдержать волнения, рассказывая аудитории о новостях, которые вот-вот должны были появиться в газетных шапках:

Президент также рассмотрел ситуацию, когда государство может «учреждать жизнь», обладая властью, которую раньше считали прерогативой природы или даже бога: «Это, наверное, станет одной из великих проблем – и одним из важнейших решений. Те решения, что принимает нынешний президент, – это детский сад по сравнению с теми, которые предстоят будущему президенту». После такой речи неудивительно, что заголовки газет по всему миру провозгласили рождение первой синтетической жизни.

Мне посчастливилось ознакомиться с приведенным выше пассажем о «тайне жизни» на десятки лет позже – в 2010 году, когда мы объявили о первой синтетической клетке и научный журналист Джо Палка готовил интервью со мной для Национального общественного радио. (История, которую президент приветствовал как самую важную на поколения вперед, прошла мимо меня – в дни, когда это было главной новостью, я служил санитаром во флотском госпитале в Дананге, во Вьетнаме.) Я подумал, что эта забавная история – восхитительная находка, прекрасно иллюстрирующая как преемственность научного мышления – в данном случае в деле полного понимания жизни путем ее воссоздания, – так и неизбежные трудности донесения до публики действительно волнующих научных результатов без преувеличения и срыва в рекламу. Я когда-то знал Корнберга через руководителя моей диссертации Натана (Нэйта) Каплана. Я задумался: что сделал бы Корнберг, будь в его распоряжении те замечательные возможности геномики, что последовали за его ранними экспериментами?

Опыты с воссозданием ДНК-вирусов на матрице оригинального вирусного генома позже были распространены на более примитивные РНК-вирусы, такие как вирус полиомиелита, и на ретровирусы – такие как ВИЧ. У последних носителем наследственности тоже служит РНК, но они дублируют ее в геном клетки-хозяина с помощью фермента, переписывающего РНК на ДНК. Открытие этого фермента – обратной транскриптазы – в 1970 году стало результатом исследования опухолеродных РНК-вирусов и сильно поколебало центральную догму «ДНК→РНК→белок». За независимое открытие обратной транскриптазы Ховард Мартин Темин из Университета Висконсина в Мэдисоне и Дэвид Балтимор из Массачусетского технологического института (МТИ) поделили Нобелевскую премию 1975 года по физиологии и медицине.

Среди РНК-вирусов есть и бактериофаги; один из них, фаг Qβ (Ку-бета), был первым вирусом, воссозданным в лаборатории с помощью обратной транскриптазы. Этот опыт был кульминацией замечательной работы швейцарского молекулярного биолога Чарльза Вайссмана, который, вероятно, больше известен своими исследованиями прионов в Цюрихском университете и получением белка интерферона с применением технологии рекомбинантной ДНК в 1980 году, через несколько лет после основания первой биотехнологической компании Genentech. Ранние новаторские попытки Вайссмана и Мартина Биллетера секвенировать РНК в 1969 году воодушевят Фреда Сэнгера. Позже, работая с Ричардом Флоуэллом, Вайссман в 1974 году проложит путь к тому, что сегодня называют «обратной генетикой»: изучению того, как влияют на организм те или иные изменения генетического текста (в противоположность классической генетике, где выявляют мутантный организм, а затем прослеживают ответственную за это мутацию в ДНК).

В том же 1974 году начался и прогресс в копировании РНК-вирусов, когда Вайссману и Тадацугу Танигучи удалось получить комплементарную двухцепочечную ДНК-копию (кДНК) с РНК фага Qβ, которую потом они вставили в плазмиду-переносчик. К «удивлению и радости» Вайссмана, плазмида, внедренная в E. coli, дала потомство из заразных Qβ-фагов. Такое удалось проделать впервые. Возможность делать вирусную кДНК позволила бы проводить генетические манипуляции, которые нельзя выполнить на уровне РНК, то есть применять к РНК-вирусам технологию рекомбинантной ДНК. Несколько лет спустя Винсент Раканьелло и Дэвид Балтимор повторили этот эксперимент в МТИ, используя очищенную РНК вируса полиомиелита и человеческие раковые клетки: они тоже получили аутентичные вирусные частицы. Со времени этой работы были опубликованы генетические тексты вирусов почти из каждого вирусного семейства, в том числе вирусов гепатита С, бешенства, гриппа А, кори, Эболы, респираторного синцитиального вируса, буньявируса и вируса гриппа, вызвавшего пандемию 1918 года.

Обратная транскриптаза и ДНК-полимераза внесли вклад и в улучшение методов чтения генетических текстов. Обратная транскриптаза обычно используется для создания кДНК из мРНК, что позволяет секвенировать ДНК работающих (экспрессирующихся) генов. Это тот же метод, что я использовал в своем подходе «экспрессированных меток сиквенса» (EST). От phi X 174 Сэнгера через H. influenzae и до человеческого генома ДНК-полимераза играла ключевую роль в секвенировании ДНК. Чтобы прочитать три миллиарда оснований человеческого генома, моя группа разработала «полногеномное секвенирование методом дробления», основанное на разбивке генома на мелкие кусочки, которые легко прочитать машинами для секвенирования ДНК. В 1999 году, чтобы прочесть двадцать пять миллионов таких отдельных «строчек» и собрать из них полный геном человека, потребовалось девять месяцев. Сегодня, после появления ряда новых технологий, чтение ДНК так продвинулось, что позволяет на одном настольном приборчике сделать сиквенс человеческого генома за один день.

После завершения секвенирования человеческого генома в компании Celera я вновь обратился к проблеме генетического «прожиточного минимума» и дальнейшей работе над синтетическими геномами. Хэм Смит оставил Celera, чтобы примкнуть ко мне. Для финансирования этих работ мы вдвоем подали заявку на большой грант в министерство энергетики США (МЭ). Оно ведет крупную программу «Геномы для жизни», выросшую из их работ по человеческому геному. Еще раньше МЭ финансировало полное секвенирование моей командой некоторых первых геномов, в том числе M. genitalium и Methanococcus jannaschii. В итоге МЭ предоставило нам пятилетний грант с ежегодным бюджетом в 5 миллионов долларов – хорошее начало, сделавшее для нас возможной разработку двух новых областей, у которых, как мы считали, были потрясающие перспективы.

Первая радикально расширяла мою раннюю работу по секвенированию геномов, которая потом стала называться метагеномикой. Вместо сосредоточения на конкретных видах мы стали искать, как получить генетический «моментальный снимок» всего микробиологического разнообразия в такой среде, как океан или человеческий кишечник. Многие мои коллеги сомневались, что секвенирование дроблением всех организмов в образце морской воды сработает, потому что мы имеем дело с супом из множества разных видов. Скептицизм навевало то, что необходимо было одновременно секвенировать тысячи геномов, присутствующих в образце, а затем с помощью компьютера «перекоммутировать» фрагменты, стыкуя один с другим только те, что относятся к одному геному (как мы делали это с человеческим геномом). Но я был уверен, что нуклеотидная последовательность достаточно уникальна для каждого вида, чтобы можно было восстановить ее в компьютере из сложной смеси фрагментов разнородных последовательностей.

Как оказалось, мой новый метод секвенирования «дроблением среды» был весьма успешным. Мы начали с образцов воды из Саргассова моря вокруг Бермудских островов, которое в то время многими считалось «океанской пустыней» из-за нехватки доступных питательных веществ. В этом «пустом» море мы только в одном образце нашли более 1,2 млн ранее неизвестных генов и как минимум 1800 видов. Бедная питательными веществами морская вода была полна жизни, потому что энергию организмы получали напрямую из солнечного света. Мы обнаружили, что фотосинтезировали не только растения: почти каждый микроорганизм в верхних слоях океана имеет светочувствительный белок – фоторецептор родопсин, очень похожий на тот, что работает в наших глазах. За последние шесть лет нашей работы в составе экспедиции Sorcerer II, отбиравшей образцы через каждые двести миль и покрывшей за эти годы больше шестидесяти тысяч миль по морю, мы обнаружили более восьмидесяти миллионов генов. То, что раньше считалось одним видом, теперь оказалось совокупностью тысяч близкородственных организмов. На основании множества работ мы прикинули, что в океане примерно 10³⁰ одноклеточных организмов и 10³¹ вирусов. Это значит, что на каждого человека на планете приходится по миллиарду триллионов организмов.

Второе направление исследований, профинансированное МЭ, позволило нам начать с начала путь к тому, чтобы впервые создать синтетическую жизнь. Клайд Хатчинсон на основании своей ранней работы с Робертом Синшаймером и Фредом Сэнгером предложил в качестве тестового проекта бактериофаг phi X 174. Это был заманчивый объект по целому ряду причин. Геном бактериофага маленький, phi X 174 не выдержит много генетических изменений, так что это сразу будет проверкой на точность синтеза. И к тому же об этом вирусе очень много информации – благодаря усилиям Корнберга, Сэнгера и, конечно, Синшаймера, вдохновленного на изучение фагов Максом Дельбрюком и выбравшего, понятное дело, один из самых маленьких, какой сумел найти.

Чтобы проверить простую методику синтеза, мы в 1997 году предприняли первую попытку синтезировать геном phi X 174 из набора перекрывающихся олигонуклеотидов в 50 пар оснований каждый, с последующей полимеразной цепной реакцией, чтобы сделать копии генома. Сначала нам показалось, что эксперимент удался. В записях лаборатории Клайда Хатчинсона значится, что 22 апреля мы получили молекулы ДНК, размер которых соответствовал целому геному phi X 174. Ключевой вопрос: был ли синтез достаточно точным, чтобы получить вирус? Мы собирались попытаться заразить синтетической ДНК клетки E. coli. Если ДНК не содержит летальных ошибок, то бактерия начнет производить специфические вирусные белки, которые будут самособираться в новые копии вируса phi X. Увы, наш синтетический геном не оказал вообще никакого действия. Мы знали, что синтез ДНК подвержен ошибкам, но надеялись, что путем отбора в ходе заражения на миллион цепочек ДНК найдется хотя бы одна с правильной последовательностью. Эта надежда разбилась, когда до нас дошел смысл этой неудачи. Точный синтез ДНК даже маленького вируса оказался задачей, требующей куда больше труда и умения, чем мы себе представляли. Что же говорить о более масштабной затее – создать полный бактериальный геном для получения живой клетки! Мы всей командой разрабатывали стратегию, как нам продвигаться дальше, и взвешивали, достижима ли вообще наша цель – синтетическая жизнь. Однако эти критические обсуждения были на несколько лет отодвинуты возможностью секвенировать человеческий геном. А уж когда мы на гребне нашего успеха с секвенированием человеческого генома вернулись к проблеме синтетического генома, мы уже были обречены на удачу.

Наши ранние попытки за несколько лет до того синтезировать phi X 174 провалились, очевидно, из-за ошибок, которые неизбежны при синтезе олигонуклеотидов. Если бы автоматические синтезаторы ДНК были способны производить чистые, свободные от ошибок, олигомеры заданной последовательности, сборка длинных двухцепочечных молекул ДНК была бы относительно простым делом. Но в реальности лишь около половины синтезированных молекул имеют правильную длину цепочки; остальные молекулы по большей части усеченные. Обычной причиной того, что они короче, чем ожидалось, становилось то, что в синтезаторе попадалось основание, которое не встраивалось; это назвали проблемой N-1. Эти неправильные молекулы или останавливали сборку олигонуклеотидов, или на выходе получалась ДНК с ошибками.

Мы проделали простые вычисления, чтобы иметь представление, почему опыт не удался. Поскольку в среднем только одна из двух молекул, использованных для сборки ДНК фага, была правильной, то стало совершенно – и безнадежно – ясно, почему наша давняя сборка не удалась. При случайном выборе 130 неочищенных олигонуклеотидов вероятность того, что цепочка генома нашего phi X собралась бы правильно, была одна вторая в 130 степени: (1/2)¹³⁰, или 10^–39, – исчезающе малая величина. Мы посчитали, что еще до отбора на заразность нужно снизить долю неправильных олигонуклеотидов до менее чем 10 % от всей популяции – только тогда мы могли рассчитывать на шанс создать достаточно много правильных молекул.

Мы начали все сначала. Первым делом мы заново оценили геном, который хотели сконструировать, чтобы абсолютно убедиться, что мы начинаем с точной вирусной последовательности. Мы брали за основу этой последовательности ту, что была в исторической статье 1978 года Фреда Сэнгера и его коллег. Нам повезло, что Клайд Хатчинсон сохранил образец того вируса, который исходно секвенировали, поэтому мы могли пересеквенировать его новейшими методами, чтобы проверить точность работы команды Сэнгера. Мы нашли только три отличия на 5384 пары оснований, и было неизвестно, то ли это ошибки в исходном секвенировании, то ли изменения, произошедшие при новом выращивании образца вируса. В любом случае сиквенс Сэнгера оказался очень точным, что подтвердило успех его команды.

Точность секвенирования всегда была проблемой для геномики. Точность изрядной части ранних сиквенсов ДНК была намного ниже 99 % (одна ошибка на 100 оснований). Лишь немногие лаборатории придерживались «высокого» стандарта, установленного для человеческого генома, – одна ошибка на десять тысяч оснований. Между тем для написания генетического текста нужна точность на порядки выше, чем текущие стандарты для чтения ДНК. Поскольку оцифрованные последовательности ДНК должны стать основой для конструирования и синтеза генома, сиквенс, на котором она основана, должен быть чрезвычайно точным, чтобы организм с таким геномом мог жить. (Позже мы установили, что одна «опечатка» – выпадение всего одного основания – из 1,1 миллиона букв генетического текста может быть вопросом жизни и смерти, когда речь идет о создании первой синтетической клетки.)

Со времен работы Синшаймера мы знали, что геном phi X 174, чтобы стать заразным, должен быть кольцевым. Чтобы синтезировать работающий кольцевой геном, мы разбили проблему на несколько этапов. Внеся в компьютер последовательность ДНК фага, мы затем разделили геном на перекрывающиеся куски, которые были достаточно малы, чтобы их мог сделать синтезатор ДНК. Чтобы синтезировать фага, мы сделали 259 олигомеров, каждый 42 основания в длину. Перекрываясь, они покрывали весь геном. Смысловая цепочка должна была сформироваться из 130 этих олигомеров, а другие 129 должны были образовать антисмысловую цепочку. Поскольку геном phi X 174 состоит из 5384 пар оснований, в конструкции предусматривались области перекрывания между кусками из 42 оснований (мы их назвали «сорокдвамеры» – от греческого meros, т. е. часть, в данном случае нуклеотид), а также дополнительные последовательности, которые мы добавили к каждому концу генома, чтобы сдублировать место рестрикции (в геноме оно содержится только один раз – там, где фермент рестриктаза PstI может резать ДНК), чтобы создать перекрывающиеся концы, которые свяжутся друг с другом, заставив ДНК закольцеваться.

Зная, что лишь половина синтезированных «сорокдвамеров» будет правильной длины, мы рассудили, что сильно улучшим точность сборки, предварительно очистив олигонуклеотиды. Гели для секвенирования ДНК разделяют молекулы ДНК разной длины и способны различать молекулы с разницей всего в один нуклеотид. В процессе, который называется гель-электрофорез, отрицательно заряженные молекулы нуклеиновой кислоты двигаются сквозь агарозный гель под действием электрического поля. «Усеченные» олигомеры меньше и в силу этого двигаются быстрее, чем олигомеры правильного размера. Просто разрезав гель бритвенным лезвием, мы могли отделить полосу с молекулами нормальной длины, чтобы использовать их для сборки смысловой и антисмысловой цепочек phi X 174.

Теперь у нас были компоненты для сборки генома фага – очищенные олигомерные цепочки. После этого мы объединили смысловые и антисмысловые олигомеры, которые, благодаря перекрывающейся схеме, сами выстроились в правильном порядке, подобно самособирающимся блокам лего. Тогда мы связали их насовсем с помощью фермента ДНК-лигазы. Вместо того фермента, что был у Корнберга, мы выбрали более мощную лигазу из высокотемпературного организма, которая долго сохраняла активность. Оставив пул олигомеров на восемнадцать часов реагировать при температуре в 55 градусов, мы получили из олигомеров по 42 основания более крупные фрагменты: в среднем по 700 оснований, а некоторые – по две-три тысячи.

Из этих более длинных кусков ДНК мы смонтировали полноразмерную геномную последовательность phi X 174 методом полимеразной цикличной сборки (ПЦС). Это вариант полимеразной цепной реакции (ПЦР) – обычного метода размножения ДНК. С помощью ПЦР мы можем приумножить небольшие количества ДНК. При нагреве ДНК денатурируется или «тает»: двойная спираль разделяется на две одноцепочечные молекулы. Дальше термоустойчивая Taq-полимераза, используя эти цепочки как матрицы, делает две новых цепочки ДНК. Это удваивает исходную ДНК, так как каждая из новых молекул содержит одну старую и одну новую цепочки. Затем каждая из этих цепочек может быть использована для создания новых копий и так далее.

В варианте процесса ПЦС мы начали со всех более крупных кусков ДНК с первого этапа сборки (в которых было в среднем по 700 пар оснований). Мы снова расплавили двухцепочечную ДНК до одиночных цепочек. Вместо копирования одинарных цепочек ДНК-полимеразой мы позволили реакционной смеси остыть, чтобы одинарные цепочки слиплись с любыми комплементарными участками. Поскольку последовательности наших фрагментов частично перекрывались на концах, в такой смеси часть цепочек объединялась не со своей парой, а с парой «соседнего» фрагмента, сцепляясь с ним лишь концами – как если совместить только первые фаланги ваших указательных пальцев. Большая часть таких цепочек оставалась одинарной, и ДНК-полимеразы, используя их как матрицу, достраивали к ним комплементарные цепочки. В результате из двух фрагментов получался один, почти вдвое большей длины. Повторяя этот цикл, можно построить кусок ДНК длиной в несколько тысяч пар оснований, причем сделать это относительно быстро. Циклы продолжаются, пока растущие молекулы не перекрывают геном полностью. После этого для размножения полного генома используется обычная ПЦР. Чтобы превратить эти линейные геномы фага в способные заражать кольца, фермент PstI срезает по несколько нуклеотидов одной из цепочек на концах амплифицированных молекул. В результате на концах молекул образуются короткие одноцепочечные «хвосты». Они слипаются друг с другом, замыкая молекулу в кольцо.

Далее идет важный тест – проверка, удалось ли нам создать точный синтетический геном, способный к заражению. Чтобы вирус был заразным, синтетическая ДНК должна быть опознана ферментными системами в клетках E. coli, сначала будучи переписана на мРНК, а потом в вирусные белки посредством механизма синтеза белков E. coli. Чтобы гарантировать нашей синтетической ДНК попадание в целевую бактерию-хозяина E. coli, мы применяли метод электропорации, при котором электрическое поле пробивает маленькие временные дырочки в клеточной стенке E. coli. После заражения синтетическим phi X 174 бактерий помещали на агар (желеподобную смесь агарозы и агаропектина) в чашке Петри и оставляли инкубироваться при 37 градусах от 6 до 18 часов.

Если бы на слое E. coli появилось пятно лизиса – красноречивый четкий круг, – было бы ясно, что новая стратегия сработала. Пятно показало бы, что в бактерии успешно вырабатываются вирусные белки, самособираясь в полноценные копии вируса phi X 174, заставляющие клетки-хозяева лопаться, выпуская вирус и заражая окружающие клетки E. coli. Открыв инкубатор, Хэм позвонил мне, попросив как можно быстрее прийти в лабораторию. Когда он показал мне первую чашку, я был очень доволен: по всей поверхности были явные пятна лизиса. Синтетическая ДНК бактериофага действительно могла заражать, воспроизводиться и затем убивать бактериальные клетки. У Хэма и Клайда от волнения кружились головы. Весь процесс создания синтетического генома и заражения клеток занял у нас две недели.

Чтобы представить контекст наших опытов, надо сказать о еще более отважной попытке создать хотя бы отчасти жизнеспособный вирус путем пошагового процесса, предпринятой годом раньше Экардом Уиммером из Университета штата Нью-Йорк в Стони-Бруке. У его команды получение первого синтетического РНК-вируса путем сборки генома вируса полиомиелита в семь тысяч оснований из небольших синтетических олигомеров ДНК, следуя расшифровке, которую он и его коллеги опубликовали в 1981 году, заняло три года. Синтетическая ДНК была с помощью РНК-транскриптазы переведена в заразную вирусную РНК. Этот первый синтетический РНК-вирус полиомиелита страдал той же самой неточностью синтеза олигомеров, которая подкосила наши собственные опыты, и в результате его активность была сильно снижена. У достижения Уиммера был один негативный аспект: он предпочел опубликовать это скорее как предостережение научному сообществу, чем как обычный научный результат, породив тем самым споры и беспокойство в обществе.

Следуя за работой Уиммера, мы сократили сроки создания вируса с годов до дней. Поскольку эта работа финансировалась МЭ, я связался с Ари Патриносом, чтобы уведомить правительство о нашем успехе. Вскоре поступил официальный ответ, который я приводил в автобиографии «Расшифрованная жизнь».

Прямо на следующий день я обнаружил себя сидящим в ресторане на Пенсильвания-авеню (в нескольких кварталах от Овального кабинета), куда был призван всего за два часа до этого на срочный деловой ланч Ари Патриносом, работавшим в биологическом отделе министерства энергетики, которое спонсировало мои исследования, и сыгравшим в свое время важную роль в совместном представлении первого человеческого генома в Белом доме. Позже к нам присоединились его босс, Рэймонд Ли Орбах, директор Управления науки и техники МЭ; Джон Марбургер III, советник президента по науке и директор Управления науки и технической политики; и Лоуренс Керр, директор по исследованиям, развитию и проблеме биотерроризма Управления внутренней безопасности Белого дома. После того как в октябре 2001 года нескольким политикам были присланы по почте споры сибирской язвы, убившие пять человек, правительство США всерьез занялось подготовкой к отражению будущих биологических терактов.

Я объяснил им, насколько быстро мы создали phi X 174 нашим методом исправления ошибок и что сейчас мы запросто могли бы сделать это еще быстрее. Керр выглядел понимающим, и вопросы, вытекающие из возможности создавать синтетические вирусы, видимо, прошли весь путь в Белый дом – вплоть до решения о возможных ограничениях публикации наших результатов.

Я настаивал на рассмотрении этой проблемы правительством еще десятью годами ранее, когда мою группу, тогда еще в НИЗ, министр здравоохранения попросил секвенировать геном вируса оспы. Это было частью международного соглашения о ликвидации остаточных запасов вируса оспы в Центрах по контролю заболеваний в Атланте и аналогичной организации в Москве. Уничтожать или нет оставшиеся штаммы оспы – было в последние годы одним из самых яростных споров в мировом здравоохранении. Была надежда, что если, прежде чем уничтожить вирус, секвенировать геном, то важная для науки информация сохранится. Секвенирование, подробно описанное в «Расшифрованной жизни», началось в моей лаборатории в НИЗ и закончилось в TIGR. Анализируя геном, мы имели несколько причин для беспокойства.

Прежде всего мы не знали, позволит ли (и должно ли позволять) правительство публикацию последовательности и ее анализа. Наше беспокойство насчет обнародования таких знаний было понятным: этот вирус убивал людей миллионами. За всю историю человечества до эпидемии ВИЧ вирус натуральной оспы унес больше человеческих жизней, чем все прочие инфекционные агенты, вместе взятые. Предполагается, что он возник около 3000 лет назад в Индии или Египте, после чего оспа появлялась в виде периодических эпидемий, которые прокатывались по континентам, убивая до 30 % зараженных, обезображивая и лишая зрения тех, кто выжил. Считается, что оспа выкосила значительную часть коренного населения обеих Америк, где европейские поселенцы нарочно давали туземцам зараженные одеяла, чтобы распространить инфекцию. Забирая жизни королей, королев, царей и императоров, оспа меняла ход истории.

В конце концов я оказался в Национальном институте здравоохранения в Бетесде у его директора Бернадин Хили (умершей в 2011 году от опухоли мозга) в компании представителей разных федеральных ведомств, в том числе министерства обороны. Эта группа была по понятным причинам встревожена перспективой открытой публикации данных о геноме оспы. Некоторые радикальные предложения включали засекречивание моих исследований и создание периметра безопасности вокруг нового здания моего института. К несчастью, это совещание не выработало хорошо продуманной долгосрочной стратегии. Вместо этого была принята политика, выдержанная в духе холодной войны. В рамках соглашения с СССР (распавшимся в конце 1991 года) в России секвенировали геном возбудителя так называемой «малой оспы», а мы – геном возбудителя типичной формы. Узнав, что русские готовятся опубликовать свои данные о геноме, правительство поторопило меня с завершением работы, чтобы опубликоваться первыми, и все разумные обсуждения на этом закончились.

На сей раз все было иначе: Белый дом президента Буша весьма обдуманно рассматривал возможные последствия нашей работы над синтетическим вирусом. После обширных консультаций и исследований они, к моему удовлетворению, приняли решение об открытой публикации нашего синтетического генома phi X 174 и связанной с этим методики. Нам повезло, что часть финансирования на этом первом этапе наших исследований была государственной, поскольку это гарантировало быстрый ответ от регулирующих органов. Я знал, что без общественного обсуждения и рассмотрения правительством мы могли бы получить предсказуемый рефлекторный ответ, продиктованный скорее атмосферой страха, преобладавшей после теракта 11 сентября и работы Уиммера по вирусу полиомиелита, нежели спокойной объективной логикой и доводами. Работа в конце концов появилась в Proceedings of the National Academy of Sciences 23 декабря 2003 года. Условием публикации (выдвинутым правительством и принятым мною) было создание межведомственного органа под названием Государственный научный консультативный совет по биобезопасности (NSABB), который будет заниматься биотехнологиями двойного назначения.

На пресс-конференции в Вашингтоне, устроенной министерством энергетики для обсуждения статьи, министр Спенсер Абрахам назвал эту работу «совершенно изумительной» и предсказал, что она может привести к созданию генно-инженерных микробов, скроенных для борьбы с загрязнениями или поглощения излишков углекислоты или даже для обеспечения в будущем потребности в топливе. Это было бы настоящей наградой – как для меня, так и для общества. Теперь мы умеем составлять синтетические геномы, и это, я надеюсь, приведет к невероятному прогрессу в проектировании микроорганизмов для многих жизненно важных энергетических и природоохранных целей. Некоторые, к примеру, смогут превращать солнечный свет в горючее, другие – поглощать загрязнители или очищать выхлопные газы от углекислоты.

Мы повторили то, что сделал Корнберг в 1960-х с ДНК-полимеразной копией тогда еще неизвестного генома phi X 174 – только на этот раз используя синтетическую ДНК. Эти опыты подтвердили, что в ДНК содержится необходимая и достаточная информация для формирования вируса: доказано синтезом. Мы поняли, что, имея точные фрагменты ДНК размером тысяч в пять оснований, мы преодолели ключевое ограничение синтеза ДНК и можем делать следующий шаг. Теперь мы были готовы направиться туда, где раньше не бывал никто: создать полный синтетический геном бактерии и попытаться получить первую синтетическую клетку. И мы совершенно не представляли, что это займет у нас целых семь лет.

Однако уже тогда мы осознали, что если мы преуспеем в способности конструировать текст жизни в компьютере, химическим синтезом переводить его в программу ДНК и заставлять синтетический текст работать для создания нового организма, то это будет означать, что витализм действительно мертв, и заодно – что у нас будет более ясное представление о том, что на самом деле значит слово «жизнь». Слияние цифровых миров – машинного и биологического – откроет замечательные возможности создавать новые виды и направлять будущую эволюцию. Мы достигли важнейшей точки бытия – начала времени, «когда все станет возможным», и можем в самом деле достичь того, что Фрэнсис Бэкон описывал как покорение природы. Но это великое могущество влечет за собой долг объяснить нашу цель – так, чтобы общество в большинстве смогло ее понять – и, что еще важнее, использовать эту мощь ответственно.

Задолго до того, как мы наконец преуспели в создании синтетического генома, я стремился предусмотреть все этические последствия этого достижения для науки и общества. Я был уверен, что кое у кого создание синтетической жизни вызовет тревогу и даже страх. Их будут интересовать последствия для здоровья людей и окружающей среды. В рамках образовательной работы своего института я организовал знаменитую серию семинаров в Национальной академии наук в Вашингтоне, где выступили весьма разнообразные и широко известные докладчики – от Джареда Даймонда до Сиднея Бреннера. Следуя своему интересу к проблемам биоэтики, я также пригласил прочитать одну из лекций очень влиятельную фигуру в здравоохранении и этике – Артура Каплана, работавшего тогда в Центре биоэтики при Университете Пенсильвании.

Как и было принято, после лекции я пригласил Артура Каплана на обед. За столом я сказал что-то в том духе, что, мол, имея дело с широким спектром современных биомедицинских проблем, он должен был к нынешнему моменту слышать всё. Арт ответил, что да, конечно, в основном слышал. А доводилось ли ему сталкиваться с темой создания новых синтетических форм жизни в лаборатории? Он с удивленным видом признал, что определенно никогда не слышал о таком, пока я не спросил. Не будет ли ему интересно рассмотреть эту проблему, если я дам его группе необходимое финансирование? Арт загорелся темой синтетической жизни, и мы тут же договорились, что мой институт даст его отделу средства для независимого анализа последствий наших работ по созданию синтетической клетки.

Каплан со своей командой провел серию рабочих групп и интервью, приглашая самых разных специалистов, религиозных лидеров и знаменитостей. Меня позвали на одну сессию для описания запланированного нами научного подхода и ответов на вопросы. Я очутился среди представителей нескольких крупных религий. Я был очень удивлен и доволен, когда обсуждение пришло к тому, что поскольку они не смогли найти ни в Библии, ни в священных писаниях других религий запрета на создание новых жизненных форм, то это приемлемо.

После этого я не слышал о биоэтическом исследовании Университета Пенсильвании, пока результаты не были опубликованы в Science, в статье «Этические аспекты создания минимального генома», где соавторами были Милдред Чо, Дэвид Магнус, Артур Каплан, Дэниэл Макги и группа этических проблем геномики. (Статья вышла в том же выпуске Science от 10 декабря 1999 года, в котором появилась и наша работа «Массированный транспозоновый мутагенез и минимальный геном микоплазмы», описывающая, как мы с помощью транспозонов определяли, какие гены критически важны для жизни.) Авторы приветствовали нашу работу как важный шаг вперед в генетической инженерии, которая «позволит создавать организмы (новые и уже существующие), просто зная последовательность их геномов».

В начале статья обращала внимание на то, как неожиданное объявление о клонировании овечки Долли в феврале 1997 года выявило серьезное отставание принятых понятий об этичности и законности от научного прогресса. (На самом деле Долли была не первым клонированным животным, но первым клонированным из взрослой клетки.) Эта новость стала шоком для биологов – мало кто считал возможным взять взрослую дифференцированную клетку и перевести часы развития назад настолько, чтобы создать эмбриональную клетку, которая может вырасти в новое животное. Овца, которая дала клетку молочной железы для создания Долли, не «восстала из мертвых», как утверждали некоторые. Жить продолжала только ее ДНК-программа.

Как я и надеялся, когда дошло до изучения проблем, возникших при создании минимального генома, инициативой завладела пенсильванская команда. С моей точки зрения, это было особенно важно: это означало, что проблемы поставили ученые, участвующие в основном исследовании и в зарождении самих идей, воплощенных этих достижениях, – а не сердитые или встревоженные люди с улицы, протестующие против того, что их не спросили (пусть даже потом некоторые маргинальные группы и заявят об этом). Авторы указали, что, хотя искушение демонизировать нашу работу может быть непреодолимым, «научное сообщество и публика могут начинать понимать, что стоит на кону, поскольку уже предприняты усилия определить природу занимающейся этим предметом науки и поставить ключевые этические, религиозные и метафизические вопросы так, чтобы их обсуждение могло успевать за наукой. Если этика отстанет от этой линии исследований, то только потому, что мы ей это позволим».

Далее статья обращалась к широкому кругу проблем – от потенциальной опасности выпуска новых видов для окружающей среды до вопросов патентного права. Однако поскольку реальный синтез таких геномов казался делом очень отдаленного будущего, в большинстве сообщений СМИ был пропущен один из ключевых абзацев, касающийся безопасности: «Знание последовательностей особо опасных патогенов может создать для общественного здравоохранения и безопасности угрозы, способные перевесить выгоды. Это тревожит, поскольку современные способы регулирования почти не обеспечивают надзора за этими технологиями».

Помня о спорах вокруг уничтожения оспы и сомнениях насчет публикации вируса полиомиелита и, возможно, предвидя постоянные будущие заламывания рук в ожидании оживления пандемических штаммов в ходе исследований гриппа, авторы спрашивали, надо ли нам регулировать науку и если да, то в какой мере. Подобные вопросы будут сопровождать каждый следующий шаг науки о синтетических геномах.

Как ни странно для публикации в научном журнале, статья в Science отвела немало места размышлениям о влиянии редукционистской науки на «смысл и происхождение жизни», но не взялась за непростую проблему – что вообще значит это короткое слово «жизнь». Авторы предупреждали:

Чо и др. также уделили много внимания религиозным проблемам, словно подчеркивая свою озабоченность ими: «Удивительно, что крупные западные религиозные сообщества почти не проявляли склонности дать определение жизни или обозначить ее суть». Таким образом эта ответственность возлагалась на науку – несмотря на заключение самих авторов, что как раз «чисто научное определение жизни» и вызвало беспокойство.

Самым, пожалуй, настоятельным вопросом, по мнению пенсильванской команды, было «не будет ли такое исследование недозволенным вмешательством в то, что лучше бы оставить природе». Важный – и для меня обнадеживающий – вывод работы вторил тому, что я слышал прежде на обсуждениях: «Преобладающая [религиозная] точка зрения состоит в том, что, хотя есть причины для осторожности, в намерении ученых создать минимальный геном нет ничего такого, что автоматически запрещалось бы обоснованными религиозными соображениями».

Это не значило, однако, что религиозные соображения не имеют отношения к делу. Один взгляд на нашу работу состоял в том, что она знаменует прогресс человечества. Другой – что это лишь новейший пример научной спеси, неизбежно ведущей к катастрофе, – тема, которую снова и снова рассматривает и разрабатывает популярная литература, от голема, одушевленной глиняной фигуры из иудейских легенд, до монстра из «Франкенштейна» Мэри Шелли, «Острова доктора Моро» Уэллса и воскрешенных динозавров из «Парка юрского периода» Майкла Крайтона.

Именно этот вопрос будет определять одиннадцать лет спустя реакцию прессы на наше объявление о первой синтетической клетке, когда все дружно двинутся по одной мысленной дорожке: «А не играем ли мы в Бога?» Статья пенсильванской группы мудро указывала, что это возражение – средство скорее пресечь дискуссии о моральной ответственности за манипуляции жизнью, чем стимулировать их. Она утверждала, что можно найти баланс между пессимистическим взглядом на нашу работу как очередной пример спеси и оптимистическим – как на равносильную «прогрессу человечества». Авторы добавляли, что «хороший распорядитель» продвигал бы работы по геномике осторожно, рассматривая собственные цели и применение новых знаний в свете чтимых традиций. Они заключали, что нет веских этических причин, по которым команда должна была бы воздержаться от продолжения работы в этой области, пока она продолжает участвовать в публичных обсуждениях – что мы и делаем.