Путешествие Колдуна II. Экспедиция, которая раскрыла секреты микробиома океана - J. Craig Venter

Раппуоли - это позволило создать первую вакцину против менингита B.8 "Сразу стало ясно, что это новый способ создания вакцин, - говорит Раппуоли о своей работе с Крейгом, - который я называю обратной вакцинологией, потому что мы начинаем с генов. Это был первый случай, когда вам не нужен был патоген, и вы могли идти в обратном направлении, отталкиваясь от информации в геноме".

Еще одной важной сквозной линией, приведшей к дискуссии 2002 года в пабе "Белая лошадь", стало неустанное стремление Крейга секвенировать ДНК быстрее и дешевле. Проект "Колдун" с научной точки зрения начался в 95-м году", - сказал Крейг, когда его команда использовала метод "дробовика" на Haemophilus influenzae, первом организме, который когда-либо был полностью секвенирован. "На самом деле мы занимались двумя проектами: Haemophilus influenzae и Mycoplasma genitalium, которые были описаны более подробно в главе 2. Целью этой ранней работы было сначала доказать, что секвенирование с помощью дробовика работает, а затем посмотреть, что этот метод открывает о внутреннем устройстве этих клеток. "Мы не ставили перед собой задачу секвенировать первый в истории геном", - говорил он позже. "Мы хотели провести эксперимент с использованием полногеномного секвенирования дробовиком, которое, как мы полагали, позволит ускорить полногеномные проекты с десятилетий до менее чем года".

Крейг также хотел заглянуть в мир, который никто никогда не видел - всю ДНК одного организма. "Создав первые два генома бактерий, - говорит он, - мы обнаружили, что, изучая и сравнивая их, они гораздо разнообразнее и сложнее, чем люди думали". По его словам, триумф секвенирования был очень полезным, "но в то же время он стал причиной разочарования, потому что, глядя на первую полную карту всех генов, связанных с этими микробами, я понял, что они пытаются рассказать нам гораздо больше, чем мы можем понять".

Это заставило его задуматься о том, что обнаружат ученые, если им удастся собрать и протестировать с помощью секвенирования дробовика большое количество микробов, обитающих в организме человека, воздухе, почве, озерах, реках и океанах. "Только имея весь генетический код большинства или многих других видов на этой планете, мы сможем по-настоящему понять, как жизнь стала такой, какая она есть сегодня".

В тот же период Крейг читал исследования о микробах в почве, воздухе и океане, которые свидетельствовали о гораздо меньшем разнообразии и сложности, чем, по его мнению, существовало в окружающей среде. Больше всего его раздражали исследования, в которых утверждалось, что микробы в океанах Земли менее многочисленны и разнообразны, чем микробы в почве. "Это просто не соответствовало действительности", - сказал он.

 

"Например, океанские водоросли производят около 40 процентов кислорода на Земле. А микробы в почве были изучены гораздо лучше".

Скептицизм Крейга также был обусловлен существовавшими в то время методами идентификации бактерий. Самый старый подход, впервые примененный в начале двадцатого века, заключался в том, чтобы взять образец бактерии, попробовать вырастить ее в чашках Петри, накормив ее богатым белком бульоном "среды роста", а затем рассмотреть партию микробов под микроскопом и попытаться их идентифицировать. К сожалению, поскольку около 98 процентов бактерий не растут в среде, очень немногие из них могут быть воспроизведены в количестве, необходимом для их наблюдения и идентификации. Что же касается остальных, то, не имея возможности вырастить их в лаборатории, они как будто не существовали.

В 1970-х годах исследователи начали использовать генетику для идентификации бактерий, что стало настоящим прорывом. Секвенирование оставалось дорогостоящим, а методы - кропотливыми и медленными, но в 1977 году был достигнут прогресс, когда известный микробиолог Карл Вуз из Университета Иллинойса Урбана-Шампейн обнаружил, как идентифицировать многие виды бактерий путем секвенирования крошечных участков ДНК из гена, называемого 16S рРНК.

Этот ген существует у каждого вида бактерий на Земле и обладает характеристиками, которые в значительной степени сохранились в ходе эволюции - то есть за миллиарды лет он практически не изменился, за исключением мельчайших различий в кодировке, которые варьируются от вида к виду. Действуя как своего рода генетический отпечаток пальца или штрих-код, 16S рРНК может подсказать ученым, относится ли микроб к тому или иному виду, или к ранее не встречавшимся видам, не прибегая к секвенированию остальной части генома организма.

 

В отличие от старого метода "бульон в чашке", бактерии трудно различить, учитывая, как быстро они мутируют. (Они делятся каждые несколько часов, а значит, могут быстро адаптироваться и мутировать). Кроме того, они иногда заимствуют и обмениваются генами латерально - то есть не в процессе размножения. Из-за такой "скользкости" генов и мутаций у микробов бывает трудно различить виды даже с помощью идентификации по 16S рРНК, о чем мы подробнее поговорим в главе 2.

Однако проблема Крейга с 16S рРНК заключалась не только в скользкости генов. На протяжении многих лет его раздражало то, что 16S рРНК ничего не говорит нам о том, что делают гены бактерии. Это все равно что знать имена, скажем, десяти разных людей, не зная о них ничего другого. "Проблема заключалась в том, что 16S рРНК не учитывала всего, - говорит Крейг, - и ничего не говорила о функции или природе организма. Именно это меня и интересовало".

Именно здесь на помощь пришло секвенирование дробовика - метод, позволяющий секвенировать весь геном организма, а не только штрих-код ДНК. Метод "дробовика", разработанный Крейгом в 1990-х годах и использовавшийся в проекте Sorcerer II, также использует сложные компьютерные алгоритмы для сборки и анализа геномов, предлагая полную генетическую информацию, а не только отдельные гены.

После того как в 2002 году он покинул Celera и взял перерыв, чтобы собраться с мыслями, Крейг вернулся из плавания по Карибскому морю готовым вернуться к микробам. Собрав большое количество микробов для секвенирования и изучения, он был уверен, что сможет доказать, что микробные формы жизни гораздо многочисленнее и разнообразнее, чем считало научное сообщество. Он также хотел окончательно продемонстрировать, что секвенирование дробовика - мощный метод, который можно использовать не только для отдельных организмов, но и для смесей организмов - даже тысяч миллионов организмов в, скажем, двух гигантах литров саргассовой морской воды, собранной, скажем, со стофутовой яхты.

"Когда до нас дошли слухи о том, что предлагал Крейг, - говорит Энди Аллен, микробиолог и океанограф, который сейчас работает в Океанографическом институте Скриппса и JCVI, - люди в океанографическом сообществе пришли в ужас. Они подумали: вот богатый и знаменитый парень, который хочет провести время на своей парусной лодке и собрать несколько образцов микробов. Кто он такой, чтобы указывать ученым, которые годами и десятилетиями