Взломавшая код. Дженнифер Даудна, редактирование генома и будущее человечества
Следующим утром Уотсон пересказал лекцию Крику. Того рассердило, что Уотсон не делал заметок и потому мог лишь в общих чертах изложить основные тезисы Франклин, в частности говоря о содержании воды, обнаруженном ею в ДНК. Тем не менее Крик принялся чертить графики, утверждая, что данные Франклин свидетельствуют о структуре с двумя, тремя или четырьмя цепями, закрученными в спираль. Он полагал, что, поиграв с моделями, они вскоре смогут найти ответ. Через неделю им показалось, что решение найдено, хотя некоторые атомы в структуре и стояли слишком близко друг к другу: три цепи переплетались посередине, а четыре основания выступали из этого остова.
Гордые своим открытием, они пригласили Уилкинса и Франклин в Кембридж, чтобы те смогли взглянуть на модель. Ученые приехали на следующее утро, и после краткого обмена любезностями Крик представил им структуру с тройной спиралью. Франклин сразу заметила, что в ней есть изъян. “Вы ошибаетесь, и сейчас я объясню почему”, – сказала она тоном раздраженной учительницы.
Она утверждала, что сделанные ею снимки ДНК не показывали спиральной структуры молекулы. В этом она оказалась неправа. Но два других ее возражения были верны: извивающиеся цепи должны были находиться снаружи, а не внутри структуры, и предлагаемая модель содержала недостаточное количество воды. “На этой стадии выяснилось одно довольно неприятное обстоятельство: я неверно запомнил данные о содержании воды в использованных Рози образцах ДНК”, – сухо отметил Уотсон. Уилкинс тотчас встал на сторону Франклин и сказал, что если они сразу отправятся на вокзал, то успеют на лондонский поезд, отходящий в 15:40, и они на него успели.
Уотсон и Крик не только попали в неловкое положение, но и оказались на скамейке штрафников. Сэр Лоуренс распорядился, чтобы они прекратили работать над ДНК. Их детали для создания моделей упаковали и отправили в Лондон Уилкинсу и Франклин.
Ситуацию для Уотсона усугубила новость о том, что Лайнус Полинг собирается приехать из Калтеха и прочесть лекцию в Англии, ведь это наверняка подтолкнуло бы его активизировать собственные попытки открыть структуру ДНК. К счастью, на помощь пришел Государственный департамент США. В то время в разгаре была охота на красных и процветал маккартизм, и Полинга остановили в аэропорту Нью-Йорка, где у него конфисковали паспорт, поскольку он достаточно часто высказывался в поддержку пацифизма и в ФБР решили, что, путешествуя, он может стать угрозой для страны. В итоге Полинг не получил возможности обсудить работу по кристаллографии, проводившуюся в Англии, и это привело к тому, что США проиграли в конкурентной борьбе за открытие структуры ДНК.
Уотсон и Крик следили за работой Полинга благодаря его юному сыну Питеру, который студентом работал в их кембриджской лаборатории. Уотсон находил его приятным и дружелюбным. “Питер всегда был готов обсуждать сравнительные достоинства девушек Англии, прочих европейских стран и Калифорнии”, – вспоминал он. Но однажды в декабре 1952 года юный Полинг вошел в лабораторию, закинул ноги на стол и сообщил новость, которую боялся услышать Уотсон. В руке он держал письмо от отца, в котором тот упоминал, что определил структуру ДНК и собирается опубликовать результаты своей работы.
Статья Лайнуса Полинга пришла в Кембридж в начале февраля. Питер первым получил ее экземпляр и заглянул в лабораторию, где сказал Уотсону и Крику, что модель его отца напоминает ту, которую они проверяли: спираль из трех цепей с остовом в центре. Уотсон выхватил статью, лежавшую у Питера в кармане пальто, и начал читать. “И сразу я почувствовал что-то неладное, хотя ошибку нашел, только когда как следует разглядел рисунки”, – вспоминал он.
Уотсон понял, что некоторые атомные связи в предлагаемой Полингом модели нестабильны. Когда он обсудил это с Криком и другими сотрудниками лаборатории, они пришли к выводу, что Полинг допустил серьезный промах. Обрадовавшись этому, они в тот день закончили работу раньше и отправились в “Орел”. “Мы с Фрэнсисом пошли в «Орел», чтобы выпить за неудачу Полинга, – написал Уотсон. – Я позволил взять мне виски вместо хереса”.
“Секрет жизни”Они понимали, что нельзя больше терять времени и соблюдать запрет заниматься тем, что делали Уилкинс и Франклин. Уотсон отправился в Лондон, взяв с собой копию еще не опубликованной статьи Полинга. Когда он приехал, Уилкинса не оказалось на месте, поэтому он без приглашения ввалился в лабораторию Франклин, которая, склонившись над световым коробом, проводила измерения по последним из своих все более четких рентгеновских снимков ДНК. Она сердито взглянула на Уотсона, но тот принялся пересказывать ей статью Полинга.
Несколько минут они спорили о том, может ли ДНК иметь спиральную структуру, и Франклин по-прежнему сомневалась в этом. “Я перебил ее, заявив, что спираль – самая простая конфигурация любой регулярной полимерной молекулы, – вспоминал Уотсон. – Рози уже еле сдерживалась и, повысив голос, заявила, что мне сразу стала бы очевидна глупость моих слов, если бы я ознакомился с ее рентгенографическими данными”.
Розалинд Франклин
“Фотография 51”
Атмосфера накалилась, когда Уотсон справедливо, но нетактично отметил, что Франклин – прекрасный экспериментатор, но добилась бы бо́льших успехов, если бы умела сотрудничать с теоретиками. “Внезапно Рози встала из-за стола и направилась ко мне. Опасаясь, что в ярости она может меня ударить, я схватил рукопись Полинга и поспешно отступил к открытой двери”.
Ровно в тот момент, когда конфликт достиг кульминации, проходивший мимо Уилкинс пригласил Уотсона попить чаю и успокоиться. Он сообщил, что Франклин сделала несколько снимков влажной формы ДНК, которые давали новые сведения о структуре молекулы. Затем Уилкинс зашел в соседний кабинет и принес снимок, который вошел в историю под названием “Фотография 51”. Уилкинс получил этот снимок законным путем: он был научным руководителем студента, который помогал Франклин его сделать. Не столь законным было решение показать снимок Уотсону, который записал некоторые ключевые параметры изображения и по возвращении в Кембридж поделился своими заметками с Криком. Снимок подтверждал, что Франклин была права, предположив, что стержневые цепи структуры находятся не внутри, а снаружи молекулы, как опоры винтовой лестницы, но ошибалась, отрицая, что ДНК может иметь спиральную структуру. “Бросавшийся в глаза черный крест мог быть лишь результатом спиральной структуры”, – тотчас отметил Уотсон. Анализ заметок Франклин показывает, что даже после визита Уотсона ей оставался еще долгий путь к открытию структуры ДНК[21].
Сидя в неотапливаемом вагоне на обратном пути в Кембридж, Уотсон набрасывал идеи на полях газеты The Times. Ему пришлось перелезть через задние ворота колледжа, где он жил, поскольку их уже закрыли на ночь. На следующее утро он пришел в Кавендишскую лабораторию и встретил там сэра Лоуренса Брэгга, который потребовал, чтобы они с Криком держались подальше от ДНК. Однако, услышав, с каким восторгом Уотсон рассказывает о том, что узнал в поездке, и вняв его желанию вернуться к работе с моделями, сэр Лоуренс дал свое согласие. Уотсон мигом спустился по лестнице в мастерскую и попросил сделать новые компоненты для моделей.
Вскоре Уотсон и Крик получили новые данные Франклин. Она представила отчет о своей работе в Британский совет по медицинским исследованиям, и один из его членов поделился им с учеными. Хотя Уотсон и Крик не крали данные Франклин в прямом смысле, они присвоили ее работу без ее разрешения.
К тому времени Уотсон и Крик уже неплохо понимали, как устроена молекула ДНК. В ней были две сахарофосфатные цепи, которые извивались, образуя двойную спираль. Из нее выступали четыре основания ДНК: аденин, тимин, гуанин и цитозин, которые сегодня обычно обозначают буквами A, T, G и C. Ученые пришли к согласию с Франклин насчет того, что остов находился снаружи, а основания выступали внутрь, образуя структуру, напоминающую винтовую лестницу. Позже Уотсон признал, сделав жалкую попытку проявить любезность: “Таким образом, ее прежняя категоричность опиралась на вполне достоверные научные результаты, а вовсе не была тупым упрямством феминистки”.
Сначала они решили, что основания стоят в парах друг с другом, то есть, например, перекладина образуется при связи аденина с аденином. Но однажды Уотсон принялся играть с комбинациями, используя собственноручно вырезанные из картона модели оснований. “И вдруг я заметил, что пара аденин – тимин, соединенная двумя водородными связями, имеет точно такую же форму, как и пара гуанин – цитозин, тоже соединенная по меньшей мере двумя водородными связями”. Ему повезло работать в лаборатории, где трудились ученые разных специальностей, и один из них, специалист по квантовой химии, подтвердил, что аденин привлекает тимин, а гуанин – цитозин.
Такая структура предполагала удивительную вещь: при разделении цепи могли самовоспроизводиться, поскольку каждая половина перекладины привлекала к себе своего естественного партнера. Иными словами, такая структура позволяла молекуле самовоспроизводиться и передавать информацию, зашифрованную в ее последовательностях.
Уотсон вернулся в мастерскую и попросил, чтобы сотрудники поскорее сделали четыре типа оснований для модели. К этому моменту мастера уже заразились его энтузиазмом и через пару часов спаяли сверкающие металлические фрагменты. Теперь у Уотсона было все необходимое, и всего за час он расположил компоненты так, чтобы структура соответствовала данным рентгенографии и законам химической связи.
В “Двойной спирали” Уотсон замечательно описал этот момент, допустив лишь легкое преувеличение: “Фрэнсис принялся рассказывать всем, кто был в «Орле», что мы раскрыли секрет жизни”. Решение казалось слишком красивым, чтобы быть верным. Структура идеально соответствовала функции молекулы. Она умела переносить код, который могла воссоздавать.
Уотсон и Крик завершили работу над своей статьей в последние выходные марта 1953 года. В ней было всего 975 слов, напечатанных на машинке сестрой Уотсона, которая согласилась помочь брату, когда он сказал, что “она тем самым примет участие в, быть может, самом славном событии в биологии со времен книги Дарвина”. Крик хотел добавить в работу развернутый раздел о том, каким образом открытие скажется на изучении наследования, но Уотсон убедил его, что краткая концовка будет более весомой. Так и родилось одно из самых важный предложений в науке: “От нас не укрылось, что представленные пары позволяют предположить, как работает механизм копирования генетического материала”.
Нобелевскую премию в 1962 году вручили Уотсону, Крику и Уилкинсу. Франклин не могла ее получить, поскольку умерла в 1958 году в возрасте тридцати семи лет от рака яичников, который, скорее всего, развился из-за продолжительной работы с рентгеновским излучением. Если бы она осталась жива, Нобелевский комитет столкнулся бы с неловкой ситуацией: премию можно делить не более чем на три части.
В конце 1950-х годов произошли две революции. Математики, включая Клода Шеннона и Алана Тьюринга, показали, что всю информацию можно закодировать двоичными цифрами, называемыми битами. Это привело к цифровой революции, которую питали замкнутые цепи с двухпозиционными переключателями, обрабатывающие информацию. Одновременно Уотсон и Крик открыли, как инструкции для построения каждой клетки в каждой форме жизни кодируются четырехбуквенными последовательностями ДНК. Так началась информационная эпоха, основанная на цифровом (0100110111001…) и генетическом (ACTGGTAGATTACA…) кодировании. Ход истории ускорился при слиянии двух этих рек.
Глава 4. Обучение биохимика
Девочки занимаются наукойДженнифер Даудна впоследствии познакомилась с Джеймсом Уотсоном, от случая к случаю работала с ним и убедилась, насколько он сложный человек. В некотором роде он выступал в роли ее интеллектуального наставника, пока не начинал говорить вещи, которые, казалось, происходили с темной стороны Силы. (Как канцлер Палпатин сказал Энакину Скайуокеру, “темная сторона Силы открывает путь к таким способностям, которые кое-кто считает неестественными”.)
Но в шестом классе, впервые прочитав книгу Уотсона, Даудна не заметила этих сложностей. Она поняла, что можно слой за слоем раскрыть природную красоту и, как она выразилась, “узнать, как и почему все происходит на самом фундаментальном и глубинном уровне”. Жизнь состоит из молекул. Химические компоненты и структура молекул определяют их функции.
Книга Уотсона также вселила в Даудну чувство, что заниматься наукой может быть весьма интересно. Раньше, читая о науке, она видела лишь “фотографии серьезных мужчин в белых халатах и очках”. Но в “Двойной спирали” была представлена более яркая картина. “Благодаря ей я поняла, что наука может быть очень увлекательной. Стремясь разгадать тайну, то и дело находишь подсказки. И затем складываешь вместе кусочки мозаики”. История Уотсона, Крика и Франклин была историей о соперничестве и сотрудничестве, о взаимодействии данных и теории, а еще о конкуренции с другими лабораториями. Все перечисленное нашло отклик в юном сердце Даудны и на всю жизнь осталось ей близким[22].
В лаборатории Помонского колледжа
В старших классах у Даудны появилась возможность проводить стандартные биологические эксперименты с ДНК, в том числе опыт, в котором она разрушала половые клетки самцов лосося и перемешивала их клейкое содержимое стеклянной палочкой. Ее вдохновляли энергичная учительница химии и женщина, которая рассказала на лекции, почему с точки зрения биохимии клетки становятся раковыми. “Это подкрепило мою уверенность в том, что женщины могут быть учеными”.
Одна нить соединяла ее детский интерес к безглазым паукам в лавовых пещерах и сонной траве, сворачивавшимся при прикосновении, с интересом к человеческим клеткам, которые становились раковыми: все они были связаны с детективной историей о двойной спирали.
Даудна решила, что в колледже хочет изучать химию, но, как и многие женщины-ученые в то время, встретила сопротивление. Когда она объяснила, чем хочет заняться, школьному карьерному консультанту, немолодому американцу японского происхождения, который разделял традиционные ценности, тот заворчал: “Нет, нет, нет”. Она замолчала и посмотрела на него. “Девочки не занимаются наукой”, – отрезал он и посоветовал ей даже не пытаться сдать вступительный экзамен по химии. “Ты хоть понимаешь, что проверяют на этом экзамене?” – спросил он.
“Это меня задело”, – вспоминает Даудна. И все же она не дрогнула. “Да, я сдам его, – решила она. – И докажу, на что способна. Если я хочу заниматься наукой, то буду ею заниматься”. Она подала документы в Помонский колледж в Калифорнии, где хорошо преподавали химию и биохимию, поступила в него и уехала учиться осенью 1981 года.
ПомонаСначала она грустила. Поскольку она перепрыгнула через класс в школе, ей было всего семнадцать лет. “Я вдруг оказалась маленькой рыбкой в огромном пруду, – вспоминает она, – и сомневалась, справлюсь ли с задачей”. Она скучала по дому и снова чувствовала себя не в своей тарелке. Многие ее однокурсники росли в богатых семьях из Южной Калифорнии и ездили на собственных машинах, а она получала стипендию и сама зарабатывала на жизнь. В те времена звонить домой было дорого. “Денег у родителей было немного, поэтому они сказали мне звонить за их счет, но только раз в месяц”.
Даудна решила заниматься химией, но начала сомневаться, получится ли у нее. Вдруг школьный консультант прав? На занятия по общей химии ходило двести человек, большинство из которых получили пятерки на вступительных экзаменах. “Из-за этого я стала опасаться, что поставила перед собой цель, которой просто не смогу достигнуть”, – говорит она. Она стремилась быть лучшей во всем, поэтому ей вовсе не хотелось работать в области, где у нее была возможность рассчитывать лишь на посредственные результаты. “Я думала: «Мне не хочется быть химиком, если у меня нет шанса пробиться наверх»”.
Она подумывала сменить специальность и заняться французским языком. “Я подошла к своей преподавательнице французского, чтобы обсудить это, и она спросила, какая у меня специальность”. Когда Даудна ответила, что изучает химию, преподавательница посоветовала ей продолжать. “Она была очень настойчива. Она сказала: «Если выберешь своей специальностью химию, то сможешь заниматься множеством вещей. Если выберешь французский, то сможешь стать только учительницей французского»”[23].
Ситуация изменилась к лучшему летом после первого курса, когда Даудна устроилась на работу в лабораторию Дона Хеммеса, профессора биологии Гавайского университета, который дружил с ее семьей и брал Дженнифер на прогулки по острову. Он исследовал движение химических веществ внутри клеток с помощью электронного микроскопа. “Дженнифер завораживала возможность заглядывать внутрь клеток и наблюдать за поведением мельчайших частиц”, – вспоминает он[24].
Хеммес также изучал эволюцию крошечных моллюсков. Он часто нырял с аквалангом, поднимал со дна самые маленькие, почти микроскопические раковины, а затем вместе со студентами заливал их смолой и разрезал на тонкие фрагменты, чтобы исследовать под электронным микроскопом. “Он учил нас использовать химические вещества, чтобы по-разному окрашивать образцы и изучать развитие моллюсков”, – поясняет Даудна. Тем летом она впервые в жизни вела лабораторный журнал[25].
На занятиях по химии в колледже большинство экспериментов проводилось по шаблону. Для каждого был неизменный протокол и верный ответ. “В лаборатории у Дона все было иначе, – говорит Даудна. – Там, в отличие от занятий в классе, мы понятия не имели, какой ответ должны получить”. Ей понравилось ощущать себя на пороге открытия. Кроме того, она поняла, каково входить в сообщество ученых, совершать прорывы и собирать по кусочкам сведения о том, как работает природа.
Вернувшись осенью в Помону, она завела друзей, нашла свое место и обрела уверенность в том, что химия ей по зубам. Ее учебная программа предполагала совмещение занятий с учебой, и Даудна успела поработать в нескольких химических лабораториях колледжа. Большинство из них не пробуждали в ней интереса, потому что не занимались задачами на стыке химии и биологии. Но все изменилось после третьего курса, когда она устроилась на лето в лабораторию своего научного руководителя Шэрон Панасенко, профессора биохимии. “Тогда в университетах женщинам-биохимикам было сложнее, и поэтому я видела в ней не только прекрасного ученого, но и великолепный образец для подражания”[26].
Панасенко занималась темой, которая соответствовала интересу Даудны к механизмам работы живых клеток: она изучала, как некоторые бактерии в почве коммуницируют друг с другом, чтобы собираться вместе при недостатке питательных веществ. Они формируют коммуну, называемую “плодовым телом”. Миллионы бактерий понимают, как собираться в единое целое, посылая химические сигналы. Панасенко привлекла Даудну к исследованию принципа работы этих сигналов.
“Должна предупредить, – сказала Панасенко, – один лаборант уже шесть месяцев пытается вырастить эти бактерии, но у него ничего не выходит”. Даудна принялась выращивать бактерии в больших противнях, отказавшись от обычных чашек Петри. Однажды вечером она поставила препараты в инкубатор. “На следующий день я пришла, приподняла фольгу на противне, где не хватало питательных веществ, и пришла в восторг, увидев эти чудесные структуры!” Они напоминали маленькие футбольные мячи. Даудна добилась успеха в том, с чем не справился другой лаборант. “В тот восхитительный момент я поняла, что могу заниматься наукой”.
Эксперименты дали достаточно яркие результаты, и Панасенко смогла опубликовать статью в Journal of Bacteriology, где отметила, что Даудна стала одним из четырех лаборантов, “предварительные наблюдения которых внесли существенный вклад в этот проект”. Так имя Даудны впервые появилось на страницах научного журнала[27].
ГарвардКогда настало время поступать в магистратуру, Даудна сначала и не думала о Гарварде, хотя и была лучшей из студентов, изучавших физическую химию. Но отец подтолкнул ее подать документы. “Пап, ну зачем? – говорила она. – Я все равно не поступлю”. А он отвечал: “Ты точно не поступишь, если не подашь документы”. Она поступила в Гарвард и даже получила щедрую стипендию.
Часть лета она путешествовала по Европе на деньги, которые скопила, когда совмещала учебу и работу в Помонском колледже. В июле 1985 года, после поездки, Даудна отправилась прямиком в Гарвард, чтобы приступить к работе до начала занятий. Как и другие университеты, Гарвард обязывал студентов магистерских программ по химии каждый семестр стажироваться в лабораториях разных профессоров. Предполагалось, что такая ротация позволит студентам освоить разные техники и затем выбрать лабораторию для проведения дипломного исследования.
Даудна позвонила Роберто Колтеру, который руководил магистерской программой, и спросила, может ли начать с его лаборатории. Этот молодой испанский специалист по бактериям с широкой улыбкой и элегантной прической носил очки без оправы и отличался пылкой манерой речи. В его лаборатории работали исследователи из разных стран, многие из которых приехали из Испании и Латинской Америки, и Даудну поразили их молодость и политическая активность. “Пресса рисовала ученых старыми белыми мужчинами, и потому у меня сложилось впечатление, что с такими людьми мне и предстоит работать в Гарварде. Но в лаборатории Колтера меня ожидало совсем иное”. Ее последующая карьера, от CRISPR до коронавируса, отразила глобальную природу современной науки.
Под руководством Колтера Даудна изучала, как бактерии создают молекулы, токсичные для других бактерий. Она занималась клонированием (созданием точной ДНК-копии) генов бактерий и исследованием их функций. Она предложила новый способ работы, но Колтер заявил, что у нее ничего не выйдет. Упрямая Даудна все же проверила свою идею. “Я сделала по-своему и получила клон”, – сказала она Колтеру. Тот удивился, но поддержал ее. Это стало важным шагом к преодолению неуверенности, сидевшей внутри нее.
В итоге Даудна решила работать над дипломом в лаборатории Джека Шостака, всесторонне одаренного гарвардского биолога, который изучал ДНК на дрожжах. Имевший польские корни Шостак переехал в США из Канады и был одним из молодых гениев на гарвардской кафедре молекулярной биологии. Руководя лабораторией, Шостак и сам проводил в ней опыты, и Даудне повезло наблюдать, как он проводит эксперименты, рассуждает вслух и идет на риск. Она поняла, что главной характеристикой его разума была способность устанавливать неожиданные связи между разными сферами.
Опыты Даудны позволили ей увидеть, как превратить фундаментальную науку в прикладную. Дрожжевые клетки очень хорошо принимают фрагменты ДНК и встраивают их в свой набор генов. Даудна искала этому применение. Она создавала цепи ДНК, которые оканчивались последовательностью, совпадающей с последовательностью в дрожжах. С помощью небольшого электрического разряда она открывала крошечные проходы в стенках дрожжевых клеток, позволяя созданной ею ДНК проникнуть внутрь. Затем эта ДНК соединялась с ДНК дрожжей. Так Даудна создала инструмент для редактирования генов дрожжей.
Крейг Вентер и Фрэнсис Коллинз
Глава 5. “Геном человека”
Джеймс и Руфус УотсоныВ 1986 году, когда Даудна работала в лаборатории Джека Шостака, было положено начало масштабному международному научному проекту[28]. Его назвали “Геном человека”, и его цель заключалась в том, чтобы выяснить последовательность трех миллиардов спаренных оснований в нашей ДНК и изучить более двадцати тысяч генов, закодированных в этих спаренных основаниях.
Один из множества корней проекта “Геном человека” восходит к герою детства Даудны Джеймсу Уотсону и его сыну Руфусу. Дерзкий автор “Двойной спирали” был директором лаборатории в Колд-Спринг-Харбор, прекрасного уголка для проведения биохимических исследований и семинаров, расположенного на северном берегу Лонг-Айленда и занимающего лесистый участок площадью 45 гектаров. В этой основанной в 1890 году лаборатории проводилось немало важных исследований. Именно там в 1940-х годах Сальвадор Лурия и Макс Дельбрюк руководили изучавшей фаги группой, в которую входил молодой Уотсон. Но в прошлом лаборатории не все было радужно: в 1904–1939 годах, когда ею руководил Чарльз Девенпорт, она стала центром евгеники и там велись исследования, в которых утверждалось, что разные расовые и этнические группы имеют генетические различия, определяющие такие характеристики, как интеллектуальное развитие и склонность к совершению преступлений[29]. Уотсон руководил лабораторией с 1968 по 2007 год, и ближе к концу этого срока его собственные высказывания о расе и генетике воскрешали призраков прошлого.