Трещина в мироздании

В завершение встречи с Джилл я поблагодарила ее и пообещала быть на связи. Мне нужно было переварить всю новую информацию и просчитать плюсы и минусы добавления исследований CRISPR к текущим проектам моей лаборатории. Если я соглашаюсь заниматься этой темой, мне понадобится ученый, постоянно занятый координацией работы по ней, так как у меня самой не хватило бы времени возглавить новый проект: я была слишком занята руководством лабораторией в целом.

Мне также нужно было освежить свои знания о мире бактерий и о вирусах, которые поражают эти бактерии. Я опубликовала немало научных статей о вирусе гепатита С, я изучала вирус гриппа с новым постдоком в собственной лаборатории, и я знала, что механизм РНК-интерференции тесно связан с противовирусной защитой растений и животных. Но я никогда не изучала вирусы бактерий и даже не особенно задумывалась о них. Если я собираюсь присоединиться к исследованиям Джилл, это положение дел нужно было менять.

Фредерик Туорт, британский бактериолог, работавший в начале XX века, стал первым ученым, отметившим действие бактериальных вирусов. По иронии судьбы, изначально Туорт собирался исследовать не вирусы бактерий, а вирусы, поражающие животных и растения, – а они были открыты уже давно. Однако в ходе попыток извлечь вирусы из таких субстратов, как навоз и сено, а затем культивировать их, Туорт обнаружил странную колонию бактерий из рода Micrococcus. Складывалось ощущение, что бактерии больны; вместо того чтобы, как большинство других бактерий, плотными колониями расти на питательной среде в чашках Петри, их культуры выглядели водянистыми и прозрачными. Если Туорт брал мазок с водянистой колонии микрококков и переносил его на здоровую, последняя через какое-то время тоже приобретала стеклянистый вид, словно ее чем-то заразили. Туорт написал статью, в которой предположил, что инфекционный агент в данном случае имеет вирусную природу, но идея о том, что вирусы способны заражать бактерии, в то время казалась неслыханной, а у перемен, произошедших с культурами, могли быть и другие объяснения. Ученый не мог с полной уверенностью говорить, что конкретно поразило здоровые культуры.

В 1917 году, спустя два года после публикации статьи Туорта, вирусы бактерий заново открыл канадский врач Феликс д’Эрелль. Во время Первой мировой войны д’Эрелль служил во Франции, и ему поручили расследовать причину вспышки дизентерии, которая косила солдат одного из кавалерийских эскадронов. Стремясь выяснить, почему одни больные выздоравливают, а другие нет, д’Эрелль взял у пациентов образцы кала и подверг их обстоятельному, хотя и достаточно грубому анализу. Сначала он пропустил кровянистый стул своих подопечных через мелкоячеистый фильтр, чтобы удалить из него все твердые частицы – включая бактерии. Затем д’Эрелль налил немного отфильтрованной жидкости на культуры бактерий рода Shigella, вызывающих дизентерию. На следующий день он с удивлением обнаружил, что одна из культур заразных бактерий под фекальной жидкостью “растворилась подобно сахару в воде” – исчезла буквально за ночь[50]. Что еще интереснее, когда д’Эрелль поспешил в госпиталь узнать о состоянии пациента, у которого был взят этот образец кала, он обнаружил, что больному заметно лучше. Сопоставив эти факты, д’Эрелль заключил, что возбудителя дизентерии уничтожил некий паразит, которого ученый назвал бактериофагом (“пожирателем бактерий”); эта форма жизни должна была быть достаточно маленького размера, чтобы пройти через фильтр. Судя по всему, “бактериофаг” заражал бактерии фактически так же, как другие вирусы инфицировали растения или животных.

В последующие годы было открыто множество бактериофагов, или, сокращенно, фагов, и выяснилось, что каждый из них поражает свой конкретный вид бактерий. По мере накопления знаний о новых разновидностях фагов увеличивался ажиотаж вокруг так называемой фаговой терапии – идеи о том, что бактериофагов можно использовать для лечения микробных инфекций. Хотя некоторым ученым претила идея вводить живые вирусы в организм человека, клинические испытания показывали, что фаги “не замечают” человеческие клетки и видимых побочных эффектов у фаговой терапии нет. В 1923 году д’Эрелль помогал советским ученым организовать институт в Тбилиси[51], исследования в котором были посвящены бактериофагам; во времена своего расцвета учреждение насчитывало более тысячи сотрудников, производящих тонны фагов в год для клинического использования[52]. В некоторых уголках мира фаговую терапию используют и по сей день – в Грузии в настоящее время фаги назначают при бактериальных инфекциях примерно в 20 процентах случаев[53]. Однако после того как в 1930-х были открыты антибиотики (а в 1940-х началось их массовое производство), этот способ терапии был быстро забыт, особенно на Западе.

Хотя бактериофаги нашли лишь ограниченное применение в медицине, для генетиков они стали настоящим подарком судьбы. К тому моменту, когда ученые с помощью новых электронных микроскопов с большим увеличением смогли впервые увидеть фагов (это случилось в 1940–1950-е годы), эти вирусы вкупе с бактериями-жертвами уже предоставили очередное доказательство дарвиновской теории естественного отбора. Они помогли установить, что именно ДНК, а не белки, служит “молекулой наследственности” в клетках. Тот факт, что генетический код триплетен (то есть каждые три “буквы” ДНК обозначают одну аминокислоту в белке), был впервые продемонстрирован на примере фагов; эксперименты с последними позволили также выяснить, как “включаются” и “выключаются” гены внутри клетки. Даже открытие Джошуа Ледерберга (он обнаружил, что вирусы могут вносить чужеродные гены в инфицированные ими клетки, и это стало одним из ранних подступов к генной терапии) было сделано благодаря фагу, специализирующемуся на бактериях рода Salmonella. Во многом именно эксперименты с вирусами бактерий заложили основы молекулярной генетики.

Кроме того, изучение фагов послужило толчком к революции в молекулярной биологии 1970-х годов. Исследуя иммунные механизмы, с помощью которых бактерии дают отпор фаговым инфекциям, ученые обнаружили класс ферментов, называемых эндонуклеазами рестрикции; их можно “настроить” таким образом, чтобы они разрезали фрагменты искусственно синтезированной ДНК (это было показано в простых экспериментах вне живых объектов). Используя сочетание этих ферментов с другими ферментами, выделенными из инфицированных фагами клеток, исследователи сумели создать и клонировать искусственные молекулы ДНК в лабораторных условиях. Одновременно с этим геномы фагов послужили прекрасной мишенью для только что разработанных технологий секвенирования ДНК. В 1977 году Фред Сенгер и его коллеги успешно определили последовательность всех нуклеотидов ДНК в геноме фага ФX174. Двадцать пять лет спустя тот же фаг снова оказался в центре внимания: он стал первым объектом, чей геном был синтезирован с нуля[54].

Впрочем, бактериофаги – это не просто популярные “подопытные кролики”. Это еще и наиболее многочисленные биологические объекты на планете – и по этому показателю они лидируют с большим отрывом. Фаги в природе так же вездесущи, как свет и почва, и их можно найти в грязи, воде, человеческом кишечнике, горячих источниках, ледяных кернах и практически во всех других местах, где возможна жизнь. Ученые оценивают численность бактериофагов на Земле в 1031 вирусных частиц – десять миллионов триллионов триллионов, или единица с 31 нулем. В одной чайной ложке морской воды в пять раз больше фагов, чем в Нью-Йорке людей. Невероятно, но фагов на планете намного больше, чем бактерий, которые они могут инфицировать; столь же вездесущие, как и микроорганизмы, бактериофаги превышают численность последних на порядок. Они вызывают примерно триллион триллионов инфекций по всему миру каждую секунду, а если брать только океан, то там ежедневно от смертоносного заражения фагами погибает около 40 % всех бактерий[55].

50

D. H. Duckworth, “Who Discovered Bacteriophage?”, Bacteriological Reviews 40 (1976): 793–802.

51

Институт бактериофагов в Тбилиси основал Георгий Григорьевич Элиава в 1923 году. Д’Эрелль приехал туда значительно позже – в 1934-м. Тем не менее в 1923-м двое ученых уже были знакомы.

52

C. Zimmer, A Planet of Viruses. Chicago: University of Chicago Press, 2011. Книга переведена на русский: Карл Циммер. Планета вирусов / Пер. А. Рангулова. Ростов-на-Дону: Феникс, 2012.

53

G. Naik, “To Fight Growing Threat from Germs, Scientists Try Old-fashioned Killer”, Wall Street Journal, January 22, 2016.

54

G. P. C. Salmond and P. C. Fineran, “A Century of the Phage: Past, Present and Future”, Nature Reviews Microbiology 13 (2015): 777–786.

55

F. Rohwer et al., Life in Our Phage World (San Diego: Wholon, 2014).