Взломавшая код. Дженнифер Даудна, редактирование генома и будущее человечества Айзексон Уолтер

Глава 9. Сгруппированные повторы

Франсиско Мохика

Когда Ёсидзуми Исино учился в Осакском университете в Японии, в рамках своего диссертационного исследования он должен был секвенировать ген бактерии E. coli. Шел 1986 год, и процесс секвенирования генов был трудоемким, но в конце концов Исино сумел определить 1038 спаренных оснований, из которых состоял нужный ген. В последнем абзаце длинной статьи о гене, опубликованной на следующий год, он отметил странность, которую счел, однако, недостаточно значимой, чтобы упомянуть о ней в аннотации. “Была обнаружена необычная структура, – написал он. – Пять в высокой степени гомологичных последовательностей из 29 нуклеотидов были выстроены прямыми повторами”. Иными словами, он нашел пять сегментов ДНК, идентичных друг другу. Эти повторяющиеся последовательности, в каждой из которых было по двадцать девять спаренных оснований, перемежались обычными нуклеотидными последовательностями, названными “спейсерами”. Исино понятия не имел, что это за сгруппированные повторы. Он завершил свою статью такой строкой: “Биологическое значение этих последовательностей неизвестно”. И не стал погружаться в тему[60].

Франсиско Мохика

Первым функцию повторяющихся последовательностей установил Франсиско Мохика, аспирант Университета Аликанте, находящегося на средиземноморском побережье Испании. В 1990 году он приступил к работе над диссертацией об археях, которые, как и бактерии, представляют собой одноклеточные организмы, не имеющие ядер. Археи, которые он изучал, живут в соленых водоемах, где концентрация соли в десять раз выше, чем в океане. Мохика секвенировал области, которые, как он полагал, могли объяснить любовь архей к соли, и заметил четырнадцать идентичных последовательностей ДНК, повторяющихся с регулярными интервалами. Они были палиндромными, то есть читались одинаково в обоих направлениях[61].

Сначала Мохика решил, что напортачил с секвенированием. “Я подумал, что совершил ошибку, ведь секвенирование тогда было непростым делом”, – со смехом вспоминает он. Но уже к 1992 году, снова и снова замечая в своих данных регулярные повторы, Мохика заинтересовался, не сталкивался ли кто-нибудь с подобным. Еще не существовало ни Google, ни онлайн-баз, поэтому он вручную перебирал упоминания слова “повтор” в печатном каталоге научных статей Current Contents. Поскольку дело было в прошлом веке, когда в интернет выкладывалось лишь малое число публикаций, всякий раз, когда Мохика обнаруживал любопытную статью, ему приходилось идти в библиотеку и искать соответствующий журнал. В конце концов он добрался до статьи Исино.

Бактерия E. coli, которую изучал Исино, сильно отличается от архей Мохико. Было удивительно, что в ДНК обоих организмов присутствовали повторяющиеся последовательности и спейсеры. Отметив это, Мохико пришел к выводу, что исследуемый феномен имеет важное биологическое значение. В статье, опубликованной в 1995 году, Мохика и его научный руководитель назвали такие повторы “тандемными” и сделали предположение – как оказалось, неверное, – что они каким-то образом задействованы в процессе воспроизводства клетки[62].

Мохика недолго проработал на позиции постдока в Солт-Лейк-Сити, а затем в Оксфорде, но после этого в 1997 году вернулся в Университет Аликанте, расположенный совсем недалеко от места его рождения, и организовал исследовательскую группу для изучения загадочных повторяющихся последовательностей. Обеспечить финансирование проекта оказалось непросто. “Мне говорили, что не стоит зацикливаться на повторах, потому что в организмах наблюдается множество подобных феноменов и в моем, вероятно, нет ничего особенного”, – вспоминает Мохика.

И все-таки он знал, что у бактерий и архей очень мало генетического материала. Они не могут позволить себе расходовать его на создание последовательностей, не имеющих важной функции. Он пытался определить назначение сгруппированных повторов. Возможно, они помогали формировать структуру ДНК или создавали петли, за которые цеплялись белки? Обе гипотезы также оказались неверными.

Название CRISPR

К тому времени ученые обнаружили повторяющиеся последовательности у двадцати разных видов бактерий и архей, и появилось множество разных названий для их обозначения. Мохике не нравился термин “тандемные повторы”, на котором настоял его научный руководитель. Последовательности располагались с интервалами, а не стояли в тандеме. Он предложил другое название – “короткие повторы, регулярно разделенные промежутками” (short regularly spaced repeats, SRSR). Хотя оно лучше описывало феномен, название не запоминалось, а его аббревиатура была непроизносимой.

Мохика переписывался с Рудом Янсеном из Утрехтского университета в Нидерландах. Янсен изучал такие последовательности в бактериях туберкулеза и называл их “прямыми повторами”, но тоже считал, что нужно придумать им более удачное наименование. Однажды вечером, когда Мохика ехал домой из лаборатории, ему в голову пришло название CRISPR, от clustered regularly interspaced short palindromic repeats (“короткие палиндромные повторы, регулярно расположенные группами”). Хотя запомнить длинную и неуклюжую фразу было практически невозможно, аббревиатура CRISPR оказалась короткой и звучной. Она звучала приятно, а не грозно, и выглядела достаточно футуристично. Приехав домой, Мохика спросил жену, как ей такое название. “Хорошая кличка для собаки, – ответила она. – Криспер, Криспер, ко мне, малыш!” Мохика рассмеялся и решил, что название подойдет.

Двадцать первого ноября 2001 года Янсен похвалил название, отвечая на письмо с предложением, пришедшее от Мохики. “Дорогой Фрэнсис, – написал он, – какая прекрасная аббревиатура – CRISPR! Такое впечатление, что недостаток букв в альтернативных вариантах делает их менее звучными, поэтому я выбираю колкое CRISPR вместо SRSR и SPIDR”[63].

Янсен официально ввел название в обиход в статье, опубликованной в апреле 2002 года, где сообщил об открытии генов, предположительно связанных с CRISPR. В большинстве организмов, имеющих CRISPR, повторяющиеся последовательности фланкируются одним из этих генов, кодирующих инструкции для создания фермента. Янсен назвал их ферментами Cas (от CRISPR-associated, “CRISPR-ассоциированный”)[64].

Защита от вируса

Когда в 1989 году Мохика начал секвенировать ДНК микробов, которые обожали соль, процесс секвенирования гена был весьма медленным. Но впоследствии в рамках проекта “Геном человека”, который тогда лишь начинал свою работу, были созданы новые высокоскоростные методы секвенирования. К 2003 году, когда Мохика сосредоточился на том, чтобы выяснить, какую роль играли CRISPR, были секвенированы геномы почти двухсот бактерий (а также геномы человека и мыши).

В том августе Мохика проводил отпуск в прибрежном городке Санта-Пола, расположенном примерно в двадцати километрах к югу от Аликанте, в гостях у родителей жены. Такой отдых был ему не по душе. “Я терпеть не могу песок и ненавижу бывать на пляже летом, когда там жарко и полно народу, – говорит он. – Пока моя жена загорала на пляже, я ездил в свою лабораторию в Аликанте. Жена прекрасно проводила время на пляже, а мне было гораздо интереснее анализировать последовательности из бактерий E. coli”[65]. Настоящего ученого видно за версту.

Ему не давали покоя “спейсеры” – области обычных на вид последовательностей ДНК, которые разделяли повторяющиеся сегменты CRISPR. Он взял спейсеры E. coli и сравнил их с имеющимися в базах данными. Открылась любопытная вещь: спейсеры совпадали с последовательностями, которые обнаруживались в вирусах, атакующих E. coli. Мохика увидел такую же картину, когда посмотрел на другие бактерии с последовательностями CRISPR: их спейсеры совпадали с последовательностями из вирусов, атакующих эти бактерии. “Вот это да!” – воскликнул он.

Однажды вечером, удостоверившись в своем открытии, он рассказал о нем жене, когда вернулся в дом у моря. “Я только что открыл кое-что удивительное, – сказал он. – У бактерий есть иммунная система. Они запоминают, какие вирусы атаковали их в прошлом”. Его жена рассмеялась, призналась, что не совсем понимает, о чем он говорит, но заверила его, что нисколько не сомневается в важности его открытия, раз Мохика так взволнован. “Вот увидишь, через несколько лет о том, что я только что открыл, будут писать в газетах и учебниках истории”, – ответил он. Но в это она не поверила.

Оказалось, что Мохика обнаружил поле битвы самой долгой, самой масштабной и самой жестокой войны на этой планете: войны бактерий и атакующих их вирусов, называемых “бактериофагами” или просто “фагами”. Фаги – самая многочисленная группа вирусов в природе и самая многочисленная биологическая общность на земле. Их количество составляет 10³¹ – их больше, чем всех остальных организмов (включая бактерии), вместе взятых, и на каждую песчинку приходится по триллиону фагов. В одном миллилитре морской воды может содержаться до 900 млн таких вирусов[66].

Нам, людям, нелегко бороться с новыми штаммами вирусов, и стоит отметить, что бактерии занимаются этим около трех миллиардов лет (плюс-минус несколько миллионов столетий). Почти с самого зарождения жизни на нашей планете идет активная гонка вооружений между бактериями, у которых в ходе эволюции появились сложные механизмы защиты от вирусов, и эволюционирующими вирусами, ищущими способы прорвать их оборону.

Мохика обнаружил, что бактерии со спейсерами CRISPR обладают иммунитетом к инфекции, которая переносится вирусом с такими же последовательностями. Но бактерии без спейсеров оказываются инфицированными. Такая хитроумная система защиты имела и еще одну любопытную характеристику: судя по всему, она адаптировалась к новым угрозам. Когда появлялся новый вирус, выживавшие в борьбе с ним бактерии интегрировали в свой геном часть его ДНК и таким образом передавали своему потомству приобретенный иммунитет к этому вирусу. Мохика вспоминает, как прослезился, осознав это[67]. Природа и правда бывает удивительно прекрасна.

Это было оригинальное и поразительное открытие, которое привело к серьезным последствиям. Но опубликовать его Мохике оказалось на удивление непросто. В октябре 2003 года он отправил статью с названием “Прокариотические повторы задействованы в иммунной системе” в журнал Nature, фактически показывая, что системы CRISPR позволяли бактериям приобретать иммунитет к вирусам. Редакторы даже не представили статью на рецензию. Они сочли – и оказались в этом неправы, – что в ней не содержится ничего существенно нового относительно ранее опубликованных работ о CRISPR. Они также отметили – уже вполне справедливо, – что Мохика не представил данных лабораторных экспериментов, демонстрирующих принцип работы системы CRISPR.

Статью Мохики отклонили еще два журнала. Наконец, он смог опубликовать ее в Journal of Molecular Evolution, который был не столь престижным, но все же позволил ему представить свои результаты в рецензируемом издании. Но даже при взаимодействии с этим журналом Мохике пришлось снова и снова напоминать о себе нерасторопным редакторам. “Я пытался связаться с редакторами почти еженедельно, – говорит он. – И каждая неделя была для меня настоящим кошмаром, ведь я понимал, что мы сделали поистине великое открытие. Я не сомневался, что рано или поздно его сделают и другие ученые. Но у меня никак не получалось донести до [редакторов] его значимость”[68]. Журнал получил статью в феврале 2004 года, вынес решение о ее публикации лишь в октябре, и поэтому вышла она лишь в феврале 2005 года, через два года после того, как Мохика совершил свое открытие[69].

Мохика говорит, что им руководила любовь к красотам природы. В лаборатории в Аликанте он мог позволить себе заниматься фундаментальными исследованиями, не думая о том, как конвертировать их в нечто полезное на практике, и потому он даже не пытался запатентовать свои открытия, связанные с CRISPR. “Когда изучаешь, как я, странные организмы, живущие в необычных средах, например в очень соленых озерах, тобой движет лишь любопытство, – говорит он. – Казалось, что наше открытие вряд ли имеет связь с более типичными организмами. Но в этом мы ошибались”.

Как показывает история науки, открытия порой находят необычное применение. “Когда занимаешься исследованиями из любопытства, никогда не знаешь, к чему они однажды приведут, – отмечает Мохика. – Простые вещи могут иметь масштабные последствия”. Он оказался прав, когда заверил жену, что однажды его имя войдет в учебники истории.

Статья Мохики положила начало целой волне публикаций, демонстрирующих, что система CRISPR действительно была иммунной системой, которую бактерии адаптировали всякий раз, когда их атаковал вирус нового типа. Не прошло и года, как Евгений Кунин, исследователь из Национального центра биотехнологической информации США, расширил теорию Мохики и показал, что CRISPR-ассоциированные ферменты берут фрагменты ДНК атакующих вирусов и интегрируют их в собственную ДНК бактерий, то есть, по сути, копируют и вставляют в память “разыскные ориентировки” на опасные вирусы[70]. Но в одном Кунин с командой ошиблись. Ученые предположили, что защитная система CRISPR работает с помощью РНК-интерференции. Иными словами, они считали, что бактерии используют “ориентировки” на вирусы, чтобы находить способ воздействовать на матричные РНК, переносящие инструкции, закодированные в ДНК.

Так думали и другие исследователи. Именно поэтому с Дженнифер Даудной, ведущим специалистом Беркли по РНК-интерференции, неожиданно связалась коллега, которая пыталась разобраться в CRISPR.

Джиллиан Бэнфилд

Глава 10. Кафе Free Speech Movement

Джиллиан Бэнфилд

В начале 2006 года, вскоре после публикации первой статьи Даудны о ферменте Dicer, в ее кабинете в Беркли зазвонил телефон. С ней связалась профессор из Беркли, знакомая ей только понаслышке, – микробиолог Джиллиан Бэнфилд, которая, как и Мохика, интересовалась крошечными организмами, обитающими в экстремальных средах. Бэнфилд, общительная австралийка с ироничной улыбкой, была готова к сотрудничеству и изучала бактерии, которые ее команда обнаружила в очень соленом озере в Австралии, в горячем гейзере в Юте, а также в крайне кислотном стоке с калифорнийского медного рудника в солончаковое болото[71].

В процессе секвенирования ДНК своих бактерий Бэнфилд снова и снова находила примеры сгруппированных повторяющихся последовательностей, называемых CRISPR. Она была из тех, кто полагал, что система CRISPR работает посредством РНК-интерференции. Когда она ввела запрос “РНК-интерференция и Калифорнийский университет в Беркли” в Google, первым в списке результатов оказалось имя Даудны, и Бэнфилд решила ей позвонить. “Я ищу в Беркли человека, который работает с направляющими РНК, – сказала она, – и Google выдал мне ваше имя”. Они с Даудной договорились встретиться за чашкой чая.

Даудна никогда не слышала о CRISPR и не сразу поняла, о чем идет речь. Повесив трубку, она поискала информацию в интернете и обнаружила всего несколько статей на нужную тему. Прочитав в одной из них, что за аббревиатурой CRISPR скрывается фраза “короткие палиндромные повторы, регулярно расположенные группами”, она решила подождать, пока Бэнфилд не объяснит ей, что это значит.

Они встретились ветреным весенним днем и сели за каменный столик на веранде специализирующегося на супах и салатах кафе Free Speech Movement у входа в библиотеку Беркли для студентов бакалавриата. Бэнфилд распечатала статьи Мохики и Кунина. Она понимала, что если она хочет понять функцию последовательностей CRISPR, то логично привлечь к сотрудничеству такого биохимика, как Даудна, который сможет проанализировать каждый компонент таинственной молекулы в лаборатории.

Когда я попросил их рассказать мне об этой встрече, они пылали тем же энтузиазмом, который, как сами они утверждают, чувствовали и тогда. Обе говорили быстро, особенно Бэнфилд, и заканчивали фразы друг за друга, то и дело смеясь. “Мы сидели, пили чай, и ты принесла с собой огромную стопку бумаги с данными об обнаруженных последовательностях”, – вспоминала Даудна. Бэнфилд, которая обычно работает на компьютере и редко распечатывает материалы, кивнула. “Я все показывала тебе последовательности”, – сказала она. “Ты была увлечена и говорила очень быстро, – подхватила Даудна. – У тебя было полно данных. Я тогда подумала: «Ей это очень и очень важно»”[72].

Сидя за столиком в кафе, Бэнфилд нарисовала последовательность ромбов и квадратов, которыми обозначила сегменты ДНК, обнаруженные в бактериях. Она сказала, что во всех ромбах содержатся идентичные последовательности, но в каждом из находящихся между ними квадратов последовательность уникальна. “Такое впечатление, что они быстро диверсифицируются в ответ на что-то, – сказала она Даудне. – Но что может вызвать появление таких странных сгруппированных последовательностей ДНК? Как именно они работают?”

До тех пор CRISPR в основном занимались микробиологи, как Мохика и Бэнфилд, которые изучали живые организмы. Они выстраивали красивые теории о CRISPR и иногда оказывались правы, но не проводили контролируемых экспериментов в пробирках. “В то время никто еще не изолировал молекулярные компоненты системы CRISPR, не испытал их в лаборатории и не изучил их структуру, – говорит Даудна. – В игру пора было вступить моим коллегам – биохимикам и специалистам по структурной биологии”[73].

Глава 11. Начало игры

Блейк Виденхефт

Когда Бэнфилд предложила Даудне вместе работать над CRISPR, Даудна оказалась в тупике. У нее в лаборатории не было человека, который мог бы этим заняться.

Затем на собеседование к ней пришел необычный кандидат на позицию постдока. Монтанец Блейк Виденхефт, харизматичный и милый, как медвежонок, обожал природу, регулярно ходил в походы и большую часть своей научной карьеры провел в погоне за микроорганизмами, обитающими в экстремальных средах, которые находил везде, от Камчатки и Йеллоустонского национального парка до своего заднего двора, прямо как Бэнфилд и Мохика. Не имея блестящих рекомендаций, он все же твердо решил переключиться с биологии малых организмов на биологию молекул, и когда Даудна спросила его, чем он хотел бы заняться, он произнес волшебные слова: “Вам знакома аббревиатура CRISPR?”[74]

Виденхефт родился в городке Форт-Пек (штат Монтана, население – 233 человека), который находится в 130 км от канадской границы и очень далеко – от всего остального. Его отец был специалистом по биологии промысловых рыб и работал в Отделе охраны дикой природы штата Монтана. В школе Виденхефт занимался борьбой и бегом, ходил на лыжах и играл в американский футбол.

Блейк Виденхефт на Камчатке (Россия)

В бакалавриате Университета штата Монтана он изучал биологию, но редко бывал в лаборатории. Ему больше нравилось ездить в соседний Йеллоустон и собирать микроорганизмы, которые выживали в геотермальных источниках парка. “Мне было невероятно интересно находить образцы организмов в геотермальном источнике, класть их в термос, выращивать в искусственных горячих источниках в лаборатории, а затем рассматривать под микроскопом и видеть то, чего мы никогда прежде не видели, – говорит он. – Это изменило мои представления о жизни”.

Университет штата Монтана подходил Виденхефту идеально, поскольку позволял ему потакать своей любви к приключениям. “Я всегда смотрю вперед и вижу за одной горой другую”, – отмечает он[75]. Окончив университет, он вовсе не планировал становиться исследователем. Как и отец, он интересовался биологией рыб и поступил на работу на судно, которое занималось ловлей крабов в Беринговом море у берегов Аляски, где собирал данные для государственных структур. После этого он отправился на лето в Гану, где учил детей естествознанию, а затем некоторое время работал в Монтане сотрудником лыжного патруля. “Я жить не мог без приключений”.

Но все же в путешествиях он вечерами возвращался к своим старым учебникам биологии. Его научный руководитель Марк Янг изучал вирусы, которые атаковали бактерии в горячих геотермальных источниках Йеллоустона. “Энтузиазм Марка, желавшего понять, как работают эти биологические машины, был заразителен”[76]. После трех лет странствий Виденхефт решил, что найти приключения можно не только в походах, но и в лабораториях. Он вернулся в университет и поступил в аспирантуру, выбрав Янга своим научным руководителем, и вместе они стали исследовать, как вирусы нападают на бактерии[77].

Хотя Виденхефт мог секвенировать ДНК вирусов, ему хотелось большего. “Как только я начал изучать последовательности ДНК, я понял, что информации в них мало, – говорит он. – Нам нужно было определить структуры, поскольку именно структуры – складки и формы – сохраняются в течение более долгого эволюционного периода, чем последовательности нуклеиновых кислот”. Иными словами, последовательность букв в ДНК не показывала, каким образом она работает: необходимо было понять, какую форму имеет молекула, чтобы на основании этого определить, как происходит ее взаимодействие с другими молекулами[78].

Виденхефт решил, что должен изучить структурную биологию, и для этого не было места лучше, чем лаборатория Даудны в Беркли.

Виденхефт слишком серьезен, чтобы сомневаться в себе, и это не укрылось от Даудны на собеседовании. “Я приехал из маленькой лаборатории в Монтане и ценил себя достаточно высоко, а потому не стушевался, хотя мне и следовало бы”, – вспоминает он. Он собирался предложить несколько возможных тем, однако, когда Даудна проявила интерес к CRISPR, его главной страсти, Виденхефт сразу загорелся. “Я болтал без умолку, стараясь представить себя в лучшем свете”. Он подошел к доске и перечислил на ней проекты CRISPR, осуществлявшиеся другими исследователями, включая команду Джона ван дер Оста и Стэна Броунса из Нидерландов, с которыми он работал, когда они приезжали в Йеллоустон за образцами микроорганизмов из горячих источников.

В ходе мозгового штурма Виденхефт с Даудной прикинули, чем может заняться ее лаборатория, удостоив особенного внимания изучение функций CRISPR-ассоциированных ферментов (ферментов Cas). Даудну поразили энергия и заразительный энтузиазм Виденхефта. На него же произвел впечатление ее интерес к CRISPR. “У нее есть дар заглядывать вперед и понимать, где ждать следующего прорыва”, – говорит он[79].

Виденхефт погрузился в работу в лаборатории Даудны с той же страстью, которую проявлял в своих походах. Он готов был очертя голову нестись вперед и осваивать техники, которые никогда прежде не применял. В обед он отправлялся тренироваться на велосипеде, а днем и вечером работал в лаборатории, не снимая велосипедного костюма и шлема. Однажды он проводил эксперимент на протяжении двух суток и все это время не покидал лабораторию, даже чтобы поспать.

Мартин Йинек

Желая изучить структурную биологию, Виденхефт интеллектуально и дружески сблизился с постдоком, который был экспертом по кристаллографии в лаборатории Даудны. Мартин Йинек родился в Чехословакии, в силезском городе Тршинец. Он изучал органическую химию в Кембридже и написал диссертацию под руководством итальянского биохимика Елены Конти в Гейдельберге. Это не только наделило его гибким научным мировоззрением, но и позволило ему приобрести гибридный акцент: он говорит очень четко и то и дело перемежает свою речь фразой “по сути”[80].

В лаборатории Конти Йинек заинтересовался главной звездой этой книги – молекулой РНК. “Это удивительно разноплановая молекула – она может выступать катализатором, может складываться в 3D-структуры, – сказал он впоследствии Кевину Дэвису из CRISPR Journal. – В то же время она переносит информацию. Это универсал в мире биомолекул!”[81] Он хотел работать в лаборатории, где сможет изучить структуру комплексов, в которых сочетались РНК и ферменты[82].

Йинек прекрасно умел ставить себе задачи. “Он мог работать самостоятельно, а это всегда ценилось в моей лаборатории, поскольку я не руковожу каждым шагом сотрудников, – говорит Даудна. – Я предпочитаю нанимать людей, которые имеют собственные творческие идеи и хотят работать в команде под моим руководством, но при этом не ждут от меня ежедневных указаний”. Она назначила встречу с Йинеком, когда поехала на конференцию в Гейдельберг, а затем пригласила его в Беркли, где он познакомился с сотрудниками ее лаборатории. Она считала, что членам команды очень важно чувствовать себя свободно в общении с новыми коллегами.

Когда Йинек перешел в лабораторию Даудны, он сначала сосредоточился на изучении механизмов РНК-интерференции. Ученые уже описали, как проходит этот процесс в живых клетках, но Йинек понимал, что для полноты картины необходимо воссоздать процесс в пробирке. Эксперименты in vitro позволили ему выделить ферменты, которые играют важнейшую роль при воздействии на экспрессию гена. Он также смог изучить кристаллическую структуру одного конкретного фермента и тем самым показать, как именно он разрезает матричную РНК[83].

Йинек и Виденхефт имели совершенно разную подготовку и были совсем непохожи друг на друга по характеру, но прекрасно дополняли друг друга. Йинек специализировался на кристаллографии и хотел поработать с живыми клетками, а Виденхефт занимался микробиологией и хотел изучить кристаллографию. Они сразу понравились друг другу. Виденхефт отличался гораздо более озорным чувством юмора, но оно было таким заразительным, что вскоре Йинек его подхватил. Однажды, приехав вместе с коллегами с визитом в Аргоннскую национальную лабораторию в Чикаго, они работали в огромном круглом здании, где находится мощный источник синхротронного излучения Advanced Photon Source, или APS. Здание так велико, что ученые передвигаются по нему на трехколесных велосипедах. В четыре утра, проработав всю ночь, Виденхефт устроил гонку на велосипедах по всей окружности здания и, конечно, победил[84].

Даудна решила, что ее лаборатория поставит перед собой цель разделить систему CRISPR на химические составляющие и изучить, как работает каждая из них. Первым делом они с Виденхефтом предпочли сосредоточиться на CRISPR-ассоциированных ферментах.

Cas1

Давайте прервемся на краткий ликбез.

Ферменты – это белки особого типа. Их главная функция – выступать в качестве катализатора, запускающего химические реакции в клетках живых организмов, от бактерий до человека. Ферменты катализируют более пяти тысяч биохимических реакций. Благодаря им расщепляются белки и углеводы в пищеварительной системе, сокращаются мышцы, передаются сигналы между клетками, регулируется обмен веществ и (что особенно важно для нашей темы) происходит разрезание и сплайсинг ДНК и РНК.

К 2008 году ученые открыли ряд ферментов, производимых генами, которые соседствуют с последовательностями CRISPR в ДНК бактерий. Эти CRISPR-ассоциированные ферменты (ферменты Cas) позволяют системе вырезать и вставлять в геном новые воспоминания о вирусах, атакующих бактерии. Они также создают короткие сегменты РНК, называемые CRISPR-РНК (сгРНК), которые направляют работающий по принципу ножниц фермент к опасному вирусу, чтобы вырезать его генетический материал. Вуаля! Так хитроумные бактерии и создают адаптивную иммунную систему!

Система обозначений этих ферментов в 2009 году еще не сложилась, в основном потому, что их открывали в разных лабораториях. В конце концов названия привели к единому стандарту: Cas1, Cas9, Cas12 и Cas13.

Даудна и Виденхефт решили сосредоточиться на ферменте Cas1. Это единственный фермент Cas, который встречается во всех бактериях с системами CRISPR, а значит, выполняет фундаментальную функцию. Cas1 обладал и другим преимуществом для лаборатории, где для изучения того, как структура молекулы определяет ее функции, применялась рентгеновская кристаллография: его было просто кристаллизовать[85].

Виденхефт смог выделить ген Cas1 из бактерий и клонировать его. Применив диффузию из паровой фазы, он сумел его кристаллизовать. Но затем он зашел в тупик, пытаясь определить его точную кристаллическую структуру, поскольку его опыт в рентгеновской кристаллографии оказался недостаточным.

Даудна поручила Йинеку, который только что опубликовал написанную в соавторстве с ней статью об РНК-интерференции[86], помочь Виденхефту с кристаллографией. Исследователи вместе отправились в соседнюю Национальную лабораторию имени Лоуренса в Беркли, где, работая на ускорителе частиц, Йинек помог Виденхефту проанализировать данные и построить атомную модель белка Cas1. “В процессе я заразился энтузиазмом Блейка, – вспоминает он. – После этого я решил и дальше заниматься CRISPR в лаборатории у Дженнифер”[87].

Они обнаружили, что Cas1 имеет характерную складку, которая, очевидно, и была механизмом, использовавшимся бактерией для захвата фрагмента ДНК атакующих вирусов и внедрения его в свой набор CRISPR, а следовательно, представляла собой ключ к этапу формирования памяти иммунной системы. В июне 2009 года они описали свое открытие в статье, которая стала первым вкладом лаборатории Даудны в изучение CRISPR. В ней ученые впервые объяснили механизм CRISPR на основе структурного анализа одного из его компонентов[88].

Родольф Баррангу

Филипп Хорват

Глава 12. Производители йогуртов

Фундаментальные исследования и линейная модель инноваций

Историки науки и технологий, включая и меня, часто пишут о так называемой линейной модели инновационного процесса. Ее насаждал Вэнивар Буш, декан инженерного факультета Массачусетского технологического института, один из основателей компании Raytheon, во время Второй мировой войны руководивший Национальным исследовательским комитетом США по вопросам обороны, который курировал изобретение радара и создание атомной бомбы. В подготовленном в 1945 году докладе “Наука – безграничное познание” Буш утверждал, что фундаментальные исследования, проводимые из любопытства, становятся первыми шагами к новым технологиям, к инновациям. “Новые продукты и новые процессы не появляются зрелыми, – написал он. – Они основываются на новых принципах и новых концепциях, которые, в свою очередь, разрабатываются в процессе изысканий в сфере чистейшей науки. Фундаментальные исследования задают темп техническому прогрессу”[89]. Ознакомившись с этим докладом, президент Гарри Трумэн основал Национальный научный фонд, правительственное агентство, предоставляющее финансирование для проведения фундаментальных исследований – главным образом в университетах.

В линейной модели инновационного процесса есть рациональное зерно. Фундаментальные исследования квантовой теории и физики поверхностных состояний полупроводниковых материалов привели к созданию транзистора. Но все было не так просто и не так линейно. Транзистор разработали в Лабораториях Белла, исследовательском подразделении Американской телефонной и телеграфной компании (AT&T). Там трудились многие теоретики фундаментальной науки, включая Уильяма Шокли и Джона Бардина. Туда заглядывал даже Альберт Эйнштейн. Но рядом с ними работали инженеры-практики и монтажники, которые знали, как усилить телефонный сигнал. Кроме того, свой вклад вносили и специалисты по развитию бизнеса, которые пробивали дорогу для внедрения междугородной телефонной связи. Три перечисленных группы информировали и мотивировали друг друга.

История CRISPR, на первый взгляд, развивалась по линейной модели. Специалисты по фундаментальной науке, например Франсиско Мохика, из чистого любопытства решили изучить замеченную в природе странность, и это подготовило почву для появления таких прикладных технологий, как редактирование генома и создание инструментов для борьбы с коронавирусами. Однако, как и история создания транзисторов, этот процесс не был в полной мере линейным и однонаправленным. Скорее он представлял собой циклический танец, в котором участвовали ученые-теоретики, изобретатели-практики и руководители бизнеса.

Наука может рождать инновации. Однако, как отмечает Мэтт Ридли в книге “Как работают инновации”, иногда теория и практика оказывают взаимное влияние друг на друга. “Столь же часто инновации рождают науку: создаются полезные техники и процессы, но понимание принципов их работы приходит позже, – пишет он. – Паровые машины подтолкнули развитие термодинамики, а не наоборот. Моторизированный полет опередил почти всю аэродинамику”[90].

Яркая история CRISPR служит еще одним прекрасным примером симбиоза фундаментальной и прикладной науки. И в ней фигурирует йогурт.

Баррангу и Хорват

Пока Даудна с командой приступали к работе над CRISPR, двое молодых специалистов по продуктам питания на разных континентах изучали CRISPR с целью усовершенствовать технологии производства йогурта и сыра. Родольф Баррангу в Северной Каролине и Филипп Хорват во Франции работали в компании Danisco, датском производителе продовольственного сырья, который специализируется на заквасочных культурах, запускающих и контролирующих ферментацию молочных продуктов.

Заквасочные культуры для йогурта и сыра делаются из бактерий, и главную угрозу для 40-миллиардного мирового рынка представляют вирусы, способные уничтожать бактерии. Компания Danisco готова была вкладывать немалые деньги в исследования, чтобы выяснить, как бактерии защищаются от этих вирусов. Она располагала ценным активом: базой данных последовательностей ДНК всех бактерий, которые использовала за время своего существования. Именно так Баррангу и Хорват, которые впервые услышали о проводимом Мохикой исследовании CRISPR на конференции, стали одним из звеньев во взаимодействии фундаментальной науки и бизнеса.

Баррангу родился в Париже, и еда его, как истинного парижанина, интересовала всегда. Он также любил науку, поэтому в колледже решил совместить свои увлечения. Он стал единственным из знакомых мне людей, который переехал из Франции в Северную Каролину, чтобы узнать больше о пище. Он поступил в Университет штата Северная Каролина в Роли и получил степень магистра, защитив диплом о ферментации соленых огурцов и квашеной капусты. Он получил докторскую степень в том же университете, женился на специалисте по науке о продуктах питания, с которой познакомился во время учебы, и переехал с ней в Мэдисон (Висконсин), где она устроилась на работу в мясную компанию Oscar Mayer. Там же, в Мэдисоне, находится и подразделение Danisco, производящее сотни мегатонн бактериальных культур для ферментированных молочных продуктов, включая йогурт. В 2005 году Баррангу занял там должность руководителя исследовательского отдела[91].

За много лет до этого он подружился с другим французским специалистом по науке о продуктах питания Филиппом Хорватом, который работал исследователем в лаборатории Danisco в городе Данже-Сен-Ромен в Центральной Франции. Хорват создавал инструменты для выявления вирусов, которые атакуют разные штаммы бактерий, и приятели стали сотрудничать друг с другом через океан, изучая CRISPR.

Каждый день они по два-три раза созванивались и обсуждали на французском свои планы. Они решили применить вычислительную биологию для анализа последовательностей CRISPR, обнаруживаемых в бактериях из обширной базы Danisco, и начали с бактерии Streptococcus thermophilus, рабочей лошадки в индустрии молочных культур. Они сравнили CRISPR-последовательности этой бактерии с ДНК вирусов, атаковавших ее. Прелесть исторического собрания Danisco заключалась в том, что в нем присутствовали штаммы бактерий, использовавшиеся каждый год с начала 1980-х, поэтому исследователи могли наблюдать, как со временем менялся их геном.

Они обратили внимание, что бактерии, собранные вскоре после крупной вирусной атаки, обзавелись спейсерами с последовательностями, взятыми из этих вирусов, а это свидетельствовало, что их интеграция в геном произошла для отражения будущих атак. Поскольку иммунитет теперь стал частью ДНК бактерий, он передавался всем последующим поколениям этих бактерий. В мае 2005 года ученые провели сравнение и поняли, что достигли цели. “Мы увидели стопроцентное совпадение между CRISPR бактериального штамма и последовательностью вируса, атаковавшего его, – вспоминает Баррангу. – Таким стал наш момент истины”[92]. Они получили весомое подтверждение тезиса, сформулированного Франсиско Мохикой и Евгением Куниным.

Затем они совершили весьма полезный шаг: они показали, что могут искусственно создавать такой иммунитет, конструируя и внедряя в геном собственные спейсеры. Во французской исследовательской лаборатории нельзя было заниматься генной инженерией, поэтому эту часть экспериментов Баррангу провел в Висконсине. “Я продемонстрировал, что при добавлении последовательностей из вируса в локус CRISPR бактерия вырабатывает иммунитет к этому вирусу”, – говорит он[93]. Кроме того, ученые доказали, что CRISPR-ассоциированные ферменты (ферменты Cas) играют важнейшую роль в приобретении новых спейсеров и защите от атакующих вирусов. “По сути, я отключил два гена Cas, – поясняет Баррангу. – Двенадцать лет назад это было непросто. Одним из них был Cas9. Мы показали, что стоит его отключить, как сопротивляемость пропадает”.

В августе 2005 года они использовали свои открытия, чтобы подать заявку и получить один из первых патентов, связанных с системами CRISPR-Cas. В тот же год Danisco начала использовать CRISPR для вакцинации своих бактериальных штаммов.

Баррангу и Хорват написали для журнала Science статью, опубликованную в марте 2007 года. “Момент был прекрасен, – говорит Баррангу. – Мы, сотрудники неведомой датской компании, отправили статью с описанием малоизвестной системы организма, до которого ни одному ученому нет дела. Мы были бы безмерно рады и одной рецензии. Но статью приняли к публикации!”[94]

Конференции по CRISPR

Статья помогла вывести интерес к CRISPR на новый уровень. Джиллиан Бэнфилд, биолог из Беркли, которая привлекла Даудну к сотрудничеству в кафе Free Speech Movement, немедленно связалась с Баррангу. Они решили поступить так, как часто поступают пионеры новых областей науки: организовать ежегодные конференции. Первая из них, подготовленная силами Бэнфилд и Блейка Виденхефта, состоялась в конце июля 2008 года в Стэнли-холле в Беркли, где находилась лаборатория Даудны. На ней присутствовало всего тридцать пять человек, включая Франсиско Мохику, который прилетел из Испании, чтобы выступить с докладом.

В науке не возникает проблем с сотрудничеством на расстоянии – и особенно в нем преуспевают ученые, которые занимаются исследованиями CRISPR, как показали на своем примере Хорват и Баррангу. Но в непосредственной близости порой происходят более сильные реакции: идеи рождаются за чаем в таких местах, как кафе Free Speech Movement. “Не будь этих конференций по CRISPR, эта область не развивалась бы с такой скоростью и не стала бы ареной для такого плодотворного сотрудничества, – говорит Баррангу. – И не возникло бы никакого чувства локтя”.

Правила на конференции были не слишком строгими, а атмосфера – доверительной. Участники неформально рассказывали о результатах, которые еще не опубликовали, а другие ученые не пытались извлечь из этого выгоду. “Небольшие конференции, на которых люди делятся неопубликованными данными и идеями и каждый помогает каждому, могут изменить мир”, – отметила впоследствии Бэнфилд. Первым делом на конференции стандартизировали терминологию и названия, в том числе разработав единую систему наименования CRISPR-ассоциированных белков. Сильвен Моро, один из первых участников мероприятий, назвал июльский конгресс “научной рождественской вечеринкой”[95].

Сонтхаймер и Марраффини

В год первой конференции произошел значительный прорыв. Лучано Марраффини и его научный руководитель Эрик Сонтхаймер из Северо-Западного университета в Чикаго продемонстрировали, что мишенью системы CRISPR является ДНК. Иными словами, CRISPR работает не посредством РНК-интерференции, как было принято считать тогда, когда Бэнфилд впервые вышла на связь с Даудной. На самом деле система CRISPR была нацелена на ДНК атакующего вируса[96].

Это имело поразительное следствие. Марраффини и Сонтхаймер поняли, что если система CRISPR нацелена на ДНК вирусов, то в таком случае ее можно превратить в инструмент для редактирования генома. Их судьбоносное открытие еще сильнее подогрело интерес к CRISPR по всему миру. “Отсюда вытекала идея, что CRISPR может обладать фундаментальными трансформирующими свойствами, – говорит Сонтхаймер. – Если [система] могла брать на прицел и разрезать ДНК, то она давала возможность исправлять причину генетической проблемы”[97].

Но чтобы использовать ее таким способом, сначала нужно было многое понять. Марраффини и Сонтхаймер точно не знали, как фермент CRISPR разрезает ДНК. Возможно, его метод осуществления процедуры был несовместим с редактированием генома. Тем не менее в сентябре 2008 года они подали заявку на патент для использования CRISPR в качестве инструмента редактирования ДНК. Заявку отклонили – и вполне обоснованно. Ученые верно предположили, что однажды систему можно будет использовать для редактирования генома, но пока это не подтверждалось никакими экспериментальными данными. “Невозможно запатентовать идею, – признает Сонтхаймер. – Нужно изобрести то, о чем говоришь”. Они также подали заявку на грант Национальных институтов здоровья, чтобы продолжить изучение потенциала CRISPR в качестве инструмента для редактирования генома. И эта заявка тоже оказалась отклонена. Но все же они вошли в историю как ученые, которые первыми предположили, что системы CRISPR-Cas могут применяться для редактирования генома[98].

Сонтхаймер и Марраффини изучали CRISPR в живых клетках, например в клетках бактерий. Аналогичные исследования проводили и другие специалисты по молекулярной биологии, которые в тот год опубликовали статьи о CRISPR. Однако, чтобы определить ключевые компоненты системы, нужен был другой подход: биохимикам необходимо было изучить молекулы in vitro, в пробирке. Изолируя компоненты в пробирке, биохимики могли на молекулярном уровне объяснить открытия, совершенные микробиологами in vivo, а также сделанные специалистами по вычислительной генетике при сравнении данных о секвенировании in silico.

Эрик Сонтхаймер и Лучано Марраффини

“Когда проводишь эксперименты in vivo, никогда точно не знаешь, почему происходят те или иные вещи, – признает Марраффини. – Мы не можем заглянуть внутрь клетки и увидеть, как все работает”. Чтобы в полной мере изучить каждый компонент, необходимо вынуть его из клетки и поместить в пробирку, где можно точно контролировать химический состав содержимого. Именно на этом специализировалась Даудна, и этим занимались в ее лаборатории Блейк Виденхефт и Мартин Йинек. “Было ясно, что для решения этих вопросов нам нужно выйти за рамки генетического исследования и применить скорее биохимический подход, – позже написала она, – который позволил бы нам изолировать молекулы, составляющие CRISPR, и изучать их поведение”[99][100].

Но прежде Даудна решила сделать неожиданную петлю на своем карьерном пути.

Герберт Бойер и Роберт Суонсон

Глава 13. Genentech

Пресыщение

Осенью 2008 года, сразу после публикации этой лавины статей о CRISPR, Джиллиан Бэнфилд высказала Даудне свои опасения, что самые важные открытия уже сделаны и, возможно, настала пора “двигаться дальше”. Даудна в этом сомневалась. “Мне казалось, что совершенные к тому моменту открытия возвещают о начале, а не о конце увлекательного путешествия, – вспоминает она. – Я знала, что существует какой-то адаптивный иммунитет, и хотела выяснить, как он работает”[101].

И все же в тот момент сама Даудна собиралась двигаться дальше.

Ей было сорок четыре года, она жила в счастливом браке и растила умного и воспитанного семнадцатилетнего сына. Но, несмотря на все успехи – а отчасти, возможно, и из-за них, – она переживала кризис среднего возраста. “Я пятнадцать лет руководила научно-исследовательской лабораторией и начала задумываться: «Может, этим дело не ограничивается?» – говорит она. – Мне хотелось узнать, имеет ли моя работа более далекоидущие последствия”.

Хотя ей нравилось шагать в авангарде новой сферы CRISPR, она пресытилась фундаментальной наукой. Ей хотелось заняться прикладными и междисциплинарными исследованиями, которые помогают преобразовать фундаментальные научные знания в методы лечения, укрепляющие здоровье человека. Хотя и были намеки, что CRISPR может стать инструментом для редактирования генома и обрести огромную практическую ценность, Даудну тянуло к проектам, которые имели потенциал оказать влияние быстрее.

Сначала она подумывала пойти учиться на врача. “Я рассудила, что мне, возможно, понравится работать с реальными пациентами и участвовать в клинических исследованиях”, – говорит она. Она также рассматривала возможность поступить в бизнес-школу. Колумбийский университет предлагал программу делового администрирования для руководителей, в рамках которой учащиеся одни выходные в месяц посвящали очным занятиям, а остальную работу вели через интернет. Летать туда-обратно из Беркли, не забывая при этом заглядывать на Гавайи и навещать больную мать, было бы тяжело, но Даудна всерьез рассматривала этот вариант.

Затем она случайно встретилась с бывшим коллегой, который уже около года работал в Сан-Франциско в биотехнологическом гиганте Genentech. Эта компания на своем примере показывала, как идет инновационный процесс и какие возникают прибыли, когда фундаментальная наука встречается с патентными поверенными и венчурными капиталистами.

Genentech, Inc.

Компания Genentech была основана в 1972 году, когда стэнфордский профессор медицины Стэнли Коэн и биохимик Герберт Бойер из Калифорнийского университета в Сан-Франциско посетили состоявшуюся в Гонолулу конференцию, посвященную технологии рекомбинантных ДНК, основанной на открытии стэнфордского биохимика Пола Берга, нашедшего способ нарезать фрагменты ДНК разных организмов и создавать гибриды. На конференции Бойер выступил с докладом об открытом им ферменте, способном создавать такие гибриды с высокой эффективностью. Затем Коэн рассказал о том, как с помощью клонирования производить тысячи идентичных копий фрагмента ДНК, внедряя его в бактерии E. coli.

Однажды вечером, оставшись голодными после официального ужина, они зашли в торговый комплекс неподалеку от Вайкики-Бич и обнаружили там закусочную, оформленную в нью-йоркском стиле, над входом в которую висел неоновый знак с надписью “Шалом”, а не привычный “Алоха”. Взяв по сэндвичу с пастрами, они принялись искать способ скомбинировать свои открытия и создать технологию конструирования и производства новых генов. Они договорились вместе поработать над этой идеей и уже через четыре месяца объединили фрагменты ДНК разных организмов и создали миллионы клонов гибридных (рекомбинантных) молекул ДНК, тем самым положив начало сфере биотехнологий и запустив революцию генной инженерии[102].

Один из бдительных стэнфордских юристов по интеллектуальной собственности связался с ними и предложил помочь им с составлением заявки на патент, чем немало их удивил. Заявку подали в 1974 году, и позже она получила одобрение. Сначала Коэну и Бойеру даже в голову не пришло, что можно запатентовать обнаруживаемые в природе процессы, связанные с рекомбинантными ДНК. Об этом не подумали и другие ученые, и многих разозлил их шаг – и сильнее всех негодовал Пол Берг, который сделал первые открытия в сфере рекомбинантных ДНК. Он назвал решение подать заявку “сомнительным, бесцеремонным и наглым”[103].

В конце 1975 года, через год после регистрации заявки Коэна – Бойера, молодой Роберт Суонсон, который безуспешно пытался пробиться в стан венчурных капиталистов, начал обзванивать ученых, надеясь найти человека, заинтересованного в создании компании в сфере генной инженерии. Все прошлые венчурные проекты Суонсона оканчивались провалом. В то время он снимал комнату, ездил на видавшем виде “датсуне” и питался одними бутербродами. Однако, прочитав о рекомбинантных ДНК, он внушил себе, что наконец нашел свою золотую жилу. Он обзванивал ученых в алфавитном порядке, и первым на встречу с ним согласился Бойер. (Берг отказался.) Суонсон пришел к нему, ожидая провести минут десять в его кабинете, но в итоге они три часа сидели в соседнем баре и разрабатывали проект компании нового типа, которая должна была создавать лекарства из искусственно полученных генов. Они согласились вложить в предприятие по 500 долларов, чтобы покрыть начальные юридические расходы[104].

Суонсон предложил назвать компанию HerBob, составив вместе фрагменты их имен и получив слово, которое вызывало ассоциации с каким-нибудь приложением для онлайн-знакомств или низкопробным салоном красоты. Бойер благоразумно отверг этот вариант и предложил название Genentech (от genetic engineering technology, “технология генной инженерии”). Компания начала производить препараты, созданные с помощью генной инженерии, в августе 1978 года и пережила период стремительного роста, когда сумела первой синтезировать инсулин для лечения диабета.

Прежде для производства одного фунта инсулина требовалось 800 фунтов поджелудочных желез, вырванных более чем у 23 тысяч свиней или коров. Успешный синтез инсулина не только изменил жизнь диабетиков (и массы свиней и коров), но и вывел биотехнологическую промышленность на новый уровень. Живописный портрет улыбающегося Бойера появился на обложке журнала Time и сопровождался заголовком “Бум генной инженерии”. Номер вышел на той же неделе, когда английский принц Чарльз сделал предложение Диане Спенсер, но журналистика тогда была более возвышенной, и потому это событие удостоилось упоминания лишь во вторую очередь.

В октябре 1980 года успех Genentech был отражен на запоминающейся первой полосе газеты San Francisco Examiner, когда компания раньше всех других предприятий биотехнологического сектора осуществила первичное размещение акций и стала публичной. Начальная цена ее акций, торгующихся под названием GENE, составила 35 долларов за штуку и за час взлетела до 88 долларов. “Genentech встряхнула Уолл-стрит”, – заявлялось в заголовке. Прямо под ним была помещена иллюстрация к совершенно другой статье: на фотографии улыбающийся Пол Берг говорил по телефону, узнав, что он в тот же день получил Нобелевскую премию за открытие рекомбинантных ДНК[105].

Карьерная петля

Когда в конце 2008 года Genentech впервые вышла на связь с Даудной, стоимость компании приближалась к 100 миллиардам долларов. Бывший коллега, который теперь занимался в Genentech синтезированием препаратов для лечения рака, сказал, что доволен новой работой. Его исследования были гораздо более предметными, чем в научной сфере, и он непосредственно решал задачи, связанные с разработкой новых лекарств. “И тут я подумала, – говорит Даудна, – может, вместо того чтобы возвращаться за парту, мне стоит устроиться туда, где я смогу применить свои знания?”

Первым делом она выступила в Genentech на паре семинаров и описала свою работу. Это дало ей и сотрудникам Genentech возможность присмотреться друг к другу. Среди тех, кто приглашал ее в компанию, была Сью Десмонд-Хеллман, руководившая отделом продуктовой разработки. Они похожи друг на друга характером: обе умеют слушать, быстро соображают и не упускают случая улыбнуться. “Когда мне предложили работу в компании, мы с ней встретились у нее в кабинете, и [она] пообещала, что возьмет меня под крыло, если я перейду в Genentech”, – говорит Даудна.

Когда Даудна решила принять предложение, ей сказали, что у нее есть возможность привести с собой некоторых членов ее команды из Беркли. “Мы все готовились к переезду, – вспоминает Рейчел Хорвиц, одна из аспиранток Даудны, которая, как и большинство ее коллег, решила последовать за своей научной руководительницей. – Мы решали, какое оборудование заберем с собой, и постепенно его упаковывали”[106].

Однако, едва приступив к работе в Genentech в январе 2009 года, Даудна поняла, что совершила ошибку. “Я очень быстро почувствовала, что оказалась не там, где следовало, – говорит она. – Я чуяла это нутром. Изо дня в день я чувствовала, что приняла неверное решение”. Она плохо спала. Она переживала дома. Она с трудом справлялась даже с самыми простыми задачами. Ее кризис среднего возраста перерастал в нервный срыв. Она всегда была очень сдержанным человеком и умела брать под контроль свои сомнения и тревоги. До той поры[107].

Ее смятение достигло пика всего через несколько недель. Дождливой ночью в конце января она никак не могла заснуть. Она встала и вышла на улицу прямо в пижаме. “Я сидела под дождем у себя на заднем дворе, мокла и думала: «С меня хватит»”, – вспоминает она. Муж нашел ее неподвижно сидящей под дождем и завел обратно в дом. Даудна подумала, что у нее, возможно, началась клиническая депрессия. Она понимала, что хочет вернуться в свою исследовательскую лабораторию в Беркли, но боялась, что больше не сможет открыть эту дверь.

На помощь пришел ее сосед Майкл Марлетта, декан химического факультета Беркли. На следующее утро она позвонила ему и попросила его зайти, что он и сделал. Она отослала Джейми и их сына Эндрю прочь из дома, чтобы важный разговор состоялся наедине. Марлетта пораженно отметил, что Даудна выглядит глубоко несчастной.

– Держу пари, ты хочешь вернуться в Беркли, – сказал он.

– Боюсь, я захлопнула за собой дверь, – ответила она.

– Вовсе нет, – возразил он. – Я помогу тебе вернуться.

Ей тотчас стало легче. Той ночью к ней вернулся сон. “Я знала, что хочу вернуться туда, где и должна быть”, – говорит она. Она вернулась в лабораторию в Беркли в начале марта, всего через два месяца после ухода на новое место.

Эта ошибка помогла ей лучше разобраться в том, что она умеет и чем хочет заниматься, а также понять свои слабые стороны. Ей нравилось работать исследователем в лаборатории. Она хорошо строила гипотезы и обменивалась идеями с людьми, которым доверяла. Она плохо ориентировалась в корпоративной среде, где люди конкурируют за влияние и продвижение по службе, а не за совершение открытий. “У меня не было ни необходимых навыков, ни интереса к работе в большой компании”. И все же, хотя с Genentech у нее не сложилось, ее желание связать свою теоретическую работу с созданием новых практических инструментов и основанием компаний для их коммерциализации стало определяющим фактором в следующей главе ее жизни.

Глава 14. Лаборатория

Поиск сотрудников

Научное открытие складывается из двух компонентов: проведения первоклассных исследований и создания лаборатории, в которой проводятся первоклассные исследования. Однажды я спросил у Стива Джобса, какой из своих продуктов он считает лучшим, и ожидал, что он назовет Macintosh или iPhone. Он, однако, сказал, что создавать отличные продукты очень важно, но еще важнее сформировать команду, которая постоянно производит такие продукты.

Даудне очень нравилось быть рядовым исследователем, нравилось рано приходить в лабораторию, надевать латексные перчатки и белый халат и приступать к работе с пипетками и чашками Петри. В первые несколько лет после создания собственной лаборатории в Беркли она посвящала исследованиям примерно половину своего времени. “Мне не хотелось от этого отказываться, – говорит она. – Думаю, я была довольно неплохим экспериментатором. Так устроен мой разум. Эксперименты рождаются у меня в голове, особенно когда я работаю над ними сама”. Но к 2009 году, вернувшись из Genentech, Даудна поняла, что ей нужно больше времени уделять организации лаборатории, а не выращиванию бактериальных культур.

Это превращение из игрока в тренера происходит во многих сферах. Писатели становятся редакторами, инженеры – управленцами. Когда рядовые исследователи становятся руководителями лабораторий, круг их обязанностей расширяется: они нанимают на работу талантливых молодых исследователей, составляют план работы, проверяют полученные результаты, предлагают новые эксперименты и дают советы с позиции людей, имеющих определенный опыт.

Мартин Йинек, Рейчел Хорвиц, Блейк Виденхефт, Кайхун Чжоу и Дженнифер Даудна

В этом Даудна была великолепна. Рассматривая кандидатов на проведение диссертационных исследований и прохождение постдокторантуры в своей лаборатории, она всегда спрашивала мнение остальных членов команды. Ей важно было находить людей, способных самостоятельно ставить себе задачи, но готовых к сотрудничеству с другими. Когда ее лаборатория активнее занялась работой над CRISPR, Даудна нашла двух аспирантов, обладавших именно той комбинацией усердия и ума, которая позволила им составить костяк команды, куда ранее вошли Блейк Виденхефт и Мартин Йинек.

Рейчел Хорвиц

Детство Рейчел Хорвиц прошло в Остине (Техас), и тогда она, по собственным словам, была “помешана на науке”. Как и Даудна, она проявляла интерес к РНК. Она сосредоточилась на исследовании этой молекулы, когда училась в Гарварде, а затем поступила в аспирантуру Беркли. Неудивительно, что ей хотелось попасть в лабораторию Даудны. Она пришла туда в 2008 году и вскоре присоединилась к работе над CRISPR, не устояв перед обаянием и безграничным энтузиазмом Блейка Виденхефта, увлеченного странными бактериями. “Когда я начала работать с Блейком, я почти ничего не знала о CRISPR, поэтому я прочла все статьи, опубликованные на эту тему, – вспоминает она. – На это у меня ушло всего часа два. Ни Блейк, ни я тогда еще не подозревали, что мы стоим на крошечной верхушке айсберга”[108].

В начале 2009 года Хорвиц сидела дома и готовилась к квалификационному экзамену для получения докторской степени, когда узнала, что Даудна решила уйти из Genentech и вернуться в Беркли. Это было к лучшему. Хорвиц планировала последовать за Даудной, хотя ей очень хотелось остаться в Беркли и работать над диссертацией о CRISPR вместе с Виденхефтом. Их объединял не только интерес к биохимии, они обе любили проводить время на природе, и Виденхефт даже помог Хорвиц разработать новый режим питания и тренировок, чтобы она снова смогла бегать марафонские дистанции.

Даудна замечала в Хорвиц некоторое сходство с собой: изучение CRISPR было рискованным делом, ведь область только зарождалась, и именно это привлекало Хорвиц. “Ей нравилось, что сфера была совсем новой, хотя большинство студентов это испугало бы, – говорит Даудна. – И я сказала ей: «Дерзай»”.

После того как Виденхефт смог воссоздать структуру Cas1, он решил провести аналогичную операцию с пятью остальными CRISPR-ассоциированными белками, которые содержались в изучаемых бактериях. С четырьмя из них сложностей не возникло. Но Cas6[109] оказался крепким орешком, поэтому Виденхефт привлек к работе Хорвиц. “Он передал мне трудного ребенка”, – говорит она.

Сложность объяснялась тем, что секвенированный геном бактерии был неверно аннотирован в учебниках и базах данных. “Блейк понял, что у нас ничего не выходит, потому что в первую часть закралась ошибка”, – поясняет Хорвиц. Как только они поняли, в чем загвоздка, у них получилось синтезировать Cas6 в лаборатории[110].

Далее необходимо было выяснить, что он делает и как. “Я обратилась к двум дисциплинам, которыми занимается лаборатория Даудны, – рассказывает Хорвиц, – биохимия помогла установить, какова его функция, а структурная биология позволила понять, как он выглядит”. Биохимические эксперименты показали, что задача Cas6 заключается в том, чтобы цепляться к длинным РНК, создаваемым массивом CRISPR, и разрезать их, формируя более короткие фрагменты CRISPR-РНК, которые берут на прицел ДНК атакующих вирусов.

После этого нужно было изучить структуру Cas6, которая объяснила бы, как именно он работает. “Тогда ни у Блейка, ни у меня еще не хватало навыков, чтобы самостоятельно заниматься структурной биологией, – говорит Хорвиц, – поэтому я окликнула Мартина Йинека, сидевшего за соседним столом, и попросила его присоединиться к проекту и показать нам, как это делается”.

Они обнаружили нечто необычное. Cas6 цепляется к РНК таким способом, который, если верить учебникам, вовсе не должен работать: он находит в РНК подходящую последовательность, которая имеет в своей структуре место для того, чтобы Cas6 мог к ней прицепиться. “Ни один из других известных нам белков Cas не был на такое способен”, – отмечает Хорвиц. Благодаря этому Cas6 распознавал нужное место и точно делал разрез, не повреждая остальную РНК.

В своей статье они назвали это “неожиданным механизмом распознавания”. Существовала “РНК-шпилька”, где Cas6 мог взаимодействовать с той самой последовательностью, которая была ему нужна. И снова особенности формы молекулы стали ключом к тому, чтобы выяснить, как именно она работает[111].