Как ГМО спасает планету и почему люди этому мешают Иванова Анна

Но не инсулином единым славны наши маленькие спутники жизни. Много чего они умеют сами, но еще большему их могут научить биотехнологи. Приглашаю вас отправиться со мной на короткую экскурсию в мир будущего, которое вообще-то давно уже здесь. А мы и не заметили.

2.6.1. Окружающая среда: маски долой!

Проблема загрязнения пластиковым мусором стоит очень остро для большинства стран. И пандемия только усугубила ситуацию: на и так огромных свалках на суше и в морях образовались дополнительные горы масок, респираторов, медицинских отходов[105]. А представьте себе, как было бы здорово взять эти безграничные свалки отходов полиэтилентерефталата (ПЭТ)[106] на суше и целые плавучие бутылочные острова посреди океанов и превратить их во что-то минимально вредное для окружающей среды? А уж совсем хорошо, если это что-то окажется еще и полезным в производстве чего-то нового. С этими мыслями группа японских ученых отправилась исследовать бактериальные сообщества, живущие на свалках пластика. И их улов был удачен!

В 2016 году был выделен штамм бактерий Ideonella sakaiensis 201-F06. Эти бактерии без всякого кетчупа наворачивают ПЭТ за обе щеки, а в процессе еще и выделяют терефталевую кислоту и этиленгликоль[107] – чрезвычайно полезные в хозяйстве вещества. Терефталевую кислоту, например, активно используют в текстильной промышленности и для изготовления контейнеров для еды[108], а этиленгликолю автомобилисты обязаны надежными тормозами и чистыми лобовыми стеклами своих машин, его используют в системах отопления домов и жидкостного охлаждения компьютеров (если вы майнили крипту, то точно говорили спасибо этому малышу). Вот это труженики! Но радоваться было еще рано. Едят бактерии все же недостаточно быстро, да и просто распылить их на скопления пластика в океане не получится.

Найденная бактерия оказалась не одинока в своих суперспособностях – чуть раньше другие исследователи обнаружили пару видов грибов с похожими пищевыми предпочтениями. Но только после этой истории все понеслось: в разных уголках Земли разные ученые начали обнаруживать все новые и новые микроорганизмы – бактерии и грибы, – которые тоже предпочитали определенные виды пластиковых отходов себе на обед и ужин[109]. Стали понятны две вещи: во-первых, за совсем недолгую эпоху производства и потребления пластиковой продукции братья наши самые меньшие успели эволюционировать так, чтобы использовать в пищу совершенно новый для них ресурс; а во-вторых, если мы поймем, как они это делают, мы сможем повторить это в лаборатории. А затем и вне ее: создать генно-инженерные штаммы, которые смогут перерабатывать пластик в сотни и тысячи раз эффективнее и быстрее, превращая вчерашние свалки в новые заповедники, а отходы с них – в новое сырье для производства. Современные ученые строят светлые планы по биоремедиации[110] планеты, осуществить которые возможно еще на протяжении нашей жизни.

Первые успешные работы в этом направлении были опубликованы в 2018 году[111]. Сначала группа ученых выделила из бактерий сам фермент (белок), при помощи которого найденные ранее Ideonella sakaiensis расщепляют ПЭТ (кстати, назвали его ПЭТаза – «действующий на ПЭТ» фермент, о чем говорит традиционное окончание всех ферментов «-аза»). Потом, используя самые современные методы кристаллографии и построения 3D-структуры белков, ученые получили очень точную трехмерную, буквально поатомную, модель этого фермента. Затем к работе привлекли специалистов-биоинформатиков, которые помогли определить механизм работы данного фермента и спрогнозировать, как он поведет себя при определенных модификациях. Предсказанный в моделях модифицированный фермент собрали молекулярные биологи и показали, что теперь ему по зубам не только ПЭТ, но и ПЭФ (полиэтиленфураноат – новый вид биопластика, который достаточно хорошо перерабатывается уже существующими методами). Кроме того, фермент-мутант справлялся с задачей намного быстрее своего природного оригинала. С небольшим куском ПЭТ модифицированные бактерии могли расправиться уже всего за несколько дней. Хм, не очень-то быстро.

Совсем недавно, в пик второй волны пандемии, из-за которой проблема пластиковых отходов встала так остро, как никогда ранее – теперь нам потребовалось перерабатывать еще большее количество контейнеров от еды навынос, пакетов из доставки продуктов, упаковки, и конечно же масок и респираторов, – все той же группе ученых удалось совершить новый прорыв: объединив ранее созданный мутантный фермент ПЭТазу с другим ферментом – МГЭТазой (от «моно(2-гидроксиэтил)терефталат»), они смогли достичь ускорения деградации пластика при комнатной температуре в шесть раз! Идею такого объединения они также подсмотрели у бактерий, которые уже миллионы лет используют такую двойную систему для расщепления целлюлозы[112]. Суть двойной системы в том, что первую половину работы делает один фермент, превращая «сырье» в промежуточные продукты, а вторую половину работы заканчивает за него второй – подхватывает полученные на первом шаге промежуточные вещества и превращает их в готовый продукт, который и требовался бактериям или научившимся у них ученым.

Ученые, разумеется, даже не думают останавливаться на достигнутом: в планах еще больше увеличить скорость работы новой системы ферментов и придумать, как наиболее эффективно доставить ее на «рабочее место».

И если вам кажется, что все это существует лишь на бумаге, в отчетах по грантам и, ну в лучшем случае, в холодильниках лабораторий, то это тот самый случай, когда ошибаться очень приятно! Уже сегодня французская биотехнологическая компания Carbios при поддержке и сотрудничестве с гигантами Pepsi, Nestle и L’Oreal[113] на базе технологии, использующей генно-инженерные ферменты, реализует проект перехода на полностью новый технологический процесс по переработке использованной пластиковой тары для создания новой столь же высокого качества. По оценкам, переход индустриальных мощностей компаний-участниц на новые процессы должен занять 5 лет[114]. Используемый в данном проекте фермент способен переработать тонну пластиковых бутылок на 90 % всего за 10 часов! Правда, пока для работы ему необходимо нагревание до 70 °C. Кстати, именно этот фермент использовали при создании двуферментной системы для расщепления ПЭТ ученые из абзаца выше. В общем, с нетерпением ждем в этом направлении не только новых прорывов, но и все большего внедрения таких технологий в процессы разных компаний-производителей.

Конечно, вопросам безопасности для окружающей среды здесь отводится очень много времени и сил. Компании заранее готовятся к самому пристальному вниманию регуляторов и проверяющих организаций. Что ж, посмотрим, что ждет нас всего через пару лет. Но уже точно понятно, что этой главе понадобятся большие обновления.

2.6.2. Окружающая среда: и стаканчик ракетного топлива на десерт

Разливы нефти – еще одна огромная экологическая проблема. И с ней нам тоже могут помочь ГМ-бактерии.

Как все начиналось: 20 апреля 2010 года в Мексиканском заливе у берегов штата Луизиана (США) произошла одна из крупнейших техногенных катастроф в истории[115]. На полупогружной нефтедобывающей платформе Deepwater Horizon произошла авария, повлекшая за собой взрыв и утечку более 4 миллионов баррелей нефти (позднее это число еще увеличилось, так как ликвидация была сложной и продолжительной). Ущерб, нанесенный окружающей среде, был катастрофическим. Вместе с ликвидаторами на месте трагедии работали и ученые-микробиологи. Что же они искали?

Задолго до катастрофы науке были известны несколько видов микроорганизмов, способных «питаться» сырой нефтью. То есть разлагать ее на отдельные компоненты, пополняя при этом свои энергетические запасы. И это неудивительно – возможность приспособиться к такому источнику энергии была у микроорганизмов на протяжении миллионов лет, не то что в истории с совсем недавно появившимся на планете пластиком. Поэтому на момент аварии у ученых было что-то вроде портретов разыскиваемых: записи геномов этих уже известных организмов, которые с помощью специальных биоинформатических методов можно было сравнивать со всем, что выловили из насыщенных нефтью вод Мексиканского залива. Путем такого сравнения они ожидали выявить местных дальних родственников уже известных нефтеежек, которые могли бы помочь ликвидаторам катастрофы, взяв на себя часть работы по биодеградации[116]. Разные микроорганизмы умеют делать это в разной степени и с разной скоростью. Разумеется, ученые хотели найти самых быстрых и продуктивных, изучить их способы работы и скопировать их в дальнейшем в лаборатории. Ну а потом сделать их еще лучше и поставить на службу человечеству. Все как обычно.

Также ученые воспроизвели у себя в лаборатории катастрофу в миниатюре[117]: поместили в емкости образцы воды из залива, добавили в нее капли сырой нефти, и занялись изучением ее обитателей и их способностей очищать эти образцы от тех самых капель. Дело в том, что эти капли настолько маленькие, что не способны подняться к поверхности и присоединиться к остальному нефтяному пятну. Поэтому они представляют собой отдельную большую проблему – загрязняют нижние слои воды, а у ликвидаторов нет инструментов, чтобы добраться до них. Так что здесь самые большие надежды экологи возлагали именно на помощников – микроскопических жителей глубин.

Но вернемся к работе ученых. Что они сделали: выделили ДНК из всего, что им попалось в воде (такой анализ называется метагеномным), проанализировали все полученные геномы и сравнили с геномами уже известных им организмов. Это позволило обнаружить среди «подопытных» микроорганизмов сразу несколько потенциальных кандидатов[118]. Следующим шагом был анализ их метаболических путей, чтобы понять, как именно они «питаются» нефтью. Этот шаг важно было сочетать с постоянным анализом углеводородного состава воды, чтобы понимать, как изменяется в ней количество нефти и других компонентов. А еще с подсчетом численности каждого из видов живущих в ней бактерий. И будь сейчас перед нами новость из желтого «научного» паблика, а не настоящая научная проблема, мы сказали бы, что ученым удалось найти одну самую прожорливую и успешную бактерию, которая «делала» всех конкурентов. Но в жизни все не так. Исследование в лаборатории и наблюдение за сообществами в водах залива показало, что между разными видами микроорганизмов существуют сложные взаимоотношения – от сотрудничества до конкуренции, влияющие на результаты соревнования, а сами победители могут меняться с течением времени. И все же, несмотря на все сложности, ученые выявили самого интересного кандидата для дальнейшей работы – бактерию с красивым именем Bermanella (семейство Oceanospirillales), родственников которой впервые обнаружили еще в 2009 году в водах Эйлатского залива[119]. Новому виду дали название Bermanella macondoprimitus по месту ее открытия – платформе Макондо[120].

И вот, казалось бы, для будущих подобных катастроф на других морях появился маленький и удалой помощник. Но помните, выше мы говорили о сложных взаимоотношениях микроорганизмов в среде? В общем, новая бактерия наотрез отказывается переезжать без своих любимо-ненавистных соседей по коммуналке – других микроорганизмов привычной ей среды обитания! А перенести на новое место все сообщество целиком технически невозможно и даже может быть опасно для местной экосистемы.

И вот тут самое время звать биотехнологов и генных инженеров. С пониманием механизмов, которыми бактерия расправляется с нефтяными каплями, и ее прочитанным геномом на руках, в лаборатории можно внести нужные гены в более «сговорчивых» бактерий. Первые такие работы по модификации бактерий для целей переработки нефтяных капель появились еще в 70-х годах прошлого века. Успешно модифицировать тогда удалось Pseudomonas putida[121]. Эта первая искусственная «нефтеежка» уже тогда вполне неплохо справлялась со своими задачами, но только в лабораторных условиях.

Достигнутый эффект можно еще увеличить, пробуя другие варианты бактерии-носителя и встраиваемых генов.

К сожалению, вне лаборатории ученым нужно решить слишком много проблем, связанных с разными температурными условиями, составом воды и разнообразием местных биосистем, прежде чем будут созданы практичные и универсальные методы в помощь при ликвидации возможных следующих аварий. И это задача не только для генных инженеров и химиков, но и для экологов – ведь ни один ГМ-организм не будет выпущен в экосистему без предварительной тщательной оценки всех возможных последствий для нее. Но будущее, без сомнения, за биоремедиацией![122] И в этой сфере технологии создания ГМО нам вновь совершенно незаменимы.

2.6.3. Наука: вам посылка, распишитесь

Рак. Пожалуй, самое страшное слово XX и XIX века. Еще совсем недавно по историческим меркам в массовом сознании это слово означало лишь закуску к праздничному столу. Но повышение уровня жизни, развитие медицины и последовавшее за этим резкое увеличение продолжительности жизни сыграло с человечеством печально-забавную шутку: мы стали доживать до своего рака.

Факт: клетки делятся. Из одной материнской клетки получаются две дочерние. Перед каждым делением удваивается, чтобы разойтись по двум новым клеткам, и ее ДНК. Представьте себе школьный кабинет. На первой парте, прямо перед учителем, сидят Федя и Маша. Они круглые отличники и расправляются с любой задачкой на высший балл. А еще Федя и Маша очень добрые ребята и без проблем показывают свои тетрадки из-под парты сидящим за ними Оле и Вите, которые ленятся решать задания самостоятельно при наличии таких чудесных соседей. Как бы старательно Оля и Витя ни списывали ответы, ошибок им избежать сложно. Но и они ребята добрые, так что списанные у отличников работы также под партой покажут своим соседям с третьей парты. Списанные с ранее списанных работ задачи помимо прошлых ошибок обрастут новыми. К тому моменту, как решения задач доберутся в другой конец класса, к Саше и Сереже, от первоначального решения останется мало чего. И вот, казалось бы, списанные из тетрадей отличников задачки принесут Саше и Сереже по красивой красной двойке (что будет очень для них обидно и может закончиться громкой ссорой с Федей и Машей в коридоре после уроков). И двоек, и ссоры можно было избежать, если бы учитель вовремя заметил и изъял чью-то очередную тетрадь под столом еще где-нибудь на середине класса, когда ошибок в ней хватало на вполне устраивающую всех тройку. В организме все как в этом кабинете. В роли тетрадок с задачами – клетки, а в роли внимательного учителя – механизмы контроля клеточного деления. К таким механизмам, например, относится апоптоз – клеточное самоубийство. Оно происходит в тот момент, когда с клеткой становится что-то неладно и она будто в отчаянии посылает об этом сигнальные сообщения. Неладное может начаться вследствие накопившегося количества ошибок в тексте ее генома, из-за чего ее механизмы начинают неправильно выполнять свою работу. Если неисправным механизмам удалось скрыться от контролирующей системы, клетка продолжит делиться, уже не останавливаясь[123]. Она забывает про все возложенные на нее обязанности. Делиться и делиться – вот единственное ее предназначение отныне[124]. Так клетка начинает образовывать опухоль (пока еще доброкачественную, но уже способную в будущем переродиться в раковую). А каждое новое деление прибавляет опухоли массы.

Поломки в геноме могут произойти в разных генах или же в на первый взгляд малозначимых межгенных интервалах (но так неудачно, что нарушит считывание какого-то важного гена). Поэтому раковые заболевания в биологии принято характеризовать по типам поломки. То есть по произошедшей мутации. Такие мутации называют диагностическими биомаркерами[125][126]. И на самые распространенные из них при определенных показаниях рекомендуется проходить скрининг – то есть анализ определенных фрагментов в геноме. Самой известной историей, популяризировавшей тему биомаркеров для самой далекой от науки аудитории, несомненно, стала история американской актрисы Анджелины Джоли. Мать Анджелины умерла от рака груди в довольно молодом возрасте, поэтому врачи порекомендовали актрисе пройти такой скрининг. Анализ показал, что да – в геноме Джоли действительно присутствуют те самые мутации в генах BRCA1 и BRCA2 (гены получили свое название от BReast CAncer), сильно повышающие в будущем риски развития рака груди или яичников. Узнав это, актриса приняла нелегкое решение: будучи здоровым человеком, она подверглась мастэктомии – удалению обеих молочных желез, а чуть позже и яичников (овариэктомии). Впервые на такую операцию шел еще здоровый человек, чтобы предупредить развитие заболевания в будущем, а не излечиться от уже имеющегося. Эта история вызвала настоящую бурю и в СМИ, и в научно-медицинском мире[127].

Лечить больного тоже можно (и нужно) в зависимости от того, что покажет скрининг на другой набор мутаций – или предиктивные биомаркеры. Ученые установили связь разных вариантов определенных генов с тем, как человек (точнее, его опухоль) будет отвечать на то или иное лекарство. Предиктивные биомаркеры позволяют быстрее подобрать для пациента наиболее эффективное лекарство. Даже прогноз заболевания можно получить, используя биомаркеры соответствующего типа – или прогностические биомаркеры. Скрининг на различные биомаркеры – часть персонализированного подхода к лечению пациентов. Или персонализированной медицины[128].

Под определенные типы мутаций разрабатываются и специализированные новые лекарства. Но создать само лекарство мало. Его еще нужно правильно доставить к месту работы. Не позволить ему деградировать – разложиться и потерять свою эффективность – по пути к полю боевых действий. Это отдельная сложная и интересная задача для ученых, решать которую помогают в том числе генетически модифицированные бактерии и вирусы. Их можно использовать в качестве переносчиков противоопухолевых и иммунотерапевтических агентов, тем самым разрушая опухолевые клетки; можно нацеливать на гипоксические области опухолей; они умеют активно проникать в ткани и позволяют тестировать различные стратегии, такие как секреция токсинов или различных ферментов. Пока еще такие исследования проводятся только на мышах, но перспективы у этого подхода уже видятся очень интересными[129].

Мало того, бактерии могут быть не только транспортом, но и самим оружием! О том, что некоторые бактерии, такие как Streptococcus pyogenes, могут уменьшать у пациентов определенного рода опухоли, было известно еще с конца XIX века. С тех пор работы по изучению возможностей применения бактерий к лечению раковых заболеваний велись очень активно. С появлением технологий генетической модификации возможности биологов в этой области еще более расширились[130]. Вот например, одна из научных групп вводила генетически модифицированные бактерии Salmonella typhimurium в бессосудистую часть раковой опухоли поджелудочной железы человека. Эти бактерии обычно опасны для человека, но инженеры модифицировали их, сделав непатогенными. Попав в опухоль, такие бактерии начинали разрушать раковые клетки вокруг себя. Так опухоли значительно уменьшались всего после 7 дней лечения. При этом не применялись ни химиотерапия, ни какое-либо другое лечение. Эта работа тоже проводилась на мышах – точнее, на специальной модельной линии голых мышей (nude)[131]. Такие мыши рождаются с подавленным иммунитетом, что позволяет пересаживать им ткани и органы от других животных. Например, можно пересадить мыши кусочек человеческой поджелудочной железы с раковой опухолью. А потом исследовать способы ее подавления.

У направления применения ГМ-бактерий к лечению раковых заболеваний на сегодня очень большие перспективы.

Знаете, кто любит дрожжи больше, чем пивовары и пекари? Биотехнологи! Но постойте, мы ведь только что так долго говорили о том, что биотехнологи отдали свои сердца и лаборатории бактериям? Ну что ж, суровая биологическая правда такова, что некоторые дела доверить бактериям мы не можем. Почему так? Поговорим об этом далее.

3.1. На золотом крыльце сидели…

Сначала нам понадобится немного математики. Пусть известно, что длина генома человека около 3 миллиардов букв, а по всей длине нашего генома располагаются, по современным оценкам, от 20 000 до 30 000 генов, кодирующих белки[133]. Также известно, что медиана длины человеческих белков составляет около 375 аминокислот[134]. За одну аминокислоту отвечают 3 «генетические буквы», таким образом, под запись информации о белках в нашем геноме отводится около (3375)30 000 = 33 750 000 «символов». Что составляет (33 750 000 / 3 000 000 000)100 = 1,125 или чуть более 1 % от размера генома. Все остальные почти 99 % занимают разные другие последовательности: различные псевдогены[135], гены, кодирующие не-матричные РНК, регуляторные последовательности, на первый взгляд бессмысленные тандемные повторы, которые генетики удачно приспособили к использованию в тестах на родство… – все это в прошлые годы недальновидно называли просто мусорной ДНК[136]. 99 %! Только представьте себе это число. Кажется, что такое эволюционное «решение» совершенно бессмысленно[137]. То ли дело вирусы и бактерии – каждый нанометр генома плотно забит нужными генами, почти ничего лишнего.

Представьте себе, что вы наняли сотрудника, который 99 % рабочего времени должен просто перекладывать бумажки. Но в 1 % ему нужно принимать очень важные для компании решения, с которыми он справляется просто великолепно. А еще вы знаете, что дома у него по ночам бушует кошка (поверьте мне, это совершенно веская, уважительная, реальная и непоправимая причина!), поэтому раза три в месяц ваш сотрудник приходит на работу настолько невыспавшимся, что способен перепутать ящик собственного стола с холодильником. Сейчас вам захочется возмутиться: ну зачем же нам такой работник! А если он запорет и свои очень важные обязанности? Но мы вновь призовем на помощь математику: в месяце где-то 21 рабочий день, пусть 3 рабочих дня в месяц сотрудник приходит на работу в состоянии, когда он может легко натворить ошибок. Тогда 3/21=1/7 – почти 15 % своего рабочего времени он практически опасен для компании! Уволить!.. Однако вспомним, что вероятность в каждый момент времени принимать важное решение для него всего 1/100. Тогда вероятность испортить ответственное задание составляет (1/100 1/7 = 1/700, или 0,0014, или 0,14 %) одну десятую процента! То есть настолько мала, что ею можно пренебречь (а сотруднику посочувствовать и налить большую кружку кофе).

Вот если бы речь шла о сотруднике, что 100 % своего времени принимает важные для компании решения и три дня в месяц каждое из них будет неверным, – это уже действительно опасно для компании.

Вернемся же к разговору про геном человека. Риски ошибки при копировании ДНК в процессе деления клеток довольно велики. Часть из них будет поймана и исправлена, но часть все-таки будет пропущена. И если бы весь наш геном состоял из только полезной нагрузки, все это часто приводило бы к… возникновению новых видов? К сожалению, нет. Ведь ломать – не строить. При таких частых мутациях риски рождения нежизнеспособных детенышей и возникновения раковых заболеваний слишком велики. Короче, вымерли бы такие сложные организмы. Нет, даже еще хуже: они просто не смогли бы развиться до этого уровня сложности. В общем, такое количество «мусора» в геноме эволюцию более чем устраивает[138].

Но откуда же этот мусор взялся? Ошибки и случайности – вот ответ. Где-то по случайности один участок генома скопировался дважды, где-то при половом размножении хромосомы не совсем равномерно разошлись после слияния на одной из стадий образования первой клетки организма-потомка. Какие-то гены неудачно изменялись, становясь псевдогенами. А где-то (в нашем давнем, еще одноклеточном прошлом) и вовсе в геном встроилось что-то от других организмов – горизонтальный перенос, помните? Все это с каждым поколением увеличивало геном. Таким образом, с ростом сложности организма растет и размер его генома.

В отличие от нас, у вирусов и бактерий в геноме очень мало чего-то лишнего. И вот они могут себе это позволить! Задача этих организмов как можно быстрее создавать как можно больше своих копий. Это критически важно для выживания их как видов. Чем меньше геном – тем быстрее происходит его полное удвоение, а значит, тем быстрее бактерия разделится на две новые, а вирус позволит клетке-хозяину наработать больше его копий. А так как размножаются они значительно быстрее, чем более сложные организмы, то они могут позволить себе пренебрегать теми из них, чьи мутации оказались неудачными. Вот уж совершенные существа! (Почти) ничего лишнего, (почти) идеально отточенные в процессе эволюции геномы.

Кстати, этот пример о столь малой значащей доле эукариотического генома по сравнению с горой остального «мусора» можно удобно использовать в разговорах со сторонниками теории разумного замысла. Ведь в таком случае им придется признать, что вирус и бактерия намного более совершенное существо, чем человек. Кишечная палочка – вершина творения! Как звучит.

Итак, в геноме человека не более 30 000 генов, кодирующих белки. Значит, ожидаемое количество белков, нужных для постройки и функционирования человеческого тела, тоже около 30 000. Но так ли это на самом деле? Заглянем в самую большую и полную базу данных белковых последовательностей в мире UniProt. Согласно отчету на начало 2022[139] года, в базе содержится более 20 000 человеческих белков. Однако эти имеющиеся данные о белках не описывают все возможные и даже хотя бы просто известные функции человеческого организма. А сколько еще неизвестных! В очереди на проверку специалистами в базе данных предсказанных белков на начало того же 2022 года стоят еще почти 184 000 предсказанных биоинформатиками белковых последовательностей![140] По оценкам специалистов[141], от 80 000 до 400 000 белков могут быть обнаружены в теле человека. Вот это цифра! Но как записать их на куда меньшее количество генов?

3.2. Из одной мухи десяток слонов

Секрет эукариотических генов спрятался в их необычной форме хранения в геноме. Представить ее проще всего, отказавшись от метафоры о книге рецептов и заменив книгу на глянцевый журнал. Вот вы читаете рецепт приготовления шоколадного торта. Закончив часть о коржах, переворачиваете страницу, чтобы разобраться с составом глазури. А вместо него там реклама средства от морщин или акустической системы. За страницей рекламы обязательно будет и рецепт глазури, но прежде, чем далее перейти к начинке, вам опять понадобится отлистать пару страниц рекламы кухонного комбайна и тура на Мальдивы. Информационные части рецепта в журнале-геноме называются экзонами, а части с бессмысленной и ненужной вам рекламой – интронами. И по сути интроны тоже часть того самого мусора, о котором мы говорили выше. Как же такая концепция разрывной записи помогает решить задачу создания по одному набору генов во много раз большего количества белков?

Уже привычно для этой главы мы вновь позовем на помощь математику. На этот раз нам понадобится ее особый подраздел – комбинаторика, ведь говорить мы будем о совершенно классических задачах на перестановки. «Петя, Вася и Наташа занимают очередь в кассу кинотеатра. Сколькими способами они могут выстроиться?» – помните?

Переставляя экзоны в разном порядке, мы можем получать различные варианты, казалось бы, одного и того же гена. Такой механизм называется «сплайсинг».

В литературе есть такой жанр, как книга-игра. Такую книгу можно читать подряд, от первой главы к последней, и получить одно развитие сюжета. А перетасовав порядок глав, случайно или согласно авторскому сценарию, получить еще с десяток вариантов его развития и развязки. И все по одной книге. Моя любимая в этом жанре – «Игра в классики» Хулио Кортасара. В конце каждой главы есть числовой указатель с вариантами, какую главу можно прочесть следующей. Честно говоря, моей силы духа пока хватило лишь на два варианта – книга слишком уж не из легких.

Почти все гены эукариот как этот роман: они состоят из нескольких «глав», и читать эти главы можно в разном порядке. Первым делом, как и в рассмотренной нами ранее истории для бактерий, происходит считывание с ДНК в РНК всего гена. Получившаяся РНК содержит в себе и интроны, и экзоны. Такая РНК еще незрелая. Чтобы стать пригодным рецептом для изготовления белка, ей придется пройти ряд трансформаций – в частности избавиться от ненужных частей и в правильном порядке собрать нужные информационные кусочки. В самом классическом варианте сплайсинга порядок и состав экзонов останется прежним. Рассмотрим пример. Пусть незрелая РНК выглядит так:

Экзон 1 – Интрон 1 – Экзон 2 – Интрон 2 – Экзон 3 – Интрон 3 – Экзон 4

(для краткости будем записывать это как Э1-И1-Э2-И2-Э3-И3-Э4).

Тогда после вырезания интронов и склейки экзонов в изначальном порядке мы получим новую, уже готовую матричную РНК (мРНК), которая будет состоять из:

Э1-Э2-Э3-Э4.

Такая мРНК уже готова отправиться на молекулярный «завод» – в рибосому. Там по матрице мРНК будет произведена постройка аминокислотной цепочки – то есть белка. В человеческом геноме помимо такого «классического» варианта почти 94 % генов имеют и альтернативный[142]. Да, как правило, еще и не один, а сразу несколько. Большинство наших генов по современным оценкам в среднем могут производить по три различных варианта белка![143] А некоторые и того больше. Вариантов сплайсинга существует множество, они называются альтернативный сплайсинг. Самые простые и распространенные варианты альтернативного сплайсинга – варианты, когда вместе с интронами «случайно» вырезается и какой-то из экзонов. В нашем примере такими вариантами могли бы стать следующие мРНК:

Э1-Э2-Э3,

Э1-Э3-Э4,

Э2-Э4.

Реже встречается интереснейший механизм, при котором склеиться для образования зрелой мРНК могут экзоны из разных молекул незрелой мРНК, обычно входящие в состав разных генов![144] Такой вариант сплайсинга называется транс-сплайсинг. Как это может выглядеть: обозначим первый транскрипт как Э1-И1-Э2-И2-Э3-И3-Э4, а второй как э1-и1-э2-и2-э3, тогда продуктом их транс-сплайсинга может стать:

Э1-Э2-э3 или э1-э2-Э3.

Не так давно ученым стало известно, что изредка даже может меняться порядок экзонов при построении мРНК[145], и получится что-то вроде:

Э2-Э1-Э4 или Э3-Э4-Э2-Э1.

Один из вариантов среднего, делящий распределение пополам. Чтобы вычислить медиану, нужно упорядочить все элементы выборки по возрастанию (например, выстроить детей в классе в шеренгу по росту), а потом посмотреть, что оказалось ровно посередине. То есть половина выборки будет меньше этого значения, а вторая половина больше него. Пусть рост учеников в классе 123, 125, 126, 126, 126, 128 и 156 сантиметров. Тогда медиана этого распределения будет 126. В отличие от среднего арифметического значения, которое мы обычно привыкли подозревать, говоря о некоем среднем. Для вычисления среднего арифметического нам нужно сложить рост всех учеников и разделить его на количество детей: (123 + 125 + 126 + 126 + 126 +128 + 156)/7 = 130. Мы получили 130 сантиметров, хотя почти все ученики в классе меньше. В данном случае картину нам испортило значение 156, сильно выделяющееся на фоне остальных. Такие, выходящие за границы основного распределения значения называются выбросами. Говорят, что обычное арифметическое среднее не устойчиво к выбросам. Что мы и наблюдали на нашем примере с ростом. Если бы в главе мы использовали арифметическое среднее, а не медиану, то очень-очень длинные или, наоборот, очень-очень короткие белки могли бы исказить представление о настоящей длине большинства белков в человеческом теле. В отличие от арифметического среднего, медиана устойчива к выбросам – на ее значение не повлияло слишком большое значение роста одного из учеников. Помимо медианы и арифметического среднего очень распространено и полезно также среднее под названием мода. Для данного примера мода также будет равняться 126, так как она означает самое популярное, модное из всех имеющихся в выборке значений. Как и медиана, мода устойчива к выбросам. Использовать каждое из этих средних нужно сообразно ситуации. Не используйте среднее арифметическое, если подозреваете, что в ваших данных могут быть экстремальные значения.

Представляете, сколько потенциальных вариантов можно получить с одного лишь среднестатистического гена?!

В нашем игрушечном примере экзонов было максимум 4, а в реальности их может быть гораздо больше! Средний человеческий ген состоит из 9 экзонов и 8 интронов[146][147]. Но бывают и отдельные уникумы, вроде MLL-гена, который состоит из 36 экзонов, да еще доказанно умеет менять их порядок в некоторых случаях[148]! Теперь представляете себе комбинаторную сложность такой задачи и потенциально возможное количество различных мРНК при относительно небольшом количестве генов в геноме?

Порядок, в котором собираются экзоны в мРНК, не случаен, им управляют соответствующие молекулярные механизмы и регуляторы. Кроме того, все возможные формы сплайсинга для конкретного гена не происходят в один и тот же момент времени в одной и той же клетке. В свое время открытие процесса сплайсинга перевернуло мир биологии. Второй переворот в нем произошел в тот момент, когда стало известно о его альтернативных формах.

Итак, из одного гена эукариотического организма может получаться несколько различных белков. Но зачем нам эта глава в книге о ГМО?

3.3. Троюродные кузены

3.4. Итоги главы

Терпеть не могу фразу «каждый из нас наполовину банан» – это большая спекуляция на тему того, как нужно считать сходство и различие в геномах. Такими же спекуляциями можно и вполне законно вывести фразу о том, что мужчина гораздо ближе к самцу шимпанзе, чем к женщине[189]. Но много ли в ней смысла, а не эмоций или злой иронии? Но здесь сказать нечто такое будет даже уместно: все мы с вами намного более дрожжи, чем бактерии. Все это благодаря тому, что дрожжи имеют в своем рабочем арсенале механизмы куда более близкие к нашим собственным. А значит, вариантов применения ГМ-дрожжей становится еще больше.

Сегодня ГМ-дрожжи проникли во все сферы жизни человека. Где-то еще только как экспериментальные, но перспективные разработки. А где-то и как полноценные участники рынка. В пищевой промышленности можно встретить использование антифриз-белков – белков, благодаря которым в природе не замерзают кровь и биологические жидкости арктических рыб[190]. Секрет в том, что такие белки не позволяют им превращаться в кристаллы. Свойство, полезное и при заморозке пищевых продуктов. К примеру, мороженого[191]. На рынке уже есть компании, которые ввели в свой ассортимент мороженое, в составе которого есть антифриз-белки, позволяющие сохранять нежную текстуру, не содержащую кристалликов льда, при заморозке. А производить эти самые белки для мороженого поручили как раз таки дрожжам. Пивовары и виноделы, как правило, слишком рьяные приверженцы поддержания традиций. Попробуйте вспомнить рекламу хотя бы одной марки, которая бы не строилась на мысли, что данная марка строго следует традициям, заложенным еще ее основателями сотни лет назад. Маркетинг – такой маркетинг, к сожалению. А между тем сопротивляются новым технологиям они совершенно зря, ведь ученые готовы предложить им множество вариаций ГМ-дрожжей, использование которых сильно расширит линейку вкусов и повысит качество продукции, выпускаемой большими партиями, за счет стабилизации процессов производства[192].

Важны ГМ-дрожжи и для фармацевтической отрасли. Например, для производства главного лекарства против малярии – артемизинина. Обычно его получают из растений полыни однолетней (Artemisia annua). Мы давно привыкли, что химики могут синтезировать аналог любой растительной молекулы, и на основе именно таких, химически синтезированных молекул, уже массово изготавливают косметику и лекарства. Для производства это, как правило, более дешево и надежно, не требует стадии дорогостоящей и ответственной очистки сырья, а для окружающей среды более безопасно – не надо рубить лишние леса под поля ромашек, чтобы добавить их экстракты в шампуни. Но в случае с молекулой артемизинина, к сожалению, химический синтез довольно сложен и выходит для производителя затратнее, чем получение из растений[193]. По данным ВОЗ за 2019 год, малярией переболели почти 230 миллионов человек, из которых более 400 000 случаев завершились смертью пациентов[194]. При этом прием препарата не разовый, его курс (обычно принимают в комбинации с другими препаратами для избежания появления устойчивости паразита к артемизинину как к препарату основной линии) занимает несколько дней[195]. Так что несложно представить, какие объемы артемизинина необходимы человечеству ежегодно. А если учесть, что 94 % случаев приходится на регионы Африки, то понятной становится и необходимость максимально снизить стоимость производства такого жизненно важного лекарства. В общем, химический синтез, так выручающий производителей в других случаях, в этом деле помочь может плохо. На выручку и тут готовы прийти ГМ-дрожжи. И речь не просто о потенциальной возможности. Почти 10 лет назад французская фармацевтическая компания Sanofi впервые поставила на поток производство полусинтетического артемизинина, сырье для которого «готовят» ГМ-дрожжи[196]. И конечно же, артемизинин далеко не единственный препарат, в создании которого эти трудяги принимают участие.

Как и из прошлой главы, вывод остается прежним: чем меньше палок в колеса будет получать развитие технологий генетической модификации, тем больше возможностей станет доступно обычным людям. Дешевые, более качественные и экологичные продукты, лекарства и топливо – та награда, что ждет нас всего за одно простое действие: прекращение демонизации ГМО.

3.5. В дополнение

Что еще почитать про биотопливо? Отличный, хотя и старый обзор про биотопливо, технологии и политику:

• Биоэтанол: на здоровье! https://www.popmech.ru/technologies/10774-bioetanol-na-zdorove-avtomobili-na-spirtu/

4.1. ЯМы ГМО

«В 2015 году интернациональная группа исследователей из Бельгии, США, Перу и Китая опубликовала в научном журнале PNAS результаты генетического анализа 304 образцов батата (сладкого картофеля). В анализ включили 291 образец культивируемого батата из регионов Южной и Центральной Америки, Африки, Азии и Океании, 9 образцов дикого сладкого картофеля и 4 образца родственных растений. Ученые обнаружили во всех исследованных образцах культивируемого батата не менее одной трансгенной бактериальной вставки, отсутствующей у диких родственников растений. В некоторых сортах батата они обнаружили даже несколько подобных вставок! По крайней мере одна трансгенная вставка появилась у общего предка культивируемых сортов сладкого картофеля предположительно несколько тысяч лет назад, причем перенесенные гены не были генетическим мусором – они были активны! Выходит, что все это время люди ели трансгенные растения с генами бактерий и даже не подозревали об этом!» – это цитата из замечательной книги «Сумма биотехнологии. Руководство по борьбе с мифами о генетической модификации растений, животных и людей» Александра Панчина, вышедшей в 2015 году. В ней Александр ссылается на совсем свежую на тот момент статью, вышедшую лишь немногим ранее самой книги[198].

Со времен выхода книги список известных ученым сортов растений, в чьих геномах отметились захватчики-агробактерии, стал еще шире. Сейчас он включает десятки наименований, среди которых растение молочай, несколько сортов арахиса, хмель, гуава, суринамская вишня, садовая гвоздика, клюква, чай[199]…Нет никаких сомнений, что с новыми исследованиями этот список будет только расти, ведь с улучшением и удешевлением технологий секвенирования полные геномы все большего числа растений попадают в общедоступные базы данных.

Что же получается, тысячелетиями мы пили чай и пиво, варили компоты и варенье, использовали в народной медицине и даже дарили дамам сердца… ГМО?

Вспомним популярную формулировку о ГМО: ученые пошли против природы и специально изменили гены таких организмов. И конечно, сама природа на такие изменения была бы не способна. Что ж, обмен генами между двумя организмами двух совершенно разных видов в глазах людей определенно не выглядит «натуральным».

Получается, то, что последние три миллиарда лет одни живые (и не очень) организмы делали с другими живыми (и не очень) организмами – нечто противоестественное. Причем, обратите внимание, делали они это исключительно в своих целях! Например, агробактерии от растения нужна пища. Агробактерию вовсе не интересует, станет из-за этого растение для человека безопаснее или, наоборот, опаснее. В мире агробактерии нет никаких мыслей о существовании человека (опустим тот факт, что мыслительные процессы у бактерий тоже так себе идея). Однако задолго до времен, когда малыши-пургаториусы – наши прапрадедушки, больше похожие на мышей, чем на обезьян[200], – выставили с планеты уставших от их шума и гама динозавров со всеми их пожитками[201], одни организмы не перестают заниматься своеобразной «генной инженерией» всего, что эволюционно подвернулось под жгутик, лапку или иную конечность. Предлагаю поближе познакомиться с некоторыми примерами таких инженеров и их жертв прежде, чем мы поговорим о том, как именно этот фокус удалось провернуть упомянутым агробактериям, и о том, как эту их способность тут же сплагиатили ученые для своих, несомненно коварных, целей.

4.2. Self-made men[202]

В главе о бактериях мы уже немало поговорили о горизонтальном переносе генов. Долгие годы ученые полагали, что этот процесс свойственен лишь бактериям с их относительно несложной организацией. Однако все больше и больше исследований выводят на сцену совершенно новых и часто крайне неожиданных героев.

Вот, например, герои этой истории модифицировали… сами себя! И все для того, чтобы можно было много и вкусно кушать! (это ли не мечта некоторых любителей высокой кухни?)

А история тут такая. Возможно, вы знаете, что многие растения производят различные вещества для защиты от любителей погрызть их сочные листочки или обглодать крепкие корешки. Этакое биологическое оружие для охраны своих границ от вторжения непрошеных летающих и ползающих гадов. Разумеется, ученые уже давно подсмотрели, как они это делают, и взяли на вооружение. Конечно, со временем и под давлением эволюции насекомые приспосабливаются к такому оружию – выживают те, кто может вынести отравление веществами, выделяемыми растениями. Их потомки наследуют «гены устойчивости» – то есть мутации, повышающие толерантность к конкретному яду – и с каждым следующим поколением способность легко переносить атаку любимых обеденных растений становится все сильнее и распространеннее среди вида. В это время эволюция не стоит на месте и для растений – выживают и дают потомство те, чей яд злее и сильнее, чем у соседей по полянке. Получается своего рода гонка вооружений: одна сторона совершенствует свое оружие, вторая – способность ему противостоять. И если бы в экологических системах все не было так сложно, то у этой гонки могло быть крайне интересное развитие (например, однажды нашу планету захватили бы разумные колорадские жуки и сверхразумная картошка. Каждая из цивилизаций строила бы свои укрепленные города, собирала армии и запускала в космос баллистические ракеты… Ух! Вот это сюжет для блокбастера!).

Главное правило разработки любого оружия: вместе с оружием создавай и защиту от него! Иначе неожиданно пострадать могут собственные войска. Создатель яда должен думать о противоядии, изготовитель пистолетов – о бронежилетах.

Посмотрим ближе на арену боевых действий: один из механизмов, который исторически используют для самообороны несколько сотен различных видов растений, – это синтез фенольных гликозидов. Фенольные гликозиды – это целая группа химических соединений. Для насекомых эти вещества – яд, влияющий на их рост, развитие и даже поведение. Следуя правилам ведения войны, сами растения от него имеют противоядие – фермент малонилтрансферазу. Работает противоядие так: к произведенным в растении гликозидам малонилтрансфераза присоединяет свою малониловую группу, в результате чего вещество становится безопасным.

Уже довольно давно ученые заметили, что, несмотря на существование такого защитного механизма, некоторые насекомые все равно спокойно продолжают питаться растениями, выделяющими фенольные гликозиды. Мыши плакали, кололись, но продолжали есть кактус? Уверена, что как-то так и сформулировали свой вопрос ученые, когда взялись за расследование секрета упертых насекомых. Однако сделанное ими открытие удивило исследователей еще больше.

Если продолжать описанную метафору с гонкой вооружений, можно сказать, что герои этого сюжета похитили секретные чертежи из штаба противника и скроили по ним собственные бронежилеты, способные идеально отразить оружие врага.

Знакомьтесь с табачными белокрылками (Bemisia tabaci)[203], которые утащили себе в геном ген малонилтрансферазы у растений, которыми они питаются[204]. То, что это не их собственный, а именно ген из растений, понять несложно. Вероятность того, что два гена – из геномов насекомого и растения – в процессе независимой эволюции оказались настолько похожи – крайне мала. И тут же самое время вспомнить, что у ученых есть и еще инструменты, с помощью которых можно понять, какому организму более вероятно принадлежит генетическая последовательность. Мы говорили об этом в главе 1.6. Чей это у вас тут ген?

Но как насекомым это удалось? Конечно, точного ответа мы знать не можем – присутствовать при этом событии не довелось никому. Но, подобно настоящим криминалистам, ученые могут попытаться восстановить постфактум картину произошедшего и предположить наиболее вероятный механизм[205]. Нам понятно, что процесс этот состоял из нескольких этапов: сначала ген должен был быть вырезан из организма донора – растения, затем попал в организм реципиента – насекомого, потом каким-то образом проник внутрь его клеток, а даже более конкретно – клеточного ядра, пройдя все защитные барьеры. И лишь затем встроился непосредственно в геном. В геном тоже мало просто попасть – встроиться необходимо так, чтобы после ген мог считываться для дальнейшего производства по нему белка. Но и на этом сложности не заканчиваются! Встроиться в «какие-нибудь клетки» недостаточно. Такое действие модифицирует сам организм, но модификация не сможет быть передана потомкам. Попасть нужно обязательно в половые клетки – те самые, из которых после оплодотворения развивается новый организм. Каждый из этих этапов очень сложен, а вероятность успеха на каждом из них крайне мала. Но при очень большом количестве попыток теоретически достичь успеха на каждом из них возможно.

Задолго до этого ученые знали, что с микроорганизмами у насекомых отношения настолько «близкие», что последним вышеописанные фокусы проделывать получается постоянно. Некоторые бактерии даже спокойно проживают прямо в тканях их репродуктивных органов, а оттуда до половых клеток совсем лапкой подать. Некоторые эндосимбионты – бактерии, живущие внутри других организмов и ведущие взаимовыгодное сосуществование – даже способны вмешиваться в репродуктивные процессы своих членистоногих хозяев.

В общем, такое проживание «в коммуналке» делает статистически маловероятный процесс вполне вероятным. Но в нашей-то истории донором оказались не проворные бактерии, а «обеденные» растения, которые к тому же более сложные организмы (тоже ведь эукариоты).

Тут приходит время рассказать еще об одном удивительном механизме, который открыли когда-то как раз на растениях. До этого момента геном представлялся нам чем-то статичным, той самой кулинарной книгой, с которой я сравнила его еще на первых страницах. Однако на самом деле, если уж продолжать эту метафору, такая кулинарная книга могла быть издана только издательством из волшебного мира Гарри Поттера, а на ее страницах вас бы ждали не рецепты лукового супа и макаронов по-флотски, а прыгающих шоколадных лягушек и бобов Берти Боттс. Блюда из этой книги, пока никто не видит, тайком бы обменивались друг с другом ингредиентами, а портреты их авторов навещали бы страницы друг друга и даже заглядывали попить чай и обсудить библиотечные новости с авторами других книг из их шкафа. Выше мы говорили, что наш геном состоит из генов (в меньшей мере) и некодирующих участков, часть из которых несет дополнительную служебную информацию, а часть просто накопилась неким рудиментарным грузом в процессе эволюции. Еще об одном типе компонентов геномов мы до этого не сказали ни слова, но теперь пришло для этого время. Имя им транспозоны. Они же «прыгающие гены».

Транспозоны – это участки ДНК, которые умеют перемещаться внутри генома. А еще они умеют создавать копии себя и эти копии тоже перемещать и встраивать в геном. Просто безумие! Их доля в геномах разных организмов может очень сильно различаться. Так, известно, что геном человека состоит из них почти наполовину[206], а геном растений и того больше![207] Механизмы, при помощи которых транспозонам удается перемещаться внутри одного генома и даже между геномами различных организмов, между которыми есть хоть какой-то тип тесного взаимодействия (например, паразитизм или отношения «хищник – жертва»), бывают разными. Собственно, по способу перемещения транспозоны и делят на разные типы. Вот пример такого механизма – для него требуется особый фермент транспозаза. Инструкция по сборке этого фермента «записана» в «тексте» самого транспозона. Итак, если коротко, происходит следующее: в ДНК некоего организма среди всякой нужной (вроде генов) и ненужной (вроде псевдогенов) информации есть «текст» такого транспозона. Как и в случае с генами, в нужное время и при помощи стандартных механизмов транскрипции, ДНК-запись транспозона превращается в РНК. А РНК затем отправляется в рибосому. В рибосоме, следуя стандартному процессу трансляции, по РНК-тексту будет изготовлен белок – транспозаза. Транспозаза, как хитрый гаджет из фильмов о Джеймсе Бонде, умеет узнавать в ДНК «текст» транспозонов и довольно аккуратно вырезать их из оригинальной ДНК. Если в этот момент поблизости от транспозазы и вырезанного ею «текста» транспозона окажется другая подходящая последовательность ДНК, то произойдет следующий фокус: транспозаза сделает разрез обеих нитей этой цепочки и вставит в этот разрез текст принесенного с собой транспозона. Вуаля – фрагмент текста (транспозон) переместился из одного места в геноме в другое (или даже в геном другого организма, как мы говорили выше).

Конечно, в обычной ситуации не так часто рядом, внутри одного ядра, могут оказаться геномы двух разных организмов. Благодаря ядерным мембранам и прочим внутриклеточным сложностям, ядра разных клеток словно разные планеты, жители которых не могут просто зайти на вечерний чай к братьям по разуму с соседней орбиты. К счастью, между этими планетами курсируют космические шаттлы! В случае микромира такими шаттлами могут «работать», например, вирусы[208]. Сначала вырезанный транспозон, несущий в себе инструкцию по сборке новой транспозазы, попадает в геном вируса. Вирус размножается внутри клетки, многократно копируя и текст транспозона в составе своего генома. Вирусные частицы покидают своего прежнего хозяина привычным для данного вируса путем и устремляются на поиски нового. Попав в клетки нового хозяина, вирус начинает то единственное, что он умеет делать – создавать новые копии себя. Для этого молекулярные механизмы клетки, которые теперь служат коварным целям захватчика, читают все инструкции, что записаны в его геноме. А среди них, как вы уже верно догадались, и тексты транспозонов по сборке транспозазы, которая… В общем, все по кругу. И вот транспозон из первого организма уже с комфортом добрался и уютно устроился в геноме совершенно другого. Насколько же восхитительно устроен наш мир! Воображение не каждого писателя-фантаста способно выдумать такой сюжет! И все же одного писателя мы вспомним здесь специально для того, чтобы дорассказать эту историю.

Выше мы разобрали один из механизмов, с помощью которого между геномами могут путешествовать сами транспозоны. Но транспозон – довольно неразумное шпионское устройство. В настоящей детективно-приключенческой истории было бы глупо передавать лишь сами по себе инструкции по сборке шпионского оборудования. Из кино и книг мы отлично понимаем, что цель каждого шпиона – похитить у противника какую-то куда более интересную информацию. В микромире речь, разумеется, идет об инструкциях по изготовлению других белков. Например, той самой малонилтрансферазы из генома растений, с которой мы начали весь этот рассказ.

Итак, иногда транспозаза делает ошибку: вырезает не только сам транспозон, но и некоторый кусочек генома, которому «посчастливилось» оказаться с ним рядом. Таким образом, гены, вырезанные по ошибке, вынуждены перенести на себе все приключения, в которые втянет их дальше транспозон. Подобно моллюскам, устроившимся под килем судна во время его стоянки в порту, что против своей воли совершают незапланированное кругосветное путешествие.

Часто в историях с горизонтальным переносом генов между эукариотическими организмами как раз оказывается, что новые гены обнаруживаются в регионах геномов, особенно богатых транспозонами. Что позволяет ученым выдвинуть гипотезу: ген малонилтрансферазы мог совершить путешествие из геномов растений в геном табачной белокрылки именно таким способом. Так или иначе, а генная модификация произошла, ну а белокрылка может носить вполне гордое звание ГМО. Пора начинать ее бояться. Или все-таки нет?

4.3. Пленение победителей

Перенесемся в те далекие времена, когда наша планета была непригодной для нас нынешних, но далеким нашим предкам условия казались вполне курортными. В воздухе было совсем мало ядовитого кислорода, а комфортные для них температуры стабильно соответствовали классическим картинам описаний ада. А теперь громкое заявление: тогда-то на наших предков и напали существа с иным генетическим кодом! Правы были сторонники конспирологических теорий – пришельцы сидят в телах землян и управляют ими!

Но я одерну этот порыв своего воображения, отправлю обратно в архив памяти знаменитые кадры из кинофильма «Чужой» и вернусь к суровой действительности тех не менее суровых дней. На дворе разворачивалась, наверное, первая в истории экологическая катастрофа. Многие миллионы лет до того в воздухе практически не было кислорода (что вообще-то, в теории, даже хорошо, ведь кислород – сильнейший окислитель, от него не жди добрых дел). Жизнь на планете процветала – с каждым новым восходом солнца в древнем океане было все больше органических соединений и даже первых одноклеточных. Жители этого океана питались всем, что плавало вокруг. Изобилие было таким, что организмы «могли себе позволить» пищу «не доедать» – то есть перерабатывать ее в энергию с очень низким КПД. Не будем углубляться в (на самом деле удивительно интересные[209]) подробности, но перейдем к сути: чем живее становился океан, тем выше в нем была конкуренция за ресурсы. В этой ситуации оказалось выгодным возникновение случайных мутаций у некоторых организмов, таких, что позволили им намного более эффективно получать из пищи энергию в присутствии катализатора – кислорода. Так из врага кислород превратился для части жителей Земли в практически друга. Вот только для другой части ее жителей он все еще был злейшим врагом. И враг этот с каждым днем крепчал: чем больше было жизни, тем больше она и выделяла в атмосферу кислорода, убивая тех, кто не был к нему приспособлен. Наши предки, к сожалению, были как раз из той, второй, не приспособленной к кислороду части. Так что все больше листков падало с календаря, отмерявшего оставшийся им срок жизни на планете.

В один, как мы теперь знаем, прекрасный для нас день кто-то из наших (тогда еще одноклеточный) пра-пра-пра отправился основательно пообедать. В еде ребята были совершенно неразборчивы и поглощали все, до чего только могли дотянуться. Но подхватив проплывающего мимо соседа по отмели, наш прадедушка наверняка ощутил себя волком из сказки про Красную Шапочку: еда почему-то не переварилась, а лишь поудобнее устроилась в его «брюхе». Однако вместо того, чтобы воззвать за спасением к еще тогда, правда, никем не придуманным дровосекам, пра-пра-пра довольно быстро осознал пользу от сложившейся ситуации: разместившись внутри него, новый житель взял на себя работу по производству энергии с использованием кислорода! «Вот это ачивка!»[210] – рассудил он и оставил все как есть. Так произошел акт захвата анаэробным (не использующим кислород для жизни) нашим предком аэробного (наоборот, использующего кислород) организма.