Трещина в мироздании. Редактирование генома. Невероятная технология, способная управлять эволюцией

Для начала Блейк выбрал два вида бактерий – Escherichia coli и Pseudomonas aeruginosa, которые содержат определенные типы систем CRISPR. Бактерия E. coli, например, зарекомендовала себя в качестве лучшего друга биохимика. Неважно, чей ген изучает этот биохимик – микроба, растения, лягушки или человека, – работа часто начинается с внедрения этого гена в искусственную мини-хромосому (плазмиду); затем создается специализированный штамм E. coli, который примет плазмиду как часть собственного генома. Совмещая интересующий его ген с другими синтетическими ДНК-инструкциями, биохимик может заставить E. coli не только создавать десятки копий плазмиды в расчете на одну клетку, но и направлять большинство своих ресурсов на конвертирование информации с изучаемого гена в тысячи копий белка, который тот кодирует. Таким образом биохимик практически превращает E. coli в своего рода микроскопический промышленный биореактор, запрограммированный на массовую выработку определенных белков.

Блейк быстро сконструировал плазмиды из отдельных ассоциированных с CRISPR генов, скопировав последние из геномов E.coli и P. aeruginosa. Собрав десятки штаммов E. coli, которые он “научил” использовать плазмиды как часть своего генетического материала, Блейк начал литрами выращивать культуры каждого из созданных штаммов, чтобы наработать достаточно Cas-белков для своих экспериментов. Давая бактериям ночь на размножение, по утрам Блейк выливал содержимое колб с культурами в большие емкости и отделял клетки от жидкой питательной среды в больших скоростных центрифугах, в которых клетки подвергались воздействию силы, в четыре тысячи раз большей, чем сила земного притяжения. Затем, работая с каждым штаммом по отдельности, он помещал клетки в небольшое количество солевого раствора и подвергал эту жижу воздействию высокоэнергетических звуковых волн, которые резко разрывали клетки, высвобождая их содержимое – в том числе и выработанные ими Cas-белки.

После отделения лишнего материала – разрушенных мембран, вязких ДНК и прочего клеточного “мусора” – у Блейка оставалось несколько тысяч бактериальных белков, из которых ему нужен был только один: Cas-белок. Но благодаря хитроумному строению плазмиды Cas-белок содержал особенный химический ярлык, или придаток, который отличал его от остальных тысяч белков. С помощью определенной стратегии очистки (а также проведя несколько раундов дополнительной очистки) Блейк смог отделить этот молекулярный придаток и получить чистые высококонцентрированные образцы каждого из Cas-белков, которые мы хотели изучать.

Когда Cas-белки оказались в его распоряжении, Блейк наконец смог проводить различные эксперименты для изучения того, что именно делают эти ферменты. Нашим первым вкладом в область изучения CRISPR была публикация о следующем открытии: мы обнаружили, что белковый фермент под названием Cas1 мог разрезать ДНК[67] таким образом, что это, возможно, помогало вставлять новые фрагменты ДНК фага в массив CRISPR на стадии формирования памяти иммунной системы. Это приблизило нас к пониманию того, каким образом CRISPR “ворует” кусочки ДНК у атакующих фагов и встраивает эту генетическую информацию в свою собственную, закладывая основу для двух фаз иммунного ответа: наведения на цель и ее уничтожения.

Приблизительно на этом этапе Блейк привлек к работе над проектом магистрантку Рэйчел Хорвитц, и вместе они сделали еще одно открытие. Работая со вторым белковым ферментом, Cas6, Рэйчел и Блейк обнаружили, что он, как и Cas1, функционирует в качестве своего рода химического колуна[68]. Однако в случае Cas6 задача заключалась в том, чтобы избирательно и методично разрезать длинные молекулы РНК CRISPR на более короткие куски, которые могли бы быть использованы для нацеливания на ДНК фага.

По мере того как мы и другие исследователи собирали детали CRISPR-пазла, медленно, но верно начинала вырисовываться общая картина. В ней мы уже могли различить ответы на некоторые вопросы, которые поставили перед собой в начале работы над проектом. Мы видели, что нам предстоит открыть еще множество функций Cas-белков. В ходе исследования мы обнаруживали все больше и больше таких белков, которые оказывались ферментами, разрезающими ДНК или РНК, – а значит, вероятно, играли в иммунном ответе CRISPR роль, похожую на роль Cas1 и Cas6.