Взломавшая код. Дженнифер Даудна, редактирование генома и будущее человечества

    Книга Бытия 2: 8–9

Глава 1. Хило

Хоуле

Если бы Дженнифер Даудна росла в любой другой части Америки, возможно, она считала бы себя обычным ребенком. Но в Хило, старом городе в усеянном вулканами районе Большого острова Гавайского архипелага, она, по собственному признанию, чувствовала себя “настоящей чудачкой” из-за своих светлых волос, голубых глаз и высокого роста. Дети дразнили ее, и особенно ей доставалось от мальчишек, ведь у нее, в отличие от них, на руках росли волосы. Ее называли “хоуле”, а это слово хоть и не было ужасным само по себе, но часто использовалось для пренебрежительного именования чужаков. Из-за него у Дженнифер сформировалась защитная скорлупа, которая скрывалась за тем, что впоследствии превратилось в фасад добродушия и очарования[5 - Интервью автора с Дженнифер Даудной и Сарой Даудной. При подготовке этого раздела использовались и другие источники: The Life Scientific // BBC Radio. 17 сентября 2017 г.; Andrew Pollack. Jennifer Doudna, a Pioneer Who Helped Simplify Genome Editing // New York Times, 11 мая 2015 г; Claudia Dreifus. The Joy of the Discovery: An Interview with Jennifer Doudna // New York Review of Books. 24 января 2019 г.; интервью с Дженнифер Даудной // Национальная академия наук. 11 ноября 2004 г. Jennifer Doudna. Why Genome Editing Will Change Our Lives // Financial Times. 14 марта 2018 г.; Laura Kiessling. A Conversation with Jennifer Doudna // ACS Chemical Biology Journal. 16 февраля 2018 г.; Melissa Marino. Biography of Jennifer A. Doudna // PNAS. 7 декабря 2004 г.]. Семейной легендой стала история об одной из прабабушек Дженнифер. У нее было три брата и две сестры. Родители не могли позволить себе оплатить образование всем детям, поэтому решили отправить учиться двух девочек. Одна из них стала учительницей в Монтане и вела дневник, который по сей день передается из поколения в поколение. В нем она рассказывала о стойкости и сломанных руках-ногах, о работе в семейной лавке и других предприятиях фронтира. “Она была твердой и упрямой, как настоящий первопроходец”, – говорит сестра Дженнифер Сара, которая хранит дневник сейчас.

Дженнифер в Хило

Дженнифер тоже росла с двумя сестрами, но братьев у нее не было. Старшая из трех, она была любимицей отца, Мартина Даудны, который, когда речь заходила о детях, порой говорил, что воспитывает “Дженнифер и девочек”. Дженнифер родилась 19 февраля 1964 года в Вашингтоне, где ее отец работал спичрайтером в Министерстве обороны. Он мечтал стать профессором американской литературы, а потому переехал в Анн-Арбор вместе с женой Дороти, преподававшей в муниципальном колледже, и поступил в Мичиганский университет.

Получив докторскую степень, он отправил резюме в пятьдесят заведений, но получил лишь одно предложение – от Гавайского университета в Хило. В августе 1970 года, когда Дженнифер было семь лет, он позаимствовал 900 долларов из пенсионных накоплений жены и перевез семью на Гавайи.

Многие творческие люди, включая тех, о ком я писал, например Леонардо да Винчи, Альберт Эйнштейн, Генри Киссинджер и Стив Джобс, росли, чувствуя себя чужими в своем окружении. Так было и с Даудной – маленькой светловолосой девочкой, живущей среди полинезийцев в Хило. “В школе мне было очень, очень одиноко, я пребывала в изоляции”, – говорит она. В третьем классе она была такой затравленной, что у нее начались проблемы с питанием. “Я страдала от всевозможных расстройств пищеварения, которые, как я впоследствии поняла, возникали из-за стресса. Меня постоянно дразнили”. Она обращалась к книгам и училась не принимать обид близко к сердцу. “Им никогда не добраться до того, что у меня внутри”, – твердила она себе.

Как и многие из тех, кто чувствует себя изгоями, она живо интересовалась, как люди находят свое место в мире. “Очень важной для меня стала попытка выяснить, кто я такая в этом мире и как найти свое место”, – сказала она впоследствии[6 - Dreifus. “The Joy of the Discovery.”].

К счастью, чувство отчужденности не пустило в ней глубокие корни. В школе стало полегче, Дженнифер научилась быть мягче, и шрамы, полученные в раннем детстве, начали бледнеть. Они напоминали о себе лишь изредка, когда какое-нибудь событие – обходной маневр при подаче заявки на патент или скрытность и нечестность партнера по бизнесу – задевало ее достаточно глубоко.

Расцвет

Ситуация стала меняться к лучшему в середине третьего класса, когда семья Даудны переехала из центра Хило в квартал новых типовых домов, построенный на лесистом склоне ближе к вулкану Мауна-Лоа. Дженнифер перешла из большой школы, где в параллели училось шестьдесят детей, в маленькую, где их было всего двадцать. Тогда у них начались уроки по истории США, и этот предмет позволил Дженнифер нащупать свою связь с окружением. “Это стало поворотным моментом”, – вспоминает она. Она делала такие успехи, что к пятому классу учителя математики и естествознания настояли, чтобы она перепрыгнула через класс. И родители перевели ее сразу в шестой.

Эллен, Дженнифер, Сара, Мартин и Дороти Даудна

В тот год она наконец нашла близкую подругу, с которой не расстается всю жизнь. Лиза Хинкли (ныне Лиза Туигг-Смит) родилась в классической смешанной гавайской семье: у нее есть шотландские, датские, китайские и полинезийские корни. Она знала, как давать отпор обидчикам. “Когда меня называли вонючей хоуле, я умирала со стыда, – вспоминает Даудна. – Но когда задира обзывал Лизу, она оборачивалась, смотрела ему в глаза и наносила ответный удар. Я решила, что хочу быть такой же”. Однажды на уроке учеников спросили, кем они хотят стать, когда вырастут. Лиза заявила, что хочет стать парашютисткой. “Я подумала: «Как круто!» Я не могла и вообразить, что отвечу такое. В отличие от меня, она была очень смелой, и тогда я решила, что тоже не буду робеть”.

Дон Хеммес

Даудна и Хинкли катались на велосипедах и бродили по полям сахарного тростника. Биология тех мест весьма разнообразна: мох и грибы, персиковые деревья и сахарные пальмы. Девочки находили луга, где валуны из вулканических пород скрывались за папоротниками. В пещерах, образовавшихся при излиянии лавы, жили безглазые пауки. Даудна гадала: как вообще появился такой вид? Ей была также интересна колючая лиана хилахила, или “сонная трава”, потому что ее листья, напоминающие листья папоротника, сворачивались, стоило только к ним прикоснуться. “Я спрашивала себя, – говорит она, – почему листья закрываются, когда к ним прикасаешься?”[7 - Интервью автора с Лизой Туигг-Смит и Дженнифер Даудной.]

Мы наблюдаем чудеса природы каждый день, будь то движущееся растение или закат, который запускает розовые пальцы в синее небо. Секрет истинной любознательности в том, чтобы пытаться найти причину этих явлений. Почему небо синее, закат – розовый, а лист сонной травы сворачивается?

Вскоре Даудна нашла человека, который мог помочь ей ответить на такие вопросы. Ее родители дружили с профессором биологии Доном Хеммесом и часто гуляли с ним на природе. “Мы посещали долину Вайпио и другие места на Большом острове, где искали грибы, которые входили в сферу моих научных интересов”, – вспоминает Хеммес. Сфотографировав грибы, он доставал один из определителей и пояснял Даудне, как их узнавать. Он также собирал микроскопические ракушки на пляже и вместе с ней сортировал их, чтобы попытаться проследить их эволюцию.

Отец купил Дженнифер лошадь, гнедого мерина, которого назвали Мокихана, как гавайское дерево с ароматными плодами. Дженнифер вступила в футбольную команду, где стала играть на позиции полузащитника, на которую очень сложно было найти игрока с длинными ногами и огромной выносливостью. “Примерно так я подхожу к своей работе, – говорит Даудна. – Я нахожу ниши, подходящие лишь для небольшого количества людей с определенным набором навыков”.

Математика была ее любимым предметом, потому что, доказывая теоремы, она чувствовала себя настоящим сыщиком. Кроме того, у нее была прекрасная и увлеченная учительница биологии Марлен Хапаи, которая показывала, что такое радость открытия. “Она учила нас, что наука – это процесс выяснения истины”, – говорит Даудна.

Хотя оценки Дженнифер стали лучше, ей казалось, что в ее маленькой школе не слишком многого ждали от учеников. “Мне казалось, что учителя не ждут от меня ничего особенного”, – вспоминает она. Она отвечала на это необычным образом: в отсутствие трудностей она снова и снова шла на риск. “Я решила, что нужно просто действовать, была не была, – поясняет она. – В результате я стала чаще рисковать и впоследствии в науке поступала точно так же, выбирая, чем заниматься”.

Одним из тех, кто толкал ее вперед, был ее отец. Истинный интеллектуал, рожденный для учебы и академической карьеры, он видел в старшей дочери родственную душу. “Мне всегда казалось, что я была для него сыном, которого он так хотел, – говорит Даудна. – Он относился ко мне немного иначе, чем к сестрам”.

“Двойная спираль” Джеймса Уотсона

Отец Даудны очень много читал: каждую субботу он брал в местной библиотеке целую стопку книг, которые прочитывал к следующим выходным. Его любимыми писателями были Эмерсон и Торо, но Дженнифер росла, и он все лучше понимал, что в основном проходит со студентами литературу, которую творят мужчины. В результате он включил в программу курса произведения Дорис Лессинг, Энн Тайлер и Джоан Дидион.

Он часто приносил Дженнифер книги из библиотеки или местного букинистического магазина. Именно так ей в руки и попала “Двойная спираль” Джеймса Уотсона – книга в бумажной обложке лежала на кровати и ждала, когда девочка, учившаяся тогда в шестом классе, вернется из школы.

Дженнифер отложила книгу, решив, что перед ней детектив. Когда она наконец взялась за нее дождливым субботним днем, оказалось, что в некотором роде она была права. Быстро листая страницы, Дженнифер погружалась в увлекательную детективную историю, полную ярких персонажей и повествующую об амбициях и соперничестве в стремлении к разгадке глубинных истин природы. “Когда я дочитала книгу, мы с отцом обсудили ее, – вспоминает Даудна. – Ему понравилась история, в особенности ее личный аспект – человеческий фактор в проведении подобных исследований”.

В книге Уотсон рассказывает (порой чересчур драматично), как он, пробивной двадцатичетырехлетний студент-биолог с американского Среднего Запада, оказался в Кембриджском университете в Англии и подружился с биохимиком Фрэнсисом Криком, вместе с которым в 1953 году первым пришел к финишу в гонке за открытие структуры ДНК. Выдержанная в блестящем повествовательном стиле, свойственном импульсивному американцу, освоившему английское послеобеденное искусство одновременно подшучивать над собой и хвастаться своими успехами, эта книга подает солидную порцию научного знания под соусом из басен знаменитых профессоров, а также рассказывает о прелестях флирта, тенниса, лабораторных экспериментов и дневного чая.

Уотсон предстает в книге в образе удачливого простака и выводит еще одного весьма интересного персонажа – Розалинд Франклин, специалиста по структурной биологии и кристаллографии, результаты работы которой Уотсон использовал без спроса. Демонстрируя обыденный сексизм 1950-х, Уотсон постоянно называет ее Рози, хотя она никогда не представлялась этим именем, и высмеивает ее строгий вид и холодность. И все же он с большим уважением отзывается о ее мастерстве в сфере сложной науки и прекрасного искусства использования дифракции рентгеновских лучей для изучения структуры молекул.

“Думаю, я заметила, что на нее смотрели свысока, но главным образом меня поразило, что женщина может стать великим ученым, – говорит Даудна. – Это может показаться странным. Наверняка я слышала о Марии Кюри. Но, прочитав эту книгу, я впервые задумалась об этом, и у меня открылись глаза. Женщины могут быть учеными”[8 - Интервью автора с Дженнифер Даудной и Джеймсом Уотсоном.].

Книга также помогла Даудне понять вполне логичную, но в то же время восхитительную вещь: в природе существовали биологические механизмы, которые управляли живыми организмами, и этим в том числе объяснялись удивительные явления, наблюдаемые в дождевых лесах. “Я росла на Гавайях и вместе с отцом охотилась за интересными вещами в природе, например за «сонной травой», которая сворачивается при прикосновении, – вспоминает она. – Прочитав книгу, я осознала, что можно охотиться и за причинами, которыми объясняется функционирование природы”.

Карьеру Даудны определила мысль, лежащая в основе “Двойной спирали”: от формы и структуры химической молекулы зависит, какую биологическую роль она может играть. Это потрясающее откровение для человека, которому хочется познать глубочайшие тайны жизни. Именно так химия – наука о том, как из атомов составляются молекулы, – становится биологией.

В более широком смысле ее карьеру определило и понимание, что в тот день, увидев “Двойную спираль” у себя на кровати и посчитав ее детективом, которые она очень любила, она оказалась права. “Я всегда любила детективные романы, – отметила она много лет спустя. – Может, этим и объясняется мое увлечение наукой, которая, по сути, представляет собой попытку человечества разгадать самую древнюю из известных нам загадок: объяснить происхождение и принципы работы мира природы и определить свое место в этом мире”[9 - Jennifer Doudna. “How COVID-19 Is Spurring Science to Accelerate” // The Economist, 5 июня 2020 г.].

Хотя в ее школе девочек не подталкивали заниматься наукой, Даудна решила, что хочет стать ученым. Ведомая стремлением понять, как работает природа, и честолюбивым желанием превращать открытия в изобретения, она в итоге помогла сделать то, что Уотсон, как всегда скрывая напыщенность за ложной скромностью, впоследствии назвал в разговоре с ней самым важным прорывом в биологии с момента открытия двойной спирали.

Глава 2. Ген

Дарвин

Пути, которые привели Уотсона и Крика к открытию структуры ДНК, были проложены столетием ранее, в 1850-х годах, когда английский натуралист Чарльз Дарвин опубликовал свой труд “Происхождение видов”, а Грегор Мендель, не перегруженный работой священник из Брно (ныне входит в состав Чехии), начал разводить горох в саду своего монастыря. Клювы дарвиновских вьюрков и признаки менделевского гороха привели к рождению представления о гене как носителе наследственного кода живых организмов[10 - При подготовке раздела об истории генетики и ДНК использовались работы Siddhartha Mukherjee. The Gene (Scribner, 2016); Horace Freeland Judson. The Eighth Day of Creation (Touchstone, 1979); Alfred Sturtevant. A History of Genetics (Cold Spring Harbor, 2001); Elof Axel Carlson. Mendel’s Legacy (Cold Spring Harbor, 2004).].

Изначально Дарвин планировал пойти по стопам отца и деда, которые были уважаемыми врачами. Но его ужаснул вид крови и крики ребенка, привязанного к кровати во время операции, и потому он бросил занятия медициной и стал учиться на англиканского священника, хотя эта роль ему тоже совершенно не подходила. На самом деле с того самого момента, когда в восемь лет он начал собирать коллекции биологических образцов, он хотел стать натуралистом. Он получил такую возможность в 22 года, в 1831 году, когда его пригласили отправиться в кругосветное путешествие на борту частного бриг-шлюпа “Бигль”, где он должен был выполнять обязанности натуралиста, собирая образцы флоры и фауны[11 - Janet Browne. Charles Darwin. Vol. 1 (Knopf, 1995) and vol. 2 (Knopf, 2002); Charles Darwin. The Journey of the Beagle. Originally published 1839; Charles Darwin. On the Origin of Species. Originally published 1859. Электронные копии книг, писем, заметок и дневников Дарвина можно найти на сайте Darwin Online: darwin-online.org.uk.].

В 1835 году, на четвертом году пятилетнего плавания, “Бигль” обследовал десяток крошечных островов Галапагосского архипелага к западу от тихоокеанского побережья Южной Америки. Там Дарвин обнаружил скелеты птиц, которых определил как вьюрков, черных дроздов, дубоносов, пересмешников и крапивников. Но два года спустя, когда он вернулся в Англию, орнитолог Джон Гульд сообщил ему, что на самом деле все птицы были разновидностями вьюрков. Дарвин начал развивать теорию, что у всех этих птиц был общий предок.

Он вырос в сельской глубинке Англии и знал, что лошади и коровы порой рождаются с незначительными различиями и за годы заводчики выбирают лучшие из них, чтобы наделять целые стада более желанными характеристиками. Возможно, природа поступала точно так же. Дарвин назвал это “естественным отбором”. Он предположил, что в некоторых изолированных районах, например на Галапагосских островах, в каждом поколении происходило несколько мутаций, носители которых, возможно, чаще выигрывали конкуренцию за скудные ресурсы при изменении условий окружающей среды и потому с большей вероятностью производили потомство. Допустим, клюв одного вида вьюрков был приспособлен так, чтобы удобно было питаться фруктами, но затем во время засухи плодовые деревья погибли, поэтому несколько случайно мутировавших особей с клювами, лучше приспособленными для раскалывания орехов, получили преимущество. “При таких условиях благоприятные изменения должны иметь тенденцию сохраняться, а неблагоприятные – уничтожаться, – написал он. – Результатом этого и должно быть образование новых видов”[12 - Здесь и далее сочинения Дарвина цитируются по изданию: Ч. Дарвин. Сочинения / Пер. С. Л. Соболя под ред. акад. В. Н. Сукачева. М.: Изд-во АН СССР, 1959.].

Дарвин не спешил публиковать свою теорию, считая ее еретической, но тут, как часто случается в истории науки, в дело вмешалась конкуренция. В 1858 году молодой натуралист Альфред Рассел Уоллес прислал Дарвину черновик статьи, в которой предложил подобную теорию. Дарвин поспешил подготовить собственную статью к публикации, и они с Уоллесом договорились представить свои работы в один день на грядущем заседании видного научного общества.

Дарвин и Уоллес обладали ключевой чертой, подстегивающей креативность: спектр их интересов был широк, и они умели устанавливать связи между разными дисциплинами. Оба натуралиста бывали в экзотических местах, где наблюдали изменчивость видов, и оба читали “Опыт закона о народонаселении” английского экономиста Томаса Мальтуса. Мальтус утверждал, что численность населения на планете, вероятно, будет возрастать быстрее, чем количество пищевых ресурсов. В результате перенаселения начнется голод, который приведет к гибели слабых и бедных людей. Дарвин и Уоллес поняли, что описанный принцип применим ко всем видам и потому позволяет сформулировать теорию эволюции путем выживания сильнейших. “Я случайно, ради развлечения прочитал книгу Мальтуса «О народонаселении», и <…> меня сразу поразила мысль, что при таких условиях благоприятные изменения должны иметь тенденцию сохраняться, а неблагоприятные – уничтожаться”, – вспоминал Дарвин. Позже писатель-фантаст и профессор биохимии Айзек Азимов, обсуждая происхождение теории эволюции, отметил: “Нужен был человек, который изучал виды, читал Мальтуса и мог установить взаимосвязь”[13 - Isaac Asimov. “How Do People Get New Ideas”. 1959, reprinted in MIT Technology Review, 20 октября 2014 г.; Steven Johnson. Where Good Ideas Come From (Riverhead, 2010), 81; Charles Darwin. Autobiography, describing events of October 1838. Darwin Online, darwin-online.org.uk.].

Дарвин

Мендель

Когда стало понятно, что виды эволюционируют с помощью мутаций и естественного отбора, на повестке дня оказался важный вопрос: каков механизм этого процесса? Как происходят благоприятные изменения клюва вьюрка и шеи жирафа и каким образом они потом передаются будущим поколениям? Дарвин полагал, что в организмах могут содержаться крошечные частицы, выступающие носителями наследственной информации, и предположил, что информация от мужских и женских особей сливается в эмбрионе. Но вскоре он понял, как и остальные, что в таком случае любой новый благоприятный признак с каждым следующим поколением будет размываться, а не передаваться в неизменном состоянии.

В личной библиотеке Дарвина хранился номер малоизвестного научного журнала, в котором была опубликована написанная в 1866 году статья, содержащая ответ на эти вопросы. Однако ни Дарвин, ни большинство других ученых его времени так и не прочитали эту статью.

Мендель

Ее автором был Грегор Мендель, невысокий полноватый монах, родившийся в 1822 году в семье немецкоязычных фермеров в Моравии, которая в то время входила в состав Австрийской империи. Ему больше нравилось работать в саду монастыря в Брно, чем исполнять обязанности приходского священника: он плохо говорил по-чешски, а из-за своей застенчивости был не слишком хорошим пастором. Он решил стать учителем математики и естествознания, но, к несчастью, несколько раз провалил квалификационные экзамены даже после обучения в Венском университете. Особенно плохой результат он показал на экзамене по биологии[14 - Помимо работ Мукерджи, Джадсона и Стертеванта, при подготовке раздела о Менделе использовалась книга Robin Marantz Henig. The Monk in the Garden (Houghton Mifflin Harcourt, 2000).].

Не сдав экзамены в последний раз и не имея лучшего занятия, Мендель удалился в монастырский сад, где принялся с настоящей одержимостью проводить селекцию гороха. Ранее он главным образом создавал чистопородные сорта. Его растения обладали семью признаками с двумя вариациями: желтые или зеленые семена, белые или фиолетовые цветки, гладкие или морщинистые семена и так далее. Путем тщательной селекции он получал чистопородные растения, у которых, например, были только фиолетовые цветки или только морщинистые семена.

В следующем году он приступил к новым опытам и начал скрещивать растения с разными признаками, например растения с белыми цветками и растения с фиолетовыми цветками. Это была тяжелейшая задача: Менделю приходилось щипцами удалять все тычинки растения и крошечной кисточкой переносить пыльцу.

Его опыты принесли судьбоносные результаты, учитывая, что тогда писал Дарвин. Признаки не сливались. Высокие растения при скрещивании с низкими не давали потомство средней высоты, а при скрещивании растений с фиолетовыми цветками с растениями с белыми цветками не получались растения с бледно-лиловыми цветками. Все потомство высоких и низких растений было высоким, а потомство растений с фиолетовыми и белыми цветками давало только фиолетовые цветки. Мендель назвал преобладающие признаки доминантными, а признаки, которые не получали приоритета, – рецессивными.