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.

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.

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.