Благодаря второй революции в исследованиях ДНК ученым уже не приходится оценивать общее количество видов животных в гипотетическом дождевом лесу на основании данных лишь о нескольких видах обезьян или деревьев. Теперь у нас есть информация о миллионах видов, позволяющая составлять обширные списки. Однако анализ этих новых, мощных баз данных привел к очень разным оценкам количества видов земных микробов – от миллиона до нескольких триллионов⁵. И этот разброс позволил нам понять две вещи. Во-первых, вне зависимости от того, каким именно оценкам мы доверяем, в мире существует астрономическое количество микробов – намного больше, чем мы думали еще двадцать лет назад. А во-вторых, все оценки ошибочны. Абсолютно все.

Да-да, именно так: они все ошибочны. И уверена я в этом потому, что все подобные эксперименты проводятся с помощью амплификации методом ПЦР. Помните, что такое ПЦР? Прихотливый процесс, который ставит на колени отпетых атеистов?

Главная проблема всех методов секвенирования связана с необходимостью использовать ДНК-праймеры для выбора нужных нам последовательностей ДНК. Чтобы составить полный список всех микробов в конкретном образце, нам нужно подобрать ДНК-праймер, подходящий для всех видов микробов на Земле. По сути, праймеры определяют предварительный выбор последовательностей на основании предположения, что мы уже знаем, какую последовательность хотим найти. И это не очень хороший рецепт, чтобы обнаружить нечто новое.

Если использовать все ту же аналогию с дождевыми лесами, можно сказать, что применение праймеров для описания всего разнообразия видов сравнимо с попыткой описать всех обитателей лесов при умении находить только крылатых существ. В дождевом лесу много животных с крыльями: птицы, насекомые, летучие мыши, белки-летяги, и даже некоторые растения имеют крылатые семена. Вообще говоря, в мире столько крылатых существ, что исследователь может ошибочно предположить, будто такой критерий отбора дает ему хорошее представление об общем разнообразии обитателей дождевых лесов. Однако на самом деле он ничего не будет знать о бескрылых жуках, муравьях, растениях, грибах, млекопитающих и земноводных, которые там живут. Он едва-едва коснется этого множества, но еще хуже, что он этого так и не поймет. И не узнает о собственной слепоте.

И поскольку все современные оценки общего разнообразия микробной жизни на Земле сделаны с помощью методов с использованием ДНК-праймеров, я с большой уверенностью могу сказать, что у нас нет правильного ответа. К счастью, новые технологии секвенирования ДНК обладают другим преимуществом: они позволяют получить такое большое количество последовательностей, что мы можем отказаться от ПЦР вовсе и секвенировать любой фрагмент ДНК, который выделяем. А это даст нам более точные представления о разнообразии обитателей Земли. Такой анализ без использования ПЦР пока еще не применялся для этих целей потому, что секвенирование без ПЦР дает меньше таксономической информации, чем с ПЦР. Поскольку мы не нацеливаемся на какой-то конкретный таксономический ген, мы находим лишь небольшое количество таксономических маркеров в общем пуле всех остальных генов в образце. Однако в конечном итоге новые методы превзойдут старые.

Важнее, что новый метод высокопроизводительного секвенирования имеет еще одно преимущество, и это, возможно, самое значительное достижение революции в исследованиях ДНК: он позволяет предсказать образ жизни странных микробов. Анализ ДНК показывает, способен ли микроб формировать свои клетки только из диоксида углерода, как это делают растения, или поедает других, как это делают животные. Метод показывает, как клетки движутся, создают оболочку, защищаются, захватывают питательные вещества, выделяют отходы, дышат, реагируют на стресс, синтезируют антибиотики и многое другое. На основании последовательностей ДНК мы можем предсказывать, какой пищей питаются обитатели земных глубин или образуют ли они споры – прочные структуры, сохраняющие клеткам жизнь в неблагоприятных условиях. Конечно, мы не вправе сказать наверняка, что эти гены делают именно то, что мы предполагаем. Даже если ген обитателя земных глубин похож на какой-то хорошо известный ген, он может работать иначе. Однако существуют способы для проверки наших предположений. Например, мы можем превратить ген в белок и определить его функцию в лабораторных условиях. Или, еще лучше, найти прямые доказательства его функции в природе. Если гены показывают, что микроб производит метан, мы можем отправиться к месту его обитания и проверить, есть ли там метан. И в результате мы определим возможный образ жизни обитателей земных недр исключительно на основании анализа ДНК и среды.

Теперь, возвращаясь с большим количеством замороженных образцов из горячих источников или буровых скважин в океанском дне, мы просто выделяем ДНК, отправляем ее на секвенирование и получаем последовательности миллионов коротких фрагментов ДНК, случайным образом рассеянных по геномам всех микробов в каждом образце. Для большинства сегодняшних аспирантов кропотливая часть работы заключается не в отборе колоний E. coli, как это было у меня, а в биоинформатическом анализе. Биоинформатика – это общий термин для методов анализа и интерпретации терабайт последовательностей ДНК-фрагментов. Эти методы позволяют с помощью компьютерных алгоритмов определить локализацию крохотных фрагментов ДНК в геномах тех клеток, из которых их выделили.

В современной версии метода Illumina мы вынуждены секвенировать очень короткие последовательности ДНК. Но не лучше было бы секвенировать ДНК в ее исходном виде, а не собирать обратно последовательность, после того как мы ее целенаправленно разрушили? Кроме умения секвенировать только мелкие фрагменты, у современных методов секвенирования ДНК существует еще один недостаток: они на самом деле не анализируют ДНК непосредственно из образца. Они “видят” ДНК только тогда, когда делают копии копий исходных последовательностей. Если провести аналогию с книгами, наши современные технологии секвенирования ДНК – это чтение копий вместо оригиналов. Для копирования ДНК мы пользуемся природным ферментом, который называют ДНК-полимеразой, причем этот фермент допускает некоторое количество ошибок. И в природных условиях это важно: изредка он позволяет встраиваться неправильным нуклеотидам – и возникают мутации, а без мутаций нет эволюции. Такие ошибки в копировании обеспечивают живым организмам великолепную возможность обзавестись перьями или хвостом, однако для точного прочтения последовательностей ДНК это недостаток.

К счастью, существует единое решение сразу обеих проблем: вынужденной работы с короткими фрагментами ДНК и вынужденного использования фермента, который синтезирует слегка искаженные последовательности. Нам нужно научиться секвенировать длинные последовательности ДНК. Однако это легче сказать, чем сделать. Современное решение – так называемое нанопоровое секвенирование. В технологии с применением нанопор ферменты используют не для создания копий ДНК, как в других методах, а для развертывания и разделения нитей ДНК, которые пропускают через крохотные отверстия в заряженной мембране. По мере того, как отдельная нить ДНК протягивается через одно из отверстий, аппарат определяет и регистрирует проходящий нуклеотид по его влиянию на заряд мембраны. Это первый прямой способ секвенирования ДНК. А еще одно преимущество нанопорового метода в том, что с его помощью можно секвенировать длинные последовательности[22]. Как минимум теоретически эта технология когда-нибудь позволит в одно прочтение определить последовательность целого генома.

Однако пока нельзя сказать, что началась третья революция в исследованиях ДНК. Это все еще сравнительно новая технология, с бóльшим количеством ошибок в расчете на одно основание по сравнению с другими методами. Но она быстро совершенствуется, и я очень надеюсь, что уже скоро наступит день, когда мне больше не понадобятся сложные компьютерные алгоритмы, чтобы собрать воедино те кусочки ДНК, которые я сама же накромсала для проведения секвенирования.

Два этапа в революции исследований ДНК, которые мы пережили за время моей научной работы, изменили правила игры. Они отменили ограничения традиционных лабораторных методов микробиологии. Как мы увидим в следующем разделе книги, новые знания, полученные с помощью этих современных технологий, навсегда изменили наши представления о жизни на Земле.