Когда в 2001 году я начала работать над диссертацией в Университете Северной Каролины, я очень скоро поняла, что ДНК становится мощным инструментом в охоте за организмами, обитающими под поверхностью Земли, и открывает нам новые возможности для исследований, которых еще за несколько лет до того не существовало. Однако это было самое начало революции ДНК, и мы должны были выбрать, какой ген использовать для идентификации новых организмов.

Откуда мы знали, какой ген следует искать? Чтобы ответить на этот вопрос, нам нужно вкратце обсудить суть эволюционного процесса. Любая живая клетка, чтобы жить и делиться, должна копировать свою ДНК, однако при копировании клеточный аппарат часто допускает ошибки[23]. Эволюция может происходить, если эти ошибки дают организму какое-либо преимущество, так что его потомки оказываются более успешными и передают эту ошибку далее своему потомству. Таким образом мутировавший ген закрепляется в популяции. Однако не все гены переносят неточное копирование. Любая неточность в жизненно важных генах летальна для организма, и такая мутация не будет передана потомству. Именно гены такого типа, стойко сопротивляющиеся эволюционным изменениям, мы и должны были исследовать, чтобы определить положение организма на древе жизни. Последовательности таких генов отражают эволюционную историю организма, а не только изменения, дающие преимущество в текущий момент.

Для нас с моим научным руководителем Андреасом Теске выбор был очевиден: нужно анализировать ген 16S рибосомной РНК (рРНК). В 1980-е годы Карл Вёзе и сотрудники его лаборатории по этому гену установили таксономию микроорганизмов, а в начале 2000-х его стали использовать при анализе повсеместно. Что такого особенного в этом гене? Он кодирует компонент рибосомы, который важен для любой клеточной активности, и поэтому даже незначительное изменение нуклеотидов (скажем, замена A на T) в определенной части гена может привести к гибели дочерней клетки. По этой причине данная последовательность остается почти без изменений по сравнению с остальным геномом. И хотя ген 16S рРНК не абсолютно стабилен, скорость его изменений такая низкая, что даже за 3,8 миллиарда лет существования жизни на Земле все живые существа на планете сумели сохранить ту или иную его версию. Насколько нам известно, ни одно живое существо не избавилось от него полностью.

Заманчиво, конечно, было бы живописать вам, как я глядела в сверкающий иллюминатор батискафа и одновременно с помощью этого гена обнаруживала ранее неизвестные формы жизни. Но все происходит иначе. После возвращения с корабля на берег требуются месяцы работы для секвенирования ДНК. На самом деле я часами сидела на старом, видавшем виды стуле в аспирантской комнате без окон и загружала файлы с последовательностями генов 16S рРНК. Выглядели они примерно так:

>DQ521765.1 Ген 16S рРНК из некультивированного клона археи SURF-GC205-Arc3, частичная последовательность

cccgactgctatttgggtgaggataagccatgc

gagttgaatgggaaacctaaagttcccatg

gcaaactgctcagtaacacatgatcaact

taccctatagagaaaaataacctcgggaaactgag

gataatgtttcatagttgaattggcttg

gaaaagtttttcgacgaaaggggtaaaaaaaatg

gtttttatccgctataggataggatcgtgttcgat

tatggttgttggtgagataatggctcaccaagcc

gataatcgataggggccgtgagagcgggagccccga

gatgggtactgagacaacgacccaggccttacgag

gcgcagcaggcgcggaacctccgcaatacac

gaaagtgtgacggggttacccaaagtgttc

aatagaactgtggtaggtgagtaatgtcccctac

tagaaaggagagggcaaggctggtgccagccgccgc

ggtaaaaccagctcttcaagtggtcgggataat

tattgggcttaaagtgtccgtagccggtttagta

agttcctggtaaaatcgggtagcttaactatctgcat

gctaggaatactgctatactagagggcgggagag

gtctgaggtactacaggggtaggggtgaaatctta

taatccttgtaggaccaccagtggcgaaggcgt

cagactggaacgcgcctgacggtgagggacgaaagc

caggggagcgaaccggattagatacccggg

tagtcctggccgtaaacgatgcatactaggtgatgg

tacggccatgagctgtatcagtgccgtagggaaaccg

ttaagtgtgccgcctgggaagtacggtcgcaaggc

taaaacttaa

>DQ521781.1 Ген 16S рРНК из некультивированного клона археи SMI1-GC205-Arc38, частичная последовательность

ggaggtcactgctattgggattcgactaagccatgc

gagtcgagagggttcggccctcggcgaactgctcag

taacacgtggataatttgcccttaggtggaggata

acctcgggaaactgagaataatactccatagatc

taggatgctggaatgcacttagattaaaagctccg

gcgcctaaggataagtctgcggactatcaggttg

tagtcagggtaaagacctgactagcctacaacg

gatacgggttgtgagagcaataacccggagac

gatatctgagacacgatatcgggccctacggggcg

cagcaggcgcgaaaccttcgcactgtgcgaaagcgc

gatgaggggatcccaagtgcttgctcgtaagagta

agctgtttttatgtctaaaaagcatagagagta

agggctgggtaagacgggtgccagccgccgcggta

atacctgcagctcaagtggtgatcattattatt

gggcctaaaacgtccgtagccggtttggtaaat

gcctgggtaaatcgtgtagcttaactatacgaattc

cgggtagactgccaaacttgagaccgggagaggc

tagaggtactcctggggtagaggtgaaattctgta

atcctagggggaccaccagtggcgaaaggcgtc

tagctagaacgggtctgacggtcagggac

gaagccctggggcgcgaaccggattagatacccggg

tagtccagggtgtaaacgctgcttgcttgatgt

tagttgggcttcgagcccaattagtgtcggagaga

agttgttaagcaagctgcctgggaagtacggtcg

caagactgaaacttaaaggaattggcgggggagca

cagcaacgggtggagcgtgcggtttaattg

gattcaacgccggaaaactcaccggaggcgacggt

tacatgaaggccaggctgatgaccttgcctgattt

tccgagaggtggtgcatggccgccgtcagttcgtac

cgtaaggcgttctgttaagtcagataacgaacgaga

ccctcatctttaattgctactagtaagtccgct

tactgggcacattagagagaccgctggcgataagt

cagaggaaggcgggggcaacggtaggtcagtat

gccctgaatcctccgggctacacgcgcgcta

caaaggctaggacaatgagtttcaacaccgagaggt

gaaggtaatctcgaaacctagttatagttcggatt

gagggttgaaactcaccctcatgaagctggaatccg

tagtaatcgcagatcaaaatcctgcggtgaatat

gcccctgctccttgcacacaccgcccgtcaaaccat

gcgagttgggtttgagtgaggatgtagtttttgc

tacgttcaaacttaggcttagtaagcggggtt

Вряд ли такая работа станет темой для фильма Майкла Бэя[24], но меня она очень увлекает. Представленные выше последовательности – это фрагменты генов 16S рРНК из двух микробов, содержавшихся в образцах, которые мы подняли с глубины около девятисот метров в Мексиканском заливе. Для чтения таких последовательностей мы используем компьютерную программу, которая сравнивает их с генами из базы данных, например той, что хранится в Национальном центре биотехнологической информации (NCBI, National Center for Biotechnology Information), и определяет, с какими из них имеется максимальное сходство. Вы можете проделать это самостоятельно прямо сейчас, если хотите. Наберите NCBI blast в поисковой строке в интернете, выберите первый выпавший результат, потом на сайте, который откроете, выберите функцию Nucleotide BLAST или blastn, скопируйте одну или обе последовательности, которые я привела выше, вставьте их в поле Enter Query Sequence и нажмите кнопку BLAST, которая обозначает Basic Local Alignment Search Tool (“базовый инструмент для поиска локального выравнивания”). И вуаля, теперь у вас есть список генов из базы данных, которые больше всего похожи на эти два гена. Первыми должны выпасть эти же самые последовательности, поскольку я уже подала запрос на их включение в базу данных. А вообще вы получите список из нескольких последовательностей генов 16S рРНК разных организмов, которых другие исследователи обнаружили в разных океанах, – просто кликните на какую-то из них, и вы увидите ее описание. Трудно переоценить, в какой степени эти новые инструменты упростили доступ к информации о ДНК: любой человек в любом месте, фактически без каких-либо специальных навыков, может найти любую последовательность ДНК, имеющуюся в открытых базах данных, и оценить ее сходство с другими последовательностями из других мест.

В первый раз, когда я запустила программу поиска для двух последовательностей, приведенных выше, компьютер выдал список, где не было никаких известных микробов. Ближайшее сходство наблюдалось с последовательностями ДНК из образцов, отобранных другими учеными где-то глубоко в море[25]. Проверка следующей по сходству последовательности дала такой же бессмысленный результат. И следующая за ней – тоже. Почти все последовательности, которые мы выделили из наших образцов, поднятых с морских глубин, не имели никакого сходства с ДНК известных организмов. Это была совершенно другая ДНК из другой среды. Мой лабораторный журнал заполнен списками идентификаторов этих случайных фрагментов ДНК, не несущих никакой осмысленной биологической информации.

В какой-то момент я стала сомневаться, действительно ли эти мои последовательности принадлежат реальным существам. Может быть, я анализировала ДНК, которая свободно плавала в воде и осталась от каких-то мертвых клеток, разрушившись до неузнаваемости? На самом деле “голая” ДНК действительно может сохраняться удивительно долгое время. В частности, если вы зачерпнете ведро морской воды (без рыбы), то сможете определить последовательности фрагментов ДНК рыб, которые недавно через эту воду проплывали. Это хорошая новость для людей, отслеживающих популяции рыб, но плохая для тех, кто анализирует последовательности ДНК, чтобы узнать о живых организмах, незаметных для человеческого глаза. Я испугалась, что просто гоняюсь за призраками.

В этом и заключается парадоксальность стремления к монументальным открытиям. Если кроме вас никто этого открытия не сделал, с большой вероятностью его и нет, это пустышка. Вполне возможно, просто бессмысленный статистический выброс. Если вы действительно обнаруживаете нечто чрезвычайное, скорее всего, другие люди тоже это видели. И поэтому, хотя мы и прославляем авторов великих открытий, часто самые значительные открытия по своей природе коллективные. К счастью, мое аспирантское “открытие” было результатом коллективного труда. Иными словами, оно было реальным.

Пока я сидела за компьютером, сотни других ученых по всему миру делали то же самое (надеюсь, хотя бы у кого-то из них в помещении были окна). Когда я проанализировала ближайшие совпадения с генами из базы данных NCBI, я обнаружила, что последовательности длиной примерно в девятьсот оснований A, G, C и T из осадочных пород со дна Мексиканского залива очень сильно походили на последовательности, найденные другими людьми на дне Южно-Китайского моря, в солончаках Великобритании и в глубоководных впадинах Японии. Сходство между нашими последовательностями было слишком велико, чтобы оказаться случайным совпадением. Итак, мои последовательности ДНК не были бесполезным молекулярным мусором. Мы с моими коллегами по всему миру открыли ДНК из живых организмов, находящихся на древних ветвях древа жизни, о существовании которых никто даже не подозревал.