Вскоре сама земля обратилась за помощью к Зевсу, и в ответ он метнул молнию в колесницу. Сын бога Солнца рухнул на землю, сверкая подобно падающей звезде. Нимфы похоронили его тлеющее тело и установили над его могилой камень. «Здесь погребен Фаэтон, колесницы отцовской возница: пусть ее не сдержал, но, дерзнув на великое, пал он», – гласила надпись на нем.
История Фаэтона дошла до наших дней в основном благодаря «Метаморфозам» Овидия – множеству рассказов, собранных в одном тексте. Среди них можно найти истории и о наследственности. Чудовищная поездка Фаэтона объясняла, почему различаются унаследованные черты у разных народов. Древние философы и поэты предлагали целый ряд подобных этому объяснений, в силу чего дети напоминают своих родителей и отчего наследуются некоторые болезни. И все же в их рассказах был некоторый изъян. Насколько нам известно, ни Аристотель, ни другие античные авторы никогда не давали указаний, как можно исправить наследственность – искоренить наследственные заболевания или улучшить животных и растения, от которых зависела жизнь человека. Возможно, те древние мыслители полагали, что человеку не под силу изменить наследственность, равно как и ход Солнца. Или они считали, что всякий, кто осмелится покуситься на такую силу, будет наказан и убит.
Однако в мифе о Фаэтоне скрыта еще одна история. Не удивляет ли вас, что Феб в свою небесную колесницу запрягал лошадей? Конечно, необыкновенных – они ведь могли скакать по небу. Но все же это были именно лошади – с копытами, хвостами и гривами, точно такие же, как те, что возили колесницы античных греков на скачках и в сражениях.
И при этом древние греки и их собратья подобно богам преображали своих лошадей: изменяли их ДНК, превращая гены диких предков коней в новые последовательности, характерные для домашних животных[1034]. Они разводили лошадей, выращивая жеребят на смену предыдущим поколениям животных. Каждое следующее поколение наследовало от родителей признаки, позволяющие им лучше приспособиться к работе: мощные сердца, прочные кости ног и готовность подчиняться двуногим обезьянам.
По-видимому, такое сочетание черт впервые появилось около 5500 лет тому назад, когда кочевники Центральной Азии стали приручать диких лошадей. Они неосознанно выбирали для разведения животных с определенными аллелями генов. В ходе следующих тысячелетий одомашненные лошади распространились по большей части Азии, Европе и Северной Африке. Таким образом, кони древних греков оказались продуктом модификации длительностью в несколько тысяч лет, но люди продолжали изменять лошадей и после, создавая новые породы. Мощные работяги вроде клейдесдальских лошадей перемещали тяжелые грузы, в то время как чистокровные верховые лошади[1035] мчались по дорожкам ипподромов. Каждая порода лошадей унаследовала конкретную комбинацию аллелей, которая определяла все: размер, форму и даже аллюр животного.
Иными словами, древние греки и другие народы управляли наследственностью куда лучше, чем Фаэтон – колесницей своего отца. Но они очень плохо представляли себе, что при этом делают. Они не имели возможности напрямую исправлять гены лошадей, чтобы получать именно то, что им требуется, или устраивать так, чтобы эти изменения стабильно передавались из поколения в поколение. Наши предки могли только выбирать, каких животных использовать в разведении. Желаемые аллели, которые отбирались вслепую, оказывались на участках ДНК рядом с вредными. Современные лошади расплачиваются за этот слепой отбор худшей, по сравнению со своими предшественниками, заживляемостью ран, высоким риском судорог и целым рядом других недостатков. В XIX в. все больше и больше ученых пытались управлять колесницей наследственности. Они проводили эксперименты, стараясь выявить какие-либо закономерности. Но даже к началу XX в. управление наследственностью было сродни колдовству – как в чудесном, так и в опасном смысле этого слова. Неслучайно Лютер Бёрбанк получил прозвище «волшебник из Санта-Розы»[1036].
Когда Джордж Шелл работал с Бёрбанком, он понимал, что у «волшебника» не было иной магии, кроме внимательного взгляда на цветы и плоды. И именно Шелл, а не Бёрбанк, в итоге стал истинным основателем современного растениеводства. Вернувшись в Колд-Спринг-Харбор, Шелл начал эксперимент с зернами, вытащенными из яслей лабораторной лошади[1037]. Он прорастил их, а затем аккуратно опылил каждое растение собственной пыльцой. Таким образом, он создал чистые сорта кукурузы.
Обе копии каждого гена у сортовых растений были идентичны. Шелл брал растение одного сорта с полезными признаками, например с лишним рядом зерен в початке, и скрещивал его с растением другого сорта, также обладающего желательными чертами. Гибрид наследовал по одной копии гена от каждого из родителей. Удивительно, что, хотя гибридная кукуруза несла многие признаки, которые присутствовали и у родительских инбредных сортов, ее початки были крупнее и здоровее, чем у родителей.
Шелл постепенно усовершенствовал свои инбредные сорта и обнаружил, что после нового скрещивания гибрид оказывался еще лучше. Ученые до сих пор спорят, почему методу Шелла сопутствовал успех. Вероятно, применяя его, Шелл избавлялся от вредных рецессивных мутаций и сохранял желаемые черты. Возможно также, что для кукурузы и некоторых других растений было лучше, если в них работали две версии какого-то определенного белка, а не одна. Но когда Шелл начал публиковать свои результаты, стало совершенно ясно, что его метод позволит фермерам получать больший урожай от своих растений. Это было именно то, что Бёрбанк изначально называл смыслом своей жизни.
К 1920-м гг. многие растениеводы последовали примеру Шелла, и вскоре фермеры Среднего Запада засеяли свои поля гибридной кукурузой. Она не только давала больше зерна с акра, но и лучше выдерживала бушевавшие в то время пыльные бури, нежели более старые сорта. К концу XX в. с помощью метода Шелла селекционеры сумели повысить урожайность в пять раз. При этом разнообразие аллелей у кукурузы оставалось вполне достаточным, чтобы в течение долгих лет можно было получать гибриды еще более отменного качества.
Именно понимание закона Менделя позволило Шеллу создать свой кукурузный гибрид. Но бóльшую часть работы ботаник проделал вслепую. Он не знал, какие гены отбирает, как они улучшают кукурузу. Он просто смешивал уже имеющиеся аллели и получал свои новые комбинации.
В течение прошедших с тех пор без малого 100 лет исследователи постепенно учились управлять наследственностью. Некоторые смогли даже дотащить до кукурузных полей рентгеновские аппараты для облучения метелок. Излучение запускало образование новых мутаций, в силу чего изменялись потомки этих растений. С помощью мутагенеза, как стали называть этот метод, были получены новые сорта груши, мяты, подсолнечника, риса, хлопка и пшеницы[1038]. Обработка лучами колосьев ячменя в итоге привела к появлению новых разновидностей пива и виски. Кроме того, ученые использовали рентгеновское излучение, чтобы создать штаммы плесени, производящие пенициллин высшего качества[1039].
Однако даже эти достижения все еще зависели от слепой случайности. Наследственность оставалась игровым автоматом, а мутагенез дал лишь дополнительный горшочек с монетками, чтобы ученые смогли продолжить игру. Чем чаще дергать за рычаг, тем больше вероятность, что вот-вот выпадет три семерки. Такая ситуация сохранялась до 1960-х гг., пока микробиологи не открыли молекулярный инструмент, позволяющий точно управлять наследственностью[1040].
У многих видов бактерий есть специальные белки-рестриктазы, которые распознают определенную последовательность нуклеотидов в ДНК и разрезают молекулу строго в этом месте. Микроорганизмы используют свои рестриктазы для самозащиты, точнее говоря, они разрушают ДНК внедрившихся вирусов. Поколдовав с этими белками, ученые обнаружили, что их можно применять для вырезания участков ДНК, в том числе человеческих генов. Такой вырезанный ген удавалось встроить в плазмиду – кольцевую структуру ДНК, а затем исследователи могли отправить ее в бактерию.
В конце 1970-х гг. ученые создали штамм бактерий, в которые был встроен ген человеческого инсулина. Исследователи могли использовать бродильные чаны, где росли такие бактерии, в качестве живых фабрик по производству инсулина. Аналогичными методами и другие ученые решали множество задач – от противовирусной защиты сельскохозяйственных культур до моделирования на мышах человеческих наследственных заболеваний.
Однако к этим достижениям вел долгий путь, полный изнурительного труда и безуспешных попыток. Ученым могли понадобиться годы, чтобы найти ген, который необходимо перенести от одного вида к другому, и еще годы, чтобы загрузить этот ген на носитель, способный преодолеть видовой барьер. И пусть вы знаете, как перенести ген к одному виду, – это может не сработать в случае другого вида. Метод, позволяющий импортировать гены медузы в крысу, неприменим для переноса генов нарцисса в рис.
Даже если исследователям и удавалось доставить ген в новое место, их все равно могла подстерегать неудача. Ученые почти не умели контролировать, куда конкретно в ДНК встроится новый ген. Он мог оказаться там, где стал бы работать стабильно, а мог и попасть в гущу других генов, повредив их и убив таким образом нового хозяина. Хотя ни одна из этих проблем не вынесла генной инженерии смертного приговора, они сделали данную отрасль весьма дорогостоящей и не позволили ей выйти за пределы лабораторий, где ученые добывали знания своим нелегким трудом.
Только в 2013 г., через более чем 100 лет после работы Шелла с гибридной кукурузой, ученые сообщили об открытии универсального дешевого способа управлять наследственной информацией почти любого вида. Но не они изобрели его. Как и открытые ранее рестриктазы, то была система молекул, которую бактерии уже использовали миллиарды лет, чтобы менять свою наследственность.
В один из дней 2006 г. Дженнифер Дудна сидела в своем кабинете Калифорнийского университета в Беркли, когда ей неожиданно позвонили[1041]. Микробиолог из того же университета Джиллиан Бэнфилд хотела обсудить с ней какой-то
Дудна не поняла, о чем речь и чего от нее хотела собеседница. Однако Бэнфилд, занимавшаяся поиском новых видов бактерий на вершинах гор и океанском дне, была ученым, с которым без сомнения имело смысл поговорить. В то время Дудна занималась молекулами РНК, которые были синтезированы бактериями, человеком и другими организмами. Бóльшая часть ее работы проходила в тишине и покое, защищенных стенками лабораторной пробирки. Бэнфилд могла поделиться с ней информацией о мире за пределами пробирки.