Крейг Вентър за ДНК и океана

По време на почивата бях попитан от няколко човека, за моя коментар относно дебата за остаряването. Това ще бъде единственият ми коментар по този въпрос. И това е, че разбирам, че оптимистите значително надживяват песимистите. (Смях)

Това, за което ще говоря в моите 18 минути е, как сме на път да преминем от четене на генетичния код, до първия етап от началото на писането на кода от нас самите. Този месец се навършват само 10 години, откакто публикувахме първата секвенция на свободно живеещ организъм, тази на haemophilus influenzae (хемофилус инфлуенцае). За това беше необходим геномен проект от 13 години до 4 месеца. Сега може да направим същия геномен проект в порядъка на два до осем часа. Така през последното десетилетие голяма бройка от геноми бяха добавени, повечето човешки патогени, две растения, няколко насекоми и бозайници, включително и генома на човека. Геномиката на този етап на мислене, отпреди малко повече от 10 години, когато мислехме, че до края на тази година може да имаме между три и пет секвентирани генома; сега е в порядъка на няколко стотин. Току-що получихме стипендия от фондацията "Гордън и Бети Муур", за да секвентираме 130 генома през тази година, като страничен проект за организмите от околната среда. Нивото на четене на генетичния код се промени.

Но като погледнем какво е достъпно, ние едва сме докоснали повърхността, от това, което е достъпно на тази планета. Много хора не го осъзнават, понеже тези същества са невидими, но микробите съставят около половината от земната биомаса, докато всички животни съставят само около една хилядна от цялата биомаса. Може би това е нещо, което хората в Оксфорд не правят много често, но ако някога достигнете до океана и погълнете една глътка морска вода, имайте предвид, че всеки милилитър съдържа около един милион бактерии, и в порядъка на 10 милиона вируси.

По-малко от 5000 микробни видове бяха описани до преди две години, така че решихме да направим нещо по въпроса. Така започнахме експедицията Sorcerer II (Магьосник II), където, както при всяка голяма океанографска експедиция, се опитвахме да правим проби от океана на всеки 200 мили (322 километра). Започнахме от Бермуда с нашия тестов проект. После се придвижихме нагоре до Халифакс, работехме надолу по източното крайрежие на САЩ, Карибско море, Панамския канал, през Галапагоските о-ви, след това през Тихия океан, и сега сме в процес на работа през Индийския океан. Това е много тежка работа; правим това на плавателен съд, отчасти за да развълнуваме младите хора, за да навлязат в науката. Опитите са невероятно прости. Просто взимаме морска вода и я филтрираме, и събираме различните по големина организми от различните филтри. После вземаме тяхното ДНК обратно в лабораторията ни в Роквил, където може да разкодираме 100 милиона букви от генетичен код всеки 24 часа. Вършейки това, направихме някои изумителни открития.

Например за визуалните пигменти, които са в очите ни, се смяташе, че има само един или два организма в природата, които имат същите такива пигменти. Оказва се, че почти всички видове в горните части на океана, в топлите части на света, имат същите фоторецептори и използват слънчевата светлина като източник на енергия и комуникация. От едно място, в един барел с морска вода открихме 1,3 милиона нови гени, и около 50,000 нови видове.

Разширихме това и във въздуха, този път благодарение на стипендия от фондация Слоун. Измерваме колко вируси и бактерии всички ние дишаме и издишаме дневно, особено в самолети или затворени помещения. (Смях) Правим филтри чрез няколко прости апарата; събираме от порядъка на милиард микроби само за ден филтрираме на покрива на една сграда в Ню Йорк. И сме в процес на секвентиране на всичко това в момента.

От страна на събирането на данни, където сме стигнали до островите Галапагос, откриваме, че на почти всеки 200 мили (322 километра), виждаме огромно разнообразие на пробите в океана. Някои от тях са логически обусловани, предвид на различните температурни различия. Това е сателитна снимка, базирана на температурите -- червеното е топло, синьото е студено -- открихме, че има огромни разлики между пробите от топлата вода и тези от студената вода, по отношение на изобилието на видове. Другото нещо, което ни учуди доста е, че тези фоторецептори разпознават различните дължини на вълните на светлината, и може да предскажем това базирано на тяхната последователност от аминокиселини. Те варират значително от регион на регион. Може би не е за учудване, че в дълбокия океан, където е предимно синьо, фоторецепторите са склонни да видят синя светлина. Където има доста хлорфил наоколо, те виждат много зелена светлина. Но те варират дори повече, евентуално преминавайки към инфрачервени и ултравиолетови лъчи в крайните случаи.

Само за да добиете представа, какъв беше нашият генен репертоар, събрахме всичките данни -- включително всички данни от експедицията досега, които представляват повече от половината от всички генни данни на планетата, и това достигна около 29 милиона гена. Опитахме се да поставим тези гени в семейства, за да видим какви са тези открития. Дали откриваме нови членове на вече известни семейства, или откриваме нови семейства? И се оказва, че имаме около 50,000 големи семейства от гени, но всяка нова проба, която взимаме от околната среда, се добавя по линеен начин към тези нови семейства. И така, ние сме в най-ранните етапи на откриването на основните гени, компонените на живота на тази планета.

Когато погледнем към така нареченото еволюционно дърво, ние се намираме в горния десен ъгъл заедно с животните. От тези приблизително 29 милиона гена, ние имаме само около 24,000 в нашия геном. Ако вземем всички животни заедно, вероятно споделяме по-малко от 30,000 и вероятно, може би, дузина или повече хиляди различни семейства гени. Сега виждам, че тези гени не са само градивни компоненти на еволюцията. Ние мислим по гено-центричен начин -- може би, връщайки се към идеите на Ричард Докинс -- отколкото по геномо-центричен начин, които са различни конструкции от тези генни компоненти.

Синтетичното ДНК, способността да се синтезира ДНК, се промени със сходни темпове, както и ДНК секвентирането, през последните едно-две десетилетия, и става много бързо и много евтино. Първите ни идеи за синтетична генетика се появиха когато секвентирахме втория геном през 1995, този на mycoplasma genitalium (микоплазма гениталиум). Имаме много хубави тениски, на които е написано: "Обичам моят гениталиум." Това е всъщност просто микроорганизъм. Но има приблизително 500 гена. Хемофилус имаше 1,800 гена. И просто зададохме въпроса, "Ако един вид се нуждае от 800, друг от 500, дали има по-малък набор от гени, който може да образува минимална операционна система?"

Така започнахме да правим транспозонна мутагинеза. Транспозоните са просто малки части от ДНК, които произволно се вмъкват в генетичния код. Ако се вмъкнат по средата на гена те нарушават неговата функция. Така, ние направихме карта на всички гени, които биха могли да приемат транспозонни вмъквания, и ги нарекохме "несъществени гени." Но се оказва, че околната среда е много критична към това, и човек може само да дефинира същестени или несъществени гени, базирано на това, какво точно е в околната среда. Също се опитахме да предприемем по-директен интелектуален подход с геномите на 13 свързани организма, и се опитахме да ги сравним, за да видим общото между тях, и получихме тези припокриващи се кръгове. Открихме само 173 гена, общи за всичките 13 организма. Наборът се разшири малко, ако пренебрегнехме един вътреклетъчен паразит; и се рашири дори още повече, когато разгледахме основна група от гени, около 310 на брой. Така че мислим, че може да разширим или свием геномите, това зависи от вашата гледната точка, на може би 300 до 400 гена, от минималните 500.

Единствният начин да докажем тези идеи беше като построим изкуствен хромозом с тези гени в него, и трябваше да го направим на базата на касетъчен модел. Открихме, че синтезирането на прецизно ДНК в големи части беше изключително трудно. Хам Смит и Клайд Хътчисън, моите колеги в това начинание, разработиха вълнуващ нов метод, който ни позволи да синтезираме 5000 базови двойки на вирус, в течение на само две седмици, който беше 100% прецизен, по отношение на своята последователност и биология. Беше доста вълнуващ експеримент -- когато взимахме синтетичната част от ДНК, инжектирахме я в бактерията и съвсем неочаквано това ДНК започна да подбужда произвеждането на вирусните частици, които се разпростряха и след това убиха бактерията. Това не беше първият синтетичен вирус -- полиомелитен вирус беше създаден преди година -- но той беше само една хилядна част толкова активен, и отне три години за да бъде направен. Това е рисунка на структурата на Phi X-174. Това е пример, в който софтуерът построява своя собствен хардуер, а това е схващането, което имаме в биологията.

Хората веднага започват да се опасяват от биологична война, и наскоро трябваше да давам показания пред комисия на Сената, и специална комисия, която правителството на САЩ беше създало, за да преразгледа тази област. И мисля, че е важно да държим реалността под внимание, в сравнение с това, което се случва във въображението на хората. В основни линии, всеки вирус, който е секвентиран в днешно време -- неговият геном може да бъде направен. Хората веднага се побъркват за неща като ебола или едра шарка, но ДНК-то от тези организми не е активно. Така че дори и някой да направи генома на едрата шарка, то самото ДНК няма да предизвика инфекции. Действителните грижи, които имат службите за сигурността, са изкуствено направените вируси. Има само две държави, САЩ и бившият Съветски Съюз, които са вложили значителни усилия в опити за създадаване на вещества за биологична война. Ако тези изследвания са прекратени напълно, би трябвало да има много малка дейност в познанието за разработване на вируси в бъдещето.

Мисля, че е възможно да се създадат едноклетъчни организми до две години. И вероятно еукариотни клетки, тези които ние имаме, са възможни до десет години. Ние правим няколко дузини различни конструкции, понеже може да варираме касетите и гените, които отиват за направата на този изкуствен хромозом. Основният въпрос е, как да се поставят останалите части? Започваме с тези части, и после имаме система за хомологична рекомбинация, която сглобява отново тези неща в хромозом.

Това е извлечено от организъм, deinococcus radiodurans (деинококус радиодурандис), който може да поеме три милиона рада от радиация и да оцелее. Той пренарежда своя геном, след тази разрушителна радиация, за около 12 до 24 часа, след като хромозомите му са буквално издухани един от други. Този организъм съществува навсякъде на планетата, и вероятно сега съществува в космическото пространство, заради всички наши пътувания там. Това е стъкленица след около половин милион рада от радиация. Стъклото започна да гори и да се пука, докато микробите, стоящи на дъното, станаха все по-щастливи и по-щастливи. Ето и снимка на това, което се случва в действителност: горната част показва генома след 1,7 милиона рада от радиация. Хромозомите са буквално издухани. А ето го това същото ДНК, автоматично сглобено отново, 24 часа по-късно. Наистина е изумително, че тези организми могат да правят това, и вероятно ние имаме хиляди, ако не и десетки хиляди различни видове на тази планета, които могат да направят това. След като тези геноми са синтезирани, първата стъпка е просто да ги трансплантираме в клетка без геном.

И така, ние мислим, че синтетичните клетки ще имат огромен потенциал, не само за разбирането на основите на биологията, но, да се надяваме, за проблемите с околната среда и обществото. Например, при третия организъм, който секвентирахме methanococcus jannaschii (метанококус янасхии): той живее при температури на кипене, неговият енергиен източник е водород, и всичкият му въглерод идва от CO2, който улавя обратно от околната среда. Така че знаем много различни пътища, хиляди различни организми, които живят от CO2, и могат да го уловят отново. И така, вместо да използваме въглерод от петрол за синтетични процеси, имаме възможността да използваме въглерод и да го улавяме обратно от атмосферата, преобразувайки го в биополимери или други продукти. Имаме един организъм, който живее от въглероден оксид, и който използваме като намаляваща сила, за да се раздели вода за производството на водород и кислород. Също така, има много пътища, които могат да бъдат използвани, за да се метаболизира метана. ДюПонт има голяма програма със Статойл в Норвегия, за улавянето и преобразуването на метана, от тамошните газови полета, в полезни продукти.

В скоро време мисля, че ще има нова област, наречена комбинаторна генетика, понеже с тези нови възможности за синтез, този огромен репертоар от генни масиви и хомологичното рекомбиниране, ние мислим, че може да разработим робот, който да прави може би, по един милион различни хромозоми на ден. И затова, както и в цялата биология, човек получава подборка чрез избиране, било чрез подбор за произвеждане на водород, за произвеждане на химикали, или просто за жизнеспособност. Разбирането на ролята на тези гени ще бъде в рамките на достижимото.

Опитваме се да модифицираме фотосинтезата, за да произвеждаме водород директно от слънчевите лъчи. Фотосинтезата е модулирана от кислород, а ние имаме нечуствителна към кислород хидрогинеза, която мислим ще промени напълно този процес. Също така комбинираме целулаза, ензимът, който разгражда сложни захари на прости захари, и ферментиране в една и съща клетка, за да произвеждаме етанол. Фармацевтично производство е вече в ход в големи лаборатории, използвайки микроби. Химията на съединенията в околната среда е от порядъка на няколко степени по-сложна, отколкото нашите най-добри химици могат да произведат. Мисля че бъдещите изработени видове, биха били източник на храна, да се надяваме, източник на енергия, лек за околната среда, и вероятно ще заменят нефтохимическата промишленост.

Нека да завърша с няколко етически и политически изследвания. Ние отложихме началото на нашите опити през 1999, докато не приключихме биоетично изследване за година и половина, за това, дали трябва да се опитаме да направим изкуствени видове. Всяка основна религия участва в това, в действителност беше много странно изследване, понеже различните религиозни лидери използваха своите религиозни книги като закони и не успяха да открият нищо в тях, което да забранява създаването на живот, така че това трябва да е наред. Единственото голямо притеснение, бяха аспектите на биологична война, свързани с това, но те ни дадоха тласъка да започнем с тези опити, поради причините, заради които ги правехме.

В момента фондацията Слоун тъкмо финансира мулти-институционално изследване по този въпрос, за да се разбере какви ще са рисковете и ползите за обществото, и правилата, които научните тимове, като моят, би трябвало да използват в тази област, и ние се опитваме да даваме добри примери докато напредваме. Това са сложни въпроси. С изключение на заплахата от биотероризъм, те са много прости въпроси по отношение на това дали можем да създем неща за произвеждане на чиста енергия, може би да революционизираме, това, което могат да направят развиващите се страни, и да предоставим различни прости процеси. Много ви благодаря.