Это достижение открывало невиданные ранее возможности для применения биотехнологии в столь разных областях, как, например, производство синтетического топлива и медицина. Однако вскоре стало ясно, что Синтия не помогает определить источник информации, использовавшейся для построения самых первых клеток. Вентер, как до него Уиммер, по сути, скопировал инструкцию, которую природа создавала на протяжении 4 млрд лет. Это было потрясающее техническое достижение, но оно не давало ответа на вопрос, как зародилась жизнь.
Шостак задумался над созданием искусственной клетки еще в середине 1990-х гг. От Вентера и Уиммера его отличало то, что он хотел понять механизм зарождения жизни, а не просто воспроизвести созданную природой инструкцию. Для него основной вопрос заключался в том, каким образом появилась эта инструкция. Он отталкивался от результатов замечательной серии экспериментов, выполненных в 1960-х гг. биохимиком Солом Шпигельманом, который в свое время пригласил Карла Вёзе на работу в Иллинойский университет.
Шпигельман и его коллеги осуществили важный эксперимент, в котором показали, что молекулы РНК могут вести себя подобно живым организмам и самостоятельно эволюционировать (вполне в дарвиновском смысле) в пробирке. Шпигельман начал с вируса, называемого бактериофагом Qβ (ку-бета), который инфицирует всем известную кишечную палочку Escherichia coli. Геном Qβ состоит из РНК. Ученые очистили РНК, а также белок, ответственный за ее репликацию, а затем смешали их в пробирке, добавив туда все простые молекулы, необходимые белку для построения новых молекул РНК Qβ. Через некоторое время несколько капель смеси, уже содержавшей разные неполные копии исходной молекулы РНК, перенесли в новую пробирку, где были только белок и простые молекулы предшественников. Процедуру повторили 74 раза, каждый раз перенося из последней пробирки в новую по несколько капель смеси. При каждом пассаже отбиралась новая популяция мутантных молекул, служившей отправной точкой для «эволюции», осуществлявшейся в следующей пробирке.
В конце эксперимента обнаружилось нечто невероятное: РНК из пробирки № 74 состояла всего из 218 нуклеотидов, тогда как исходная молекула РНК бактериофага содержала около 4500 нуклеотидов. Произошло своеобразное соревнование, в котором выиграли самые короткие молекулы. И это понятно: чем короче молекулы, тем быстрее они копируются и, следовательно, вытесняют более длинные молекулы. Таким образом, Шпигельман воспроизвел в пробирке некий вариант естественного отбора для изолированных молекул РНК. Коллеги назвали полученные им молекулы «монстрами Шпигельмана».
В 1975 г. два исследователя из лаборатории химика Манфреда Эйгена выполнили удивительный эксперимент, отталкиваясь от результатов Шпигельмана. В этот раз исследователи просто смешивали простые молекулы предшественников и копирующий белок, не добавляя матрицу РНК. Удивительно, но через какое-то время они обнаружили молекулы, очень похожие на минимальные молекулы РНК, полученные Шпигельманом. Это позволило заключить, что при оптимальных условиях информационная молекула типа молекулы РНК может возникать самопроизвольно. Результаты Шпигельмана и его коллег стали основой для дальнейших исследований происхождения жизни. Проблема заключалась только в том, что молекулы, на самом деле, не могут реплицироваться самопроизвольно: они копируют себя только в присутствии копирующего белка, который сам является сложным продуктом биологической инструкции. Таким образом, концепция самореплицирующейся РНК стала чашей Грааля для тех, кто верил в гипотезу «мир РНК»
[65].
В то время как несколько исследовательских групп пытались найти такую самореплицирующуюся молекулу РНК, Шостак решил начать со следующего этапа и сразу синтезировать целый организм на основе РНК. В сотрудничестве с биохимиком Пьером Луиджи Луизи в 2003 г. Шостак начал работать над созданием настоящей клетки на основе РНК, состоящей из РНК и липидной мембраны.
Шостак считал, что первые формы жизни могли представлять собой просто изолированные молекулы РНК. Однако первым клеткам (FLO) для дальнейшей эволюции была необходима мембрана. По мнению Шостака, мембрана была необходима по двум основным причинам. Во-первых, связанные между собой молекулы вместе эволюционируют. Казалось маловероятным, что одна нить РНК может выполнять всефункции, необходимые для размножения клетки. Скорее, требовалось небольшое семейство молекул, удерживаемых вместе в замкнутом пространстве, где они могли функционировать сообща. Такие молекулы могли копировать друг друга и способствовать эволюции друг друга.
Во-вторых, существует родственная проблема, заключающаяся в необходимости избавляться от иждивенцев. Молекула РНК, способная воспроизводить другие молекулы РНК, стала бы привлекать множество паразитических молекул, не участвующих в «общем деле». Заключение копирующей рибосомы вместе с ее помощниками в замкнутое пространство (и исключение, таким образом, всех иждивенцев типа РНК-вирусов) значительно повысило бы эффективность работы ансамбля.
Мембраны всех современных клеток состоят из так называемых амфифильных молекул, основной которых являются жиры, такие как сало или кокосовое масло, входящее в состав почти любого мыла или шампуня. В воде в соответствующих условиях эти вещества самопроизвольно образуют капельки разного размера, аналогичные простым клеточным мембранам. Вполне резонно предположить, что таких липидных капелек было множество на первозданной Земле – еще до того, как жизнь научилась их создавать. Подобные молекулы были обнаружены в метеоритах, например в Мерчисонском метеорите, а из органического «клея», часто содержащегося в таких метеоритах, образуются похожие капли. В мелких земных водоемах этот «клей» вполне мог самопроизвольно образовывать структуры, напоминающие клетки.
В нескольких кварталах от реки Чарльз в Бостоне, на седьмом этаже исследовательского корпуса Медицинского факультета Гарварда, в маленькой комнатке размером с чулан стоит микроскоп. На двери – старая фотография Махатмы Ганди. Одетый в традиционную одежду индийский святой и вождь борьбы за независимость глядит сверху вниз в маленький микроскоп. Из мебели в комнате только стул и небольшой стол, на котором и установлен микроскоп. На стене приклеена вырезка из газеты. Это изображение протоклетки в том виде, в каком ее представляет себе Шостак: ярко окрашенная и простая, лишенная всех привычных клеточных структур, за исключением одной нити РНК. Рядом надпись «Рождение клетки».
Если Шостаку и его коллегам повезет в создании живой модели FLO, люди впервые увидят клетку на основе самореплицирующейся РНК именно здесь, в этой комнате. Это будет самое примитивное существо из всех живущих сейчас на Земле. И это будет фундаментальное открытие, которое, несомненно, взволнует журналистов. Многие считают, что такой эксперимент в значительной степени позволит найти разгадку происхождения жизни.
