Естественный отбор, случайность и ножницы – Кровь5

Алексей Каменский

Естественный отбор, случайность и ножницы

Как Сальвадор Лурия, сам того не зная, дал начало фармакологии будущего

Сальвадор Лурия, 1969 год
Фото: wikipedia.org

Кто-то мечтает самовыразиться или принести пользу людям. Другие выбирают профессию, которая обещает путешествия, или хороший доход, или разгадку какой-нибудь грандиозной научной тайны. Или вообще не выбирают и плывут по течению. А Сальвадор Лурия искал то, что ему любопытнее всего. Даже если это, на первый взгляд, мелочь. Нобелевский комитет оценил такой подход.

Сегодня Сальваторе Лурии, как его звали до эмиграции в Америку, исполнилось бы 109 лет. Он родился в Турине в благополучной и уважаемой еврейской семье. Окончил частный колледж, потом медицинский факультет Туринского университета. Два года – во время обязательной службы – проработал армейским доктором. Дальнейшие события он объяснял так: осматривать и лечить пациентов интересно и поучительно, у меня неплохо получалось, но это не мое.

Лурия увлекся радиологией: ему казалось, что физика обогнала в своем развитии медицину, а радиология как раз то, что позволит построить мостик между этими двумя науками. Но и радиология оказалась не тем.

Пока Сальваторе пытался разобраться со своими увлечениями, в мире происходили грандиозные и ужасные события. И они – в значительной степени случайно – помогли ему найти то самое «мое».

Муссолини начал наступление на евреев, и когда дошло до того, что финансирование научных исследований с их участием было затруднено, Лурия вынужден был уехать в Париж. Вскоре Франция была захвачена, и ему пришлось переехать в США.

Два слова справедливости ради: Лурия не просто бежал из тех мест, где становилось плохо. Он много занимался политикой: вместе с другими учеными пытался бороться против атомной бомбы, выступал против войны во Вьетнаме. Но как ученый он сделал гораздо больше, чем как политический трибун.

Еще в Париже у Лурии появилось новое увлечение, теперь уже на всю жизнь, – бактериофаги. Для тех, кто с ними имеет дело, просто фаги. Фаги – это вирусы, поражающие бактерии. Одним из самых известных их исследователей был немец Макс Дельбрюк. Дельбрюк тоже эмигрировал в США, здесь двое ученых и встретились.

Сальвадор Лурия и Макс Дельбрюк, 1946 год
Фото: Archives at NCBS

Задача со всеми неизвестными

Может показаться, что фаги – это какой-то закоулок живой природы, локальная, очень специальная тема. На самом деле нет. Фагов больше, чем любых других вирусов. Это во-первых. А во-вторых, на их взаимоотношениях с бактериями очень удобно изучать генетику: у тех и других поколения меняются очень быстро.

Бактерия, изменяясь, учится защищаться от фага, а тот прощупывает, как обойти новые рубежи обороны. Эксперименты, на которые с участием даже короткоживущих мышек ушли бы годы, здесь можно проделать за часы.

Дело было в 1940-х годах. В России царил Трофим Лысенко, но на Западе про генетику уже многое было понятно. Томас Морган уже проделал свои эксперименты с дрозофилами, наследовавшими необычный цвет глаз, маленькие крылышки и другие мутации по строго определенным законам. Устоялся взгляд на естественный отбор как основу эволюции. Но непонятно было, под влиянием чего происходят мутации.

Может, это умный ответ организма на изменившиеся условия? Что-то в окружающем мире пошло иначе, и это действует как нажатие на кнопку выключателя: животные в ответ начинают меняться, приспосабливаться, передавать по наследству нужные признаки.

Ну а второй вариант – глупый и бессмысленный. Мутации происходят всегда, без цели и определенного направления. Просто заметить их гораздо легче, когда условия жизни резко меняются и некоторые мутанты оказываются к ним более приспособленными.

Мы теперь понимаем, как оно устроено. Но Лурия с Дельбрюком, начиная сотрудничество, ничего не знали ни про кроссинговер, увеличивающий разнообразие генотипов у детей по сравнению с родителями, ни про сам механизм мутаций. Им предстояло выяснить причину поведения объекта, не понимая, что у него внутри.

Закон везения

Сальвадор – так Лурия изменил свое имя, переехав в Америку и получив второе гражданство, – рассказывал, что идея их с Дельбрюком эксперимента пришла ему в голову при наблюдении за игровыми автоматами. Фактически случайно. Он даже свою автобиографию назвал в честь случайности: «Игровой автомат, разбитая пробирка». И в то же время он говорил, что научные исследования для него «не работа даже, а этический вопрос, выбор в пользу рационального мышления».

Как сочетаются в жизни рациональность и случайность? Вот именно это Лурии и надо было выяснить. Он разработал дизайн эксперимента, который известен как «опыт Лурии – Дельбрюка» и должен был определить, случайно или по плану меняются живые организмы.

Сальвадор Лурия и Макс Дельбрюк
Фото: wikipedia.org

Этот эксперимент двое ученых проводили неоднократно разными способами. Вот самый простой: они взяли культуру бактерий и высеяли по одинаковому объему в два десятка одинаковых образцов питательной среды, содержавшей фаги. И стали наблюдать, как бактерии справятся с вирусной инфекцией.

Если верить гипотезе 1 (назовем ее рациональной: толчок мутациям дает смена внешних условий), приобретение бактериями иммунитета и последующее размножение во всех образцах должны были бы идти с примерно одинаковой скоростью. Гипотеза 2 – о бессмысленности. Если разнообразные и как бы бесцельные мутации идут всегда, независимо от внешних условий, выживание и размножение бактерий во враждебной вирусной среде – вещь случайная, зависящая от везения. Где-то нужная мутация, дающая иммунитет, происходит быстро, а в другом месте ее приходится ждать существенно дольше.

В каждом из образцов возникали колонии бактерий, сумевших справиться с вирусом. Оставалось сравнить количество таких колоний в разных образцах. Конечно, заслуга Лурии с Дельбрюком не только в самой идее, но и в разработке математического аппарата, чтобы отличить случайное от закономерного. Нам его не понять, но разброс количества колоний так велик, что ясно и без высшей математики. Были пробирки, в которых через заданное время не образовалось ни одной колонии, а были такие, где количество колоний перевалило за сотню: бактериям в них просто повезло.

Эксперимент доказал, что мутации по сути своей бессмысленны: организм не ставит себе никаких целей и не понимает, какие качества и зачем передавать потомкам. Просто иногда складывается удачно, а иногда нет.

Эксперимент Лурии – Дельбрюка. Две возможности, проверенные экспериментом Лурия – Дельбрюк. (A) Если мутации индуцируются средой, ожидается, что примерно одинаковое количество мутантов появится на каждой чашке. (B) Если мутации возникают спонтанно во время деления клеток перед посевом, на каждой чашке будет сильно варьирующееся количество мутантов
Иллюстрация: wikipedia.org

Неудачный Нобель

Нобелевский комитет, как обычно, оценил достижения исследователей не сразу. Их работа была опубликована в 1943 году, а премию они получили в 1969-м, причем не за один эксперимент, а по совокупности исследований. И получили на троих: Лурия, Дельбрюк и генетик Альфред Херши, изучавший структуру ДНК.

Более того, семью годами раньше, в 1962-м, получили нобелевку за открытие двойной спирали ДНК Джеймс Уотсон и еще двое исследователей, работавших под руководством Лурии.

Ходили разговоры, что руководитель тоже заслуживал награды. Но, по правилам Нобелевского комитета, лауреатов, делящих между собой приз, должно быть не больше трех. В результате Лурия получил признание позже своих учеников.

Впрочем, сам он по этому поводу, кажется, особо не расстраивался. Говорил только, что члены комитета приняли решение даже чересчур быстро и им бы стоило еще немного подумать. Дело в том, что размер премии менялся с течением времени, и как раз в 1970-м, через год после награждения Лурии с коллегами, заметно вырос.

Жизнь как интеллектуальное приключение

Врач Ролла Дайер и Сальвадор Лурия
Фото: Sam Silverman / NLM

Раз погрузившись в мир бактерий и вирусов, Лурия уже и не пытался из него выбраться. Наука быстро двигалась: в 1950-х он получил возможность исследовать изнутри то, что за десятилетие до того изучал лишь статистически. Лурия взялся за сам механизм бактериального иммунитета против вирусов и обнаружил хорошо известные сейчас «генетические ножницы», они же белок рестриктаза.

С помощью этого белка бактерия режет на части и уничтожает оказавшийся внутри нее геном вируса. Это часть механизма. У бактерий есть система запоминания вирусов, с которыми им уже удалось успешно справиться, а также «предохранитель», не дающий «ножницам» бактерии покромсать ее собственный геном (обо всем этом в интервью Кровь5 подробно рассказывал директор Института персонализированной медицины НМИЦ эндокринологии и Центра геномных технологий и биоинформатики МФТИ Павел Волчков).

Открытие бактериального иммунитета имело среди прочего грандиозные медицинские последствия: «ножницы» научились использовать для редактирования человеческого генома.

Так далеко Лурия, может, и не заглядывал, но сказал в своей нобелевской речи, что «с фагов началась современная микробиология». А свои исследования он тогда назвал «большим интеллектуальным приключением». Кроме этих двух общих фраз понять что-то из Нобелевской лекции Лурии мне не удалось: он сразу с азартом углубился в микробиологические детали.

Шел 1969 год, и у Лурии обнаружилось новое увлечение, которое, как он считал, тоже, дайте только срок, должно было перевернуть науку. Теперь он занимался бактериоцинами – белками, которые выделяют некоторые бактерии в целях конкурентной борьбы: бактериоцины повреждают мембрану других бактерий. Прорыва в этой сфере пока не произошло. Хотя, возможно, мы его просто еще не дождались.


Стать донором Помочь донорам
Читайте также