27. Очередь к ферменту

В пробирках Сола Шпигельмана в Иллинойсском университете в середине шестидесятых шла жизнь без живых. В каждой была РНК бактериального вируса Qβ, копирующий фермент этого вируса, россыпь строительных блоков и немного соли. Больше ничего: ни клетки, ни бактерии, которую вирус мог бы заразить. РНК копировалась, потом каплю из пробирки переносили в свежую смесь, и с каждым пересевом на копирование давали всё меньше времени. К семьдесят четвёртому пересеву от молекулы осталась примерно шестая часть. Как если бы книгу перепечатывали наперегонки и из каждых шести страниц сами собой выпали пять.

Выпали гены, без которых вирус не проникнет в бактерию и не соберёт себе оболочку. В пробирке заражать было некого, и эти гены только тянули время: длинную цепочку фермент копирует дольше короткой. Фермент иногда ошибался, среди копий попадались укороченные, они размножались быстрее, и в каждой следующей капле их становилось больше. Через несколько лет из той же системы выделили цепочку чуть длиннее двухсот звеньев: если считать звено за букву, получится полторы фразы вроде этой. Её прозвали монстром Шпигельмана. Никто её не проектировал. Её сделала очередь к ферменту.

Копирование по шаблону досталось с прошлого этажа: новая цепочка собирается, прикладываясь к старой буква к букве. Здесь к нему добавились две вещи, ошибки и нехватка. Копий больше, чем сырья и времени, и копии чуть-чуть разные. Этого хватает, чтобы у последовательности появилась история.

Ни одна молекула в пробирке не хотела стать короче: у отдельной цепочки нет ни цели, ни успеха, она либо копируется, либо распадается. А популяция пересев за пересевом двигалась в одну сторону. Направление появилось там, где сошлись три вещи: копии немного различаются, различия передаются потомкам, и одни варианты оставляют больше потомков, чем другие. Биологи называют это приспособленностью: сколько копий вариант оставил к следующему пересеву. У одной молекулы её не измерить, только у линии потомков во времени. Поэтому выигрывает не самый прочный вариант, а самый плодовитый, и у Шпигельмана им оказалась самая короткая цепочка, ни на что больше не способная. Отбор не усложняет по плану, он выбрасывает всё, что не помогает размножаться прямо сейчас.

У этого опыта есть честная граница. Копировала белковая машина вируса, а РНК была только текстом. Рукопись, которую переписывает чужой писец, побеждает тем, что её удобно переписывать, а не тем, что она умеет писать сама. Самостоятельный репликатор, молекула, которая сама делает себе потомков, должен быть и текстом, и писцом.

Для РНК это не запрещено. В начале восьмидесятых Томас Чек увидел, как кусок РНК инфузории вырезает сам себя без всякого белка, а Сидни Олтмен показал, что в ферменте, который подрезает другие РНК, режет не белок, а РНК. Нобелевскую премию по химии они потом разделили на двоих. Гипотезу, что жизнь начиналась с РНК, которая и хранит запись, и работает, набросали ещё в конце шестидесятых, задолго до этих находок, а имя «мир РНК» ей дал Уолтер Гилберт, когда первые РНК-ферменты уже были найдены.

В 2009 году в лаборатории Джеральда Джойса две молекулы РНК начали печатать друг друга. Каждая сшивала копию напарницы из двух готовых половинок, и число копий удваивалось примерно за час, пока в смесь подсыпали половинки. Когда в одной пробирке смешали разные варианты таких пар, они стали соревноваться, и побеждали самые быстрые. Но это не ксерокс, а степлер: половинки заранее синтезировали люди, и вариантов у такой системы немного.

Есть и РНК, которые собирают чужие цепочки из отдельных букв, но сами они громоздкие и переписать себя не могут. Мешает беда, которую описал Манфред Эйген: чем чаще копировщик ошибается, тем короче запись, которую он способен пронести через поколения. Как в испорченном телефоне, короткое слово доходит до конца цепочки, а длинная фраза расплывается. Для длинной записи нужен точный копировщик, а точный копировщик сам получается длинной записью. В 2026 году в лаборатории Филиппа Холлигера в Кембридже описали РНК короче строчки этой книги, которая во льду собрала и свою парную цепочку, и копию самой себя. Правда, из готовых трёхбуквенных кусочков, за месяцы и с ничтожным выходом, так что круг, который крутился бы поколение за поколением, пока никто не замкнул.

Была ли РНК первой, учёные до сих пор спорят. Сторонники другой версии считают, что сначала закрутились циклы химических реакций без всякой записи, вроде кругов Кауфмана, а гены пришли позже. Прямых следов нет: последний общий предок всего живого, восстановленный по генам нынешних организмов, уже был клеткой с белками и ДНК, и мир репликаторов лежит глубже него.

Зато сам отбор можно смотреть вживую. С 1988 года в опыте, который начал Ричард Ленски, живут двенадцать линий кишечной палочки от одного предка. Каждый день их пересевают в свежую среду, а через равные промежутки часть культуры замораживают, так что у опыта есть летопись, из которой можно разбудить любое прошлое. Бактерии прошли больше восьмидесяти тысяч поколений, у людей на это ушло бы около двух миллионов лет. Одна линия научилась поглощать цитрат, когда вокруг есть кислород, чего кишечная палочка обычно не умеет. Зак Блаунт будил из морозилки её предков из разных поколений и показал, что новинка появляется снова только у поздних, в которых уже накопились мутации, сами по себе к цитрату не ведущие. Новинка прижилась только на почве, которую задолго до того исподволь подготовили эти незаметные перемены.

Дальше от репликатора расходятся три дороги. Механизм на всех один, а различаются они тем, что копируется и кто копирует. По одной репликатор сбрасывает всё, кроме умения быть скопированным чужой машиной: так живёт вирус, и пробирки Шпигельмана эту стратегию уже показали. По другой тот же отбор запускается заново внутри тела и за дни и недели выводит нужные антитела, как пересевы выводили быструю РНК.

Главная дорога ведёт к клетке и ко всему живому. Монстру Шпигельмана писца выдали люди: отмерили в пробирку фермент вместе с солью и строительными блоками. Живому писца никто не выдаёт. Его приходится записывать в том же тексте, который он переписывает, а значит, текст должен не только копироваться, но и что-то означать.