В лаборатории, оборудованной на первом этаже обычного офисного здания в калифорнийском городке Менло-Парк, в металлическом ящике размером с комод работают два лазера. Миновав систему зеркал и линз, их тонкие лучи падают на маленькое стеклышко, вмонтированное в странное устройство, своими металлическими ножками напоминающее робота-насекомое из фантастического фильма. Стеклышко усеяно тысячами отверстий — такими крохотными, что их невозможно увидеть невооруженным взглядом. В каждом отверстии — помещенные в специальный раствор образцы ДНК.
Что это за устройство? Перед нами опытный образец самого быстродействующего из придуманных человеком декодера ДНК. ДНК состоит из последовательности аминокислот — аденина, тимина, гуанина и цитозина, сокращенно A, T, G и C. Установление точной последовательности «букв» генетического кода — это и есть расшифровка ДНК, или, как говорят специалисты, секвенирование.
Существующие приборы-секвенаторы тратят на считывание последовательности из миллионов букв ДНК дни или даже недели. А вот устройство из Менло-Парк сможет делать это за 15 минут. Создатель прибора, физик Стивен Тернер выдвинул идею чтения генетического кода в наноотверстиях 12 лет назад и в 2000 году, чтобы воплотить идею в жизнь, основал собственную компанию. Для высокотехнологичного бизнеса это было не лучшее время, и в отсутствие венчурного капитала Тернер, посоветовавшись с женой, вложил в компанию все свои небольшие сбережения — $65 000.
Сейчас Pacific Biosciences (сокращенно PacBio, так Тернер называет свою компанию) сравнивают с Google, Apple и Intel — но не по нынешнему положению в отрасли, а по масштабу переворота, который она еще только может совершить в биологии и медицине. «Если они достигнут успеха, у них в руках будет хороший бизнес, — говорит нобелевский лауреат 2006 года и член совета директоров PacBio Роберт Корнберг. — У этой технологии исключительный потенциал». С помощью нового прибора исследователи, занимающиеся вирусами, смогут быстро просматривать тысячи образцов ДНК. Удастся разобрать геномы растений, не поддающиеся многим из ныне существующих приборов. В Стэнфордском университете приборы PacBio используют не только для работы с ДНК, но и для изучения синтеза белков в клетке. Устройство PacBio может стать мощным молекулярным микроскопом, который позволит исследователям следить за тем, как лекарственный препарат блокирует ферменты, и применять полученные данные для создания более действенных лекарств.
Поиск быстрого и дешевого способа считывать ДНК — одно из главных дел, которым сейчас занимаются генетики всего мира. Стоимость чтения ДНК одного человека сократилась с $1 млрд в 2000 году до $1 млн в 2007 году. Американская компания Illumina этим летом начала продавать человеческие геномы по $50 000. Еще одна компания из США, Complete Genomics, прогнозирует, что благодаря одновременной обработке большого числа геномов в будущем году затраты на чтение ДНК человека упадут до $5000.
Сейчас PacBio собирает десять пробных установок. Их получат крупные академические центры и компании, бизнес которых так или иначе связан с генетикой (например, Monsanto, которая занимается генно-модифицированными растениями). Тернер планирует начать продажу готовых машин во второй половине будущего года. Цена пока не раскрывается, но ожидается, что она не превысит $600 000 (правда, необходимые химикаты будут стоить тоже сотни тысяч долларов). PacBio, в которой работают 280 сотрудников, привлекла $260 млн венчурных инвестиций и ищет дополнительные деньги, потому что до прогнозируемого выхода на окупаемость в середине 2012 года она планирует потратить в общей сложности $350 млн. Следующая порция денег может поступить в будущем году от размещения акций.
Современная эпоха чтения ДНК началась в 1992 году, когда Крейг Вентер показал, как с помощью множества существовавших тогда устройств по секвенированию генов можно секвенировать целый организм. Его метод использовался в проекте «Геном человека» стоимостью $3 млрд, осуществленном при поддержке правительства США.
В конце 1990-х биохимик Джонас Корлак и его друг Стив Тернер работали в соседних лабораториях Корнеллского университета. Корлак вынашивал альтернативный метод секвенирования ДНК, более дешевый и не уступающий прежнему в быстродействии.
Технология того времени требовала, чтобы ДНК была разделена на небольшие отрезки, внедрена в бактерии и затем помещена в устройства, которые определяли генетический код, сортируя его «буквы» A, T, G и C по длине. Для этого метода было необходимо большое число молекул ДНК и множество дорогостоящих химикатов.
В качестве альтернативы Корлак предложил «запротоколировать» процесс копирования ДНК в клетках. Ведь клетка считывает и копирует весь геном каждый раз, когда делится. ДНК устроена как застежка «молния» с буквами A, T, C и G вместо зубчиков. Поскольку A соединяется только с T, а G — только с C, если «расстегнуть» и восстановить молекулу, получаются две одинаковые копии. Корлак предложил пометить буквы флуоресцирующими красителями. А чтобы отследить слабое свечение красителя, решено было использовать стекло, покрытое тончайшим слоем алюминия с микроскопическими отверстиями, так называемыми безмодовыми волноводами. Тернер с женой начали тратить свои сбережения на регистрацию патентов (чтобы в них не было долей, принадлежащих Корнеллскому университету) и на проведение исследований, чтобы получить грант Национальных институтов здравоохранения. В 2003 году статья Тернера, описывающая первый прототип устройства, была анонсирована на обложке престижного журнала Science.
Его работа привлекла внимание Уильяма Эриксона, партнера венчурной компании Mohr Davidow Ventures. Большинство венчурных капиталистов не интересовались секвенированием генов, поскольку проект «Геном человека» уже был завершен, но Эриксон подумал, что дешевые аппараты для секвенирования — перспективный бизнес, и выделил Тернеру $5,5 млн (впоследствии эта сумма значительно выросла). Ученый ушел из Корнеллского университета и основал PacBio. Чтобы сосредоточиться на исследовательской работе, он не стал претендовать на пост генерального директора компании — его получил Хью Мартин, топ-менеджер из телекоммуникационной отрасли. Соавтор технологии Корлак присоединился к компании в марте 2004 года.
Пока в PacBio конструировали свой аппарат, конкуренты не спали. Выходившие на рынок новые устройства существенно сократили стоимость секвенирования. В 2007 году компания 454 Life Sciences секвенировала геном Джеймса Уотсона, открывшего структуру молекулы ДНК, за $1 млн. Complete Genomics недавно объявила, что секвенировала 14 человеческих геномов для Pfizer, Гарвардского университета и других организаций по $20 000 за каждый. Вместо того чтобы продавать аппараты, Complete занимается секвенированием сама, она поставила дело на поток и сокращает издержки за счет одновременной работы над множеством геномов. Компания заявляет, что в следующем году секвенирует 10 000 человеческих геномов. «Большая проблема для любой компании, работающей в области секвенирования, состоит в том, что процесс становится слишком дешевым», — считает Исаак Ро, аналитик по геномике инвестиционного банка Leerink Swann.
PacBio опасается конкуренции и акцентирует внимание на тех возможностях своей машины, которых конкуренты лишены. Николас Шорк, профессор Исследовательского института Скриппса в Сан-Диего, пытается с помощью технологий PacBio понять, почему некоторые резистентные к фармакологическим препаратам бактерии более смертоносны, чем другие. Современные скоростные секвенаторы могут читать лишь короткие отрезки ДНК, которые приходится собирать в нужной последовательности на суперкомпьютере. «При этом остаются незамеченными случаи, когда нарушение порядка участков ДНК превращает безвредные некогда бактерии в убийц, — говорит он. — PacBio оперирует более крупными элементами пазла».
Аппарат PacBio способен секвенировать не только ДНК. Многие вирусы содержат молекулу РНК, сходную по строению с молекулой ДНК. PacBio, в отличие от конкурентов, способен напрямую секвенировать РНК. В перспективе это поможет исследователям понять, почему одни штаммы гриппа опаснее других. Аппарат PacBio также позволил исследователям Стэнфордского университета проследить за работой рибосомы, которая синтезирует в клетках белки на основании кода ДНК. Лучше понимая работу рибосомы, фармацевты смогут разработать новые антибиотики, треть которых действует, повреждая рибосомы бактерий.
Сейчас прототипы лежат разобранными на полу, а инженеры доводят их до ума, чтобы добиться более устойчивой работы. Судя по всему, Тернер и его коллеги — веселые люди: их аппараты названы именами персонажей мультсериала «Симпсоны».