Карл Вёзе (Carl Woese), чья фамилия по-английски произносится как «Воуз», знаменит тем, что фактически в одиночку доказал существование третьего домена жизни. До его работ живой мир делили на два царства — эукариоты и прокариоты. Однако мир прокариот настолько разнообразен и зыбок, что систематики переломали массу копий, пытаясь свести вместе принципиально необъединяемое. Карл Вёзе же, введя третье царство, внес недостающую логику в учение о систематики прокариот, а также дал новое понимание путей эволюционного развития.

Вёзе родился в Нью-Йорке в 1928 году; степень кандидата наук по биофизике получил в Йельском университете. Начав работу в исследовательской лаборатории компании Дженерал Электрик в Нью-Йорке, он заинтересовался проблемой эволюции генетического кода. В 1964 году он перешел работать в команду Сола Спигельмана (Sol Spiegelman), на кафедру микробиологии университета Иллинойса, где и проработал всю оставшуюся жизнь.

В Иллинойсе Вёзе изучал сначала последовательности 5S рибосомальной РНК (рРНК) различных организмов, интерес к которым был вызван тем, что он первым осознал, что рибосомальная РНК является идеальным хронометром эволюции [1], по которому удобно сравнивать степень родства организмов. рРНК характеризуются низким уровнем мутационной изменчивости и выполняют одинаковые функции во всех организмах. Эти работы позволили ему под новым углом взглянуть на проблему классификации микроорганизмов. В то время эта область микробиологии была невероятно запутанной, поскольку класификация в основном базировалась, как и во времена Левенгука, на описательных характеристиках, таких как форма клеток и внешний вид бактерий.

Поскольку 5S РНК слишком короткие (всего 120 нуклеотидов), Вёзе в начале 1970-х годов переключился на сравнительное изучение другой рРНК — 16S, которая значительно длиннее (более 1500 нуклеотидов) и поэтому лучше подходит для характеристики эволюционного положения вида.

Он начал секвенирование («чтение» последовательности) 16S РНК из всех микроорганизмов, до которых только мог дотянуться, используя метод РНК-фингерпринтинга (RNA «fingerprinting»). Принцип этого метода, предложенного Фредериком Сэнгером, заключается в сравнении двухмерных электрофореграмм продуктов частичного гидролиза рРНК из двух образцов рибонуклеазой Т1 (рис. 1). В соответствии с их нуклеотидным составом, различные рРНК могут давать различные фрагменты, местоположение которых будет различаться. Анализ более чем 100 микроорганизмов занял долгие годы, однако овчинка стоила выделки.

Однажды, анализируя 16S РНК из метанотрофного микроорганизма, Вёзе наткнулся на удивительный результат. Знакомая картинка, состоящая из примерно 100 пятен, каждое из которых соответствовало своему фрагменту РНК, была странно сдвинута. Некоторые точки были аналогичны имеющимся у других бактерий, тогда как другие, напротив, отсутствовали. Также были новые, не характерные для большинства бактерий, пятна. Это была молекулярная «подпись» из другого, не бактериального, мира.

Рибосомальные РНК некоторых других бактерий, особенно экстремофилов, также воспроизводили эту необычную, сдвинутую картинку. В 1977 году Вёзе со своим пост-доком Джорджем Фоксом (George Fox) опубликовал в Докладах АН США сообщение об открытии группы архебактерий, эволюционно отстоящих от других бактерий [3]. Эта статья стала поворотным пунктом в систематике живого мира, заменив дихотомическую картину (эукариоты / прокариоты) на трех-ветвистую (эубактерии / археи / эукариоты) (рис. 2). Первоначально введение домена архей породило шквал критики: как это часто бывает, автора открытия записали в ряды противников теории Дарвина! Однако постепенно признание к нему пришло, включая многочисленные престижные научные награды. В контексте это абзаца уместно заметить, что сегодня деление живого на три части снова поставлено под вопрос после открытия гигантских вирусов, которые вполне могут представлять отдельный, ранее не описанный, домен [4].

Кроме преобразования биологической систематики, Вёзе внес вклад и в изучение рибосом. Он предложил использовать нуклеотидные последовательности РНК для определения их вторичной структуры. Анализируя вторичную структуру 16S и 23S рРНК, он с сотрудниками обнаружил фрагменты, консервативные во всех организмах, что позволило предположить «скелетную» функцию рРНК в строении рибосомы.

Следующие работы Вёзе породили еще одно новое направление — использование секвенирования для изучения природных микробных популяций (сейчас это называют метагеномикой). Комбинирование филогенетического секвенирования РНК и ПЦР-амплификации ДНК позволило идентифицировать микроорганизмы в любых местах обитания, без привязки к лабораторному культивированию, которое возможно только для немногих бактерий. С помощью этого метода были определены тысячи новых организмов в океанской воде и теле человека — достаточно вспомнить работы одного из отцов-основателей синтетической биологии Крейга Вентера [6].

Особый интерес представляют философские работы Вёзе по эволюции живого мира, а также его взгляды на динамику развития биологических наук. Из неполного списка публикаций мы обращаем внимание на одну из работ, которая была переведена на русский язык и опубликована на «Биомолекуле»: «Эволюция между молотом и наковальней» [7]. Читая эту работу, невольно проникаешься чувством восхищения перед силой мысли автора.

Это была последняя авторская статья Вёзе — через 3 года, 30 декабря 2012 года, Карл Вёзе скончался.

По материалам Nature [8].

Литература

1. Сверим часы;
2. Sanger F. and Dowding M. Selected papers of Frederick Sanger. World Scientific, 1996. — 662 p.;
3. C. R. Woese, G. E. Fox. (1977). Phylogenetic structure of the prokaryotic domain: The primary kingdoms. Proceedings of the National Academy of Sciences. 74, 5088-5090;
4. Гигантские вирусы: 4-й домен жизни?;
5. C. R. Woese. (2002). On the evolution of cells. Proceedings of the National Academy of Sciences. 99, 8742-8747;
6. Жизнь в эпоху синтетической жизни;
7. Эволюция между молотом и наковальней, или Как микробиология спасла эволюцию от поглощения молекулярной биологией;
8. Harry Noller. (2013). Carl Woese (1928–2012). Nature. 493, 610-610.