(рестриктазы). В данном случае ученые нашли ферменты, которые нарушали целостность молекулы ДНК в определенном месте.
Рестриктазы узнают в молекуле ДНК коротенькое слово генетического текста из четырех — восьми определенных букв и вносят в это место ДНК двухцепочечный разрыв.
Они были обнаружены в бактериях, но оказалось, что подобно генетическому коду многие биологические процессы универсальны, и ферментам рестрикции было совершенно все равно, чью ДНК и где разрезать. Они не имели видовой специфичности и прекрасно работали как в клетке, так и вне ее, в пробирке. За открытие рестриктаз в 1978 году американцы Даниел Натане и Хамилтон Смит вместе со швейцарским генетиком Вернером Арбером получили Нобелевскую премию по медицине и физиологии.
Именно эти два свойства генетического кода ДНК и ферментов — универсальность и сохранение свойств вне клетки, в пробирке — положили начало всем биотехнологическим и биомедицинским достижениям XX и XXI веков.
Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) бактериальной клетки ничем не отличается от ДНК клетки человека, кроме содержания генетического текста. Давайте представим себе генетический текст бактерий как текст тоненькой брошюрки, а генетический текст человека как текст многотомного издания. Но если мы оба текста разрежем на отдельные буквы, слова и даже предложения, то, перемешав, сможем составить новый текст с тем смыслом, который захотим ему придать. Помню, в детстве я слышал историю о том, как один заключенный, прочитав много детективов, из отдельных фраз и фрагментов прочитанного составил свой детектив, который пользовался большой популярностью. Так и здесь: если разрезать два генетических текста, а потом их фрагменты смешать в одной пробирке — вне клетки, вне организма, — то за счет рекомбинации два разных фрагмента могут объединиться в один. И неважно, что один фрагмент ДНК взят из бактерии, а другой из клетки человека. Рекомбинация все равно произойдет, и образуется новая, синтетическая молекула, в которой часть будет представлена бактериальным геномом, а часть — фрагментом генома человека.
Потом этот искусственно созданный геном, содержащий ген человека, мы можем ввести в бактерию. В результате в бактериальной клетке прекрасно начнет работать ген человека, который мы туда вставили с помощью технологии рекомбинантной ДНК; более того, он будет передаваться по наследству и окажется у всех многочисленных потомков этой бактерии.
Перенос генов и начало биотехнологии
Впервые осуществил и продемонстрировал перенос гена из одного организма в другой известный американский ученый Пауль Берг, лауреат Нобелевской премии 1980 года. Свой эксперимент ученый провел в 1971 году, но тогда речь шла только о генах микроорганизмов, поскольку технологии рекомбинантной ДНК по переносу генов между клеткой бактерии и клеткой человека еще не существовало. Тем не менее Пауль Берг был первым, кто показал, что ген одного микроорганизма может работать под контролем генетического текста (ДНК) другого микроорганизма.
Немного позже биохимик Герберт Бойер и генетик Стенли Коэн воспользовались открытием Пауля Берга и в середине 1970-х годов впервые перенесли ген инсулина человека в бактериальную клетку. Задача состояла в том, чтобы заставить ее синтезировать инсулин человека — белок, который можно было бы использовать для лечения больных диабетом.
С практической точки зрения главным достижением Г. Бойера и С. Коэна было открытие того, что любой ген человека можно переместить в подходящую бактериальную клетку, и бактерия будет безропотно производить белок, закодированный им, вне организма человека.
Рис. 4. Перенесение гена инсулина человека в бактериальную клетку
Наверное, может возникнуть вопрос: а зачем переносить ген именно в бактериальную клетку? Ведь все это есть и в клетке человека! Да, конечно, но... Для выращивания бактериальных клеток используются очень дешевые питательные среды — отходы пищевого производства, перегонки нефти, газ. Бактерия делится примерно один раз в двадцать — тридцать минут, а клетка человека — раз в несколько дней. Представьте себе, что вы на микробиологическую чашку Петри посадили одну-единственную клетку, в которую ввели одну-единственную копию синтетического гена. Назавтра, достав из инкубатора чашку Петри, вы увидите небольшую, но хорошо заметную глазом точку размером в один-два миллиметра, ведь там уже находится больше 107 клеток! Десять миллионов копий гена за одну ночь можно получить в этой бактериальной колонии, которая состоит из потомков одной-единственной клетки и получила название клон (а сам процесс стали называть клонированием). Представляете, сколько инсулина человека смогут производить десять миллионов клеток!
Клонирование — это получение точной копии в поколениях. Само слово «клон» по-гречески означает «ветвь», «отпрыск», «потомок». Более ста лет назад в США термин «клон» (ветвь) пытались ввести в растениеводстве, чтобы различать сельскохозяйственные растения, полученные вегетативным путем (из укорененных частей растений), а значит, точные копии. Ведь при опылении одного растения другим уже происходит оплодотворение — смешиваются два генома, получается новый геном.
Однако тогда термин «клон» не прижился, зато получил вторую жизнь в молекулярной биологии, генной инженерии, биотехнологиях и биомедицине.
Таким образом, применив биотехнологические подходы, включающие клонирование и выделение инсулина человека из бактериальной биомассы, человечество полностью решило проблему инсулиновой зависимости. И сегодня все люди, страдающие инсулинозависимыми формами диабета, пользуются рекомбинантным инсулином, который производится бактериями.
Инженерия живого
Перед генетикой, дерзнувшей проникнуть в святая святых живого организма, чтобы определять возможность наследования признака (причем не на протяжении веков и тысячелетий), стали возникать проблемы, далеко выходящие за собственно генетические рамки.
Когда Пауль Берг открыл явление переноса генов, его самого это открытие повергло в шок: если любой ген одного организма может быть перенесен в другой организм, то что из этого может получиться?! Не перемешаем ли мы все живое на Земле? Основатель генной инженерии первым предположил возможные отрицательные последствия своего открытия.
В 1974 году Берг отправил в крупнейшие научные журналы письмо, в котором призвал приостановить как минимум на год любые операции с рекомбинантной ДНК и созвать всемирную конференцию для обсуждения потенциальных рисков таких технологий. Он и сам приложил большие усилия к организации этой конференции. В ней должны были участвовать ученые-биологи, медики и юристы. Последним предстояло оценить моральную сторону подобных деяний, то есть соединения генов низших организмов с генами человека. Страх того, что мир искусственных монстров может внезапно вырваться из пробирки в окружающую среду, был очень велик.
Неужели этот страх оправдан и мы должны ограничивать себя в познании? Ежедневно на планете Земля появляются сотни новых видов живых существ и сотни видов исчезают бесследно. Процесс естественного создания нового генетического текста идет постоянно — за счет переноса генов, за счет мутации от ультрафиолета, естественной радиации, да и просто от случайных событий при копировании текста ДНК. Миллионы видов, триллионы особей, квадриллионы случайных событий... А остаются существовать только те варианты генетического текста, благодаря которым их носители случайно, но наилучшим образом приспособились к окружающей среде. Сравните окружающую среду для бактерии на капустном листе и в тепличных лабораторных условиях. В лаборатории нет ни перепадов температур, ни аномальной влажности, ни наличия конкурирующих видов — все только для одного клона, обладающего ценными качествами. Но именно поэтому все бактериальные штаммы, все линии клеток, которые используются в генной инженерии, могут существовать только в лабораторных условиях — в природе они сразу погибнут.
За почти полвека, прошедшие со времени Асиломарской конференции, технологии значительно шагнули вперед. Вместо человека-ученого, который ставил уникальные эксперименты и открывал что-то новое в природе, сегодня роботизированные комплексы могут делать все операции по клонированию, анализу клеток, секвенированию генома (чтению генетического текста). Нужен лишь техник-лаборант, который умеет обращаться с реактивами и выключать свет.
КОНФЕРЕНЦИЯ В АСИЛОМАРЕ
Первая и последняя конференция по рекомбинантной ДНК и генной инженерии состоялась в 1975 году в Асиломаре, Калифорния, США.
В конференции, проходившей на ядерном полигоне, приняло участие более сотни специалистов из разных областей. Кстати, тогда вклад нашей страны в генетические исследования был оценен весьма достойно: пять ведущих биологов СССР принимали участие в этом обсуждении. О главной теме конференции можно судить по карикатурам, которые тогда появились: сидят ученые в каком-то бункере и обсуждают, что нужно сделать, чтобы созданная ими жизнь не вырвалась наружу. А в советских школах на уроках биологии шутили, что это будет как в мультфильме «Бременские музыканты», когда появилась ослиная голова и закукарекала, или перенесут какой-нибудь ген трактору, и тот замычит.
С одной стороны, это доказывает, что природа на самом деле устроена достаточно сложно (и не просто же так за открытия, которые подарили человечеству новые технологии, несколько десятилетий назад присуждались Нобелевские премии). С другой стороны, благодаря ученым-первооткрывателям сегодня эти эксперименты стали обыденной технологией, которую каждый может воспроизвести на кухне. Интернет полон информации о том, как это сделать и каких результатов добиваются люди.
Недавно даже появились люди, которые почему-то стали называть себя хакерами в биологии — биохакерами. В бытовых условиях они пытаются воспроизвести то, чем занимаются большие биотехнологические корпорации. Они выделяют ДНК, проводят простейшие опыты по молекулярному клонированию и пытаются модифицировать свой организм... Короче, «развлекаются». Они уже могли бы нанести миру большой вред в смысле получения новых и опасных микроорганизмов, однако пока, к счастью, ничего, кроме вреда, нанесенного самим себе, от них нет.