Определение предполагаемых рамок считывания составляет только начало работы по локализации и установлению функций того или иного гена. Далее необходимо провести сравнение данного участка ДНК, заключённого в этой рамке, с похожими участками других организмов и с последовательностями генов бактерий, поскольку последние устроены гораздо проще и их функции выявляются с определённой точностью.
Затем проводится поиск функциональных возможностей участков ДНК с точки зрения их способности кодировать определённые белковые образования. Наконец, последовательности нуклеотидов в данных рамках считывания анализируют на предмет наличия таких функций, которые могут отсутствовать в других организмах. Совершенствование с каждым годом компьютерной техники и методологии исследований позволяют решать подобные головоломные задачи, но только с определённым уровнем вероятности, а не в виде однозначно установленных фактов.
Экзоны представляют собой работоспособные участки ДНК, которые по характеру своего действия многофункциональны. Они могут кооперироваться между собой в различных сочетаниях, вследствие чего один и тот же ген может осуществлять синтез большого разнообразия белков, отличающихся друг от друга аминокислотными последовательностями. Один ген может кодировать до 40000 функционально разных белков.
Вся эта сложность определяется тем, что молекулы ДНК, упакованные в хромосомах, представляют собой не более чем куски материи, структурно пригодные для записи наследственной информации. Видоспецифические организации геномов, их смысловые участки – гены и их экзоны – образуются исторически и поддерживаются в относительном постоянстве, постоянно активируясь биологической работой вида.
Геном – это генетический паспорт вида, записанный в 3,5 млрд. оснований. «Последовательности ДНК человека идентичны между собой на 98,8 %, однако, оставшиеся 0,2 % генома человека характеризуются значительной вариабельностью», – отмечают авторы фундаментального российского учебника по генетике (Генетика. Учебник для вузов. Под ред. акад. РАМН В.И. Иванова – М.: ИКЦ «Академкнига», 2006 – 638 с., с. 342). По-видимому, и человек, и каждый вид живых организмов на Земле с течением времени изменяется в пределах подобной вариабельности.
Один геном человека отличается от другого всего лишь одним основанием на каждые 1200–1500 оснований. Столь же незначительно отличаются друг от друга геномы представителей других видов животных организмов. Причины генетических вариаций в геноме подразделяются на мутации и проявления полиморфизма.
Около 90 % вариаций в геноме человека составляют очень мелкие проявления полиморфизма, размером всего лишь в один нуклеотид. Понятно, что при такой незначительности вариабельных изменений генома в рамках чисто генетических отклонений вид может сохранять своё постоянство сколь угодно долго. Это обстоятельство подкрепляет нашу убеждённость в том, что крупномасштабные трансформации видов, обеспечивающие фундаментальные изменения их геномов, могут происходить только при коренных изменениях характера и содержания биологической работы в новых исторических условиях существования видов.
Наряду с геномикой – наукой о геноме и одновременно методологией расшифровки генома, определения его структурно-функциональных особенностей и их применения в медицине в настоящее время активно развивается протеомика – наука о наборах белков, экспрессируемых геномом и одновременно методология определения функций, структуры и действия тех или иных белков. Протеомика стремится «определить все белки, синтезируемые в клетке, выяснить их строение, количество, локализацию, модификации и механизмы взаимодействия» (Там же, с. 363).
Предмет изучения протеомики – протеом – полный набор протеинов (т. е. белков, которые продуцируются генами генома и разновидностей которых в современной науке уже открыто около 500000). Функционирование генома раскрывается через протеомику, и наоборот. В этом выражается их глубинная взаимосвязь.
XXI век в истории человечества начался с расшифровки генома. Мы верим, что он продолжится усовершенствованием жизни.
24.9. Эволюционные проблемы биотехнологии
Под биотехнологией в наше время понимают совокупность технологических процессов с использованием биологических систем, включая живые организмы, компоненты живой клетки и продукты её жизнедеятельности – ферменты и гены.
Развитие современной биотехнологии, начавшееся в 70-е годы XX века, открывает волнующие, поражающие воображение перспективы – от выращивания технических устройств и неистощимых ресурсов и до создания биороботов и живых существ с заранее заданными свойствами. Соответственно биотехнология – это реальная перспектива творческой эволюции.
Биотехнология – это также сфера знаний. Это междисциплинарная сфера знаний, опирающаяся на достижения генетики, микробиологии, биохимии, биофизики, бактериологии, вирусологии, иммунологии, технических наук и электроники. Она включает также генную инженерию и использует полученные в ней знания для развития теории биотехнологических процессов и практики их использования в современном производстве.
Биотехнология как сфера производства входит в число наукоёмких высоких технологий, составляющих технологическую основу современной инновационной экономики. Биотехнология базируется на системе методов, позволяющих целенаправленно изменять структуры ДНК различных живых организмов и формировать из них мобилизационные структуры для получения полезных человеку продуктов производства.
По своим особенностям и характеру производственных циклов биотехнологические производства близки к химическим. История использования человеком отдельных биотехнологических процессов начинается ещё с эпохи неолита и продолжается с эпохи древних цивилизаций. Ещё не имея ни малейшего представления о сущности используемых ими процессов, люди чисто практическим путём находили способы получения необходимых им продуктов. Так шаг за шагом формировались технологические процессы виноделия, пивоварения, хлебопечения, получения уксуса, кисломолочных продуктов, сыра, обработки кож, растительных волокон, приготовления растительных лекарств, ядов и т. д.
В 1891 г. В США японский биохимик Дз. Такамине разработал метод применения диастазы для получения сахарозы из растительных отходов и получил первый патент на использование в промышленности ферментного препарата, каковым являлась диастаза. Сам термин «биотехнология» впервые предложил венгерский инженер Карл Эреки в 1917 г.
Уже в начале XX века некоторые ферменты использовались в текстильной промышленности, широко распространилось бродильное производство. Создание биохимии позволило в первые десятилетия XX века усовершенствовать технологии хлебопечения, виноделия, пивоварения и других отраслей промышленности, требующих использования «живой химии».
Путь от биохимии к биотехнологиям пролегал через изобретение и производство антибиотиков в 40-е – 50-е годы XX века. После своего изобретения в 1940 г. антибиотики способствовали выздоровлению миллионов раненых солдат и больных инфекционными заболеваниями. В основе действия антибиотиков лежало свойство плесневых грибков подавлять жизнедеятельность бактерий. Кроме плесневых грибков для той же цели в настоящее время используются нитевидные бактерии – актиномицеты и спорообразующие бактерии.
К сожалению, эффективность использования антибиотиков не столь высока, как ожидалось в середине XX века, когда их считали чудодейственным средством и верили в их способность избавить человечество от инфекционных заболеваний. И дело не только в том, что болезнетворные микроорганизмы образуют штаммы и клоны, резистентные к антибиотикам, вследствие чего вновь потрясают скученное население опасными эпидемиями.
Главная проблема применения антибиотиков заключается в том, что падение иммунитета у людей, живущих в тепличных условиях и ведущих нездоровый образ жизни только усугубляется неумеренным потреблением антибиотиков, поскольку организм отучается совершать необходимую биологическую работу по самостоятельному подавлению инфекций, вследствие чего самые безобидные микроорганизмы могут стать опасными. Это не что иное, как эволюционно обусловленная расплата за то, что люди лишь пользуются достижениями науки, не принимая в то же время научно обоснованного здорового образа жизни, при котором в конечном счёте отпадает нужда в антибиотиках.
Потребность в производстве антибиотиков вызвала к жизни необходимость решения целого ряда научных и практических проблем биотехнологического характера, включая выращивание микроорганизмов, снижение издержек, повышение выхода готового продукта для удовлетворения массового спроса и т. д.
С открытием в 1953 г. Двойной спирали ДНК и последующей расшифровкой генетического кода были заложены предпосылки для возникновения генной инженерии, развитие которой начинается в 70-е годы XX века и образует важнейшую составную часть и основу развития современной биотехнологии. Последняя подразделяется на промышленную, аграрную и медицинскую, а также включает биоэнергетику, биогидрометаллургию, экологическую и космическую биотехнологию.
Промышленная биотехнология занята, прежде всего, производством ферментов. Изготавливаются ферменты и ферментные препараты для фармацевтической, пищевой, текстильной и кожевенной промышленности, для производства стиральных порошков, пива, спирта и других продуктов. Продуктами биотехнологии являются также человеческие гормоны – инсулин, интерферон, гормон роста и др.
Биотехнология является основой выработки самых различных лекарственных средств, пищевых добавок, вакцин, диагностических средств, средств для очистки окружающей среды. В промышленной биотехнологии эксплуатируется естественная потребность клеток живых организмов, и прежде всего клеточных ядер, служить своеобразными фабриками химических веществ для обеспечения собственной жизнедеятельности и размножения.
Но эксплуатация живых клеток для осуществления человеческих целей имеет целый ряд жёстких ограничений, обусловленных миллиардами лет естественной эволюции. Живые клетки, как правило, имеют миниатюрные размеры и крайне экономны как в потреблении энергии, так и в выходе конечного продукта. Выход конечного продукты клеточной фабрики ограничен потребностями самой фабрики, человеческие же производства нуждаются в промышленных масштабах получения экономически рентабельных продуктов.