ли в природе я уже писал выше, теперь рассмотрим, как их используют для своих нужд ученые.
В первую очередь вирусы для ученых – это одновременно модель и инструмент научных исследований. Расскажу лишь одну историю. Из главы, посвященной ДНК, мы помним, что первое убедительное доказательство того, что именно ДНК служит хранилищем генетической информации, было получено в 1944 году в экспериментах по трансформации бактерий. Пришло время сказать правду: это доказательство убедило далеко не всех, вплоть до 1952 года многие специалисты продолжали считать, что наследственная информация передается белками. Переубедил их эксперимент с вирусами, ставший классикой биологии. Его выполнили американский генетик Альфред Херши (1908–1997), будущий лауреат Нобелевской премии по физиологии и медицине (1969 г.) и его молодая ассистентка Марта Чейз (1927–2003)[53].
Эксперимент чрезвычайно изящен. Исследователи получили бактериофаги, белковые оболочки которых были помечены радиоактивным изотопом серы, а содержащаяся в них ДНК – радиоактивным изотопом фосфора. С помощью этих меток удалось доказать, что при атаке бактериофага внутрь бактерии попадает только ДНК, а белковый контейнер остается снаружи. Именно ДНК запускает внутри бактерий синтез всех компонентов будущих частиц вируса, включая синтез белков.
Помимо этого, ученые приспособили вирусы для решения практических задач, прежде всего в генной инженерии. Опять же из главы, посвященной ДНК, мы помним, что генная инженерия родилась в 1972 году, когда Пол Берг собрал первую рекомбинантную ДНК, содержащую фрагменты ДНК вируса SV40 и бактерии E.coli. Вирусы в этом случае использовались исключительно как удобная модель. Несколькими годами позже Бойер синтезировал рекомбинантную ДНК с геном человека, ответственным за синтез инсулина, и внедрил его в бактерию. Это была уже технология. Но для внедрения гена в бактерию вирус не требуется, это можно сделать гораздо проще. Другое дело – клетки высших организмов, тут не обойтись без вирусов с их всепроникающей способностью и умением внедрять свой геном в ДНК клетки-хозяина, отточенными до совершенства за миллиарды лет эволюции.
Поразительно, но первое исследование в этой области было выполнено практически одновременно с описанной выше работой. Эта история началась в 1973 году, когда тридцатилетний немецкий биолог Рудольф Яниш приехал на стажировку в Принстонский университет (США). Его интересовал вопрос, который не давал покоя ученым на протяжении уже нескольких десятилетий: почему при заражении взрослых мышей различными вирусами развиваются только определенные формы рака? Для проверки некоторых своих предположений Яниш решил заразить вирусом SV40[54] эмбрионы мышей на самой ранней стадии развития и посмотреть, что из этого выйдет и будут ли у выросших особей появляться опухоли. Поэтому он обратился за помощью и руководством к Беатрис Минц, признанному специалисту в области мышиных эмбрионов. После года экспериментов им удалось доказать, что ДНК вируса внедряется в геном эмбриона и передается по наследству. Сам факт внедрения ДНК вируса в геном млекопитающего был открытием. Но я хочу подчеркнуть другое: в сущности, Минц и Яниш получили первое генетически модифицированное животное. Случилось это почти одновременно с получением первой генетически модифицированной бактерии и намного раньше получения первого генетически модифицированного растения.
То, что Яниш внедрил в организм млекопитающего потенциальный онкоген, не имеет никакого значения. Тут дело принципа. Лиха беда начало.
Ученые научились вырезать из ДНК вирусов все вредные гены и вставлять на их место полезные, например здоровые человеческие гены, и с помощью вирусов переносить их в клетки нашего организма. Это, как вы уже догадались, путь к генной терапии. Но об этом – в главе, посвященной адресной доставке лекарств, – “Волшебная Пуля”.
И, наконец, ученые научились создавать вирусы, как говорится, с нуля, из обычных химических веществ[55]. Работы в этой области начались более десяти лет назад, когда техника автоматизированного синтеза олигонуклеотидов и их копирования достигла такого уровня, что появилась возможность собрать “молекулу жизни” – ДНК, из элементарных строительных блоков. Выбор, естественно, пал на вирусы с их самым коротким геномом, расшифрованным к тому же от первой до последней “буквы”. Тон исследованиям задавал Институт Вентера. Его сотрудники синтезировали геном бактериофага ФХ-174 длиной в пять тысяч пар нуклеотидов и ввели его в клетку бактерии. Однако фаг “отказывался” там работать и не запускал сборку новых вирусных частиц.
Результат был обескураживающим. Но, с другой стороны, откуда вообще следует, что синтетическая ДНК будет вести себя точно так же, как природная? Возможно, для ее правильной работы недостаточно точной последовательности нуклеотидов? Ведь у белков, например, последовательность аминокислот задает лишь первичную структуру белка, который становится собственно белком лишь на более высоких стадиях самоорганизации. Впору было вспомнить о “жизненной силе”, без которой, по уверению теологов и даже некоторых “исследователей”, функционирование живых систем невозможно.
Похожая ситуация существовала в химии два века назад. Тогда господствовало убеждение, что органические вещества – продукт жизнедеятельности живых организмов, химики могут заниматься лишь превращениями органических веществ, но синтезировать их из неорганических веществ невозможно. Лишь в 1828 году немецкий химик Фридрих Вёлер (1800–1882) синтезировал органическое вещество мочевину из неорганических сульфата аммония и цианата калия, нанеся первый удар по теории витализма.
Результатам группы Крейга Вентера удалось найти рациональное объяснение: просто в синтез вкралась небольшая ошибка, несколько неправильно поставленных нуклеотидов. После исправления ошибок синтетический геном заработал как надо! Но на этом повороте Вентера обошел Экарт Уиммер из Университета Стони Брук, штат Нью-Йорк. В 2002 году он опубликовал работу по синтезу вируса полиомиелита из органических реактивов. Синтетические вирусные частицы оказались совершенно неотличимы от естественных по всем параметрам – размеру, поведению, заразности. Эта работа принесла Уиммеру приоритет в создании синтетических вирусов и, полагаю, чувство глубокого морального удовлетворения: обставить Крейга Вентера, великого и ужасного, дорогого стоит.
Замечу, что непосредственно синтез молекулы ДНК, состоящей из 7741 пары нуклеотидов, занял у группы Уиммера три года. В настоящее время скорость машинной сборки ДНК увеличилась в десятки раз, что дало возможность получить множество синтетических вирусов.Процесс их получения отражает квинтэссенцию нанотехнологий – технологий будущего. Мы синтезируем некий шаблон (молекулу ДНК, можно в единственном экземпляре), затем размножаем его (в случае вирусов роль копировального аппарата играют бактерии), при необходимости используем его как матрицу для получения других частиц (в случае вирусов – белков), а затем создаем условия, при которых полученные частицы самоорганизуются – формируют требуемый нам материал или целое устройство.Это глава по объему уступает только предыдущей главе о ДНК. Ничего удивительного, ведь вирусы касаются всех и каждого. Кроме того, по своему размеру и численности они занимают центральное место в природе. Они все без исключения представляют собой сложно организованные объекты наноразмеров, составленные из молекул ДНК и белков, имеющих в свою очередь наноразмеры. Все данные о строении и функционировании вирусов, полученные учеными с момента их открытия Д.И. Ивановским в 1892 году, являются неотъемлемой частью нанонауки и одновременно фундаментом для прогресса нанотехнологий.
Глава 10 “Волшебная пуля”
Это словосочетание сейчас употребляют столь часто, что вы, конечно, сразу догадались, о чем пойдет речь: не о военных применениях нанотехнологий, а, на оборот, о делах сугубо мирных и гуманных, о медицине, об адресной доставке или, другими словами, направленном транспорте лекарств[56]. Наверняка знакомо вам и имя человека, придумавшего концепцию “волшебной пули”, – Пауль Эрлих.
Согласно легенде, случилось это так. Эрлих слушал оперу Карла Марии фон Вебера “Вольный стрелок”. Сюжет там завязан вокруг волшебных пуль, которые всегда попадают в цель и добыть которые можно, только продав душу дьяволу. Вот тогда-то Эрлиху и пришла в голову мысль о лекарстве, которое способно самостоятельно найти источник болезни или очаг заболевания и поразить их, не затрагивая здоровые органы и ткани организма. Озарение – почти непременный атрибут открытия, в этой книге много примеров такого рода, которые я не подвергаю со мнению. Но в данном случае дело, как мне кажется, обстояло по-другому. Благодаря опере Вебера Эрлих нашел образное название, действительно удачное и запоминающееся, для концепции, которую он разрабатывал на протяжении многих лет, в сущности всю жизнь.
Родился Пауль Эрлих в 1854 году в еврейской семье на востоке Германии, в Силезии, в маленьком городке Штрелен, который многие биографы за незнанием правил немецкого произношения называют Стрехленом, а поляки после присоединения этих земель в 1945 году и вовсе переименовали в Стшелин. Отец его был далек от науки – он содержал большой трактир, зато другие члены семьи увлекались всяческими исследованиями. Наибольшее влияние на юного Пауля оказал его двоюродный брат Карл Вейгерт (1845–1904), микробиолог, один из пионеров применения синтетических анилиновых красителей для избирательного окрашивания определенных элементов живых тканей и приготовления биологических препаратов для микроскопических исследований. Он-то и приохотил мальчика к такой раскраске; этому увлечению Эрлих оставался верен всю свою жизнь, и оно же как научный метод позволило ему сделать добрую половину его выдающихся открытий. Обратной стороной медали стало то, что Пауль был с детства погружен в микромир, окружающая природа с населяющими ее макрообъектами, включая людей, интересовала его в гораздо меньшей степени.