21.12.2006 | Наука

Наследственность на заказ — 1

Задачу, за решение которой в 70-е годы давали Нобелевские премии, сегодня выполняет машина

Манипуляции с генетическим материалом, создание организмов с генами разных видов – все это в наше время дела привычные и повседневные. Трансгенные новинки перешагнули пороги лабораторий и выплеснулись широким потокам на сельскохозяйственные угодья и прилавки магазинов. Более того, мы стали свидетелями первых применений этих методов к нам самим. И теперь одни видят в этом шанс раз и навсегда победить неизлечимые пока что болезни, а другие ждут от генно-инженерных технологий невиданных прежде возможностей манипулировать человеческой природой.

Сходство представителей одного биологического вида между собой объясняется тем, что все они имеют определенный и уникальный набор генов, которые определяют врожденные свойства организма: разрез глаз и цвет кожи, количество зубов, тип корневой системы и даже звуки брачной песни. Абсолютно все клетки несут этот набор, вот только участки заложенной информации в них используются разные. Поэтому-то клетки кожи и отличаются от клеток желудка не только внешне, но функционально.

Этот набор записан в виде последовательности молекул – нуклеотидов, играющих роль букв генетического текста, полная версия которого называется геномом. Этих букв всего четыре, и они едины для всех без исключения живых существ. Вопрос только в их количестве и последовательности. К примеру, человеческий геном состоит примерно из трех миллиардов букв, которые складываются в слова – гены. До недавнего времени ученые полагали, что он содержит до 140 000 таких сочетаний. Сегодня, после полной расшифровки, выяснилось: «значимых слов» (то есть генов, реально отвечающих за какие-либо белки) у нас всего 20–25 тысяч – практически столько же, сколько у мыши.

«Ножницами», разрезающими нить ДНК по строго определенному сочетанию букв-нуклеотидов, служат обычно специальные ферменты-рестриктазы. Среди нарезанных ими кусочков есть и такие, которые содержат нужный ген целиком, а если в тексте будут лишние буквы, их можно убрать...

Итак, гены разных видов – это просто разные тексты на одном и том же языке. Если нуклеотиды одного организма вдруг попадут внутрь чужой клетки, то ее аппарат легко считает с него никогда прежде не виданный белок. Например, пораженная бактериофагом клетка кишечной палочки усердно штампует литические ферменты, которые вскоре растворят ее мембрану и превратят саму клетку буквально в «мокрое место».

Генетическая рулетка

Как только подтвердилась вышеописанная «лингвистическая» идентичность, у генетиков появилась возможность поиграть в творцов природы, создающих новые виды, изменяя коды уже существующих. Для этого достаточно вырезать ген из одного организма и перенести его внутрь другого, в одну из его хромосом.

Впрочем, конечно, между простой теорией и практическим воплощением ее лежит огромная пропасть. На самом деле задачка эта повышенной сложности. Ведь каждая «буква» генетического текста состоит всего из нескольких атомов. Объект такого размера нельзя увидеть ни под каким микроскопом – он намного короче световой волны. А надо сделать так, чтобы он попал в нужное время в «считывающее устройство» (ведь клетка не вполне понятным для ученых образом сама выбирает себе гены для считывания в каждый данный момент)! На одно лишь выстраивание алгоритма, позволяющего хотя бы подступиться к этому «конструктору», у молекулярной биологии ушло почти двадцать лет…

Создание трансгенного организма происходит в несколько этапов. Для начала нужно точно определить «донорский» ген, который заставит новый организм выполнять не свойственные ему до момента «операции» функции.

Скажем, нас интересует синтез какого-нибудь вещества. Если это белок – нужно его выделить и очистить. Если же это сравнительно простое вещество (скажем, глутамат, придающий супам быстрого приготовления их неповторимый устойчивый вкус) – нужно выделить и очистить фермент, который его образует. Затем следует определить его аминокислотную последовательность, «вычислить» по ней последовательность нуклеотидов в соответствующем гене (это опять-таки непросто: одну аминокислоту могут кодировать несколько сочетаний нуклеотидов) и, наконец, найти нужный ген. Теперь его надо вырезать и встроить в другую молекулу ДНК. При положительном результате подобных манипуляций в клетке начинает синтезироваться новый белок, что и приводит к появлению у организма новых свойств.

Впрочем, множество генов было идентифицировано еще до возникновения трансгеники. И за 30 с лишним лет научных и практических изысканий поиск соответствия между интересующим разработчика продуктом и ответственным за него геном значительно упростился. Задачу расшифровки нуклеотидной последовательности нужного гена, за решение которой в 70-е годы давали Нобелевские премии, сегодня выполняет машина – автоматический сиквенатор. За один рабочий день он может расшифровать до 800 тысяч молекул ДНК.

Основные вехи истории генной инженерии

Игрушки и инструменты

Сегодня в разных лабораториях мира «собрано» уже огромное количество генетически модифицированных организмов (ГМО) с самыми разными признаками. Некоторые из них выглядят просто живыми курьезами, шуткой экспериментатора. Скажем, если светящиеся орхидеи сингапурца Чья Тет Фатта привлекают внимание своей красотой (правда, в основном на фотографиях – увидеть их свечение простым глазом почти невозможно), то трансгенные поросята американского профессора Рэнди Пратера со светящимися же пятачками и копытцами откровенно смешны – хотя и те, и другие создавались во вполне практических целях: свечение маркировало те ткани, где работал пересаженный участок ДНК.

Примерно из таких же соображений были выведены зеленые мыши и обезьянки, картошка «полей меня!», начинающая светиться при нехватке влаги и в иных стрессовых для растения ситуациях, а также многие другие странные организмы.

Кажется, только флуоресцирующая зеленым светом крольчиха Альба была «придумана» бразильским художником Эдуарду Кацем как чисто художественное произведение. Все остальные служат инструментами для добычи новых знаний. Они помогают ученым понять, как организм управляет генами, и как сам ген узнает, когда ему начинать и когда прекращать работу.

Разумеется, для того, чтобы стать средством научного поиска, ГМ-организму не обязательно светиться. Более того, самый мощный вклад в исследования последних лет внесли существа, отличающиеся от нормальных сородичей не лишними, а наоборот недостающими генами. Технологии генной инженерии позволяют не только пересадить зародышу чужой ген, но и избирательно вырезать или лишить активности его собственный, причем вполне определенный. Такие животные получили название «нокаутных». Понятно, что метод «нокаутирования» позволяет прямо выяснять функции выбитой «детали», ее роль в тех или иных физиологических процессах. Особенным успехом у современных экспериментаторов пользуются «нокаутные» мыши, сыгравшие в функциональной генетике примерно ту же роль, что мушки-дрозофилы в генетике классической. Из всех быстро размножающихся и хорошо изученных животных мышь ближе всего к человеку: подавляющее большинство наших генов есть и у нее. Так вот, «нокаутные» мыши позволили нащупать молекулярные механизмы огромного числа нормальных и патологических процессов – от запоминания и поведения до канцерогенеза и старения.

Последовательные «отключения» одного гена за другим позволили ученым поставить вопрос о «минимальном геноме»: каков критический набор генов, позволяющий тому или иному существу жить и выполнять свои функции?

Некоторые специалисты, правда, критиковали исследования на «нокаутных» животных, справедливо напоминая, что организм – система гибкая. Развиваясь без «штатного» гена, он может обеспечить необходимые ему функции другими путями, а мы, наблюдая результат, сочтем, что данный ген для данной функции не нужен. Ответом на эти замечания стало усовершенствование техники «нокаутирования»: теперь она позволяет выключать исследуемый участок молекулы ДНК уже у взрослого организма, причем временно или только в определенных тканях. Впрочем, такие организмы, строго говоря, уже нельзя назвать трансгенными.

И в поле, и в аптеке

Уже в 1992 году ГМ-организмы вышли «на широкий оперативный простор»: в Китае началось выращивание трансгенного табака, устойчивого к вредителям. С 1996 года публикуется мировая статистика по трансгенным сельскохозяйственным культурам. В 2004 году общая площадь, которую они занимают на полях планеты, превысила 80 миллионов га. Общее число таких сортов исчисляется сотнями, к промышленному применению разрешены десятки. ГМ-кукуруза, ГМ-рапс и ГМ-хлопчатник захватили значительную долю рынка соответствующих культур. Но рекорд принадлежит сое: из каждых трех ее бобов, поступающих в продажу, два – генетически модифицированные.

Успехи могли бы быть и значительнее, если б трансгенные культуры не «наткнулись» во многих странах на яростные протесты. В 1998 году страны Евросоюза даже ввели мораторий на регистрацию новых ГМО (хотя все это время в Германии и Испании продолжали сеять ранее зарегистрированные сорта).

Четыре года спустя на смену этому запрету пришли исключительно строгие и подробные правила обращения с «рукотворными» культурами и продуктами из них. Прописанные в этом документе меры безопасности мало отличаются от тех, что соблюдаются при работе с возбудителями чумы или сибирской язвы. Впрочем, швейцарцев, например, не удовлетворили даже такие строгости: в ноябре прошлого года 58% граждан альпийской конфедерации проголосовали на общенациональном референдуме за пятилетний запрет на выращивание чего-либо генетически модифицированного.

Почему потребители – против? Сказать трудно. С тех пор, как ГМ-сорта начали выращивать в промышленных масштабах, продукты из них ели и едят миллионы людей и бессчетное число животных. И за все эти годы не зафиксировано ни одного свидетельства тому, что «творческая» научная процедура несет вред или опасность. Напротив, согласно опубликованному в 2004 году докладу Союза германских академий наук и Гуманитарной комиссии по зеленым биотехнологиям, содержание токсичных и аллергенных веществ в продуктах из ГМ-растений оказалось ниже, чем в аналогичных традиционных – за счет более жесткого контроля и меньшей концентрации паразитических грибков. Не оправдались и другие страхи, связанные с широким применением ГМО, – что трансгенные растения вытеснят дикие формы или что «подсаженные» гены окажутся нестабильными и начнут бесконтрольно распространяться... Тем не менее, общество (особенно европейское) остается предубеждено против «сконструированных» культур.

Возможно, дело в общем росте недоверия к науке и ее данным? Или в том, что все ценные свойства ГМ-растений (устойчивость к засухе, морозам, вредителям, долгая «лежкость» в хранилищах...) важны пока что лишь для производителей и переработчиков, а покупателям безразличны?

Правда, все крупные биотехнологические компании обещают вот-вот изменить это положение и выпустить на рынок второе поколение ГМО, с признаками, важными именно для потребителя. Например, созданный еще шесть лет назад «золотой рис» с высоким содержанием витамина А, предназначен для развивающихся стран, где ежегодно полмиллиона детей заболевают различными нарушениями зрения из-за нехватки этого вещества.

При всем этом злые языки утверждают, что протесты экологически озабоченных организаций стали для европейских политиков лишь удобным предлогом для защиты своего рынка от сельскохозяйственных продуктов из США, Австралии и Латинской Америки. Во всяком случае, все нормы и соглашения, ограничивающие промышленное использование ГМО обязательно содержат оговорку: мол, эти ограничения не касаются фармации – области, в которой Европа никогда не отставала от США и не боится никаких конкурентов. Ведущие фармацевтические компании по обе стороны Атлантики широко используют ГМО для производства пептидных (белковых) препаратов. В самом деле, миллионы людей в мире страдают сахарным диабетом I типа. Чтобы не умереть, они должны несколько раз в сутки вводить себе инсулин. Его выделяли из поджелудочных желез коров и свиней на бойнях, но этого сырья давно уже не хватало, а, кроме того, человеческие клетки не всегда «понимали» гормон животных. Сегодня же в развитых странах практически весь инсулин получают из бактерий и дрожжевых клеток, в которые вставлен соответствующий человеческий ген. Такое вещество и лучше, и дешевле, и производиться может в любом количестве. Примерно так же, кстати, обстоят дела с интерфероном и другими, более специальными белковыми препаратами.

В прессе не раз обсуждалась возможность создать на базе ГМО безинъекционные вакцины. Представьте себе: ни детских слез и криков, ни затрат квалифицированного сестринского труда. Съел банан или морковку – и ты уже привит.

Правда, энтузиастам «съедобных вакцин» пока не удалось придумать, каким образом трансгенные фрукты или молоко помогут белкам-антигенам избежать переваривания. Зато фармакологи утверждают, что на подходе принципиально новый тип лекарств – «специально сконструированные молекулы» (конечно же, белковые). Их производство непредставимо без ГМО, так что применение генетических технологий в фармацевтике в ближайшие годы станет еще шире.

Окончание тут.

Источник: «Вокруг света», № 10, 2006,