Чтение онлайн

Первой к этому открытию пришла лаборатория Д. Натанса и В. Арбера (1962), затем – группа Г. Смита, К. Уилкокса и Дж. Келли (1968), и наконец – коллектив сотрудников во главе с М. Мезельсоном и Р. Юанем (1969). Все три группы использовали оригинальные технологии и навсегда вошли в историю зарождения генной инженерии. В 1978 г. за открытие рестриктаз Дэниэл Натан, Вернер Арбер и Гамильтон Смит были удостоены нобелевской премии. В дальнейшем были открыты тысячи разновидностей рестристаз.

Рестриктазы являются мощным биологическим оружием бактерий, позволяющим им защищаться от вирусов и сохранять идентичность своего вида в эволюции от проникновения чуждых бактериальных ДНК. Это в какой-то мере обусловливает подобие естественности в генной инженерии, активно применяющей рестрикцию ДНК для своих манипуляций с генами.

В 1967 г. М. Геллерт с сотрудниками выделили из бактерий фермент ДНК-лигазу, или просто лигазу, способный склеивать (сшивать) различные фрагменты ДНК в единое целое. Развитию генной инженерии способствовало также создание методов, посредством которых клетки растений и животных обретают способность расти и размножаться отдельно от своих многоклеточных организмов, в искусственно созданных условиях (in vitro). Тем самым эти клетки допускают такое же манипулирование их генетическими структурами, как клетки бактерий и других одноклеточных организмов. Подобные же методы позволяют экспериментировать в искусственных условиях и с молекулами ДНК, и с отдельными генами.

Всё это позволило совершить переход от анализа генов в «классической» генетике к их целенаправленному синтезу в биологической работе, осуществляемой извне человеком, и от изучения генетических структур к их активной переработке и трансформации.

На основе манипуляций с генетическими структурами возникли четыре направления исследований и их практического применения – собственно генная инженерия, осуществляющая трансформацию генотипа, генетическая инженерия, осуществляющая трансформацию генотипа, геномная инженерия, преобразующая последовательности ДНК и клеточная инженерия, занятая преобразованием клеток. Все эти четыре направления объединяются в рамках генной инженерии в широком смысле как подсистемы в её системе.

Значительные трудности встали перед исследователями в связи с необходимостью решения проблемы введения готовых генов в клетки растений и животных. Открытие Фредериком Гриффитом явления обмена генетическими структурами у бактерий, происходящего вследствие развития зачаточного состояния полового процесса, позволило найти ключи к решению проблемы введения синтезированных человеком генов в клетки бактерий.

Проводниками в попадании искусственных генов в бактериальные клетки стали плазмиды – закольцованные фрагменты нехромосомной ДНК. Плазмидные технологии позволили вводить внутрь бактерий человеческие гены и превращать бактериальные клетки в «фабрики» по производству человеческих гормонов.

Для проникновения в клетки многоклеточных организмов пришлось в качестве «троянских коней» использовать некоторых вирусов или бактериофагов, которые, паразитируя на чужих клетках впрыскивают в их генетический аппарат свои генетические структуры и синтезируют с их помощью необходимые им для жизни белки.

Встраивая в ДНК вирусов нужную человеку генетическую информацию, специалисты в области генной инженерии способствуют инфицированию ими определённых клеток растений и животных, обеспечивая тем самым перенос этой информации в клеточный генотип. Процесс получил название трансфекции, то есть транспортируемой инфекции, заражения генетическим материалом, внедряемым человеком.

Возможности, открываемые генной инженерией, сразу же нашли применение в научных исследованиях для изучения функционирования генетических структур. Для выявления функций того или иного гена стал применяться так называемый «нокаут гена» – техника удаления одного или нескольких взаимосвязанных генов с последующим анализом последствий их отключения. Альтернативным методом, применяемым с той же целью, является искусственная экспрессия, связанная с внедрением в какой-либо организм чужеродного гена и анализом последствий его включения.

Грандиозная научная программа по расшифровке генома человека была реализована прежде всего благодаря достижениям генной инженерии. То же можно сказать и о программах расшифровки геномов других видов живых организмов.

Первые же практические результаты, подтвердившие возможности генной инженерии как с медицинской, так и с экономической точек зрения, были получены с помощью генетически модифицированной кишечной палочки, широко распространённой бактерии, многие клоны которой проводят свой жизненный путь в кишечнике человека, способствуя пищеварению.

Благодаря неутомимой работе этой бактерии, усвоившей соответствующие человеческие гены, стало возможным в массовых масштабах производить инсулин для лечения диабета, гормон роста для предотвращения карликовости, факторы свёртываемости крови для спасения больных гемофилией, вакцину против гепатита В и множество других полезных для человека белков.

Но научить бактерию продуцировать человеческие белки было очень непросто. С геноцентрической точки зрения было очевидно, что стоит вставить в бактерию нужный человеческий ген и заставить его функционировать, как проблема решится сама собой. Однако кишечная палочка оказалась эволюционно неподготовленной к работе, обычно выполняемой соответствующими железами человека.

Она была неспособна правильно кодировать гормоны многоклеточных организмов, так как не обладала для этого соответствующим работоспособным геномом. Пришлось модифицировать сам геном и создавать с помощью генной инженерии и искусственного отбора фактически новую породу одноклеточных организмов. В настоящее время различные человеческие гормоны производятся не только с помощью кишечной палочки, но и биологической работой модифицированных клеток других бактерий, дрожжей и других видов грибков, а также клеточных культур некоторых растений и животных.

Вслед за решением проблем биоинженерной модификации бактерий встал вопрос о выведении с помощью генной инженерии генетически модифицированных видов растений и животных, обладающих новыми и полезными для человека свойствами. Потребность в генетической модификации возникла в связи с ограниченностью возможностей традиционной селекции.

Характер ограничений, которые селекционеры давно замечали в своей практической деятельности, стал гораздо глубже осознаваться с развитием молекулярной биологии и особенно после расшифровки генома. Стало очевидно, что селекция как таковая не может в принципе воздействовать на эволюционные механизмы, обеспечивающие стабильность генома и его воспроизведение в череде поколений. Возможны лишь модификации генома, то есть его видоизменения в рамках разнообразных вариаций.

Чтобы добиться существенных изменений, опираясь на эти вариации, необходимо огромное время и устойчивая направленность селекции в длительной смене поколений. Причём вследствие случайных мутаций и рекомбинаций эта направленность может нарушаться. Что касается генетической модификации, осуществляемой методами генной инженерии, то она позволяет комбинировать генетические структуры по воле экспериментаторов, зачастую вопреки естественной эволюции.

Такая искусственная рекомбинация генов существ, принадлежащих к различным видам, классам и даже царствам имеет, конечно, неестественный характер, но если результаты оказываются жизнеспособными, они приобретают естественные селекционные преимущества, по крайней мере для человека. Возникает (пока ещё слабая) возможность созидания существ с заранее заданными свойствами, «перспективных монстров», по отношению к которым человек играет роль одновременно и создателя, и направленной эволюции.