Чтение онлайн

«Работа» бактериальной клетки по инструкции, получаемой от ДНК. Клетка синтезирует молекулы белка из аминокислотных остатков.

На самом деле все эти процессы значительно сложнее. Последние 30 лет наука интенсивно занимается тем, чтобы всё-таки выяснить некоторые из важнейших законов, лежащих в основе построения хотя бы наиболее простых клеток. Но на что же можно употребить полученные нами знания?

В июле 1980 г. газеты всего мира обошло известие о том, что в одной из лондонских больниц 17 добровольцам были сделаны инъекции инсулина.

Что же в этом сообщении было такого примечательного? Ведь инсулин известен уже в течение многих лет.

Инсулин — это белок, вырабатываемый так называемыми островными клетками поджелудочной железы в организме человека и животных. Он регулирует содержание сахара в крови. Кровь транспортирует сахар, поступающий вместе с пищей, во все клетки организма. Если же организм не вырабатывает достаточного количества инсулина, то возникает сахарная болезнь (диабет): неусвоенный сахар переходит в мочу и организм теряет ценные питательные вещества. В настоящее время больному действенным образом могут помочь только инъекции инсулина.

Инсулин обычно получают из поджелудочных желёз убойных свиней и крупного рогатого скота. Однако не каждый больной сахарной болезнью в состоянии переносить инсулин, полученный от животных. Молекула инсулина состоит из многих аминокислот. В инсулине свиньи лишь в одном участке аминокислотной цепи содержится аминокислота, иная, чем в инсулине человека, а инсулин крупного рогатого скота отличается от человеческого по трём аминокислотам. Эти незначительные отклонения приводят к тому, что у некоторых больных диабетом вырабатываются антитела против инсулина животных. Таким больным может помочь только инсулин человека. Но откуда взять такой инсулин в больших количествах?

Решение проблемы было осуществлено методами современной биотехнологии: бактерии кишечной палочки были подвергнуты преобразованиям, после чего они стали вырабатывать в больших количествах человеческий инсулин! Вот и объяснение тому, почему поступившее из Лондона сообщение об инсулиновых инъекциях было сенсационным: ведь впервые в истории человечества для лечения людей применили человеческий белок, выработанный микробами!

Но как можно заставить бактерии образовывать белок, который контролирует уровень сахара в крови человека, то есть белок, полностью «бесполезный» для бактерий?

Главная идея была проста и гениальна: в ДНК бактерий следует каким-либо образом ввести фрагмент ДНК с приказом о синтезе человеческого инсулина, то есть ген инсулина; иными словами, бактерии надо «подложить кукушкино яйцо». Быть может, рибосомы бактерий «обманутся» и начнут продуцировать человеческий белок как свой собственный?

Вроде бы просто, но, чтобы осуществить идею, пришлось провести огромную предварительную работу. Было известно, каким образом составлена молекула инсулина из аминокислотных строительных «блоков», следовательно, было известно и то, как должна выглядеть инструкция, записанная в ДНК, то есть каков должен быть ген инсулина. В конце концов удалось сконструировать в пробирке ген инсулина человека. Уже одно это было грандиозным научным достижением! Теперь «яйцо кукушки» было готово, но всё ещё отсутствовала сама «кукушка» — средство для транспортировки гена в бактериальную клетку.

И тут вспомнили о плазмидах, маленьких кольцевых ДНК в бактериальных клетках. Именно с плазмидами связаны те затруднения, которые испытывает медицина при лечении больных. Плазмиды содержат, например, гены пенициллиназ — ферментов, расщепляющих пенициллин,— и при воздействии пенициллина на клетки — хозяева плазмид — последние немедленно передают своим рибосомам приказ о выработке пенициллиназ. В результате скорым порядком синтезируются пенициллиназы, которые тотчас же инактивируют пенициллин — и бактериальная клетка остаётся жизнеспособной.

Мало того! При соприкосновении двух бактерий плазмида может перейти из одной бактерии в другую и передать ей охранительный приказ к защите против пенициллина.

Стенли Коэн (1928) первый предложил использовать «страсть плазмид к путешествиям»: «Они, вероятно, могли бы быть идеальным транспортным средством для генов!» Что для этого нужно? Извлечь плазмидное кольцо из бактериальной клетки, разрезать его, вставить кусок чужой ДНК с приказом о выработке белка и ввести обратно в бактерию новое плазмидное кольцо с чужим геном. Последовательность операций известна. Но…

Каким способом разрезать нить ДНК плазмиды толщиной в одну миллионную миллиметра? Разумеется, это невозможно сделать с помощью ножниц или ножей. Однако в шестидесятых годах швейцарский биохимик Вернер Арбер (1929) открыл ферменты, которые «разрезают» ДНК на маленькие кусочки. Эти ферменты получили название рестриктаз.

Спустя десятилетие после открытия рестриктаз Герберт Бойер (1935), работавший в Сан-Франциско, установил, что эти «ферментативные ножницы» разрезают ДНК только в определённых местах. Другие исследователи открыли ферменты, названные лигазами, которые снова «склеивают» разрезанные участки. Тем самым исследователи стали обладателями и «ножниц» и «клея» для ДНК. В июле 1973 г. Коэн и Бойер приступили к осуществлению своих идей в лаборатории. Они выделяли из бактериальной клетки плазмидные кольца и разрезали их «ферментативными ножницами». Затем они выделяли ДНК из клеток лягушек, вырезали из них с помощью тех же «ферментативных ножниц» определённые участки и смешивали в пробирке эти фрагменты лягушачьей ДНК с разрезанными кольцами бактериальных плазмид. После этого они добавили «склеивающий» фермент. Лягушачья ДНК была встроена между открытыми концами бактериальной плазмиды, кольцо замкнулось. Затем эту плазмиду с встроенной лягушачьей ДНК учёные снова ввели в клетку бактерии. Результат оказался сенсационным: бактерии действительно дали себя «обмануть»! Правда, они не стали квакать на лягушиный лад, как шутили Коэн и Бойер. Однако теперь их рибосомы наряду с их собственными бактериальными белками образовывали и белок лягушки! И все их потомки несли в себе часть наследственной информации лягушек!

Таким образом, Коэн и Бойер нашли метод, посредством которого в наследственный материал микроорганизма можно добавить чужие гены. Эти новые методы стали известны как методы генной инженерии. В 1978 г. был достигнут следующий этап: «сконструированный» в пробирке из строительных «блоков» ДНК ген инсулина человека был встроен (подобно лягушачьей ДНК) в разрезанные кольца плазмид бактерий, после чего плазмиды были внесены обратно в бактерии. И теперь бактерии стали продуцировать инсулин человека.

Апробация человеческого инсулина из бактерий дала прекрасные результаты. В некоторых клиниках его уже применяют для лечения больных диабетом.

Ген инсулина мог быть искусственно сконструирован химиками в пробирке, потому что было известно, как он построен. А как быть, если строение гена неизвестно?

Один неизвестный белок особенно привлекал внимание биотехнологов. Уже в пятидесятых годах было обнаружено, что в клетках живых существ, поражённых вирусами, образуется интерферон — белок, который «предостерегает» и защищает от вирусов ещё непоражённые клетки.

Интерферон мог бы стать первым лечебным средством против вирусных заболеваний. Ведь, как известно, существующие антибиотики не оказывают никакого воздействия на вирусы, они только «подавляют» развитие тех бактерий, которые могли бы распространиться при вирусном заболевании в организме, ослабленном вирусами. Поэтому создание лечебного средства против вирусов означало бы для медицины прогресс не меньший, чем введение в лечебную практику пенициллина. Стоит только вспомнить хотя бы о том, как много людей ежегодно болеет вирусным гриппом!