От пекарни до биофабрики. Обзор достижений биотехнологии
Шрифт:
В 1884 г. Европе стало угрожать другое эпидемическое заболевание — холера. Кох со своими учениками обнаружил в Индии её возбудителя — «бациллу в форме запятой» (вибриона). В последующие годы Кох установил, что бактерии чумы переносятся через крысиных блох, а возбудители африканской сонной болезни — мухой цеце. Тем самым были указаны пути локализации этих болезней: при помощи установок для очистки воды, улучшения гигиенических условий и борьбы с животными-переносчиками. Но, к сожалению, все эти меры не уничтожают самих микробов.
От микробов защищают прививки
Луи Пастер также принял участие в охоте на возбудителя сибирской язвы. Он подтвердил открытие Коха относительно того, что бациллы сибирской язвы образуют устойчивые (резистентные) споры, которые могут на протяжении многих лет сохранять свою жизнеспособность в почве. Поэтому он рекомендовал сжигать трупы умерших животных, а остатки зарывать очень глубоко в землю.
Однако при изучении сибирской язвы Пастер сделал и другое важное наблюдение: если животные, заболевшие сибирской язвой, всё-таки выживали, то в дальнейшем они становились невосприимчивыми к ней (иммунными), они никогда не заболевали вторично. Кстати, относительно некоторых болезней человека, например скарлатины, ветряной оспы, дифтерии и натуральной оспы, врачам уже давно было известно, что те, кому удавалось перенести подобную болезнь, никогда не заболевали ею повторно.
За полстолетия до Пастера и Коха исследованием натуральной оспы занялся английский врач Эдуард Дженнер (1749—1823). В это время в Англии почти каждый человек заболевал оспой и почти каждый третий умирал от этой болезни. Выздоровевшие становились невосприимчивыми к оспе, однако были отмечены оспенными рубцами на коже. Дженнер случайно услыхал, что крестьяне, перенесшие коровью оспу — широко распространённое в то время заболевание крупного рогатого скота,— становились иммунными и против настоящей опасной оспы. В 1796 г. Дженнер набрал из пустулы (гнойничка) коровьей оспы у одной доярки немного жидкости и ввёл её мальчику, который после того действительно заболел коровьей оспой. Спустя два месяца он заразил мальчика ещё раз — на этот раз настоящей оспой! Если бы мальчик умер, то Дженнера, безусловно, осудили бы как преступника. Однако мальчик не заболел, и Дженнер сделался героем дня! Успешными были также прививки, сделанные другим испытуемым лицам-добровольцам. Число умерших от оспы в Англии сразу же снизилось на две трети. Одна из самых страшных заразных болезней человечества перестала внушать ужас. Однако ещё целых полстолетия оспа оставалась единственным заразным заболеванием, эффективный способ борьбы с которым был найден. Сегодня благодаря противооспенной вакцинации [8] возбудитель оспы на Земле искоренен полностью; Всемирной организацией здравоохранения (ВОЗ) не было зарегистрировано ни одного нового случая заболевания. Поэтому теперь уже отменены обязательные противооспенные прививки.
8
Вакцинация (от лат. vaccina — коровья) — введение (инъекция) ослабленных или убитых микроорганизмов с целью создания искусственного (приобретённого) иммунитета.— Прим. перев.
Эдуард Дженнер делает первую в истории медицины прививку против оспы (1798 г.).
Луи Пастер сначала безуспешно искал какую-либо неопасно протекающую разновидность сибирской язвы, чтобы, как это сделал Дженнер, привить этих ослабленных возбудителей. Но его поиски оказались безуспешными. И тут ему на помощь пришёл счастливый случай. Пастер выращивал сибиреязвенных бацилл в инкубаторе, в котором постоянно поддерживалась температура тела животного. Однажды терморегулятор дал сбой. Температура поднялась, бациллы перегрелись. Хотя они и не погибли, однако были повреждены и больше уже не вызывали заболевания. Но Пастер всё же заразил этими ослабленными бациллами подопытных животных. И оказалось, что животные стали после этого иммунными против сибирской язвы! Когда Пастер окончательно убедился в своём успехе, то он решился в 1881 г. продемонстрировать в публичном эксперименте эффективность своих прививок. «Я привью двадцати четырём овцам культуру ослабленных бацилл и такое же количество животных оставлю непривитыми, а затем в назначенное время впрысну всем животным наиболее опасную чистую культуру сибиреязвенных бацилл из тех, что у нас имеются»,— разъяснял Пастер. Спустя два дня после того, как были впрыснуты смертельно опасные бациллы, на опытном поле собралась большая толпа людей. Ни одно из привитых животных не обнаруживало даже малейших признаков заражения сибирской язвой! А из 24 непривитых овец 22 уже лежали на поле недвижимыми. «Охотники» за микробами одержали ещё одну победу.
Луи Пастер проводит свой знаменитый публичный эксперимент по вакцинации овец против сибирской язвы (1881 г.).
В последующие годы такие же впечатляющие успехи были достигнуты Пастером в борьбе с бешенством и куриной чумой. Правда, Пастеру не удалось обнаружить с помощью микроскопа возбудителей этих двух заболеваний. Теперь-то известно, что по сравнению с размерами бактерий эти «злодеи» ничтожно малы, например как мышь по сравнению со слоном. И бешенство, и куриную чуму вызывают вирусы (от лат. virus — ядовитая жидкость), которые невидимы при исследовании в оптическом микроскопе. Лишь в нашем столетии стало возможным увидеть вирусы с помощью современных электронных микроскопов.
Вирусы построены так просто, что долгое время их вообще не считали живыми существами: они не могут осуществлять собственный обмен веществ, а для размножения им необходимы клетки других живых организмов. Поэтому вирусы невозможно вырастить, как это пытался сделать Пастер, на искусственных питательных средах, зато их удаётся успешно культивировать в… насиженных куриных яйцах.
Кроме бешенства вирусы являются возбудителями многих других болезней. К болезням человека вирусной этиологии (то есть их вызывают вирусы) относятся, в частности, коровья оспа, натуральная оспа, полиомиелит, ветряная оспа, эпидемический паротит (свинка), грипп, вирусный гепатит (инфекционная желтуха) и тропическая жёлтая лихорадка. Ящур крупного рогатого скота, чуму животных и миксоматоз кроликов также вызывают вирусы. Вирусы растений причиняют большой ущерб полезным растениям, например картофелю. Существуют вирусы, которые своим «домом» выбирают насекомых, в результате последние гибнут. Благодаря этому, в частности, против таких вредителей, как монашенка и яблонная плодожорка, уже были успешно применены вирусы. Даже бактерии поражаются вирусами, так называемыми бактериофагами (от греч. phage — пожирающий). Бактериофаги внедряются в клетки бактерий и используют их содержимое в качестве строительного материала для своего собственного размножения, убивая при этом приютивший их микроорганизм. В одном из опытов мясо и колбаса были опрысканы неопасными для людей бактериофагами, и продукты, хранившиеся без охлаждения (вне холодильника), не портились в течение нескольких дней!
Вирусы — возбудители болезней человека, животных, растений (вирус табачной мозаики), а также вирусы, поражающие бактериальную клетку (внизу). Нападающие вирусы — бактериофаги — прикрепляются к поверхности клетки и инъецируют (вводят) в неё свой генетический материал. В ответ бактериальная клетка в соответствии с полученной от бактериофага генетической информацией «слепо» продуцирует из своего строительного «материала» сотни новых вирусных частиц. В результате этого клетка разрушается и высвобождает новых «убийц» бактерий.
Как организм обороняется против болезней?
Сегодня для нас профилактические (предохранительные) прививки против заразных болезней, например кори, туберкулеза и полиомиелита, есть нечто само собой разумеющееся. Прежде эти инфекционные заболевания (инфекция — это то же, что и заражение) нередко имели летальный исход. Уже в первую неделю жизни после рождения ребёнка ему делается прививка против туберкулеза, спустя два месяца — против полиомиелита, через три месяца — против коклюша, дифтерии и столбняка, через девять месяцев — против кори. Некоторые прививки делаются повторно с целью достижения иммунитета [9] , сохраняющегося в течение всей жизни.
9
Иммунитет (от лат. immunitas — освобождение, избавление от чего-либо) — невосприимчивость организма к инфекционным агентам и чужеродным веществам. Обеспечивается защитными свойствами кожи и слизистых оболочек, клетками иммунной системы (макро- и микрофаги, лимфоидные клетки), гуморальными факторами (антитела, комплемент), интерфероном и др. Естественный, или врожденный, иммунитет (например, человека к чуме собак) обусловлен наследственно закрепленными особенностями организма. Приобретённый активный иммунитет возникает после перенесённого заболевания или введения вакцин. Приобретенный пассивный иммунитет развивается при искусственном введении антител (например, противодифтерийной сыворотки) или при передаче антител ребёнку с молоком матери.— Прим. перев.
Когда в организм через органы дыхания или пищеварения или через повреждённую кожу проникают возбудители заболеваний, то они подвергаются атаке со стороны различных систем защиты. У человека это прежде всего «клетки-пожиратели» [10] , находящиеся в лимфатических узлах и кровеносных сосудах, которые «заглатывают» и обезвреживают чужеродные для организма вещества и клетки, в том числе бактерии. Но наш организм вырабатывает и защитные вещества, так называемые антитела, которые связываются с микробами, способствуют их слипанию в комочки (агглютинация [11] , вызывают их распад либо нейтрализуют выделяемые ими токсины. Кроме того, антитела облегчают работу «клеток-пожирателей», так как они отчётливо метят микробов. Против каждого проникающего в организм «врага» кровяные клетки человека вырабатывают особые антитела, то есть против бактерий туберкулеза образуются антитела совсем иные, чем, например, против вирусов оспы. Если клетки-пожиратели и антитела выигрывают «битву», то антитела ещё некоторое время циркулируют в крови, а затем постепенно распадаются. Однако те клетки человека, которые вырабатывали антитела, а также потомство этих клеток годами, а иногда даже на протяжении всей жизни сохраняют «память» о своих врагах. И если только человек вновь поражается, скажем, бактериями туберкулёза, то клетки, продуцирующие антитела, тотчас же распознают своих врагов и прореагируют не как в первый раз, постепенным образованием антител, а незамедлительной массовой продукцией антител против туберкулёзных бактерий. Последние благодаря этому молниеносно уничтожаются. Это означает, что у человека появляется иммунитет против возбудителя туберкулёза.
10
Фагоциты. Явление фагоцитоза открыто в 1883 г. И. И. Мечниковым.— Прим. перев.
11
Явление агглютинации, широко используемое также в качестве диагностической реакции.— Прим. перев.
При сильном чихании десятки тысяч мельчайших капелек разбрызгиваются и с высокой скоростью распространяются в помещении. Нередко крохотные капельки с содержащимися внутри них микробами остаются взвешенными в воздухе даже многие часы спустя. Именно таким образом — как, впрочем, и через рукопожатие — возбудители болезней могут очень быстро распространиться.
Как организм защищается от возбудителей болезней (бактерий)? Прежде всего внедрившиеся микробы распознаются иммунными клетками как «чужие». Иммунные клетки подают сигналы клеткам, синтезирующим антитела. Образующиеся антитела прикрепляются на поверхности бактерий и тем самым метят их в качестве будущих мишеней для «клеток-пожирателей» — фагоцитов, которые в конце концов поглощают и уничтожают эти отмеченные бактериальные клетки. В действительности защитная система организма имеет гораздо более сложное строение, пока ещё выясненное далеко не во всех деталях.
При активной иммунизации вводятся «безобидные враги», например ослабленные бактерии туберкулёза. Прививку проводят ещё до того, как человек реально столкнётся с возможностью заражения туберкулёзом, а именно новорождённому на первой неделе жизни. Тем не менее организм реагирует так, как если бы ему и вправду приходилось отражать атаку опаснейших бактерий: он вырабатывает антитела против бактерий туберкулёза, и клетки, вырабатывающие антитела, сохраняют эту способность в своей «памяти». Впоследствии стоит только действительно появиться истинным опасным возбудителям болезни, как эти клетки тотчас же распознают их и защитят организм. Ведь благодаря прививке он стал теперь иммунным против туберкулеза. Однако профилактическая противотуберкулезная вакцинация защищает его только от туберкулёза, но не против других болезней!