| Головна » Статті » Ще |
Пригоди фага Лямбда
| Коли людина у своєму змаганні з природою не веде боротьбу, а розумно використовує те, чого домоглася еволюція мільйонами років відбору, він набуває могутність, яке здається фантастичним. Чи Не в цьому секрет генної інженерії? Сучасне природознавство справді дало нам можливість пізнати і визнати, що в живій природі функціонують і виробляють собі подібних організовані системи різної складності - від малих органічних молекул до істот, наділених високим ступенем досконалості. Але всебічне пізнання надзвичайного розмаїття живих істот було б неможливо без співдружності різних областей науки. А це сприяє появі нових наукових напрямів. Так з'явилася і молекулярна біологія. Тріада, утворена біохімією, мікробіологією і генетикою,- її основа.Молекулярну біологію можна назвати «біологією ХХ століття». Справа в тому, що вона показала всі переваги вивчення життєдіяльності на рівні молекул, нуклеїнових кислот і білків, і найбільш простих систем. Вона досягла не тільки вражаючих успіхів в осягненні таємниць живого, але і виявила приховані в них можливості для практичного використання. Звичайно, не випадково одним із розділів нової науки, впритул підійшли до практичної реалізації, стала генетична інженерія. Адже відкриті абсолютно нові шляхи дослідження та зміни апарату спадковості. Фактично людина вже давно створює організми, яких до цього не існувало в природі, нові породи домашніх тварин і сорти культурних рослин, отриманих шляхом схрещування і подальшого штучного відбору. Але ще зовсім недавно наші уявлення про природу процесів спадковості були вельми туманними. Для вирішення цього завдання необхідно було подолати не тільки технічний, але і великий психологічний бар'єр. І це відбулося, хоча далеко не відразу. Зараз ні в кого не викликає сумніву, що носієм генетичної інформації, чітко визначає всі особливості будь-якого організму - від вірусу до людини,- є нуклеїнові кислоти, і насамперед дезоксирибонуклеїнова кислота (ДНК). Про це йдеться в підручниках біології для середньої школи. Як і будь-яке інше хімічне з'єднання, ДНК може бути виділена в чистому вигляді з живих об'єктів. У пробірці виявляється укладеної вся генетична інформація даного організму. Найбільш часто об'єктом для подібних лабораторних експериментів служить Ешерихия Колі - так називають по-латині кишкову паличку, довічного супутника людини. Отримані мікрофотографії виділеної з неї молекули ДНК; вона являє собою витягнуту нитку довжиною 400 мікрон, дві тисячних мікрона в поперечнику і вагою 2,8 мільярда дальтон. У більш простих за будовою вірусів в молекулі тільки один мільйон дальтон нуклеїнової кислоти. А у людини на кожну клітину приблизно в 700 разів більше, ніж у кишкової палички. Для виникнення генетичної інженерії відкриття вмістилища спадковості мало важливе значення. Але, мабуть, не менш істотно було встановити, що процеси будь-яких перебудов ДНК, що ведуть до зміни спадкових ознак, що відбуваються при участі певних білків - ферментів. Зараз не всі, але багато ферменти, керуючі генетичними процесами, виділені і вивчені. Саме після цього виявилося можливим втрутитися у формування спадкових ознак, відпрацьованих природою на довгому шляху біологічної еволюції.У розпорядженні дослідника тепер є молекули ДНК, доступні для впливу біохімічними інструментами - ферментами. Накопичені і певні знання про молекулярної природі генетичних процесів. Такі передумови, психологічні та технічні, генетичної інженерії - науки, що переслідує мети свідомого, цілеспрямованого створення раніше не існували в природі комбінацій спадкових ознак. Все-таки дивний термін для біології - «генна інженерія». Чому саме «інженерія»? - Сам термін «генетична інженерія» виникло тому, що біологи отримали можливість в процесі експерименту з генетичним речовиною вводити в нього щось нове, чуже. Генетична інженерія, або, як ще її називають, «генетичне конструювання», передбачає, що вчений, уподібнюючись інженерові-конструктору, зможе створювати за своїм бажанням ще невідомі генетичні системи. Вперше подібний експеримент був зроблений в 1973 році в медичному центрі при університеті каліфорнії, США докторами Гербертом Бойером і Говардом Гудменом. Потім він був повторений вченими інших країн. Дослідники встановили, що деякі з білків - ферментів, що контролюють всі біохімічні процеси в живій клітині і забезпечують її існування, здатні «розрізати» молекулу ДНК у точно запланованих місцях і на потрібну кількість частин. Так був знайдений, вивчений і виділений своєрідний «біологічний ніж». Об'єктом первинних досліджень була вже згадана кишкова паличка. Потім роботи стали проводитися на найпростіші віруси - бактериофагах Лямбда і Т-4. Вибір на них упав тому, що їх спадковий апарат влаштований найбільш просто. Пізніше у бактерії, крім довгих ниток, були виявлені набагато менші за розмірами і другорядні скручені «кільця» ДНК, що одержали назву плазмід. Плазміди не залежать від хромосом і, що дуже важливо, здатні відтворювати свої точні копії, які можна без шкоди для клітини виймати, «оперувати» в пробірці, а потім повертати на місце.Їх і стали використовувати для пересадок чужорідної речовини спадковості. Стенлі Коен і Енні Чанг з Стенфордського університету в США спільно з Бойером і Робертом Хеллингом розробили метод, за допомогою якого «біологічний ніж» розщеплював плазміди і вводив у них чужі гени. При цьому не порушувалася здатність «кілець» відтворювати собі подібних, але вже з новими спадковими ознаками. Мабуть, можна було говорити про перший тріумф генетичної інженерії. У всякому разі, відразу були досягнуті серйозні успіхи. Але ось в квітневому номері журналу «Просидитс оф нешнл академі оф сайенсиз» за 1974 рік Коен і Чанг оголосили про новий досягненні: їм вдалося пересадити в Ешерихию Коли гени бактерії зовсім іншого вигляду - стафілокока. Виходила нова бактерія з властивостями обох видів. Через сім місяців ці ж вчені разом з Джоном Морроу з інституту Карнегі здійснили ще більше - ввели Ешерихию Коли південноафриканської жабі. Генетичні бар'єри навіть між такими далекими живими істотами теж виявилися здоланними. Перед биоконструкторами відкривалися надзвичайні можливості створення нових форм живого. Таке людям вдалося вперше. Але прорив у невідоме, ймовірно, породив масу важких проблем, у першу чергу морального характеру? Мирно живе в нас кишкова паличка перетворилася в абсолютно новий організм! Адже вона швидко розмножується, перешкодити проникненню повітря та води в організм людини неможливо. А що станеться, якщо цей або інший штучно створений гібрид опиниться на волі? - Так, поряд з відкриттям надзвичайних перспектив, деякі з задуманих експериментів могли в певних соціальних умовах виявитися ризикованими. Ще в липні 1974 року в журналі «Сайенс» (США) з'явився лист, підписаний 12 найбільшими американськими біохіміками і генетиками, в тому числі професорами Полем Бергом, керівником комісії, заснованої Національною академією США, Гербертом Бойером, Стенлі Коеном.Вперше в історії самі вчені публічно звернулися до колег із закликом призупинити деякі з експериментів з генної інженерії. Звичайно, не передбачалося припиняти дослідження повністю. Прогрес науки зупинити не можна.Визнавалося необхідним лише ввести тимчасовий мораторій - заборона, поки всебічно не будуть оцінені можливі негативні наслідки. Цього, власне кажучи, і була присвячена Перша міжнародна конференція з генної інженерії, що зібралася в Давосі в жовтні 1974 року.Після тривалих обговорень всі погодилися з точкою зору доктора Мартіна Каплана з Всесвітньої організації охорони здоров'я, заявив, що проведення досліджень у великих, добре оснащених лабораторіях за участю висококваліфікованих фахівців не може викликати побоювань. Наступний етап у короткій, але драматичної історії генетичної інженерії відноситься до лютого 1975 року. В американському місті Асиломаре знову зібралися біохіміки, біологи, генетики з 16 країн світу. Основним результатом було рішення про скасування мораторію, оскільки до цього часу вже розробили методи, що гарантують безпеку генетичної інженерії. Насамперед було вирішено з усією серйозністю поставитися до введення генів вищих тварин бактерії, оскільки багато з таких генів характерні для вірусів, що викликають злоякісні пухлини.І найголовніше: вирішено було працювати з тими бактеріями, які самознищуються при контакті з атмосферою або будь середовищем, на відміну від тієї, в якій їх виростили. Це дуже важлива умова, оскільки для експериментів використовуються бактерії, штучно вирощені під високими тисками або, навпаки, у вакуумі, що гарантує їх загибель при звичайних умовах. Радянські вчені, що брали участь у конференції з генетичної інженерії, вважали, що побоювання американських дослідників дещо перебільшені, хоча в принципі і вірні: не можна скидати з рахунків реальну загрозу постановки потенційно небезпечних експериментів різними приватними фірмами, а то і взагалі недостатньо обізнаними в науці людьми, не кажучи вже про свідомий відступ від міжнародного права, в умовах, де таке право не гарантовано державним законом.І хоча в Радянському Союзі, як і в інших соціалістичних країнах, державне законодавство виключає будь-які антигуманні експерименти і немає приватних фірм, радянські вчені також голосували за вводяться приватні обмеження, враховуючи глобальний характер проблеми. Завдання, пов'язані з виникненням нової захоплюючій і багатообіцяючою гілки науки про живе, стала провідною галуззю сучасного природознавства, безумовно, треба було вирішувати спільно. Після того як заходи безпеки, розроблені і одностайно прийняті, слід очікувати стрімкого розквіту генетичної інженерії? - Дослідження з генної інженерії розвиваються зараз досить успішно як у нас в країні, так і за кордоном. У Відділі молекулярної біології Інституту біохімії й фізіології мікроорганізмів АН вже кілька років тому отримані рекомбінантні (гібридні) молекули ДНК з ДНК фага Лямбда і плазміди Ешерихии Колі. В принципі зараз можна «зшити» дві будь-які частини ДНК. Як правило, учений суворо вибирає і необхідний генетичний матеріал, і шляхи майбутньої операції. Основними знаряддями дослідника в області генної інженерії, своєрідними «ножицями», «пінцетами», «скальпелями» і «затискачами» є ферменти. Набір таких «інструментів» є в кожній клітині, вони виробляють з генами самі різні операції. Наприклад, деякі ферменти захищають клітину від вторгнення чужих генів. Вони, як скальпелем розрізають «противника» - чужу ДНК, причому тільки в певних місцях.Різні ферменти - у різних місцях, оскільки їх багато і вони діють строго вибірково. «Зшивання» шматків хромосом допомагає одне щасливе обставина. Шматки - «липкі» і можуть склеюватися один з одним. А злиплі кінці вже міцно «зшиваються» ферментом, який називається «лигаза». На останньому етапі операції, для того щоб перенести нові гібридні молекули у клітини, як «пінцету» використовують молекули ДНК вірусів бактеріальних клітин, фаги ті самі, про які вже згадувалося. Вірус, молекули якого внесена нова спадкова інформація, проникає в бактерію і віддає їй свої гени. Переносником може бути і плазміда.Ця кільцева молекула завдяки своїм малим розмірам легко відокремлюється від основної маси бактеріальних клітин ДНК. У неї також можна «пришити» чужорідні гени, переробити її і знову «послати» в клітку. Довільне об'єднання генів, узятих із різних організмів, може призвести до утворення молекули ДНК з непередбаченими властивостями.Адже вже зараз можливі самі незвичайні комбінації; прикладом таких служить поєднання генів бактерії і жаби. Безумовно, не треба думати, що ми скоро побачимо щось незвичайне серед експонатів живих куточків. Але включення бактеріального гена в людське хромосому - це здійсненно. Треба, зрозуміло, бути реалістами. Додавання чужорідних генів у хромосомний апарат високоорганізованого істоти не обов'язково призводить до створення нових форм живого.Ця задача досить складна, і вона буде вирішена найближчим часом, відповісти важко. Поки мова йде лише про створення нових комбінацій генів у ДНК, про дослідження наслідків цих операцій з спадковою інформацією. «Технологічно» це робиться так. Неспоріднену клітини двох організмів, корисні якості яких бажано об'єднати при схрещуванні, культивують на штучних поживних середовищах. Потім культури змішують. В певних умовах частина клітин при цьому зливається. Поки, проте, подальший процес освіти з клітин-гібридів стабільних систем виглядає хаотичним і непередбачуваним. Однак в експериментах вже вдається таке нестатеве схрещування близькоспоріднених рослинних клітин. З них може бути отримано цілу рослину. Таким чином вже тепер можна отримувати нові сорти рослин. Більш визначені перспективи пересадки в позбавлену ядра яйцеклітини «чужого» ядра, взятого із соматичних, тобто нестатевих клітин, наприклад, клітин слизових оболонок або печінки. Поки така операція вдається тільки для амфібій, риб і комах - організмів, у яких розвиток зародка відбувається у зовнішньому середовищі. Однак поступово освоюються підходи до ссавців, і це може мати воістину революційні наслідки для тваринництва.Адже в перспективі відкривається можливість пересадки в яйцеклітину беспородной матері ядра, що несе всі без винятку спадкові задатки якогось обраного виробника, що володіє рідкісним поєднанням господарсько цінних якостей.Все отримане таким шляхом потомство виявиться генетичною копією батька або матері. Можливості генетичної інженерії, звичайно, не обмежуються промисловими і сільськогосподарським використанням. Вони поширюються - і, може бути, ще більшою мірою - у сферу медицини. У розвинених країнах поліпшення умов життя і успіхи медицини призвели до подовження життя, зменшення дитячої смертності та усунення деяких хвороб. Особливо це помітно в нашій країні, де блага забезпеченого і справедливого суспільства поширюються без дискримінації на всі соціальні групи. Але на землі поки є знедолені в економічному і культурному відносинах країни з їх невирішеними економічними і соціальними проблемами.Існують також рак, серцево-судинні захворювання, спадкові порушення обміну, грип та інші хвороби, які змушують шукати якісь нові засоби подолання недуг, оскільки старі не дають особливих надій на досягнення мети. Такі шляхи у ряді випадків пропонує генетична інженерія. Можливості її здаються перспективними, наприклад, у створенні методів діагностики спадкових порушень обміну, у виробництві високоефективних засобів попередження інфекційних захворювань, в отриманні деяких гормонів, які використовуються при лікуванні ендокринних хвороб. Так, генетики вже роблять експерименти, пересаджуючи з клітин підшлункової залози людини «відповідальний» за синтез інсуліну ген бактерії, і намагаються отримати цей гормон у мікробіологічному виробництві. Таким чином можна буде замінити застосовується зараз при лікуванні діабету коров'ячий чи свинячий інсулін, який інколи приводить до неприємних ускладнень. Будучи синтезовано і вмонтований в спеціально підібрану структуру, ген вводиться в мікробну, тваринну або рослинну клітину, в якій він здатний розмножуватися. Спадкові властивості клітини-господаря змінюються. При відомих умовах чужорідний ген починає функціонувати, управляти синтезом певного продукту. У деяких випадках клітина отримує здатність до посиленого (іноді до крайнього ступеня) «виробництва» цього продукту, що може мати важливе практичне значення. Але ж маніпуляції подібного роду можливі головним чином лише на окремо живих клітинах. А як же впливати на цілісний багатоклітинний організм? - Це буде наступний, хоча і не надто віддалений етап. Деякі висновки можна зробити вже і в даний час. Нині, приміром, кормовий білок, незамінні амінокислоти, вітаміни та інші біологічні стимулятори отримують за допомогою мікроорганізмів. Мікробіологічна промисловість бурхливо розвивається. Постійно ведеться пошук та селекція мікроорганізмів, що володіють підвищеною здатністю виробляти цінні продукти.Так от, генетична інженерія пропонує унікальний спосіб створення мікроорганізмів - свого роду рекордсменів по продуктивності: треба лише ввести в мікробну клітину відповідні чужорідні гени, що керують синтезом потрібних з'єднань. За умови стабільності нової генетичної структури цей спосіб буде ефективним і рентабельним. Генетика недавнього минулого мала в своєму розпорядженні тільки одним способом підвищення продуктивності мікроорганізмів: виділенням природних видозмінених форм - мутантів, які з'являються з частотою 1:107. Генетична інженерія конструює нові форми за планом і цілеспрямовано. В цьому її особливість і її перевага. Але не обов'язково, щоб синтезируемое чужорідним геном з'єднання було таким, яке здатна виробляти клітина-господар. Спостереження вказують на можливість невластивого даній клітині синтезу: чужорідний ген, якому клітина дала притулок, нав'язує їй свій тип обміну. І це, звичайно, значно розширює коло застосування методів генетичної інженерії. Одна з можливих перспектив - біологічна фіксація азоту. Чотири п'ятих повітря складаються з азоту. Запаси його практично невичерпні.Але рослини не можуть використовувати для харчування чистий азот. Відомо, що на коренях бобових рослин оселяються так звані бульбочкові бактерії, які мають здатність засвоювати азот атмосфери і збагачувати ним ґрунт. Сьогодні навряд чи доцільно намагатися вводити в який-небудь орган рослини гени, здатні фіксувати азот, запозичуючи їх у природних господарів - азотофіксуючих бульбочкових бактерій.Адже цей процес вимагає значних енергетичних витрат. Введення генів, які забезпечують засвоєння азоту з повітря, в налагоджену фізіологічну машину рослинної клітини, ймовірно, викличе сильну «струс» її обміну і навряд чи приведе до сприятливого результату. Інша справа - створення бактерій-симбіонтів, пристосованих до тим польовим або луговим культур, які, на відміну від бобових, які не мають власних «постачальників» азоту.Таким шляхом можна зменшити кількість вноситься в ґрунт мінерального азоту, поставляючи хоча б деяку його частину за рахунок діяльності бактерій і самої рослини. Звичайно, на цьому шляху є перешкоди не тільки генетичного, але і біологічного характеру. Так, активність бульбочкових бактерій, усваивающих атмосферний азот, пригнічується, коли в грунт вносять великі дози мінерального азоту з добривами. Отже, створюючи, наприклад, нові типи азотофіксуючих бактерій, здатних до симбіозу з небобовыми рослинами, необхідно ще й домогтися, щоб вони були нечутливі, на відміну від природних побратимів, до гнітючого дії мінеральних азотних добрив. Інакше інтенсивне землеробство буде гальмуватися. І це не єдина трудність... Виявити в природі подібного роду надзвичайні азотофиксирующие мікроорганізми за той проміжок часу, який влаштував би сільське господарство з його не терплять зволікання потребами, майже неможливо. Генетична ж інженерія намагається конструювати нові мікроорганізми-азотофиксаторы в пробірці, і по заданому плану. Іншими словами, експериментатори йдуть до вирішення прикладних завдань ще нехоженной стежкою. Тому поки вони змушені діяти методом проб і помилок. Але так буде не вічно. Але навіть те, що зроблено, можна назвати революцією. І не тільки в біології або сільському господарстві, а у світовій економіці. - Безумовно. Тим більше, що інтереси і експериментальні можливості сучасних біологів не обмежуються одним лише світом молекул - простих або складних. Вони поширюються і на більш високоорганізовані системи. Нові перспективи відкривають генетичні маніпуляції на рівні клітин - наприклад, гібридизація їх, що дозволяє подолати бар'єри, встановлені природою для змішування видів. Поки ще не розроблені надійні способи імплантації клітини з виправленим геном в організм людини. В цьому відношенні перспективними, наприклад, роботи американських вчених під керівництвом Мерилла. Їм вдалося в хвору м'язову (соматичну) клітину людини, позбавлену потрібного ферменту, ввести ген кишкової палички, «командувач» виробленням цього ферменту. В результаті відсутній фермент став синтезуватися, і клітина одужала. Правда, можливо, що бактеріальний ген працював в клітці «не включившись» в ланцюжок людських генів, залишався автономним.Але це не применшує практичного значення отриманого результату. Очевидно, це предмет подальших досліджень, яким належить відкрити шлях «генної терапії»? - Ще недавно не існувало ніяких ідей, що стосуються усунення спадкових дефектів обміну у людей. І зараз ще немає способу, який можна застосувати в клініці. Але генетична інженерія дозволяє принаймні намітити шлях лікування порушень обміну з допомогою заміщення неповноцінних генів, який починається з отримання від здорових людей потрібних генів, а закінчується їх пересадкою хворій людині. Не менш важлива група проблем - з'ясування, де саме накопичуються в організмі фаги. Вирішення питання дозволить вести розмову про безпосередньому впровадженні гібридних фагів з певною здатністю виробляти ту чи іншу речовину в хворий організм. Тим самим з'явиться можливість не просто вилікувати, але зовсім ліквідувати багато, особливо спадкові, хвороби, вплинути на імунну (захисну) здатність. Нехай зараз, кажучи про всіх цих перевершують будь-яку саму витончену фантазію задумах і можливостях, ми маємо на увазі майбутнє.Нехай нагальні практичні успіхи генетичної інженерії більш ніж скромні. Така оцінка не повинна вводити в оману. Незаперечний факт полягає в тому, що людині вперше вдалося поєднати в пробірці в єдине ціле генетичні структури, що існують в природі абсолютно роздільно. Їх злиття було не наслідком випадкового зіткнення молекул, а результатом свідомого вибору і продуманого плану. І це вже саме по собі вражає. Ми розглядаємо сьогодні генетичну інженерію насамперед як засіб і спосіб зрозуміти структуру і механізм функціонування генів, речовини спадковості - ДНК, тобто хочемо з її допомогою пізнати логіку побудови програми розвитку будь-якого живого організму. Тим самим ми отримаємо можливість контролювати і поліпшувати життя в її первісних витоках. Генетична інженерія, як і сукупність біологічних дисциплін, зазвичай об'єднуються під назвою фізико-хімічної біології, укладає в собі необмежені можливості. Вона націлена на день завтрашній. Безсумнівно, що незабаром генетики опиняться в положенні хіміків-синтетиків, які не обмежують своє мистецтво зразками, даними природою, а створюють вражаюче по своїй розмаїтості безліч органічних сполук - творінь людського розуму, умілих рук. | |
| Переглядів: 453 | |
