но и сегодня это открытие считается одним из важнейших, поворотных событий в истории человечества. В частности, на его основе были созданы генно-инженерные технологии — или, как их еще называют, технологии рекомбинантной ДНК, — без которых сегодня немыслимы многие области медицины, сельского хозяйства, пищевой, нефтяной и других видов промышленности.
Открытие генетической рекомбинации показало, что генетический текст (ДНК) можно в каком-то месте разрезать и в этот разрез вставить фрагмент любого генетического текста из того же самого или другого организма. Как вы уже знаете, это умеет делать вирус. Дело оставалось за малым: понять, как это смогут сделать генные инженеры.
Каким же образом вирус разрывает генетический текст? Должен быть какой-то инструмент, «ножницы», нарушающие целостность нити ДНК.
И такой инструмент был обнаружен. Им оказались ферменты рестрикции (рестриктазы). В данном случае ученые нашли ферменты, которые нарушали целостность молекулы ДНК в определенном месте.
Рестриктазы узнают в молекуле ДНК коротенькое слово генетического текста из четырех — восьми определенных букв и вносят в это место ДНК двухцепочечный разрыв.
Они были обнаружены в бактериях, но оказалось, что подобно генетическому коду многие биологические процессы универсальны, и ферментам рестрикции было совершенно все равно, чью ДНК и где разрезать. Они не имели видовой специфичности и прекрасно работали как в клетке, так и вне ее, в пробирке. За открытие рестриктаз в 1978 году американцы Даниел Натане и Хамилтон Смит вместе со швейцарским генетиком Вернером Арбером получили Нобелевскую премию по медицине и физиологии.
Именно эти два свойства генетического кода ДНК и ферментов — универсальность и сохранение свойств вне клетки, в пробирке — положили начало всем биотехнологическим и биомедицинским достижениям XX и XXI веков.
Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) бактериальной клетки ничем не отличается от ДНК клетки человека, кроме содержания генетического текста. Давайте представим себе генетический текст бактерий как текст тоненькой брошюрки, а генетический текст человека как текст многотомного издания. Но если мы оба текста разрежем на отдельные буквы, слова и даже предложения, то, перемешав, сможем составить новый текст с тем смыслом, который захотим ему придать. Помню, в детстве я слышал историю о том, как один заключенный, прочитав много детективов, из отдельных фраз и фрагментов прочитанного составил свой детектив, который пользовался большой популярностью. Так и здесь: если разрезать два генетических текста, а потом их фрагменты смешать в одной пробирке — вне клетки, вне организма, — то за счет рекомбинации два разных фрагмента могут объединиться в один. И неважно, что один фрагмент ДНК взят из бактерии, а другой из клетки человека. Рекомбинация все равно произойдет, и образуется новая, синтетическая молекула, в которой часть будет представлена бактериальным геномом, а часть — фрагментом генома человека.
Потом этот искусственно созданный геном, содержащий ген человека, мы можем ввести в бактерию. В результате в бактериальной клетке прекрасно начнет работать ген человека, который мы туда вставили с помощью технологии рекомбинантной ДНК; более того, он будет передаваться по наследству и окажется у всех многочисленных потомков этой бактерии.
Перенос генов и начало биотехнологии
Впервые осуществил и продемонстрировал перенос гена из одного организма в другой известный американский ученый Пауль Берг, лауреат Нобелевской премии 1980 года. Свой эксперимент ученый провел в 1971 году, но тогда речь шла только о генах микроорганизмов, поскольку технологии рекомбинантной ДНК по переносу генов между клеткой бактерии и клеткой человека еще не существовало. Тем не менее Пауль Берг был первым, кто показал, что ген одного микроорганизма может работать под контролем генетического текста (ДНК) другого микроорганизма.
Немного позже биохимик Герберт Бойер и генетик Стенли Коэн воспользовались открытием Пауля Берга и в середине 1970-х годов впервые перенесли ген инсулина человека в бактериальную клетку. Задача состояла в том, чтобы заставить ее синтезировать инсулин человека — белок, который можно было бы использовать для лечения больных диабетом.
С практической точки зрения главным достижением Г. Бойера и С. Коэна было открытие того, что любой ген человека можно переместить в подходящую бактериальную клетку, и бактерия будет безропотно производить белок, закодированный им, вне организма человека.
Рис. 4. Перенесение гена инсулина человека в бактериальную клетку
Наверное, может возникнуть вопрос: а зачем переносить ген именно в бактериальную клетку? Ведь все это есть и в клетке человека! Да, конечно, но... Для выращивания бактериальных клеток используются очень дешевые питательные среды — отходы пищевого производства, перегонки нефти, газ. Бактерия делится примерно один раз в двадцать — тридцать минут, а клетка человека — раз в несколько дней. Представьте себе, что вы на микробиологическую чашку Петри посадили одну-единственную клетку, в которую ввели одну-единственную копию синтетического гена. Назавтра, достав из инкубатора чашку Петри, вы увидите небольшую, но хорошо заметную глазом точку размером в один-два миллиметра, ведь там уже находится больше 107 клеток! Десять миллионов копий гена за одну ночь можно получить в этой бактериальной колонии, которая состоит из потомков одной-единственной клетки и получила название клон (а сам процесс стали называть клонированием). Представляете, сколько инсулина человека смогут производить десять миллионов клеток!
Клонирование — это получение точной копии в поколениях. Само слово «клон» по-гречески означает «ветвь», «отпрыск», «потомок». Более ста лет назад в США термин «клон» (ветвь) пытались ввести в растениеводстве, чтобы различать сельскохозяйственные растения, полученные вегетативным путем (из укорененных частей растений), а значит, точные копии. Ведь при опылении одного растения другим уже происходит оплодотворение — смешиваются два генома, получается новый геном.
Однако тогда термин «клон» не прижился, зато получил вторую жизнь в молекулярной биологии, генной инженерии, биотехнологиях и биомедицине.
Таким образом, применив биотехнологические подходы, включающие клонирование и выделение инсулина человека из бактериальной биомассы, человечество полностью решило проблему инсулиновой зависимости. И сегодня все люди, страдающие инсулинозависимыми формами диабета, пользуются рекомбинантным инсулином, который производится бактериями.
Инженерия живого
Перед генетикой, дерзнувшей проникнуть в святая святых живого организма, чтобы определять возможность наследования признака (причем не на протяжении веков и тысячелетий),
