Обе спирали оборачиваются одна вокруг другой и объединяются с помощью химических «мостов», в качестве которых выступают аденин, гуанин, тиамин и цитозин (А, Г, Т, Ц). Последовательность четырех перечисленных веществ уникальна, она несет в себе закодированную информацию о синтезе белков и прочих клеточных веществ. Отдельный блок такой информации, т. е. смысловой отрезок ДНК, является единичным геном.
Когда этот ген включается, клетки начинают производить определенные белки, что приводит к запрограммированным биологическим процессам. ДНК служит матрицей для производства веществ, обеспечивающих протекание различных процессов в организме и само существование организма. Записать формулу гена можно как АГЦ-ТТА-ЦТГ-… и т. д., т. е. в виде любой кодирующей последовательности.
Расположение информации на молекуле нуклеиновой кислоты имеет следующий вид: САЙТ — БЕЛОК НОМЕР ОДИН («формула») — САЙТ — БЕЛОК НОМЕР ДВА. Под сайтом понимается участок узнавания, по которому организм отличает одну запись от другой. Впрочем, у некоторых вирусов, разновидностей т. н. бактериофагов, запись генетического кода очень неразборчива, в ней одни гены наслаиваются на другие: БЕЛОК НОМЕР ОДИЕЛОК НОМЕР ДВАЛОК НОМЕР ТРБЕЛОК… и т. д.
Размеры генов ничтожны. Если собрать все ДНК из клеток взрослого человека, то молекулы свободно уместятся в наперстке. Но при этом объем хранимой веществом наследственности информации колоссален. Если сравнить молекулу ДНК с перфокартой, то количество информации на первой напрямую зависит от протяженности молекулы. Ученые вычислили суммарную длину всей человеческой ДНК и получили астрономическое число — 60 млрд км! То есть если вытянуть ДНК из всех клеток человека в мировом пространстве в виде тончайшей нити, то эта нить протянется от Земли в 10 раз дальше, чем находится от нас планета Плутон.
Вещество податливо и после должной обработки приобретает те свойства, которые выгодны человеку. Дезоксирибонуклеиновая кислота — не исключение, она также способна видоизменяться, если правильно на нее воздействовать. А это означает возможность преобразования живой материи. Генетики (ученые, занимающиеся секретами наследственности), поставили перед собой несколько задач. Если эти задачи удастся без проблем решить, то человечество сможет управлять генетическим кодом и создавать новые виды организмов.
Первой задачей является выделение гена. Его нужно найти на бесконечно длинной двойной нити ДНК и вырезать оттуда. Это весьма сложно сделать не только технически, но даже теоретически: отрезок молекулы выбирается из десятков тысяч схожих отрезков. Затем необходимо научиться синтезировать ген, получать его искусственным путем в лаборатории в любых масштабах.
Эта мера вовсе не излишняя. Допустим, сельское хозяйство нуждается в овощах, содержащих животные жиры. Для этого необходимо внедрить овощам соответствующий животный ген. Но сначала его требуется найти в клетках животных и выделить оттуда, а затем размножить. В единичном экземпляре ген не представляет интереса. С одним геном нельзя провести серию экспериментов, нельзя обеспечить гибридизацию в масштабах всего растениеводства.
То есть первоначально выделенный отрезок ДНК будет использован в качестве матрицы, на основе которой произведут множество аналогичных генов, которыми можно будет смело пользоваться в исследовательских и хозяйственных целях. Третьей задачей является модификация гена. Полученный отрезок кислоты необходимо предварительно переработать, изменить его размеры и свойства.
На завершающей стадии от ученых требуется научиться внедрять генетический материал в чужие клетки и активировать его. Ген может попасть в такую область, где не станет функционировать. Вот почему необходимо, во-первых, точно разместить его на новом месте и подсоединить к уже имеющемуся генетическому материалу, а во-вторых, заставить там полноценно работать. Реализовать поставленные задачи оказалось возможным лишь в последние годы, когда была создана генная инженерия.
Изобретена технология генной инженерии
Генная инженерия представляет собой направление биологической науки, возникшее на стыке генетики, молекулярной биологии, биотехнологии, микробиологии, селекции и медицины. Эта область знания занимается разработкой способов управления генетическим кодом. То есть генная инженерия ищет пути внедрения в клетку новых генов и получения при этом положительного эффекта.
Возможности генной инженерии безграничны. Некогда античные философы любили аллегорически изображать все нереальное и противоестественное в виде мифического козлоконя. В наши дни генетическое конструирование организмов теоретически допускает существование козлоконей и прочих химерических животных — кентавров, сирен, грифонов, базилисков и т. п. Требуется лишь правильное оперирование с наследственным материалом. Однако это не является истинной целью генной инженерии.
На сегодняшний день задача генетического конструирования заключается в выведении штаммов бактерий (дробянок) с запрограммированными свойствами. Хотя задача выглядит весьма скромной, она многое дает для человека. Никакой химик пока не способен состязаться с бактериями в синтезе органических соединений. Как правило, эти соединения не представляют пользы для человека, а иногда и вредны: выделения болезнетворных бактерий токсичны.
Посредством генного конструирования можно заставить дробянок производить те вещества, которые чрезвычайно необходимы человеку. Бактерии размножаются в столь большом количестве, что их продукцию можно получать в колоссальных объемах. Главное — вывести новую разновидность (штамм) бактерий и создать условия для их размножения. В 1980 г. начался промышленный выпуск соматотропина, синтезированного бактериями с измененной генетической конституцией.
Бактерией-производителем выступила хорошо известная ученым кишечная палочка. Прежде соматотропин, необходимый для лечения детской карликовости (нанизма), получали из гипофиза мозга скончавшихся людей. Естественно, препарата катастрофически не хватало. Как, впрочем, не хватало и инсулина, получаемого из печени забитого скота. Потребность в инсулине, используемом при лечении диабета, была удовлетворена лишь на 7 %. Генетики получили штамм кишечной палочки, выделяющий инсулин, и начиная с 1982 г. это вещество производится в промышленных масштабах.
Для того чтобы достичь подобного результата, потребовалось «скрестить» бактерию (!) с человеком, поскольку только в человеческом организме есть гены, ответственные за производство нужной формы соматотропина и инсулина. Эти гены были вырезаны из последовательности человеческой ДНК и внедрены в ДНК бактериальную. Микроорганизм стал синтезировать человеческие гормоны. Сегодня ученые знают уже наверняка, что бактерии в состоянии синтезировать все.
Естественно, наука не собирается останавливаться на достигнутом. Когда изменение генотипа бактерий окажется весьма простым делом, то начнутся работы над сельскохозяйственными растениями и животными. Отдельные изыскания в этой области ведутся уже сейчас. К числу недавних открытий следует отнести обнаружение гена, удваивающего число клубней картофеля, и пр. Генная инженерия позволит выводить принципиально новые сорта культурных растений и породы домашних животных.
Ввести генетический материал в чужую клетку можно несколькими способами. Поколение трансгенных животных получается при внедрении генов в яйцеклетку матери с помощью микроинъекций. Но этот метод применим не всегда.
Ученые имеют дело со столь мелкими объектами, что манипулировать ими посредством любых инструментов невозможно. Вот почему генетики применяют для проведения операций по внедрению отрезков ДНК молекулярные векторы.
В качестве последних выступают вирусы, плазмиды и космиды. В природе постоянно происходит перенос генетической информации от одного организма другому посредством вирусов, которые распространяют инфекцию. Получается, что достаточно заразить подопытные клетки вирусами, несущими нужные гены, как эти гены окажутся внедренными в наследственный материал клеток. Вирусы самой природой устроены таким образом, чтобы внедрять свою ДНК или ее аналог РНК (рибонуклеиновую кислоту) в чужой генетический аппарат.
Впрочем, нельзя сказать, чтобы вирусам отдавалось предпочтение. Выбор вектора зависит от условий эксперимента. Плазмиды не так давно использовались чаще всего. Под плазмидами понимаются особые, кольцевые молекулы ДНК в бактериальных клетках.
В целом методы генной инженерии выглядят следующим образом. На начальной стадии, носящей название рестрикции, идет операция по извлечению нужного гена из человеческой или любой другой ДНК. На молекулу химически воздействуют ферментами, которые отщепляют необходимый отрезок. Ферменты влияют на нуклеиновую кислоту таким образом, что у отрезка остаются «липкие» концы. Это означает, что они легко присоединятся к любой другой молекуле ДНК. Затем следует процедура лигирования. На этой стадии бактериальную плазмиду рассекают ферментами и вклеивают в нее готовый ген-отрезок. Затем плазмиду склеивают веществом лигазой, чтобы она опять приняла кольцевую форму.
