Когда человек в своем соревновании с природой не ведет борьбу, а разумно использует то, чего добилась эволюция миллионами лет отбора, он приобретает могущество, которое кажется фантастическим. Не в этом ли секрет генной инженерии?
Современное естествознание в самом деле дало нам возможность познать и признать, что в живой природе функционируют и производят себе подобных организованные системы различной сложности - от малых органических молекул до существ, наделенных высокой степенью совершенства. Но всестороннее познание необычайного разнообразия живых существ было бы невозможно без содружества различных областей науки. А это способствует появлению новых научных направлений. Так появилась и молекулярная биология. Триада, образованная биохимией, микробиологией и генетикой,- ее основа. Молекулярную биологию можно назвать «биологией ХХ века». Дело в том, что она показала все преимущества изучения жизнедеятельности на уровне молекул, нуклеиновых кислот и белков, и самых простых систем. Она достигла не только поразительных успехов в постижении секретов живого, но и выявила скрытые в них возможности для практического использования. Конечно, не случайно одним из разделов новой науки, вплотную подошедших к практической реализации, стала генетическая инженерия. Ведь открыты совершенно новые пути исследования и изменения аппарата наследственности.
Фактически человек уже давно создает организмы, которых до этого не существовало в природе, новые породы домашних животных и сорта культурных растений, полученных путем скрещивания и дальнейшего искусственного отбора. Но еще совсем недавно наши представления о природе процессов наследственности были весьма туманными. Для решения этой задачи необходимо было преодолеть не только технический, но и большой психологический барьер. И это произошло, хотя далеко не сразу.
Сейчас ни у кого не вызывает сомнения, что носителем генетической информации, четко определяющей все особенности любого организма - от вируса до человека,- являются нуклеиновые кислоты, и прежде всего дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК). Об этом говорится в учебниках биологии для средней школы. Как и любое другое химическое соединение, ДНК может быть выделена в чистом виде из живых объектов. В пробирке оказывается заключенной вся генетическая информация данного организма.
Наиболее часто объектом для подобных лабораторных экспериментов служит Ешерихия Коли - так называют по-латыни кишечную палочку, пожизненного спутника человека. Получены микрофотографии выделенной из нее молекулы ДНК; она представляет собой вытянутую нить длиной 400 микрон, две тысячных микрона в поперечнике и весом 2,8 миллиарда дальтон. У более простых по строению вирусов в молекуле только один миллион дальтон нуклеиновой кислоты.
А у человека на каждую клетку примерно в 700 раз больше, чем у кишечной палочки.
Для возникновения генетической инженерии открытие вместилища наследственности имело важное значение. Но, пожалуй, не менее существенно было установить, что процессы любых перестроек ДНК, ведущих к изменению наследственных признаков, совершаются при участии определенных белков - ферментов. Сейчас не все, но многие ферменты, управляющие генетическими процессами, выделены и изучены. Именно после этого оказалось возможным вмешаться в формирование наследственных признаков, отработанных природой на длинном пути биологической эволюции. В распоряжении исследователя теперь имеются молекулы ДНК, доступные для воздействия биохимическими инструментами - ферментами. Накоплены и определенные знания о молекулярной природе генетических процессов. Таковы предпосылки, психологические и технические, генетической инженерии - науки, преследующей цели сознательного, целенаправленного создания ранее не существовавших в природе комбинаций наследственных признаков.
Все-таки странный термин для биологии - «генная инженерия». Почему именно «инженерия»?
- Сам термин «генетическая инженерия» возник потому, что биологи получили возможность в процессе эксперимента с генетическим веществом вводить в него нечто новое, чужое. Генетическая инженерия, или, как еще ее называют, «генетическое конструирование», подразумевает, что ученый, уподобляясь инженеру-конструктору, сможет создавать по своему желанию еще неизвестные генетические системы.
Впервые подобный эксперимент был предпринят в 1973 году в медицинском центре при Калифорнийском университете США докторами Гербертом Бойером и Говардом Гудменом. Потом он был повторен учеными других стран. Исследователи установили, что некоторые из белков - ферменты, контролирующие все биохимические процессы в живой клетке и обеспечивающие ее существование, способны «разрезать» молекулу ДНК в точно запланированных местах и на нужное число частей. Так был найден, изучен и выделен своеобразный «биологический нож».
Объектом первоначальных исследований была уже упомянутая кишечная палочка. Затем работы стали проводиться на простейших вирусах - бактериофагах Лямбда и Т-4. Выбор на них пал потому, что их наследственный аппарат устроен наиболее просто. Позже у бактерии, кроме длинных нитей, были обнаружены гораздо меньшие по размерам и второстепенные скрученные «кольца» ДНК, получившие название плазмид. Плазмиды не зависят от хромосом и, что очень важно, способны воспроизводить свои точные копии, которые можно без вреда для клетки вынимать, «оперировать» в пробирке, а потом возвращать на место. Их и стали использовать для пересадок чужеродного вещества наследственности.
Стенли Коэн и Энни Чанг из Стенфордского университета в США совместно с Бойером и Робертом Хеллингом разработали метод, с помощью которого «биологический нож» расщеплял плазмиды и вводил в них чужие гены. При этом не нарушалась способность «колец» воспроизводить себе подобных, но уже с новыми наследственными признаками.
Пожалуй, можно было говорить о первом триумфе генетической инженерии. Во всяком случае, сразу были достигнуты серьезные успехи. Но вот в апрельском номере журнала «Просидитс оф нэшнл академи оф сайенсиз» за 1974 год Коэн и Чанг объявили о новом достижении: им удалось пересадить в Ешерихию Коли гены бактерии совершенно другого вида - стафилококка. Получалась новая бактерия со свойствами обоих видов.
Через семь месяцев эти же ученые вместе с Джоном Морроу из института Карнеги совершили еще большее - ввели Ешерихию Коли южноафриканской лягушке. Генетические барьеры даже между столь далекими живыми существами тоже оказались преодолимыми. Перед биоконструкторами открывались необычайные возможности создания новых форм живого.
Такое людям удалось впервые.
Но прорыв в неведомое, вероятно, породил массу трудных проблем, в первую очередь морального характера? Мирно живущая в нас кишечная палочка превратилась в совершенно новый организм! Ведь размножается она быстро, воспрепятствовать ее проникновению из воздуха и воды в организм человека невозможно. А что произойдет, если этот или другой искусственно созданный гибрид окажется на свободе?
- Да, наряду с открытием необычайных перспектив, некоторые из задуманных экспериментов могли в определенных социальных условиях оказаться рискованными.
Еще в июле 1974 года в журнале «Сайенс» (США) появилось письмо, подписанное 12 крупнейшими американскими биохимиками и генетиками, в том числе профессорами Полем Бергом, руководителем комиссии, учрежденной Национальной академией США, Гербертом Бойером, Стенли Коэном. Впервые в истории сами ученые публично обратились к коллегам с призывом приостановить некоторые из экспериментов по генной инженерии. Конечно, не предполагалось прекращать исследования полностью. Прогресс науки остановить нельзя. Признавалось необходимым лишь ввести временный мораторий - запрещение, пока всесторонне не будут оценены возможные отрицательные последствия.
Этому, собственно говоря, и была посвящена Первая международная конференция по генной инженерии, собравшаяся в Давосе в октябре 1974 года. После длительных обсуждений все согласились с точкой зрения доктора Мартина Каплана из Всемирной организации здравоохранения, заявившего, что проведение исследований в крупных, хорошо оснащенных лабораториях при участии высококвалифицированных специалистов не может вызвать опасений.
Следующий этап в короткой, но драматичной истории генетической инженерии относится к февралю 1975 года. В американском городе Асиломаре вновь собрались биохимики, биологи, генетики из 16 стран мира. Основным результатом было решение об отмене моратория, поскольку к этому времени уже разработали методы, гарантирующие безопасность генетической инженерии. Прежде всего было решено со всей серьезностью отнестись к введению генов высших животных в бактерии, поскольку многие из таких генов характерны для вирусов, вызывающих злокачественные опухоли. И самое главное: решено было работать с теми бактериями, которые самоуничтожаются при контакте с атмосферой или любой средой, в отличие от той, в которой их вырастили. Это очень важное условие, поскольку для экспериментов используются бактерии, искусственно выращенные под высокими давлениями или, напротив, в вакууме, что гарантирует их гибель при обычных условиях.
Советские ученые, участвовавшие в конференции по генетической инженерии, считали, что опасения американских исследователей несколько преувеличены, хотя в принципе и верны: нельзя сбрасывать со счетов реальную угрозу постановки потенциально опасных экспериментов различными частными фирмами, а то и вообще недостаточно сведущими в науке людьми, не говоря уже о сознательном отступлении от международного права, в условиях, где такое право не гарантировано государственным законом. И хотя в Советском Союзе, как и в других социалистических странах, государственное законодательство исключает любые антигуманные эксперименты и нет частных фирм, советские ученые также голосовали за вводимые частные ограничения, учитывая глобальный характер проблемы. Задачи, связанные с возникновением новой увлекательной и многообещающей ветви науки о живом, ставшей ведущей отраслью современного естествознания, безусловно, надо было решать сообща.
После того как меры безопасности разработаны и единодушно приняты, следует ожидать бурного расцвета генетической инженерии?
- Исследования по генной инженерии развиваются сейчас весьма успешно как у нас в стране, так и за рубежом.
В Отделе молекулярной биологии Института биохимии и физиологии микроорганизмов АН уже несколько лет назад получены рекомбинантные (гибридные) молекулы ДНК из ДНК фага Лямбда и плазмиды Ешерихии Коли.
В принципе сейчас можно «сшить» две любые части ДНК. Как правило, ученый строго выбирает и необходимый генетический материал, и пути предстоящей операции.
Основными орудиями исследователя в области генной инженерии, своеобразными «ножницами», «пинцетами», «скальпелями» и «зажимами» являются ферменты. Набор подобных «инструментов» имеется в каждой клетке, они производят с генами самые различные операции. Например, некоторые ферменты охраняют клетку от вторжения чужих генов. Они, как скальпелем, разрезают «противника» - чужую ДНК, причем только в определенных местах. Разные ферменты - в разных местах, поскольку их много и действуют они строго избирательно.
«Сшиванию» кусков хромосом помогает одно счастливое обстоятельство. Куски - «липкие» и могут склеиваться друг с другом. А слипшиеся концы уже прочно «сшиваются» ферментом, который называется «лигаза». На последнем этапе операции, для того чтобы перенести новые гибридные молекулы в клетки, в качестве «пинцета» используют молекулы ДНК вирусов бактериальных клеток, те самые фаги, о которых уже упоминалось. Вирус, в молекулы которого внесена новая наследственная информация, проникает в бактерию и отдает ей свои гены. Переносчиком может быть и плазмида. Эта кольцевая молекула благодаря своим малым размерам легко отделяется от основной массы бактериальных клеток ДНК. В нее также можно «вшить» чужеродные гены, переделать ее и вновь «послать» в клетку.
Произвольное объединение генов, взятых из различных организмов, может привести к образованию молекулы ДНК с непредсказуемыми свойствами. Ведь уже сейчас возможны самые необычные комбинации; примером таковых служит сочетание генов бактерии и лягушки. Безусловно, не надо думать, что мы скоро увидим нечто необычное среди экспонатов живых уголков. Но включение бактериального гена в человеческую хромосому - это осуществимо. Надо, разумеется, быть реалистами. Добавление чужеродных генов в хромосомный аппарат высокоорганизованного существа не обязательно приводит к созданию новых форм живого. Эта задача весьма сложна, и будет ли она решена в ближайшее время, ответить трудно. Пока речь идет лишь о создании новых комбинаций генов в ДНК, об исследовании последствий этих операций с наследственной информацией.
«Технологически» это делается так. Неродственные клетки двух организмов, полезные качества которых желательно объединить при скрещивании, культивируют на искусственных питательных средах. Затем культуры смешивают. В определенных условиях часть клеток при этом сливается. Пока, однако, последующий процесс образования из клеток-гибридов стабильных систем выглядит хаотичным и непредсказуемым. Однако в экспериментах уже удается такое неполовое скрещивание близкородственных растительных клеток. Из них может быть получено целое растение. Таким образом уже теперь можно получать новые сорта растений.
Более определенны перспективы пересадки в лишенную ядра яйцеклетку «чужого» ядра, взятого из соматических, то есть неполовых, клеток,- например, клеток слизистых оболочек или печени. Пока такая операция удается только для амфибий, рыб и насекомых - организмов, у которых развитие зародыша происходит во внешней среде. Однако постепенно осваиваются подходы к млекопитающим, и это может иметь поистине революционные последствия для животноводства. Ведь в перспективе открывается возможность пересадки в яйцеклетку беспородной матери ядра, несущего все без исключения наследственные задатки какого-то избранного производителя, обладающего редким сочетанием хозяйственно ценных качеств. Все полученное таким путем потомство окажется генетической копией отца или матери.
Возможности генетической инженерии, конечно, не ограничиваются промышленными и сельскохозяйственным применением. Они распространяются - и, может быть, еще в большей степени - в сферу медицины.
В развитых странах улучшение условий жизни и успехи медицины привели к удлинению жизни, уменьшению детской смертности и устранению некоторых болезней. Особенно это заметно в нашей стране, где блага обеспеченного и справедливого общества распространяются без дискриминации на все социальные группы. Но на земле пока есть обездоленные в экономическом и культурном отношениях развивающиеся страны с их нерешенными экономическими и социальными проблемами. Существуют также рак, сердечно-сосудистые заболевания, наследственные нарушения обмена, грипп и многие другие болезни, которые вынуждают искать какие-то новые средства преодоления недугов, поскольку старые не дают особых надежд на достижение цели. Такие пути в ряде случаев предлагает генетическая инженерия.
Возможности ее кажутся перспективными, например, в создании методов диагностики наследственных нарушений обмена, в производстве высокоэффективных средств предупреждения инфекционных заболеваний, в получении некоторых гормонов, используемых при лечении эндокринных болезней.
Так, генетики уже делают эксперименты, пересаживая из клеток поджелудочной железы человека «ответственный» за синтез инсулина ген в бактерии, и пытаются получить этот гормон в микробиологическом производстве. Таким образом можно будет заменить применяемый сейчас при лечении диабета коровий или свиной инсулин, который порой приводит к неприятным осложнениям.
Будучи синтезирован и вмонтирован в специально подобранную структуру, ген вводится в микробную, животную или растительную клетку, в которой он способен размножаться. Наследственные свойства клетки-хозяина меняются. При известных условиях чужеродный ген начинает функционировать, управлять синтезом определенного продукта. В некоторых случаях клетка получает способность к усиленному (иногда до крайней степени) «производству» этого продукта, что может иметь важное практическое значение.
Но ведь манипуляции подобного рода возможны главным образом лишь на отдельно живущих клетках. А как же воздействовать на целостный многоклеточный организм?
- Это будет следующий, хотя и не столь уж отдаленный этап. Некоторые выводы можно сделать уже и в настоящее время. Ныне, к примеру, кормовой белок, незаменимые аминокислоты, витамины и другие биологические стимуляторы получают с помощью микроорганизмов. Микробиологическая промышленность бурно развивается. Непрестанно ведется поиск и селекция микроорганизмов, обладающих повышенной способностью производить ценные продукты. Так вот, генетическая инженерия предлагает уникальный способ создания микроорганизмов - своего рода рекордсменов по продуктивности: надо лишь ввести в микробную клетку соответствующие чужеродные гены, управляющие синтезом нужных соединений. При условии стабильности новой генетической структуры этот способ будет эффективным и рентабельным.
Генетика недавнего прошлого располагала только одним способом повышения продуктивности микроорганизмов: выделением естественных видоизмененных форм - мутантов, которые появляются с частотой 1:107. Генетическая инженерия конструирует новые формы по плану и целенаправленно. В этом ее особенность и ее преимущество.
Но не обязательно, чтобы синтезируемое чужеродным геном соединение было таким же, которое способна производить клетка-хозяин. Наблюдения указывают на возможность несвойственного данной клетке синтеза: чужеродный ген, которому клетка дала приют, навязывает ей свой тип обмена. И это, конечно, значительно расширяет круг применения методов генетической инженерии.
Одна из возможных перспектив - биологическая фиксация азота. Четыре пятых воздуха состоят из азота. Запасы его практически неисчерпаемы. Но растения не могут использовать для питания чистый азот. Известно, что на корнях бобовых растений поселяются так называемые клубеньковые бактерии, обладающие способностью усваивать азот атмосферы и обогащать им почву. Сегодня едва ли целесообразно пытаться вводить в какой-либо орган растения гены, способные фиксировать азот, заимствуя их у естественных хозяев - азотофиксирующих клубеньковых бактерий. Ведь этот процесс требует значительных энергетических затрат. Введение генов, обеспечивающих усвоение азота из воздуха, в отлаженную физиологическую машину растительной клетки, вероятно, вызовет сильнейшую «встряску» ее обмена и едва ли приведет к благоприятному исходу. Другое дело- создание бактерий-симбионтов, приспособленных к тем полевым или луговым культурам, которые, в отличие от бобовых, не имеют собственных «поставщиков» азота. Таким путем можно уменьшить количество вносимого в почву минерального азота, поставляя хотя бы некоторую его часть за счет деятельности бактерий и самого растения.
Конечно, на этом пути есть препятствия не только генетического, но и биологического характера. Так, активность клубеньковых бактерий, усваивающих атмосферный азот, подавляется, когда в почву вносят большие дозы минерального азота с удобрениями. Следовательно, создавая, например, новые типы азотофиксирующих бактерий, способных к симбиозу с небобовыми растениями, необходимо еще и добиться, чтобы они были нечувствительны, в отличие от природных собратьев, к угнетающему действию минеральных азотных удобрений. Иначе интенсивное земледелие будет тормозиться. И это не единственная трудность...
Обнаружить в природе подобного рода необычайные азотофиксирующие микроорганизмы за тот промежуток времени, который устроил бы сельское хозяйство с его не терпящими отлагательства нуждами, почти невозможно. Генетическая же инженерия пытается конструировать новые микроорганизмы-азотофиксаторы в пробирке, и по заданному плану. Другими словами, экспериментаторы идут к решению прикладных задач еще нехоженной тропой. Поэтому пока они вынуждены действовать методом проб и ошибок. Но так будет не вечно.
Но даже то, что сделано, можно назвать революцией. И не только в биологии или сельском хозяйстве, а в мировой экономике.
- Безусловно. Тем более, что интересы и экспериментальные возможности современных биологов не ограничиваются одним лишь миром молекул - простых или сложных. Они распространяются и на более высокоорганизованные системы. Новые перспективы открывают генетические манипуляции на уровне клеток - например, гибридизация их, позволяющая преодолеть барьеры, установленные природой для смешения видов.
Пока еще не разработаны надежные способы вживления клетки с исправленным геном в организм человека. В этом отношении перспективны, например, работы американских ученых под руководством Мерилла. Им удалось в больную мышечную (соматическую) клетку человека, лишенную нужного фермента, ввести ген кишечной палочки, «командующий» выработкой этого фермента. В результате отсутствующий фермент стал синтезироваться, и клетка выздоровела. Правда, возможно, что бактериальный ген работал в клетке «не включившись» в цепочку человеческих генов, оставался автономным. Но это не умаляет практического значения полученного результата.
Очевидно, это предмет дальнейших исследований, которым надлежит открыть путь «генной терапии»?
- Еще недавно не существовало никаких идей, касающихся устранения наследственных дефектов обмена у людей. И сейчас еще нет способа, который можно применить в клинике. Но генетическая инженерия позволяет по крайней мере наметить путь лечения нарушений обмена с помощью замещения неполноценных генов, который начинается с получения от здоровых людей нужных генов, а заканчивается их пересадкой больному человеку.
Не менее важная группа проблем - выяснение, где именно накапливаются в организме фаги. Разрешение вопроса позволит вести разговор о непосредственном внедрении гибридных фагов с определенной способностью вырабатывать то или иное вещество в больной организм. Тем самым появится возможность не просто вылечить, но вовсе ликвидировать многие, особенно наследственные, болезни, повлиять на иммунную (защитную) способность.
Пусть сейчас, говоря обо всех этих превосходящих любую самую изощренную фантазию замыслах и возможностях, мы имеем в виду будущее. Пусть сиюминутные практические успехи генетической инженерии более чем скромны. Такая оценка не должна вводить в заблуждение. Неопровержимый факт состоит в том, что человеку впервые удалось соединить в пробирке в единое целое генетические структуры, существующие в природе совершенно раздельно. Их слияние было не следствием случайного столкновения молекул, а результатом сознательного выбора и продуманного плана. И это уже само по себе поразительно.
Мы рассматриваем сегодня генетическую инженерию прежде всего как средство и способ понять структуру и механизм функционирования генов, вещества наследственности - ДНК, то есть хотим с ее помощью познать логику построения программы развития любого живого организма. Тем самым мы получим возможность контролировать и улучшать жизнь в ее первоначальных истоках.
Генетическая инженерия, как и совокупность биологических дисциплин, обычно объединяемых под названием физико-химической биологии, заключает в себе неограниченные возможности. Она нацелена в день завтрашний.
Несомненно, что вскоре генетики окажутся в положении химиков-синтетиков, которые не ограничивают свое искусство образцами, данными природой, а создают поразительное по своему разнообразию множество органических соединений - творений человеческого разума, умелых рук.
