Книга: Микрокосм. E. coli и новая наука о жизни

E. coli incorporated

E. coli incorporated

Герберт Бойер — тот самый ученый, чьи работы послужили поводом к дискуссии о генной инженерии, — в спорах не участвовал. У него были другие дела. Он искал компании и инвесторов, которые придумали бы способ сделать на его рестрикционных ферментах деньги. В 1976 г. он вступил в партнерство с молодым предпринимателем Робертом Свонсоном. Сложившись по $500 каждый, они основали компанию под названием Genentech (сокращение от genetic engineering technology). Бойеру пришлось занять деньги, чтобы внести свою долю.

Бойер и Свонсон решили продавать ценные химические вещества, производимые полученными с помощью методов генной инженерии штаммами E. coli. В качестве первой цели они выбрали человеческий инсулин — в основном по тем же причинам, о которых говорил Ирвинг Джонсон на форуме Национальной академии наук. Бойер обратился за помощью к Артуру Риггсу и Кэйити Итакуре из больницы «Город Надежды» в Дуарте (штат Калифорния). Риггс и Итакура одними из первых научились конструировать гены. Когда Бойер начал с ними сотрудничать, они занимались созданием своего первого человеческого гена, отвечающего за синтез гормона соматостатина[26]. Работая с Genentech, Риггс и Итакура придумали способ добавить к искусственному гену «липкие» концы и вставить его в плазмиду. Они ввели эту плазмиду в клетку E. coli, и бактерия начала выделять соматостатин. Так в молодой науке был достигнут очередной рубеж. В 1973 г. Бойер, Коэн и Морроу сумели вставить в геном E. coli фрагмент гена животного. Четыре года спустя у Genentech уже была E. coli, способная производить человеческий белок.

Но ученые не собирались почивать на лаврах. Опубликовав в 1977 г. предварительные результаты экспериментов, они обратились к инсулину. Бойер знал, что начинается гонка и следует спешить. Уолтер Гилберт, блестящий молекулярный биолог из Гарварда, тоже работал над получением инсулина. Но у Бойера перед Гилбертом было принципиальное преимущество: он работал с искусственной молекулой ДНК. Гилберт же пытался выделить гены, отвечающие за производство инсулина, из живых клеток, так что его исследования подпадали под жесткие правительственные ограничения. Его команда вынуждена была принимать чрезвычайные меры предосторожности, чтобы только иметь возможность продолжать эксперименты; они даже летали в Англию, чтобы работать в лаборатории, где создавалось биологическое оружие.

У Бойера дело продвигалась быстрее, потому что его ДНК не была «природной». Вместо того чтобы, подобно Гилберту, выделять ДНК из живых клеток, Риггс и Итакура начали с другого конца — они двигались от структуры белка инсулина к соответствующей последовательности нуклеотидов. В итоге Бойер, не связанный никакими ограничениями, выиграл гонку, б сентября 1978 г. фирма Genentech официально объявила, что ее ученым удалось получить от E. coli 20 миллиардных долей грамма человеческого инсулина.

Еще два года исследователи Genentech работали над увеличением производительности. Они внесли такие изменения в геном E. coli, что бактерия стала сама выводить произведенный инсулин наружу сквозь мембрану, и тем самым серьезно облегчили процесс сбора продукта. В 1980 г. Genentech была готова передать технологию производства инсулина компании Eli Lilly. В следующем году фармацевтический гигант построил у себя специальные баки емкостью по 40 000 л и начал разводить в них E. coli. Genentech акционировался, и бойеровы $500 превратились в $66 млн.

С началом шумихи вокруг Genentech споры о допустимости работы с E. coli затихли сами собой. Конгресс, отчасти благодаря яростному лоббированию со стороны ученых, так и не принял никакого закона о генной инженерии. Национальный институт здоровья ослабил свои ограничения. Ученым, работающим с E. coli, уже не надо было наряжаться в специальные скафандры. Корпорации расхватывали специалистов по работе с E. coli, как горячие пирожки. Все 14 ученых, подписавших в свое время вместе с Бергом письмо — мораторий, в конце концов связали свою карьеру с тем или иным коммерческим предприятием. Уолтер Гилберт стал одним из основателей компании Biogen, которая начала использовать методы генной инженерии на E. coli, чтобы наладить производство различных белков, казавшихся перспективными в плане борьбы с раком. На торжественной церемонии открытия штаб — квартиры Biogen в Кембридже ленточку перерезал бывший мэр города Альфред Веллуччи — когда?то непримиримый противник генной инженерии и лично Гилберта.

Компания Genentech стала лидером новой биотехнологической отрасли. Хумулин — произведенный бактериями инсулин — был выпущен на рынок в 1983 г., и сегодня это лекарство принимает 4 млн человек по всему миру. Другие компании начали выпуск собственных сортов инсулина, производимых E. coli, и сегодня их тоже принимают миллионы диабетиков. Биотехнологические компании разработали множество других лекарств, синтезируемых E. coli, — от человеческого гормона роста до средств для уменьшения вязкости крови. Сегодня E. coli послушно выдает на — гора витамины и аминокислоты. Если традиционно при производстве сыра в молоко добавляли сычужный фермент — реннин, получаемый из коровьих желудков, то сегодня значительная доля сыров на прилавке супермаркета изготовлена с использованием реннина, произведенного E. coli. Ученые продолжают вводить в геном E. coli новые гены, пытаясь понять, какие еще полезные вещества может производить эта бактерия. Речь идет о самых разных соединениях — от биоразлагаемых пластмасс до этилового спирта.

Нельзя сказать, что все эти достижения дались ученым легко. E. coli — не завод и относиться к ней, как к машине, нельзя. Микроорганизм — живое существо, и на любое действие он может отреагировать совершенно неожиданным образом. Оказавшись в гигантском баке, бактерии могут задохнуться в собственных отходах. Вообще, бактерии, настроенные на производство больших количеств инсулина или другого чужеродного белка, испытывают сильнейший стресс. Молекулы белка могут начать денатурироваться, и E. coli, чтобы вернуть им правильную форму, придется синтезировать белки теплового стресса. Энергию, которую бактерия тратит на борьбу со стрессом, уже невозможно использовать на питание и рост. Ученым, как поварам, занятым поисками идеального рецепта, пришлось искать решения и этих, и многих других проблем.

И сегодня, 30 лет спустя после превращения E. coli в чудовище и тягловую лошадку генной инженерии, эта бактерия по — прежнему остается любимым объектом биотехнологов. Ученые продолжают экспериментировать с ней в поисках новых способов работы с генами и белками. Ее ферменты рестрикции — любимый инструмент для разрезания ДНК, а ее плазмиды — любимое средство получения новых копий генов. Но сегодня ученые умеют встраивать эти гены в клетки многих других видов. В 1980–е гг. они, воспользовавшись полученными от E. coli уроками, начали переносить гены в другие бактерии и грибы. Кроме того, исследователи научились вводить гены в клетки животных и растений. Сбылась первоначальная мечта Берга: сегодня можно встроить ген в вирус, к примеру в SV40, и инфицировать этим вирусом клетку млекопитающего. (Ученые предпочитают использовать для этого клетки яичников китайского хомячка.) Модифицированная таким образом клетка может затем размножиться и образовать лабораторную колонию, которая станет вырабатывать какой?нибудь ценный белок.

Но этого мало. Сегодня можно вводить новые гены в клетки живых животных и растений. Генетически модифицированные культуры распространились во многих странах уже в большей части сельскохозяйственных угодий. Некоторые из них производят токсины, убивающие вредных насекомых; в обычных условиях такие токсины синтезировались бактериями. Другие способны противостоять пестицидам. Ученым удалось также создать растения, способные вырабатывать человеческие антитела и вакцины.

Даже в клетки животных теперь вводят чужеродные гены с помощью модифицированных вирусов. Некоторые исследователи надеются найти способ излечивать генетические заболевания, снабжая клетки работающими копиями ключевых генов. Другие вводят гены непосредственно в зародышевые клетки, чтобы получить животных с чужеродными генами во всех клетках тела. Некоторые ученые пытаются при помощи методов генной инженерии снизить загрязнение окружающей среды отходами сельского хозяйства. Основные загрязнения от сельскохозяйственной деятельности — соединения фосфора и кислорода, поступающие в почву с удобрениями. Когда дожди и вешние воды уносят фосфаты с полей в реки и в конечном итоге в океан, они вызывают вспышку размножения водорослей и другие экологические катастрофы, которые постепенно приводят к появлению обширных мертвых зон, где не может выжить ни один живой организм. Одна из причин, почему в удобрениях содержится так много фосфатов, заключается в том, что значительную часть удобрений получают из навоза домашних животных, к примеру свиней и кур. Дело в том, что эти животные лишены пищеварительных ферментов, необходимых для расщепления фосфатов, поэтому они проходят сквозь пищеварительную систему неизмененными. E. coli, как и многие другие бактерии, вырабатывает ферменты для расщепления фосфатсодержащих молекул. И когда исследователи ввели свиньям гены E. coli, фосфатов в навозе модифицированных животных стало вчетверо меньше, чем у обычных.

В каком?то смысле все перевернулось с ног на голову: если 30 лет назад ученые вводили бактериям гены животных, то сегодня они, наоборот, вводят животным гены E. coli.