Книга: Популярно о микробиологии

Глава 20 Микробиология и генетика

Глава 20

Микробиология и генетика

Передача наследственных свойств — одно из удивительных таинств живой материи. В последние десятилетия благодаря успехам различных наук, причем не только биологических, удалось вплотную подойти к раскрытию этой тайны.

Для изучения генетических законов важно было найти такой организм, который легко поддавался бы изучению, достаточно быстро размножался, а его содержание в процессе эксперимента было бы недорогим и нетрудоемким. Первые работы, заложившие основы современной генетики, принадлежат монаху Г. Менделю, экспериментально доказавшему существование вещества наследственности. Мендель работал с семенами гороха, и ему для проведения каждого опыта требовался целый год или, точнее говоря, вегетационный период. Впоследствии генетики обычно использовали в качестве объекта мушку дрозофилу. Она длиной всего 3 мм, быстро, в течение 10–12 дней, дает потомство, и ее можно выращивать на относительно простом корме.

Микроорганизмы оказались еще более удобным объектом. Во-первых, скорость их размножения в 500–600 раз выше, чем у мушки-дрозофилы, т. е. для получения нового поколения микробов достаточно всего нескольких десятков минут. Во-вторых, проблема питания и содержания после приготовления пробирки с питательной средой полностью отпадает. Использование микроорганизмов в качестве модельного объекта существенно продвинуло генетические исследования. Удалось установить природу наследственных факторов и выделить носитель наследственной информации — дезоксирибонуклеиновую кислоту — ДНК. В дальнейшем выяснилось, как она работает, передавая наследственную информацию, а бактерия Escherichia coli стала моделью для разработки различных генетических методик и приемов.

А для чего, собственно, человеку знание законов передачи наследственной информации? Понимание механизма ее передачи от поколения к поколению дает возможность создавать организмы с заранее известными свойствами.

Задача создания новых сортов растений и пород животных, по сути, стояла перед человечеством всегда. До недавнего времени люди изменяли наследственные признаки путем скрещивания сортов или пород с различными свойствами, фактически отдавая на откуп генетическому аппарату клетки возможность создавать новые структуры.

С развитием генетики в нашем веке появился другой метод влияния на наследственность, а именно — воздействие непосредственно на ДНК различными мутагенными факторами, например излучением, вызывающим в ней случайные изменения. Эти изменения приводили к образованию мутантов, которые по своим свойствам не всегда отвечали поставленной задаче и довольно часто оказывались нежизнеспособными. Очевидно, что в обоих случаях мы действовали вслепую.

Дальнейшее изучение тонких механизмов процесса передачи наследственной информации привело к более глубокому его пониманию и вооружило генетиков и микробиологов настолько эффективными приемами принудительной передачи этой информации, что получение принципиально новых, ранее не существовавших в природе микроорганизмов с заданными свойствами стало реальностью. Познав механизм, с помощью которого они обмениваются наследственной информацией, генетики и микробиологи разработали не только приемы, идентичные используемым в живой клетке, но и принципиально новые методы получения искусственных генетических структур в лабораторных условиях. Возникла новая область науки — генетическая инженерия. В чем же заключаются ее методы?

Вспомним известный пример, когда вирус, внедряясь в бактериальную клетку, «завоевывает» ее и, захватив власть над внутриклеточными системами, заставляет их синтезировать только те белки, которые необходимы для построения множества ему подобных вирусов.

Генный инженер в известной степени производит аналогичные действия: вводит в бактериальную клетку молекулу ДНК, полученную не в результате многовековой эволюции, а с помощью химического синтеза или путем соединения природных генов различного происхождения. Не правда ли, удивительно простое решение? Но насколько легко осуществить его в реальных условиях, вот в чем вопрос. Ведь несмотря на то что молекулы ДНК являются гигантами в мире молекул, размеры их по сравнению с инструментальными возможностями человека остаются несоизмеримо малыми. А задача состоит в том, чтобы перенести в клетку небольшой фрагмент молекулы ДНК, для чего необходимо «взять его в руки», отрезать и прикрепить к другой молекуле. Такая работа была бы не по силам даже знаменитому Левше, который подковал английскую блоху. Кстати, подковать-то он ее подковал, но прыгать она перестала: подковки оказались тяжеловаты. И не надо забывать, что английская блоха представляла собой всего лишь механическое устройство, а не живой организм, который повредить гораздо проще. Таким образом, операция по перенесению чужеродного фрагмента сложна не только из-за чрезвычайно малых размеров объекта, но и потому, что крайне важно провести эту операцию, не нарушив тонкой структуры ДНК, обеспечивающей жизненный цикл организма, чтобы он мог продолжать «прыгать».

Таким тончайшим инструментом, с помощью которого можно «взять в руки» фрагменты ДНК и накрепко присоединить их к основной конструкции, да так, чтобы вся система продолжала работать, оказались ферменты. Нужно выделить их в достаточно чистом виде и использовать в роли, аналогичной той, которую они выполняют в клетке. Естественно, что необходимо иметь на вооружении комплекс ферментов, осуществляющих подобные реакции. К ним относятся рестриктазы, разделяющие ДНК на фрагменты, и лигазы, соединяющие эти фрагменты в длинные цепи. По образному выражению академика А. А. Баева, рестриктазы — скальпель генетической инженерии, а лигазы — ее игла и нити.

Методы генетической инженерии произвели настоящую революцию в прикладной микробиологии. Сейчас стало возможным внедрить в клетку одного микроорганизма, обладающего рядом преимуществ (скажем, растущего на более дешевом субстрате), фрагмент (фрагменты) молекулы ДНК из другого микроорганизма, способного осуществлять синтез или сверхсинтез важного целевого продукта. От скольких сложностей избавляют технологов методы генетической инженерии, видно из шуточного описания трудностей, связанных с получением гормонов с использованием обычных методов выделения, взятого нами из книги «Физики продолжают шутить»^[4]. «Переработав тонну свежих бычьих желез, он (физиолог) выделяет 10 граммов чистого гормона и отправляет их к специалисту по физхимии на анализ. Физхимик обнаруживает, что 95 % очищенного физиологом гормона составляют разного рода примеси, а остальные 5 % содержат по крайней мере три разных вещества. Из одного такого вещества он успешно выделяет 10 миллиграммов чистого кристаллического гормона…»

Можно себе представить, сколько хлопот доставляет получение большого количества физиологически активных соединений, если обычно вес таких веществ, вырабатываемых в организме незначительным числом специализированных клеток, измеряется в микрограммах^[5].

Получить эти вещества с помощью культуры животных клеток высших организмов затруднительно, так как они требуют строгого соблюдения стандартных условий и относительно дорогих сред. Кроме того, животные клетки размножаются значительно медленнее микробных. Возникла мысль: а нельзя ли, введя в них соответствующую программу и опираясь на относительно простую технологию выращивания, заставить микробные клетки синтезировать эти вещества? Оказалось, можно. Таким путем удалось заставить бактериальную клетку вырабатывать гормон роста — соматотропин, который обычно образуется только клетками высших организмов.

Эта работа имеет принципиальное значение, поскольку впервые удалось заставить бактериальную клетку вырабатывать животный белок, что открывает блестящие перспективы получения методами промышленной микробиологии продуктов, получаемых только из клеток животных. Таким образом, удается синтезировать такие важнейшие физиологически активные вещества, как инсулин, интерферон, гормон роста и т. п.

Список новых веществ, получаемых методами генетической инженерии, растет с каждым днем. Дрожжевые клетки, модифицированные 12 генами, производят артемизинин — самое эффективное средство для лечения малярии. Продукции одного 50-тонного ферментера хватит для лечения всех 500 млн людей, ежегодно заболевающих малярией. При этом стоимость препарата снизится в 10 раз! Ресверотрол — вещество, только недавно обнаруженное в микроколичествах в красном вине и снижающее риск сердечно-сосудистых заболеваний, уже получают в промышленных масштабах методами генетической инженерии.

Именно ей мы отводим ведущую роль, когда говорим о биотехнологии. При этом все выглядит довольно просто: выделяется ген, ответственный за биосинтез целевого, довольно дорогостоящего, продукта, после некоторых манипуляций этот ген вводят в ДНК микроорганизма-хозяина, и клетки последнего становятся продуцентом целевого продукта.

Однако нам бы не хотелось, чтобы у читателя сложилось мнение, что после введения соответствующего гена все проблемы решаются сами собой. Отнюдь. Между введением гена в ДНК микроорганизма и реальным получением ценного целевого продукта, который этот ген кодирует, лежит трудный путь, связанный с необходимостью проведения большого объема работ. Во-первых, нужно заставить организм-хозяин, в который введен новый ген, принять его. И тут возникают проблемы отторжения, аналогичные тем, которые появляются при пересадке органов. Этот ген должен в процессе размножения оставаться в клетке и не элиминироваться, т. е. не отторгаться и не выбрасываться из ДНК. Во-вторых, нужно, чтобы культура (микроорганизм-хозяин) была достаточно неприхотлива к питательным средам и при этом обладала большой скоростью роста. В-третьих, необходимо создать экономически выгодные условия культивирования. Это означает, что культура должна расти при невысоких температурах, чтобы не потребовались дополнительные энергетические затраты на поддержание постоянной повышенной температуры в ферментере; потребности в аэрации растущей культуры тоже должны быть не очень большими.

Перечень требований можно было бы продолжить, но тогда наша книга превратится в пособие по биотехнологии. Добавим только, что желательно, чтобы целевой продукт был не очень сильно связан со структурными компонентами клетки и мог бы легко отделяться от них, например за счет секреции в культуральную жидкость.

Требования, которые предъявляются технологией к культурам-продуцентам, напоминают претензии разборчивой невесты из «Женитьбы» Н. В. Гоголя. «Если бы губы Никанора Ивановича да приставить к носу Ивана Кузьмича, да взять сколько-нибудь развязности, какая у Балтазара Балтазарыча, да, пожалуй, прибавить к этому еще дородности Ивана Павловича…»

Именно эту задачу придания различных полезных свойств микроорганизмам и призвана решать генетическая инженерия. Она находится в начале своего развития, ей всего лишь чуть больше 35 лет. Наиболее впечатляющие ее успехи послужили основой создания новых видов не только микроорганизмов, но и растений и животных. Более того, можно не без основания предполагать, что генетическая инженерия сможет помочь (и уже помогает!) в том числе в борьбе с наследственными болезнями человека.