Наука - Генные пушкари

Генетики не ждут милостей от природы
Статьи о достижениях биотехнологий напоминают военные репортажи: стреляют генные пушки, применяются вирусные и бактериальные средства доставки, а в штабах занимаются чтением шифровок – текстов, написанных четырех- и двадцатибуквенными алфавитами.

Представьте себе ленту километровой длины, покрытую вот таким текстом: ATGACCCCCGATCA GAGCG, – причем неизвестно, справа налево его надо читать или наоборот. Если вспомнить, что обозначают эти буквы основания ДНК – аденин, тимин, гуанин и цитозин, – станет понятнее, но ненамного. Следующий шаг – деление текста на слова из трех букв.

В молекуле ДНК 64 возможные трехзначные комбинации из четырех нуклеотидных оснований кодируют 20 аминокислот, из которых состоят все существующие на этой планете белки. Переводчиком в клетке служит матричная рибонуклеиновая кислота – мРНК. Ее алфавит тоже состоит из четырех букв. От языка ДНК он отличается одной буквой: копируя последовательность нуклеотидов, РНК-полимераза заменяет тимин на урацил (U). Кроме того, буквы РНК немного отличаются по «шрифту»: вместо дезоксирибозы в состав ее нуклеотидов входит рибоза.

Переписывание отдельных фраз – генов – из текста ДНК в текст РНК так и называется – транскрипция. А трансляцией на языке молекулярных биологов называется перевод с языка нуклеиновых кислот на язык белков из двух десятков букв, от A (или Ala – аланин) до V (или Val – валин). Аргинин в однобуквенной кодировке обозначается как R, аспарагин – N и так далее, и на всякий случай над столом у тех, кто этим постоянно занимается, висит табличка со шпаргалкой.

Любая рибосома (хотя вместо двух полушарий у нее есть только две белковые глобулы) знает этот алфавит наизусть и, прочитав на цепочке РНК слово «UUG», присоединяет к растущей цепочке белка аминокислоту триптофан, AAG или AAA – лизин, а дойдя до стоп-сигналов – UGA, UAG или UAA, – заканчивает синтез. Большинство аминокислот кодируется несколькими кодонами (от двух до шести). Например, команда «присоединяй лейцин» в половине случаев обозначается сочетанием CUG, по 10–20% приходится на CUU, CUC, UUG и UUA, а синоним CUA клетки используют очень редко.

Если команде инженеров и рабочих дать задание построить действующую модель паровоза в натуральную величину, они для начала разберут изделие по винтику и потратят массу бумаги на тома технической документации. Работа живой клетки построена на известном всем программерам принципе открытых исходников – пользуйся, если знаешь как. Перед тем как начать перестраивать живые организмы, генные инженеры должны разобраться с текстом программ, записанных в хромосомах.

Геном бактерии прочитать относительно просто: единственная бактериальная хромосома содержит в среднем около трех тысяч генов, и вся информация о работе бактерии записана в нескольких миллионах пар нуклеотидов. Геном любого высшего организма – это миллиарды пар нуклеотидов, кодирующих десятки тысяч генов. К тому же в ДНК бактерий очень мало лишней информации, а у эукариотических (имеющих клеточное ядро) организмов, даже у одноклеточных дрожжей, ненужной информации в геноме больше, чем на жестком диске у самого дремучего «чайника». Бессмысленных последовательностей нуклеотидов, псевдогенов (дефектных копий истинных генов), интронов (участков ничего не кодирующей ДНК внутри генов) и другого мусора в нашей ДНК на порядок больше, чем осмысленной информации.

Прочитать геном – это только первый этап работы. После этого надо выделить из полученной последовательности нуклеотидов значащую информацию, понять, какой белок (или какую РНК) кодирует каждый ген (или хотя бы – в каком из генов закодирован нужный нам белок) и как белки взаимодействуют друг с другом. Введенный в хромосому ген может не заработать по множеству причин – например, из-за отсутствия в чужом геноме одного из десятков ферментов, необходимых для всех этапов синтеза конечного белка.

Каждый этап состоит из многих отдельных задач, для выполнения которых нужно произвести много отдельных операций, для каждой из которых необходимо оборудование, от пробирок и чашек Петри до сложных компьютеризированных комплексов, и реактивы – от дистиллированной воды до таких, которые стоят в тысячу раз дороже золота. Когда есть все необходимые материалы, инструменты и знания, можно начинать производство чего-нибудь генетически модифицированного. Например, ввести в хромосому мышиной яйцеклетки ген, выделенный из медузы, и любоваться мышкой, светящейся в темноте зеленым светом.

Вспомните «Таинственный остров» Жюля Верна. Начального капитала у команды инженера Сайруса Смита было всего ничего – линза из часовых стекол да стальная полоска. Потом, правда, появился инвестор – капитан Немо, который подкинул им дополнительные вложения в виде носовых платков, ружей с боеприпасами и других предметов роскоши, а главное – минимум необходимых в хозяйстве инструментов. В результате робинзоны всего за несколько лет прошли путь от каменного века до телеграфа и других передовых достижений тогдашней техники. Но чтобы построить что-нибудь железное, кроме головы и рук необходимы железная руда и каменный уголь, а также чертежи и инструменты, с помощью которых можно сделать станки, а уже на них – изготовить необходимые для сборки конечного продукта детали.

В биотехнологии каменный век закончился примерно в середине XIX столетия от Рождества Христова, когда Луи Пастер доказал, что причиной брожения являются дрожжи (он открыл еще много чего, но это – главное). Еще около ста лет в микробиологии, биохимии, генетике, органической химии и других науках происходило накопление критической массы знаний, которое в 70-х годах ХХ века привело к появлению современной молекулярной и клеточной биологии. Методы изучения живых объектов и воздействия на них становились все сложнее и эффективнее, но то, что происходило в лабораториях, долго оставалось чистой наукой – ученые делали чертежи и инструменты. Разница в том, что для перекройки ДНК используют не ножницы и клей, а молекулы ферментов, детали к месту сборки доставляют не вагонетки, а вирусы или потоки заряженных частиц.

А теперь вспомните еще один шедевр – «Парк Юрского периода». Если предположить, что гены динозавров смогли сохраниться десятки миллионов лет – ДНК в капельке крови слишком мало для анализа. Но с тех пор, как в 1987 году Кэри Муллис изобрел полимеразную цепную реакцию (ПЦР), для изучения ДНК теоретически достаточно одной молекулы. В учебниках для будущих молекулярных биологов описание ПЦР занимает раза в два больше места, чем вся эта статья – не считая схем на разворот in folio. И это только один из методов, которые применяют при анализе и синтезе ДНК.

Что же такое ПЦР? Образец ДНК помещают в пробирку с ферментом ДНК-полимеразой, смесью из всех четырех нуклеотидов и раствором праймеров – синтетических участков из приблизительно 20 нуклеотидов, комплементарных участкам противоположных цепей ДНК на концах размножаемого образца (если неизвестно, что там у него на концах, приходится изворачиваться – например, с помощью метода дегенеративных праймеров). Потом раствор нагревают до 90–95° – двойная нить распадается на одиночные, охлаждают до 50° – праймеры присоединяются к комплементарным участкам, и нагревают до 70° – полимераза, используя праймеры как затравку, достраивает одиночные цепи до двойных. Цикл повторяется, и через 5 минут в растворе будет в 2 раза больше одинаковых двойных цепочек ДНК, через 10 минут – в 4, через полтора часа, после 20 циклов, – в миллион, а после тридцати циклов, через 2,5 часа, – в миллиард раз больше, чем в исходном растворе.

Давным-давно, почти 20 лет назад, когда ПЦР-анализ только придумали, пробирки с ДНК вручную переставляли из одной водяной бани в другую, а после каждого цикла добавляли в них новую порцию фермента вместо разложившегося при высокой температуре. Но очень скоро просто инженеры придумали для генных инженеров термоциркуляторы, а микробиологи выделили термостойкую ДНК-полимеразу из обитателя горячих источников – микроба Thermus aquaticus. Совсем недавно время процесса удалось сократить, заменив термическое расплетание двойной спирали добавкой фермента хеликазы (от греческого helix – спираль), которая именно этим и занимается в ядре клетки.

Секвенирование – определение последовательности нуклеотидов в ДНК – в середине 1970-х квалифицированный биохимик делал со скоростью несколько сотен нуклеотидов в год. В 2004 году в продажу поступил набор Discovery Kids DNA Explorer для научных работников старше 10 лет. Всего за $79,95 любой юный натуралист может в течение нескольких часов сделать анализ, на который ровесники его дедушки тратили несколько лет. А большие дяди и тети, если у них есть полмиллиона долларов, могут купить новейший автоматизированный секвенатор, который расшифровывает 800 000 нуклеотидов в день, и с умилением вспоминать седую древность начала 1990-х, когда примерно столько же делали за год тысячи участников программы «Геном человека». А один из методов секвенирования ДНК называется «выстрел из дробовика». Но к генным пушкам это не имеет никакого отношения.

Генные пушки стреляют золотыми пулями размером от 1 до 4 микрон. Их покрывают частицами ДНК, вставляют в гильзы из капелек воды, заряжают в кассету, похожую на обычный холостой патрон, и с помощью сжатого воздуха стреляют в чашку Петри с клетками. Или разгоняют водяные брызги электрическим полем. Такую стрельбу по площадям применяют обычно в случаях, когда клетки не поддаются более точным методам доставки генов в хромосомы – например, для генетической модификации злаков или хвойных деревьев.

Бактерии часто модифицируют с помощью плазмид – характерных для микробов колечек ДНК, на которых хранится несколько генов, несущих информацию, отсутствующую на основном носителе – хромосоме. Для этого из бактериальной клетки извлекают плазмиды, добавляют в них нужные гены и снова вводят в бактерию.

Являются ли плазмиды прирученными вирусами или, наоборот, вирусы – одичавшими плазмидами, – такая же неразрешимая загадка, как вопрос о первичности курицы или яйца. Вирусы используют для доставки генов и в плазмиды, и в хромосому бактерий. При делении микробов плазмиды распределяются между дочерними клетками случайным образом, и через несколько поколений потомки модифицированной бактерии могут выродиться в исходную форму или накопить в себе слишком много модифицированных плазмид. А если нужный исследователям ген ввести в ДНК вируса, который заражает не плазмидную, а хромосомную ДНК, трансформация будет более устойчивой.

Если же обезвреженным ретровирусом с подвешенными к нему генами заразить эмбрион, все его клетки при удачном стечении обстоятельств будут нести новый ген. Но грузоподъемность вируса ограничена – не более 8000 пар нуклеотидов. Не исключена и возможность серьезных осложнений. Например, при лечении тяжелого комбинированного иммунодефицита – единственной наследственной болезни, которую уже начали лечить с помощью генной терапии, – в 2 случаях из 12 побочным эффектом оказался рак крови. Поэтому при создании трансгенных животных чаще применяют метод микроинъекций ДНК.

Опытный лаборант за день может ввести трансгены в несколько сотен мужских пронуклеусов (ядро сперматозоида перед его слиянием с более мелким ядром яйцеклетки). В лучшем случае из 5% «прооперированных» яйцеклеток рождаются жизнеспособные и несущие нужный ген животные. Их скрещивают между собой, и в соответствии с законами Менделя во 2-м поколении у каждого четвертого животного в хромосомном наборе оказываются две копии нового гена. После скрещивания таких – гомозиготных – животных третье и все последующие поколения будут полностью трансгенными.

...принадлежит вирусоподобной частице с длинным названием «вироид кокосовой пальмы каданг-каданг». (Наверное, название пальмы – это подражание звуку от падения кокосового ореха на другой твердый и круглый предмет.) На языке клетки текст, записанный в этой цепочке РНК длиной 246 нуклеотидов, значит примерно следующее: «копируй_меня_блаблаблаблаблаблабла». Если записать мелким шрифтом последовательность нуклеотидов в геноме человека (или, например, риса – его геном примерно такого же размера, как у нас с вами), получится том толщиной в миллион страниц, по 3000 знаков на каждой.
Воссоздать динозавров

...мечта почти неосуществимая. Даже в янтаре недоступные для кислорода цепочки нуклеотидов разлагаются, и через несколько тысяч лет из образца можно будет добыть только обрывки генов. Время от времени появляются сообщения о расшифровке последовательности нуклеотидов в ДНК какого-нибудь допотопного зверя (например, этим летом – пещерного медведя), но от этого до Парка Юрского периода – как до Луны пешком. А вот к якутским мамонтам японские ученые давно примеряются. В вечной мерзлоте его клетки сохранились достаточно хорошо, чтобы в обозримом будущем сложить из фрагментов полный геном, разбить его на хромосомы, ввести их в слоновью яйцеклетку. И тогда, вполне возможно, в Якутии будут пастись не только олени...
Репликация ДНК

К исходной молекуле в точке роста присоединяется топоизомераза – фермент, раскручивающий ДНК из состояния сверхспирали, в которой она находится до момента репликации, в простую двойную спираль. Скорость его работы – около 100 супервитков в минуту. К точке роста (репликативной вилке) присоединяется праймосома – комплекс белков, состоящий из хеликазы (она раскручивает двойную спираль), белков, связывающихся с одноцепочечной молекулой ДНК (они удерживают ДНК в расплетенном состоянии), и ДНК-праймаза (она синтезирует РНК-затравку, с которой начинается синтез собственно ДНК). Одна из новых двойных спиралей (опережающая) синтезируется на матричной спирали непрерывно, от конца молекулы к точке роста. Вторая (отстающая) синтезируется в обратном направлении, прерывисто – небольшими фрагментами Оказаки. Их синтезирует ДНК-праймаза, присоединение новых нуклеотидов к растущей комплементарной цепочке обеспечивают три разных ДНК-полимеразы (здесь показана только одна), фрагменты Оказаки сшивает ДНК-лигаза – здесь она не показана. И вообще всё намного сложнее, чем на этой простенькой схеме...
«Буквы» генетического кода

«Буквы» генетического кода – нуклеотиды – состоят из остатка фосфорной кислоты, остатка сахара (рибозы или дезоксирибозы) и одного из пяти азотистых оснований. В двойной цепочке ДНК комплементарные (соответствующие) основания удерживаются водородными связями – двумя (A=T) или тремя (G= –C). Сейчас это знает каждый школьник, но именно за это открытие 1953 года Джеймс Уотсон и Френсис Крик получили Нобелевскую премию. Всего через два десятка лет ученые сумели синтезировать первый ген (Корана, 1972) и ввести чужой ген в бактерию (Коэн и Бойер, 1973). Через четверть века после открытия двойной спирали, в 1978 году, теория дала практические результаты: бактерии кишечной палочки синтезировали человеческий инсулин. В начале 1980-х в лабораториях появились первые трансгенные мыши, в 1994-м был разрешен к продаже первый генетически модифицированный сорт помидоров. А сейчас в мире разрешены к применению сотни штаммов трансгенных микроорганизмов и сотни сортов растений десятков видов. Трансгенных животных пока не выпускают из лабораторий, но генетически модифицированные мыши уже стали обычными лабораторными животными, а трансгенные лососи, свиньи, коровы, козы и прочие звери скоро будут работать живыми фабриками белка, а еще через некоторое время попадут нам на стол.