Второй этап работы генного инженера состоит в том, чтобы подобрать, выделить (или синтезировать) тот — донорный — ген, который нужно перенести с помощью «вектора».
Потом этот ген (или фрагмент ДНК, включающий нужный ген) нужно соединить, сшить с вектором и отправить этот гибрид в клетку-реципиент. Там, в клетке, вектор присоединится к хромосоме хозяина, встроится в наследственность клетки. Клетка, делясь, уже передает по наследству новую генную запись, и она и ее потомки обладают свойством, определяемым встроенным геном…
Так и сделали, еще двадцать лет назад, например, Л. Тихомирова, А. Солонин и Л. Петровская вместе со своим руководителем Н. Матвиенко. Сделали дважды. Сначала разрезали пополам ДНК фага «лямбда», вшили туда плазмиду и этот гибрид ввели в бактерию — кишечную палочку. Потом они поступили «наоборот». Вектором-переносчиком стала плазмида. Ее кольцевую молекулу ДНК разрезали в одном месте. В разрез «вставили» один из фрагментов фага «лямбда».
Плазмида, или фаг, вооруженные несвойственным и ненужным им самим геном, впускаются в культуру кишечных палочек. В обоих случаях часть кишечных палочек приобретает новые гены, а значит, и новые свойства. Чистую культуру бактерии с новой наследственностью получают, используя принцип отбора. Чашечку с бактериями подвергают испытаниям, которые могут выдержать только те бактерии, которые усвоили новые гены… И вот перед исследователем чистая культура кишечной палочки с новым, невиданным в природе сочетанием наследуемых свойств. Эти свойства можно проверить, выявить на любом этапе эстафеты поколений быстро размножающейся бактерии. Новый организм, сконструированный методами генной инженерии!
ВСТУПЛЕНИЕ ЧЕТВЕРТОЕ: СКВОЗЬ ТЕРНИИ…
Но такая, бегло рассказанная суть работы генных инженеров не отражает, конечно, и доли истинного содержания всех этих понятий: «взял» (как взять-то молекулу, что за пинцет такой?), «разрезал», «сшил». На каждой из этих операций — масса мучений, кропотливой работы, неудач.
Фаг лямбда… Один из простейших «атомов жизни», носителей собственной наследственности, предмет изучения целого поколения «лямбдологов» (термин, может быть, и не официальный, но уже вполне не шутливый).
Как и многие другие вирусы и фаги, «лямбда» может встроиться в генный набор клетки хозяина, не причиняя ей вреда. Потом отделиться, снова стать фагом. И оказывается, не всегда это повторное отделение происходит по месту первоначальной сшивки. Иногда фаг «забывает» часть своих генов в чужом геноме, иногда прихватывает чужие гены и переносит их в другую клетку. Этими природными свойствами фагов (а также вирусов и плазмид), как переносчиков генов, и воспользовались генные инженеры.
Но не нужно думать, что клетки бактерий или более высокоорганизованных существ безразлично относятся к вторжению чужеродной генной информации. На пути чужих нуклеиновых кислот встают вырабатываемые клеткой молекулы ферментов рестриктаз.
Рестриктазы — это скальпели на молекулярно-биологическом уровне. Они кромсают чужую ДНК, превращая ее в кучу обрезков. Но взоры генных инженеров остановились именно на рестриктазах, скальпель — это как раз то, что нужно на первом этапе генно-инженерного конструирования.
ДНК фага «лямбда» режется рестриктазой в пяти точках. Причем, режется очень своеобразно. Каждый отрезок ДНК (а ДНК, как известно, состоит из двух взаимно комплементарных, а значит, «липких» по отношению друг к другу нитей) режется «со сдвигом». Одна нить режется не точно против другой, а несколько сбоку. На концах отрезков оказываются небольшие куски «липкой» однонитевой ДНК. Представь себе, читатель, склеенные между собой на всю длину две липкие изоляционные ленты. Такая двойная лента с клейкими слоями, направленными внутрь, снаружи не липкая. Но если одна из этих лент короче другой, то у нелипкой двойной ленты будет липкий кончик… Такие отрезки ДНК, с «липкими кончиками», интересны генному инженеру одним: они потенциально готовы к новой склейке.
Пущинские генные инженеры взяли для своих опытов не «дикий» фаг «лямбда». Дикий не годится! У него жесткая белковая «головка», в которую ДНК этого фага просто упрется, если ее сильно удлинить. А ДНК нужно именно удлинить, «пришивая» чужие гены. Выведенный в США специальный лабораторный мутант фага содержал укороченную нить ДНК. Это расширяло возможности исследователей и к тому же выброшенный, несущественный для главных функций фага кусок ДНК содержал одну из точек разрезания. Это уменьшало на один количество фрагментов ДНК, полученных после обработки ее рестриктазой. Но для более точного конструирования на молекулярном уровне нужно было добиться, чтобы молекула фага-переносчика содержала только одну точку разрезания!
Это составило лабораторное содержание первой части работы молодых — тогда — ученых. Здесь пригодилось неиссякаемое терпение Лаймы Тихомировой.
Применяя уже знакомые нам методы «отбора в пробирке», пущинские экспериментаторы начали выделять из массы единиц лабораторного фага те, которые были наиболее устойчивы к действию рестриктаз. Сначала им удалось вывести мутант, разрезаемый рестриктазой не в четырех, а в трех точках. Затем из него тем же методом терпеливого культивирования — мутант, разрезаемый в двух точках, затем в одной… Этот выведенный в отделе А. А. Баева в лаборатории Матвиенко штамм и стал «вектором», переносчиком в первом эксперименте пущинских генных инженеров.
Плазмида, взятая в качестве донора новой генной информации, разрезалась рестриктазой в одной точке, но оставлялась целой — просто из кольцевой ее ДНК становилась нитевидной (с «липкими» тоже кончиками). И вот обрезки видоизмененного фага и нитевой плазмиды смешиваются в пробирке. «Липкие» концы обрезков слабо связываются друг с другом.
После этого в смесь добавляется фермент ДНК-полинуклеотидлигаза, действие которой — обратное действию рестриктаз. Лигаза окончательно сшивает отрезки ДНК и тщательно заделывает швы.
Эксперимент был закончен…
ВСТУПЛЕНИЕ ПЯТОЕ: ОШЕЛОМЛЯЮЩИЕ ПЕРСПЕКТИВЫ
В одной из лабораторий Франции ученые искали способ борьбы с одним из наследственных заболеваний человека. При этом заболевании в клетках человека врожденно покалечен ген, управляющий производством некоего фермента. Фермент очень нужный, его отсутствие сопровождается тяжелыми нарушениями обмена. Неожиданно этот самый ген нашли в некоторых вирусах… Появилась смелая идея — воспользоваться вирусом, чтобы излечить наследственное заболевание человека.
Для начала решили провести опыты на мышах. Есть такой чисто «мышиный» вирус папиломы. Он вызывает у мышей заболевание: образование на поверхности тела папилом, чего-то вроде бородавок. Этот вирус как раз из тех, содержащих нужный ген.
Мышей заразили вирусом, они заболели. Одновременно мышей исследовали на содержание в их тканях того самого фермента. Его стало больше, чем у незараженных!
И тут произошло неожиданное. Сама жизнь закончила этот опыт намного раньше времени. У сотрудников лаборатории тоже обнаружилось увеличение производства фермента! В чем дело? Вирус ведь специфический, мышиный! Да, мышиный, и поэтому он в организме человека самостоятельно не размножается, не поражает клеток, не образует папилом. Но он проникает в геном человека, встраивается в него в виде дополнительного набора генов. А среди этих генов — ген, управляющий производством того самого фермента. Если бы среди сотрудников лаборатории оказался ребенок, страдающий наследственной болезнью, с которой они хотели бороться, он бы вылечился!
Могут сказать, что этот случай не имеет прямого отношения к генной инженерии. Да, над ДНК не производили никаких операций, нужный донорный ген встроился в геном нового хозяина естественно, в составе ДНК своего вируса. Но аналогия с перспективами и проблемами генной инженерии самая выразительная.
Да, приобретая власть над генами, человек вплотную подступает к решению многих, вчера казавшихся фантастикой задач. И при этом есть риск неуправляемого, побочного, неожиданного, результата. К счастью, некоторый избыток фермента, который вырабатывается теперь в организмах сотрудников французской лаборатории, безвреден. А если бы было не так?
Итак, какие практические выгоды сулит человечеству генная инженерия?
У человека есть масса наследственных болезней, полное излечение которых обычными методами медицины не удается. Случай, произошедший во французской лаборатории, — только случай. На случай нельзя ориентироваться. Американские «генные инженеры» К. Меррил и Х. Станбро попытались нащупать пути излечения еще одного наследственного заболевания — галактозной недостаточности. К счастью, есть способ, позволяющий производить опыты с клетками человека, не подвергая опасности человека. Клетки любого высшего животного можно заставить размножаться в лаборатории, в чашечках, размножаться массой, без образования тканей, органов. С культурой человеческих клеток, больных галактозной недостаточностью, ученые и производили свой опыт.
