Синтетическая жизнь

В исследованиях, посвященных созданию искусственных форм жизни для производства лекарственных препаратов, вакцин и топлива, произошел важный прорыв. Крейг Вентер, американский генетик, биолог и бизнесмен, заявил о создании им искусственной клетки. Вентер прославился своими успехами в расшифровке генома человека, предложив затем эту услугу всем желающим за деньги. В научном мире ученый слывет авантюристом, но его открытие вызвало благоприятные и даже восторженные отзывы генетиков всего мира. Сейчас Вентер – признанный лидер самых радикальных и перспективных направлений современной генетики.

Лекарства: химия, органика, генетика

Подход Крейга Вентера к созданию синтетической живой клетки заключается в том, чтобы с нуля построить новый организм с заданными свойствами. Понятно, что технически это очень сложное дело. Вентер с коллегами работает над переносом генетического материала из бактерий одного вида в другой, чтобы добиться более быстрого их роста и получения нужных веществ в больших количествах. Но, кстати, пока еще не совсем ясно, чем с практической точки зрения этот подход лучше, чем уже давно разработанные и с успехом применяемые методы генной инженерии штаммов бактерий.

Как известно, лекарственные препараты можно получить несколькими способами. Первый – это далеко не всеми любимый химический метод. О нем многие наслышаны. Второй – выделение действующих веществ из растений и органов животных. Что же касается третьего, то тут надо произвести небольшой экскурс в основы биологической науки.

Микробы – на службу человечеству

Бактерии, которые обитают в окружающем мире и в нас самих, живут по своим законам. То есть создают в собственных клетках те вещества, которые необходимы для их, бактерий, существования. Но человек может заставить микроорганизмы синтезировать нужные ему молекулы, причем в огромных количествах. Конечно, это не так просто. Многие поколения ученых пытались поставить микробы на службу человечеству. И в настоящее время в этом деле достигнуты определенные успехи. В основном благодаря генной инженерии.

Наследственный материал любого живого организма на Земле состоит из генов, а они в свою очередь из нуклеотидов. Современная наука может достаточно легко манипулировать с генами бактерий. Например, ученые группы Фаррена Айзекса из Гарвардской медицинской школы немного меняют нуклеотиды в генах или группах генов для улучшения старых или появления совершенно новых свойств бактерий. Этот метод, по мнению авторов, найдет широкое применение в химической промышленности, фармацевтике и других областях, где требуется крупномасштабный синтез сложных биоорганических соединений.

Полезный ликопин 

В недалеком прошлом, да и сейчас, в некоторых лабораториях ученые используют стратегию последовательного изменения генов. Это означает, что в наследственный материал нужной бактерии вводится одна конкретная мутация. Затем проверяется, приобрела ли клетка требуемые свойства. Если что-то получилось, то процесс повторяется. А если нет, то, как говорится, начинай сначала. Такой подход очень трудоемок и занимает длительное время. Более того, изменение в одном гене может повлиять на функционирование другого, а мутация в третьем – и вовсе свести на нет все предыдущие успехи. Все сложности устройства наследственного материала живых организмов пока не позволяют ученым выработать некую общую теорию генной инженерии, и потому каждую конкретную биотехнологическую задачу приходится решать дорогостоящим методом проб и ошибок.

Группа Фаррена Айзекса сделала этот подход необычайно продуктивным. Самая хорошо изученная и часто используемая в науке и промышленности бактерия – Escherichia coli, или кишечная палочка. Природные штаммы этой бактерии производят вещество ликопин, но в весьма небольших количествах. Он обладает антиоксидантными свойствами и родственен химическим веществам, применяемым в лечении рака. Поэтому было бы очень полезно заставить бактерии синтезировать ликопин как основной белок, то есть в большом количестве. Известно, что засинтез этого полезного вещества отвечают 24 различных гена из 4500 генов Escherichia coli. И вот, вместо того что-бы проводить по одной замене в генах, как делается обычно, ученые решили вводить в гены сразу большое количество мутаций.

Нужны «успешные» клетки!

Это внедрение происходит случайным образом, и в результате некоторые бактерии перестают синтезировать ликопин, а некоторые получают возможность нарабатывать его гораздо эффективнее. Остается только отобрать наиболее «успешные» клетки, что делается автоматически с помощью прибора, фиксирующего интенсивность окраски штаммов, так как ликопин имеет красный цвет. После первого этапа прибор отбирает штаммы, эффективнее всего синтезирующие ликопин (с наиболее яркой окраской), и цикл внедрения в бактерии новых случайных мутаций производится вновь.

В итоге за три дня непрерывной работы установки по внедрению случайных мутаций в Escherichia coli исследователи сумели заставить бактерии производить ликопин в 500 раз эффективнее, чем природные штаммы.

Ученые ускорили эволюцию бактерий за счет искусственно введенных мутаций и тестирования 15 миллиардов генетических вариантов Escherichia coli. С помощью последовательного процесса генного модифицирования эта работа растянулась бы на годы.

– Я считаю, что подобный подход будет очень широко применяться в будущем и в таких вариантах, которые мы сейчас даже и не можем предположить, – говорит Фаррен Айзекс.

Живые светильники

В 2006 году тайваньские ученые вывели зеленых светящихся поросят.

Для этого в ДНК эмбриона ввели ген зеленого флуоресцентного белка, в свою очередь взятого у флуоресцирующей медузы. Интересно, что животные светятся не только снаружи, но и внутри.

Разумеется, опыты проводились не для того, чтобы поросятамутанты освещали собой собственный свинарник. Дело в том, что при пересадке внутренних органов очень желательно визуальное наблюдение за тем, как эти органы приживаются (или наоборот – отторгаются). А когда организм светится изнутри, то и весь процесс адаптации виден как на ладони.

Южнокорейские генетики пошли еще дальше. Они вывели линию клонированных собак, которые светятся под воздействием ультрафиолета, если в их организме присутствует специальное вещество, которое вводится вместе с кормом. В отличие от тайваньских поросят, эта способность передалась от самки некоторым ее щенятам уже без всякого вмешательства генетиков.

Данное исследование имеет большие перспективы для борьбы с заболеваниями человека. Ведь собакам тоже присущи многие из них, а ген свечения может быть заменен любым другим геном.

Ирина БАХЛАНОВА
ТАЙНЫ ХХ ВЕКА