Владимир Вакула - Биотехнология: что это такое?

• Название: Биотехнология: что это такое?
• Автор: Владимир Вакула
• Жанр: Биология

Рассказывается о новом научно-практическом мировоззрении, способствующем решению глобальных проблем наших дней: продовольственной, энергетической, охраны здоровья человека. Читатель познакомится как с традиционной биотехнологией (хлебопечение, производство кисломолочных продуктов, виноделие и др.), так и с новейшей, связанной с геннетической, клеточной, белковой инженерией.

---

С чего же начинается в живой клетке синтез белка? С того, что ген — единица наследственной информации, представляющий собой конкретный участок ДНК, принимает на себя роль матрицы, на которой синтезируется информационная, или матричная, рибонуклеиновая кислота — мРНК. Как только это свершается, наступает время следующей ступени биосинтеза, получившей в науке «имя» трансляции — ив рибосомах (особых субклеточных частицах) в соответствии со структурой мРНК синтезируется молекула белка.

Но теперь мРНК становится ненужной, ведь она осуществила свою транспортную функцию? — невольно напрашивается вопрос.

Совершенно верно. «Мавр сделал свое дело, мавр может уйти», и мРНК расщепляется на фрагменты, которые при следующей транскрипции, осуществляемой клеткой, вновь могут быть использованы. Недаром молекулы мРНК очень часто сравнивают с перфокартой, вложенной в станок или в машину с программным устройством, а рибосому — с тем самым станком или машиной, работающей в строгом соответствии с закодированной на перфокарте информацией. Так что ошибки полностью исключаются.

Так, в чем же, казалось бы, дело? Самый рациональный и безошибочный синтезатор известен — живая клетка, система обучения ее продуцированию нужного белка — соматотропина — разработана (об этом уже говорилось чуть выше: в ДНК кишечной палочки нужно внедрить человеческий ген, отвечающий за наработку гипофизом ростового гормона), остается только этот ген «изъять» из клетки и приступить к конструированию нужного нам механизма. Но все дело в том, как именно извлечь нужный ген. Только его, и никакой другой, а он ведь в ДНК не один.

И вновь пришлось воспользоваться тем, что ранее уже было понято и найдено — уникальной способностью раковой клетки к бесконтрольному размножению, а значит и бесконечно интенсивной наработке белка.

Распознать степень клеточной активности несложно. Если в клетке наличествует в больших количествах мрНК — значит, синтез белка идет активно. А поскольку речь в эксперименте шла о наработке соматотропина, то взяли крохотный кусочек опухоли гипофиза. Затем с помощью специальных веществ ее разрушили, вплоть до распада мРНК, и из капельки образовавшейся жидкости выделили очень чистую мРНК.

Разумеется, и само выделение мРНК, и очистка вещества от всевозможных примесей — все это сложные процессы, требующие и навыков и знаний. Так или иначе, но в руках исследователей оказался раствор чистой мРНК, а это уже равнозначно получению слепка с «ключа», открывающего заветную дверь. Таким ключом в клетке, как вы помните, может быть только ДНК.

Человек в клетке

К счастью, имея слепок, получить ключ совсем не трудно, поскольку существует фермент ревертаза. С его помощью быстро и споро с мРНК снимается копия ДНК. И вот теперь в пробирке экспериментаторов оказывается, наконец, ДНК.

Однако процесс еще далек от своего завершения, поскольку ДНК, находящаяся в пробирке, состоит из одиночных цепей, в то время как в гене каждая ее цепь соединяется с соответствующей (комплементарной) цепью. Но синтез последней — специальность другого фермента. Так называемой ДНК-полимеразы. И когда наконец с его помощью синтез комплементарной цепи произойдет, в дело вступит еще один фермент, у которого своя обязанность — убрать ставшие ненужными одно-цепочные участки ДНК.

Вот теперь можно сказать, что таинство действительно свершилось, потому что в пробирке, наконец, искомое вещество — чистая двухцепочная ДНК. А иными словами — желанный ген соматотропина.

Однако его в пробирке чрезвычайно мало. И потому ни о каком практическом использовании этого вещества не может быть и речи. Его еще нужно наработать, произвести в гораздо больших объемах. Делают это так: с помощью целого ряда тончайших генетических манипуляций ген «встраивают» в плазмиду. Подробности проведения таких операций вам знакомы еще по первой части этой книги, Да и конечный результат эксперимента теперь вы уже тоже можете предвидеть: как только плазмида окажется «дома», то есть в цитоплазме родной клетки, ген человеческого ростового гормона начнет в ней активно размножаться.

Размножаться-то он, конечно, начнет, но и только. А нужно, чтобы он «приказал» клетке запустить механизм продуцирования соматотропина. А вот этого он как раз и не может сделать, ведь у него отсутствуют необходимые для этого сигнальные элементы.

Отсюда вывод — их нужно дать гену. Для чего прежде всего хорошо бы выяснить, почему в процессе вышеназванных манипуляций в пробирке оказался ген соматотропина, не совсем идентичный вырабатываемому организмом?

Дело в том, что, подобно некоторым другим гормонам, соматотропин продуцируется в человеческом организме в «облике» белка-предшественника, так называемого прегормона. И только расщепляясь в гипофизе, становится, наконец, активным соматотропином. Так что пока в заветной пробирке — всего лишь ген предшественника соматотропина — прегормона.

Вот почему даже в случае активации такого гена никакого соматотропина не получить, ведь клетки кишечной палочки, в которую теперь он по воле ученых вписан, не обладают в отличие от гипофиза даром расщепления прегормона. Все, на что способен находящийся в пробирке ген, это продуцирование белка.

Но ученые ставили перед собой, как вы помните, иные цели. Их задачей было и осталось получение ростового гормона человека — соматотропина. Так что ничего не поделаешь, но ген просто необходимо подвергнуть еще нескольким операциям, избавив таким образом его от тех лишних аминокислот, наличие которых и отличает прегормон от гормона полноценного. Отрезок ДНК, кодирующий ненужные, лишние в данном случае аминокислоты, находится в самом начале гена, что значительно упрощает работу исследователей. Чтобы избавиться от «балласта» в гене, им понадобилось только «откусить» с помощью фермента нуклеазы несколько «букв»-нуклеотидов от конца молекулы. А в итоге они стали обладателями целого набора генов разной длины, среди которых только один (!) кодировал молекулу соматотропина. Его извлекли из полученной смеси и заставили в союзе с кишечной палочкой нарабатывать соматотропин. Нужной чистоты и в нужных количествах.

Более подробно о завершающей части работ по получению синтетического гормона роста человека микробиологическим методом, осуществленным группой научных сотрудников сразу нескольких институтов под руководством академика А. А. Баева, было рассказано советской прессой так: «Из плазмид Е. coli с помощью фермента рестриктазыбыл выделен участок ДНК — промотор, сигнализирующий о необходимости начинать считывание информации, записанной в последовательности нуклеотидов гена. Затем с помощью фермента лигазыпромотор был «сшит» с геном соматотропина, этот уже вполне работоспособный фрагмент встроен снова в плазмиды, плазмиды внедрены в клетки кишечной палочки, придав им способность синтезировать гормон роста. После этого обыкновенная кишечная палочка оказывалась необыкновенно активным продуцентом соматотропина человека — на его долю приходится значительная часть всех синтезируемых ею белков. В результате из одного литра культуры бактерий удается выделить столько гормона роста, сколько его можно получить из 50 гипофизов».

Разумеется, вы познакомились лишь с самой краткой схемой работ, осуществленных по синтезу соматотропина. Причем, ученые разных стран, принадлежащие к разным школам, научным направлениям и лабораториям, по-разному реализуют некоторые ее части, модернизируя и совершенствуя их в полном соответствии с собственным видением проблемы и существующими конкретными условиями данного научного учреждения.

Полученные препараты различны по чистоте, эффективности, а значит, и по-разному оцениваются на международном экономическом рынке. Конкурентная способность биотехнологического препарата — вот что сегодня определяет скорость, объемы его промышленного производства и широкого использования в самых разных сферах хозяйственной деятельности человека.

Но было б глубоким заблуждением считать, будто соматотропин — замечательный препарат организменного происхождения — способен оказывать помощь только детям, нуждающимся в активизации их гипофиза по продуцированию гормона роста. Отнюдь. При всей важности данной медицинской проблемы целенаправленное использование его — всего лишь небольшой аспект его применения. Ведь гормон роста убыстряет восстановление тканей, а значит незаменим при лечении ожогов, переломов костей, ран. Он способен многократно усиливать обменные процессы в организме, а значит, открывает надежды и перспективы в восстановлении полноценного синтеза белков, костного мозга, усиления кроветворной деятельности. И не только.