Микрокосм. E. coli и новая наука о жизни
Шрифт:
И сегодня, 30 лет спустя после превращения E. coli в чудовище и тягловую лошадку генной инженерии, эта бактерия по — прежнему остается любимым объектом биотехнологов. Ученые продолжают экспериментировать с ней в поисках новых способов работы с генами и белками. Ее ферменты рестрикции — любимый инструмент для разрезания ДНК, а ее плазмиды — любимое средство получения новых копий генов. Но сегодня ученые умеют встраивать эти гены в клетки многих других видов. В 1980–е гг. они, воспользовавшись полученными от E. coli уроками, начали переносить гены в другие бактерии и грибы. Кроме того, исследователи научились вводить гены в клетки животных и растений. Сбылась первоначальная мечта Берга: сегодня можно встроить ген в вирус, к примеру в SV40, и инфицировать этим вирусом клетку млекопитающего. (Ученые предпочитают использовать для этого клетки яичников китайского
Но этого мало. Сегодня можно вводить новые гены в клетки живых животных и растений. Генетически модифицированные культуры распространились во многих странах уже в большей части сельскохозяйственных угодий. Некоторые из них производят токсины, убивающие вредных насекомых; в обычных условиях такие токсины синтезировались бактериями. Другие способны противостоять пестицидам. Ученым удалось также создать растения, способные вырабатывать человеческие антитела и вакцины.
Даже в клетки животных теперь вводят чужеродные гены с помощью модифицированных вирусов. Некоторые исследователи надеются найти способ излечивать генетические заболевания, снабжая клетки работающими копиями ключевых генов. Другие вводят гены непосредственно в зародышевые клетки, чтобы получить животных с чужеродными генами во всех клетках тела. Некоторые ученые пытаются при помощи методов генной инженерии снизить загрязнение окружающей среды отходами сельского хозяйства. Основные загрязнения от сельскохозяйственной деятельности — соединения фосфора и кислорода, поступающие в почву с удобрениями. Когда дожди и вешние воды уносят фосфаты с полей в реки и в конечном итоге в океан, они вызывают вспышку размножения водорослей и другие экологические катастрофы, которые постепенно приводят к появлению обширных мертвых зон, где не может выжить ни один живой организм. Одна из причин, почему в удобрениях содержится так много фосфатов, заключается в том, что значительную часть удобрений получают из навоза домашних животных, к примеру свиней и кур. Дело в том, что эти животные лишены пищеварительных ферментов, необходимых для расщепления фосфатов, поэтому они проходят сквозь пищеварительную систему неизмененными. E. coli, как и многие другие бактерии, вырабатывает ферменты для расщепления фосфатсодержащих молекул. И когда исследователи ввели свиньям гены E. coli, фосфатов в навозе модифицированных животных стало вчетверо меньше, чем у обычных.
В каком-то смысле все перевернулось с ног на голову: если 30 лет назад ученые вводили бактериям гены животных, то сегодня они, наоборот, вводят животным гены E. coli.
Азбука жизни расширяется
В начале своего существования генная инженерия была всего лишь инструментом, который ученые смогли создать на базе своих знаний о E. coli. Однако в последние годы грань между генной инженерией и наукой постепенно стирается. Герберт Бойер использовал свои глубокие знания о E. coli, чтобы разработать методы генной инженерии. Сегодня генная инженерия использует методы Бойера, чтобы узнавать новое не только о E. coli, но и о фундаментальных законах жизни.
Ученые долгое время спорили о том, почему жизнь на Земле, практически без исключений, использует при строительстве белков всего лишь 20 аминокислот [27] . (lb. coli и ряд других видов, в том числе человек производят и двадцать первую аминокислоту под названием селеноцистеин.) В природе существуют сотни замечательных аминокислот, из которых жизнь, кажется, могла бы свободно выбирать. Вообще, чтобы присоединиться к Клубу аминокислот, молекуле нужно всего лишь обладать подходящими концами. На одном конце у нее должна быть аминогруппа — атом азота, ковалентно связанный с двумя атомами водорода, а на другом — карбоксильная группа, состоящая из атома углерода, двух атомов кислорода и атома водорода. Аминогруппа и карбоксильная группа легко стыкуются между собой, как кирпичики конструктора «Лего», и при этом почти не важно, что находится между ними. Любой химик может синтезировать в лаборатории сотни различных аминокислот; тот же процесс легко протекает в открытом космосе. В 1969 г. на Землю упал метеорит, покрытый слоем дегтеобразной слизи. Ученые насчитали в составе этой слизи 79 разновидностей аминокислот.
27
Существуют так называемые нестандартные аминокислоты, обнаруженные в составе белков, которые не входят в список встречающихся у всех живых организмов 20 аминокислот; к примеру, к ним относятся 21–я и 22–я аминокислоты — селе- ноцистеин и пирролизин. — Прим. ред.
Так почему же у нас их всего двадцать? Один из способов разобраться в этом вопросе — попытаться искусственно получить организм, способный производить не двадцать аминокислот, а двадцать одну. В 2001 г. Питер Шульц из Научно — исследовательского института Скриппса в Ла- Хойя (Сан — Диего, Калифорния) с коллегами сделал именно это — естественно, на основе E. coli. Как и все остальные живые организмы, E. coli использует генетический код, в котором каждые три нуклеотида в составе ДНК кодируют одну аминокислоту. Существует 64 триплета, или, как их называют, кодона, большая часть которых у E. coli используется регулярно. Но Шульц с коллегами обнаружили один кодон, который используется очень редко. Они модифицировали E. coli таким образом, что этот редкий кодон теперь отдавал команду добавить в строящуюся молекулу белка необычную аминокислоту.
Журнал Science назвал это достижение «первой искусственной формой жизни, химия которой не похожа ни на что, встречающееся в природе». В дальнейшем ученые добавили в репертуар E. coli еще более 30 необычных аминокислот. Первоначально бактерия могла строить эти новые белки только при условии бесперебойного снабжения ее нестандартными аминокислотами, но затем ученые начали модифицировать E. coli так, чтобы она могла сама синтезировать их из обычной пищи.
Благодаря этим исследованиям споры о генетическом коде переместились на другую почву. Никто не может с уверенностью утверждать, что только те самые 20 аминокислот делают жизнь возможной. Некоторые даже считают, что генетический код — это всего лишь исторический артефакт. Первые живые организмы синтезировали свои белки из тех аминокислот, которых вокруг было больше всего, и этот случайный выбор закрепился навсегда. Некоторые ученые уверены, что у нас самый лучший генетический код из всех возможных — ведь он позволяет хранить информацию о максимальном количестве белков в минимальном числе генов. Другие возражают, что естественный отбор мог бы предпочесть генетический код и поустойчивее, с меньшей вероятностью возникновения летальных мутаций, при которых происходит синтез белков с полностью измененной структурой.
В наших руках, однако, правила генетического кодирования изменились. Шульц и другие исследователи теперь пытаются разобраться, какую практическую пользу можно извлечь из белков E. coli, которых нет в природе. Возможно, такие белки позволят E. coli исправить одну из крупнейших неудач генной инженерии. Дело в том, что, в отличие от бактерий, клетки эукариот модифицируют белки, присоединяя к ним углеводные компоненты. Они участвуют в процессе сборки белка и влияют на его функционирование. E. coli может синтезировать точные копии наших белков — все аминокислоты точно на местах, — но если она не в состоянии добавить в нужных местах эти углеводы, то получившиеся белки для нас бесполезны.
Шульц с коллегами нашел способ обойти эту проблему. Вместо того чтобы добавлять углеводы к готовому белку, они добавляют их к отдельным аминокислотам, а затем так модифицируют E. coli, чтобы она распознавала аминокислоты с углеводным компонентом. Таким образом, бактерия может собирать белки с уже присоединенными углеводами, готовые для употребления человеком. Оказывается, то, что неестественно для E. coli, совершенно естественно для нас.
Сетевой взлом
Генная инженерия, которая на первый взгляд производит впечатление науки будущего, на самом деле достаточно примитивна и основана на биологических представлениях 1950–х гг. В мире генной инженерии E. coli и другие бактерии — всего лишь простые химические фабрики, выпускающие определенный набор белков. Достаточно изменить один ген, и один из производимых белков тоже изменится. Специалисты прекрасно понимают, что жизнь ни в коем случае не сводится к производству белков. Существуют еще, к примеру, репрессоры и промоторы, чья задача — включать и выключать гены. Но многие специалисты в области генной инженерии используют эту ценную информацию только для того, чтобы улучшить производительность E. coli и других организмов.