Джереми Рифкин: «Люди должны понять, что новые технологии, особенно технология рекомбинантной ДНК, позволяют ученым полностью обойти преграды биологии»
Хороший код существует не просто для того, чтобы его можно было расшифровать и прочитать. Его нужно использовать для творчества. Если код жизни можно понять, то его также можно изменять и использовать.
Герман Мёллер, облучая радиацией плодовых мушек в 1920-х годах, понял, что намеренное введение мутаций может позволить человечеству направлять эволюцию. Открытие двойной спирали и расшифровка генетического кода означали возможность точного изменения генома: вместо поиска случайных мутаций с полезной функцией из тысяч, вызванных рентгеновским излучением, потенциально можно редактировать хромосомы и гены, держа в уме конкретную функцию. Генетическая инженерия стала научной задачей.
Однако одно дело представлять себе генетическую инженерию, и совсем другое - ее реализовать. Любому инженеру требуются инструменты, а триплеты ДНК нельзя просто вырезать ножницами и склеить. Генетическая инженерия превратилась из научной фантастики в реальность в 1970-х годах, когда были открыты молекулярные «ножницы и клей» — набор ферментов, который можно было использовать для записи и копирования генов, вырезания и вставки. Ученые взяли на себя роль вершителей судеб, создавая новые, ранее не существовавшие в природе комбинации ДНК.
Молекулярные ножницы
Первым инструментом был класс белков, носящих название рестрикционных ферментов. Иногда их называют молекулярными ножницами. Бактерии используют рестриктазы для борьбы с бактериофагами: ферменты узнают особые последовательности вирусной ДНК и разрезают их в этих точках.
Этот процесс, впервые описанный швейцарским микробиологом Вернером Арбером в 1960-х годах, очевидно мог пригодиться генетикам. Если эти ферменты воздействуют на конкретные участки ДНК, их можно использовать для нарезки ДНК по определенным последовательностям. В 1972 году американский микробиолог Хэмилтон Смит идентифицировал рестриктазу бактерии Haemophilus influenzae, которая так и работала, атакуя фаг по одной и той же последовательности шести пар оснований.
В настоящее время известно более 3000 рестрикционных ферментов, каждый из которых воздействует на определенную последовательность ДНК. Они незаменимы для генетической инженерии и позволяют ученым вырезать гены и участки генов. Если ген начинается с одной последовательности и заканчивается другой, можно использовать две рестриктазы, каждая из которых специфична к одной из последовательностей.
Рекомбинантная ДНК
После того как рестриктазы разрезали ДНК, ферменты лигазы могут склеить ее обратно. Если рестрикционные ферменты — это молекулярные ножницы, то лигазы — молекулярный припой или клей. Таким образом, можно соединить фрагменты ДНК или вставить их в геном другого организма. В результате выходит рекомбинантная ДНК - последовательность, полученная путем комбинации различных участков ДНК в лаборатории.
Первую рекомбинантную ДНК получил в 1970-х годах американский биохимик Пол Берг, склеивший участки вируса обезьян SV40 и бактериофага. Сначала он хотел ввести полученный генетически модифицированный вирус в бактерию Е. coli, где тот смог бы размножаться, но что-то его остановило. SV40 безвреден для людей, но что если генетическая инженерия сделала его опасным? SV40 стимулирует рост опухолей у мышей, а Е. coli живет в кишечнике человека. Если бактерии, несущие рекомбинантный вирус, каким-либо образом выйдут за пределы лаборатории, они могут заразить людей и синтезировать канцерогенные белки.
Потенциальная биологическая опасность заставила Берга приостановить свои эксперименты и объявить мораторий на репликацию рекомбинантной ДНК до тех пор, пока не будут оценены все риски. Он возобновил работу только в 1976 году после конференции в Азиломаре, где были составлены строгие протоколы безопасности для будущих исследований. Но вопрос безопасности генетической инженерии не был закрыт: несмотря на то что в последние три десятилетия тысячи рекомбинантных продуктов использовались без каких-либо побочных эффектов, многие критики до сих пор выступают за введение жестких мер предосторожности.
«Некоторые опасались, что перенос ДНК от вида к виду может привести к нарушению сложившихся барьеров скрещивания и повлиять на естественный процесс эволюции. Их страхи были развеяны, когда было показано, что такой обмен происходит в природе» Пол Берг
Первый генетически модифицированный организм
Герберт Бойер из Калифорнийского университета в Сан-Франциско и Стэнли Коэн из Стэнфордского университета оказались менее брезгливыми или, в зависимости от точки зрения, более безрассудными. Когда они начали работать вместе, Бойер изучал рестрикционные ферменты, а Коэн исследовал плазмиды — кольцевые молекулы ДНК бактерий, которыми они иногда обмениваются, передавая друг другу устойчивость к антибиотикам и фагам. Используя новые инструменты генетической инженерии, Бойер и Коэн добавили в плазмиду ген, обеспечивающий устойчивость к антибиотикам, и ввели ее в Е. coli. Антибиотики перестали убивать бактерию. Это был первый генетически модифицированный организм (ГМО).
Первым применением рекомбинантной ДНК было вырезание интересных генов и вставка их в плазмиды в лаборатории, то есть клонирование. При помещении в бактерию плазмиды реплицируются и дают ученым множество копий гена для исследований. Похожая процедура использовалась для клонирования участков человеческого генетического кода для картирования в рамках проекта «Геном человека».
Но еще более волнующим — и прибыльным — было медицинское применение. Бойер понял, что если вставить человеческие гены в плазмиды, то можно заставить бактерии производить человеческие белки, которые, в свою очередь, можно использовать в медицине. В 1976 году для коммерческого применения технологии он основал компанию Genentech («Генентех»), поддержанную венчурным инвестором Робертом Суонсоном.
Первым успехом компании была рекомбинантная версия инсулина (гормона, необходимого для метаболизма сахара и отсутствующего у людей, страдающих диабетом 1-го типа), который ранее получали от свиней. Бойер получил его, введя ген человеческого инсулина в Е. coli посредством плазмиды. Бактерии, получившие плазмиды, стали инсулиновыми фабриками, производящими большое количество гормона для медицинского применения.
Сходный подход используется для получения лекарств и других коммерческих продуктов, многие из которых обладают значительными преимуществами над конкурентами. Например, гормон роста человека для лечения карликовости раньше выделяли из гипофиза трупов, и загрязнение привело к заражению пациентов болезнью Крейтцфельдта-Якоба — человеческим аналогом коровьего бешенства. Рекомбинантная версия не несет такого риска. Существует даже рекомбинантная версия сычужного фермента для производства вегетарианского сыра — в природе фермент содержится в желудке коров. Мёллер был абсолютно прав: мы можем изменять гены по собственному желанию.
Обратная транскриптаза
Другим важным ферментом генетических исследований является обратная транскриптаза, открытая Дэвидом Балтимором и Говардом Темином в 1970 году. Она используется ретровирусами, например ВИЧ, для перевода их РНК-кода в ДНК, которая затем встраивается в клетки и реплицируется. Многие лекарства против ВИЧ и других вирусов ингибируют обратную транскриптазу.
Фермент также позволяет в лаборатории превратить матричную РНК в ДНК. Это полезный инструмент для охоты за генами, позволяющий ученым находить транскрибированные сообщения мРНК и использовать их для расшифровки последовательности ДНК, с которой они были считаны.
Конференция в Азиломаре
В феврале 1975 года Пол Берг собрал 140 ученых, врачей и юристов в конференц-центре «Азиломар Стейт Бич» в Калифорнии для обсуждения этических вопросов генетической инженерии. В ходе конференции было разработано несколько принципов биологической безопасности, направленных на предупреждение случайного высвобождения рекомбинантных организмов, способных заразить человека и животных. Ключевая рекомендация заключалась в том, что при исследовании человеческих или животных вирусов должны использоваться бактериальные носители, неспособные выжить за пределами лаборатории. Благодаря этому существует маленькая вероятность выпустить в мир «супермикроб».
