Биотехнологическая промышленность стоимостью 325 миллиардов долларов началась с открытия фермента для нарезки ДНК
Биотехнологии играют в нашей экономике большую роль в нашей экономике потому, что они проникают во многие ее части. Из таких генетически модифицированных организмов, как микробы и растения, теперь создают лекарства, продукты питания, топливо и даже ткани. По данным Роберта Карлсона из биотехнологической фирмы Biodesic Только за 2012 год доходы от биотехнологий только в США составили более 324 миллиардов долларов. Это последний год, за который имеются такие хорошие данные.
Привлекательной сферу применения биотехнологий делают не только ее размеры, но и ее молодость - биотехнологиям всего около 40 лет. В конце 1960-х годов микробиолог Гамильтон Смит открыл, что белок, называемый ферментом рестрикции, может резать ДНК, после чего другие ученые начали использовать их в качестве инструментов для изменения генов.
История ферментов ограничения является учебным примером того, как фундаментальные исследования могут, в конечном счете, оказать огромное влияние на общество. У Смита не было таких грандиозных амбиций, когда он начинал свою работу. Он просто хотел заниматься наукой.
В 1968 году, когда он был новым доцентом Университета Джона Хопкинса,он изучал как клетки разрезают ДНК на кусочки и перетасовывают их в новые механизмы - процесс, известный как рекомбинация.
Смит решил изучить рекомбинацию у вида бактерий под названием Гемофильный грипп. Как и многие другие виды, H. грипп может поглощать чужеродные ДНК, либо всасывая свободные фрагменты из окружающей среды, либо получая их от микробных доноров. Каким-то образом бактерия может интегрировать эти фрагменты в свою собственную ДНК.
Таким образом бактерии получают полезные гены, наделяя их новыми чертами, такими как устойчивость к антибиотикам. Но рекомбинация также имеет темную сторону для H. гриппа.
Вторжение вирусов может захватить механизм рекомбинации у бактерий. Затем они вставляют свои гены в ДНК хозяина, так что микробы делают новые копии вируса.
Чтобы понять, что такое рекомбинация, Смит производил радиоактивные вирусы, вводя их в бактерии, которые питались радиоактивным фосфором. Новые вирусы, созданные внутри бактерий, в конечном счете, содержали радиоактивный фосфор в своей ДНК.
Затем Смит и его коллеги смогли выпустить эти радиоактивные вирусы на другие бактерии. Ученые ожидали, что во время заражения гены бактерий станут радиоактивными по мере того, как вирусы будут вводить свой генетический материал в ДНК хозяина.
По крайней мере, так они думали. Когда аспирант Смита Кент Уилкокс заразил бактерию радиоактивными вирусами, радиоактивность никогда не заканчивалась в собственном геноме бактерии.
Пытаясь разобраться в провале, Уилкокс предложил Смиту, что бактерии уничтожают вирусную ДНК. Он основывал свое предложение на гипотезе, предложенной несколькими годами ранее Вернером Арбером, микробиологом Женевского университета. Арбер предположил, что ферменты могут ограничивать рост вирусов, разрушая их ДНК, и назвал эти гипотетические молекулы "ферментами ограничения".
Арбер признал, что если ферменты рестрикции будут бесконтрольно бесчинствовать, они могут сами убить бактерии, измельчая их собственную ДНК. Он предположил, что бактерии защищают свою собственную ДНК от нападения и, таким образом, избегают самоубийства, покрывая свои гены атомами углерода и водорода - процесс, известный как метилирование. Ферменты ограничения не могли атаковать метилированную ДНК, Арбер предложил, но он может атаковать незащищенную ДНК вторгающихся вирусов.
Уже сегодня исследователи регулярно используют ферменты рестрикции, чтобы нарезать открытые гены.
За неделю до того, как Уилкокс провел свой озадачивающий эксперимент, Смит назначил его лаборатории провокационную новую бумагу, поддерживающую гипотезу Арбера. Мэтью Мезельсон и Роберт Юан в Гарвардском университете сообщили в бумаге как они обнаружили протеин в кишечной палочке E. coli, который разрезал чужеродное ДНК - другими словами, фактический фермент ограничения. Уилкокс и Смит подумали, что они только что наткнулись на другой фермент ограничения в Haemophilus гриппа.
Смит протестировал эту идею элегантным экспериментом. Он налил вирусную ДНК в пробирку, а ДНК из H. гриппа - в другую. К каждой из этих пробирок он добавлял суп из белков бактерий. Если бы бактерии действительно делали ферменты ограничения, ферменты в супе измельчали бы вирусную ДНК на мелкие кусочки.
Тогда еще были десятилетия до изобретения мощных секвенсоров, которые сегодня используются для анализа ДНК. Но Смит придумал простой способ исследовать ДНК в своих пробирках. Смит измерил раствор в двух своих пробирках с помощью устройства, называемого вискозиметром. Как он и предсказывал, ДНК вируса быстро стала гораздо менее вязкой. Что-то вроде белка гриппа H., предположительно, разрезало ДНК вируса на маленькие кусочки.
За этим мгновенным удовлетворением последовали месяцы утомительности, когда Смит и его коллеги сортировали белки в экстрактах своих клеток до тех пор, пока, наконец, не обнаружили фермент рестрикции. Они также обнаружили фермент метилирования, который защищал собственную ДНК H. гриппа от разрушения, экранируя ее углеродом и водородом.
Как только Смит и его коллеги опубликовали замечательные детали своих ферментов рестрикции, другие ученые также начали их исследовать. Они не только изучали ферменты, но и стали использовать их в качестве инструмента. В 1972 году Пол Берг, биолог из Стэнфордского университета, использовал ферменты рестрикции, чтобы сделать разрезы в ДНК вирусов SV40, а затем использовал другие ферменты, чтобы присоединить ДНК другого вируса к этим свободным концам. Таким образом Берг создал единственный кусочек ДНК, состоящий из генетического материала от двух видов.
Стая ученых последовала за Бергом. Они поняли что они смогли использовать ферменты ограничения для того чтобы вставить гены от много различных видов в бактерии, которые смогли после этого выкрутить протеины от тех генов. По сути, бактерии могут быть преобразованы в биологические фабрики.
В 1978 году Гамильтону Смиту позвонили из Стокгольма. Он узнал, что в том году делит Нобелевскую премию по медицине с Вернером Арбером и Даниэлем Натансом, еще одним ученым Джона Хопкинса, который следил за исследованиями Смита в области ферментов, проводя собственные эксперименты. Смит был так же взволнован, как и восхищен.
Позже появились компании, которые занимались использованием ферментов ограничения для модификации ДНК. Первое коммерческое применение этой технологии пришло от Genentech, компании, основанной в 1976 году. Ученые Genentech использовали ферменты рестрикции для создания штамма кишечной палочки, несущего ген инсулина человека. Раньше люди, страдающие сахарным диабетом, могли покупать только инсулин, извлеченный из поджелудочной железы коров и свиней. Гентех продавал инсулин, производимый роями бактерий, выращенных в гигантских металлических барабанах.
На протяжении многих лет ученые опирались на первые успехи Смита, находя новые инструменты для манипулирования ДНК. Однако и сегодня ученые регулярно используют ферменты рестрикции, чтобы нарезать открытые гены.
И по мере того, как Смит наблюдал за тем, как ферменты ограничения становились мощными и разносторонними, он медленно преодолевал свой случай синдрома Нобелевского самозванца.