Представьте, мир, где лекарство добывают из органов убитых животных, а флакон стоит как месячная зарплата. Именно так жили диабетики до 1980-х годов. Но всё изменили микроорганизмы, обитающие в кипящих термальных источниках.
Времена «животного» инсулина
До эпохи генной инженерии инсулин получали только:
- Из поджелудочных желез коров (отличается от человеческого на 3 аминокислоты → вызывал аллергию).
- Из свиней (отличается на 1 аминокислоту → чуть лучше, но всё равно неидеально).
1 литр бактериальной культуры заменяет поджелудочные железы 800 свиней!
Главные недостатки:
- Дорого. Чтобы обеспечить одного пациента на год, требовались органы 50 коров. (1 тонна органов = 100 г инсулина!).
- Опасно. У 30% людей развивалась липодистрофия (разрушение жировой ткани в местах уколов). Существовал риск заражения вирусами животных, не говоря уже об аллергии на чужеродный инсулин.
Первооткрыватель инсулина Фредерик Бантинг говорил: "Мы спасаем детей, но метод ужасен — это как пить воду из лужи".
В 1922 году первый спасённый мальчик чудом выжил после тяжелейшей аллергии на коровий инсулин.
Гениальная идея: «пересадить» ген инсулина бактериям
В 1978 году ученые Гойбёрт и Бойер впервые создали человеческий инсулин без использования животных. Для этого они:
- Нашли ген инсулина в человеческой ДНК.
- «Вырезали» его специальными ферментами.
- Встроили его в плазмиду (кольцевую ДНК) безвредной кишечной палочке (Escherichia coli).
- Заставили бактерии штамповать инсулин, как на фабрике.
Это был первый в истории лекарственный белок, произведённый генетически модифицированными организмами (ГМО).
Кишечную палочку выбрали не случайно — эта бактерия:
Быстро размножается (удваивается за 20 минут).
Проста в выращивании.
Уже хорошо изучена.
- Бактерии начали производить проинсулин (предшественник гормона).
- Учёные химически "отрезали" лишний фрагмент, получив чистый инсулин.
- Сравнили с человеческим — структура была идентична!
Проблема: первые бактерии давали слишком мало инсулина. Потребовалось 4 года, чтобы:
- Улучшить штамм бактерий.
- Наладить промышленное производство.
- Доказать безопасность.
Бактерии, живущие в кипятке
В 1969 году микробиолог Томас Брок обнаружил в горячем источнике штата Монтана (США) бактерию Thermus aquaticus, которая жила при температуре 70°C.
1976 год: Элис Чиен выделила из этой бактерии термостабильную ДНК-полимеразу, назвав её Taq-полимеразой.
Ранее считалось, что бактерии не могут выжить в экстремальных условиях. Белки подвергались денатурации (разрушались), что приводило к неминуемой гибели. Но эта бактерия прекрасно чувствует себя при высоких температурах, так как содержит уникальный белок — Taq-полимеразу. Этот белок позволил клеткам размножаться, строя молекулы ДНК.
Благодаря этим бактериям, в 1983 году биохимик Кэри Маллис изобрёл полимеразную цепную реакцию (ПЦР) — метод, без которого сегодня немыслимы генетика, медицина и криминалистика.
В ПЦР существует три этапа:
- Денатурация. ДНК нагревают до 95°C (разделение двух цепей, чтобы гены были "открыты").
- Отжиг. Праймеры — это фрагменты ДНК, которые мы хотим обнаружить. Допустим, если ПЦР на COVID-19, то праймер будет состоять из генов вируса. Праймеры крепятся к соответствующему участку ДНК.
- Элонгация. ДНК-полимераза строит нити ДНК "вокруг" праймеров.
Проблема первых экспериментов
- Первые попытки ПЦР использовали ДНК-полимеразу из Escherichia coli (работает при 37°C).
- После каждого нагрева до 95°C (для разделения цепей ДНК) фермент разрушался.
- Приходилось вручную добавлять новую порцию фермента после каждого цикла.
Спасение от термофилов (1985)
- После открытия Taq-полимеразы (из бактерии Thermus aquaticus) ПЦР стала:
- Автоматической, так как фермент выдерживает многократный нагрев до 95°C.
- Быстрой (30 циклов за 1-2 часа вместо суток). Достаточно одного добавления на всю реакцию
- Доступной (стоимость упала в 100 раз).
В 1970-х для изучения гена инсулина использовали клонирование в бактериях — процесс занимал недели!
Микробы-герои: иногда самые маленькие организмы могут решать самые большие проблемы человечества.
Обитатели кипящих вод совершили тихую революцию:
- Сделали инсулин доступным в самых бедных странах.
- Доказали, что даже самые экстремальные формы жизни могут служить человеку.
- Сегодня 4 млрд флаконов в год производят бактерии и дрожжи.
«Мы взяли у бактерий инструменты — и подарили диабетикам будущее» (К. Бойер, лауреат Нобелевской премии).
Инсулин, который раньше добывали из тонн коровьих органов, теперь делают микроорганизмы, не видимые без микроскопа!