От пекарни до биофабрики. Обзор достижений биотехнологии
Решение проблемы было осуществлено методами современной биотехнологии: бактерии кишечной палочки были подвергнуты преобразованиям, после чего они стали вырабатывать в больших количествах человеческий инсулин! Вот и объяснение тому, почему поступившее из Лондона сообщение об инсулиновых инъекциях было сенсационным: ведь впервые в истории человечества для лечения людей применили человеческий белок, выработанный микробами!
Но как можно заставить бактерии образовывать белок, который контролирует уровень сахара в крови человека, то есть белок, полностью «бесполезный» для бактерий?
Главная идея была проста и гениальна: в ДНК бактерий следует каким-либо образом ввести фрагмент ДНК с приказом о синтезе человеческого инсулина, то есть ген инсулина; иными словами, бактерии надо «подложить кукушкино яйцо». Быть может, рибосомы бактерий «обманутся» и начнут продуцировать человеческий белок как свой собственный?
Вроде бы просто, но, чтобы осуществить идею, пришлось провести огромную предварительную работу. Было известно, каким образом составлена молекула инсулина из аминокислотных строительных «блоков», следовательно, было известно и то, как должна выглядеть инструкция, записанная в ДНК, то есть каков должен быть ген инсулина. В конце концов удалось сконструировать в пробирке ген инсулина человека. Уже одно это было грандиозным научным достижением! Теперь «яйцо кукушки» было готово, но всё ещё отсутствовала сама «кукушка» — средство для транспортировки гена в бактериальную клетку.
И тут вспомнили о плазмидах, маленьких кольцевых ДНК в бактериальных клетках. Именно с плазмидами связаны те затруднения, которые испытывает медицина при лечении больных. Плазмиды содержат, например, гены пенициллиназ — ферментов, расщепляющих пенициллин,— и при воздействии пенициллина на клетки — хозяева плазмид — последние немедленно передают своим рибосомам приказ о выработке пенициллиназ. В результате скорым порядком синтезируются пенициллиназы, которые тотчас же инактивируют пенициллин — и бактериальная клетка остаётся жизнеспособной.
Мало того! При соприкосновении двух бактерий плазмида может перейти из одной бактерии в другую и передать ей охранительный приказ к защите против пенициллина.
Стенли Коэн (1928) первый предложил использовать «страсть плазмид к путешествиям»: «Они, вероятно, могли бы быть идеальным транспортным средством для генов!» Что для этого нужно? Извлечь плазмидное кольцо из бактериальной клетки, разрезать его, вставить кусок чужой ДНК с приказом о выработке белка и ввести обратно в бактерию новое плазмидное кольцо с чужим геном. Последовательность операций известна. Но…
Каким способом разрезать нить ДНК плазмиды толщиной в одну миллионную миллиметра? Разумеется, это невозможно сделать с помощью ножниц или ножей. Однако в шестидесятых годах швейцарский биохимик Вернер Арбер (1929) открыл ферменты, которые «разрезают» ДНК на маленькие кусочки. Эти ферменты получили название рестриктаз.
Квакающие бактерии?
Спустя десятилетие после открытия рестриктаз Герберт Бойер (1935), работавший в Сан-Франциско, установил, что эти «ферментативные ножницы» разрезают ДНК только в определённых местах. Другие исследователи открыли ферменты, названные лигазами, которые снова «склеивают» разрезанные участки. Тем самым исследователи стали обладателями и «ножниц» и «клея» для ДНК. В июле 1973 г. Коэн и Бойер приступили к осуществлению своих идей в лаборатории. Они выделяли из бактериальной клетки плазмидные кольца и разрезали их «ферментативными ножницами». Затем они выделяли ДНК из клеток лягушек, вырезали из них с помощью тех же «ферментативных ножниц» определённые участки и смешивали в пробирке эти фрагменты лягушачьей ДНК с разрезанными кольцами бактериальных плазмид. После этого они добавили «склеивающий» фермент. Лягушачья ДНК была встроена между открытыми концами бактериальной плазмиды, кольцо замкнулось. Затем эту плазмиду с встроенной лягушачьей ДНК учёные снова ввели в клетку бактерии. Результат оказался сенсационным: бактерии действительно дали себя «обмануть»! Правда, они не стали квакать на лягушиный лад, как шутили Коэн и Бойер. Однако теперь их рибосомы наряду с их собственными бактериальными белками образовывали и белок лягушки! И все их потомки несли в себе часть наследственной информации лягушек!
Таким образом, Коэн и Бойер нашли метод, посредством которого в наследственный материал микроорганизма можно добавить чужие гены. Эти новые методы стали известны как методы генной инженерии. В 1978 г. был достигнут следующий этап: «сконструированный» в пробирке из строительных «блоков» ДНК ген инсулина человека был встроен (подобно лягушачьей ДНК) в разрезанные кольца плазмид бактерий, после чего плазмиды были внесены обратно в бактерии. И теперь бактерии стали продуцировать инсулин человека.
Апробация человеческого инсулина из бактерий дала прекрасные результаты. В некоторых клиниках его уже применяют для лечения больных диабетом.
Интерферон — первое лечебное средство против вирусов
Ген инсулина мог быть искусственно сконструирован химиками в пробирке, потому что было известно, как он построен. А как быть, если строение гена неизвестно?
Один неизвестный белок особенно привлекал внимание биотехнологов. Уже в пятидесятых годах было обнаружено, что в клетках живых существ, поражённых вирусами, образуется интерферон — белок, который «предостерегает» и защищает от вирусов ещё непоражённые клетки.
Интерферон мог бы стать первым лечебным средством против вирусных заболеваний. Ведь, как известно, существующие антибиотики не оказывают никакого воздействия на вирусы, они только «подавляют» развитие тех бактерий, которые могли бы распространиться при вирусном заболевании в организме, ослабленном вирусами. Поэтому создание лечебного средства против вирусов означало бы для медицины прогресс не меньший, чем введение в лечебную практику пенициллина. Стоит только вспомнить хотя бы о том, как много людей ежегодно болеет вирусным гриппом!
Однако до появления методов генной инженерии интерферон мог быть получен лишь в ничтожных количествах из лейкоцитов (белых кровяных клеток). Для получения 1 г интерферона нужно переработать кровь от 90 000 доноров.
Мысль о том, чтобы заставить микробов вырабатывать человеческий интерферон в больших количествах, занимала многие умы. В 1978 г. работу в этой области начал профессор Чарльз Вейссман, биохимик из Цюрихского университета. Прежде всего он «заразил» лейкоциты человека вирусами. Вследствие этого клетки были вынуждены образовывать интерферон для защиты остальных клеток. Следовательно, клеточная ДНК посылала своим рибосомам наряду с приказами о синтезе «нормальных» белков также ДНК-копии с командой: «Вырабатывайте белок интерферон!»
Однако этот приказ о синтезе интерферона Вейссману пришлось разыскивать среди тысяч других распоряжений ДНК кровяных клеток. Для этого он отделил бесчисленное количество различных «одноцепочечных» ДНК-копий от прочих компонентов кровяных клеток, далее с помощью специальных ферментов «превратил» эти копии вновь в «двухцепочечную» материнскую ДНК и разрезал её «ферментативными ножницами» на фрагменты. Одновременно из бактерий надо было выделить плазмиды и разрезать их при помощи тех же «ферментативных ножниц». Затем в разрезанные кольца ДНК плазмид с помощью «склеивающих» ферментов вставлялись фрагменты ДНК кровяных клеток человека с самыми различными приказами. Преобразованные таким образом бактериальные плазмиды содержали теперь дополнительные приказы о построении тысяч различных белков человека.
После этого Вейссман и его коллеги вновь ввели в бактерии изменённые плазмиды. Вся эта работа требовала уйму времени и усилий. Бактерии были размножены на поверхности твёрдых питательных сред. Возникло примерно 20 000 различных бактериальных колоний, каждая содержала клетки с другими новыми плазмидами. Не могла ли одна из этих колоний иметь плазмиды, несущие информацию для синтеза интерферона человека? Эта колония бактерий могла бы выделять интерферон. Началась кропотливая работа, поиск «иголки в стоге сена».