Чудеса: Популярная энциклопедия. Том 2 - Владимир Мезенцев

Клетки вырабатывают необходимые для жизни организма белки. Как известно, это целый класс сложных химических соединений. Клетки производят свои белки-ферменты, белки-гормоны и др.

Из других белков, как из кирпичей, строятся сами клетки… Если у вас волосы светлые, а глаза голубые — это обусловлено белками, их определенным набором.

А о том, какие белки создавать клеткам, заботятся гены. Они же следят за тем, чтобы при делении клеток новые частицы наследовали потомственные признаки.

Но как это происходит? И какова природа генов? Вот это слегка и прояснилось после открытия Уотсона и Крика. Расшифровав структуру ДНК, они раскрыли конкретную материальную природу носителя наследственности, показали, что ген — это не что иное, как участок молекулы ДНК. Длинные нити этой молекулы свернуты в ядре клетки в очень плотные спирали. Все гены из всех клеток человеческого тела могут уместиться в одном наперстке. А если их размотать и соединить в одну, то «генная нить» протянется до Солнца и обратно более чем четыреста раз!

«Алфавит» наследственности

Как наглядно представить строение ДНК? Вообразите длинную-длинную веревочную лестницу, закрученную в виде штопора. Выпрямите ее и представьте, что ее боковины — длинные цепи двух чередующихся веществ: сахара и фосфора. Эти цепи составляют костяк молекулы ДНК, их структура никогда не изменяется. Чудесные свойства этой молекулы зависят от «перекладин» лестницы. Каждая «перекладина» состоит из двух частей, причем каждая «полуперекладина» прочно связана только со своей боковиной лестницы, с другой «полуперекладиной» она связана слабо.

В роли половинок «перекладин» выступают молекулы четырех азотистых соединений — аденина, цитозина, тимина и гуанина (обозначим их А, Ц, Т и Г). Сочетания этих четырех веществ с костяком дезоксирибонуклеиновой кислоты называют нуклеотидами, с которыми связана специфика генов. В составе отдельных генов сотни нуклеотидов. Порядок названных азотистых веществ внутри гена и составляет его код. Учеными установлено, что А может соединиться, образуя «перекладины», только с Т, а Ц — только с Г. Таким образом, сочетания А — Т, Т — А, Ц — Г и Г — Ц представляют собой своего рода четырехбуквенный алфавит, с помощью которого и записана наследственная информация.

Перед делением клетки лестница распадается на две боковины, каждая со своей «полуперекладиной». Нуклеотиды А отделяются от нуклеотидов Т, а нуклеотиды Ц — от нуклеотидов Г наподобие того, как расходятся зубцы застежки-«молнии». В клетке постоянно свободно плавают нуклеотиды, и они, соединяясь с разделившимися частями «лестницы», вновь образуют целые. Так, клетка из одной «лестницы» ДНК создает две «лестницы»- абсолютные копии первой.

Теперь она может приступить к своему делению: две одинаковые «лестницы», оказавшиеся в двух клетках, обеспечат их тождество.

Таким же путем в клетке создаются тысячи разных белков. Каждый ген — определенный участок длинной нити ДНК — содержит «инструкции» о производстве одного какого-либо белка. Эти «инструкции» закодированы определенной последовательностью в расположении нуклеотидов в нити ДНК. Используя всего четыре нуклеотида ДНК, природа создает бесконечное разнообразие жизни.

Так было пересмотрено прежнее понятие гена как неделимой частицы. И структурно, и биохимически он оказался сложной системой. Новейшие исследования открыли в клетке, в пределах гена и в их комплексе (генотипе) новый, громадной сложности микромир.

«Понятие гена, — пишет академик Н. Дубинин, — наполнилось физиологическим и биохимическим содержанием, было показано, что код гена, т. е. его молекулярная структура, программирует в клетке синтез белков. Это программирование имеет сложный характер… Сами гены в каждом клеточном поколении самоудваиваются, в чем важную роль играют белки в виде специальных ферментов. Путем такой ауторепродукции для каждой новой клетки гены строятся заново из азотистых оснований и других веществ, синтезируемых в цитоплазме. Все это вовлекает гены в обмен веществ и подвергает их действию факторов внешней среды. В результате гены, эти блоки генетической информации, претерпевают бесконечные изменения (мутации) на основе преобразования их молекулярного строения».

Открытие материальной природы гена отразило в себе единство органического мира. Молекулы ДНК оказались тем веществом, в котором записана генетическая информация почти всех живых существ на Земле. Хранитель «ключей жизни» и главный «дирижер внутриклеточного оркестра», ДНК заключает в себе код, который любая клетка использует для своего воспроизведения. Человек и насекомое, полевой цветок и бактерия — все они «родственники» по ДНК. Какое яркое и глубокое доказательство единства жизни, общности ее происхождения и взаимообусловленности ее истории!

Ищите волшебников в лаборатории

Рассекретив чудесные свойства ДНК, ученые стали всерьез думать о «сотворении» живых организмов по своему усмотрению. Их увлекла идея целенаправленного вмешательства в святая святых жизни — в процесс ее воспроизводства. Оказалось, что гены можно извлекать из одного организма, пересаживать в другой и наблюдать, что из этого получится. Теперь этим занимается новая наука — генная инженерия. Именно ее первые успехи и ее сказочные перспективы позволяют нам говорить о революции в биологии.

«Я попытался, — говорит академик А. Баев, — наметить те операции и манипуляции, которые составляют предмет генной инженерии и ограничивают область применимости этого термина. Мне кажется, что основных таких задач пять:

1. Выделение гена из природного материала.

2. Синтез гена в лаборатории, что называется, «в пробирке» и затем использование его.

3. Необходимо научиться видоизменять, исправлять, наращивать или укорачивать имеющийся в руках исследователя ген, придавая ему нужную структуру.

4. Полученный тем или иным способом ген нужно заставить размножаться, то есть проявить неотъемлемую черту всего живого — способность самокопироваться.

5. Наконец, ставится задача найти пути введения в клетку нужного гена и присоединения его к генетическому материалу клеточного ядра». Не надо говорить, насколько сложна вся эта работа. Ведь исследователи имеют дело с такими микрообъектами, по сравнению с которыми клетка кажется гигантом. В руках «генного инженера» нет ни скальпелей, ни пинцетов, никакие хирургические инструменты тут не помогут. Их заменяют ферменты.

Полный набор этих «инструментов», к помощи которых прибегают волшебники из биологических лабораторий, имеется в каждой клетке. В частности, «скальпелем» служат ферменты (их называют рестиктразы), охраняющие клетку от инородных генов. Чужая ДНК разрубается рестиктразой, словно саблей, причем разные рестиктразы наносят удары в разных местах, каждая в своем.

Таких ферментов много. Подбирая их, исследователь расщепляет молекулы ДНК на нужные части.

Затем куски хромосом, в которых находятся гены, необходимо снова «сшить». Тут прежде всего помогает их свойство объединяться друг с другом. А затем на помощь привлекается снова фермент — лигаза.

Наконец, остается последний этап генной операции — вновь сконструированную молекулу-гибрид нужно перенести в клетку другого организма. Каким пинцетом это можно сделать? Переносчиками выступают молекулы ДНК вирусов — фаги. Начиненный новой наследственной информацией вирус проникает в бактерию и отдает ей свои гены.

Можно использовать и другого помощника, так называемую плазмиду. Эта кольцевая молекула благодаря малым размерам легко отделяется от основной массы бактериальных ДНК. В нее также можно вшить гены и направить в клетку. Чудо-операция завершена…

На этом, однако, не оканчиваются заботы о созданном гибриде. Внедренный в клетку ген нужно заставить там работать. Дело в том, что в хромосомах всегда имеется большое число «молчащих» генов. Что, если и внедренные гены окажутся в их компании? Значит, надо научиться управлять геном — включать и выключать его по мере необходимости.

Тут же подчеркнем: вживление чужеродных генов в другие организмы не приводит, как можно подумать, к созданию новых форм живого. Это — задача будущего. Пока речь идет о создании в лабораториях ученых новых комбинаций генов в ДНК и выяснении, что могут дать такие образования.

А насколько неожиданными могут быть тут результаты, судите хотя бы по такому примеру. Исследователи осуществили слияние клеток человека с клетками мыши, цыпленка и даже… комара (конечно, здесь нечего ждать какого-то фантастического гибрида — ведь объединяются не половые клетки).

Очевидно, что произвольные объединения разнородных генов могут привести к образованию молекул ДНК с непредсказуемыми свойствами. Уже сейчас возможны самые необычные комбинации генов вплоть до сочетания генов многоклеточных животных и бактерий… Освоенная в последние годы техника введения генов бактериям уже в ближайшей перспективе может получить важное практическое применение. Скажем, можно выделить ген, закодированный на производство инсулина, и ввести его в бактерию. Подобные бактерии превратятся в настоящие фабрики по производству инсулина. Других бактерий можно «настроить» на производство антибиотиков и так далее.