Яблони на Марсе

Вначале генетики думали, что постоянство — это-де особое свойство генов, которые не подвержены никакому влиянию внешних воздействий. Но тогда, спрашивается, как же можно совместить с этим огромную гибкость, подвижность, удивительную приспособляемость, явную тягу живой материи к обновлению?

Страстные дискуссии продолжались и после открытия Уотсона и Крика, когда структура ДНК обнажила свои очертания. Не сразу ученые догадались о существовании в клетке специальной ремонтной службы. О наличии микроспецов, денно и нощно пекущихся о сохранении чистоты смысла первоначальных записей.

Кстати, тут еще раз проявило себя значение двунитчатости ДНК. Она необходима не только для создания идентичных копий генетического материала, но и для пущей — с запасом! — сохранности записанной в ДНК информации, ибо повреждения редко затрагивают сразу две спирали. И целостность второй, неповрежденной, позволяет начать ремонтные работы!

Кто же взял на себя в клетке роль мастеров-ремонтников? Особые белки-ферменты, названные рестриктазами и лигазами.

Рестриктазы рвут, разрезают, последовательность букв в ДНК, но делают это не как попало, а лишь в тех местах, где имеется сочетание строго определенных букв, узнаваемых только данной рестриктазой. Арсенал рестриктаз постоянно пополняется и включает уже более 400 наименований. Любопытно, что рестриктазы открыли в известной мере случайно, ища ответ на совсем другой вопрос: пытаясь понять, как клетке удается расправляться с проникшими в нее вместе с бактериями или вирусами чужеродными ДНК.

Вот так стала ясна кухня «рубки» молекул ДНК на части. И тут же появились сомнения: а не разбегутся разрезанные куски в разные стороны, не затеряются ли? Как-то их потом соберешь? Как удается клетке собрать из обрезков ДНК нечто для нее полезное?

Получалось, что, кроме топоров, ножниц, вырезающих, удаляющих ненужные, лишние (повреждения, описки и т. д.) фрагменты, необходимы и средства для «склейки» кусочков ДНК. И здесь ученым повезло: они вскоре обнаружили ферменты лигазы. Белки, специализирующиеся на сшивании частей ДНК, на восстановлении ее целостности. Так было установлено, что в клетке в случае нужды есть кому не только кроить и пороть молекулы ДНК, но и сметывать их!

Ощупав гены, свыкшись с их материальностью, человек тут же захотел заняться генной хирургией. Как подступиться к этому делу? Вначале — до открытия рестриктаз и лигаз — затея казалась безнадежной. Конечно, порвать молекулу ничего не стоит. Однако нужны не случайные разрывы: требовалось удалять одни гены и вставлять в освободившиеся «пустоты» другие.

Обсуждались разные проекты. Свои инструменты предлагали и физики, и химики. Что, если ударить по ДНК лазером? А может, лучше плавить молекулу наследственности в определенных местах? Или пилить ее химическими пилами? Идей и попыток было немало, но результаты не вдохновляли, ибо требовались такие хирургические ножи, которые позволяли бы разрезать молекулу ДНК с точностью до миллиардных долей метра. С атомными допусками. (Если бы с такой аккуратностью разделать батон колбасы, то каждому жителю земного шара досталось бы по кусочку!)

Барьер казался неодолимым. Наступление века генной инженерии отодвигалось на неопределенный срок. И вот в момент уныния на помощь ученым поспешила сама природа. Она предложила и «скальпели» (ферменты рестриктазы) и «иглы с суровой ниткой» (лигазы). Ведь мало было кромсать молекулу ДНК, хотя бы и с точностью часового мастера, нужно было еще научиться скреплять генные фрагменты, чтобы получать любые варианты генных гирлянд.

Геиноинженерная операция начинается с выделения из клеток, точнее из их ядер, молекул ДНК. Такую работу наблюдать очень поучительно.

Сначала к суспензии клеток добавляют ПАВы — поверхностно-активные вещества. Они разрушают, ломают мембраны — стенки клеток и ядер. Картина при этом получается любопытная. На ваших глазах мутноватая жидкость, налитая в стакан или колбу, превращается в прозрачный вязкий клей, почти студень. Это длиннейшие нитевидные молекулы ДНК выходят в раствор из лопнувших ядер. Осажденные затем спиртом ДНК выпадают рыхлыми беловатыми волокнами, которые можно вынуть из стакана, наматывая их на стеклянную палочку.

Достаточное для работы количество ДНК получено. Но в каком они виде! Это каша обломков, обрубков. Как же выловить из этого хаоса, из случайно перемешанных обрезков нужный нам ген? Вполне определенную осмысленную последовательность букв ДНК?

Вот как описывает трудность подобной задачи доктор биологических наук Борис Михайлович Медников: «Представьте, — пишет он, — полное академическое собрание сочинений Пушкина, изданное тиражом в сотни миллионов экземпляров. (С таким количеством исходных клеток в колбе обычно имеют дело молекулярные биологи.) Весь тираж при этом напечатан в одну строчку на телеграфной ленте и перемешан в огромный ворох, который непрерывно перелопачивают (имитация теплового движения молекул в растворе), а стая жизнерадостных обезьян (это аналог ферментов нуклеаз, полностью избавиться от них при выделении молекул ДНК из клеток невозможно) рвет ленту, где им это понравится. Теперь представьте, что, не прикасаясь руками и не видя текста, с расстояния пятидесяти метров надо из этой кучи выбрать все ленты, на которых отпечатан, например, „Анчар“ или первая глава „Евгения Онегина“».

Примерно такого рода задача стояла перед учеными. И удивления достойно, что они с ней справились. Все тонкости этого дела мы пересказать, понятно, не в состоянии. Важен итог, то, что теперь исследователи умеют выделить любой нужный им ген.

С помощью рестриктаз и лигаз первые химерические молекулы ДНК, их еще называют рекомбинантными, были получены. Но что с ними делать? Ведь проявить свои необычные свойства такие молекулы наследственности могут, только находясь в каком-то живом организме. Начался поиск существ, способных приютить, приголубить рекомбинантные ДНК и дающих им возможность нормально удваивать свое число. Конечно, кров для химерических молекул следовало выбирать попроще. А что может быть проще бактерий, одноклеточных созданий, управлять которыми наиболее легко?

Бактерии. Один из наиболее древних эшелонов жизни. Миллиарды лет были единственными обитателями биосферы. Ни человека, ни животных, ни высших растений не было на Земле, а бактерии уже праздновали не одну весну. Да они и сейчас настоящие хозяева планеты. И мы живем среди них, как экзотические цветы жизни, как редкостные образования в тьмамиллиардной массе трудяг-невидимок. Бактерии истинные космополиты: они населяют толщи почв и все водные бассейны, они поселились и в нас самих, эти малютки буквально вездесущи. Это бактерии создавали и создают месторождения полезных ископаемых, они же превращают останки живых существ в материал для новой жизни, помогают нам переваривать пищу и готовить ее, увы, еще они способны и убить нас, вызвав болезни.

Для молекулярных биологов бактерии — заманчивый объект исследований. Подкупает простота их устройства. Это всего одна клетка (обычно палочковидной формы, по-гречески bakterion и значит «палочка»).

У них нет ядра, всего одна хромосома (у человека их 23), с одной ниточкой ДНК.

Однако мир бактерий очень велик — кого выбрать, предпочесть? Кто тут наиболее пригоден для манипуляций с генами?

Так получилось, что выбор молекулярных биологов пал на кишечную палочку, научное название Escherichia coli, микроорганизм, обнаруженный австрийским врачом Теодором Эшерихом (отсюда и название «ешерихиа коли») еще в 1885 году. Бактерия, обитающая в кишечнике человека как один из основных компонентов нормальной кишечной флоры.

В тех исследованиях, о которых идет сейчас речь, кишечная палочка стала основной «рабочей лошадкой». Ее достоинства? Простота культивирования: неприхотлива, питается сахаром, особенно любит глюкозу. Кроме того, эта бактерия очень хорошо изучена, имеется ее полная генетическая карта, известны основные пути обмена веществ, быстро размножается. Ее жизненный цикл — до деления — длится всего 40 минут.