Молекулярный уровень биотехнологии.
Живой организм часто сравнивают с химической фабрикой, которая перерабатывает поступающие исходные вещества в различные продукты, необходимые для поддержания жизнедеятельности. Что же производит такая фабрика? В первую очередь – другие подобные ей фабрики, а это означает, что происходит процесс воспроизводства. Для такого воспроизводства нужен носитель информации, содержащий алгоритмы операций и своеобразные инструкции для создания нового независимого организма со своим носителем информации.
Современный молекулярный уровень познания химического состава, структуры и функций молекул и макромолекул, принимающих участие в жизнедеятельности живого организма, позволяет однозначно утвердить, что функцию носителя информации выполняют молекулы ДНК. Структура их молекул такова, что они легко воспроизводятся при создании новых носителей информации.
Молекулы ДНК содержат всю информацию, необходимую для синтеза белков, которые можно представить условно в виде производственных мощностей новых организмов. Они управляют сложным процессом формирования и роста составных частей организма.
К разновидности белков относятся ферменты.. Выполняя роль высокоселективных катализаторов, ферменты принимают участие в химическом синтезе многих необходимых для организма веществ. Их высокая селективность обусловливается специфической структурой поверхности, благодаря которой распознаются и выбираются необходимые реагенты среди питательных веществ, из которых формируются промежуточные или конечные продукты для выполнения вполне определенных функций.
Биотехнология заключается в применении фабрик, созданных природой для производства требуемых продуктов. Иногда для такого производства нужна часть фабрики, но ее вначале нужно обнаружить, а потом задействовать. Подобного рода биотехнологии известны давно. На них основано производство уксуса, вина, крахмала и многих других продуктов. Современные биотехнологии позволяют решать более сложные задачи. Естествоиспытатели научились разрабатывать способы модификации природных носителей информации, благодаря которым природные фабрики способны производить новые полезные продукты. Для более глубокого понимания сущности таких способов целесообразно рассмотреть подробнее структуру и функции молекул ДНК.
Биокатализ
Способность рекомбинантной ДНК управлять синтезом ферментов расширяет область применений микроорганизмов в биотехнологии. Появляется возможность сравнительно недорого производить многие природные ферменты. Открываются пути совершенствования технологии получения биокатализаторов, не существующих в природе.
Успеху в биокатализе в значительной степени способствовал разработанный в недалеком прошлом метод иммобилизации ферментов, который заключается в удерживании фермента в неподвижном состоянии на твердой подложке. При иммобилизации фермент стабилизируется, в результате выход конечного продукта увеличивается. При этом упрощается и операция очистки конечного продукта.
Технология иммобилизации фермента позволяет, например, улучшить качество пенициллина. Под воздействием ферментов кукурузный крахмал превращается в глюкозу. С помощью иммобилизации фермента изомеразы некоторая часть глюкозы преобразуется в более сладкую продукцию — фруктозу. Например, в США ежегодно производится более 2 млн. т. кукурузной патоки с высоким содержанием фруктозы.
Иммобилизация не требует обязательного выделения определенного фермента. Клетка, содержащая нужный фермент, поддается операции иммобилизации. Например, иммобилизованные клетки дрожжей применяются при ферментации в массовом производстве этилового спирта.
Кукурузный, пшеничный крахмал и сахар вполне пригодны для ферментации. Они легко превращаются в глюкозу. Известны микроорганизмы, перерабатывающие глюкозу во многие полезные химические продукты. Однако такое растительное сырье потребляется преимущественно в качестве пищевых продуктов.
Для ферментации можно использовать относительно большой объем биомассы из отходов сельского и лесного хозяйств. Такая биомасса состоит в основном из лигноцеллюлозы (лигнин, целлюлоза и гемицеллюлоза). Лигнин — одеревеневшая часть растительных тканей сопротивляется биокаталитическому расщеплению и препятствует ферментации целлюлозных компонентов. Поэтому природную биомассу необходимо предварительно освободить от лигнина, который идет в отходы. Осуществление рациональной биокаталитической переработки биомассы в виде отходов сельского и лесного хозяйств требует дальнейших исследований, направленных, на разработку способов химической модификации исходных материалов.
Биологам удалось расшифровать механизм рекомбинации ДНК в ходе синтеза ферментов, тем самым биотехнгологи получили возможность производить многие ферменты при сравнительно их невысокой себестоимости. Открываются пути совершенствования технологии получения биокатализаторов, не существующих в природе. К примеру, кукурузный, пшеничный крахмал и сахар вполне пригодны для ферментации. Они легко превращаются в глюкозу, и далее в более сладкую продукцию – фруктозу. Известны микроорганизмы, перерабатывающие глюкозу во многие полезные химические продукты (метан, ацетон, уксусную кислоту, молочную и акриловую кислоты и т.д.). Для ферментации можно использовать относительно большой объем биомассы из отходов сельского и лесного производства.
Генные технологии
Основываются на методах молекулярной биологии и генетики, связаны с целенаправленным конструированием новых, не существующих в природе сочетаний генов. Генные технологии, часто называемые генной инженерией, родились в начале 70–х годов ХХ столетия под названием технологии рекомбинированных, ДНК. Генная инженерия включает методы молекулярной биологии и генетики, связанные с целенаправленным конструированием новых, не существующих в природе сочетаний генов. Основная операция генной технологии заключается в извлечении из клеток организма гена (кодирующего нужный продукт) или группы генов и соединение их с молекулами ДНК, способными проникать в клетки другого организма и размножаться в них. На начальной стадии развития генных технологий получен ряд биологически активных соединений – инсулин, интерферон и др. Современные генные технологии объединяют химию нуклеиновых кислот и белков, микробиологию, генетику, биохимию и открывают новые пути решения многих проблем биотехнологии, медицины и сельского хозяйства. Основная цель генных технологий – видоизменить ДНК, закодировав ее для производства белка с заданными свойствами. Современные экспериментальные методы позволяют анализировать и идентифицировать фрагменты ДНК и генетически видоизмененной клетки, в которую введена нужная ДНК. С их помощью целенаправленно осуществляются химические операции над биологическими объектами, что и составляет основу генных технологий. Генные технологии привели к разработке мощных методов анализа генов геномов, а они, в свою очередь, – к синтезу, т.е. к конструированию новых, генетически модифицированных микроорганизмов.
К 1996 году установлены нуклеиновые последовательности 11 различных микроорганизмов, начиная от самой маленькой автономно размножающейся микроплазмы, содержащей всего 580 тысяч нуклеиновых пар. Среди них – и промышленные штаммы, и те, геном которых особо интересен для науки, в частности для обнаружения ранее неизвестных принципов организации геномов и для понимания механизмов эволюции микробов. Промышленные микробиологи в свою очередь убеждены, что знание нуклеотидных последовательностей геномов промышленных штаммов позволит «программировать» их на то, чтобы они приносили большой доход.
Многие вакцины, защищающие от вирусных инфекций, часто выделяют из природных источников. Действие вакцин сводится к стимулированию выработки организмом антител в качестве ответной реакции на вирусы, что повышает сопротивляемость организма данной вирусной инфекции. Введение при вакцинации активного вируса, вызывающего заболевание, сопряжено с определенным риском. Более безопасные вакцины можно создать с применением генной инженерии, позволяющей получить ДНК, кодирующий белок поверхностного слоя вируса. В таком случае иммунитет достигается введением белковой оболочки вируса, что исключает случайное заражение организма.
Химически приготовленные последовательности ДНК можно использовать для выявления генетических дефектов, свидетельствующих о предрасположенности организма к тому или иному заболеванию. Можно надеяться, что генетические болезни будут излечиваться путем замещения дефектных генов или введения генов, полученных методами генной инженерии. Следует ожидать, что технология рекомбинантных ДНК поможет выяснить природу регуляции генов в клетке.
Природные молекулы обладают биологической активностью и, следовательно, представляют интерес для медицины. Однако из-за сравнительно высокой стоимости или нежелательных побочных действий их не всегда можно применять для приготовления фармацевтических препаратов. Поэтому часто используют химически сходные молекулы или фрагменты природного вещества. Генная инженерия может помочь производить лекарственные препараты модифицированной формы для повышения их биологической активности. Например, модифицированный инсулиновый белок, производимый бактериями E.coli., позволил получить новый биологически активный гормон.
На базе современной биотехнологии синтезируются фармацевтические препараты, блокирующие биологическую активность той или иной природной биомолекулы. К настоящему времени разработаны биотехнологические приемы приготовления биомолекул для тестирования химически синтезированных соединений с целью разработки новых эффективных фармацевтических препаратов.
В современной медицине большое внимание уделяется разработке безопасных и эффективных методов введения лекарственных препаратов, а также созданию специальных устройств для замены оказавшихся неработоспособными органов. Проведение таких работ требует объединения усилий специалистов разной профессиональной ориентации: врачей, инженеров, биохимиков, физиков и др. Уже производятся и успешно внедряются электрокардиостимуляторы, клапаны сердца, искусственные сухожилия, сердечно-легочные и почечные диализаторы, искусственное сердце и др.
Разработка кровезаменителей привела к открытию перспективных соединений, таких, как фторуглеродные химические эмульсии и компоненты сыворотки, например альбумин. Синтезированные тонкие мембраны, используемые в качестве искусственной кожи, и культуры клеток эпителия обещают серьезные успехи в лечении ожогов. Разрабатываются материалы для имплантации зубов и замены костей. Миниатюрные насосы, вживляемые в ткани человека, страдающего диабетом, делает лечение инсулином регулярным и управляемым, что, естественно, снижает угрозу летального исхода. В более отдаленном будущем модифицированные с помощью генной инженерии клетки будут имплантироваться непосредственно в организм и лечить, таким образом, генетические болезни.
Технология пересадки здоровых генов пациенту, нуждающемуся в исправлении генных дефектов, разработана и применяется на практике. Она реализуется с помощью безвредных вирусов. Однако есть вероятность, что вирусы могут вызвать нежелательные реакции иммунной системы или разрушить гены, предохраняющие организм от раковых заболеваний. Проведенные несколько лет назад эксперименты показали, что клетка может принять искусственную хромосому. Полученный результат эксперимента поможет понять механизм работы хромосомы и разработать безопасные способы пересадки нормальных молекул ДНК пациентам с генетическими дефектами. Такая пересадка поможет лечить наследственные заболевания без побочных эффектов.
Геном человека
В современном естествознании третьего тысячелетия нет, наверное, проблемы более захватывающей, трудоемкой и значительной, чем познание генома человека – всей совокупности его генов.
Многие десятилетия молекула ДНК была предметом изучения химиков и биохимиков, которых интересовал ее химический состав и строение, и физиков, изучавших ее форму и трехмерную структуру. Никто не пытался расшифровать последовательность в ДНК четырех ее "кирпичиков" — нуклеотидов, т.е. понять самое главное в ее структуре.
С рождением в 70-е годы нашего столетия генной инженерии появилась интересная мысль: а нельзя ли с помощью новых методов решить задачу, которая ранее казалась совершенно фантастической, – расшифровать строение всего генома человека, т.е. получить в доступной форме информацию о всей совокупности генов человека, число которых, по разным оценкам, составляет от 50 до 100 тыс., а кроме генов существуют и межгенные участки.Весь геном человека — это более трех миллиардов нуклеотидных пар, что, конечно, очень-очень много, но ведь и прогресс в данной области стремителен. Еще 15 лет назад расшифровка тысячи пар нуклеотидов считалась большим достижением, и такие результаты печатали самые престижные биологические журналы. Сейчас скорость расшифровки достигла многих миллионов нуклеотидных пар в месяц. Темпы расшифровки структуры генома оказались выше скорости осмысления накопленной информации.
Расшифровка генома человека – титаническая по объему и сложности задача – должна была стать международной. И вот в 1988 г. по инициативе одного из первооткрывателей двойной спирали ДНК Дж. Уотсона создана международная организация "Геном человека", объединяющая специалистов многих ведущих стран: США, России, Франции, Японии и др.
По прогнозам экспертов, первый этап по расшифровке генома человека, заключающийся в определении последовательности расположения нуклеотидных пар, будет завершен не позднее 2005 г.
Познание генома – вовсе не прихоть ученых, которым захотелось прочитать книгу жизни, расшифровать все, что записано в молекуле ДНК, этой своеобразной запоминающей ленте, скрученной в одной клетке и хранящей гигантское количество информации, записанной на молекулярном языке. Ныне медицина без знания генома часто оказывается беспомощной. Осознание этого и привело к возникновению в последние годы совершенно новой интересной области на границе между изучением генома человека и медициной. Эту область называют генотерапией. Уже из самого названия ясно, что речь идет о лечении генами. Подобно тому, как ангину можно лечить антибиотиками или сульфаниламидами, точно так же наследственные болезни станет возможно лечить с помощью генов.
Как это можно будет сделать? Совершенно ясно, что, если болезнь возникла в результате повреждения генов, то существуют только два способа: или вылечить эти гены, или ввести в клетки те же гены, но нормальные, неповрежденные, чтобы они могли выполнять работу поврежденных. Молекулярное "протезирование" приведет к восстановлению деятельности клетки. Значит, первая задача – узнать, какой ген заболел (для многих болезней уже решена), вторая задача – получить нормальный ген (тоже решена), и третья, самая сложная, – сделать так, чтобы вводимый ген оказался во всех больных клетках и смог там работать. Причем нужно не просто запустить его, но сделать так, чтобы ген был подвластен регулирующим системам клетки. Иначе не избежать беды — это будет взбесившийся ген, работающий бесконтрольно, не сообразуясь с запросами клетки в данном месте и в данное время. Мы знаем огромное количество регуляторных элементов, которые входят в состав генов и осуществляют эту задачу, и потому, можно полагать, налаживание регуляции введенных генов – задача решаемая, хотя и непростая. Она сложна, прежде всего потому, что любой ген имеет несколько систем регуляции, и мы должны их знать и суметь пристроить к данному гену так, чтобы клетка могла им руководить.
Генотерапия уже вышла из лабораторий в клиники. К середине 1997 г., согласно официальным данным, около 2000 человек излечено с помощью ге-нотералии: половина из них – в США, половина – в странах Европы. Речь идет пока в основном о моногенных болезнях (ясно, что их лечить проще). К сожалению, нельзя пока говорить о том, что достигнуто радикальное, пожизненное, а не временное излечение пациента. Почему – по очень простой причине: мы не знаем, будет ли введенный ген жить в этих клетках на протяжении всей их жизни или через некоторое время клетка инактивирует его либо вообще изгонит, и тогда болезнь вернется. К тому же мы не можем исключить вероятности того, что этот ген окажется более подвержен мутациям, и тогда через какое-то время лечение придется повторить.
Отдаленных последствий генотерапии пока не знает никто, поскольку самые первые пациенты, которые прошли генотерапию, появились всего несколько лет назад и неизвестно, что будет по прошествии 10-15 лет. Хотя мы не знаем всех возможных последствий, пока обреченных на смерть людей удалось спасти, и это, конечно, грандиозный успех.
Несомненно, наука еще далека от того, чтобы сделать гены лекарствами. Сейчас пока нельзя в аптеке купить ген, который спасет, например, ребенка от гемофилии. Однако для этого созданы теоретические и методические предпосылки. Есть люди, владеющие нужными методами; развернуты работы на молекулярном и клеточном уровнях, которые должны предшествовать испытанию лекарств в клинике, чтобы можно было гарантировать, что ни при каких условиях пациенту не будет нанесен вред. Это долгий и сложный путь, но геномная программа идет по нему.
С развитием генной инженерии появились не только ее активные сторонники, но и противники, действия которых направлены на возбуждение общественного мнения против внедрения генных технологий. В этой связи в 1996 г. Федерация европейских микробиологических обществ (ФЕМО) опубликовала меморандум, цель которого – проинформировать общественность о пользе и потенциальной опасности широкомасштабного применения генной инженерии в микробиологии.
Разумеется, разработка разумных, адекватных и гибких правил безопасности генных технологий необходима. Весьма желательно, чтобы это крайне серьезное дело проходило в спокойной и доброжелательной общественной атмосфере, особенно когда на рынки уже поставляют хлеб, сыр и пиво, приготовленные с помощью трансгенных микробов, когда в продаже трансгенные помидоры и кукуруза и когда уже ведутся полевые испытания трансгенных почвенных микробов.
Генетические технологии привели к разработке мощных методов анализа генов и геномов, а это, в свою очередь, – к синтезу, т.е. к конструированию новых, генетически модифицированных микроорганизмов.
К 1996 г. установлены нуклеотидные последовательности 11 разных микроорганизмов, начиная от самой маленькой автономно размножающейся микоплазмы (всего 580 тысяч нуклеотидных пар).
Промышленные микробиологи убеждены, что знание нуклеотидных последовательностей геномов промышленных штаммов позволит "программировать" их на то, чтобы они приносили большой доход.
Клонирование эукариотных, т.е. ядерных, генов в микробах и есть тот принципиальный метод, который привел к бурному развитию микробиологии. Фрагменты геномов животных и растений для их анализа клонируют именно в микроорганизмах. Для этого в качестве молекулярных векторов — переносчиков генов используют искусственно созданные плазмиды, а также множество других молекулярных приспособлений, созданных для того, чтобы выделять и клонировать эукариотные гены.
Для реализации замысла молекулярной биологии — проекта "Геном человека" – сегодня используют, к примеру, искусственные хромосомы пекарских дрожжей, способные нести присоединенные к ним фрагменты ДНК длиной в несколько миллионов пар нуклеотидов. Коллекция дрожжевых клонов, каждый из которых несет какой-то фрагмент генома человека, – это именно то, что позволяет определять нуклеотидные последовательности данных фрагментов, располагать их в том порядке, в каком они идут друг за другом внутри хромосом человека, а затем состыковывать их в непрерывный генетический текст. Прочтение и анализ такого текста приведет к пониманию механизмов различных болезней и того, как эти болезни лучше лечить. Патогенные микробы способны к эволюции и адаптации. Они могут выживать и вредить, несмотря на новые методы борьбы с ними, например стать устойчивыми к вакцинам и антибиотикам. В конце XX в. мы наблюдаем приводящий экспертов в замешательство рост числа микробов, устойчивых к антибиотикам, а кроме того – возникновение новых возбудителей инфекций. Однако, несомненно, что именно генные технологии ускорят расшифровку молекулярных механизмов на уровне "микроб-хозяин", а это позволит разрабатывать все новые и новые вакцины.
Генные технологии развиваются в двух основных направлениях.
ü Первое – улучшение уже существующих вакцин. Вакцины должны стать более эффективными, работать в меньших дозах и не давать побочных эффектов.
ü Второе направление – генные технологии получения вакцин против болезней, при которых сам метод вакцинации еще не использовался (СПИД, малярия, язвенная болезнь желудка и др.).
Цель соматической генной терапии в следующем: дефектный ген заменяют на нормальный, донорский ген. Вектором, т.е. переносчиком, донорского гена служит генетически модифицированный микроорганизм или вирус. Он сконструирован так, что экспрессирует донорский ген в клетках пациента, но сам размножаться не способен, поэтому не может инфицировать других.
Работа, особенно на Западе, по генетическому улучшению свойств микробов, традиционно используемых в производстве хлеба, сыроварении, молочной промышленности, пивоварении и виноделии, идет весьма напряженная. Цели ее – увеличение устойчивости производственных штаммов, повышение их конкурентоспособности по отношению к вредным бактериям и улучшение качества продукта (аромата, питательной ценности, крепости и т.д.). Три новых трансгенных штамма уже получили "добро" на промышленное применение. Это пекарские дрожжи, эффективно ферментирующие мальтозу, и два штамма пивных дрожжей, позволяющие получать пиво с низким содержанием углеводов и без декстринов.
Генетически модифицированные микробы могут принести большую пользу при взаимодействии с сельскохозяйственными растениями и животными, с их патогенными вирусами и микробами, с вредными насекомыми и почвой.
Вот примеры. Можно модифицировать те или иные растения, сделать их более устойчивыми к инфекционным болезным, внеся в них гены, блокирующие развитие вирусных или грибковых заболеваний. Так, в Китае устойчивые к вирусам табак, томаты и сладкий перец выращивают уже на больших площадях. Известны трансгенные томаты, устойчивые к бактериальной инфекции, картофель и кукуруза, устойчивые к грибкам.
Потенциальный риск. Одно из самых тревожных опасений – не приведет ли широкое внедрение в практику генных технологий к появлению покуда не известных эпидемиологам заболеваний? Эксперты ФЕМО констатируют, что широкомасштабная генная инженерия микроорганизмов, продолжающаяся вот уже более 20 лет, до сих пор не дала ни одного примера таких последствий. Более того, оказалось, что все рекомбинантные микроорганизмы, как правило, менее болезнетворны, чем их исходные формы.
Все известные на сегодняшний день инфекционные микроорганизмы представляют собой результат их длительной совместной со своими хозяевами эволюции. И что, так сказать, на выходе? Микробы либо поражают хозяина, либо, мирно сожительствуя с ним, приносят ему (а тем самым и себе) определенную пользу. Хозяин в свою очередь приобретает более эффективную способность бороться с микробами либо на них просто не реагировать.
Важный вывод, который делают эксперты ФЕМО, звучит так: "В целом не похоже, чтобы перенесение нескольких генов из одного микроба в другой, имеющий иную эволюционную историю, привело к повышению патогенности – способности микроорганизмов вызывать инфекционное заболевание".
Биологические феномены таковы, что о них никогда нельзя с уверенностью сказать: этого никогда не случится. Надо говорить так: вероятность того, что это случится, очень мала. И тут, как безусловно положительное, важно отметить следующее: все виды работ с патогенами строго регламентированы, и цель такой регламентации – уменьшить вероятность распространения инфекционных агентов.
Чтобы прогнозировать распространение трансгенных микробов в среде, надо знать, как и за счет чего существуют их немодифицированные предки. Увы, в отличие от патогенных штаммов, экология почвенных микроорганизмов изучена не так хорошо. Действительно, о том, как почвенные микробы размножаются, распространяются и сохраняются в своих экологических нишах, известно мало. И узнать об этом трудно: почвенные штаммы не содержат генетических маркеров, т.е. легко распознаваемых признаков, удобных для отслеживания их судьбы. Кроме того, большинство природных штаммов в лабораторных условиях не размножаются.
За 20 лет широкого применения генных технологий еще не зарегистрировано ни одного случая, чтобы в окружающей среде произошло вредное или опасное распространение рекомбинантных организмов. Действительно, в природе все время идут процессы так называемого горизонтального генетического переноса. И если рекомбинантные штаммы попадут в почву или воду, их чужеродные гены смогут быть вовлечены в эти генетические потоки. Начнется процесс распространения чужеродных генов в мире микробов. Проконтролировать этот процесс практически невозможно. Поэтому эксперты ФЕМО рекомендуют: "Трансгенные штаммы не должны содержать генов, которые после их переноса в другие бактерии смогут дать опасный эффект".
Генетически модифицированные микроорганизмы как биологическое оружие. Главный вопрос: может ли высокая эффективность генных технологий вдохновить потенциального агрессора на попытку создания и затем безнаказанного применения биологического сверхоружия?
Меморандум напоминает, что Конвенция 1974 г. о биологической войне, ратифицированная большинством стран, направлена на предотвращение использования патогенов в качестве оружия.
Тем не менее ученым следует осознавать существование потенциальных опасностей, связанных с применением генных технологий в военных целях, и содействовать развитию международного контроля над биологическим оружием".
Уменьшение риска, связанного с генными технологиями. Совершенно ясно, что главное при разработке правил и законов, регулирующих применение генных технологий, – это создать рациональные концепции оценки риска. Действительно, как оценить риск того, чего еще никогда не случалось?
Первый шаг в этом направлении – установить, какие именно опасности могут возникнуть и как их избежать. Следующий шаг – оценить степень риска. Уменьшить риск можно, если определить категории опасности патогенов и использовать для работы с ними соответствующее защитное оборудование. По мере накопления конкретных знаний о конкретных опасностях оценки следует уточнять.
Есть документы, регламентирующие применение генных технологий. Это директивы, касающиеся правил безопасной работы в лабораториях и в промышленности, а также правила внесения генетически модифицированных организмов в окружающую среду. В большинстве европейских стран, как и положено, подобные директивы включены в свод национальных законов, а это, согласимся, уже немало.
Общий вывод меморандума ФЕМО таков: "При осмотрительном применении генных технологий польза от них сильно перевесит риск отрицательных последствий; технологии конструирования рекомбинантных ДНК внесут существенный вклад в здравоохранение, в развитие устойчивого сельского хозяйства, в производство пищи, в очистку окружающей среды".
Клонирование
Одним из самых современных и перспективных методов генной инженерии для получения новых микробных штаммов является генетическое копирование (клонирование).
Клонирование человека – это шанс иметь детей для тех, кто страдает тяжелыми формами бесплодия; это банки клеток и тканей, запасные органы взамен тех, что приходят в негодность; наконец, это возможность передать потомству не половину своих генов, а весь геном – создать ребенка, который будет копией одного из родителей. Вместе с тем, остается открытым вопрос о правовом и нравственном аспекте данных возможностей. Подобного рода доводами в 1997—1998 гг. были пepeполнены различные источники массовой информации во многих странах. В последнее время пресса и телевидение все больше уделяют внимание проблеме так называемого клонирования животных и человека, давая информацию зачастую неверную и предоставленную достаточно некомпетентными людьми. Поэтому попробуем объективно разобраться с фактами, реально существующими в этой области.
По принятому в науке определению, клонирование – это точное воспроизведение того или иного живого объекта в каком-то количестве копий.Вполне естественно, что все эти копии должны обладать идентичной наследственной информацией, т.е. нести одинаковый набор генов.
В ряде случаев получение клона животных не вызывает особого удивления и относится к рутинной процедуре, хотя и не такой уж простой. Генетики получают подобные клоны, когда используемые ими объекты размножаются посредством партеногенеза – бесполым путем, без предшествующего оплодотворения. Естественно, те особи, которые развиваются из той или иной исходной половой клетки, будут в генетическом отношении одинаковыми и могут составить клон. В России, например, блестящие работы по клонированию такого рода выполняют на шелкопряде. Выведенные клоны шелкопряда замечательны своей высокой продуктивностью по выработке шелка и славятся на весь мир.
Случаи своеобразного "естественного" клонирования известны и у человека – это однояйцовые близнецы; сей редкий феномен (0,5% от всех родов) обязан разделению оплодотворенной яйцеклетки на два бластомера, которые в последующем развиваются самостоятельно.
Однако нынче речь идет о клонировании другого рода – скажем, о получении ряда точных копий того или иного животного, "прославившегося" какими-то своими выдающимися качествами (рекордными надоями молока или высоким настригом шерсти), а кроме того, о возможности клонирования некоего ученого мужа или политика, или артиста, особо ценного для человечества в силу его несомненной гениальности. Вот тут-то и возникают весьма большие сложности, в которых нам предстоит разобраться.
Еще в далекие 40-е годы российский эмбриолог Г.В. Лопашов разработал метод пересадки (трансплантации) ядер в яйцеклетку лягушки. В 1948 г. он отправил в "Журнал общей биологии" статью, написанную по материалам своих экспериментов. Однако на его беду в августе 1948 г. состоялась печально известная сессия ВАСХНИЛ, по воле партии утвердившая беспредельное господство в биологии малограмотного агронома Трофима Лысенко, и набор статьи Лопашова, принятой к печати, был рассыпан, поскольку она доказывала ведущую роль ядра и содержащихся в нем хромосом в индивидуальном развитии организмов. Работу Лопашова забыли, а в 50-е годы американские эмбриологи Бриггс и Кинг выполнили сходные опыты, и приоритет достался им, как часто случалось в истории российской науки.
Уже в начале 70–х годов ХХ столетия ученые в лабораторных условиях начали получать и клонировать рекомбинантные молекулы ДНК, культивировать в пробирках клетки и ткани растений и животных, в последние годы достигнут огромный прогресс в клонировании полноценных животных (даже способных приносить потомство) из соматических (т.е. неполовых) клеток. Особенно большой резонанс у мировой общественности получили работы шотландских ученых из Рослинского Университета, которым удалось из клетки молочной железы беременной овцы получить генетически точную ее копию. В феврале 1997 г. появилось сообщение о том, что в лаборатории Яна Вильмута в Рослинском институте (Эдинбург) разработан эффективный метод клонирования млекопитающих и на его основе получена овечка Долли. Посмотрим, как это было. Прежде всего, естественно, необходимо было выделить ооциты, т.е. яйцеклетки. Их извлекли из овец породы Шотландская черномордая, затем поместили в искусственную питательную среду с добавлением эмбриональной телячьей сыворотки при температуре 37 °С и провели операцию энуклеации – удаления собственных ядер. Следующая задача – обеспечить яйцеклетку генетической информацией от организма, который надлежало клонировать. Для этой цели использовали разные клетки донора, но наиболее удобными оказались диплоидные, т.е. несущие полный генетический набор, клетки молочной железы взрослой беременной овцы породы Финский дорсет. Эти клетки выводили из стадии роста клеточного цикла и через пять дней сливали с энуклеированным ооцитом. Последний затем активировали к развитию посредством электрического удара. Потом развивающийся зародыш в течение шести дней культивировали в искусственной химической среде или в яйцеводе овцы, перетянутом лигатурой ближе к рогу матки. И, наконец, после этого эмбрионы (от одного до трех) трансплантировали в матку приемной матери, где они могли развиваться до рождения.
Из 236 опытов успешным оказался лишь один, в результате которого и родилась овечка Долли, несущая генетический материал той самой взрослой овцы. После этого Вильмут заявил, что технически можно осуществить и клонирование человека, хотя в этом случае, как отмечалось, возникают моральные, этические и юридические проблемы, связанные с манипуляциями над эмбрионами человека.
Клонированная овца по кличке Долли нормально развивалась и произвела на свет сначала одного, а затем еще трех нормальных ягнят. Вслед за этим появился ряд новых сообщений о воспроизведении генетических близнецов коров, мышей, коз, свиней, обезьяны из соматических клеток этих животных. В 2000 году появились сведения о клональном размножении потомства приматов путем деления зародыша. Американским исследователям удалось получить генетически идентичные эмбрионы обезьяны резус путем разделения бластомеров зародыша на стадии деления. Из эмбриона родилась вполне нормальная обезьянка Тетра – генетический близнец первоначально зачатой особи. Такой тип клонирования обеспечивает генетически идентичное потомство и в результате можно получить двойню, тройню и более генетических близнецов, а следовательно, есть возможность повторять сложные научные эксперименты на абсолютно генетически идентичном материале, имплантируя последовательно зародыш одной и той же суррогатной матери можно изучить влияние ее организма на развитие плода. Разработанные методы клонирования животных пока еще далеки от совершенства. В процессе экспериментирования наблюдается высокая смертность и большой процент уродств новорожденных. Еще не ясны многие механизмы клонирования и развития животных из соматической клетки. Тем не менее, успех, достигнутый на данный момент, показал теоретическую возможность создания генетических копий даже человека из отдельной клетки, взятой из какого-либо органа. Многие ученые с энтузиазмом восприняли идею клонирования человека. Например, «отец» первого ребенка «из пробирки» Л. Эдвардс, заявил, что этот метод можно использовать для получения «запасных» органов, которые пересаживались бы больному человеку. Опрос общественного мнения в США 2000 года показал, что 7% американцев готовы подвергнуться клонированию. Вместе с тем, многие ученые и общественные деятели озабочены потенциальной опасностью (в том числе моральной) и, высказываются против клонирования человеческих особей. Существует и биологическая проблема. Известно, что в процессе культивирования клеток в пробирках и получения соматоклонов могут возникать различного рода мутации в геноме, вредные д<