На главную

Журнал Знак вопроса

 


«Знак вопроса» 12/90


Что может биотехнология?

 

СКЛАДНЕВ Дмитрий Анатольевич

 

Проект "ГЮГО"

 

В конце лета 1978 г. среди английских ученых начали циркулировать упорные слухи о том. что в секретнейшую британскую лабораторию проникли иностранные агенты. Потом, конечно же, все выяснилось. На самом деле по согласованию с хозяевами, военным министерством Великобритании, в знаменитую (печально) лабораторию на острове Гинар, что лежит в море неподалеку от шотландского города Глазго, прибыли по просьбе Пентагона четверо американских ученых из Гарварда под руководством У.Гилберта. Лаборатория на Гинаре с 1944 г. занималась исследованиями в области бактериологии, в частности таких страшных инфекций как сибирская язва.

 

Американские ученые выбрали столь неподходящее вроде бы для мирных занятий место из-за моратория Берга, запрещавшего работать с рекомбинантными ДНК в неприспособленных лабораториях. После успеха Коэна и Бойера к 1976 г. стало ясно, что близка и реальная перспектива выделения гена человеческого инсулина. Инсулин представляет собой один из важнейших гормонов человека, участвующий в сахарном обмене. Под действием инсулина сахар, поступивших с пищей и затем в кровь, "проводится" через мембрану (оболочку) в клетку. При недостатке инсулина или его отсутствии сахар остается в крови, отравляет мозг, выводится через почки. В общем, возникает страшное гормональное заболевание под названием "диабет", что в переводе означает "проходить насквозь" (имеется в виду прохождение сахара, не попадающего в клетки). За открытие роли-инсулина канадскому исследователю Ф.Бантингу в 1923 г. присудили Нобелевскую премию. Потом за инсулин была присуждена еще одна Нобелевская...

 

 

В настоящее время диабетиков лечат введением им свиного или бычьего инсулина, добываемого на бойнях из поджелудочной железы забитых животных. Инсулин обоих животных слегка отличается по аминокислотной последовательности от человеческого. За расшифровку этой последовательности англичанин Ф.Сэнджер из Кембриджа получил премию в 1958 г. Это была его первая премия по химии.

 

В 1973 г. Гилберт создал метод "чтения" нуклеотидных последовательностей, или генов. К 1976 г. к решению проблемы выделения инсулинового гена человека одновременно подошли сразу три группы — Гилберта в Гарварде, исследователи в Калифорнийском университете и в недавно основанной в южном пригороде Сан-Франциско биотехнологической компании "Джинентек", название которой переводится как "ген-технология". Это был проект, осуществление которого сулило большие деньги, получаемые с генетического продукта человека!

 

Работы велись в лихорадочной спешке и атмосфере строжайшей секретности, поскольку все опасались промышленного шпионажа конкурентов. И мораторий Берга привел к тому, что группа Гилберта решила отправиться для выделения гена инсулина человека в английскую бактериологическую лабораторию, предназначенную для исследований в области повышенной биологической опасности. В "Джинен-теке" всеми работами заправлял Г.Бойер.

 

Работать группе Гилберта приходилось в респираторах, принимая меры повышенной предосторожности, ловя на себе косые взгляды англичан, которые никак не могли понять, что такое делают "безрассудные" американцы. Все шло хорошо, и успех казался близким, как вдруг выяснилось, что человеческая ДНК загрязнена крысиной! Все пошло насмарку и пришлось возвращаться за океан несолоно хлебавши.

 

"Джинентек" в 1978 г. объявил о своем успехе. Газеты тогда пестрели заголовками типа "золотая плазмида" и тому подобными. Сотрудник "Джинентека" А.Улрих работал в такой же лаборатории, что Гилберт, но во Франции. Ему удалось клонировать ген инсулина, но комитет по рекомбинантным ДНК Национального института здравоохранения США не разрешил Бойеру пользоваться era плазмидрй, в результате чего пришлось клоны разрушить. Но спустя месяц.разрешение на использование плазмид пришло — оказалось, что страхи по поводу рекомбинантных ДНК надуманы и сильно преувеличены. Улриху пришлось начинать все заново. Хорошо, что опыт был уже отработан, поэтому восстановление клонов прошло быстро.

 

Гилберт же переключился на другой ген — ген интерферона. Это белок, который вырабатывается иммунными клетками, мешающий размножению вирусов в организме. Интерферон сулит большой прогресс в области лечения инфекционных заболеваний, рака, возможно СПИДа. Успешное решение задачи по выделению гена интерферона и наработки его в клетках кишечной палочки принесло в 1980 г. заслуженную награду У.Гилберту. Вместе с П.Бергом и Ф.Сэндже-ром он получил Нобелевскую премию по химии. Ф.Сэнджер получил вторую Нобелевскую награду за создание собственного метода считывания генетической информации и расшифровки ДНКовых последовательностей.

 

Когда 14 октября 1980 г. сообщение о награждении троих ученых пришло на Уолл-стрит, цена акций "Джинентек " подскочила с 32 до 88 долларов! Так биржа среагировала на выда*. "свидетельства" о рождении биотехнологии. Компания "Джинентек" в рекламных целях предоставила биотехнологическии человеческий инсулин для лечения С.Атертона из городка Дерби в штате Канзас. Он получил диабет от своего отца по наследству — тот тоже тридцать лет страдал от отсутствия в его организме жизненно важного гормона. САтертон заявил корреспондентам: "Я очень рад прогрессу в науке".

 

В это же время американцы уже сумели прибрать к рукам еще одно английское открытие. Журнал "Нейчер" сообщил о нем в своем номере в 1975 г. Оно было написано скромным аспирантом из ФРГ Г.Келлером, который работал у Ц.Милынтейна в кембриджской Лаборатории молекулярной биологии. В своей статье он вместе с шефом сообщал о новом способе получения иммунных белковых антител "повышенной специфичности". Сегодня весь мир знает эти антитела как "моноклональные".

 

Молекулу антитела схематически можно представить в виде меленькой вилочки или пинцетика. Обычно иммунная система вырабатывает разные виды антител, потому что в иммунном ответе участвует много клеток. После войны австралиец Макферлейн Барнет, который писал в 1943 г., что в лаборатории Эйвери выделен ген, задался вопросом: а сколько клеток необходимо1 для выработки ответа в виде антител при наличии одного-единственного антигена (напомним, что антигеном называется вещество, или молекула, или ее часть, в ответ на которые вырабатываются специфические антитела).

 

Ответ поначалу казался несколько обескураживающим: в организме существуют клетки, которые уже как бы "настроены" на любой мыслимый антиген (даже которого не было в природе, как это имеет  место  при синтезе человеком новых веществ). При попадании антигена в организм, он встречается с антителосинтезирующей клеткой, которая начинает размножаться и дает клон. Таким образом, антиген служит как бы "селекционером" клонов. Теория получила название клонально-селекционной, и за ее создание Барнет ,был удостоен Нобелевской премиив 1960 г.

 

Дальнейшее развитие клонально-селекционная теория получила в работах датского иммунолога Н.Ерне. Проверкой одной из гипотез Ерне как раз и поручил заняться Г.Келлеру и С. Мильштейну, в результате чего удалось слить антителосинтезирующую клетку с опухолевой. Поскольку соединение чего-то разного называется гибридом, а к названию всех опухолей прибавляют окончание "-ома", то такие "сложные" клетки стали называть гибридомами.

 

Гибридомы уникальны в двух отношениях: они бессмертны как и все опухолевые клетки, но в то же время они производят антитела только одного "клона". И поскольку "один" по гречески "монос", то новые высокой специфичности антитела стали называть "монокло-нальными антителами" (МАТ).

 

Ничто сегодня не может сравниться по чувствительности с МАТ. МАТ распознают не только отдельные молекулы, например, белков, но даже замены отдельных аминокислот в белках. Именно с помощью МАТ удалось доказать, что в раковом белке происходит моноаминокислотная замена, приводящая к таким катастрофическим для клетки и организма последствиям.

 

Поначалу, к сожалению, англичане, вернее их чиновники от науки, не поняли, какой подарок им преподнесла судьба в виде открытия Келлера и Мильштейна. Движимые исследовательским интересом и отчаявшись что-либо добиться от чинуш, ученые передали гибридомы американцам. И только тогда, когда Келлеру, Мильштейну и Ерне в 1984 г. присудили Нобелевскую премию по медицине, в высших эшелонах власти на Уайтхолле появились некоторые признаки движения. Вернее, признаки появились несколько раньше, но было уже поздно: американцы все к тому времени успели запатентовать и разрекламировать. Например, случай с 21-летней Ш.Гаспер, которой пересадили почку и которая успешно — с пересаженной почкой! — родила девочку. И все это благодаря работе МАТ против иммунных клеток, ответственных в нашем организме за отторжение пересаженных органов и тканей. МАТ их реакцию подавили. Пришлось и англичанам подавить свою гордость и согласиться на строительство в Шотландии американского завода по производству моноклональных антител.

 

Сейчас уже не перечесть всех биотехнологических продуктов, которые появились на американском рынке. Это инсулин и интерферон, интерлейкины и опухоленекротизирующий фактор, с помощью которых пытаются лечить рак, активатор тканевого-плазминогена, хорошо помогающий при инфарктах. Достаточно сказать, что в настоящее время картировано более шестисот генов, то есть точно определено их положение в хромосомах. Это все впечатляющие успехи, рассказ о которых занял бы очень много места, тем более что каждый успех достигался в поисках, очень похожих на детективные истории.

 

Успешное выделение и "прочтение".генов, получение биотехнологическим способом кодируемых им белков, картирование "генов привело в конечном итог,е к рождению одного из грандиознейших проектов конца X в. "Геном человека"! Для этой цели была создана специальная Организация по расшифровке человеческого генома, английская аббревиатура названия которой пишется и звучит как имя знаменитого французского писателя — ГЮГО.

 

Планы по разработке проекта впервые появились в 1986 г., когда в калифорнийском городе Санта-Фе в марте прошла первая конференция, посвященная этому вопросу. Конференция проводилась под эгидой Министерства энергетики США. Его отдел по исследованиям окружающей среды желает иметь точную оценку влияния радиации на геном человека. Кроме того — так уж исторически сложилось, — вся генетическая информация хранится в больших компьютерах министерской лаборатории в Лос-Аламосе, где делали в свое время первую атомную бомбу, а сейчас ведутся работы по СОИ и созданию рентгеновского лазера. Без больших же компьютеров в чтении генома человека не обойтись, поскольку информация в этой области накапливается лавинообразно.

 

Достаточно сказать, что на конец 1989 г. "прочитано" более 30 миллионов нуклеотидов, или "букв" генетических текстов. Расшифрована также последовательность примерно полутысячи генов, кодирующих конкретные белки, некоторые из которых уже производятся биотехнологически и продаются в аптеках. 30 миллионов, конечно, очень мало по сравнению с тремя миллиардами букв, содержащихся в нашем полном "тексте". Вообразить себе подобное число просто невозможно, поэтому необходим какой-то простой и понятный пример.

 

На странице тома Большой Советской Энциклопедии умещается 10 тыс. знаков. Каждый том объемом в семьсот страниц несет, таким образом, около 10 миллионов знаков. Следовательно, три миллиарда — это триста энциклопедических томов! Трудно вообразить себе трехсоттомную энциклопедию?

 

ДНК содержатся в 46 хромосомах человека. Молекулу ДНК необходимо "распутать", вытянуть в прямую линию, длина которой достигнет полутора-двух метров, и "прочитать". Каждый год ученые прочитывают около миллиона букв. Это, конечно же, очень мало. Если мы и дальше 1эудем двигаться с такой же скоростью, то осуществление проекта может занять не менее тысячи лет! Вот почему Министерство энергетики США предложило свою помощь в виде ресурсов и мощных компьютеров

 

Предполагаемая стоимость проекта оценивалась в миллиард долларов, необходимых для оплаты материальных затрат, человеческого труда и машинного времени. На начальном этапе осуществления проекта необходимо было разработать качественно новые и более быстрые методы "чтения" последовательностей ДНК и создание компьютеров-автоматов для этой работы. К тому времени было объявлено о создании первого "секвенатора", который в автоматическом режиме прочитывает десять тысяч' "букв" в день (последовательность букв ДНК называется по-английски "секвенция", отсюда и название секвенатора).

 

Кроме того, необходимо было разработать методы быстрого нахождения прочитанных последовательностей и сравнения их с уже известными. Задача не из легких, ее можно сравнить с быстрым нахождением поэтической строчки, пришедшей вам на память, в большой книге стихов, когда вы не знаете из какого она стихотворения и на какой странице оно напечатано. Но это хорошо, если вы знаете у какого поэта искать строку: "Я помню чудное мгновенье". Ну а как найти, например, кому принадлежит такая строка: "Вначале было только слово, потом в него вселился бес".

 

Вот тут-то и нужен компьютер, который быстро пропустит в своей памяти все написанное поэтами всех времен и народов и в конечном итоге выдаст вам ответ: "Это строчка из безымянного стихотворения московской поэтессы Н.Кондаковой", опубликованного в сборнике ее стихов, который вышел в свет в Москве в 198... г. в издательстве таком-то.

 

Министерство энергетики выделило первые одиннадцать миллионов долларов на осуществление проекта. Один из первых руководителей проекта, Де Лири заметил по этому поводу, что "это решение придало проекту мощный стимул, импульс, после чего проект начнет двигаться сам собой".

 

Однако с желанием Министерства возглавить проект не согласились многие его конкуренты, в частности Национальный институт здравоохранения (НИЗ). Бывший в то время директором НИЗ Дж.Уингаарден заявил в связи с этим: "Министерство слишком много на себя берет. Компьютеры и деньги еще далеко не все, что необходимо для осуществления такого гигантского научного проекта, каковым является проект "Геном человека". Вряд ли ему удастся подчинить себе ученых как внутри страны, так и за ее пределами, например Лабораторию молекулярной биологии в Кембридже. Мы в НИЗ выделили на проект триста миллионов долларов, часть которых уже идет на секвенирование и картирование генов человека".

 

Сказали свое слово и противники проекта вообще, которые считают, что чтение генома можно сравнить с чтением той же энциклопедии. Прочитавший ее еще не является образованным человеком, способным генерировать новое. Это скорее занятие для идиотов. Умный человек обращается к энциклопедиям и словарям только в случае необходимости срочно ознакомиться с очередным современным заблуждением по данному вопросу. То же и с человеческими генами. Так уж они у нас устроены, что большая часть гена не несет никакой значимой для синтеза белка информации. Так зачем же тратить силы и огромные деньги на подобное секвенирование?

 

Среди залпов конкурентной борьбы и неудовлетворенных научных амбиций свое веское слово сказал и У.Гилберт, который объявил о создании собственной частной фирмы "Джином корпорейшн" ("Корпорация геном"), целью которой будет разработка хромосомной карты человека, которую у него сможет купить каждый. Причем не так уж и дорого, поскольку он считает, что проект можно осуществить не за три миллиарда долларов, а всего за сто миллионов <три миллиарда — это последняя оценка стоимости проекта). А Дж.Уотсон, отвечая противникам проекта, сказал: "Знание всегда приносит пользу; если бы не ДНК, раскрытие тайны вируса СПИДа растянулось бы на многие десятилетия. Вместо этого вся работа была завершена всего за два года!"

 

В конце сентября 1988 г. было объявлено, что во главе ГЮГО НИЗ поставила Дж.Уотсона. Журнал "Тайм", поместивший по этому поводу большое сообщение, назвал Уотсона "звездой новой драмы в биологии — драмы "охоты" за генами". 60-летний Уотсон сказал корреспонденту журнала:

 

"Это захватывающая перспектива. Тридцать лет назад мы не могли и мечтать о знании структуры генома мельчайшего вируса. Сегодня мы расшифровали весь геном вируса СПИДа длиной около десяти тысяч нуклеотидов, практически прочли геном кишечной палочки в 4,5 миллиона букв, а теперь отважились подняться на ступеньку генома человека размером 3,5 миллиарда. Точное знание детальнейшей структуры генома человека — это восхитительно!"

 

Дж.Балтимор, выступающий ранее с критикой проекта, теперь тоже стал на его сторону: "Назначение Уотсона сняло последние страхи. Я убежден, что Уотсон с его огромным политическим опытом в области науки и в качестве ведущей силы ГЮГО сумеет выдержать тот необходимый баланс между наукой и технологией, который так нужен для успешного осуществления проекта".

 

Уотсон с самого начала выступал за международное сотрудничество в этой области. Летом 1989 г. к проекту подключилась Академия наук СССР, которая выделила на эти цели 40 миллионов рублей. Подумывают о подключении к проекту в Японии, например А.Вада из Токийского университета. Его мечтой было создание автомата, который бы читал по миллиону букв каждый день! Для создания подобного автомата он подключил такие всемирно известные фирмы, как "Сейко", "Фуджи", "Мицуи" и "Хитачи". К сожалению, подобный автомат пока так и остался мечтой. Это во многом охладило былой энтузиазм. Так, член Совета по науке и технике при японском премьер-министре М.Окамото сказал, что "это очень важно, но мы в Японии пока еще не решили, для чего это все нужно". С ним согласился К.Мацубара, директор Института молекулярной биологии Осакского университета: "Да, ГЮГО вызывает аллергию среди японских биологов, которые выступают против больших проектов, считая, что молодежь стайет придатками компьютеризованных секвенаторов. Но я со своей стороны глубоко уверен, что ГЮГО познакомит наших специалистов с новой биологией, биологией XXI века. Вот почему нам так необходимо включиться в осуществление проекта!".

 

О начале работы по программе ГЮГО объявил осенью 1989 г. директор Лаборатории молекулярной, биологии в Кембридже С.Бреннер, который хочет объединить усилия всех биологов Западной Европы. Не с пустыми руками включились в проект и советские молекулярные биологи. Академик АН СССР А.Мирзабеков, директор Института молекулярной биологии, опубликовал со своими сотрудниками в конце 1988 г. в журнале "Доклады Академии наук" статью, в которой описывается новый метод чтения последовательностей ДНК, способный существенно ускорить этот трудоемкий процесс.

 

Вот и закончили мы свой рассказ о биотехнологии и ее достижениях. Пусть он напомнит вам о могуществе современной биологии.

  

 

Оглавление:

К читателю

Вступление

Когда началась биотехнология

Ее величество ДНК

В чем сходство между шифровкой и ДНК

Мораторий Берга

"Для разгрома фашизма и освобождения Франции он сделал больше целых дивизий"

Проект "ГЮГО"    

 

 

На главную

Журнал Знак вопроса