Удивительная генетика - Вадим Левитин

Мы примемся собирать бактерии из отдельных модулей, так что они станут соответствовать нашим представлениям <…> о производстве того или иного вида сырья, и вовсе не будут отвечать своему природному назначению.

Перспективы открываются воистину ошеломляющие. Ведь запасы нефти на нашей планете неуклонно тают, а с биотопливом из растительного сырья, о котором рассказывалось выше, дела обстоят не так хорошо, как хотелось бы. Например, энергоемкость спирта почти вдвое уступает бензину, поэтому и в бак его придется заливать в два раза больше, чтобы проехать то же самое расстояние. Выходом из положения мог бы стать бутиловый спирт, но его в процессе дрожжевого брожения образуется сравнительно немного. Если же заменить крахмал целлюлозой, то технология ощутимо усложнится, потому что целлюлозу нужно будет разлагать на отдельные компоненты.

А вот если «перепрограммировать» дрожжевые грибы таким образом, чтобы они питались целлюлозой вместо сахара и крахмала, хитрая проблема разрешится сама собой. По словам Джея Каслинга, сотрудника Калифорнийского университета, подобная технология станет реальностью уже к середине текущего десятилетия. Использование модифицированных дрожжей позволит получать биологическое топливо из древесины, соломы и других сельхозотходов. «На смену нефтяной индустрии должна прийти биология», – уверенно заявляет Крейг Вентер, бесспорный первопроходец в области микробного конструирования.

Крейг Вентер

Работы Вентера как раз и положили начало синтетической биологии. Первым делом он реконструировал бактериофаг phi X 174, кольцевая молекула ДНК которого содержит 11 генов и 5386 нуклеотидных пар. Это серьезное достижение, ибо фаги, паразитирующие на бактериях, устроены достаточно сложно.

Бактериофаг phi X174 (его объемная модель). Относительная простота этого микроорганизма позволила американским ученым «собрать» его в лаборатории из отдельных «деталей»

А вот самая примитивная среди известных вирусоподобных частиц (вироидов) носит очень длинное название – «вироид кокосовой пальмы каданг-каданг» и состоит всего из 246 нуклеотидов. Однонитчатая РНК этого вироида замкнута в кольцо и не содержит даже истинных генов, кодирующих белки, поэтому у него отсутствует белковая оболочка, позволяющая ввести генетический материал через неповрежденную клеточную стенку.

Российский биолог Александр Чубенко пишет:

Геном наиболее простых вирусов содержит всего три гена, которые кодируют белки, необходимые для воспроизводства: белок, вызывающий разрыв клеточной стенки хозяина; фермент, обеспечивающий многократную репликацию своего генома; и белок капсида – оболочки, покрывающей вирусную ДНК или РНК. Пример такого вируса – бактериофаг Qβ, инфицирующий кишечную палочку Escherichia coli. Его РНК состоит примерно из 3500 нуклеотидов. Самые большие вирусы содержат две-три сотни генов, закодированных в двухцепочечной нити ДНК длиной в несколько сотен тысяч пар нуклеотидов.

Усилия биологов по реконструкции вирусных частиц могут со временем пролить свет на проблему происхождения жизни на Земле (если, конечно, не считать, что она была занесена из космоса в ходе астероидной и кометной бомбардировки нашей планеты на заре ее образования). Современные вирусы, как мы помним, являются строгими внутриклеточными паразитами, поэтому выжить в «мертвой» они среде не могли. Но можно ли допустить, что некий доисторический протовирус умел размножаться самостоятельно, без помощи белков-ферментов, а впоследствии эту способность утратил?

Как известно, современным нуклеиновым кислотам такие подвиги не под силу: ДНК и РНК всех без исключения организмов, от простейших вирусов до высших животных и человека, нуждаются в услугах целой армии специфических белков, чтобы передавать закодированную информацию в ряду поколений. Сегодня ни одна из нуклеиновых кислот не может себя копировать без посторонней помощи. Выходит, что наш гипотетический вирус обречен: он должен появиться на свет только после того, как клеточные формы жизни с их сложным набором ферментов станут полноправными обитателями первобытного океана.

Но клетка (даже самая элементарная) – чересчур громоздкая структура, чтобы возникнуть скачком, в одночасье. И если мы хотим избавиться от «божественного» представления о зарождении жизни на Земле, нам требуется нарисовать закономерную и непротиворечивую картину возникновения естественным путем сложных макромолекул, способных к самосборке, что со временем приведет к рождению генетического кода, а затем и первых клеток. Жизнь – процесс антиэнтропийный (энтропия – мера беспорядка), для нее характерно самопроизвольное упорядочение и структурное усложнение, а суть этого упорядочения заключается в ограничении свободы. Порядок наводят тысячи белков-ферментов, благодаря которым химические реакции идут в нужном направлении, но беда в том, что белки не умеют сами себя воспроизводить. Способностью к воспроизведению обладают нуклеиновые кислоты, но они лишены каталитической активности и потому нуждаются в помощи ферментов. Таким образом, два важнейших свойства, необходимых для эволюции, – способность к упорядочению и способность к воспроизведению – оказались разделены между двумя классами органических структур. Как природа сумела их объединить?

В 1970-х годах были обнаружены совершенно необычные ферменты, включавшие в свой состав кроме белка еще и молекулу РНК. Когда белок полностью удалили, неожиданно выяснилось, что оставшаяся РНК способна катализировать свою специфическую реакцию. Это было сенсацией, поскольку всегда считалось, что к катализу способны только белки и уж никак не нуклеиновые кислоты. Способные к катализу молекулы РНК назвали рибозимами (по аналогии с энзимами – белковыми ферментами). Многие ученые сразу же заговорили о том, что «в начале была РНК». И действительно, вообразим себе молекулу, которая не только является носителем информации, но и вдобавок умеет катализировать химические реакции. Это же готовый кандидат на роль нашего искомого протовируса, давшего со временем начало всем остальным живым существам!

Но Вентер не остановился на полпути: ведь существуют еще и бактерии, которые тоже подлежат оптимизации. Крэйг Вентер решил, что для его целей больше всего подходят микоплазмы – очень мелкие бактерии, сопоставимые по размерам с крупными вирусами.

Если воздействовать на бактериальную клетку определенными веществами (например, лизоцимом), можно получить формы, лишенные клеточной стенки. Такие «рукотворные» микроорганизмы, получившие название L-форм, чрезвычайно уязвимы и весьма чувствительны к факторам среды. Они способны выживать только в особо благоприятных условиях, когда внешнее осмотическое давление находится в равновесии с внутриклеточным.

Однако микроорганизмы без клеточной стенки найдены и в природе. К их числу относятся микоплазмы – паразиты животных, растений и человека, наиболее примитивные бактериоподобные существа, имеющие клеточное строение. К тому же они самые мелкие из всех бактерий и по размерам приближаются к вирусам. Если, например, вирус гриппа чуть меньше одной десятой микрона, а размеры вируса коровьей оспы колеблются в пределах от 0,22 до 0,26 микрон, то диаметр микоплазмы, вызывающей повальное воспаление легких у рогатого скота, находится в пределах 0,1–0,2 мкм. При этом неприхотливые микоплазмы в отличие от вирусов могут расти и размножаться на синтетической питательной среде, то есть являются полноценными одноклеточными микроорганизмами.

Микоплазменная клетка построена из сравнительно небольшого числа молекул (около 1200), но имеет полный набор компонентов, необходимых для самостоятельного выживания (ДНК, РНК, белки), и содержит около трехсот ферментов. По некоторым признакам микоплазмы стоят ближе к животным, чем к растениям: их клетки заключены в гибкую цитоплазматическую мембрану, а их липидный состав близок к аналогичному показателю в животных клетках.

Крэйг Вентер работал с Mycoplasma genitalium – условно-патогенным обитателем мочеполовых путей, который состоит всего из 517 генов (из них 480 кодируют белки, а 37 – различные молекулы РНК), тогда как нуклеоид средней бактериальной клетки содержит от двух до четырех тысяч генов. Такая неслыханная простота делает микоплазмы идеальным объектом для генно-инженерных манипуляций.

Александр Чубенко отмечает:

Для выживания простейшей «версии» микроорганизма эти гены (имеется в виду полный набор из 517 генов. – Л.Ш.) не являются обязательными. Аккуратно, один за другим, вырезая эти гены из хромосомы M. genitalium, исследователи установили, что в ее лаконичном геноме только около 300 генов действительно необходимы для существования бактерии в питательном бульоне.