Микрокосм. E. coli и новая наука о жизни - Карл Циммер

С началом шумихи вокруг Genentech споры о допустимости работы с E. coli затихли сами собой. Конгресс, отчасти благодаря яростному лоббированию со стороны ученых, так и не принял никакого закона о генной инженерии. Национальный институт здоровья ослабил свои ограничения. Ученым, работающим с E. coli, уже не надо было наряжаться в специальные скафандры. Корпорации расхватывали специалистов по работе с E. coli, как горячие пирожки. Все 14 ученых, подписавших в свое время вместе с Бергом письмо — мораторий, в конце концов связали свою карьеру с тем или иным коммерческим предприятием. Уолтер Гилберт стал одним из основателей компании Biogen, которая начала использовать методы генной инженерии на E. coli, чтобы наладить производство различных белков, казавшихся перспективными в плане борьбы с раком. На торжественной церемонии открытия штаб — квартиры Biogen в Кембридже ленточку перерезал бывший мэр города Альфред Веллуччи — когда‑то непримиримый противник генной инженерии и лично Гилберта.

Компания Genentech стала лидером новой биотехнологической отрасли. Хумулин — произведенный бактериями инсулин — был выпущен на рынок в 1983 г., и сегодня это лекарство принимает 4 млн человек по всему миру. Другие компании начали выпуск собственных сортов инсулина, производимых E. coli, и сегодня их тоже принимают миллионы диабетиков. Биотехнологические компании разработали множество других лекарств, синтезируемых E. coli, — от человеческого гормона роста до средств для уменьшения вязкости крови. Сегодня E. coli послушно выдает на — гора витамины и аминокислоты. Если традиционно при производстве сыра в молоко добавляли сычужный фермент — реннин, получаемый из коровьих желудков, то сегодня значительная доля сыров на прилавке супермаркета изготовлена с использованием реннина, произведенного E. coli. Ученые продолжают вводить в геном E. coli новые гены, пытаясь понять, какие еще полезные вещества может производить эта бактерия. Речь идет о самых разных соединениях — от биоразлагаемых пластмасс до этилового спирта.

Нельзя сказать, что все эти достижения дались ученым легко. E. coli — не завод и относиться к ней, как к машине, нельзя. Микроорганизм — живое существо, и на любое действие он может отреагировать совершенно неожиданным образом. Оказавшись в гигантском баке, бактерии могут задохнуться в собственных отходах. Вообще, бактерии, настроенные на производство больших количеств инсулина или другого чужеродного белка, испытывают сильнейший стресс. Молекулы белка могут начать денатурироваться, и E. coli, чтобы вернуть им правильную форму, придется синтезировать белки теплового стресса. Энергию, которую бактерия тратит на борьбу со стрессом, уже невозможно использовать на питание и рост. Ученым, как поварам, занятым поисками идеального рецепта, пришлось искать решения и этих, и многих других проблем.

И сегодня, 30 лет спустя после превращения E. coli в чудовище и тягловую лошадку генной инженерии, эта бактерия по — прежнему остается любимым объектом биотехнологов. Ученые продолжают экспериментировать с ней в поисках новых способов работы с генами и белками. Ее ферменты рестрикции — любимый инструмент для разрезания ДНК, а ее плазмиды — любимое средство получения новых копий генов. Но сегодня ученые умеют встраивать эти гены в клетки многих других видов. В 1980–е гг. они, воспользовавшись полученными от E. coli уроками, начали переносить гены в другие бактерии и грибы. Кроме того, исследователи научились вводить гены в клетки животных и растений. Сбылась первоначальная мечта Берга: сегодня можно встроить ген в вирус, к примеру в SV40, и инфицировать этим вирусом клетку млекопитающего. (Ученые предпочитают использовать для этого клетки яичников китайского хомячка.) Модифицированная таким образом клетка может затем размножиться и образовать лабораторную колонию, которая станет вырабатывать какой‑нибудь ценный белок.

Но этого мало. Сегодня можно вводить новые гены в клетки живых животных и растений. Генетически модифицированные культуры распространились во многих странах уже в большей части сельскохозяйственных угодий. Некоторые из них производят токсины, убивающие вредных насекомых; в обычных условиях такие токсины синтезировались бактериями. Другие способны противостоять пестицидам. Ученым удалось также создать растения, способные вырабатывать человеческие антитела и вакцины.

Даже в клетки животных теперь вводят чужеродные гены с помощью модифицированных вирусов. Некоторые исследователи надеются найти способ излечивать генетические заболевания, снабжая клетки работающими копиями ключевых генов. Другие вводят гены непосредственно в зародышевые клетки, чтобы получить животных с чужеродными генами во всех клетках тела. Некоторые ученые пытаются при помощи методов генной инженерии снизить загрязнение окружающей среды отходами сельского хозяйства. Основные загрязнения от сельскохозяйственной деятельности — соединения фосфора и кислорода, поступающие в почву с удобрениями. Когда дожди и вешние воды уносят фосфаты с полей в реки и в конечном итоге в океан, они вызывают вспышку размножения водорослей и другие экологические катастрофы, которые постепенно приводят к появлению обширных мертвых зон, где не может выжить ни один живой организм. Одна из причин, почему в удобрениях содержится так много фосфатов, заключается в том, что значительную часть удобрений получают из навоза домашних животных, к примеру свиней и кур. Дело в том, что эти животные лишены пищеварительных ферментов, необходимых для расщепления фосфатов, поэтому они проходят сквозь пищеварительную систему неизмененными. E. coli, как и многие другие бактерии, вырабатывает ферменты для расщепления фосфатсодержащих молекул. И когда исследователи ввели свиньям гены E. coli, фосфатов в навозе модифицированных животных стало вчетверо меньше, чем у обычных.

В каком‑то смысле все перевернулось с ног на голову: если 30 лет назад ученые вводили бактериям гены животных, то сегодня они, наоборот, вводят животным гены E. coli.

Азбука жизни расширяется

В начале своего существования генная инженерия была всего лишь инструментом, который ученые смогли создать на базе своих знаний о E. coli. Однако в последние годы грань между генной инженерией и наукой постепенно стирается. Герберт Бойер использовал свои глубокие знания о E. coli, чтобы разработать методы генной инженерии. Сегодня генная инженерия использует методы Бойера, чтобы узнавать новое не только о E. coli, но и о фундаментальных законах жизни.

Ученые долгое время спорили о том, почему жизнь на Земле, практически без исключений, использует при строительстве белков всего лишь 20 аминокислот[27]. (£. coli и ряд других видов, в том числе человек производят и двадцать первую аминокислоту под названием селеноцистеин.) В природе существуют сотни замечательных аминокислот, из которых жизнь, кажется, могла бы свободно выбирать. Вообще, чтобы присоединиться к Клубу аминокислот, молекуле нужно всего лишь обладать подходящими концами. На одном конце у нее должна быть аминогруппа — атом азота, ковалентно связанный с двумя атомами водорода, а на другом — карбоксильная группа, состоящая из атома углерода, двух атомов кислорода и атома водорода. Аминогруппа и карбоксильная группа легко стыкуются между собой, как кирпичики конструктора «Лего», и при этом почти не важно, что находится между ними. Любой химик может синтезировать в лаборатории сотни различных аминокислот; тот же процесс легко протекает в открытом космосе. В 1969 г. на Землю упал метеорит, покрытый слоем дегтеобразной слизи. Ученые насчитали в составе этой слизи 79 разновидностей аминокислот.

Так почему же у нас их всего двадцать? Один из способов разобраться в этом вопросе — попытаться искусственно получить организм, способный производить не двадцать аминокислот, а двадцать одну. В 2001 г. Питер Шульц из Научно — исследовательского института Скриппса в Ла- Хойя (Сан — Диего, Калифорния) с коллегами сделал именно это — естественно, на основе E. coli. Как и все остальные живые организмы, E. coli использует генетический код, в котором каждые три нуклеотида в составе ДНК кодируют одну аминокислоту. Существует 64 триплета, или, как их называют, кодона, большая часть которых у E. coli используется регулярно. Но Шульц с коллегами обнаружили один кодон, который используется очень редко. Они модифицировали E. coli таким образом, что этот редкий кодон теперь отдавал команду добавить в строящуюся молекулу белка необычную аминокислоту.

Журнал Science назвал это достижение «первой искусственной формой жизни, химия которой не похожа ни на что, встречающееся в природе». В дальнейшем ученые добавили в репертуар E. coli еще более 30 необычных аминокислот. Первоначально бактерия могла строить эти новые белки только при условии бесперебойного снабжения ее нестандартными аминокислотами, но затем ученые начали модифицировать E. coli так, чтобы она могла сама синтезировать их из обычной пищи.