Как ГМО спасает планету и почему люди этому мешают - Анна Витальевна Иванова

РНК), которая выглядит чужеродно, будет немедленно порезана на нефункциональные куски. Роль ножниц внутри бактерии исполняют специальные ферменты – эндонуклеазы рестрикции (рестриктазы). Их задача опознавать определенный довольно короткий (обычно состоящий из 4–8 букв) фрагмент генетического текста и в случае опознания делать в нем разрез по обеим цепям ДНК (или по единственной в случае РНК). Каждая эндонуклеаза рестрикции настроена на узнавание своего текстового фрагмента – сайта рестрикции. Некоторые рестриктазы делают разрез симметрично по обеим цепям, как показано на картинке ниже. Два конца молекулы, которые получаются в результате такого разреза, биотехнологи называют тупыми. Другие рестриктазы разрезают «внахлест»: разрез по одной цепи смещен на несколько букв от места разреза на второй цепи. Комплементарные цепочки на этом фрагменте расходятся и напоминают две ступеньки. Биотехнологи называют их липкими, и не случайно: в результате с каждой стороны от разреза остается по фрагменту одноцепочечной молекулы, которые могут легко соединиться обратно по принципу комплементарности.

Две получившиеся комплементарные[72] цепочки стремятся соединиться друг с другом обратно. Предотвратить это воссоединение можно, немного химически модифицировав нуклеотиды на концах. Или сделав на молекуле разрезы двумя разными типами рестриктаз на небольшом отдалении друг от друга – если удалить маленький фрагмент между разрезами, тогда оставшиеся концы не будут комплементарны друг другу и молекула не сможет соединиться по месту такого разреза.

Внимание, дальше нам снова понадобится воображение. Представьте себе коробку детского конструктора, в которой есть множество элементов типа «кирпичик» разного цвета. Независимо от цвета мы можем сцеплять эти кирпичики в любом порядке, выстраивая все более и более высокую башню. Секрет башни из кирпичиков в механизме сцепления деталей между собой: выпуклости на одной детали идеально подходят к разъемам на другой. И ничего кроме длины рук строителя не мешает нам вырастить эту башенку хоть до самого неба. Липкие концы позволяют проделывать похожий фокус: если разрезать одной и той же рестриктазой две разные молекулы ДНК, то оставшиеся в обоих случаях хвостики будут прекрасно соответствовать друг другу. А это значит, что их можно соединить между собой – встроить фрагмент одной ДНК в другую. Или даже множество фрагментов. Затем останется только сшить оставшиеся пробелы между нуклеотидами каждой цепи. Для этого пригодится еще один фермент – лигаза. И вуаля, у нас получился монтаж, то есть генетическая рекомбинация.

Тут любопытному читателю самое время спросить: неужели в геноме самой бактерии не найдется таких же фрагментов текста, которые способны узнавать рестриктазы? Как же рестриктазам тогда отличить чужеродную ДНК от собственной бактериальной и не совершить по неосторожности харакири? И этот вопрос совершенно справедливый!

А бактерии выкручиваются так: ДНК бактерии имеет своего рода химическую надстройку над нуклеотидами А и Ц, содержащую метильную группу. Поэтому называется такая надстройка «метилирование». В обычное время вся бактериальная ДНК метилирована, то есть замаскирована от рыскающих в поиске врагов рестриктаз[73]. Так что от собственных острых ножниц бактерия находится в полной безопасности.

Возможно, вы уже догадались, что такой механизм можно поставить на службу науке. Так и было сделано, причем о-о-очень давно.

Пожалуй, самый частый аргумент противников ГМО, который мне приходилось слышать, – это обвинение технологий генной инженерии в их непростительной молодости. А если продолжить распутывать нить разговора, то чаще всего выясняется, что появление генной модификации в человеческой памяти на временной шкале стоит где-то рядом с клонированием овечки Долли. То есть на рубеже XX и XIX веков. То есть буквально вчера. (И мне тоже кажется, что этот рубеж был буквально вчера. Пока не вспоминаю, что пора идти искать подарок на тридцатилетний юбилей моему «маленькому братишке»). И мало кто знает, что технология рекомбинантных ДНК, отрасль генной инженерии, в 2021 году отпраздновала свой 50-летний юбилей!

А начиналось все вот как. В 1971 году американский ученый Пол Берг в лаборатории Стэнфордского университета провел эксперимент, который навсегда вошел в историю науки. Спустя 9 лет на одной сцене с Уолтером Гилбертом и Фредериком Сенгером – изобретателями двух самых первых методов чтения ДНК – Берг получил за этот эксперимент Нобелевскую премию по химии[74].

К тому моменту механизмы рестрикции уже были известны ученым, в наличии имелись даже выделенные рестриктазы[75]. В своей лаборатории Поль Берг взял ДНК вируса SV40, который был выделен из клеток макак-резусов; бактериофаг λ (лямбда) – вирус, поражающий кишечную палочку E. coli; и рестриктазу EcoRI, дающую липкие концы у разрезаемой молекулы. Кольцевые ДНК обоих вирусов разрезали при помощи одной и той же рестриктазы – EcoRI, затем специальным образом обработали получившиеся линейные молекулы и смешали их в одной пробирке[76]. Концы двух молекул соединились друг с другом, образовав новую гибридную кольцевую молекулу ДНК. Новую комбинацию генов. То есть первую в истории человечества искусственно созданную рекомбинантную молекулу.

Это открыло дорогу исследованиям и экспериментам с бактериями. Создать рекомбинантную ДНК – это только половина работы. Вторая половина – заставить бактерию такую плазмиду проглотить. В обычном состоянии бактериальная клетка не «подбирает все, что валяется на дороге», ее стенки достаточно плотные, чтобы такого не происходило. Однако в определенных условиях клетка может стать компетентной – ее стенки начнут пропускать внутрь разный генетический «мусор» снаружи. Переход в состояние компетентности – задача довольно сложная, а случается он под действием разных факторов, которые мы не станем разбирать здесь, чтобы окончательно не заблудиться в молекулярных дебрях. Важно только отметить, что внутри таких бактерий запустятся определенные молекулярные процессы, начнут читаться ответственные за состояние компетентности гены, и клетка перейдет в состояние, в котором через ее стенки сможет проникать генетический материал из внешней среды.

Такое состояние бактерий к 1970-м годам было известно уже очень давно: впервые его обнаружил британский бактериолог Фредерик Гриффит в попытках создать вакцину от пневмонии. Он заметил, что одни бактерии могут передать другим свои свойства при определенных условиях среды. В те времена знаний о наследственности было слишком мало, чтобы разобраться в механизмах случайно обнаруженного процесса. Выяснить причину трансформации и назначить «виновницей» ДНК только много лет спустя смогли трое канадских и американских исследователей Освальд Эвери, Маклин Маккарти и Колин Маклауд[77].

Теперь, объединив знания о трансформации бактерий путем искусственного введения ее в состояние компетентности с умением создавать рекомбинантные ДНК, можно было приступать к работе – к созданию первых