Репликация или контролируемая сборка?

Про клонирование сейчас слышали практически все, но клонирование – только повторение уже существующего. Все самые замечательные мечты человечества о жизни без болезней и старости, быстром и легком избавлении от неизлечимых пока недугов к обычной репликации отношения не имеют. Если вы будете клонировать дефектную клетку без изменений, вы получите на выходе клон с точно такими же проблемами, как у матрицы. К тому же есть опасность, что у клона негативные изменения будут происходить раньше, а последствия окажутся еще более тяжелыми. Так что простое дублирование оригинала – это шаг вперед, но «вперед» с оговорками. Только «выемка» дефектных участков ДНК сможет победить генетические болезни.

Пока мы мало знаем о том, как связаны в геноме отдельные участки, как включаются и выключаются гены, какова их правильная последовательность. К нашему счастью, оказалось, что геном человека не так сложен, как представляли раньше. Это дает надежду, что скоро он будет не просто расшифрован, а еще и осмыслен. И не только осмыслен, а повторен рукотворным путем. То есть мы сможем собирать хромосомы и вставлять их прямо в клетку или вынимать дегенеративные участки ДНК и заменять их здоровыми. Если прежде ученые думали, что после расшифровки генома они смогут «вклеивать» часть здоровой хромосомы вместо испорченного отрезка, то теперь речь идет о другом – о сборке самой хромосомы. Это серьезная заявка.

Хромосома человека, конечно, для сборки сложновата. Поэтому первые эксперименты были проведены с одноклеточным микроорганизмом – микоплазмой.

Микоплазма – правнучка молочнокислых палочек, которые заставляют молоко превращаться в простоквашу или йогурт. У нее, в отличие от «прабабушки», очень короткая хромосома, состоящая всего из пятисот генов, а ее ДНК образуют лишь пятьсот восемьдесят тысяч звеньев нуклеиновых оснований. К тому же она утратила еще и клеточную оболочку, так что работать с ней гораздо проще, чем с полноценной клеткой животных, содержащих гораздо более длинную цепочку ДНК. Микоплазма паразитирует в клетках эпителия мочеполовой системы человека, она легко проникает в клетки и селится в них, хотя вполне может вести и самостоятельный образ жизни.

Именно крохотная микоплазма и стала объектом пристального внимания генетиков. При помощи молекулярных «скальпелей» и «иголок» были проверены все гены кольцевой хромосомы. Ученые вырезали по одному гену из этой цепочки и сшивали оставшуюся часть, конец к концу. Так удалось выяснить, какие гены не очень важны для микоплазмы, а без каких она погибает. Сто пятьдесят генов оказались для этой малютки «необязательными», а выключение любого из трехсот пятидесяти оставшихся убивали микроорганизм. Теперь известно, что эти триста пятьдесят генов являются «костяком» генома бактерии, это те основные гены, на которых базируются и другие, даже высокоорганизованные, организмы.

Естественно, у вас возникнут вопросы: а что это открытие даст? Почему оно считается таким важным? Дело в том, что теперь можно найти те правила, по которым собирается молекула ДНК, можно научиться синтезировать гены и собирать их «по чертежу». Правда, пока не ясен ни принцип работы механизма, который требуется собрать, ни принцип кодировки. Известны только буквы генетического алфавита, дело за малым – научиться складывать их в слова и предложения. Эта задача поставлена перед компьютерами, которые будут просчитывать все варианты сочетания генов, оптимальную генетическую последовательность для выполнения бактерией всех жизненно важных функций – питания, вывода шлаков, размножения и т. п. Потом выберут наиболее устойчивый вариант и создадут искусственную хромосому, которую «вставят» в бактерию. Если эксперимент будет удачным, значит, удастся собрать первую в мире искусственную бактерию. Это будет первый опыт творения жизни человеком.

Сегодня бактерия, завтра кролик, послезавтра – венец природы, Homo Sapiens.

Но до этого еще далеко. Так что клонирование на сегодняшний день – более доступное мероприятие, нежели искусственная сборка крошки-бактерии.

Заключение

ЗАЧЕМ РАСШИФРОВЫВАТЬ ГЕНОМ?

Обещали ученые расшифровать геном человека к началу нового тысячелетия – расшифровали. На пресс-конференций, тут же организованной по этому поводу, главный дешифратор генома Фрэнсис Коллинз сообщил всему заинтригованному миру «десять наиболее удивительных фактов о человеческом геноме», начав с наименее значимого пункта.

10. Гены располагаются в хромосомах достаточно скученно, предпочитая собираться в группы, между которыми могут находиться обширные незанятые области, названные Коллинзом «пустынями» («desert»). Число генов в хромосомах также неодинаково – «рекордсменом» является, к примеру, 19-я хромосома, содержащая генов больше, чем ее «коллеги».

9. Общее количество человеческих генов оказалось значительно меньшим («всего» тридцать тысяч), чем ожидалось первоначально (оценки доходили до ста тысяч). Примерно таким же количеством генов может «похвастаться» горчица. «Скромненько», – заключил Коллинз.

8. Зато на один человеческий ген приходится больше разновидностей белка, чем у примитивных организмов. В то время как у других видов число различных белков приблизительно равно числу генов, у нас они соотносятся примерно 3:1, что, в свою очередь, делает изучение белков следующей стадией исследований.

7. К тому же человеческие белки в сравнении с белками других организмов структурно более сложны. По меткому выражению Коллинза, если белки других организмов – это нож, то «наши» – французский сервиз.

6. Факт, который может несколько перевернуть общественные установки. Более двухсот генов напрямую унаследованы нами от «прапра…бабушки» – бактерии. Стало быть, многие наши недомогания напрямую вызваны… одноклеточными родственниками.

5. Своеобразный «ДНК-спам» – повторяющиеся последовательности нуклеотидов, которые раньше рассматривались как бесполезные, – на поверку может оказаться «черным ящиком» эволюции и поведать исследователям о предыдущих восьмиста миллионах лет «нашего» существования.

4. Значительная часть такого «спама», кучкуясь вокруг зон, богатых генами, как предполагается, может выполнять полезные функции (правда, какие – пока неясно). Средняя длина повторяющейся цепочки составляет двести – триста базовых нуклеотидов – «букв ДНК», что, в общем, может включать достаточно содержательное сообщение.

3. Уровень мутаций у мужчин в два раза превышает аналогичный показатель у представительниц прекрасного пола. Так что своим прогрессом человечество обязано мужчинам (а во всем остальном, похоже, женщины остаются впереди).

2. Все представители рода человеческого на девяносто девять целых и девять десятых процента идентичны по ДНК, что начисто отметает всякий базис для расизма.

И, наконец – оркестр, туш!

1. Человеческий геном поведал нам больше об особенностях человеческой биологии и дал толчок к развитию медицины. С тех пор как была опубликована «рабочая карта» генома, исследователи, занятые в других проектах, выявили почти сорок генов, связанных с заболеваниями. Так что, наряду с площадкой для новых перспективных исследований, проект «Геном» принес и практическую пользу всему человечеству.

К расшифровке генома специалисты стремились с середины семидесятых годов прошлого века, когда были разработаны методы определения нуклеотидной последовательности ДНК.

Первый метод, Максама – Гилберта, состоит в том, что молекулу ДНК разбивают на отдельные локусы (кусочки), потом каждый локус подвергают химическим воздействиям и смотрят, что происходит с нуклеотидной последовательностью. Исходя из результатов теста, делают вывод о порядке расположения нуклеотидов в каждом фрагменте ДНК.

Второй метод, Фреда Сэнгера, заключается в том, что молекулу ДНК подвергают химическому расщеплению на две нити, ее раскручивают и начинают обрабатывать специальными препаратами, на которые нуклеотидная нить дает свой ответ. По поведению нуклеотидов первой нити восстанавливают порядок оснований во второй. Но процесс «сшивания» второй нити до конца не доводят, каждую новую цепочку маркируют и весь материал располагают в виде лесенки.

Наиболее удобным для компьютерной обработки данных оказался метод Сэнгера. На его основе были созданы автоматы-секвенаторы, которые упростили и ускорили определение последовательности нуклеотидной цепи. Если двадцать лет назад расшифровка нуклеотидной нити в тысячу звеньев считалась трудоемкой, то сейчас компьютер проделывает анализ быстрее чем за сутки. Расшифрована последовательность генома человека, многие факты удивляют и озадачивают. Почему количество генов у нас так мало? Почему на почти двухметровой (если раскрутить и вытянуть) ДНК личностному формированию человека отведено меньше двух с половиной сантиметров? Почему на создание такого сложного явления, как индивидуальность, развитие личности, затрачено только в пять раз больше генов, чем на формирование индивидуальных характеристик… мухи? Почему генетический алфавит так прост: только одна десятая процента знаков не имеет аналогов? Неужели эта часть генома и делает нас личностью?

С начала восьмидесятых годов во веем мире стремились к этой знаменательной расшифровке. В Америке ее начинал «папа» ДНК Джеймс Уотсон, а у нас в России академик А. Баев.

В России денег на науку, как всегда, не нашлось. Зато предприимчивому Уотсону удалось убедить президента страны создать национальную программу «Геном человека». Одновременно стартовала и собственная программа компании Celera, которая имела огромные деньги и высокие технологии, подключились фармацевтические фирмы – и процесс, как говорил Горбачев, пошел. Расшифровкой генома занимались в нескольких странах. Поэтому и использовали разные методики секвенирования нуклеотидов. Американцы применяли дробление, то есть «резали» ДНК на крохотные фрагменты и по несколько раз прогоняли по тестам, потом компьютер выстраивал найденную последовательность. Международный консорциум «Проект «Геном человека» сначала выстраивал карту ДНК, а потом определял законное место каждого фрагмента.

И то, что к расшифровке генома были применены два подхода, очень здорово. Если совпали в основном результаты применения двух совершенно разных методик, то можно уверенно сказать: работа проведена правильно. В итоге получено столько информации, что осмысливать ее придется годы. Но только о пяти процентах длинной ДНК можно сказать уже сейчас, что тут мы хоть что-то осознаем. Особенно загадочны участки ДНК, которые называют «бессмысленными» или «некодирующими». Что это – выбракованные участки или что-то нужное, мусор или клад? Таких «темных» участков нет ни у бактерий, ни у дрожжей, ни у простейших… Но по мере эволюционного роста организмов количество «некодирующих» кусков ДНК возрастает. Что таят эти части? Может быть, это аптечка ДНК, где хранятся запасные части молекулы, чтобы быстро и без проблем латать дефекты? А может быть, здесь лежит тайная информация, которой можно воспользоваться в случае угрозы всему биологическому виду?

Мы открыли странную и непонятную книгу на неведомом языке. Пока мы с трудом можем только назвать буквы, но не можем прочесть ни слова. Я уже не говорю о том, что эти слова нужно связать в предложения, а предложения – в осмысленный рассказ. Многие люди, узнав, что геном принес больше загадок, чем отгадок, удивляются: так зачем же было тогда его расшифровывать? До осуществления программы мы не знали ничего, потому что не начинали исследований. После завершения программы мы не знаем почти ничего. Но эти два «ничего» имеют совершенно разные уровни. До расшифровки генома мы даже не понимали, что, собственно, пытаемся прочесть. После создания сводной карты генома мы овладели ключом к шифру.

Осталось совсем чуть-чуть – правильно его применить.

Только тогда мы и будем создавать себе подобных не «вслепую», а понимая, что делаем, зачем и что получим в результате – Золотой Век или Темное Время…

1

Партеногенез – размножение делением.