Вчера, сегодня и завтра

Вполне вероятно, молодой, энергичный и уверенный в себе исследователь, который будет жить и работать в 2000 году, удивится, узнав, насколько наивными были представления биологов, живших за четверть века до начала третьего тысячелетия. За примерами, как говорится, ходить далеко не надо. До 1960 года наши рассуждения о биосинтезе нуклеиновых кислот были весьма и весьма предположительными.

Одним из высших достижений научного мастерства всегда является способность осуществить синтез природного соединения на лабораторном столе. Уметь делать так, как природа, или даже лучше ее, разве это не заманчиво? В конце концов, синтез двойной спирали ДНК - носительницы наследственности живой клетки - венчал бы собой многолетние попытки биохимиков воссоздать на лабораторном столе гигантские молекулы биологически активных соединений.

Лауреат Нобелевской премии А. Корнберг как-то сказал, что внеклеточным синтезом нуклеиновых кислот он стал заниматься в 1954 году, спустя год после того, как Д. Уотсон и Ф. Крик предложили двуспиральную модель ДНК. А. Корнберг и его помощники добились своей цели уже через год, но полный успех пришел к ним значительно позже.

Отправной точкой этих выдающихся исследований послужила необычная одноцепочечная ДНК. Она была найдена у одного из вирусов бактерий - фага X 174. А. Корнбергу удалось воспроизвести синтез одноцепочечных копий фаговой ДНК. Потом, как вспоминает сам автор, научились получать синтетические двойные спирали. Таким образом, был открыт путь к синтезу ДНК и у других организмов. "В конечном итоге,- пишет А. Корнберг,- можно будет приступить к синтезу ДНК позвоночных животных, в том числе млекопитающих".

Не надо забывать, что это сказано 10 лет назад. Сегодня молекулярная биология ушла далеко вперед.

А как с биосинтезом РНК?

В период с 1957 по 1959 год появился ряд научных сообщений о существовании реакций, обеспечивающих включение нуклеотидов в молекулу РНК. И наконец, в 1959 году С. Вейсс и Л. Гладстон сообщили, что выделили из печени крыс фермент, который отвечает за включение нуклеотидов в РНК, назвали его РНК-полимеразой.

Работы А. Корнберга и его сотрудников вызвали в свое время настоящую научную сенсацию. Они, безусловно, также принадлежат к числу тех исследований, которые революционизировали естествознание и являются украшением молекулярной биологии. Что молекулы ферментов трехмерны, по-видимому, знают многие. Но вот о том, что молекулы ферментов "шевелятся" во время работы, известно, конечно, немногим. И уж совсем мало людей слышали, что ферменты "ползают".

Вот один из примеров. Мы знаем, что информация, содержащаяся в ДНК, переписывается на РНК с помощью фермента РНК-полимеразы. Фермент этот образует химическую связь между концом синтезированной РНК и нуклеотидом, расположенным на ДНК-матрице. Затем перемещается вдоль цепи ДНК на одно звено нуклеотида и начинает свою работу снова. Предполагают, что, когда реакция присоединения одного нуклеотида прошла только наполовину, начинается присоединение следующего. Действие фермента чем-то напоминает работу обычного двухцилиндрового двигателя внутреннего сгорания. Расширение газов в одном цилиндре сопровождается сжатием в другом.

Помимо всего прочего, фермент неутомимо "ползет" доль цепи ДНК. Иными словами, молекула полимеразы перемещается вдоль нуклеотидной цепочки молекулы-матрицы.

"Что же дальше?"- задал однажды вопрос Д. Кендрью, адресуя его ко всей молекулярной биологии. Что ожидает молекулярную биологию в обозримом будущем, спросит читатель. Прогнозов много. Расскажем об одном.

В журнале "Химия и жизнь" была напечатана короткая заметка под интригующим названием: "Что нам готовит грядущий день?" Научные прогнозы начинались 1978 годом и оканчивались 2060-м. Они касались практически всех областей знаний. Один прогноз был увлекательнее другого. Многие из них имели прямое отношение к биологии.

Специалисты утверждают, что, например, к 1985 году будут найдены лекарства для предупреждения или лечения рака, к 1988 году станет возможным централизованное хранение человеческих органов для пересадки. К 1990-му - синтезируют лекарства для лечения душевнобольных. К 2000 году предполагается решить проблему улучшения памяти человека химическим путем, научиться регулировать процессы старения, наследственность. Наконец, где-то около 2015 года предполагается создание примитивных форм искусственной жизни. Но если попытаться проанализировать эти прогнозы, то приходишь к неизбежному выводу - многие достижения биологии и медицины будут связаны с успехами молекулярной биологии.

Вчера, сегодня и завтра

Она может гордиться своим главным достижением: понятие "ген" сегодня отождествляется с реальной химической структурой - конкретным участком молекулы ДНК, а для простейших организмов, некоторых вирусов и фагов, с определенными участками РНК. Причем все разнообразие генетической информации определяется только вариациями последовательности нуклеотидов в нуклеиновых кислотах.

В науке нет "маленьких" научных проблем. При решении чисто практических вопросов всегда необходима высокая теория. Наша промышленность выпускает хорошее лекарство - энтобактерин, который отлично защищает сельскохозяйственные растения от вредителей. Препарат этот нужный, очень эффективный и, что весьма важно, совершенно безвредный для человека. Но, увы, энтобактерин пока вещь дефицитная. И выпускают его в количествах, которые не удовлетворяют запросы нашего сельского хозяйства. В чем же дело? Главная трудность пока в налаживании производства. Препарат выделяют из бактерий. Выращивают их в больших реакторах. Но вот беда: на них нападают вирусы, и тогда бактерии массами гибнут прямо в реакторах. Вся работа идет впустую. Чтобы избежать этого, надо изучить тонкое строение молекул ДНК и бактерий и нападающих на них вирусов. Необходимо исследовать самые интимные механизмы размножения этих микроорганизмов. И наконец, вывести новый штамм бактерий, устойчивых к агрессивному вирусу. Воистину "нет ничего более практичного, чем хорошая теория".

Не так давно Ф. Хэндлер - президент Национальной Академии наук США - выступил с острой, полемичной статьей "Зачем нам нужна наука". Эта интересная статья была посвящена проблеме отношения общества к научно-техническому прогрессу. "Элегантная простота структуры дезоксирибонуклеиновой кислоты,- пишет автор,- позволяет ей копировать себя и управлять многочисленными функциями живой клетки". Но иногда "элегантная простота" ДНК может сыграть с организмом злую шутку. Речь идет о наследственных болезнях.

Наследственные - значит врожденные, связанные с передачей признаков от родителей к детям, иными словами, закодированные в ДНК. К счастью для человека, этих заболеваний по сравнению со всеми другими не так уж много. Но все наследственные заболевания - это тяжелые недуги, нередко заканчивающиеся смертью.

Описан ряд серьезных заболеваний, связанных с нарушением обмена аминокислот, например, обменом фенилаланина. В тканях таких больных накапливается необычно большое количество аминокислоты и продуктов ее распада. Это вызывает тяжелые расстройства деятельности центральной нервной системы.

Теперь врачи-клиницисты и биохимики знают, что болезнь связана с отсутствием в тканях человека фермента, который ответствен за превращение фенилаланина в тирозин. Но за образование любого фермента в организме отвечает совершенно определенный ген, или, иными словами, определенный участок ДНК. Следовавтельно, чтобы лечить таких больных, необходимо найти ген, отвечающий за синтез фермента, выяснить, в чем заключается его дефектность, а затем "починить" неисправный участок ДНК или заменить его новым.

Существует наследственная болезнь крови - серпо-видноклеточная анемия. Это для нее впервые был применен термин "молекулярная болезнь". У таких больных эритроциты принимают серповидную форму. В первые месяцы жизни больного ребенка наблюдаются закупорки мелких кровеносных сосудов, кровоизлияния, инфаркты. Болезнь протекает тяжело.

И вот ученые обнаружили, что причина заболевания - незначительное изменение последовательности аминокислот в белковой части гемоглобина. Всего в молекуле гемоглобина около 600 остатков аминокислот, расположенных в строгой последовательности. В гемоглобине больных в шестом положении белковой цепи вместо глютаминовой аминокислоты всегда обнаруживали аминокислоту валин. Исследователи были поражены: замена только одной аминокислоты на другую вызывала тяжелое заболевание.

И при лечении этой болезни возможно идти заманчивым путем: научиться исправлять дефекты в генах. Ведь, в конце концов, генетическая информация определяется последовательностью оснований в молекуле ДНК. В принципе уже доказана возможность пересаживать ген от одного организма к другому. Однако следует признать, что это именно тот случай, когда принципиальная возможность и ее практическое воплощение пока еще разделены огромным расстоянием.

Рак - грозное заболевание. Многие стороны механизма возникновения этой болезни неясны. Действительно, почему клетки иногда выходят из-под контроля организма. Почему их размножение становится безудержным? Вот одна из возможностей подхода к решению этих вопросов. Некоторые вирусы способны вызывать рак у животных. При этом события разворачиваются на молекулярном уровне. "Начинка" вируса - его собственная ДНК - проникает в здоровую клетку и соединяется с хромосомой клетки хозяина. Все гены клетки хозяина продолжают функционировать, но один из них уже "заменен" на ген вируса. Вот он-то и является виновником возникновения рака.

Если генов много, найти среди них вызвавший раковое перерождение, конечно, трудно. Но оказалось, что среди вирусов есть и такие, которые содержат всего 5-10 генов. Например, вирус, вызывающий полному мышей. Здесь отыскать виновника заболевания, конечно, легче. Теперь перед исследователем открывается заманчивая перспектива: изучить все этапы размножения этого вируса, понять функцию каждого гена и исследовать биохимические процессы, которые ответственны за перерождение здоровой клетки в раковую. Тогда можно будет уяснить, почему безудержно делятся раковые клетки, иными словами - почему они непрерывно синтезируют ДНК, в то время когда здоровые клетки этого не делают. По мнению Д. Уотсона, это реальный и перспективный подход к проблеме лечения рака.

Можно ли увеличить биологические пределы человеческой жизни? Может ли осуществиться мечта человека жить 100 и даже 150 лет активной жизнью? Эти вопросы давно волнуют человечество.

Ответы на них ищет геронтология - наука о долголетии. Само название этой области естествознания раскрывает ее сущность. Оно составлено из двух греческих слов: геронтос - "старость" и логос - "учение". Первая в мире научная конференция по проблемам геронтологии была проведена в Советском Союзе в 1938 году. Она называлась кратко и выразительно: "Старость". Ее организатором был выдающийся ученый, основатель школы советских геронтологов академик А. Богомолец. Сравнительно недавно, в июле 1972 года, в Киеве состоялся IX Международный конгресс геронтологов. Он подвел итоги развития этой науки.

На конгрессе кто-то из ученых подсчитал, что существует около 200 гипотез старения организма. Когда много гипотез, это всегда свидетельствует о недостаточности наших знаний. Но множественность гипотез также говорит о больших усилиях, которые предпринимаются учеными во многих лабораториях. Действительно, почему стареет все живое? Старость - это закономерность или случайность?

- Профессор, что такое старость?- спросили недавно Ф. Антонини, директора Института геронтологии при Флорентийском университете в Италии.

- Если в двух словах,- сказал ученый,- то отвечу: не знаю.

Это, конечно, горькая шутка, потому что потом Ф. Антонини уже развивал свою собственную гипотезу старения организма.

Пожалуй, наиболее перспективны гипотезы, которые пытаются найти "единый механизм старения". Согласно одной из них старость запрограммирована в генетическом аппарате клетки, в самих молекулах ДНК. Возрастные изменения в генетическом материале могут проявляться, например, в изменении первичной, вторичной и третичной структур ДНК, РНК, белков ядра клетки, ферментов, "обслуживающих" генетический аппарат, и гормонов, связанных с его деятельностью.

Близко к этой гипотезе примыкает представление о старости, как процессе накопления "ошибок". При этом в молекулах ДНК в силу разных обстоятельств, например после вирусного заболевания организма, накапливаются "ошибки". В результате этого ДНК с "ошибками", как испорченная матрица в типографии, начинает печатать искаженный текст. Таким "текстом" может оказаться синтезируемый белок.

В молодом организме есть ферментные системы восстановления, которые исправляют "ошибки" в ДНК. Гипотеза предполагает, что с возрастом способность к восстановлению повреждений в молекуле ДНК утрачивается. Некоторые исследователи связывают процессы старения с накоплением "ошибок" не в любом участке молекулы - ДНК, а только в генах-регуляторах, иными словами, участках ДНК, которые ответственны за "включение" или "выключение" из работы других генов. В какой-то мере ген-регулятор напоминает кнопку на пульте управления, с помощью которой включают и выключают другие механизмы.

Увы, эликсир вечной молодости еще не найден, но механизм действия заведенных "биологических часов", безусловно, связан с генетическим аппаратом клетки. В ближайшие годы усилия геронтологов, биохимиков будут направлены на поиски "печати возраста" в молекуле ДНК: иными словами, конкретных химических изменений в "стареющей" молекуле. Не исключено, что найдут и "ген старости". В обоих случаях появится обнадеживающая перспектива направленно влиять на них, говоря житейским языком, их реставрировать и в конечном итоге значительно продлевать активную деятельность человека.

А теперь несколько слов о пересадке генов.

Существует в природе сахар, который называется молочным. В его состав входит галактоза. Чтобы организм человека или, например, бактерии был способен перерабатывать галактозу, необходим фермент. Существуют в природе и бактерии, которые носят название кишечной палочки. Среди них есть такие, которые содержат фермент, перерабатывающий галактозу, и такие, ?которые его не содержат.

Вчера, сегодня и завтра

Можно заразить оба штамма кишечной палочки вирусом. Вирус проникнет в бактерии и начнет в них размножаться. Его новые поколения в своем наследственном материале, или, иными словами, в молекулах ДНК, будут содержать наследственный материал кишечной палочки. Те бактерии, которые не имели фермента, перерабатывающего галактозу, информации вирусу не передадут. А те, у которых фермент есть, передадут. Это первая часть повествования о пересадке генов.

Вторая часть - рассказ о тяжелой наследственной болезни человека. Она называется галактоземией - заболеванием, при котором человеческий организм потерял способность перерабатывать галактозу. В этом случае галактоза - безвреднейший продукт - становится ядом для человека. Чтобы бороться с заболеванием, человека держат на искусственной диете, исключая из пищи галактозу. Что и говорить, такой способ лечения далек от совершенства.

И наконец, завершающая часть повествования. Ученые взяли у больного соединительную ткань, а точнее говоря, клетки зтдй ткани - фибробласты. Они имеют одну характерную особенность - могут расти вне человеческого организма. Итак, ученые работали с культурой ткани, которая способна жить и размножаться на лабораторном столе. Эти фибробласты, которые "не умели" перерабатывать галактозу, экспериментаторы заразили вирусом, содержащим ген, способный нарабатывать соответствующий фермент. Ген вирус, в свою очередь, получил "в наследство" от кишечной палочки.

И совершилось маленькое чудо. Фибробласты приобрели новое свойство. Они стали способны перерабатывать углевод галактозу. А это значит, что в них появился фермент, за наработку которого был ответствен совершенно определенный ген. Иными словами, сначала ген перенесли из бактерий в вирус, а из вируса в ДНК человеческой клетки!

Авторами этой остроумной работы были американские ученые К. Меррил, М. Гейер и Д. Патрициани. Ее результаты были опубликованы в конце 1971 года.

Трудно даже вообразить, что сулит человечеству умение пересаживать гены, несущре тот или иной полезный признак! Несколько лет назад английские ученые Р. Диксон и Д. Постгэйт сообщили о пересадке гена, ответственного за ассимиляцию бактериями атмосферного азота. Обмен генами состоялся между двумя видами родственных бактерий. А если бы удалось выделить из бактерий ген, ответственный за фиксацию атмосферного азота, а затем пересадить его в наследственный аппарат какой-нибудь полезной сельскохозяйственной культуры? Тогда растения могли сами себя подкармливать за счет атмосферного азота.

А можно ли "собрать" из подходящих генов микроорганизм, способный жить и размножаться на Марсе, генерируя при этом кислород из марсианских пород?.. Известный ученый Д. Даниэлли - руководитель Центра теоретической биологии университета штата Нью-Йорк в Буффало - считает, что лет за десять такой микроорганизм "синтезировать" вполне возможно.