Прорыв совершен!

Итак, современные тенденции молекулярной биологии. Давать общую характеристику этой молодой науки излишне: о сущности ее говорилось бесчисленное множество раз в различных статьях, книгах и выступлениях. Поэтому ограничусь одним определением. Молекулярная биология изучает явления жизни, оперируя неживыми (лишенными жизни) объектами. Казалось бы, здесь есть внутреннее противоречие. Однако огромный, накопленный за последние годы опыт с неопровержимостью говорит: важнейшие проявления жизнедеятельности — наследственность, воспроизведение себе подобного, движение, превращение энергии — могут воспроизводиться и изучаться в простейших условиях. Иначе говоря, на объектах и системах все более примитивного уровня, вплоть до молекул. Благодаря этому-то й открылись возможности подойти к познанию явлений жизни с позиций точных наук, в первую очередь химии и физики.

Впрочем, думаю, все-таки полезно сказать о намечающихся сегодня тенденциях в молекулярной биологии. Одна из них — стремление перейти от предельно упрощенных объектов к более усложненным. Теперь все большее внимание привлекают клетки высших организмов. Все громче звучит проблема рака — главный канал практических выходов исследований в нашей науке.

Объектом изучения остаются молекулы, отвечающие за наследственность, образующие клеточные геномы. Но на смену предельно упрощенным геномам (у вирусов и фагов это одна молекула ДНК — дезоксирибонуклеиновая кислота, или РНК — рибонуклеиновая кислота) пришли хромосомы высшего организма, в частности человека. Вот, например, работы одного из основоположников нашей науки Фрэнсиса Крика (того, кто вместе с Уотсоном показал, что ДНК — это «двойная спираль»). На одном из симпозиумов Крик предложил для обсуждения интересную модель хромосомы. Кстати сказать, оказалось, что она весьма сходна с той схемой строения генетической единицы (так называемого оперона), которую сформулировал член-корреспондент АН СССР Г. Георгиев. Сейчас мы вступили в новую фазу. Исследователи уже оперируют не отдельными элементами генетического кода, а их совокупностями, целостными генами.

Ген стал доступен как осязаемый объект. При этом почти одновременно на двух принципиально различных путях. К нему подошли и исследователи, занимающиеся химическим синтезом, и «молекулярные хирурги».

Подвиг химического синтеза был осуществлен индийским химиком Кхораной. Он синтезировал в пробирке полный ген, программирующий образование одной из нуклеиновых кислот — транспортных. Напомню, что строение транспортных РНК аналитическим путем было установлено в нашей стране академиком А. Баевым и сотрудниками в Институте молекулярной биологии. Их работа удостоена Государственной премии.

В параллель к этому был достигнут другой крупный успех. Путем тонких операций удалось из кишечной палочки выделить участок молекулы ДНК, содержавший группу тесно связанных между собой генов. Они отвечают за важные реакции превращения молочного сахара.

Недавно осуществлен фундаментальный скачок вперед, в значительной степени — прорыв в новую область. В трех лабораториях почти одновременно синтезированы гены, отвечающие за один из самых важных для организма белков — гемоглобин, белок красящего вещества крови, он обеспечивает перенос кислорода из легких в ткани.

В отличие от синтеза Кхораны, где сочетались химические и биологические операции, тут был использован чисто биологический путь синтеза. Был использован особый привлекающий сейчас большое внимание недавно открытый фермент — «обратная транскриптаза». (Мы предложили более короткое наименование — «ревертаза».) Он командует особым звеном в реализации генетической информации.

Прежде считалось, что ее поток идет только в одном направлении: ДНК —РНК — белок. Здесь ДНК-ген служит матрицей для синтеза информационной РНК, которая, в свою очередь, служит матрицей для синтеза белка. Теперь оказалось, что в некоторых случаях первый этап обратим. Ревертаза способна обеспечивать образование ДНК, используя в качестве матрицы РНК. Обращаю внимание на то, что речь идет и о таких нуклеиновых кислотах, которые вызывают злокачественное перерождение, превращение нормальной клетки в раковую.

Первоначально в опытах синтезировали ген кроличьего глобина, но вскоре вслед за этим появилось сообщение, что синтезировать удалось и ген глобина человека. Вы только вдумайтесь, что означает этот результат, о котором я вам рассказал в таких простых и прозаических словах! Из вируса выделен активный белок — фермент и с его помощью в пробирке синтезирован ген человека! Синтетический ген человека!.. Кто бы мог поверить в такую возможность еще каких-нибудь несколько лет назад!

Начав линию «генной эпопеи», разумно будет этой линии придерживаться и дальше. Как ни замечательны упомянутые мной успехи, ими дело не ограничивается. Приведу теперь примеры, относящиеся к области, которую принято обозначать как «генетическую». Можно сказать точнее — «генная инженерия». При этом подразумевается не только получение, так сказать, изготовление генов, о котором сейчас шла речь, но также и манипулирование ими, оперирование согласно программе (с теми или иными целями по нашему замыслу).

Конечно, предел мечтаний каждого молекулярного биолога — осуществление направленных мутаций: таких изменений в молекулах (отвечающих за наследственность), которые бы шли по заранее намеченному плану. В отличие от изменений случайных, как это имеет место в естественных условиях.

По существу говоря, заполучить возможность менять наследственную запись означало бы овладеть управлением эволюцией, изменчивостью организмов! Но как всякая предельно мыслимая мечта, так и эта остается для нас пока недостижимой. Мысль исследователя ищет другие пути воздействия на содержание генетической информации.

Речь идет о введении новых генов в наследственный аппарат клетки, в ее геном. В принципе подобного рода воздействие на уровне бактериальной клетки осуществлено давно. С этого, можно сказать, началась самая эпоха молекулярной биологии, поскольку именно тут была открыта роль нуклеиновых кислот, и в частности, ДНК как вещества наследственности.

Другая форма — это заражение клетки вирусом. Он порой может входить в состав генома пораженной им клетки и наследственно передаваться из поколения в поколение. До какого-то времени он не проявляет своего присутствия, затем под влиянием некоторых внешних условий переходит в активное состояние.

Наконец, своеобразный и важный способ внесения новой наследственной информации — так называемая трансдукция. В этом случае вирус, развившись в одной клетке, способен тесно ассоциироваться с частью ее генетического аппарата, крепко удерживать те или иные гены и, проникая в новую клетку, переносить вместе со своей индивидуальной нуклеиновой кислотой также и связавшиеся с нею гены прежнего хозяина.

Эти исследования теперь идут на самом высоком уровне, о каком мы только можем думать, — на уровне клеток человека. Дело сводится к тому, что удалось ввести в наследственный аппарат клетки человеческого организма отсутствовавший там ген. При этом его заимствовали не от другого человека, а ни мало ни много из бактериальной клетки!

У человека бывает наследственное заболевание — галактоземия, в крови скапливается галактоза, составная часть молочного сахара. Причина заболевания: в организме отсутствует фермент, участвующий в превращениях молочного сахара, а фермента нет потому, что отсутствует или поврежден ген, ответственный за его выработку.

Вообще говоря, этот фермент широко распространен у множества живых объектов. Имеется он, между прочим, и у кишечной палочки, которая поэтому способна усваивать галактозу. Фермент, или, точнее, соответствующий ему ген, замечательным образом оказывается связанным с той тройкой генов, о которой я уже упоминал и которую удалось увидеть под электронным микроскопом. Используя чрезвычайно тонкую сложную молекулярно-биологическую методику, удалось «привязать» этот ген к одному небольшому вирусу и с помощью такого носителя ввести его в фибробласты — выращиваемые в виде культуры клетки человека, больного галактоземией. В них отсутствует ген, ответственный за выработку фермента, без которого фибробласты такого человека не могут использовать галактозу. Оперированные же фибробласты приобретают отсутствовавшую ранее способность и начинают использовать галактозу — их наследственное повреждение исправлено.

Такова совершенная, подлинно генная инженерия — излечение человеческих клеток от наследственной болезни введением бактериального гена!

Дополню этот пример другим, в какой-то мере родственным, хотя родство и отдаленное. Речь идет о растительном мире и Даниелли, редакторе «Журнала теоретической биологии». Этот видный ученый отличается живостью мысли и смелыми экспериментами. Например, ему удалось разложить одноклеточный организм — амебу на ее три главные составные части: ядро, цитоплазму и клеточную оболочку. А затем, когда он эти части вновь смешал и создал требуемые условия, то, как он говорит, из ядра одной амебы, цитоплазмы другой и оболочки третьей самопроизвольно собралась снова цельная клетка. Эта новая амеба двигалась, питалась, даже делилась и размножалась.

Так вот, Даниелли как-то, говоря о «генной инженерии», сказал, что замечательно было бы взять ген (или группу генов) из бактерии, обеспечивающей усвоение атмосферного азота, и внедрить его в геном, скажем, пшеницы, чтобы она сама себя удобряла. Замечу, что над расшифровкой механизмов фиксации азота у бактерий ученые бьются десятки лет с малыми пока успехами, а это проблема совершенно первостепенной технико-экономической важности.

Казалось бы, приведенная выше мысль в достаточной степени, если позволительно так выразиться, «бредовая», не более чем досужие размышления. Однако прошел лишь год после этого высказывания, и в одном научном журнале были опубликованы впечатляющие сведения. Известно, что среди некоторых видов бактерий есть такие штаммы, или расы, которые способны усваивать атмосферный азот, другие же лишены этой способности. И вот соответствующими приемами, при совместном культивировании удалось добиться, чтобы ранее неспособные к фиксации азота бактерии приобретали эту способность и сохраняли ее из поколения в поколение. Другими словами, это означало, что в их геном внедрился ген из азот-фиксирующего штамма. Могут сказать: ну да, тут перенос гена от одной бактерии в другую, до переноса же в высшее растение неизмеримо далеко. Но можно ответить скептикам: так ли уж далеко? Вероятно, не дальше, чем при переносе в клетку человека гена из такой же самой бактерии?

В свое время писателей называли «инженерами человеческих душ». Пожалуй, недалеко то время, когда молекулярных биологов с достаточным правом можно будет назвать «инженерами человеческих клеток» или «человеческих генов».

На совершенно новом уровне атаку на гены начинают вести в самые последние месяцы главным образом уже нынешнего года. И ведут ее на самом высшем из иерархических уровней — на уровне хромосом человека. Разыгрываются лишь первые сражения, одержаны лишь первые победы. Но складывающуюся ситуацию рассматривают, воспользуюсь подлинными словами авторов, как «революцию в генетике человека».

Два методических новшества играют тут решающую роль. Во-первых, как и в опытах с переносом гена, это использование культур клеток. Оказалось, что в них возможна так называемая соматическая гибридизация клеток человека с клетками мыши или хомячка. В таком гибриде сперва сохраняются оба полных набора хромосом — и человека и мыши. Затем по мере деления в ряду поколений человеческие постепенно утрачиваются, но с разной скоростью, и удается проследить, какие из них (обычно ответственные за выработку определенных типов ферментов) сохраняются, какие исчезают. Так удается картировать — уточнять — расположение определенных генов в определенных хромосомах. Словом, тут открываются замечательные возможности точно локализовать расположение генов в хромосоме, подобно тому как это удалось сделать уже давно для дрозофилы или фагов. Но там это позволяла быстрота смены поколений. Для человека это неприложимо, тут только сравнение родословных давало кое-какие указания, но ведь это растягивается на столетия, используя же культуру клеток, мы для клеток человека приближаемся к тем же срокам, что у дрозофилы. Это и означает революцию — смещение по длительности сроков примерно на четыре порядка сразу!

Второе обстоятельство, столь же, пожалуй, важное: работами Касперсона в Швеции и нескольких ученых в США созданы методы индивидуальной окраски хромосом, главным образом люминесцентными красителями. Раньше анализ хромосомной карты требовал исключительного искусства, теперь он упрощается настолько, что обработку микроскопических снимков вскоре вполне можно будет поручать машине.

В приложении к человеку генная инженерия — это прежде всего вся область наследственных болезней. До подлинного исправления того или иного дефекта, конечно, еще очень далеко. Но два пути отчетливо открыты. Прежде всего выяснение сущности наследственного нарушения. В ряде случаев это дает возможность преодолеть нежелательные, порой губительные последствия такого дефекта. Также исключительно важно обрести возможность как можно раньше распознавать наследственный дефект. На этом пути достигнуты замечательные успехи, особенно в результате новой разработанной методики диагностики в эмбриональном периоде.

Здесь я должен был бы закончить свое выступление, которое можно, было бы рассматривать как некую «повесть о генах» — этом центральном объекте молекулярной биологии. Но мне хочется завершить ее сюжет, добавив совсем небольшой абзац. Он приоткрывает новую страницу ближайшего будущего.

Я начал с разговора о синтезе генов. Но ведь каноны химии требуют, чтобы синтезу предшествовал анализ, познание строения того вещества, которое химику надлежит создать. Наша повесть шла о генах. А что такое в конечном счете гены? Не что иное, как молекулы ДНК. Каковы же перспективы выяснения строения ДНК, начиная с их первичной структуры — последовательности нуклеотидов?

До последнего времени ответ на этот вопрос, важнейший для всей молекулярной биологии, был совсем неутешительным, просто безотрадным.

Молекулярный вес молекул ДНК, в которых записана генетическая информация, колоссально велик по сравнению с теми молекулами нуклеиновых кислот, которые мы научились аналитически познавать. Первая задача анализа — найти способ разбивать макромолекулы на обломки, фрагменты, доступные обычному химическому аналитическому исследованию. При этом разбивать их надо не случайно, то тут, то там, а закономерно, в твердо фиксированных пунктах, чтобы сохранить возможность реконструкции макромолекулы из проанализированных фрагментов.

При изучении рибонуклеиновых кислот решающую роль сыграло наличие фермента с большой специфичностью: он разрывал только связи, в которых участвует одно-единственное основание— гуанин. А как обстоит дело с молекулой ДНК, которая особенно нас интересует? Для нее такого специфического инструмента химик не имел.

Но вот журнал Американской академии наук принес волнующую новость.

Остроумнейшим приемом удалось расщепить крупную молекулу ДНК на ряд фрагментов — число их немало, около сорока, — и получить двухмерную хроматограмму — их «отпечатки пальцев». Приведенная автором репродукция — это без всякого преувеличения классический, эпохальный снимок. Его удалось получить потому, что удалось изобрести способ разорвать молекулу ДНК в сознательно избранных участках.

Разумеется, путь впереди необычайно длинен. Но стратегически прорыв совершен, открыт путь на оперативный простор. Я уверен, что эти первые «отпечатки пальцев» войдут в историю молекулярной биологии, может быть, столь же прочно, как обессмертившая себя «двойная спираль».