Золото, пуля, спасительный яд. 250 лет нанотехнологий

Эрлих Генрих Владимирович

По окончании синтеза полипептидная цепь высвобождается из рибосомы и специальные белки сворачивают ее требуемым образом и осуществляют над ней другие операции, превращающие ее, собственно, в белок или фермент. Общее количество молекул белков и РНК, принимающих участие в синтезе одной молекулы белка составляет около трехсот. Можно только восхититься отлаженностью и согласованностью всего этого природного технологического процесса.

Каков же размер рибосомы? В это трудно поверить, но он составляет всего двадцать нанометров. При этом помимо считывания информации и конструирования сложного объекта из элементарных строительных блоков рибосома осуществляет притягивание молекулы РНК, то есть механическую

работу. Молекулярные машины обходятся при этом без привычных нам колес и шестеренок, учиться нам еще у Природы и учиться.

Дело это не быстрое. Вот и рибосомы были открыты в середине 1950-х годов американским биологом румынского происхождения Георгом Паладе (1912–2008), механизм их функционирования более и менее прояснился через пятнадцать лет, за что Паладе вместе с бельгийцами Альбером Клодом (1899–1983) и Кристианом де Дювом (1917–1978) получили Нобелевскую премию по физиологии и медицине. Но к расшифровке структуры рибосомы на атомарном уровне ученые подобрались только в нашем веке, когда появилась соответствующая экспериментальная техника высокого разрешения. При этом был выявлен ряд новых важных деталей устройства и функционирования рибосом, за что в 2009 году британец Венкатраман Рамакришнан, американец Томас Стейц и израильтянка Ада Йонат получили еще одну Нобелевскую премию, на сей раз по химии.

Все это, конечно, очень интересно и расширяет знания ученых о природе, скажете вы. Но при чем тут нанотехнологии? Действительно, для многих ученых познание природы – самоцель, но в этом нет ничего плохого, потому что без фундаментальной науки прогресс человечества просто невозможен. При этом всегда были и есть ученые, наделенные практическим складом ума, которые во всяком открытом ими или коллегами новом явлении видят в первую очередь источник технических усовершенствований и изобретений. Они не ждут, пока будут выявлены всякие тонкие детали того или иного явления, подчас они даже не ждут безоговорочных подтверждений того, что оно на самом деле существует, они сразу же начинают размышлять над тем, как бы его приспособить к делу. Эти прикладные исследования зачастую опережают фундаментальные, создаются технологии, производятся новые материалы и устройства, а ученые все еще продолжают ломать голову над тем, почему эти устройства работают так, как они работают.

Вот и молекулярные машины для “обработки” ДНК ученые быстро стали использовать сначала для собственных, а потом и общечеловеческих нужд. Рестриктазы, разрезающие молекулу ДНК в строго определенных местах, весьма помогли известному уже нам Фредерику Сенгеру определить последовательность соединения нуклеотидов в цепи. Затем ученые научились вырезать из молекулы ДНК участок, соответствующий определенному гену. И почти сразу возникла мысль о том, а нельзя ли соединить между собой гены, принадлежащие разным живым организмам, и получить таким образом ДНК, не существующую в природе?

Как это можно сделать? Вспомним о “липких” концах, образующихся при разрезании ДНК. Мы вырезаем с помощью рестриктазы какой-нибудь ген из одной молекулы ДНК и выделяем его. Затем, используя ту же самую рестриктазу, вырезаем еще один ген из другой ДНК. Рестриктаза одна и та же, соответственно и липкие концы у этих двух фрагментов одинаковые, нам остается лишь смешать их, и они слипнутся между собой. А затем мы добавим фермент лигазу, которая намертво спаяет нити новой ДНК. Такой вот генный конструктор. В реальности все выглядит намного сложнее, есть множество подводных камней, о некоторых вы, возможно, и сами уже догадались. Например, с какой стати будут слипаться разнородные фрагменты, если с не меньшим успехом могут слипнуться и однородные? Могут, конечно, но это уже техническая проблема разделения различных молекул ДНК, ее ученые умеют решать.

Впервые

идею генной инженерии воплотил в жизнь в самом начале 1970-х годов американский биохимик Пол Берг (род. 1926 г.). Он соединил в одно целое фрагменты ДНК вируса (бактериофага) SV40 и бактерии Escherichia coli . Это принесло ему в 1980 году Нобелевскую премию по химии, которую он разделил с Фредериком Сенгером. Берг проторил путь к генетически модифицированным организмам. Что интересно, он сам свернул работы в этой области, прислушавшись к мнению многих своих коллег и широкой общественности, что эти “игры в бога” могут привести к непредсказуемым результатам. Сначала жесткое государственное регулирование в этой области, а уж потом научные исследования, полагал Берг. Осторожность и трезвая оценка рисков, конечно, необходимы, вот только нельзя отдавать это на откуп чиновникам, которые мало того что ничего не понимают в науке, так еще вынуждены угождать наиболее громкоголосой части электората, на подсознательном уровне страшащегося всего нового и неизвестного.

Впрочем, такой осторожный подход разделяли далеко не все ученые. Джинн был выпущен из бутылки, более того, идея лежала на поверхности, ее могли реализовать и другие исследователи. В историю вошел Герберт Бойер.

Он был на десять лет моложе Берга и принадлежал, в сущности, к другому поколению ученых. Открытие ДНК случилось, когда он заканчивал школу. Крик и Уотсон стали его кумирами, а исследование ДНК – целью жизни. Его научная карьера шла по восходящей: защита кандидатской диссертации в Питсбургском университете, трехлетняя стажировка в Йеле, ассистент-профессор в Университете Калифорнии в Сан-Франциско. Занимался он рестриктазами.

В 1972 году на конференции на Гавайях Бойер познакомился со своим ровесником Стенли Норманом Коэном [40] , работавшим вместе с Бергом в Стэнфордском университете. Коэна интересовал вопрос о том, как у бактерий вырабатывается иммунитет к действию антибиотиков и как гены передаются от бактерии к бактерии с помощью плазмид – замкнутых в кольцо молекул ДНК. Коэн и Бойер работали в разных областях науки, но в ходе непринужденной беседы на вечеринке нашли точку соприкосновения их научных интересов, где они могли быть взаимно полезными.

40

Не путать с американским биохимиком Стенли Коэном (род. 1922 г.), лауреатом Нобелевской премии по физиологии и медицине 1986 г. за работы в области гормонов – факторов роста.

Идея, которую они реализовали в ходе совместной работы, заключалась в следующем: они разрезали в одном месте плазмиду, вставили в это место чужеродный ген – ген устойчивости к тетрациклину – и спаяли вновь образованную кольцевую молекулу. Затем они ввели ее в бактерию, точнее говоря, бактерия сама ее поглотила, есть у них такая характерная особенность – заглатывать из окружающей среды все молекулы, похожие на плазмиды. При размножении бактерии эта плазмида, вместе с введенным в нее чужеродным геном, была скопирована, давая начало штамму генетически модифицированных бактерий, устойчивых к действию антибиотика.

Так Бойер с Коэном получили в 1973 году первый генетически модифицированный живой организм. Это само по себе было важным научным результатом, но они держали в голове другую, далеко идущую практическую цель. Они, например, внедрили в плазмиду ген, ответственный за синтез соматостатина – пептидного гормона роста, состоящего из четырнадцати аминокислот. Ну а где пептиды, там и белки. Бойер внедрил в плазмиду бактерии ген, ответственный за синтез человеческого белка. Полагаю, вы уже догадались, какого белка – инсулина.