В V веке философы Греции считали, что раз дети похожи на обоих родителей, значит, они вдвоем вносят определенный вклад в рождение потомства. Этот вклад представлялся неким материальным началом, сконцентрированным в «семени» мужчины и женщины. Демокрит представлял их как частицы, форма, размер, и строение которых определяют свойства потомков. Только через полтора тысячелетия удалось обнаружить эти «частицы». Современные ученые не только смогли выяснить, как хранящаяся ими информация передается от родителей к детям, но и научились менять ее.
В 1865 году 8 февраля и через месяц 8 марта Грегор Мендель, на собраниях «Общества естествоиспытателей» в городе Брюнне (сегодня Брно), представил доклад о результатах проведенных опытов по гибридизации гороха Pisum sativum, которыми он занимался в саду Августинского аббатства святого Томаша. Выступление «ботанического математика», как в шутку называли Менделя, были встречены без всякого энтузиазма, ученые мужи не задали ему ни одного вопроса, но все же решили напечатать полученные им результаты исследований в «Трудах Общества естествоиспытателей в Брюнне». Они были высланы в 120 библиотек, но те страницы, где речь шла об упомянутых опытах в 117 из них даже не были разрезаны. В тот период никто и не думал, что его выводы лягут в основу современной генетики.
Опыты Менделя доказали существования «биологических программ», определяющий признаки организмов и управляющий их жизнедеятельностью и передающиеся по наследству — от родителей к детям. Ученым необходимо было ответить, где хранятся эти программы и какой механизм их действия.
Молекулы-руководители
Наиболее сложные и крупные и молекулы, обнаруженные в живых организмах — молекулы нуклеиновых кислот. Их открыл швейцарским ученым Фридрихом Мишером в конце XIX века. Изучая спермии растений, он обнаружил вещества соединенных с белками ядра и обладающими кислотными свойствами. На латыни nucleus — ядро, отсюда они и получили свое название. К изумлению ученых, оказалось, что, несмотря на все разнообразие живых существ, их нуклеиновые кислоты имеют много общего. Данные научных исследований указывали на то, что именно они контролируют важнейшей процессы жизнедеятельности организма.
Молекула нуклеиновой кислоты — биополимер, состоящий из мономеров нуклеотидов четырех видов. Мономеры могут располагаться в молекуле в разном порядке, подобно тому, как красные, желтые, синие, зеленые бусинки можно нанизать на нитку в любой последовательности. Живые организмы отличаются по количеству и порядку размещения нуклеотидов в нуклеиновых кислотах. Вот из-за этих отличий и существует многообразие всего живого на нашей планете!
Ключ к разгадке
Ученые надеялись, что, создав модели нуклеиновых кислот, они поймут, как эти молекулы синтезируют свои копии — те самые, передающиеся от родителей к детям. Нуклеиновые кислоты существуют двух видов:дезоксирибонуклеиновая (ДНК) и рибонуклеиновая (РНК). Ученые с передачей наследственной информации связывали молекулу ДНК.
Британские биохимики из Кембриджского университета Джеймс Д. Уотсон и Френсис Х. С. Крик смогли установить структуру ДНК. Они описали, что она образована двумя спиралями, закрученными вокруг общей оси, эти цепочки молекул состоят из нуклеотидов, которые возможно переставлять неограниченное число раз, и точная последовательность которых в виде кодов содержит генетическую информацию.
Эта модель ДНК похоже на лестницу, нижняя часть которой закреплена и не двигается. Если закрутить эту лестницу вверх, получится двойная спираль. Перекладины лестницы, соединенные между собой водородными связями, пара нуклеотидов.
При разъединении связей к отдельным нуклеотидам спирали присоединяются другие, подходящие именно этим участкам молекулы ДНК, в результате чего происходит ее самоудвоение. Это объясняет, почему свойства и структура ДНК в клетках одного типа остаются постоянными и не меняется из поколения в поколение.
Ученые поняли, каким образом передается наследственная информация. Следующей задачей стало научиться управлять этой информацией. Так зародилась генная инженерия.
Победоносное шествие
Американские ученые Стэнли Коэн и Герберт Бойер в 1973 году объединили части нуклеиновых кислот различных организмов, получили новую генетическую структуру. Это было нелегко, так как не каждая клетка принимает фрагмент молекулы ДНК чужого организма. Так, из тысячи клеток E. coli только одна не отторгает «чужака». Природа как будто, охраняет генетический набор, отлаженный в процессе эволюции. А созвав новую ДНК нужно заставить ее работать.
Калифорнийские ученые в 1978 г. выделили фрагменты ДНК, кодирующие инсулин человека, и присоединили их к ДНК обыкновенной кишечной палочки. Полученные клетки бактерий заработали как настоящие фабрики по синтезу человеческого инсулина, так необходимого диабетикам. Современного человека этим уже не удивишь, но в то время воображение фантастов волновали замысловатые сюжеты. Тысячи удивительных микроорганизмов поставлены на службу людям: они заменяют химические удобрения, уничтожают пролившуюся нефть; человек получает новые виды животных и растений.
Такого рода грезы о роге изобилия ХХ века интенсивно подпитывались разнообразными изданиями и видеосюжетами. Но ученые приостановили большинство экспериментов, считавшиеся потенциально опасными. Бойер, Коэн и группа их коллег объявили запрет на свои исследования, так как считали, что объединение генов двух различных организмов может привести к получению нового нежелательного и опасного вида. Постепенно страсти поутихли. Эксперименты энтузиастов и последовавшие за ними разработки генных инженеров внесли значимый вклад в развитие почти всех биологических наук.
Надежда медицины
Сегодня доказано, что больше тысяч болезней человека являются наследственными. Не так давно возможности их терапии сводились к применению лекарств, ослабляющих проявления генетического недостатка, назначению разных диет и гемотрансфузии. На сегодняшний день при лечении множества патологий (гемофилии, злокачественных новообразований, муковисцидоза гиперхолестеринемии и других) применяются методы генной терапии. Уже препараты нового поколения испытаны в условиях лаборатории на клеточных культурах и животных. Сейчас их эффективность и безопасность нужно доказать путем клинических испытаний.
В наше время все изучения в области генной терапии направлены на исправление генетических недостатков соматических клеток, а не гамет. Это связано не только с моральными и техническими причинами, но и с безопасностью: ведь ДНК, встроенная в репродуктивные клетки, будет передаваться потомкам.
Перспективным направлением генной терапии является получение лекарств на основе нуклеиновых кислот — олигонуклеотидов. Существует множество заболеваний (рак, вирусные и паразитарные инфекции) связанных с повышенным синтезом нормального белка в организме. Олигонуклеотиды могут подавлять патологическую выработку белка на генетическом уровне клетки.
Каким будет будущее?
Если в момент зарождения молекулярная биотехнология считалась некой эзотерической наукой, то сегодня ее именуют «самой революционной из всех технологий ХХ века». Однако нельзя не задумываться о результатах, к которым может привести стремительное развитие такой молодой отрасли. Не станут ли организмы, полученные способами генной инженерии, оказывать отрицательное влияние на окружающий мир? Можно ли менять генетическую природу людей? Не уменьшат ли проводимые опыты природное генетическое многообразие? Эти и множество других вопросов волнуют умы общественных деятелей и ученных, чувствующих ответственность перед будущими поколениями.