Libmonster ID: UA-1528

 Академик А. С. СПИРИН

Человечество входит в третье тысячелетие с громадными знаниями в области наук о жизни и колоссальным потенциалом их практического использования. Путем манипулирования молекулами ДНК ученые могут произвольно и направленно изменять наследственность окружающего мира - бактерий, растений, животных и человека. Это дает беспрецедентные возможности технологического прогресса (биотехнология), революционных прорывов в медицине (генная терапия) и сельском хозяйстве (трансгенные растения и животные). Вместе с тем одной из главных проблем наступающего тысячелетия становится биологическая безопасность. Однако современное положение России как в плане прогресса в области наук о жизни и биотехнологии, так и биологической безопасности - удручающее. Ни наше общество в целом, ни правительство до сих пор не поняли: человечество вступило в биологическую эру.

РОЖДЕНИЕ МОЛЕКУЛЯРНОЙ БИОЛОГИИ

В середине XX в. произошла революция в области наук о жизни. Сначала это коснулось фундаментальной науки, а десятилетия спустя и прикладной, породившей так называемую биотехнологическую. Суть в том, что был раскрыт молекулярный механизм воспроизведения себе подобного в живом мире, т. е. молекулярный механизм наследственности.

К середине XX в. стало ясно: наследственность и основной процесс, реализующий ее, - биосинтез белков - зависят от определенной группы биологических полимеров, называемых нуклеиновыми кислотами. Было открыто два их типа - рибонуклеиновая кислота (РНК) и дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК). ДНК рассматривалась как "вещество наследственности", в то время как РНК отводилась роль непосредственной реализации наследственности в виде синтезирующихся белков и определяемых ими черт строения, обмена веществ и других признаков организмов.

В 1953 г. будущие нобелевские лауреаты Дж. Уотсон и Ф. Крик опубликовали работу, где сообщили об основных принципах структуры молекулы ДНК: две полимерные цепи спирально закручены вокруг общей оси и взаимодействуют друг с другом своими боковыми группами (остатками азотистых оснований) так, что аденин (А) образует пару с тимином (Т), а гуанин (G) - с цитозином (С). Хотя химически и структурно все четыре азотистых основания различны, пары А-Т и G-C геометрически идентичны, что и создает возможность образования симметричной структуры (винтовая симметрия) двойной спирали ДНК. В вышедшем вслед за первым сообщении Дж. Уотсон и Ф. Крик показали, что открытый ими принцип комплементарности парных цепей в молекуле ДНК (А, Т, G и С одной из них комплементарны соответственно Т, А, С и G другой) автоматически приводит к механизму точного воспроизведения себе подобной структуры. Действительно, если допустить расхождение двух цепей ДНК и достройку их новыми взаимно соответствующими - комплементарными - цепями, то из одной двойной спирали возникнут две, полностью идентичные исходной. Так был открыт механизм воспроизведения себе подобного, и молекулы ДНК оказались единственным в живой природе ве-


Статьи данной рубрики отражают мнение автора (прим. ред.)

стр. 40


ществом, где такой механизм заложен в самой молекулярной структуре. В результате в комплексе наук о жизни родилось новое направление - молекулярная биология.

ЦЕНТРАЛЬНАЯ ДОГМА МОЛЕКУЛЯРНОЙ БИОЛОГИИ

Итак, ДНК как "вещество наследственности" несет в своей первичной структуре генетическую информацию живого организма, а в пространственной - возможность воспроизведения генетической информации в поколениях клеток и организмов. Однако непосредственно в реализации генетической информации ДНК не участвует. Для этого существует РНК - полимер, химически подобный ДНК, не спаренный с комплементарной цепью и, следовательно, не организованный в двойную спираль.

В качестве боковых групп цепь РНК имеет те же остатки азотистых оснований А, G и С, что и ДНК, и лишь вместо Т присутствует его деметилированно производное - урацил (U). Все четыре упомянутые боковые группы РНК тоже способны комплементарно взаимодействовать (спариваться) с соответствующими основаниями другой цепи ДНК и РНК - А с Т или U, G с С, С с G и U с А. Отсюда ясен путь, как генетическая информация, записанная в виде линейной последовательности азотистых оснований ДНК, переписывается (транскрибируется) в такую же последовательность в одноцепочечных РНК с эквивалентной заменой Т на U. Если допустить расхождение двух цепей ДНК и постройку на одной из них комплементарной цепи РНК, то образуется РНК, идентичная другой цепи ДНК (с эквивалентной заменой Т на U). Таким способом генетический материал (ДНК) копируется в виде цепей РНК, и с различных отрезков ДНК, представляющих собой гены, может сниматься большое количество РНК-копий. Они-то и принимают непосредственное участие в реализации записанной в них (копированной) генетической информации.

Генетическая информация реализуется через биосинтез белков. Именно белки определяют признаки организмов - их строение, обмен веществ, поведение и т. д. Цепи РНК, копирующие гены, - так называемые информационные, или матричные РНК (мРНК) - служат матрицами для синтеза всех белков организма. Синтез белков происходит на внутриклеточных частицах - рибосомах. Генетическая информация - суть информация о структуре белков, закодированных в нуклеиновых кислотах (ДНК и РНК) в виде линейной последовательности их боковых групп - азотистых оснований (четырехбуквенный код). Рибосомы программируются цепями мРНК, и белки строятся по этим программам: происходит декодирование - перевод (трансляция) - с языка нуклеиновых кислот на язык структуры белков-полимеров совсем другой химической природы. Таким образом, ДНК (гены) транскрибируется в РНК, а РНК транслируется в белки: ДНК -> РНК -> белок. Это положение получило название "центральной догмы молекулярной биологии" * .

БИОТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ РЕВОЛЮЦИЯ

В 50 - 70-е годы молекулярная биология развивалась как чисто фундаментальная наука. Гигантский прорыв в знаниях о самом существе жизни, казалось, не сулил никаких непосредственных выходов в практику. Тем не менее это была (и есть) дорогостоящая наука, и правительства наиболее развитых стран, в первую очередь США, Великобритании, Франции, Германии и Японии, серьезнейшим образом ее субсидировали. Видимо, общая культура этих наций и их правительств подсказывала им: фундаментальные знания в любом случае рано или поздно породят серьезные открытия в прикладных областях. Действительно, период с 1970 по 1980 г. стал началом биотехнологической революции - на фундаменте молекулярной биологии возник ряд новых мето-


* См.: Е. И. Благонравова. Загадки структуры гена. - Наука в России, 1993, N 5-6 (прим. ред.).

стр. 41


дических подходов, породивших, прежде всего, генную инженерию.

Так как наследственность организмов, их генотип и фенотип определяются генами, а гены есть вещество с известной принципиальной структурой (ДНК), то были разработаны соответствующие методы манипулирования этим веществом вне организма. Ученые научились выделять в чистом виде индивидуальные гены - строго определенные фрагменты ДНК. Были открыты ферменты, способные разрезать цепи ДНК в специфических местах, и ферменты, сшивающие куски ДНК друг с другом, с восстановлением непрерывной структуры цепей ДНК. Таким путем были созданы методы искусственной рекомбинации генов в пробирке, когда ген или его фрагмент одного организма сшивается с геном или фрагментом другого, давая новый - рекомбинантный или химерный - наследственный материал. Стало реальным вносить локальные изменения в выделенные гены, т. е. производить искусственный мутагенез - изменения наследственности - вне организма. Были разработаны методы химического синтеза ДНК и, следовательно, синтеза новых генов с заранее определенными кодирующими свойствами. Наконец, был открыт метод так называемой полимеразной цепной реакции (ПЦР), с помощью которого стало возможным размножать гены и их искусственные варианты вне организмов, в пробирке * .

Генная инженерия в пробирке была бы мертва, если бы не удалось открыть и развить методы введения ДНК, а значит, любых генов - чужеродных, видоизмененных, химерных, синтетических и т. п. - в живые клетки и организмы. Пионерская работа О. Эвери, С. МакЛеод и М. МакКарти (США), опубликованная еще в 1944 г., была первым экспериментом по введению чистой ДНК в бактерии и первым примером переноса наследственного признака из одного организма в другой с помощью ДНК. Данная манипуляция и подобные ей получили название трансформации клеток. В дальнейшем были разработаны и другие методы доставки генетического материала в виде ДНК внутрь живых клеток. Одним из наиболее эффективных из них является трансфекция, когда чужеродный ген вводят с помощью вируса, к ДНК которого добавлена ДНК, представляющая собой данный ген. Чужеродные гены могут быть доставлены и в яйцеклетки высших организмов - животных и растений, и в таком случае из яйца развивается так называемый трансгенный организм, несущий ген и соответствующий признак совсем другого существа - бактерии, растения или животного.

В настоящее время человечество для своих нужд использует большое разнообразие трансгенных организмов. Первыми были бактерии, несущие некоторые гены человека или животных, среди них бактерии, вырабатывающие человеческий инсулин или интерферон; микробы, синтезирующие антигены вирусов человека - например, вируса гепатита - для получения противовирусных вакцин; микроорганизмы, продуцирующие гормоны, ферменты, другие полезные белки ** . Примеры трансгенных животных - корова с генами, отвечающими за синтез некоторых важных белков человеческого молока, и потому дающая молоко подобное женскому для кормления грудных младенцев; коза, производящая человеческий интерферон в своем молоке; свинья, продуцирующая человеческие иммуноглобулины или готовые антитела против инфекций, поражающих людей *** .

Трансгенные растения также могут нести человеческие гены и синтезировать человеческие белки, в частности антитела. Выведен горох, в котором присутствует ген из бактерии, кодирующий белок, убивающий опасного вредителя - жука-долгоносика; капуста с геном устойчивости против гербицидов, что позволяет уничтожать на полях все сорняки, не вредя посадкам культуры. Многие трансгенные растения и домашние животные несут чужеродные гены, определяющие синтез белков, ценных в пищевом отношении.

В последние годы развитие техники введения ДНК в клетки человеческих органов и тканей создало новое мощное медицинское направление - генную терапию * . Пожалуй, первым успешным клиническим применением этой техники было лечение наследственного инфаркта миокарда в 1992 г. в одной из клиник США. У молодой пациентки был дефектен ген, ответственный за выработку в печени белка, адсорбирующего липопротеиды низкой плотности из крови (последние ответственны за сужение сосудов, приводящее к инфаркту). Больная должна была умереть. У нее был взят кусочек печени, дезинтегрирован на клетке, и в эти клетки путем трансфекции введена ДНК (ген), кодирующий нормальный белок, после чего эти трансформированные клетки опять ввели в печень пациентки. Новые клетки прижились и начали производить нужный белок. Наследственная болезнь была преодолена.

Через семь лет в США начали применять генную терапию и для безоперационного предупреждения "обычных" - ненаследственных - инфарктов. Вместо того, чтобы традиционным хирургическим путем делать шунтирование суженного коронарного сосуда сердца, туда вводят баллончик, пропитанный ДНК, кодирующей белок, называемый "эндотелиальным фактором роста сосудов". ДНК проникает в окружающие сужение клетки и провоцирует рост обводных сосудов.

В настоящее время генная терапия все шире применяется для лечения других наследственных заболеваний человека и исправления генных аномалий, возникающих в разных органах в течение его жизни, в том числе для борьбы с рядом раковых заболеваний.

Еще одно важное и очень перспективное направление, примыкающее к генной терапии, основано на возможности современной молекулярной биологии осуществлять специфическую, узко избирательную атаку на любой определенный участок генома организма, т. е. на выбранный ген в самих клетках. Это делается с


* См.: А. А. Баев. Путь к биологии XXI века. - Наука в России, 1994, N 4 (прим. ред.).

** См.: С. Г. Винокурова. Биотехнология: пора взлета и трудностей. - Наука в России, 1993, N 5-6 (прим. ред.).

*** См.: Л. К. Эрнст. Начало эры трансгенов. - Наука в СССР, 1990, N 4 (прим. ред.).

**** См.: Б. Л. Переверзев. Генетика в центре проблем. - Наука в России, 1993, N 1 (прим. ред.).

стр. 42


стр. 43


помощью нуклеиновых кислот или их производных, комплементарных какому-либо участку выбранного гена. Их называют "антисмысловыми нуклеиновыми кислотами", и чаще всего - это соответствующие РНК или их производные. Введенные в клетку, они специфически связываются только с комплементарным им участком и блокируют его функцию или, если несут на себе химически активную группу, модифицируют или разрушают его. Таким путем можно инактивировать вредный ген, мутантный ген, ген, вызывающий раковое перерождение клетки, и т. д. В последнее время открыта новая возможность избирательной инак- тивации генов с помощью синтетических двуспиральных РНК.

БИОЛОГИЧЕСКАЯ ОПАСНОСТЬ

Наряду с положительными результатами бурного прогресса в области практического применения молекулярной биологии у этого процесса есть и негативные стороны. Основная опасность состоит в том, что все достижения и технологические разработки генной инженерии, генной терапии и других направлений биотехнологии могут быть непосредственно использованы для создания биологического оружия нового поколения. Здесь дело только в замене объекта генного вмешательства.

Прежде всего "классическое" биологическое оружие - особо опасные инфекции (чума, холера, сибирская язва) - можно сделать неуязвимыми для иммунопрофилактики, иммунотерапии и лечения антибиотиками путем генноинженерных модификаций соответствующих бактериальных геномов. На базе вирусов (таких, как вирус оспы или осповакцины) нетрудно разрабатывать разнообразные типы биологического оружия, вводя в их геном вредные гены - гены токсинов, активаторов малигнизации * , активаторов апоптоза (запрограммированная смерть клеток), ингибиторов иммунитета и т. п. Дело техники - создание рекомбинантных вирусов, в том числе быстро убивающих жертву вирусов неизлечимых геморрагических лихорадок (типа вируса Эбола), или, наоборот, "медленных" и латентных вирусов, активируемых в определенное время по какому-либо специальному сигналу. "Оружием" могут быть и трансгенные растения - например, сорняки, искусственно подготовленные к противостоянию гербицидам и паразитицидам, или зерно, овощи и фрукты, содержащие вредные для человека гены. Еще более страшной перспективой представляется молекулярное генное оружие - стабилизированные антисмысловые ДНК и РНК, способные выключать жизненно важные гены человека, а также стабилизированные проникающие гены, кодирующие токсичные и иные вредные белки. Не исключено создание инфекционных нуклеиновых кислот, кодирующих системы их собственной репликации в клетках хозяина или неконтролируемой репликации мРНК хозяина ** .

Особенность биологического оружия нового поколения заключается в том, что, являясь оружием массового поражения, оно для своего создания не требует гигантских денежных затрат и больших производственных мощностей. Нужны знания и высокая квалификация в области молекулярной биологии. Поэтому такое средство войны может стать доступным для любой маленькой страны и террористической группы. Кроме того, биологическое оружие легко замаскировать - нападающую сторону будет нелегко обнаружить. В свете сказанного именно биологический терроризм представляет наибольшую опасность с точки зрения разработки и применения современного биологического оружия.

Другая опасность для человечества исходит от его вполне мирных намерений создания и использования новых рекомбинантных генов и трансгенных организмов, в первую очередь для повышения производительности и качества сельскохозяйственной продукции, пищевой и медицинской промышленности. К сожалению, очень трудно заранее предсказать отрицательные последствия распространения и употребления новых генов для других живых организмов, включая человека. Ряд случаев таких негативных эффектов уже отмечено в прессе. Не исключено неконтролируемое распространение искусственных генных созданий с непредсказуемыми последствиями вследствие нарушения природного экологического равновесия. Точно так же внедрение и неконтролируемое распространение генов может оказаться пагубным для метаболического равновесия индивидуальных живых систем - организмов.

Техника создания трансгенных организмов таит в себе и еще одну опасность для человечества, состоящую в перенесении ее на человека с целью манипулирования его наследственностью. Ведь разработанные и сравнительно легкие процедуры введения чужеродных генов в яйцеклетки животных делают соблазнительным нелегальное получение трансгенных людей с наперед заданными свойствами.

Нельзя не сказать и об отсроченной опасности генной терапии. Лечение наследственных дефектов и мутаций человека путем введения нормальных генов в клетки его органов и тканей или блокадой (разрушением) мутантных - ненормальных - генов этих организмов и тканей исправляет функции органов и тканей в течение жизни, но наследственность не меняет. Значит, потомство данного пациента будет наследовать дефект. Отсюда ясно: активное применение генной терапии к особям с различными наследственными, в том числе летальными, дефектами и мутациями приведет к дефектности потомства, которое, естественно, тоже будет лечиться методами генной терапии. В итоге систематическое использование генной терапии будет приводить к накоплению дефектных и летальных генов в человеческой популяции и, следовательно, постепенной деградации его генофонда.

Таким образом, прогресс в области молекулярной биологии и ее практических применений ставит перед человечеством целый ряд трудноразрешимых проблем. Биологическая безопасность превращается в одну из главных задач человечества в третьем тысячелетии.


* Малигнизация - превращение исходно доброкачественной клетки в злокачественную (прим. ред.).

** См.: Ю. М. Лопухин, Б. Г. Юдин. Биоэтика в России и для России. - Наука в России, 1993, N 5-6 (прим. ред.).


© elibrary.com.ua

Permanent link to this publication:

https://elibrary.com.ua/m/articles/view/ВЫЗОВЫ-СОВРЕМЕННОЙ-БИОЛОГИИ

Similar publications: LRussia LWorld Y G


Publisher:

Бельбек ТахумовContacts and other materials (articles, photo, files etc)

Author's official page at Libmonster: https://elibrary.com.ua/Scientist

Find other author's materials at: Libmonster (all the World)GoogleYandex

Permanent link for scientific papers (for citations):

ВЫЗОВЫ СОВРЕМЕННОЙ БИОЛОГИИ // Kiev: Library of Ukraine (ELIBRARY.COM.UA). Updated: 17.06.2014. URL: https://elibrary.com.ua/m/articles/view/ВЫЗОВЫ-СОВРЕМЕННОЙ-БИОЛОГИИ (date of access: 04.12.2021).


Comments:



Reviews of professional authors
Order by: 
Per page: 
 
  • There are no comments yet
Related topics
Publisher
1066 views rating
17.06.2014 (2727 days ago)
0 subscribers
Rating
0 votes
Related Articles
Несмотря на все провалы за 2,5 года практически неограниченной власти, ближайшее окружение Зеленского старательно убеждает президента в его гениальности и он похоже верит. Аплодисменты заглушали крики «ганьба» так качественно, что Зеленский вжился в роль успешного политика и даже аплодировал себе сам.
Catalog: Разное 
19 hours ago · From Naina Kravetz
UNDER ADVERSE CONDITIONS
Catalog: Экономика 
Yesterday · From Україна Онлайн
THE "EUROPEAN CHOICE" OF UKRAINE WITHOUT THE "UKRAINIAN CHOICE" OF THE EU
Yesterday · From Україна Онлайн
THE NEW CYCLE OF ALLIANCE ENLARGEMENT: UKRAINE AND NATO
Yesterday · From Україна Онлайн
Люди делового миа
Yesterday · From Україна Онлайн
ДА БУДЕТ ГАЗ!
Catalog: Разное 
Yesterday · From Україна Онлайн
А вообще весь этот кейс с комиками во власти заставил понять, что киношный сценарий разительно отличается от реальной большой политики, где побеждает трезвый, незамутненный запрещенными веществами ум, холодный расчет и опыт – как обязательные составляющие личности, дерзающей определять путь миллионов человек.
Catalog: Разное 
4 days ago · From Naina Kravetz
Когда менять резину на зимнюю в 2021 году?
4 days ago · From Україна Онлайн
Запрещает ли PayPal азартные игры?
Catalog: Экономика 
5 days ago · From Україна Онлайн
IN THE INTERESTS OF ENERGY STABILITY
10 days ago · From Україна Онлайн

Actual publications:

Latest ARTICLES:

ELIBRARY.COM.UA is an Ukrainian library, repository of author's heritage and archive

Register & start to create your original collection of articles, books, research, biographies, photographs, files. It's convenient and free. Click here to register as an author. Share with the world your works!
ВЫЗОВЫ СОВРЕМЕННОЙ БИОЛОГИИ
 

Contacts
Watch out for new publications: News only: Chat for Authors:

About · News · For Advertisers · Donate to Libmonster

Ukraine Library ® All rights reserved.
2009-2021, ELIBRARY.COM.UA is a part of Libmonster, international library network (open map)
Keeping the heritage of Ukraine


LIBMONSTER NETWORK ONE WORLD - ONE LIBRARY

US-Great Britain Sweden Serbia
Russia Belarus Ukraine Kazakhstan Moldova Tajikistan Estonia Russia-2 Belarus-2

Create and store your author's collection at Libmonster: articles, books, studies. Libmonster will spread your heritage all over the world (through a network of branches, partner libraries, search engines, social networks). You will be able to share a link to your profile with colleagues, students, readers and other interested parties, in order to acquaint them with your copyright heritage. After registration at your disposal - more than 100 tools for creating your own author's collection. It is free: it was, it is and always will be.

Download app for smartphones