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.).

Постоянный адрес данной публикации: