7. Биохимия жизни.
Установлено, что клетки всех живых организмов сходны по химическому составу - особенно велико содержание в клетках водорода, кислорода, углерода и азота (эти элементы составляют более 98% от всего содержимого клетки). Остальные 2% составляют примерно 50 химических элементов.
Клетки живых организмов содержат неорганические вещества - воду (в среднем до 80 %) и минеральные соли, а также - органические соединения: 90% сухой массы клетки приходится на биополимеры - белки, нуклеиновые кислоты, углеводы, липиды.
Белки регулируют обмен веществ клетки, нуклеиновые кислоты - хранители наследственной информации. Липиды (жиры и жироподобные вещества) выполняют энергетическую роль, участвуют в процессах обмена веществ и размножения клеток. Углеводы служат источником энергии, строительным материалом (клеточная стенка у растений состоит в основном из полисахарида целлюлозы) и выполняют запасающую функцию, накапливаясь в качестве резервного продукта.
Белки - это биополимеры, мономерами которых являются аминокислоты. Все белки живых организмов построены из 20 аминокислот. Несмотря на это разнообразие белковых молекул огромно. Аминокислоты содержат в себе как кислотную группу СООН, так и щелочную группу NH. Благодаря этому аминокислоты легко соединяются между собой. Молекулы разных белков сильно различаются по массе, содержанию разных аминокислот и порядку их расположения. Поэтому молекулярная масса белков колеблется от десятков тысяч до десятков миллионов! Изменение последовательности даже одной пары аминокислот влечет изменение свойств исходного белка и превращение его в новый. Установлено, что белки, сами по себе, без контролирующего воздействия нуклеиновых кислот, размножаться не могут.
Нуклеиновые кислоты имеют первостепенное биологическое, значение и представляют собой сложные биополимеры, мономерами которых являются нуклеотиды, резко отличающиеся от аминокислот. Нуклеотиды включают три компонента: азотистое основание, углевод и остаток фосфорной кислоты. Разнообразие их сочетаний - определяет индивидуальную природу нуклеиновых кислот. Существует два типа нуклеиновых кислот: дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) и рибонуклеиновая кислота (РНК).
ДНК расположена главным образом в ядре клетки, а РНК - преимущественно в цитоплазме. ДНК является хранителем наследственной информации. Наследственная информация в ДНК определяется порядком взаимного расположения в них азотистый оснований, который воспроизводится в дочерних молекулах. РНК в качестве посредников помогают передаче генетической информации в процессе биосинтеза белка. Если при этом будет поврежден какой-либо нуклеотид в молекуле ДНК, то не будет образован тот белок-фермент, за синтез которого отвечает ДНК, а это повлечет нарушение нормального обмена веществ клетки и сделает ее неполноценной.
8. Генетика:
а) История зарождения генетики
Истоки генетики, как и всякой науки, следует искать в практике. Генетика возникла в связи с разведением домашних животных и возделыванием растений, а также с развитием медицины. С тех пор как человек стал применять скрещивание животных и растений, он столкнулся с тем фактом, что свойства и признаки потомства зависят от свойств избранных для скрещивания родительских особей. Отбирая и скрещивая лучших потомков, человек из поколения в поколение создавал родственные группы - линии, а затем породы и сорта с характерными для них наследственными свойствами.
Хотя эти наблюдения и сопоставления еще не могли стать базой для формирования науки, однако бурное развитие животноводства и племенного дела, а также растениеводства и семеноводства во второй половине XIX века породило повышенный интерес к анализу явления наследственности.
Развитию науки о наследственности и изменчивости особенно сильно способствовало учение Ч. Дарвина о происхождении видов, которое внесло в биологию исторический метод исследования эволюции организмов. Сам Дарвин приложил немало усилий для изучения наследственности и изменчивости. Он собрал огромное количество фактов, сделал на их основе целый ряд правильных выводов, однако ему не удалось установить закономерности наследственности, Его современники, так называемые гибридизаторы, скрещивавшие различные формы и искавшие степень сходства и различия между родителями и потомками, также не смогли установить общие закономерности наследования.
Еще одним условием, способствовавшим становлением генетики как науки, явились достижения в изучении строения и поведения соматических и половых клеток. Еще в 70-х годах прошлого столетия рядом исследователей - цитологов (Чистяковым в 1972 г., Страсбургером в 1875 г.) было открыто непрямое деление соматической клетки, названное кариокинезом (Шлейхером в 1878 г.) или митозом (Флеммингом в 1882 г.). Постоянные элементы ядра клетки в 1888 г. по предложению Вальдейра получили название "хромосомы". В те же годы Флемминг разбил весь цикл деления клетки на четыре главные фазы: профаза, метафаза, анафаза и телофаза.
Одновременно с изучением митоза соматической клетки шло исследование развития половых клеток и механизма оплодотворения у животных и растений. О. Гертвиг в 1876 г. впервые у иглокожих устанавливает слияние ядра сперматозоида с ядром яйцеклетки. Н. Н. Горожанкин в 1880 г. и Е. Страсбургер в 1884 г. устанавливает то же самое для растений: первый - для голосеменных, второй — для покрытосеменных.
В те же Ван-Бенеденом (1883 г.) и другими выясняется кардинальный факт, что в процессе развития половые клетки, в отличие от соматических, претерпевают редукцию числа хромосом ровно вдвое, а при оплодотворении - слиянии женского и мужского ядра — восстанавливается нормальное число хромосом, постоянное для каждого вида. Тем самым было показано, что для каждого вида характерно определенное число хромосом.
Итак, перечисленные условия способствовали возникновению генетики как отдельной биологической дисциплины - дисциплины с собственными предметом и методами исследования.
Официальным рождением генетики принято считать весну 1900 г., когда три ботаника, независимо друг от друга, в трех разных странах, на разных объектах, пришли к открытию некоторых важнейших закономерностей наследования признаков в потомстве гибридов. Г. де Фриз (Голландия) на основании работы с энотерой, маком, дурманом и другими растениями сообщил "о законе расщепления гибридов; К. Корренс (Германия) установил закономерности расщепления на кукурузе и опубликовал статью "Закон Грегора Менделя о поведении потомства у расовых гибридов"; в том же году К. Чермак (Австрия) выступил в печати со статьей (Об искусственном скрещивании у Pisum Sativum).
Наука почти не знает неожиданных открытий. Самые блестящие открытия, создающие этапы в ее развитии, почти всегда имеют своих предшественников. Так случилось и с открытием законов наследственности. Оказалось, что три ботаника, открывших закономерность расщепления в потомстве внутривидовых гибридов, всего-навсего "переоткрыли" закономерности наследования, открытые еще в 1865 г. Грегором Менделем и изложенные им в статье "Опыты над растительными гибридами", опубликованной в "трудах" Общества естествоиспытателей в Брюнне (Чехословакия).
Г. Мендель (1822-1884) на растениях гороха разрабатывал методы генетического анализа наследования отдельных признаков организма и установил два принципиально важных явления:
признаки определяются отдельными наследственными факторами, которые передаются через половые клетки;
отдельные признаки организмов при скрещивании не исчезают, а сохраняются в потомстве в том же виде, в каком они были у родительских организмов.
Для теории эволюции эти принципы имели кардинальное значение. Они раскрыли один из важнейших источников изменчивости, а именно механизм сохранения приспособленности признаков вида в ряду поколений. Если бы приспособительные признаки организмов, возникшие под контролем отбора, поглощались, исчезали при скрещивании, то прогресс вида был бы невозможен.
Все последующее развитие генетики было связано с изучением и расширением этих принципов и приложением их к теории эволюции и селекции.
Из установленных принципиальных положений Менделя логически вытекает целый ряд проблем, которые шаг за шагом получают свое разрешение по мере развития генетики. В 1901 г. Гуго де Фриз (1848—1935) формулирует теорию мутаций, в которой утверждается, что наследственные свойства и признаки организмов изменяются скачкообразно - мутационно.
В 1903 г. датский физиолог растений В. Иоганнсен публикует работу "О наследовании в популяциях и чистых линиях", в которой экспериментально устанавливается, что относящиеся к одному сорту внешне сходные растения являются наследственно различными - они составляют популяцию. Популяция состоит из наследственно различных особей или родственных групп - линий. В этом же исследовании наиболее четко устанавливается, существование двух типов изменчивости организмов: наследственной, определяемой генами, и ненаследственной, определяемой случайным сочетанием факторов, действующих на проявление признаков.
На следующем этапе развития генетики было доказано, что наследственные формы связаны с хромосомами. Первым фактом, раскрывающим роль хромосом в наследственности, было доказательство роли хромосом в определении пола у животных и открытие механизма расщепления по полу 1:1.
С 1911 г. Т. Морган (1866—1945) с сотрудниками в Колумбийском университете США начинает публиковать серию работ, в которой формулирует хромосомную теорию наследственности. Экспериментально доказывая, что основными носителями генов являются хромосомы, и что гены располагаются в хромосомах линейно.
В 1922 г. Н. И. Вавилов формулирует закон гомологических рядов в наследственной изменчивости, согласно которому родственные по происхождению виды растений и животных имеют сходные ряды наследственной изменчивости. Применяя этот закон, Н.И. Вавилов установил центры происхождения культурных растений, в которых сосредоточено наибольшее разнообразие наследственных форм.
В 1925 г. у нас в стране Г. А. Надсон и Г. С. Филиппов на грибах, а в 1927 г. Г. Меллер в США на плодовой мушке дрозофиле получили доказательство влияния рентгеновых лучей на возникновение наследственных изменений. При этом было показано, что скорость возникновения мутаций увеличивается более чем в 100 раз. Этими исследованиями была доказана изменчивость генов под влиянием факторов внешней среды. Доказательство влияния ионизирующих излучений на возникновение мутаций привело к созданию нового раздела генетики — радиационной генетики, значение которой еще более выросло с открытием атомной энергии.
В 1934 г. Т. Пайнтер на гигантских хромосомах слюнных желез двукрылых доказал, что прерывность морфологического строения хромосом, выражающаяся в виде различных дисков, соответствует расположению генов в хромосомах, установленному ранее чисто генетическими методами. Этим открытием, было, положено начало изучению структуры и функционирования гена в клетке.
В период с 40-х годов и по настоящие время сделан ряд открытия (в основном на микроорганизмах) совершенно новых генетических явлений, раскрывших возможности анализа структуры гена на молекулярном уровне. В последние годы с введением в генетику новых методов исследования, заимствованных из микробиологии мы подошли к разгадке того, каким образом гены контролируют последовательность расположения аминокислот в белковой молекуле.
Прежде всего, следует сказать о том, что теперь полностью доказано, что носители наследственности являются хромосомы, которые состоят из пучка молекул ДНК.
Были проведены довольно простые опыты: из убитых бактерий одного штамма, обладающего особым внешним признаком, выделили чистую ДНК и перенесли в живые бактерии другого штамма, после чего размножающиеся бактерии последнего приобрели признак первого штамма. Подобные многочисленные опыты показывают, что носителем наследственности является именно ДНК.
В 1953 г. Ф. Крик (Англия) и Дж. Уотстон (США), опираясь на результаты опытов генетиков и биохимиков и на данные рентгеноструктурного анализа расшифровали строение молекулы ДНК. Они установили, что каждая молекула ДНК слагается из двух полидезоксирибонуклеиновых цепочек, спирально закрученных вокруг общей оси.
Предложенная ими модель ДНК хорошо согласуется с биологической функцией этого соединения: способностью к самоудвоению генетического материала и устойчивому сохранению его в поколениях - от клетки к клетке. Эти свойства молекул ДНК объяснили и молекулярный механизм изменчивости: любые отклонения от исходной структуры гена, ошибки самоудвоения генетического материала ДНК, однажды возникнув, в дальнейшем точно и устойчиво воспроизводятся в дочерних нитях ДНК. В последующее десятилетие эти положения были экспериментально подтверждены: уточнилось понятие гена, был расшифрован генетический код и механизм его действия в процессе синтеза белка в клетке.
Кроме того, были найдены методы искусственного получения мутаций и с их помощью созданы ценные сорта растений и штаммы микроорганизмов - продуцентов антибиотиков, аминокислот. В настоящее время найдены подходы к решению вопроса об организации наследственного кода и экспериментальной его расшифровке.
Генетика совместно с биохимией и биофизикой вплотную подошла к выяснению процесса синтеза белка в клетке и искусственному синтезу белковой молекулы. Этим начинается совершенно новый этап развития не только генетики, но и всей биологии в целом.
В последнее десятилетие возникло новое направление в молекулярной генетике - генная инженерия - система приемов, позволяющих биологу конструировать искусственные генетические системы. Генная инженерия основывается на универсальности генетического кода: триплеты нуклеотидов ДНК программируют включение аминокислот в белковые молекулы всех организмов - человека животных, растений, бактерий, вирусов. Благодаря этому можно синтезировать новый ген или выделить его из одной бактерии и ввести его в генетический аппарат другой бактерии, лишенной такого гена.
Развитие генетики до наших дней - это непрерывно расширяющийся фонт исследований функциональной, морфологической и биохимической дискретности хромосом. В этой области сделано уже очень много, и с каждым днем передний край науки приближается к цели - разгадки природы гена. К настоящему времени установлен целый ряд явлений, характеризующих природу гена:
- во-первых, ген в хромосоме обладает свойством самовоспроизводится (авторепродукции);
- во-вторых, он способен мутационно изменяться;
- в-третьих, он связан с определенной химической структуры дезоксирибонуклеиновой кислоты - ДНК;
- в-четвертых, он контролирует синтез аминокислот и их последовательностей в белковой молекуле.
В связи с последними исследованиями формируется новое представление о гене как функциональной системе, а действие гена на определение признаков рассматривается в целостной системе генов - генотипе.
Раскрывающиеся перспективы синтеза живого вещества привлекают огромное внимание генетиков, биохимиков, физиков и других специалистов.
б) Предмет и направления генетики.
Генетика - наука о наследственности и изменчивости организмов. Генетика - дисциплина, изучающая механизмы и закономерности наследственности и изменчивости организмов, методы управления этими процессами. Она призвана раскрыть законы воспроизведения живого по поколениям, появление у организмов новых свойств, законы индивидуального развития особи и материальной основы исторических преобразований организмов в процессе эволюции. Первые две задачу решают теория гена и теория мутаций. Выяснение сущности воспроизведения для конкретного разнообразия форм жизни требует изучения наследственности у представителей, находящихся на разных ступенях эволюционного развития. Объектами генетики являются вирусы, бактерии, грибы, растения, животные и человек. На фоне видовой и другой специфики в явлениях наследственности для всех живых существ обнаруживаются общие законы. Их существование показывает единство органического мира.
Генетика - наука, изучающая закономерности и материальные основы наследственности и изменчивости организмов, а также механизмы эволюции живого.
Наследственностью называется свойство одного поколения передавать другому признаки строения, физиологические свойства и специфический характер индивидуального развития. Свойства наследственности реализуются в процессе индивидуального развития.
Наряду со сходством с родительскими формами в каждом поколении возникают те или иные различия у потомков, как результат проявления изменчивости.
Изменчивостью называется свойство, противоположное наследственности, заключающееся в изменении наследственных задатков - генов и в изменении их проявления под влиянием внешней среды. Отличия потомков от родителей возникают также вследствие возникновения различных комбинаций генов в процессе мейоза и при объединении отцовских и материнских хромосом в одной зиготе. Здесь надо отметить, что выяснение многих вопросов генетики, особенно открытие материальных носителей наследственности и механизма изменчивости организмов, стало достоянием науки последних десятилетий, выдвинувших генетику на передовые позиции современной биологии. Основные закономерности передачи наследственных признаков были установлены на растительных и животных организмах, они оказались приложимы и к человеку.
Генетика как наука решает следующие основные задачи:
- изучение способов хранения генетической информации у разных организмов (вирусов, бактерий, растений, животных, человека) и ее материальные носители;
- анализ способов передачи наследственной информации от одного поколения клеток и организмов к другому;
- выявление механизмов и закономерностей реализации генетической информации в процессе индивидуального развития;
- изучение закономерностей и механизмов изменчивости и ее роли в приспособительных реакциях и в процессе эволюции;
- поиск путей исправления поврежденной генетической информации.
в) Достижения генной инженерии.
Генная инженерия и биоэтика
Генная инженерия - область молекулярной генетики, возникшая в 70-х годах XX в и связанная с разработкой методов получения генов или генетических структур и внедрением их в новое генетическое окружение с целью создания живых организмов с новыми заранее предопределенными признаками.
Генная инженерия предполагает использование научных биологических методов изменения и преобразования генетического материала с целью изменения каких-либо черт наследственности.
В 1953 г. был зафиксирован колоссальный прорыв науки в познании структуры живой материи. Американский ученый Дж. Уотсон (р. 1928) и английский ученый Ф. Крик (р. 1916) раскрыли структуру носителя наследственности всего живого на Земле - ДНК. Была раскрыта величайшая тайна природы - зашифрованная программа наследственности.
Способ, которым молекулы ДНК сохраняют и передают информацию, необходимую живому организму для построения белков и выполнения определенных биохимических функции, получил название генетического кода. Каждый из примерно 100 000 генов человеческого организма состоит из четырех одинаковых оснований: аденина (А), цитозина (С), гуанина (G) и тимина (Т), расположенных в определенной последовательности, которая и определяет функцию того или иного гена. Характер наследственности записывается с помощью букв генетического кода (A,C,G,T), повторяющихся многие миллионы раз в разных сочетаниях вдоль нитей ДНК. Перечисленные четыре основания всегда соединяются попарно и создают две нити молекулы ДНК, имеющие вид скрученной спирали, называемой двойной спиралью. Ученые, расшифровав генетический код, смогли проникнуть в информацию, записанную на нитях ДНК. В этом коде имеется четкое химическое описание определенного живого организма: гены управляют химизмом жизненных процессов и определяют все врожденные характеристики организма - от группы крови до цвета глаз.
В геноме каждого человека должны быть какие-то области, определяющие его индивидуальность. Поиски таких областей велись учеными всего мира очень давно, однако, решение проблемы долго не давалась. Некоторые гены так устроены, что отличаются у человека и крысы всего несколькими нуклеотидами - знаками генетического кода. Другие гены существенно различаются у человека и крысы, но совершенно одинаковы у двух людей. Изменчивость, связанная с существованием генов, подобных генам группы крови у человека, также не объясняет огромного разнообразия природных белков.
В 1985 г. поиски индивидуальных последовательностей ДНК, наконец, увенчались успехом. Были обнаружены в геноме человека особые сверхизменчивые участки - мини-сателлиты. Такие мини-сателлитные ДНК оказались настолько индивидуальны у каждого человека, что с их помощью удалось получить как бы "портрет" его ДНК, точнее, определенных генов.
Как же выглядит этот "портрет". Это сложное сочетание темных и светлых полос, похожее на слегка размытый спектр, или на клавиатуру из темных и светлых клавиш разной толщины. Такое сочетание полос называют ДНК-отпечатками по аналогии с отпечатками пальцев. Иногда также говорят: "ДНК-профиль". Оказалось, что с помощью отпечатков ДНК можно провести идентификацию личности гораздо более успешную, чем это позволяли сделать традиционные методы отпечатков пальцев и анализ крови. Причем ответ экспертизы будет не "возможно", а "да, это он". Вероятность ошибки - одна на несколько миллиардов. Неудивительно, что новым открытием немедленно воспользовались криминалисты. Открытие, сделанное на самом острие современной науки, было быстро и очень эффективно применено на практике.
Сейчас и в России, и за рубежом генетическая экспертиза прочно вошла в жизнь криминалистики. Ученые оказывают помощь следствию в самых сложных, запутанных судебных делах, где остальные методы отказываются работать.
Оказалось, что с помощью ДНК-отпечатков можно расследовать преступления не только настоящего времени, но и глубокого прошлого.
Генетические экспертизы по установлению отцовства - наиболее частый повод обращения судебных органов к генетической дактилоскопии. В судебные учреждения обращаются мужчины, сомневающиеся в своем отцовстве, и женщины, желающие получить развод на основании того, что их муж не отец ребенка. Идентификацию материнства можно проводить по отпечаткам ДНК матери и ребенка в отсутствие отца, и, наоборот, для установления отцовства достаточно ДНК-отпечатков отца и ребенка. При наличии же материала матери, отца и ребенка ДНК-отпечатки выгладят не сложнее, чем картинка из школьного учебника: каждая полоса, на ДНК-отпечатке ребенка может быть «адресована» либо отцу, либо матери.
Генетиков всего мира интересуют сейчас прикладные аспекты генетической дактилоскопии. Обсуждаются вопросы паспортизации по отпечаткам ДНК преступников-рецидивистов, введения в картотеки следственных органов данных об отпечатках ДНК наряду с описанием внешности, особых примет, отпечатков пальцев.
Как только - исследователи научились понимать генетический код, неизбежным следующим шагом было попытаться изменить этот код - совершить инженерное вмешательство в генетику. При получении рекомбинаторных ДНК используются специализированные ферменты, позволяющие "отрезать" ген, взятый из одного организма, и вживить его в другой. Если такой перенос будет успешным, то организм получит информацию, содержащуюся в новом гене.
Сущность методов генной инженерии сводится к внедрению в микроорганизм (чаще прокариотный) гена другого живого организма, в результате чего клетка микроорганизма начинает синтезировать не свойственные ей белки, например, подобным образом получены инсулин, интерферон, гормон роста.
Одним из перспективных направлений генной инженерии является культивирование генов больных и здоровых людей в клетках других живых организмов с целью изучения молекулярных основ наследственных заболеваний человека.
Путем вмешательства человека в конструкцию ДНК были улучшены или изменены свойства десятков животных и растений, имевшие целью, например, повышение урожайности сельскохозяйственных культур и улучшение пород скота.
Первым с помощью генной инженерии был получен инсулин, затем интерферон, потом гормон роста. Позже сумели изменить наследственность свиньи, чтобы она не наращивала столько жира, коровы - чтобы ее молоко не скисало так быстро, кофе без кофеина, помидора с большим сроком хранения, «энергетическая ива» (ива с большой способностью восстанавливать поросль, которая поглощает в процессе фотосинтеза большее количество углекислого газа, чем выделяется при её горении, таким образом, она представляет собой экологически чистое и экономически выгодное топливо.). Благодаря вмешательству человека в конструкцию ДНК были улучшены или изменены качества десятков животных и растений.
Каким же образом получаются измененные (трансгенные) растения и животные?
Более четверти века назад были открыты ферменты рестриктазы, разделяющие длинную молекулу ДНК на отдельные участки - гены, причем эти кусочки приобретают «липкие» концы, позволяющие им встраиваться в разрезанную такими же рестриктазами чужую ДНК.
Самый распространенный способ внедрения чужих генов в наследственный аппарат растений - с помощью болезнетворной для растений бактерии Agrobacterium tumefaciens (в буквальном переводе с латыни — полевая бактерия, вызывающая опухоли). Эта бактерия умеет встраивать в хромосомы заражаемого растения часть своей ДНК, которая заставляет растение усилить производство гормонов, и в результате, некоторые клетки бурно делятся, возникает опухоль. В опухоли бактерия находит для себя отличную питательную среду и размножается. Для генной инженерии специально выведен штамм агробактерии, лишенный способности вызывать опухоли, но сохранивший возможность вносить свою ДНК в растительную клетку. Нужный ген вклеивают с помощью рестриктаз в кольцевую молекулу ДНК бактерии, так называемую плазмиду. Эта же плазмида несет ген устойчивости к антибиотику. Лишь очень небольшая доля таких операций оказывается успешной.
Те бактериальные клетки, которые примут в свой генетический аппарат «прооперированные» плазмиды, получат кроме нового полезного гена устойчивость к антибиотику, Их легко будет выявить, полив культуру бактерий антибиотиком, - все прочие клетки погибнут, а удачно получившие нужную плазмиду размножатся. Теперь этими бактериями заражают клетки, взятые, например, из листа растения. Опять приходится провести отбор на устойчивость к антибиотику: выживут лишь те клетки, которые приобрели эту устойчивость от плазмид агробактерии, а значит, получили и нужный нам ген.
Дальнейшее - дело техники, ботаники уже давно умеют вырастить целое растение из практически любой его клетки (см, «Наука и жизнь» № 3, 1986 г.).
Однако этот метод «работает» не на всех растениях: агробактерия, например, не заражает такие важные пищевые растения, как рис, пшеница, кукуруза. Поэтому разработаны и другие способы. Например, можно ферментами растворить толстую клеточную оболочку растительной клетки, мешающую прямому проникновению чужой ДНК, и поместить такие очищенные клетки в раствор, содержащий ДНК и какое-либо химическое вещество, способствующее ее проникновению в клетку (чаще всего применяется полиэтиленгликоль). Иногда в мембране клеток проделывают микроотверстия короткими импульсами высокого напряжения, а через отверстия в клетку могут пройти отрезки ДНК. Иногда применяют даже впрыскивание ДНК в клетку микрошприцем под контролем микроскопа. Несколько лет назад предложено покрывать ДНК сверхмалые металлические «пули», например шарики из вольфрама диаметром 1-2 микрона, и «стрелять» ими в растительные клетки. Проделываемые в стенке клетки отверстия быстро заживляются, а застрявшие в протоплазме «пули» так малы, что не мешают клетке функционировать. Часть «залпа» приносит успех; некоторые «пули» внедряют свою ДНК в нужное место. Дальше из клеток, воспринявших нужный ген, выращивают целые растения, которые затем размножаются обычным способом.
В 1988 г. Патентное ведомство США выдало патент на генетически измененную мышь - первый патент на создание животного. Мышь была генетически изменена, чтобы помочь при исследовании раковых заболеваний, и стала таким образом первым мутантом, созданным человеком. После 1988 г. в помощь медицинским исследованиям было создано еще несколько новых видов мышей по ставшей уже обычной технологии. Важнейшим из этих достижений был создание в 1989 г. вида мыши с иммунной системой человека. Можно ожидать, благодаря этому важному достижению будут существенно ускорены исследования в области медицины, занимающейся лечением СПИДа и других смертоносных болезней.
Способность биотехнологии исправлять ошибки природы находится пока в зачаточном состоянии. Первые официальные попытки применения генной терапии на человеке были одобрены в США комиссией экспертов-медиков в июле 1990 г. Получили одобрение два плана использования генной терапии против иммунного дефицита у детей и рака кожи у взрослых. Хотя эти усилия касаются только сравнительно редких болезней, данная работа открыла двери для развития методов генетического лечения широкого круга болезней в будущем.
Самые серьезные споры, связанные с генной инженерией, обусловлены той властью, которое человечество получает над процессами наследственности - способностью изменять генетическую структуру своего собственного вида. Первым этапом использования этой власти будет генная терапия - введение генов с "правильной" информацией в клетки, содержащие дефектные гены, или добавка новых генов, в коде которых имеются вещества для борьбы с болезнью. Одним из методов генной инженерии является клонирование.
Клон - это генетическая копия отдельного организма, получаемая путем неполового размножения, при котором побуждается к делению ядро клетки из тела только одного родителя. Поскольку клон наследует гены лишь одного родителя, он должен быть генетически тождественен этому родителю. Селекционеры-садоводы давно уже клонируют различные сорта растений путем разрезания и прививания. В естественных условиях клонированием размножаются бактерии и одноклеточные животные.
Клонирование оказалось в центре внимания средств массовой информации, когда биологи сотворили новую лягушку из ДНК ядра клетки кишечника старой особи. Специалисты по биотехнологии могут теперь заниматься племенным животноводством, клонируя большое число домашних животных из отдельного эмбриона. Эта возможность успешно клонировать крупных млекопитающих содержит намек на будущее применение таких же методов для размножения человека. Однако это находится далеко за пределами уровня знаний о том, можно ли манипулировать с человеческими эмбрионами в лаборатории, производить многочисленное потомство генетически одинаковых младенцев. Все это - материал многих споров о том, как далеко мы хотим пойти в генной инженерии.
Развитие генной инженерии повлекло за собой постановку вопросов этического характера, объединением которых явилась биоэтика - область знания, связанная с этическими проблемами использования некоторых биологических и медицинских процедур, технологий и методов лечения. В качестве примера можно привести проблемы пересадки органов, генной инженерии или поддержание жизни безнадежно больных.
Примером биоэтической проблемы является определение того лица, которому необходимо предоставить для пересадки (трансплантации) имеющиеся в наличии органы. Другой пример спорной технологии, а также этической и нравственной проблемы - опыты по пересадке человеческих зародышевых тканей, в частности - мозга человеческого зародыша больному с нарушением центральной нервной системы, что позволяет в ряде случаев ослабить симптомы болезни.