ются различные фрагменты ДНК, что вызывает различную функциональную специализацию клеток, формируются различные органы, ткани и т.п. То есть строение и поведение любой биосистемы (например, клетки) определяется как ее наследственностью, так и составом среды, в которой она развивается. Генетическая программа представляет собой именно программу, которая не жестко направляет процесс эволюции, а регламентирует, что делать при возникновении тех или иных условий. В генетической программе биосистемы содержится достаточно исчерпывающий набор реакций на самые различные требования среды. В то же время иногда возникают ситуации, не предусмотренные программой. Тогда запускается механизм оптимизационного поиска верного решения. Если решение найдено, то механизмы отбора обязательно закрепят его в форме соответствующего фрагмента ДНК. Таким образом, генетическая программа постоянно развивается и совершенствуется.

Возможно, одним из механизмов клеточных мутаций является искажение генетической программы клетки совершенно чуждой информацией, поставляемой вирусами. Вирус представляет собой молекулу ДНК, окруженную белковой оболочкой. Попадая в клетку, ДНК вируса включается в ее работу, заставляя клетку синтезировать ДНК и белки вируса. Иногда вирус не подавляет клетку хозяина бурным размножением, а мирно существует в ней, то есть возникает симбиоз, который не только сглаживает конфликт между хозяином и паразитом, но и еще более укрепляет исходное единство, делая его более богатым и жизнеспособным. Симбиоз энергетически более выгоден, чем система «хозяин-паразит», поэтому такие системы очень часто эволюционируют к состоянию симбиоза.

Разные организмы, а тем более разные виды организмов содержат разные наборы ДНК. Каждый такой набор определяет специфику той функции, которую данный вид организмов будет выполнять в составе биосферы, участвуя тем самым в поддержании ее устойчивости. Тем не менее, в основе каждого генотипа любого вида живых организмов лежит нечто общее, что можно с полным правом назвать генетической программой жизни в целом, которая определяет набор возможных реакций на самые различные внешние воздействия, порождая в ответ на эти воздействия новые конкретные генотипы, соответствующие новым видам живых существ.

9.9. Генетика, генная инженерия, клонирование

Начало XX века ознаменовалось бурным ростом и серией фундаментальных открытий в области генетики. В это время были переоткрыты законы Менделя, обоснованы представления о носителях наследственной инфор-

228

мации – гене и хромосоме, законы доминирования, разработан гибридологический анализ. В середине XX века произошел революционный переход от белковой к нуклеиновой трактовке наследственности. Впервые перенос генов от одного организма к другому осуществили в 1944 году трое британских ученых: О. Эвери, К. Мак-Леод и М. Мак-Карти. Они взяли заразный штамм пневмококка, выделили из него ДНК, очистили ее и смешали с живыми клетками незаразного штамма другого типа. Потомство этих клеток получило признаки заразного пневмококка. Ученые научились расшифровывать не только структуру ДНК в целом (это сделали в 1953 году англичане Френсис Крик и Джеймс Уотсон), но и непосредственно последовательность нуклеотидов. В 2001 г. расшифрован геном человека.

В 1950-х годах выяснилось, что кроме клеточных генов в природе существуют и независимые гены – вирусы. Вирус – это упакованный в белковую оболочку генетический материал, природное биологическое оружие. Оболочка – лишь приспособление, упаковка, защита и механизм впрыскивания генов в клетку-хозяина. Там вирусные гены начинают воспроизводить на себе свои РНК и белки, постепенно переполняющие клетку. Она лопаясь, гибнет, а тысячи копий вируса освобождаются, заражая новые клетки. Болезнь и даже смерть обычно вызывают чужеродные вирусные белки. В других случаях человек не умирает, но может болеть всю жизнь. Например, вирус герпеса присутствует в организме 90% людей, он обычно заражает человека в детстве и живет в нем постоянно.

Ген – участок ДНК, передающий (отвечающий) за определенный признак растения или животного. Если убрать ген, отвечающий за определенный признак, то исчезнет и сам признак. И наоборот, если добавить, например, растению новый ген, то у растения появится и новый признак. Измененное растение может теперь называться мутантом. Вживая ген, одолженный у одного растения (или животного) другому, биотехнологи добиваются появления новых видов с определенными свойствами, в то время как обычными методами селекции этого можно добиться за достаточно длительный срок.

В 1944 году был создан первый прецедент получения трансгенного организма на уровне бактерий, несущего один или несколько генов другого организма. Затем научились делать подобные операции с животными. Вот один первых из опытов: раковая опухоль – это мутация гена, а значит ее можно перенести в другой организм. Выделили ДНК опухоли человека, обработали ею живые клетки здоровой мыши, и через некоторое время у мыши появлялась человеческая опухоль.

229

Генные инженеры пошли дальше, для получения интерферона, обладающего противораковой и противовирусной активностью, ген человеческого интерферона был введен в бактерию, которая размножаясь в больших количествах вырабатывала человеческий интерферон. Сейчас эта техника применяется во всем мире. Так же производится и инсулин. Позднее с помощью генной инженерии были выведены коровы, дающие молоко с необходимыми человеческими белками, пригодное для искусственного вскармливания младенцев.

Человечество научилось направленно, избирательно воздействовать на генетический аппарат различных организмов. Возникли методы, с помощью которых можно резать ДНК в нужных местах и «клеить» с любым другим кусочком ДНК, причем не только с готовыми генами, но и с искусственно созданных генов. Это направление получило название генной инженерии. На ее основе родились два больших практических направления. Одно – биотехнология. Второе связано с непосредственным вмешательством в самого человека.

Под биотехнологией понимают манипулирование блоками генетической информации с целью создания организмов, которые не могут появиться в природе естественным путем. Применение таких организмов уже необычайно широко.

В растениеводстве путем генетического модифицирования можно добиться устойчивости культурных растений к гербицидам, вредителям и болезням, увеличить сроки хранения. Способны генные инженеры и на улучшение пищевых и вкусовых качеств: большая часть работ в области генной инженерии растений направлена на улучшение баланса питательных веществ в кормах для животных и в пище, в целях исключения из рационов дорогостоящих добавок. Ведутся исследования по увеличению содержания сахара или крахмала в картофеле, кукурузе, горошке, томатах. Удалось увеличить содержание крахмала в некоторых сортах картофеля до 40%. Контролируемое превращение крахмала в сахар в кукурузе и горошке способствует сохранению их сладости в течение длительного периода после уборки. Получен первый генетически измененный томат с более длительным сроком хранения и вкусом созревшего винограда, а так же сорт моркови, который содержит 300 мг каротина в 1 кг, вместо обычных 70–90 мг. Чтобы ликвидировать дефицит витамина А, наблюдающийся в развивающихся странах, исследователи пытаются ввести механизм образования этого витамина в зернах риса. Появляется и модифицированные масличные культуры рапс, соя, лен для про-

230

изводства разных масел: с повышенным уровнем лауриновой и миристиновой кислот (для производства шампуней и мыла); затвердевающих при комнатной температуре (для производства маргарина); пищевого с пониженным содержанием насыщенных жирных кислот; заменителя кокосового масла при производстве шоколада, жидкого воска для смазочных масел и косметических средств. Из сои уже получают качественные чернила. Ведутся разработки новых генетически модифицированных растений для производства бумаги, природной резины, этанола. Проводятся опыты по получению дизельного топлива из животных и растительных жиров. Используя новые технологии, можно производить из крахмала разлагающуюся на воздухе биопластиковую упаковку, абсорбенты.

Генетический материал микроорганизмов часто изменяют для того, чтобы получить в большом количестве специальные белки, в частности, для животноводства. Один из них – гормон роста (бычий соматотропин – БСТ). Использование БСТ в молочном скотоводстве повышает продуктивность коров на 5–20%. Основная проблема, которая теперь волнует население – это влияние БСТ на здоровье людей. Разработан и свиной соматотропин (ССТ) для использования при откорме свиней. ССТ увеличивает привесы на 10–16%, при снижении кормовых затрат. Уменьшается и толщина сала в туше животных. Большое достижение – метод трансплантации эмбрионов крупного рогатого скота: эмбрион высокопродуктивной коровы пересаживают к другой и получают теленка с признаками первой матери и племенного быка-отца. Разработан и метод определения и управления полом на клеточной стадии, что позволяет получать выдающихся животных.

Ученые интенсивно работают над выявлением маркеров генов, которые контролируют важные функции у животных. Такое картирование генов помогает идентифицировать гены, отвечающие за рост, величину удоя, качество молока, соотношение жира и постного мяса, нежность мяса, устойчивость к болезням, к холоду, жаре. Введение генов с полезными признаками позволяет получать трансгенных животных с новыми наследственными признаками. Так, козам введен ген, стимулирующий образование в их молоке фермента тромбокиназы. Фермент способствует рассасыванию тромбов в кровеносной системе человека, что позволит решить проблему профилактики тромбофлебита. Генетически измененные козы могут вырабатывать эти белки на порядок быстрее и дешевле, чем культуры человеческих клеток.

Возможно применение биотехнологий и в технике: например, для создания макромолекулярных биосенсоров. Активно разрабатывается идея о кон-

231

струировании биологически возобновляемых источников энергии. С помощью биотехнологий возможно даже восстановление загрязненных бездумной деятельностью людей территорий.

Обобщая выше сказанное, можно выделить следующие направления современной биотехнологии:

1.В сельском хозяйстве увеличение производства продуктов питания за счет увеличения продуктивности, увеличения устойчивости к вредителям и увеличением сроков хранения.

2.Возможность влияния на качество продукции за счет возможности манипулировать составом (изменение соотношения между жирами, белками, сбалансированный аминокислотный состав и т.д.).

3.Разработка и удешевление новых высокоэффективных вакцин и лекарств (например, разработка и получение интеферона, инсулина, гормон роста).

4.Создание генно-инженерных (трансгенных) животных имеет те же преимущества и проблемы, что и создание трансгенных растений. В мире уже существуют сотни трансгенных овец и коз, которые способствуют получению как лекарств так и различные необходимые ферменты.

5.За счет генномодифицированных микроорганизмов открывается путь

кпромышленному микробиологическому синтезу новых материалов или к решению проблемы утилизации отходов.

Но к сожалению последствия использования геноомодифицированных продуктов до конца не исследованы. Есть сведения, что у людей, употребляющих такие продукты, увеличивается количество непонятных болезней, обостряется аллергия, растет число клиентов в онкодиспансерах, возникают проблемы с продолжением рода. Российский ученый доктор биологических наук Ирина Ермакова делала опыты: одну группу крыс кормили только продуктами с ГМ-соей, другой давали обычные продукты. В итоге у первых развились тяжелые патологии почек и печени и со второго поколения они утратили способность размножаться.

Большая проблема уже в настоящее время - это загрязнение трансгенным материалом. Оно происходит не только при переносе пыльцы ветром, но также посредством насекомых-опылителей, через загрязненные сельскохозяйственные машины, при ошибочном использовании семенного материала, при транспортировке и не в последнюю очередь благодаря “продовольственной помощи” США странам третьего мира. К тому же трансгенные конструкции и переносимые ими свойства распространяются в родственных дико-

232

растущих растениях. Например, генетически измененный материал из устойчивого к воздействию гербицидов рапса был найден в горчице полевой, которая является сорняком. Посредством такого скрещивания возникают “суперсорняки”. Когда сеют вместе ГМ-растения и обычные сорта, искусственные вытесняют из природы естественные. В Китае ГМ-рис стал вытеснять естественные сорта. А в Европе, где выращивают ГМ-сою и ГМ-свеклу, начали появляться “суперсорняки”. Трансгенная пыльца попадала на дикие виды близкородственных растений, передавая им “гены устойчивости” к гербицидам.

Основные проблемы, связанные с генной инженерией, можно сформулировать в следующем виде:

1.В настоящее время генная инженерия несовершенна, поэтому невозможно точно предвидеть место встраивания и эффекты добавленного гена и предсказать результат. Имеющиеся сведения о ДНК очень неполны, чтобы предсказать результаты. Известно о функциях лишь 3% ДНК.

2.Не существует совершенно надежных методов проверки на безвредность полученных продуктов и лекарств.

3.Знания о действии на окружающую среду генетически модифицированных продуктов и растений совершенно недостаточно.

4.Появление супервредителей – это уже факт.

5.Нарушение природного баланса и выход трансгенов из-под контроля. Уже доказано, что многие ГМ-растения (ГМ-табак, технический рис, применяемый для производства пластика и лекарств, смертельно опасны для живущих рядом грызунов).

Медицинские риски:

1.Опасность появления новых и опасных вирусов за счет взаимодействия встроенных генов вирусов с генами инфекционных вирусов.

2.Повышенная аллергеноопасность (например, при попытке повысить содержание белка в ГМ-сое, в нее был перенесен вместе с нужным геном аллерген). Возможная токсичность и опасность для здоровья.

3.Возрастает устойчивость к действиям антибиотиков.

В1992 г. в США впервые была произведена геннотерапевтическая операция на человеке. Девушке (страдала инфарктами из-за отсутствия особого белка в печени) отрезали часть печени, с помощью специальных приемов ввели в клетки печени нормальный ген, и клетки вживили обратно в печень. Вырос кусочек печени, который вырабатывал нужный белок, и больная выздоровела. Это первый успешный пример излечения человека с помощью че-

233

ловеческого же гена. В ближайшие годы многие сердечно - сосудистые, раковые и наследственные заболевания будут лечиться похожими способами.

Основные проблемы генной инженерии, разработкой которых занято сейчас научное сообщество таковы:

-доставка генов к клеткам-мишеням организма;

-блокировка или разрушение вредного гена, либо продуцируемой им РНК. Это направление – стратегическая линия в борьбе с раковыми и вирусными заболеваниями, наряду с введением генов, блокирующих деление или вызывающих смерть клеток (средство кардинальной раковой терапии).

-введение регулятора активности генов или нового активного гена взамен поврежденного. От успехов этого направления целиком зависит лечение наследственных болезней и в большой степени инфекционных болезней.

-клонирование органов и тканей - задача номер один в области трансплантации, травматологии и в других областях медицины и биологии.

Ученые, занятые в глобальном проекте «Геном человека», полагают, что недалек час, когда станет технически возможной ДНК-паспортизация человека. И на этом пути сразу возникают серьезные социально-правовые, законодательные вопросы: право собственности индивида на информацию о его генетическом коде нарушение конфиденциальности при обнаружение патологического гена и с целью предотвращения возможного вреда обществу, возможное генетическое тестирование при приеме на работу и т.д.

В 1997г. шотландскому генетику Яну Вильмуту и его коллегам впервые удалось клонировать высшее животное – овцу. Если техника клонирования животных будет детально разработана, специалисты научатся размножать таким способом сельскохозяйственных животных.

Возможно, недалек час, когда клонированием удастся решить проблемы сохранения редких и исчезающих видов животных. Очевидно, можно будет восстанавливать даже вымершие виды: ведь в ископаемых останках сохранилась их ДНК. То, что еще 10 лет назад казалось фантазией Майкла Крайтона

иСтивена Спилберга, создавших в книге и на киноэкране «Парк юрского периода», может стать обыденной реальностью. Однако, первый кандидат в этом списке не динозавры, а исчезнувший спутник человека – мамонт. На I Международном мамонтовом совещании в Санкт-Петербурге (1995) прозвучала серия докладов отечественных и зарубежных генетиков и цитологов

оперспективах восстановления мамонта, как вида путем молекулярногенетических исследований и манипуляций с мамонтовой ДНК. Вслед за мамонтом могут вернуться на нашу планету стеллерова корова, дронт, странст-

234