Микрокосм. E. coli и новая наука о жизни - Карл Циммер

Еще два года исследователи Genentech работали над увеличением производительности. Они внесли такие изменения в геном E. coli, что бактерия стала сама выводить произведенный инсулин наружу сквозь мембрану, и тем самым серьезно облегчили процесс сбора продукта. В 1980 г. Genentech была готова передать технологию производства инсулина компании Eli Lilly. В следующем году фармацевтический гигант построил у себя специальные баки емкостью по 40 000 л и начал разводить в них E. coli. Genentech акционировался, и бойеровы $500 превратились в $66 млн.

С началом шумихи вокруг Genentech споры о допустимости работы с E. coli затихли сами собой. Конгресс, отчасти благодаря яростному лоббированию со стороны ученых, так и не принял никакого закона о генной инженерии. Национальный институт здоровья ослабил свои ограничения. Ученым, работающим с E. coli, уже не надо было наряжаться в специальные скафандры. Корпорации расхватывали специалистов по работе с E. coli, как горячие пирожки. Все 14 ученых, подписавших в свое время вместе с Бергом письмо — мораторий, в конце концов связали свою карьеру с тем или иным коммерческим предприятием. Уолтер Гилберт стал одним из основателей компании Biogen, которая начала использовать методы генной инженерии на E. coli, чтобы наладить производство различных белков, казавшихся перспективными в плане борьбы с раком. На торжественной церемонии открытия штаб — квартиры Biogen в Кембридже ленточку перерезал бывший мэр города Альфред Веллуччи — когда‑то непримиримый противник генной инженерии и лично Гилберта.

Компания Genentech стала лидером новой биотехнологической отрасли. Хумулин — произведенный бактериями инсулин — был выпущен на рынок в 1983 г., и сегодня это лекарство принимает 4 млн человек по всему миру. Другие компании начали выпуск собственных сортов инсулина, производимых E. coli, и сегодня их тоже принимают миллионы диабетиков. Биотехнологические компании разработали множество других лекарств, синтезируемых E. coli, — от человеческого гормона роста до средств для уменьшения вязкости крови. Сегодня E. coli послушно выдает на — гора витамины и аминокислоты. Если традиционно при производстве сыра в молоко добавляли сычужный фермент — реннин, получаемый из коровьих желудков, то сегодня значительная доля сыров на прилавке супермаркета изготовлена с использованием реннина, произведенного E. coli. Ученые продолжают вводить в геном E. coli новые гены, пытаясь понять, какие еще полезные вещества может производить эта бактерия. Речь идет о самых разных соединениях — от биоразлагаемых пластмасс до этилового спирта.

Нельзя сказать, что все эти достижения дались ученым легко. E. coli — не завод и относиться к ней, как к машине, нельзя. Микроорганизм — живое существо, и на любое действие он может отреагировать совершенно неожиданным образом. Оказавшись в гигантском баке, бактерии могут задохнуться в собственных отходах. Вообще, бактерии, настроенные на производство больших количеств инсулина или другого чужеродного белка, испытывают сильнейший стресс. Молекулы белка могут начать денатурироваться, и E. coli, чтобы вернуть им правильную форму, придется синтезировать белки теплового стресса. Энергию, которую бактерия тратит на борьбу со стрессом, уже невозможно использовать на питание и рост. Ученым, как поварам, занятым поисками идеального рецепта, пришлось искать решения и этих, и многих других проблем.

И сегодня, 30 лет спустя после превращения E. coli в чудовище и тягловую лошадку генной инженерии, эта бактерия по — прежнему остается любимым объектом биотехнологов. Ученые продолжают экспериментировать с ней в поисках новых способов работы с генами и белками. Ее ферменты рестрикции — любимый инструмент для разрезания ДНК, а ее плазмиды — любимое средство получения новых копий генов. Но сегодня ученые умеют встраивать эти гены в клетки многих других видов. В 1980–е гг. они, воспользовавшись полученными от E. coli уроками, начали переносить гены в другие бактерии и грибы. Кроме того, исследователи научились вводить гены в клетки животных и растений. Сбылась первоначальная мечта Берга: сегодня можно встроить ген в вирус, к примеру в SV40, и инфицировать этим вирусом клетку млекопитающего. (Ученые предпочитают использовать для этого клетки яичников китайского хомячка.) Модифицированная таким образом клетка может затем размножиться и образовать лабораторную колонию, которая станет вырабатывать какой‑нибудь ценный белок.

Но этого мало. Сегодня можно вводить новые гены в клетки живых животных и растений. Генетически модифицированные культуры распространились во многих странах уже в большей части сельскохозяйственных угодий. Некоторые из них производят токсины, убивающие вредных насекомых; в обычных условиях такие токсины синтезировались бактериями. Другие способны противостоять пестицидам. Ученым удалось также создать растения, способные вырабатывать человеческие антитела и вакцины.

Даже в клетки животных теперь вводят чужеродные гены с помощью модифицированных вирусов. Некоторые исследователи надеются найти способ излечивать генетические заболевания, снабжая клетки работающими копиями ключевых генов. Другие вводят гены непосредственно в зародышевые клетки, чтобы получить животных с чужеродными генами во всех клетках тела. Некоторые ученые пытаются при помощи методов генной инженерии снизить загрязнение окружающей среды отходами сельского хозяйства. Основные загрязнения от сельскохозяйственной деятельности — соединения фосфора и кислорода, поступающие в почву с удобрениями. Когда дожди и вешние воды уносят фосфаты с полей в реки и в конечном итоге в океан, они вызывают вспышку размножения водорослей и другие экологические катастрофы, которые постепенно приводят к появлению обширных мертвых зон, где не может выжить ни один живой организм. Одна из причин, почему в удобрениях содержится так много фосфатов, заключается в том, что значительную часть удобрений получают из навоза домашних животных, к примеру свиней и кур. Дело в том, что эти животные лишены пищеварительных ферментов, необходимых для расщепления фосфатов, поэтому они проходят сквозь пищеварительную систему неизмененными. E. coli, как и многие другие бактерии, вырабатывает ферменты для расщепления фосфатсодержащих молекул. И когда исследователи ввели свиньям гены E. coli, фосфатов в навозе модифицированных животных стало вчетверо меньше, чем у обычных.

В каком‑то смысле все перевернулось с ног на голову: если 30 лет назад ученые вводили бактериям гены животных, то сегодня они, наоборот, вводят животным гены E. coli.

В начале своего существования генная инженерия была всего лишь инструментом, который ученые смогли создать на базе своих знаний о E. coli. Однако в последние годы грань между генной инженерией и наукой постепенно стирается. Герберт Бойер использовал свои глубокие знания о E. coli, чтобы разработать методы генной инженерии. Сегодня генная инженерия использует методы Бойера, чтобы узнавать новое не только о E. coli, но и о фундаментальных законах жизни.

Ученые долгое время спорили о том, почему жизнь на Земле, практически без исключений, использует при строительстве белков всего лишь 20 аминокислот[27]. (£. coli и ряд других видов, в том числе человек производят и двадцать первую аминокислоту под названием селеноцистеин.) В природе существуют сотни замечательных аминокислот, из которых жизнь, кажется, могла бы свободно выбирать. Вообще, чтобы присоединиться к Клубу аминокислот, молекуле нужно всего лишь обладать подходящими концами. На одном конце у нее должна быть аминогруппа — атом азота, ковалентно связанный с двумя атомами водорода, а на другом — карбоксильная группа, состоящая из атома углерода, двух атомов кислорода и атома водорода. Аминогруппа и карбоксильная группа легко стыкуются между собой, как кирпичики конструктора «Лего», и при этом почти не важно, что находится между ними. Любой химик может синтезировать в лаборатории сотни различных аминокислот; тот же процесс легко протекает в открытом космосе. В 1969 г. на Землю упал метеорит, покрытый слоем дегтеобразной слизи. Ученые насчитали в составе этой слизи 79 разновидностей аминокислот.