«Сумма биотехнологии»

Что такое генная инженерия и чем занимаются биотехнологи? Безопасны ли генно-модифицированные организмы и почему вокруг них идет такая бурная общественная дискуссия? Ответы на эти и другие вопросы можно узнать из книги Александра Панчина «Сумма биотехнологии» (АСТ: CORPUS, 2016) — одного из финалистов премии «Просветитель» 2016 года.

Генную инженерию можно представить с помощью метафоры. Возьмем роман Льва Николаевича Толстого «Война и мир». В этом тексте 2517633 символа, что примерно равно числу «букв» в геноме бактерии возбудителя дифтерии Corynebacterium diphtheriae. Мы собираемся вставить в «Войну и мир» фрагмент из романа «Война миров» Герберта Уэллса, где описано, как инопланетяне вторгаются на Землю, уничтожают правительственные войска в Англии с помощью боевых треножников, но потом погибают, сраженные земными микробами — быть может, той же дифтерийной палочкой.

«Большая сероватая круглая туша, величиной, пожалуй, с медведя, медленно, с трудом вылезала из цилиндра. Высунувшись на свет, она залоснилась, точно мокрый ремень. Два больших темных глаза пристально смотрели на меня. У чудовища была круглая голова и, если можно так выразиться, лицо. Под глазами находился рот, края которого двигались и дрожали, выпуская слюну. Чудовище тяжело дышало, и все его тело судорожно пульсировало. Одно его тонкое щупальце упиралось в край цилиндра, другим оно размахивало в воздухе. Этот толстый молодой человек был незаконный сын знаменитого екатерининского вельможи, графа Безухова». Это один из возможных результатов вставки фрагмента с описанием марсианина из «Войны миров» в роман Толстого. Согласитесь, образ Пьера Безухова со щупальцем и капающей слюной шокирует. Результат вставки был бы не столь драматичным, если бы текст оказался между главами. В этом случае образ Пьера в воображении читателя остался бы прежним.

Контекст имеет огромное значение и для работы генов. Возьмем ген медузы, кодирующий зеленый флуоресцентный белок. Вставим его в геном дифтерийной палочки сразу за другим геном, кодирующим натриевый канал — белок, находящийся в мембране клетки и пропускающий ионы натрия. Бактериальная клетка начнет производить гибридный белок, который одновременно светится и является каналом. Если мы поместим такую клетку под специальный флуоресцентный микроскоп, то по свечению сможем узнать, в какой части клеточной мембраны расположены натриевые каналы. Если же ген флуоресцентного белка вставить за другим геном, например за геном калиевых каналов, то мы узнаем и их расположение. Подобные гибридные белки — своеобразные Безуховы-марсиане в нашей аналогии. В зависимости от контекста мы можем сделать марсианином Безухова, а можем Наташу Ростову или Андрея Болконского.

При вышеописанном встраивании одного гена за другим важно учесть несколько факторов. Рассмотрим последовательность кодонов AUG GUG CUC UUA. Здесь закодированы аминокислоты метионин-валин-лейцин-лейцин. Но данную последовательность нуклеотидов можно разбить на тройки кодонов по-другому: A UGG UGC UCU UA. Теперь здесь закодированы триптофан-цистеин-серин. Возможен и третий вариант разбиения данной последовательности на кодоны: AU GGU GCU CUU A. Глицин-аланин-лейцин.

Эти три варианта разбиения последовательности на кодоны называются рамками считывания. На практике синтез белка пойдет только по одной из трех рамок, потому что рибосома начинает синтез не со случайного места, а с конкретного старт-кодона. У эукариот обычно старт-кодоном выступает самый первый кодон AUG (ближайший к 5’-концу), он кодирует метионин. У прокариот, как правило, старт-кодоном выступает AUG, на расстоянии около восьми нуклеотидов от которого есть особая последовательность Шайна — Дальгарно. Обычно она содержит фрагмент AGGAGG. Генным инженерам важно понять, какая рамка считывания будет использоваться. Если мы хотим получить гибридный белок, оба гена должны оказаться в одной рамке считывания.

Кроме того, нужно учитывать, что первый ген, за которым мы встраиваем второй, имеет стоп-кодон. На стоп-кодоне синтез белка заканчивается, и дальнейшая последовательность нуклеотидов значения не имеет. Для того чтобы получился гибридный белок, нужно либо убрать этот стопкодон, либо вставить второй ген до него. Теперь, когда мы поняли, как создавать гибридные белки, давайте разберемся, как нам заставить бактерию производить чистый флуоресцентный белок.

Возьмем ген флуоресцентного белка и вставим его в геном бактерии между двумя другими генами, так чтобы он их не задевал. Для того чтобы ген работал, необходимо, чтобы с него считывалась молекула РНК. Для этого перед геном должен располагаться специальный участок, который называется промотор. Фермент РНК-полимераза связывается с промотором, а затем начинает перемещаться вдоль молекулы ДНК (строго в одном направлении, от 5’- к 3’-концу), синтезируя комплементарную молекулу РНК, которая впоследствии станет инструкцией для синтеза белка. Место начала считывания РНК у бактерий определяется так: за 10 нуклеотидов до него должен быть участок с последовательностью, похожей на TATAAT, а за 35 нуклеотидов — участок, похожий на TTGACA. У эукариотических организмов все сложнее, и мы поговорим о них позже.

В предыдущем примере генной инженерии нас не волновало наличие промотора, ведь у исходного гена, к которому пристроили ген зеленого флуоресцентного белка, бактериальный промотор уже был. Промотор должен быть перед любым местом в геноме, с которого считывается РНК. Но у нашего гена медузы нет собственного бактериального промотора, и вставили мы его в произвольное место, а не туда, где он непременно есть. Необходимый промотор проще всего вставить сразу вместе с геном. Берем бактерий, выделяем из них ДНК, вырезаем из этой ДНК участок промотора, присоединяем промотор к гену медузы, а затем вставляем всю конструкцию в геном живой бактерии. Альтернативно промотор или конструкцию целиком можно синтезировать на специальном химическом синтезаторе.

Теперь у нас в романе «Война и мир» появились чистокровные марсиане. «Андрей Болконский проснулся и выглянул в окно. За окном находился огромный металлический цилиндр. Большая сероватая круглая туша, величиной, пожалуй, с медведя, медленно, с трудом вылезала из цилиндра», а продолжение вы знаете.