Речь в моем докладе
пойдет о современной биологии, о
том, что принципиально нового она
принесла в мир, и чем это новое
нам грозит. Я буду говорить также
о биологической безопасности, которая
стала проблемой, в сущности, совсем
недавно - лишь в последнее десятилетие.
Поразительно, что к рубежу тысячелетия
человечество приходит с необыкновенным,
в каком-то смысле беспрецедентным
запасом знаний, и это - знания о
нас самих, о жизни.
- Новый этап развития биологии начался в прошлом столетии, когда была расшифрована молекулярная структура генетического материала, всем теперь известной ДНК, на химическом языке - дезоксирибонуклеиновой кислоты. Сама ДНК, как вещество, была выделена в конце позапрошлого века, но тогда никто не догадывался, что это и есть гены. В начале прошлого века гены были открыты независимым путем, но их химическая природа по-прежнему оставалась неизвестной.
И лишь в начале 50-х годов
стало ясно, что открытая Мишером
ДНК и гены, существование которых
первым продемонстрировал Мендель,
а затем доказал Морган и другие
великие ученые, - это одно и то
же. Была расшифрована их структура - знаменитая
двойная спираль Уотсона и
Крика, названная так потому, что
на молекулярном уровне ДНК - это две
скрученные в спираль вокруг общей
оси цепочки из соединенных друг
с другом в определенной последовательности
четырех различных элементов - так
называемых нуклеотидов. Линейная последовательность
нуклеотидов, первичная структура
ДНК, строго индивидуальная и специфичная
для каждого достаточно длинного
отрезка ДНК, и есть кодовая запись
биологической (генетической) информации.
Одну из двух цепочек нуклеотидов
называют "смысловой", другую, комплементарную
(спаренную с ней по всей длине)
- "антисмысловой". Принцип комплементарности
лежит в основе наследственности.
Когда цепочки ДНК расходятся,
то каждая из них достраивает подобную
себе комплементарную цепочку, и
в результате образуются две одинаковые
двойные спирали. Это и есть, по
сути, принцип воспроизведения себе
подобного, принцип наследственности.
Именно он, и только он и работает
в живой природе, во всем мироздании.
Заметим, что ДНК - единственное вещество,
способное к самовоспроизведению
своей структуры.
Ученые научились расшифровывать
не только структуру ДНК в целом,
но и первичную последовательность
нуклеотидов. Однако долгое время никто
не предполагал, хотя деньги были потрачены
большие, что это приведет к каким-то
практическим следствиям. В течение
трех десятилетий это была лишь глубоко
фундаментальная наука.
ДНК, хранящаяся и работающая
в клеточном ядре, воспроизводит
не только саму себя. В нужный момент
определенные участки ДНК - гены - воспроизводят
свои копии в виде химически подобного
полимера - РНК, рибонуклеиновой кислоты,
которые в свою очередь служат
матрицами для производства множества
необходимых организму белков. Именно
белки определяют все признаки живых
организмов. Вот, собственно говоря, основная
цепь событий на молекулярном уровне:
ДНК -> РНК -> белок
В этой строчке заключена
так называемая центральная догма
молекулярной биологии.
- В тех же 50-х годах выяснилось еще одно обстоятельство: кроме генов в клетках живых организмов, в природе существуют также независимые гены. Они называются вирусами, если могут вызвать инфекцию. Оказалось, что вирус - это не что иное, как упакованный в белковую оболочку генетический материал. Оболочка - чисто механическое приспособление, как бы шприц, для того, чтобы упаковать, а затем впрыснуть гены, и только гены, в клетку-хозяина и отвалиться. Затем вирусные гены в клетке начинают репродуцировать на себе свои РНК и свои белки. Все это переполняет клетку, она лопается, гибнет, а вирус в тысячах копий освобождается и заражает другие клетки.
Болезнь, а иногда даже смерть
вызывают чужеродные, вирусные белки.
Если вирус "хороший", человек
не умирает, но может болеть всю жизнь.
Классический пример - герпес, вирус
которого присутствует в организме
90% людей. Это самый приспособленный
вирус, обычно заражающий человека в
детском возрасте и живущий в
нем постоянно.
Таким образом, вирусы - это,
в сущности, изобретенное эволюцией
биологическое оружие: шприц, наполненный
генетическим материалом.
Теперь начал действовать
человек. Впервые перенос чужеродных
генов от одного организма к другому
осуществили три английских ученых:
О. Эвери, К. Мак-Леод и М. Мак-Карти
еще во время войны, в 1944 году. Они
сделали любопытнейший опыт: взяли
вирулентный (заразный) штамм пневмококка,
выделили из него ДНК, тщательно ее
очистили и смешали с живыми клетками
невирулентного штамма другого типа.
И оказалось, что часть потомства
этих клеток обладает признаками вирулентного
пневмококка. Это было первое экспериментальное
доказательство того, что ДНК и
есть гены и на самом деле первый
случай получения трансгенного, как
сейчас говорят, организма, который
несет один или несколько генов
другого организма.
В последние годы научились
делать подобные вещи и с животными.
Например, раковая опухоль - это на
самом деле мутация гена, и ее
(мутацию) можно перенести в другой
организм. В одном из опытов из опухоли
человека выделяли чистую ДНК и брали
живые клетки из здоровой мыши. Клетки
обрабатывали ДНК и возвращали обратно.
Через некоторое время у мыши
появлялась человеческая опухоль со
всеми характерными признаками. Это
один из ранних примеров переноса чужеродного
гена в организм животного.
В настоящее время генетические
манипуляции с половыми клетками
и зародышами человека юридически и
этически запрещены. Но операции с генами
неполовых клеток разрешены почти везде.
Это так называемая генная терапия, о ней
речь будет дальше.
Теперь пример уже из современной
биотехнологии, пример операции с зародышевыми
клетками высших животных ради благородных
целей. Человечество испытывает трудности
с интерфероном - важным белком, обладающим
противораковой и противовирусной
активностью. Интерферон вырабатывается
животным организмом, в том числе
и человеческим. Чужой, не человеческий,
интерферон для лечения людей
брать нельзя, он отторгается организмом
или малоэффективен. Человек же вырабатывает
слишком мало интерферона для
его выделения с фармакологическими
целями. Поэтому было сделано следующее.
Ген человеческого интерферона
был введен в бактерию, которая
затем размножалась и в больших
количествах нарабатывала человеческий
интерферон в соответствии с сидящим
в ней человеческим геном. Сейчас
эта, уже стандартная техника
применяется во всем мире. Точно
так же, и уже довольно давно, производится
генноинженерный инсулин.
С бактериями, однако, возникает
много сложностей при очистке
нужного белка от бактериальных
примесей. Поэтому начинают от них
отказываться, разрабатывая методы введения
нужных генов в высшие организмы.
Это труднее, но дает колоссальные преимущества.
Сейчас, в частности, уже широко распространено
молочное производство нужных белков
с использованием свиней и коз. Принцип
здесь, очень коротко и упрощенно,
таков. Из животного извлекают яйцеклетки
и вставляют в их генетический
аппарат, под контроль генов белков
молока животного, чужеродные гены, определяющие
выработку нужных белков: интерферона,
или необходимых человеку антител,
или специальных пищевых белков.
Потом яйцеклетки оплодотворяют
и возвращают в организм. Часть
потомства начинает давать молоко,
содержащее необходимый белок, а
из молока выделить его уже достаточно
просто. Получается значительно дешевле,
безопаснее и чище.
Таким же путем были выведены
коровы, дающие "женское" молоко (коровье
молоко с необходимыми человеческими
белками), пригодное для искусственного
вскармливания человеческих младенцев.
А это сейчас довольно серьезная
проблема.
- В целом можно сказать, что в практическом плане человечество достигло довольно опасного рубежа. Мы научились воздействовать на генетический аппарат, в том числе и высших организмов. Научились направленному, избирательному генному воздействию, продуцированию так называемых трансгенных организмов - организмов, несущих любые чужеродные гены. ДНК - это вещество, с которым мы можем манипулировать. В последние два-три десятилетия возникли методы, с помощью которых можно разрезать ДНК в нужных местах и склеивать с любым другим кусочком ДНК. Более того, мы можем вырезать и вставлять не только определенные готовые гены, но и рекомбинанты - комбинации разных, в том числе и искусственно созданных генов. Это направление получило название генной инженерии. Человек стал генным инженером.
На основе генной инженерии
родились два больших практических
направления. Одно - современная биотехнология.
В мире сейчас колоссальное количество
фирм, занимающихся бизнесом в этой
области. Они делают все: от лекарств,
антител, гормонов, пищевых белков до
технических вещей - сверхчувствительных
датчиков (биосенсоров), компьютерных
микросхем, хитиновых диффузоров для
хороших акустических систем. Генноинженерная
продукция завоевывает мир, она
безопасна в экологическом отношении
и, по-видимому, в следующем тысячелетии,
если человечество выживет, основными
технологическими приемами будут биотехнологические.
У нас же, наряду с общим
отставанием в постиндустриальных
технологиях, - отставание, а точнее
безмерный провал, в биотехнологии.
С ним мы входим в следующее
тысячелетие. И это страшно, потому
что без биотехнологий нация
в современном мире на самом деле
обречена на вытеснение и вымирание.
В передовых странах мира - в
Европе и США - биология занимает в
бюджете расходов на науку третью
часть всей статьи, у нас же - меньше
8%, да еще на фоне общей нищеты нашей
науки и дальнейшего сокращения
ее поддержки.
Второе направление связано
с непосредственным вмешательством
в человека. 1992 год - год рождения
генной терапии. В США впервые
была произведена геннотерапевтическая
операция на человеке. С 16 лет канадская
девушка стала страдать инфарктами.
У нее оказалось наследственное
заболевание: отсутствие специального
рецептора - особого белка в печени,
который связывает так называемые
липопротеиды низкой плотности, вещества,
в основном ответственные за сужение
сосудов и образование тромбов
и непроходимости сосудов. Девушку
лечили обычным способом, но ничего
не помогало, и врачи решились на
генную операцию. Поскольку этот белок
продуцируется печенью, то ей отрезали
часть печени, с помощью специальных
приемов ввели в клетки печени
нормальный ген, и клетки вживили
обратно в печень. Часть клеток
прижилась, и вырос кусочек печени,
который вырабатывал белок, связывающий
липопротеиды низкой плотности. В результате
больная избавилась от инфарктов. Это,
пожалуй, - первый успешный пример излечения
человека с помощью чисто человеческого
гена.
Генная терапия развивается,
хотя и встречает трудности этического
и юридического характера. Но рынок,
по крайней мере в Америке, растет,
и предполагается, что в ближайшие
годы существенная часть сердечно-сосудистых,
раковых и наследственных заболеваний
будет излечиваться таким способом.
В США, например, существует
проект безоперационного лечения инфарктов,
причина которых - сужение сосудов.
Специальный баллончик с геном,
который определяет выработку белка
- фактора роста сосудов, вводится
в место сужения сосуда. Ген
проникает в окружающие клетки, и
те, которые "схватили" ген, дают начало
росту обводных сосудов в этом месте, и
человек выздоравливает.
Теперь я коротко перечислю
основные проблемы, разработкой которых
занято сейчас научное сообщество передовых
стран.
- 1. Доставка генов к клеткам-мишеням организма. Сюда относится обработка временно извлеченных из организма клеток, ex vivo, и их механическая доставка in vivo. Кроме того, активно разрабатываются способы стабилизации нуклеиновых кислот (ДНК и РНК) для их инъекции в кровяное русло или для перорального применения.
- 2. Доставка нуклеиновых кислот внутрь клеток. Кроме микроинъекции генов в клетки, разрабатываются и другие способы преодоления клеточной мембраны: с помощью непатогенных вирусов, а также с использованием химически модифицированных ДНК и РНК.
- 3. Блокировка или разрушение вредного гена, либо блокировка продуцируемой им РНК с помощью антисмысловых ДНК или РНК. Это направление работ обещает стать одной из главных стратегических линий в борьбе с раковыми и вирусными заболеваниями.
- 4. Введение нового активного гена или регулятора активности генов. От успехов этого направления целиком зависит лечение наследственных болезней и в большой степени инфекционных болезней.
- 5. Введение генов или их комплексов, блокирующих клеточное деление или вызывающих смерть клеток как средство кардинальной раковой терапии.
- Перечислю теперь основные аспекты проблемы биологической безопасности.
- 1. Развитые страны мира неуклонно идут к победе над многими тяжелейшими недугами человечества, и недооценка этого в любой "отдельно взятой стране" - непосредственная угроза ее безопасности. Отсутствие соответствующего уровня генодиагностики и генотерапии раковых, сердечно-сосудистых, наследственных и вирусных заболеваний будет неизбежно приводить к генетической деградации и вымиранию нации. Более того, необходимо быть готовым (а для этого опять таки нужен высокий научный и технический уровень биологических исследований) к появлению неожиданных новых болезней и вредных генетических агентов. Все знают, каким сюпризом для человечества стало появление вируса иммунодефицита человека - СПИДа, который обнаружили в то время, когда казалось, что человечество вот-вот победит все болезни. Бороться со СПИДом до сих пор никто не умеет.
Существуют и другие потенциально опасные "странные" вирусы, вызывающие так называемые медленные инфекции, и латентные вирусы, активирующиеся только в определенной ситуации. Они могут всю жизнь сидеть в организме, никак не проявляясь, и вдруг по какому-то сигналу активируются. В человеческом организме присутствуют также некие генетические элементы, которые достаточно активировать, чтобы они превратились как бы в вирусы.
- 2. "Высокие" генные биотехнологии в сельском хозяйстве, медицинской и пищевой промышленности, технике. Отсутствие таких технологий в стране неизбежно ведет к быстрому и необратимому отставанию и в конце концов к полной зависимости от высокоразвитых стран.
- 3. Проблема выживаемости человечества. Она требует внедрения экологически чистых биотехнологий вместо стандартных, загрязняющих окружающую среду, а где это невозможно - интенсивной биоремедиации.
- 4. Биологически возобновляемые источники энергии. Человечество приходит к тому, что пора прекращать тратить то, что накоплено на Земле за счет всей предшествующей человечеству биологической активности. Ведь современные источники энергии, кроме атомной, - это результат деятельности живых организмов. Мы же все это лишь интенсивно расходуем.
- 5. Наконец, непредсказуемо возникшие, или вышедшие из-под контроля, или сознательно изготовленные биологические (генетические) агенты, которые могут поражать людей, животных и растения, и в случае сознательного использования становятся биологическим оружием. Все знают об этой опасности. Ни атомное, ни водородное не сравнится с ним по одной простой причине: изготовление биологического оружия не требует больших денег. К тому же, его можно сделать направленным, так, что оно не будет грозить нападающей стороне. Можно добиться, чтобы это оружие не выявляло нападающую сторону, то есть действовать без объявления войны. Биологическое оружие могут изготовить и использовать небольшие террористические группы. К борьбе с этой опасностью тоже надо быть готовым.