Человек редактированный, или Биомедицина будущего

Революционный переворот в биологии

Сегодня трудно поверить, что могучая современная наука, связанная с изучением молекулы ДНК как физического объекта и как носителя наследственной информации, возникла лишь в середине прошлого столетия — по историческим меркам совсем недавно.

Все наиболее значительные достижения науки о ДНК, все главные открытия и эксперименты в этой области были совершены в середине и во второй половине XX века. Поистине революционный переворот в биологии случился благодаря развитию техники и использованию рентгеновского излучения — человек сумел заглянуть не только внутрь любого неживого объекта, но и глубоко внутрь живой клетки и добраться до каждой химической молекулы, из которых построена как неживая, так и живая материя.

Особенно важную роль сыграл и продолжает играть метод рентгеноструктурного анализа, с помощью которого была открыта сложная структура молекулы ДНК. Благодаря этому методу и по сей день происходит изучение пространственного строения белковых молекул. Рентгеноструктурным анализом определяется, как правильно должны выглядеть два функционально взаимодействующих белка, то есть «ключ» и «замочная скважина».

Таким образом, физические подходы и новые методы исследования оказались совершенно необходимыми и продолжают активно использоваться вплоть до сегодняшнего дня. Весь комплекс инженерных наук и технологий в области биологии, получивший интенсивное развитие с середины прошлого века, позволил исследователям заглядывать все глубже и глубже в микромир биологических объектов. И те открытия, которые были сделаны за несколько последних десятилетий, очень сильно изменили представления ученых о нем.

Однако наряду с физическими развивались и биологические подходы. В значительной степени благодаря им человечество сумело не только исследовать, но и использовать такие биологические объекты, как вирусы.

О вирусах люди узнали еще в конце XIX века. В XX веке их научились выращивать в лабораториях с применением клеточных культур и даже создавать вакцины от некоторых вирусных заболеваний, еще не предполагая, какую генетическую информацию несет вирусная частица, полная структура которой была определена лишь в 1955 году. Сегодня известно, что это некая информационная молекула на основе ДНК или РНК, запакованная в белковую оболочку и способная проникать в живую клетку.

Например, коронавирус, с которым сегодня столкнулось человечество, как раз и представляет собой молекулу РНК в белковой оболочке. Мы уже знаем, что РНК — это одноцепочечная рибонуклеиновая кислота (см. главу 1: «Транскрипция, трансляция, белок»). Содержащая ее вирусная частица, в данном случае коронавирус, размножается в цитоплазме клеток человека, используя их как фабрику для производства белковой оболочки и копирования РНК, поэтому генетическая информация коронавируса не оставляет следа в геноме клетки. А вот, скажем, вирус герпеса — это уже молекула ДНК в белковой оболочке, и в этом случае вирусная ДНК может встроиться в геном инфицированной клетки и даже остаться там надолго, до поры до времени никак себя не проявляя.

Для нас особый интерес представляют вирусы бактерий. Их назвали бактериофагами

, или пожирателями бактерий[4] («фаг» в переводе с греческого означает «пожиратель»), Первоначально это название, не сулящее бактериям ничего хорошего, было дано загадочным сущностям, которых не удавалось рассмотреть даже в микроскоп. Бактериофаги были обнаружены в начале XX века, когда микробиологи заметили, что колонии бактерий на экспериментальных чашках Петри в какой-то момент исчезли. Полностью! Ученые предположили, что всему виной какое-то заболевание, возбудитель которого слишком мал, чтобы его можно было увидеть. Но вскоре на смену обычным оптическим микроскопам пришли электронные, с помощью которых ученые разглядели причину гибели бактерий — заражение ранее неизвестными вирусами.

Генетическая рекомбинация, или Поделись своим геномом

Бактериофаги, как и другие вирусы, имеют белковую капсулу, внутри которой содержится молекула ДНК или, реже, РНК. У них нет собственного обмена веществ, поэтому вне живой клетки они размножаться не могут.

Фаг проникает в бактерию, а дальше происходит нечто поразительное: его ДНК встраивается в геном бактерии. Для чего? Для того, чтобы генетический материал фага мог передаваться в ряду клеточных делений бактериальной клетки, пока не придет время его активации, которое определяется внешними факторами. В случае активации (это может произойти сразу после попадания вируса в клетку бактерии) генетическая информация с ДНК фага считывается бактериальными ферментами, то есть происходит транскрипция его собственной ДНК и синтезируются белки для сборки капсида (оболочки) вируса.