а) «Вырезание» гена из двуцепочной ДНК
б) «Разрезание» плазмиды и включение в нее чужеродного гена
в) Введение плазмиды с чужим геном в клетку
г) Клонирование гена в делящихся клетках микроорганизма
Однако что делать, если необходимо двуцепочечную спираль ДНК в клетках «разрезать,»? Или, например, в случае мутации, приводящей к появлению неправильной «буквы» в генетическом тексте, эту букву вырезать и заменить на нормальную? В этом помогают ферменты-«рестриктазы», разрезающие цепь ДНК в строго определенном месте (название рестриктаза происходит от того же древнего корня, что и наш глагол «стричь»). Рестриктазы открыл швейцарец В. Арбер в 1970 г. Его дочь Анна потом рассказывала всем: «Мой папа открыл в клетках ножницы, которыми можно стричь ДНК».
В. Арбер работал в Цюрихе с фагами и нашел у них фермент, с помощью которого эти вирусы разрезают хозяйскую ДНК и вставляют в нее свой геном. Американец Г. Смит из университета им. Дж Хопкинса в Балтиморе получил этот фермент в пробирке, а Д. Натанс стал его систематически применять, все трое получили за новый прорыв Нобелевскую премию в 1978 г.
С помощью рестриктаз и сшивающих ДНК ферментов операции на генах стали обычным делом. Не удивительно поэтому, что в 1973 г. у П. Берга из Станфорда созрела идей эксперимента по переносу ракового гена в кишечную, палочку. Эта идея взволновала Поллака, который и позвонил Бергу, чтобы выразить свои сомнения в необходимости такого опасного эксперимента и его правомочности.
Дело в том, что ген ракового вируса СВ-40 предполагалось перенести с плазмидой в клетки кишечной палочки, которая обитает в кишечнике всех людей. Не заложим ли мы бомбу с часовым механизмом под все человечество, спрашивал Поллак. Где гарантия, что такая «переделанная» бактерия не вырвется из лабораторий и не заразит все человечество, породив вселенскую опасность неудержимой эпидемии рака?
Опасения были весьма оправданны. Тогда никто еще не знал, что такое гены раковых вирусов и какое отношение к генезу раковых опухолей у человека Они имеют. Перенос гена в широко распространенную кишечную палочку действительно мог создать непредсказуемую опасность. Поллак вспоминал потом:
«Я поставил Берга в затруднительное положение, поскольку он честный человек и сразу не нашелся, что ответить. Под воздействием нашего разговора он отказался от задуманного эксперимента. Более, того, вскоре он призвал и других ученых добровольно отказаться или воздержаться от проведения подобных экспериментов с „рекомбинантными“ ДНК до выяснения всех обстоятельств, связанных с обеспечением безопасности проводимых опытов…» (Рекомбинантными ДНК в то время называли ДНК, составленные из генов разных организмов, как бы скомбинированных, где часть ДНК взята, например, от вируса, а другая — от кишечной палочки.)
В июле 1974 г, группа Берга опубликовала в американском научном журнале «Сайенс» открытое письмо, призывающее биологов не проводить рискованных экспериментов, что может привести, помимо всего прочего, к появлению бактерий с повышенной устойчивостью к антибиотикам.
Письмо подписал и Дж. Уотсон, который тоже решил выступить против работ по «трансплантации генов». Но многие ученые были против подобного самоограничения. Одним из таких исследователей был учитель Уотсона С. Луриа, который писал:
«Как следует поступить? Самым нерациональным было бы выступать за мораторий в науке, чтобы помешать развитию пагубного метода. Но наука — подобно искусству — стала неотъемлемой частью свободы поиска. Подход ученых, произвольно приостанавливающих научные изыскания до тех пор; пока не решится вопрос об их социальных последствиях, может иметь отрицательные последствия для общества. Положительным можно было бы считать принятие учеными такой ответственности, которая убедительно доказала бы обществу, каковы могут быть последствия новейших научных открытий».
Рис. 4. Клетка кишечной палочки под электронным микроскопом (темная область — клеточная ДНК)
С целью привлечения всеобщего внимания к этой проблеме П. Берг организовал в Асиломаре на берегу Тихого океана неподалеку от Станфорда конференцию. На ней почти единогласно были приняты предложения оргкомитета, в состав которого входил Берг, призывающие проводить некоторые работы с рекомбинантными ДНК в специально оборудованных лабораториях, чтобы не распространять в окружающую среду биологическую опасность.
В дискуссию вступали и другие ученые, которые, казалось бы, были далеки от молекулярной генетики. Нобелевский лауреат Дж. Уолд, получивший свою награду за исследование механизмов зрения на молекулярном уровне, заявил, что новые опыты с бактериями могут умножить число генетических заболеваний.
Ему ответил М. Мезельсон, декан факультета биохимии Гарвардского университета, который в свое время первым экспериментально подтвердил одно из главных положений модели Уотсона и Крика — то, что ДНК двухцепочечна. В отличие от Уолда, Мезельсон всю свою сознательную научную жизнь занимался именно ДНК, поэтому для него эти рекомбинации, плазмиды, гены и полимеразы были хлебом насущным. Мезельсон заявил, что жизненно важное направление научных исследований, сулящее человечеству большие выгоды и избавление от многих бед, находится под угрозой срыва из-за преувеличенной боязни довольно слабо разбирающихся в этом людей.
В конечном итоге против этих страхов выступил и Дж. Уотсон, который заявил, что «слухи о преждевременной смерти и были несколько преувеличены», поэтому стоит оправиться от необоснованных опасений и продолжать спокойно работать. К тому же, как показала жизнь, остановить развитие науки действительно не дано никому. Пока Ш. Берг в Станфорде судил да рядил как быть, в другой лаборатории этого университета С. Коэн и его сотрудница А. Чанг осуществили-таки «конструирование в пробирке биологически функциональных молекул ДНК, которые комбинировали генетическую информацию из двух разных источников», как было потом сказано в американском журнале «Раковые исследования», и которые сейчас без подобного «комбинирования» и представить себе невозможно.
Они с помощью рестриктазы «разрезали» две плазмиды кишечной палочки, после чего внесли в нее гены от неродственного микроорганизма стафилококка, вызывающего нагноение, и. головастика африканской шпорцевой лягушки «ксенопус»! Примерно то же самое сделали Г. Бойер и Р. Хеллинг из Калифорнийского университета в Сан-Франциско. Еще через три года Г. Вармус и М. Бишоп из Массачусетсского технологического института сумели «разрезать» геном вируса саркомы Рауса и выделить второй раковый ген СРК (затем последовала очередь ракового, или онкогена, из клеток карциномы человека). Онкология окончательно встала на молекулярные рельсы.
В 1973 г. советский исследователь А. Д. Альтщтейн высказал идею о том, что онкогены имеют. клеточное происхождение, а вирусы только переносят их из клетки в клетку. Исследования, проведенные с ДНК, прекрасно подтвердили справедливость этой гипотезы. Оказалось, что в наших клетках имеются особые гены, которые кодируют необходимые для нормальной жизнедеятельности клетки белки. Но в случае мутации эти гены переходят в онкогенное состояние, в результате чего синтезируемые по их «командам» белки начинают трансформировать клетки, становящиеся злокачественными. Так в отдельных случаях возникает рак.
В других случаях это может происходить по-иному. Забегая вперед, скажем, что в 1985 г. с помощью новейших методов биотехнологии были открыты так называемые гены-протекторы, которые защищают наши клетки от действия онкогенов. Сегодня один из таких генов уже выделен, идет интенсивная работа по расшифровке кодируемого им белка и выяснению его функции. При утере гена протектора клетка и весь организм остаются незащищенными от действия онкогенов и раковых белков. Возникает опухоль.
Выделение генов и создание способов их введения в клетки открыло перед биологами путь к началу современной биотехнологии, то есть технологии прямого манипулирования генами и их белковыми продуктами в промышленном масштабе. Благо, что промышленность, производящая биотехнологический продукт уже работала. Что же это за промышленность, которая была создана загодя?