Успехи микробиологии

Термин «молекулярная биоло­гия» был введен в науку У. Астбери, который провел основополагающие исследования белков и ДНК (1938). Прогресс в области изучения макромолекул до второй половины ХХ в. был сравнительно медленным. До 40-х гг. ХХ столетия господствовало мнение, что гены представляют собой особый тип белковых молекул. В 1944 г. О. Звери, К. Маклеод и М. Маккарти показали, что генетические функции в клетке выполняет не белок, а нуклеиновые кислоты: ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) – носитель генетической информации и РНК (рибо­нуклеиновая кислота) – переносчик информации от хромосом к местам синтеза белка (рибосомам).

40-е гг. ХХ в. ознаменовались коренным изменением взгля­да на структуру нуклеиновых кислот; до этого предполага­лось, что все кислоты построены из одинаковых тетрануклеотидных блоков и поэтому лишены специфичности. Э. Чаргаффу (США) в 1949 – 1951 гг. удалось показать, что нуклеиновые кислоты обладают специфичнос­тью, т.е. что кислоты, полученные из разных биологических источников, различаются по своему составу. ДНК и РНК обладают уникальными прямо противоположными свойствами: с одной стороны, они достаточно устойчивы, что позволяет сохранять и передавать наследственную информацию от поколения к поколению, а с другой – биохимическая пластичность обеспечивает возможность эволюции и видообразования. Современные ученые склоняются к тому, что именно РНК была первой самореплицирующейся молекулой, передававшей генетический код в предбиологической эволюции.

Результаты, полученные Э. Чаргаффом, создали предпо­сылку расшифровки молекулы ДНК, которую произвели в 1953 г. английский ученый Ф. Крик (р. 1916) и американский биохимик Д. Уотсон (р. 1928). Д. Уотсону и Ф. Крику удалось построить модель молекулы ДНК, напоминающую двойную спираль. Оказалось, что стро­ение одной ветви молекулы ДНК целиком определяет стро­ение другой ветви. Это важное свойство молекулы ДНК, названное комплиментарностью (дополнительностью), определяет генетическую функцию этой молекулы.

Для дальнейшего процесса становления молекулярной биологии большое значение имела работа по расшифровке механизмов редупликации ДНК и транскрипции. Д. Уотсон и Ф. Крик предположили, что редупликация (воспроизведение) молеку­лы происходит следующим образом: двойная спираль рас­кручивается, и составляющие ее нити расходятся, разде­ляясь в местах соединения оснований. Затем на каждой из нитей в соответствии с правилами комплиментарности образуется новая молекула. На самосборку ДНК, состоящей примерно из 40 тыс. пар нуклеотидов, требуется всего 100 с. В 1957 г. американский биохимик А. Кронберг провел биосинтез ДНК с помощью реплика­ции, подтвердив тем самым гипотезу Ф. Крика и Д. Уотсона. Самоудвоение ДНК обеспечивает явление наследственности.

Генетическая информация кодируется в ДНК с помо­щью четырех символов (оснований), располагающихся в определенной последовательности. Однако, поскольку су­ществует 20 основных белковых аминокислот, следующей задачей было выяснить, каким образом запись на четы­рехбуквенном алфавите в ДНК переводится в запись на двадцатибуквенном алфавите в белках.

Решающий вклад в решение этой проблемы был сделан Г.Л. Гаммовым в 1954 г. Он предположил, что каждая аминокислота кодируется сочетанием из триплетов – трех нуклеотидов. Нуклеотид представляет собой элементарный мономер ДНК, состоящий из сахара, фосфата и основания. Так, если молекула ДНК содержит информативный участок, кодирующий первичную структуру белка, из 90 нуклеотидов, то число аминокислот, входящих в состав белка, который шифруется этим участком ДНК, будет равно 30. Доказательство кодирования аминокислот тремя последовательно расположенными нуклеотидами триплетов было получено в 1961 г. в результате работ Ф. Крика, Л. Барнета, С. Бреннера и Р. Ваттс-Тобина (Великобритания), а также работ М. Нирнберга и Дж. Маттеи (США).

К началу 60-х гг. ХХ в. сложилось уже четкое понимание основных процессов передачи информации в клетке при синтезе белка. К понятию «редупликация» прибавились понятия «транскрипция», «трансляция». При раздвоении молекулы ДНК последовательность ее оснований переводится в компли­ментарную последовательность оснований информационной (матричной) РНК. Этот процесс пере­дачи информации от гена информационной РНК называется транскрипцией. Затем РНК перемещается из ядра в цитоп­лазму, где она соединяется с рибосомой – субмикроскопи­ческой структурой, в которой происходит белковый синтез. В рибосоме происходит считывание генетической инфор­мации, т.е. последовательность оснований, содержащихся в информационной РНК. Этот процесс называется трансляцией. Аминокислоты захваты­ваются небольшими участками транспортной РНК и пере­носятся в нужное место к информационной РНК, находя­щейся в рибосоме. Для каждой аминокислоты есть своя транспортная РНК. Так как насчитывается 20 аминокислот, то существует 20 транспортных РНК. Белок, содержащий тысячи аминокислот, в живой клетке синтезируется за 5 – 6 мин.

После проблемы специфичности белкового синтеза на первом месте в молекулярной биологии оказалась пробле­ма регуляции синтеза белков, или, что то же самое, регуля­ции активности генов. В 1961 г. французские биохимики Ф. Жакоб и Ж. Моно предложили схему регуляции активности генов. Согласно схеме Ф. Жакоба и Ж. Моно, в ДНК кроме структурных (информационных) генов имеются еще гены-регуляторы и гены-операторы. Эти виды генов осо­бым образом влияют на работу структурного гена.

Другое направление молекулярной генетики – иссле­дование мутации генов. Современный уровень знаний позволяет не только понять эти тонкие процессы, но и использовать их в своих целях. Разрабатываются методы генной инженерии, позволяющие внедрить в клетку желаемую ге­нетическую информацию. В 70-е гг. ХХ в. появились методы выделения в чистом виде фрагментов ДНК с помощью электрофореза. Транспортным средством переноса генетической ин­формации в клетку стал вирус. Явление переноса генов из одной клетки в другую с помощью виру­сов получило название трансдукция.

Появилась возможность изучать распределение нуклеотидов в определенном гене или получать нужный белок. Для этого создается рекомбинантная ДНК, которая возникает, когда ДНК одного организма внедряется в клетки дру­гого. Так, в 80-е гг. ХХ в. были разработаны интерфероны – белки, способные подавлять размножение вирусов. Были выбраны наиболее подходящие для переноса гены и мобильные участки ДНК. Например, культурным растениям вводят гены, повышающие их иммунитет и устойчивость. Подвижные (мобильные) гены представля­ют собой структурно и генетически дискретные фрагменты ДНК, способные перемещаться по геному клетки – совокупности генов, содержащихся в одинарном наборе хромосом животной или растительной клетки. Механизм перемещения фрагментов ДНК по геному до конца не выяс­нен. Встраиваясь в различные участки хромосом, они вно­сят в геном факторы нестабильности и изменчивости, что, возможно, определяет их важную роль в эволюции.

В 1981 г. процесс выделения генов и получения из них различных цепей был автоматизирован. Генная инженерия в сочетании с микроэлектроникой предвещают возможнос­ти управлять живой материей почти так же, как неживой. Уже сейчас получены тысячи образцов генетически модифицированных организмов (животных, растений, бактерий), многие из них выращиваются и разводятся для получения лекарственных препаратов, продуктов питания, промышленного сырья и т.д. В то же время многие ученые приводят фактические примеры негативного влияния генетически модифицированных продуктов (ГМП) на организм человека и животных. Хотя безвредность или опасность ГМП еще однозначно не доказана, вероятно, следует ограничить их огульное использование при производстве продуктов питания.

В последнее время в средствах массовой информации активно обсуждаются опыты по клонированию животных и связан­ные с этим нравственные, правовые и религиозные пробле­мы. Еще в 1943 г. журнал «Сайенс» сообщил об успешном оплодотворении яйцеклетки в «пробирке». Далее события развивались следующим образом.

1953 г. – Р. Бриге и Т. Кинг сообщили об успешной разработке метода «нуклеотрансферного» переноса ядра клетки в гигантские икринки африканской шпорцевой ля­гушки «ксенопус».

1973 г. – профессор Л. Шетлз из Колумбийского уни­верситета в Нью-Йорке заявил, что он готов произвести на свет первого «ребенка из пробирки», после чего последовали категорические запреты Ватикана и пресвитерианской (баптистской) церкви США.

1977 г. – закончилась публикация серии статей о ра­ботах профессора зоологии Оксфордского университета Дж. Гердона, в ходе которых было клонировано более полу­сотни лягушек. Из их икринок удалялись ядра, после чего в оставшийся «цитоплазматический мешок» пересаживалось ядро соматической клетки. Впервые в истории науки на ме­сто гаплоидного ядра яйцеклетки с одинарным набором хромосом было внесено диплоидное ядро соматической клетки, таким образом на свет появлялись детеныши наследственно идентичные тому организму, у которого была взята соматическая клетка.

1978 г. – рождение в Англии Луизы Браун, первого ребенка «из пробирки», в результате искусственного оплодотворения.

1981 г. – Л. Шетлз получает три клонированных эмбриона (зародыша) человека, но приостанавливает их развитие.

1985 г. – 4 января в одной из клиник северного Лондо­на родилась девочка у миссис Коттон – первой в мире суррогатной матери, не являющейся матерью биологической (т.е. «бэби Коттон», как назвали девочку, была зачата не из яйцеклетки миссис Коттон).

1987 г. – специалисты Университета имени Дж. Ва­шингтона, использовавшие специальный фермент, сумели разделить клетки человеческого зародыша и клонировать их до стадии тридцати двух клеток (бластомеров), после чего зародыши были уничтожены. Тогдашняя аме­риканская администрация пригрозила лишить лаборатории дотаций из федеральных фондов, если в них будут проводиться подобные опыты.

1996 г. – 7 марта журнал «Нейчур» помещает пер­вую статью коллектива авторов Эдинбургского института, которые сообщили о рождении пяти ягнят, получен­ных без участия барана: в цитоплазматические мешки яйцеклеток были перенесены ядра культуры эмбриональ­ных клеток, полученных от другого зародыша.

1997 г. – в самом конце декабря журнал «Сайенс» сообщил о рождении шести клонированных овец. Три из них, в том числе и овечка Долли, несли человеческий ген «фактора IX», или кровоостанавливаю­щего белка, который необходим людям, страдающим ге­мофилией, т.е. несвертываемостью крови.

Клонирование открывает уникальные перспективы для чело­вечества. Клонирование органов и тканей – это задача номер один в области трансплантологии, травматологии и других областях медицины и биологии. При пересадке клониро­ванного органа не надо думать о подавлении реакции от­торжения и возможных последствиях в виде рака, развив­шегося на фоне иммунодефицита. Клонированные органы станут спасением для людей, попавших в автомобильные аварии или какие-нибудь иные катастрофы, или для людей, которым нужна радикальная помощь в связи с возрастными заболеваниями (изношенное сердце, больная печень и т.д.). Самый наглядный эффект клонирования – дать воз­можность бездетным людям иметь своих собственных детей. Миллионы семейных пар во всем мире страдают, будучи обреченными оставаться без потомков. Клонирование поможет людям, страдающим тяжелыми генетическими болезнями. Если гены, опреде­ляющие какую-либо подобную болезнь, содержатся в хро­мосомах отца, то в яйцеклетку матери пересаживается ядро ее собственной соматической клетки – и тогда появится ребенок, лишенный опасных генов, точная копия матери. Если эти гены содержатся в хромосомах матери, то в ее яйцеклетку будет перемещено ядро соматической клетки отца – появится здоровый ребенок, копия отца.

Дата добавления: 2014-01-07