Минимизированная бактерия

Сейчас Вентер и его коллеги, в число которых входит лауреат Нобелевской премии Хэмилтон Смит, работают над созданием - с помощью той же технологии искусственного микроорганизма на основе Mycoplasma genitalium - условно-патогенного обитателя мочеполовых путей. Хромосома средней бактериальной клетки содержит две-четыре тысячи генов. Геном M. genitalium состоит всего из 517 генов, 480 из которых кодируют белки, а 37 - различные молекулы РНК. Ближайший родственник M. genitalium,M. pneumoniae, содержит те же 480 генов плюс еще около 200 дополнительных. Для выживания простейшей "версии" микроорганизма эти гены не являются обязательными. Аккуратно, один за другим, вырезая гены из хромосомы M. genitalium, исследователи установили, что в ее лаконичном геноме только около 300 генов действительно необходимы для существования бактерии в питательном бульоне.

Проект "Минимальный геном" направлен на создание простейшего из простейших жизнеспособного одноклеточного организма. После этого можно будет проводить "апгрейдинг устройства с минимальной конфигурацией". В обычной бактериальной клетке избыточная продукция естественных метаболитов или синтез белка, закодированного в трансгене, конфликтует с основными программами, записанными в тысячах генов и обеспечивающими выживание клетки в природных условиях. В клетке с минимальным геномом все ресурсы, кроме необходимых для жизни и деления в тепличных условиях биореактора, будут направлены на синтез необходимых человеку белков.

Работы Вентера и Смита финансируются специальным грантом Министерства энергетики США в размере 3 млн долларов. Министерство рассчитывает, что со временем проект будет иметь практический выход, например для создания новых микроорганизмов, способных перерабатывать токсические отходы производства или вырабатывать водород и другие виды топлива.

Набор "сделай сам"

Ученые из нью-йоркского Университета имени Рокфеллера под руководством Альберта Либхабера и Винсента Нуаро подошли к конструированию искусственной клетки с другой стороны. Они не уменьшают существующий геном, а конструируют клетку "с нуля". Теоретически все составные части действующей модели клетки можно было бы синтезировать из простых органических молекул, но проще взять детали из живых источников.

Вначале в двухслойную оболочку из фосфолипидов, выделенных из куриного яйца, исследователи ввели гомогенизированное клеточное содержимое кишечной палочки (за исключением хромосомы и плазмид). Кроме того, во внутреннюю среду искусственных клеток добавили полученный из вируса фермент, обеспечивающий синтез ДНК. Но сама по себе фосфолипидная оболочка у живых клеток служит только каркасом клеточных мембран, а двусторонний транспорт веществ через мембраны обеспечивает сложный комплекс белковых молекул. И для процессов клеточного синтеза необходима руководящая и направляющая роль хромосомы. Без нее везикулы (микропузырьки) первой модели могли существовать не больше пяти часов, после чего транспорт аминокислот и рибонуклеотидов через фосфолипидную стенку и синтез из них белков и обрывков нуклеиновых кислот прекращались.

Экспериментаторы добавили в содержимое везикул фрагменты ДНК. Выделенный из медузы ген зеленого флуоресцирующего протеина часто используют в качестве маркера: если клетки светятся, значит, трансгенная конструкция встроена в хромосому и дополнительные гены обрабатываются как свои. Второй ген, выделенный из золотистого стафилококка, кодирует трубчатые молекулы белка альфа-гемолизина. Этот белок встраивался в фосфолипидный бислой, и образовавшиеся отверстия обеспечивали транспорт веществ через мембрану. В результате псевдожизнь искусственных клеток удлинилась до четырех суток. За их "гибелью" можно было следить по прекращению свечения.

В 2004 году только в США созданием искусственной жизни занимались более 100 лабораторий, а Европейский союз выделил 9 млн долларов на проект "Программируемая эволюция искусственной клетки", в том числе на открытие в Венеции первого института по созданию искусственной жизни - Европейского центра живых технологий.

Гены по рецепту

Генетически модифицированные животные, от светящихся аквариумных рыбок до коз и коров, доящихся "очеловеченным" молоком с повышенным в тысячу раз содержанием железа, уже перестали вызывать мистический трепет. И даже генетическая модификация человека - уже состоявшийся факт.

Правда, до реальной возможности появления подвидов Homo novus, избавленных от многих недостатков Homo sapiens и даже приспособленных для выполнения определенных работ, еще далеко, хотя в прогнозах футурологов всерьез обсуждаются более-менее реальные усовершенствования, которые неплохо было бы ввести в человеческий организм, а в фантастических романах можно найти сотни вариантов модифицированных людей, в том числе и явно юмористических, вроде четвероруких космических монтажников или сантехников с пальцами, заменяющими гаечные ключи.

Но прежде чем придавать человеку новые полезные свойства, следует избавить его от старых и вредных. И не все человечество сразу, а отдельных его представителей, которым особенно не повезло с генами.

По достаточно осторожным оценкам, половина всех хронических болезней, которыми годам к пятидесяти обзаводится каждый из нас, имеют наследственную природу. Предрасположенность ко многим обычным болезням, от артрита до язвы, обусловлена сочетанием особенностей более-менее обычных отклонений во множестве генов. Попытки исправить их - дело безнадежное, во всяком случае - в обозримом будущем.

Но многие болезни являются следствием мутации в одном-единственном гене, в результате чего нарушается или полностью отсутствует синтез закодированного в этом гене белка. Вероятность рождения ребенка с одной из таких болезней может быть довольно высокой: семейная гиперхолестеролемия, приводящая к развитию тяжелого атеросклероза в раннем возрасте, встречается у одного человека из 500, серповидноклеточная анемия - у одного из 400 чистокровных африканцев. Реже всего (примерно у одного из ста миллионов новорожденных) встречается прогерия - болезнь, при которой в 7-10 лет ребенок начинает катастрофически быстро стареть и через несколько лет умирает от старости. Суммарная вероятность рождения ребенка с одной из известных моногенных болезней составляет около одного процента. Если прибавить к этому вероятность в течение жизни заболеть одной из тех болезней, для которых доказана роль определенной модификации определенного гена, станет ясно, почему разработкой методов генотерапии занимаются сотни лабораторий, а клинические испытания уже проходят сотни методик генетической терапии различных видов злокачественных новообразований, гемофилии, СПИДа, муковисцидоза, гиперхолесте ролемии, бокового амиотрофического склероза и десятков других болезней.

Лучший вектор (средство доставки) генов в ДНК человека и других животных - это непатогенные или обезвреженные вирусы.

В июне 2005 года появилось сообщение, что в Пенсильванском университете (США) создан гибрид двух смертельно опасных вирусов, предназначенный для генной терапии муковисцидоза - неизлечимого наследственного заболевания. Для этого тяжелого заболевания характерна повышенная вязкость слизи, в частности в бронхах и кишечнике, что приводит к нарушению работы многих органов и прежде всего систем дыхания и пищеварения. Виновник муковисцидоза - ген, который кодирует производство белка, регулирующего прохождение ионов натрия и хлора через клеточную мембрану. Чтобы остановить болезнь, необходимо скорректировать дефектный ген в значительном числе клеток. Было решено использовать для этого вирус иммунодефицита человека, который умеет добавлять гены в ДНК клеток. Естественно, вирус модифицировали таким образом, чтобы он не мог размножаться и вызывать СПИД. Однако сам по себе вирус иммунодефицита не способен проникать в клетки легочного эпителия, которые более других нуждаются в генетическом лечении. Чтобы правильно нацелить его, использовали белковую оболочку вируса Эбола, умеющего соединяться с нужными клетками. Испытания на мышах и обезьянах показали высокую эффективность гибридного вируса: правильный ген удалось внедрить почти в четверть клеток легочного эпителия. Однако излечиться раз и навсегда таким способом невозможно. Вирус исправляет геном только в поверхностных клетках легочного эпителия, и лечение необходимо повторять несколько раз в год, по мере отмирания клеток.

При синдроме тяжелого комбинированного иммунодефицита (ТКИД) из-за нарушения синтеза фермента аденозиндезаминазы в организме накапливаются аденозин и дезоксиаденозин, токсическое действие которых приводит к гибели Т- и В-лимфоцитов. Таких больных называют "дети в пузыре": без лечения для них смертельна любая инфекция, и единственный способ продлить их жизнь, кроме генотерапии, - это полная изоляция от внешнего мира в стерильной камере. Частота заболевания - примерно один из миллиона новорожденных. Первая попытка лечения двух девочек, больных ТКИДом, была предпринята в 1990 году: в хромосомы их собственных Т-лимфоцитов ввели ген аденозиндезаминазы, модифицированные клетки размножили и ввели в костный мозг пациенток. К сожалению , единственный доступный метод доставки генов в лимфоциты или кроветворные стволовые клетки - с помощью ретровируса - у двоих из дюжины пролеченных таким способом детей вызвал рак крови. Правда, после всестороннего обсуждения большинство специалистов решили, что риск в данном случае оправдан: гарантия смерти при отсутствии лечения - это еще хуже, чем вероятность лейкоза.

Для доставки терапевтических генов в клетки применяют также конструкции на основе аденовирусов (лейкозом они не грозят, но могут вызвать выраженный иммунный ответ и гибель клеток, получивших терапевтический ген). При заболеваниях нервной системы (некоторые опухоли, болезни Альцгеймера и Паркинсона, рассеянный склероз и другие болезни, связанные с нарушением синтеза определенного белка) хорошим средством доставки генов может служить обезвреженный вирус герпеса. Он легко заражает клетки нервной ткани и, в отличие от "дикого" типа, не вызывает ни опоясывающего лишая, ни энцефалита.

Звучит все это и обнадеживающе, и в то же время жутковато: как бы вирусы, даже модифицированные, не привели к нежелательным побочным эффектам.

Невирусных способов доставки генов в клетки существует много. Клонированные в бактериальных плазмидах гены можно вводить прямо в ткани с помощью инъекций. Можно бомбардировать клетки кожи (или, через разрез, более глубокие ткани) с помощью генного "ружья" микрочастицами золота, к которым присоединены участки ДНК. Можно вводить отрезки ДНК в липосомы, которые полностью поглощаются клетками, или соединять с антителами, специфичными к белкам нужного типа клеток (например, раковых). Но при всех этих методах в ядра клеток попадает лишь ничтожная часть лечебных генов, а в хромосомы такие гены практически не встраиваются - соответственно и нужный белок синтезируется очень недолго.

Но зачем вообще встраивать новые гены в ветхие хромосомы? Ведь можно без вирусов, генных ружей и тому подобного построить новые хромосомы и уже их ввести в клетки!