Развитие естествознания в ХХ веке

В 1981 году 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.

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

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

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

1975 год -- 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 с  двойным числом носителей генетической  информации.

1979 год -- рождение  в Англии Луизы Браун, первого  ребенка «из пробирки».

1981 год -- Шетлз получает  три клонированных эмбриона (зародыша) человека, но приостанавливает их  развитие.

1985 год -- 4 января  в одной из клиник северного  Лондона родилась девочка у  миссис Коттон -- первой в мире  суррогатной матери, не являющейся  матерью биологической (то есть  «бэби Коттон», как назвали девочку, была зачата не из яйцеклетки  миссис Коттон). Был вынесен парламентский  запрет на эксперименты с человеческими  эмбрионами старше четырнадцати  дней.

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

1990 год -- 7 марта  журнал «Нейчур» помещает первую  статью коллектива авторов из  института Рослин в Эдинбурге, которые сообщили о рождении  пяти ягнят, полученных без участия  барана: в цитоплазматические мешки  яйцеклеток были перенесены ядра  культуры эмбриональных клеток, полученных от другого зародыша. Администрация Билла Клинтона  еще раз подтверждает свое  намерение лишать поддержки федеральных  фондов всех, кто вознамерится экспериментировать с человеческими эмбрионами. Так был лишен субсидии исследователь из Университета им. Дж. Вашингтона, осуществлявший анализ пола зародыша и анализ дефектных генов на стадии восьми клеток.

1994 год -- 27 февраля  «Нейчур» поместил на своей  обложке -- на фоне микрофотографии  яйцеклетки -- знаменитую овечку  Долли, родившуюся в том же  институте Рослин в Эдинбурге. В конце июня Клинтон направил  в Конгресс законопроект, запрещающий  «создавать человеческое существо  путем клонирования и ядерного  переноса соматических клеток».

1996 год -- в самом  конце декабря журнал «Сайенс»  сообщил о рождении шести овец, полученных по рослин-скому методу. Три из них, в том числе и  овечка Полли, несли человеческий  ген «фактора IX», или кровоостанавливающего  белка, который необходим людям, страдающим гемофилией, то есть  несвертываемостью крови.

1997 год -- чикагский  физик Сиди объявляет о создании  лаборатории по клонированию  людей: он утверждает, что отбоя  от клиентов у него не будет.

1998 год, начало марта -- французские ученые объявили  о рождении клонированной телочки.

Все это 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 из-за заболеваний пожилого возраста (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.

Далее. 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.

Расшифровка генетического кода

Расшифровка генетического кода была одним из самых выдающихся научных открытий XX века.

Самым трудным в проблеме кода было понять то, что код существует. На это потребовалось целое столетие. Когда это поняли, то для того чтобы разобраться в деталях, хватило каких-нибудь десяти лет.

Проблема генетического кода -- это ключевая проблема. В конце 50-х -- начале 60-х годов она приковывала к себе внимание многих ученых. В широком смысле генетический код -- это способ записи генетической информации в последовательностях нуклеиновых кислот (ДНК или РНК) о структуре полепептидов (белков).

Развитие проблемы генетического кода прошло несколько этапов. Предтечами этой проблемы можно считать многих выдающихся исследователей. В частности, Н.К. Кольцов (1927,1935) предложил в общей форме идею молекулы-гена и матричный принцип ее дублирования. Э. Шрёдингер (1944) сформулировал необходимость кодирования генетической информации в структуре генов-молекул. П. Колдуэлл и С. Хиншельвуд (1950) предложили идею матричного синтеза белков на ДНК. А. Дауне (1952) сформулировал гипотезу о синтезе белков на РНК.

Научные представления о генетическом коде как о реальной проблеме эксперимента и теории были сформулированы Г.А. Гамовым сразу же после обоснования Дж. Уотсоном и Ф. Криком (1953) модели строения двойной спирали ДНК. Первый этап изучения проблемы (1953-1961) можно назвать гипотетическим. Из модели Уотсона-- Крика вытекало представление о линейной последовательности ДНК (некий текст), построенной из четырех типов нуклеотидов (А, Т, G и С -- четыре символа алфавита). Но кодируемые белки тоже имеют линейную первичную структуру (некий текст), построенную из 20 типов канонических аминокислот (алфавит из 20 символов). Поэтому Г.А. Гамов (1954) сразу же сформулировал идею генетического кода в конкретном смысле -- как соответствие двух текстов, записанных при помощи двух разных алфавитов. Кроме того, он предложил использовать технические средства криптографии (расшифровки неизвестных кодов) для решения центральной проблемы генетики.

Генетический код сразу же приобрел облик великой загадки природы, ребуса для остроумных. Многие сотни математиков, физиков, химиков, биологов, включая Г.А. Гамова, Ф. Крика и др., предложили гипотетические варианты генетического кода, которые представляют теперь лишь исторический интерес. Реальный код оказался совсем иным.

Научными результатами первого этапа можно считать: 1) постановку проблемы генетического кода; 2): формирование понятий линейного текста для нуклеиновых кислот и белков, генетической информации, записанной в этих текстах при помощи символов алфавита; 3) представление о матричной роли РНК в трансляции; 4) понятие о кодонах и доказательство их неперекрывания; 5) предположение о триплетности кодонов и коллинеарности гена и белка, доказанное лишь в дальнейшем; и т. д.

Второй этап (1961-1966) можно назвать экспериментальным, так как в этот период генетический код был расшифрован в прямом эксперименте.

Третий этап изучения проблемы генетического кода (после 1966 года) связан с углубленным исследованием молекулярных механизмов кодирования, системных свойств генетического кода: симметрии, регулярности, помехоустойчивости, универсальности, а также путей его возникновения и эволюции.

В результате исследований геномов сформулированы специфические задачи, созданы методы, компьютерные программы, роботы, особый и изощренный математический аппарат. Тем самым заложены основы новой науки, названной «геномикой». Только что вышел в свет первый учебник для вузов, написанный Чарлзом Кэнтором и Кассандрой Смит, так и названный «Геномика».

При расшифровке последовательностей нуклеотидов геномов просто устроенных бактерий и вирусов генетикам удалось с точностью до одного нуклеотида определить их последовательность в ДНК. Затем настал черед многоклеточных организмов, суммарная длина ДНК в хромосомах которых была в десятки, сотни и даже сотни тысяч раз больше. В начале декабря 1998 года было объявлено об окончании секвенирования генома круглого червя Caenorhabditis elegans, первого многоклеточного животного. Однако сказать однозначно, что при этом удалось определить положение каждого нуклеотида в ДНК этой нематоды, нельзя. Да, было доказано, что геном С. elegans содержит 97 млн пар оснований и несет 19 099 генов (и ни одного больше!), но тем не менее 100 или чуть больше небольших по размеру отрезков (около сотни нуклеотидов каждый) остались нерасшифрованными. К ноябрю 1999 года это число неопределенностей уменьшилось -- осталось около 70 неясных точек, но они пока ускользают от исследователей. Это связано частично с тем, что в данных точках есть зоны повторения нуклеотидов. Во время наработки копий этих участков с помощью полимеразной цепной реакции (ПЦР) зоны повторяющихся нуклеотидов могут вести себя необычно: образовывать шпильки или изломы, нераспознаваемые или неправильно читаемые ДНК-полимеразами -- ферментами, удваивающими (амплифицирующими) данные участки.

Другая причина неудач обусловлена тем, что иногда повторяющиеся участки просто невозможно размножить в бактериальных клетках (получить клоны этих участков), так как они обладают способностью убивать клетки, в которых их пытаются клонировать. Но в целом остающиеся неопределенности хотя и сильно раздражают исследователей, но столь малы, что не составляют и сотой доли процента от общей длины расшифрованной ДНК и ни в одном случае не включены в участки генов, а всегда сосредоточены в межгенном пространстве. Поэтому общепризнан успех в изучении генома С. Все до единого гена открыты, все функциональные участки (промотеры, другие рецепторные и важные в структурном отношении районы) секвенированы до последнего нуклеотида, точки генома, в которых расположены отрезки неопределенностей, известны.

Вопрос о точности изучения последовательностей ДНК стал особенно важным в отношении генома человека. В нашем геноме существует большое число повторов нуклеотидов. Кроме них в хромосомах есть теломеры, центромеры и зоны гетерохроматина, где секвенирование затруднено, так как нуклеопротеиды в них плотно сконденсированы: на сегодняшний день они попросту исключены из исследований. Участников программы это не очень беспокоит, дел и без того невпроворот.

Остается неясным, какой точности анализа надо достичь. Недавно все сходились на том, что ошибок не должно быть больше, чем одна на миллион нуклеотидов. Но добиться такой точности по всей длине генома трудно, и было заявлено, что в пределах генов частота ошибок не должна превышать 106, а в межгенных пространствах точность может быть и в сто раз меньше. Сейчас пришли к согласию, что для рабочего варианта генома в пределах генов будет достаточно такой точности, как 104.

К концу XX столетия геномы почти 50 видов были полностью секвенированы. Собранная информация разнообразна, порой необычна, но важна для будущего прогресса науки и промышленности. Вот один из примеров. Летом 1997 года была завершена пятилетняя работа 37 лабораторий (главным образом европейских -- они расшифровали 60% генома; японских, секвенировавших 30% генома; одной корейской и двух американских лабораторий) над геномом бактерии Bacillus subtilis (ее ДНК содержит 4,2 Мб нуклеотидов и около 4 тыс. генов). Это был десятый по счету изученный организм, причем впервые была исследована грамположительная бактерия. К этому классу относятся такие патогены, как Staphylococcus aureus, вызывающий гнойные воспаления, стрептококки -- источники воспаления среднего уха, пневмонии и менингитов. Помимо лучшего понимания процессов патогенности стали ясны структуры генов для многих ферментов, в том числе и промышленно важных (теперь эти гены можно искусственно собирать из предшественников), были также секвенированы участки, в которые встроились ДНК бактериофагов, а также стало ясно, как именно эти пришельцы не только наносят вред клеткам, но иногда помогают им, придавая устойчивость к тяжелым металлам и токсинам.

Функциональная геномика

В последнее время важные для медицины и сельского хозяйства сведения о геномах получены в разных странах. Так, британские исследователи из Сэнгеровского центра и Института молекулярной медицины Оксфордского университета поли остью раскодировали из четырнадцати хромосом основного патогена, вызывающего смертные случаи при заболевании малярии Plasmodium falciparum. Секвенированы геномы большого числа микроорганизмов, вызывающих болезни человека.

Одним из неожиданных итогов геномики, существенных для будущего сельскохозяйственного производства, стало развитие нового направления, название которого в прямом переводе на русский звучит несколько неуклюже -- питательная геномика. Известно, что многие сельскохозяйственные культуры несут недостаточное количество незаменимых для человека аминокислот (тех, которые не синтезируются в теле человека), микроэлементов, металлов, витаминов или, напротив, содержат вещества, в больших количествах вредные или даже опасные для человека. В последние десятилетия интерес врачей и диетологов к потреблению так называемой здоровой пищи, которая содержала бы сбалансированное количество всех нужных человеку ингредиентов пищи, небывало вырос. Практически на каждом пищевом продукте на Западе проставлены цифры, говорящие о том, какую долю от ежедневно рекомендованных норм потребления того или иного соединения приносит данный продукт. Сейчас установлено, во сколько раз необходимо увеличить потребление того или иного витамина и микроэлемента, чтобы понизить во столько-то раз риск раковых, сердечно-сосудистых, респираторных, обменных и иных заболеваний. На фоне этих успехов стало ясно, что изучение геномов растений, их метаболизма (целиком зависящего от определенных генов), разработка биотехнологических операций по переносу генов позволяют надеяться, что в ближайшее время, в считанные годы, ученые научатся получать растения с заранее выбранными свойствами в отношении их питательной ценности.