Инсулин вырабатывают... бактерии

Эксперименты, развернутые во всем мире по генетической инженерии, обнаружили широкие возможности получения комбинированных молекул и их внедрения в клетки. Оказалось, что после того, как чужеродный материал попадет в клетку, он в ее составе многократно умножается в процессе клеточных делений. Такое умножение чужеродного материала получило название клонирования.

Многочисленные опыты доказали, что с помощью генной инженерии можно создавать бактерии, обладающие способностью сверхсинтеза таких нужных веществ, как белки, аминокислоты, ферменты, витамины, гормоны, антибиотики и многое другое. В этих условиях при клонировании генов, продукт которых нужен для здоровья человека, бактерии становятся фабриками веществ, необходимых для лечения разных болезней. Ведь бактерии размножаются с неограниченной интенсивностью. Исходная бактерия на дешевой питательной среде за одну ночь дает несколько миллиардов клеток. И если в ней есть комбинированные молекулы, они при размножении бактерии воспроизводятся - клонируются с той же интенсивностью. Успешные работы по клонированию разных генов таких, например, ферментов, как ДНК лигазы, ДНК полимеразы, рестритказ и других, позволили создать бактерии - сверхпродуценты этих ферментов.

Представляют интерес исследования способов получения новых лекарственных средств, и в первую очередь антибиотиков. Наиболее значительными в этом направлении, конечно же, следует признать работы по созданию противораковых антибиотиков. Уже сегодня приблизительно из семидесяти известных противораковых антибиотиков 67 продуцируются микроорганизмами, принадлежащими к группе актиномицетов. Промышленное размножение этих микроорганизмов пока еще мало рентабельно. Растут они очень медленно, что создает серьезные технологические трудности в налаживании массового выпуска противораковых антибиотиков. Естественно, из-за этого и стоят они дорого.

Методами генной инженерии можно перенести необходимую генетическую информацию от актиномицетов в скоро растущие бактерии и таким путем создать быстро размножающиеся и менее требовательные к культуральным условиям продуценты противораковых антибиотиков. Подобные работы уже начаты.

Но актиномицеты представляют интерес не только при производстве уникальных антибиотиков. Очень важную роль они играют и в почвообразовании. Если вы когда-нибудь весной были в иоле, то, конечно, чувствовали запах свежевспаханной земли. Запах этот как раз и обусловлен присутствием в ней актиномицетов. Создание их новых форм может стать ключом к восстановлению бросовых земель, которые остаются после разработки полезных ископаемых. И лежат эти безжизненные, ни к чему не пригодные земли годами, десятилетиями. Даже трава на них расти не может. Искусственно же созданные микроорганизмы сумеют превратить такие земли в плодородную почву.

Немалую роль в охране окружающей среды могут сыграть, а нередко уже и играют переделанные учеными-генетиками микроорганизмы, участвующие в очистке сточных вод, отходов и отбросов промышленных предприятий.

В некоторых случаях генетическая инженерия прямо отвечает на вопросы, поставленные жизнью. Известно, что одной из причин загрязнения океанов становятся потери нефти. Ведь аварии с танкерами и платформами для подводной добычи нефти происходят очень часто. То танкер столкнется с другим кораблем, то на риф наскочит, а то и просто переломится пополам, попав в шторм. И вытекают из него тысячи тонн нефти. А потом плывут по поверхности морей и океанов гигантские нефтяные пятна, губя все живое, загрязняя пляжи и побережья и принося миллионные убытки.

Фирма "Дженерал Электрик" обратилась к ученым с просьбой найти способ биологической очистки вод океана от пленки нефти в местах загрязнения. Проблема была решена путем использования четырех штаммов бактерий, каждый из которых поглощает только один определенный вид углеводородов. Эта способность во всех случаях связана с действием генов специфичных плазмид. При введении четырех разных плазмид в одну клетку возникла форма "сверхбактерии", которая очищает воду от нефти. После работы таких сверхбактерий остается лишь вода, двуокись углерода и сами бактерии.

Можно привести немало примеров, когда гены высших организмов были введены в плазмиды бактерий. Такие комбинированные молекулы размножаются в клетках бактерий и в ряде случаев контролируют синтез тех же белков, что синтезируются в клетках высших организмов.

Большой интерес не только для науки, но и для практических целей имеет клонирование в бактериях химически созданных генов, кодирующих разные вещества. Как известно, потребовались сотни миллионов лет эволюции, прежде чем возник молекулярный носитель наследственной информации, способный управлять жизнью клетки. В этом аспекте исключительный интерес для науки и практики имеют факты, когда искусственно созданная в пробирке химическая последовательность нуклеотидов, будучи введенной с помощью векторной молекулы в клетку, становится геном со всеми его свойствами и биологическими функциями. В этом случае перед нами высший уровень современного молекулярно-генетического экспериментирования, вооруженного биохимией и сложной техникой. В мировой литературе описаны 6 случаев, когда химически созданная последовательность, введенная в клетку, приобрела свойства биологически полноценного гена.

Стимулирование такого рода работ было связано с тем, что развитие методов генетической инженерии за последние пять лет обещало переход от теоретических предпосылок к использованию быстро растущих бактерий для синтеза биологически активных соединений, необходимых народному хозяйству и медицине.

Наибольший интерес с этой точки зрения представляют белки и пептиды с гормональной активностью. Белковые гормоны играют важнейшую роль в регуляции физиологических процессов как в нормальных условиях, так и при различных патологических нарушениях. Молекулы гормонов детально изучены, и в некоторых случаях ученым удалось осуществить их химический синтез. В настоящее время установлена структура ряда гормонов гипофиза; поджелудочной железы, щитовидной и паращитовидных желез и так далее.

Лечение различных эндокринных нарушений требует выпуска гормональных препаратов в промышленных масштабах. Однако химический синтез большинства из них не нашел промышленного применения из-за его трудоемкости и дороговизны. По мере увеличения молекулярного веса гормонов их химический синтез становится все менее доступным. Иной путь открывает генетическая инженерия, позволяющая практически в неограниченных масштабах сравнительно дешевым и быстрым методом получать нужный гормон. При этом химически синтезируют не белковый продукт, то есть сам гормон, а ген, кодирующий его синтез. После введения гена в бактериальные клетки такие бактерии начинают синтезировать то белковое, биологически активное соединение, которое кодируется введенным геном.

В конце 1977 года американскими исследователями на базе искусственного гена впервые был получен штамм бактерий, синтезирующих гормон мозга животных и человека - соматостатин, играющий важную роль в регуляции поступления гормона роста, инсулина, глюкагона. Все мы знаем, как много людей на Земле страдает от диабета. В результате нарушений в генетическом аппарате человека в его организме перестает вырабатываться инсулин, и количество сахара в крови недопустимо возрастает, что может привести к смертельному исходу, если не принять срочных мер. Победить диабет нельзя. Единственная возможность помочь больному - регулярно вводить в его организм инсулин, получаемый из поджелудочной железы быков и свиней. Он не полностью идентичен человеческому, и некоторые диабетики имеют аллергию к такому инсулину. Кроме того, препарат довольно дорог, и удовлетворить все потребности в нем не всегда удается. Есть ли выход? Конечно. Успешные шаги в этом направлении уже сделаны. Я имею в виду ген инсулина человека, как синтезированный на инсулиновой и-РНК, так и химически созданный, "встроенный" в бактериальную клетку. Уже есть бактерии - продуценты инсулина крысы.

Надо отметить, что все подобные эксперименты проводились и проводятся со строжайшими мерами предосторожности. И это вполне понятно, ведь введение в бактерию, способную жить в человеческом организме, наследственных характеристик из других организмов теоретически сопряжено с определенным риском. Представьте на секунду, что случится, если, скажем, новая гибридная бактерия случайно вырвется из-под контроля ученых, проникнет в человеческий организм и начнет производить там большое количество инсулина. Содержание сахара в крови тут же снизится до опасных пределов.

Во избежание неприятностей экспериментаторы использовали в своих опытах кишечную бактерию, модифицированную таким образом, что она смогла существовать только в искусственной среде, созданной в лаборатории.

Понятно, что следующим шагом была пересадка в бактерию человеческого гена, управляющего производством инсулина, специфичного именно для человека.

Такая пересадка открывает значительные источники инсулина. Да и его стоимость должна быть ниже стоимости того препарата, которым медики располагают сегодня.

Успех эксперимента не только даст возможность в будущем производить большие количества дешевого инсулина, но и позволит лучше изучить диабет. Ведь исследовать функционирование и отклонения от нормы гена инсулина, введенного в бактерию, будет куда проще, чем в той сложной среде, которую представляет собой человеческая поджелудочная железа.

Заставить бактерии создавать инсулин было лишь одной из задач, решение которых еще недавно считалось делом отдаленного будущего. В настоящее время исследователь может уже говорить о строительстве завода, где бактерии станут вырабатывать инсулин, и не рискует при этом заслужить репутацию фантаста. Теперь уже всем ясна возможность производства гормонов бактериями и, быть может, когда-нибудь даже клетками самого больного. А еще совсем недавно многим это казалось нереальным. И сейчас дело не столько за учеными, сколько за микробиологической промышленностью. Ее обязанность - воплотить в жизнь идеи генетики и осуществить выпуск такого инсулина.

Направление генетической инженерии по синтезу пептидов очень и очень перспективно. И я думаю, что нельзя не согласиться с мнением академика Е. И. Чазова, что возможности, которые открываются при изучении в лаборатории этого нового класса веществ, грандиозны. Такие исследования ведутся во многих научных центрах нашей страны. Например, в соответствии с проектом Института биоорганической химии АН СССР и Института общей генетики АН СССР была осуществлена работа по химическому синтезу гена человека и его введению в клетку бактерий, где этот ген проявил полную биологическую активность.

В Институте биоорганической химии АН СССР под руководством академика М. Н. Колосова осуществлен химический синтез полимера, химически идентичного гену брадикинина. Брадикинин - тканевой гормоноид, регулирующий кровяное давление, стимулирующий деятельность гладкой мускулатуры. При введении в организм человека или животных брадикинин вызывает понижение кровяного давления, расширение артерий, увеличивает проницаемость капилляров. В более высоких дозах брадикинин способствует сокращению бронхов, кишечника.

С. И. Городецкий, А. Г. Слюсаренко и другие сотрудники Института общей генетики АН СССР создали новые плазмидные системы, ввели через них химически синтезированный полимер в клетку бактерий. Ранее было известно, что введения чужеродного гена в состав бактериальных плазмид совершенно недостаточно, чтобы обеспечить его действие. Заставить искусственный ген работать в клетке можно только подключив его к общей системе регуляции синтеза белка бактерий.

С этой целью провели довольно сложную и кропотливую работу по созданию плазмид, несущих нужный функциональный набор генов. Потом в эту плазмиду ввели полимер и при последующем клонировании получили бактерии, содержащие новую плазмиду с геном брадикинина.

Только на первый взгляд может показаться, что все это было просто. На самом же деле создание новой бактерии - это большой, напряженный труд, по достоинству оценить который могут скорее всего специалисты.

Однако нужно было еще выяснить, работает ли ген брадикинина в клетках бактерий, содержащих плазмиду. Для контроля использовали два метода: радиоиммунологическое определение и биологическое тестирование активности синтезируемого продукта. В американских работах не проверялась биологическая активность синтезируемых бактериями гормонов. Учитывая высокую чувствительность животных и их отдельных органов к брадикинину, наши ученые сочли необходимым установить не только химическую идентичность синтезируемого бактериями гормоноида природному, но и его биологическую активность.

В процессе исследований было выяснено, что как по антигенной структуре, так и по проявлению биологической активности в клетках бактерий синтезируется биологически полноценный гормоноид - брадикинин. При необходимости из штамма кишечной палочки можно получать брадикинин и в промышленных масштабах, ведь выход его в наших условиях составлял до 2 миллиграммов из 25 граммов сырой биомассы клеток. Это значительно проще и дешевле, чем синтезировать необходимый препарат химическим путем.

Теперь можно верить, что не только диабет, но и многие болезни, связанные с плохим гормональным функционированием, такие, как тетания желез, импотенция из-за недостаточности половых желез, нанизм из-за нехватки гормонов роста, снижение основного обмена из-за недостатка гормонов щитовидной железы, бронзовая болезнь из-за атрофии надпочечников и другие, будут побеждены с помощью генетической инженерии. Диагноз этих болезней нередко можно поставить еще до рождения ребенка, исследуя околоплодную жидкость и выявляя аномалии генов или их цепочек.

Ну а теперь давайте попробуем представить себе пока еще весьма далекую, но в будущем, я уверен, вполне реальную картину. Врачи берут из пищеварительного тракта больного человека бактерии, входящие в его постоянную микрофлору. У этих бактерий несколько изменяют наследственный аппарат с тем, чтобы они могли производить целительные для данного больного вещества. Затем бактерии вновь возвращают в организм, и они служат там своего рода живым лекарством постоянного действия. Фантастика? Сегодня да, а завтра, думаю,- реальность.

Огромное значение для здравоохранения имеет проблема профилактики вирусных заболеваний. Ряд вирусов, в силу их биологических свойств, нельзя накопить в количествах, необходимых для иммунопрофилактики. Так, например, вирус гепатита Б инфекционен только для человека, поэтому изготовление вакционных штаммов пока практически невозможно. Учитывая важность вопроса, генетические инженеры, вначале во Франции, а затем в США, ввели наследственный материал этого вируса в бактерию, размножили его и получили штамм бактерий, являющихся продуцентом антигенов вируса. Теперь дело за внедрением!

Не менее остро обстоит дело с гриппом и его профилактикой. Десятки миллионов человек ежегодно переносят это заболевание. По предварительным данным, одна из английских фирм провела довольно успешные работы по созданию штаммов бактерий - продуцентов белков гриппа, необходимых для иммунопрофилактики. Быть может, недалеко то время, когда и грипп будет побежден с помощью генетической инженерии.

Для бактерий показательно, что антигенными свойствами обладают прежде всего 14 аминокислот. Идет работа по выделению антигенного пептида ящура. Зная белковую природу антигена, можно построить нуклеиновый полимер, который затем превратить в живые гены в клетках бактерий. Это открывает фантастические возможности создания искусственных генов, не аналогов существующих, а комплекс структур с полиантигенными свойствами, дающими удивительные лекарства сразу к ряду заболеваний.

Да, эксперименты идут во всем мире. Многие проекты уже реализованы, и бактерии производят вещества, которые они в обычных условиях не вырабатывают. Однако внедрение достижений генной инженерии в практику нередко наталкивается на большие технические трудности. Ведь без хорошо разработанной биотехнологии и современного микробиологического производства все уникальные бактерии, синтезирующие и инсулин, и гормон роста, и многое другое, представляют только научную ценность. Уже сейчас предложены долголетние биотехнологические программы в разных странах. Но пока ясно одно. Все существующие специализированные генно-инженерные фирмы не могут обычными микробиологическими способами наладить выпуск инсулина, интерферона из бактерий - эти гормоны получаются слишком дорогими. Внедрение новой технологии в самом ближайшем времени должно дать огромный экономический эффект.

Возможность клонирования отдельных генов высших форм имеет исключительное научное и практическое значение. Если бы, скажем, каждый из 100 000 генов человека можно было бы по отдельности отклонировать в бактериях, открылись бы новые подробности строения и функций генов человека.