От пекарни до биофабрики. Обзор достижений биотехнологии -  Реннеберг Рейнхард - Страница 14

В 1953 г. два исследователя, молодой американский биолог Джеймс. О. Уотсон (1928) и английский физик Френсис Н. К. Крик (1916), предложили гипотезу относительно того, каким образом в ДНК аккумулируется вещество наследственности всех живых существ и как оно передаётся потомству. Работы Уотсона и Крика были столь же значительны для нашего понимания жизни, как, к примеру, модель атома Нильса Бора для развития физики или периодическая система элементов Дмитрия Менделеева и Лотара Мейера[16] для химии. В 1962 г. Уотсону и Крику за цикл работ по ДНК была присуждена Нобелевская премия.

У всех представителей живой природы — бактерий, мышей, деревьев, цветов, человека и слона — ДНК построена по одному и тому же принципу. Молекула ДНК хранит все «инструкции», необходимые для того, чтобы направлять и регулировать жизнедеятельность клетки. Инструкции закодированы в последовательности строительных блоков ДНК. ДНК можно сравнить также с перфолентой. На «перфолентах» ДНК имеются указания относительно того, какую молекулу белка должна производить клетка в тот или иной момент на своих «машинах» по производству белка.

Молекула дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) — наследственного вещества — состоит из двух обвивающих друг друга одиночных цепей (нитей) (выделены голубым цветом), в которых с помощью определённой последовательности четырёх различных строительных «блоков» (обозначены красным и жёлтым цветом) закодирован «приказ» (инструкции) по построению белков из аминокислотных остатков. Определение пространственной структуры ДНК явилось результатом многолетних исследований с использованием современных рентгеноструктурных методов анализа, методов химического анализа, а также ЭВМ. Представленное здесь изображение было получено на ЭВМ, в которую была введена вся имеющаяся информация о расположении отдельных атомов.

Роль клеточных «машин» по производству белка выполняют рибосомы, внешне представляющие собой сдвоенные сферы; в каждой бактериальной клетке сосредоточено примерно 10 000 рибосом.

Как функционирует рибосома? Рибосомы связывают свободно перемещающиеся в клетке молекулы аминокислот в длинные цепи, которые затем скручиваются и образуют таким образом шарообразные или нитевидные молекулы белков. В одну секунду одна-единственная рибосома связывает друг с другом от 10 до 20 строительных «блоков» — молекул аминокислот. Так как молекула белка обычно состоит из нескольких сотен аминокислот, то, значит, она может быть построена за какие-нибудь 10 с. Закодированный приказ о том, что следует строить данный белок, рибосома получает от ДНК. Кстати, в клетках растений и животных цепи ДНК не «плавают» свободно, как в бактериальной клетке, а заключены в оболочку, образуя клеточное ядро.

Как же выглядит «приказ ДНК»? В переводе на человеческую речь он означал бы следующее: «Внимание, рибосома! Старт! Начинай, согласно данному приказу, синтезировать белок „X“! Используй в качестве «стройматериала» молекулы следующие строительные блоки…» (далее следовали бы закодированные обозначения аминокислот, из которых состоит белок «X»).

При этом число и последовательность аминокислот в цепи для каждого определённого «типа белка» всегда одинаковы. Различные типы белков различаются по числу и последовательности аминокислот. Следовательно, амилаза имеет иную аминокислотную последовательность, чем, например, сычужный фермент.

Но каким образом приказ от плотно скрученных двойных цепей ДНК доходит к тысячам рибосом, распределённым в цитоплазме? Для этого клетка производит множество «отпечатков» приказа ДНК, как бы копий. Например, когда клетка должна срочно построить амилазу, чтобы превратить крахмал в сахар, в клубке ДНК «отыскивается» участок с записанным в нём приказом синтезировать белок амилазу. Длина ДНК, содержащей этот приказ, составляет около 0,0001 мм. Вот этот участок ДНК с предписанием о синтезе белка, а также другие подобные участки и называются «геном». Можно представить себе, как трудно отыскать нужный ген на сильно скрученной цепи ДНК общей длиной всего лишь 1,4 мм. Тем не менее клетка выполняет это за доли секунды! Итак, ген амилазы «найден». Теперь с этого гена снимаются копии. Для этого существуют специальные ферменты, которые постоянно «прокатываются» вдоль цепи ДНК и копируют её приказы, составляя из аналогичных строительных «блоков» новую цепь, идентичную «материнской цепи». Затем эта ДНК-копия отъединяется от «материнской» ДНК. Новая цепь имеет длину, равную длине гена, и содержит точно такой же приказ, что и ген на «материнской ДНК». В отличие от «материнской» ДНК, состоящей из двух скрученных цепей, ДНК-копия представляет собой всего лишь одиночную цепь. Для полученной копии принято название информационная рибонуклеиновая кислота (мРНК; буква «м» от англ. messenger — вестник).

К готовой ДНК-копии молниеносно присоединяется несколько рибосом, они «нанизываются» на неё по всей длине и «считывают» приказ о сборке молекул аминокислот для построения амилазы. Рибосомы «слепо» повинуются и составляют предписанные цепи из аминокислот. При этом из рибосом — этих «машин» по производству белка — как бы выскальзывают связанные друг с другом аминокислоты. Работа идёт, аминокислотные цепи становятся всё длиннее, по мере того как рибосомы всё дальше «нанизываются» на ДНК-копию. Но вот рибосомы расшифровали ДНК-копии. Теперь: «Стоп! Белок готов!» Далее рибосомы отторгают выходящие из них длинные аминокислотные цепи. Последние тотчас же сворачиваются в клубки и образуют белки в форме шариков с выемкой на поверхности. Итак, белок амилаза построен и в качестве фермента может немедленно приступить к расщеплению крахмала на строительные «блоки» — молекулы сахаров. Тем временем вдоль ДНК-копии наслаиваются новые рибосомы, и таким образом образуется всё больше молекул амилазы. Если надобность в амилазе исчезает, специальные ферменты вновь разлагают ДНК-копии на составляющие их строительные блоки. После этого рибосомы уже не продуцируют белков.

«Работа» бактериальной клетки по инструкции, получаемой от ДНК. Клетка синтезирует молекулы белка из аминокислотных остатков.

На самом деле все эти процессы значительно сложнее. Последние 30 лет наука интенсивно занимается тем, чтобы всё-таки выяснить некоторые из важнейших законов, лежащих в основе построения хотя бы наиболее простых клеток. Но на что же можно употребить полученные нами знания?

Человеческий белок из бактерий?

В июле 1980 г. газеты всего мира обошло известие о том, что в одной из лондонских больниц 17 добровольцам были сделаны инъекции инсулина.

Что же в этом сообщении было такого примечательного? Ведь инсулин известен уже в течение многих лет.

Инсулин — это белок, вырабатываемый так называемыми островными клетками поджелудочной железы в организме человека и животных. Он регулирует содержание сахара в крови. Кровь транспортирует сахар, поступающий вместе с пищей, во все клетки организма. Если же организм не вырабатывает достаточного количества инсулина, то возникает сахарная болезнь (диабет): неусвоенный сахар переходит в мочу и организм теряет ценные питательные вещества. В настоящее время больному действенным образом могут помочь только инъекции инсулина.

Инсулин обычно получают из поджелудочных желёз убойных свиней и крупного рогатого скота. Однако не каждый больной сахарной болезнью в состоянии переносить инсулин, полученный от животных. Молекула инсулина состоит из многих аминокислот. В инсулине свиньи лишь в одном участке аминокислотной цепи содержится аминокислота, иная, чем в инсулине человека, а инсулин крупного рогатого скота отличается от человеческого по трём аминокислотам. Эти незначительные отклонения приводят к тому, что у некоторых больных диабетом вырабатываются антитела против инсулина животных. Таким больным может помочь только инсулин человека. Но откуда взять такой инсулин в больших количествах?