Айболиты-ГМО
Диана Хомякова, «Наука в Сибири»
Гонимые сегодня в России ГМ-технологии не только спасают человечество от голода, но и открывают перспективы для создания принципиально новых лекарств, способных побороть многие болезни, даже рак и бесплодие, а также, вероятно, сделают возможным трансплантацию человеку органов животных. Человеческий организм вырабатывает множество белков. Все они очень важны для его успешного развития и функционирования, и если какие-то из них начинают продуцироваться в недостаточном количестве, развивается заболевание. Многие недуги возникают именно по этой причине. Дело осложняется тем, что белки человека, кроме как из человека, нигде не возьмешь. Наш организм является очень плохим источником этого «строительного материала». Например, для одной терапевтической дозы гормонов для одного больного нужно взять кровь примерно у сотни человек. Кроме того, необходимо провести тщательную проверку каждого донора – никто из них не должен иметь вирусов и инфекций, чтобы не заразить пациента. «Тут как раз очень хорошо помогает генетическая инженерия. Сейчас мы можем просто взять определенный ген из человеческого генома, перенести в другой организм, и заставить последний производить нужные нам белки, – рассказывает заведующий сектором геномики стволовых клеток ФИЦ Институт цитологии и генетики СО РАН кандидат биологических наук Нариман Рашитович Баттулин. – Чаще всего в таком качестве выступают микроорганизмы – бактерии и дрожжи – они проще в производстве и дешевле. Например, инсулин сегодня практически весь создается в бактериях; фактически диабетики были спасены благодаря развитию трансгенных технологий».
В сентябре Новосибирский государственный университет запускает на образовательной платформе Coursera видеокурс лекций «ГМО: технологии создания и применение». В качестве лекторов выступят сотрудники ФИЦ Институт цитологии и генетики СО РАН Нариман Баттулин, Вениамин Фишман и Алексей Мензоров.
Как производится ГМ-инсулин: ученые берут ДНК человека – там находится порядка 20 тысяч генов, среди которых есть ген инсулина. Чтобы он заработал в бактериях, надо на этот кусочек навесить специальные регуляторные элементы, необходимые для адекватного функционирования гена на новом «месте жительства». Например, промотор (та часть, которая «говорит», где и когда должен работать этот ген; так, инсулин вырабатывается только в поджелудочной железе и только в ответ на повышение уровня глюкозы). «То есть нужно взять кодирующую часть инсулина, отбросить все «человеческие» регуляторные части, заменить их регуляторными частями бактерий, и получившийся фрагмент, так называемую «трансгенную конструкцию», перенести в ДНК бактерии, – объясняет исследователь. – Это совсем несложная процедура, с ней вполне справляются и студенты». Ее нужно провести единожды. А затем бактерия будет сообщать «новый план действий» своим дочерним клеткам, то есть размножаться обычным способом и продуцировать инсулин (то же самое происходит и с трансгенными животными, которые способны передавать модифицированную генетическую информацию потомкам). Однако далеко не все белки можно сделать в бактериях – проблема в том, что мы с этими микроорганизмами все-таки очень далекие родственники. В нашем теле происходит огромное количество модификаций, им недоступных. Поэтому некоторые ГМ-белки производят только в клетках животных. Также для создания некоторых из них используют человеческие клетки – их можно культивировать в искусственных жидких средах в специальных огромных цистернах, где они размножаются и ведут себя, по сути, как одноклеточные организмы, но с геномом человека. Однако питательная среда, необходимая для этого метода, достаточно дорогая, что существенно увеличивает стоимость лекарств. Получать многие гормоны, необходимые для лечения тех или иных заболеваний, до появления ГМ-технологий было очень затруднительно. Так, гормон роста человека когда-то добывали только из человеческих трупов (железа, в которой он содержится, находится в мозгу, в гипофизе). Сейчас же его производят рекомбинантно. Фолликулостимулирующий гормон – очень важный белок, регулирующий созревание фолликулов у женщин (его сейчас активно используют при экстракорпоральном оплодотворении, поскольку для суперовуляции важно, чтобы яйцеклеток было сразу много) – раньше добывали из мочи женщин после менопаузы. Сегодня его получают либо в культурах, либо в микроорганизмах. Также трансгенные технологии используются для производства антител. Эти белки хороши тем, что их можно направить, условно говоря, на любую цель. И очень много надежд связано с их применением в противораковой терапии. «Есть такая концепция «золотой пули» – идеального лекарства, которое действует только на больной орган-мишень и не задевает ничего другого. В случае с раком существует проблема: болезнетворным агентом выступают сами клетки тела, геном у них тот же самый, что и у остального организма, поэтому их очень сложно убить. Есть идея сделать антитела, которые бы по каким-то особенностям узнавали раковые клетки и соединялись только с ними, и пришить к ним вещества, убивающие все на свете. Тогда они прицельно будут уничтожать только больные клетки», – рассказывает Нариман. Здесь есть проблема: клетки, производящие антитела, специально «обучены» не узнавать белки собственного тела, чтобы избежать иммунной реакции против своего организма. Уже создано несколько противораковых препаратов на основе антител. Проблема в том, что для производства этих белков нужна иммунизация (создание искусственного иммунитета путем заражения организма незначительным количеством вируса или патогенных бактерий), а ее нельзя проводить с людьми, поскольку это небезопасно и неэтично. Для нужд медицины обычно используют антитела животных, которые далеко не всегда принимаются организмом пациента, так как на них у него может выработаться иммунитет. Поэтому в трансгенезе есть еще одно направление: сделать так, чтобы животные производили антитела человека. «Процедура сложная, хотя на уровне концепции идея достаточно простая: заменить те гены, которые производят антитела, например у мышки, на ген человека. А затем вколоть ей вирус в небольших количествах, чтобы на него у животного выработался иммунитет. Это называется «гуманизация» – взять и сделать мышку более «человечной», – объясняет исследователь. Помимо этого, трансгенная медицина сегодня решает проблему поиска доноров для пересадки клеток, органов и других тканей. Существует такое направление, как ксенотрансплантация – трансплантация не от человека, а от животных. И очень большие надежды здесь возлагаются на свиней. У них примерно такие же размеры органов, как и у нас, и по всем остальным характеристиками они лучше всего подходят для этих целей (уже сейчас ученые утверждают – в будущем сердечникам будут ставиться не человеческие сердечные клапаны, а свиные). Однако эти животные на поверхности клеток вырабатывают какие-то собственные белки, которые могу служить целями для наших антител. И задача генной инженерии: сломать всё, что вызывает отторжение у человека, сделать так, чтобы эта поверхность клеток не узнавалась нашей иммунной системой. Сейчас ведется много работ по этой тематике. Сегодня ГМ-технологии пытаются направить и на производство веществ небелковой природы, например антибиотиков. «Есть такая сложность: белки продуцировать с помощью генной инженерии очень легко. Потому что весь наш организм – это машина по их производству, а гены – это инструкции к ней. Если же вещества небелковой природы – сахара, жиры и тому подобное, для них генов нет, они производятся белками в результате ферментативных реакций, – говорит Нариман. – Например, светлячки светятся, потому что у них есть специальный белок, участвующий в химической реакции с другим веществом. Он называется люцифераза, а вещество – люциферин. Можно сделать мышку, которая будет производить люциферазу, но она не будет светиться, потому что ее нельзя заставить вырабатывать люциферин. Для этого придется запихнуть в ее клетки целый комплекс белков». Однако и в этой области уже есть успехи: в прошлом году вышла статья о том, как дрожжи научили производить содержащиеся в опийном маке опиоидные алкалоиды. Они используются как лекарство – противокашлевое, обезболивающее и тому подобное, но также и для создания наркотиков, из-за чего сфера выращивания мака сильно криминализирована. Возникла идея: делать опиоиды не в полях, а непосредственно на производстве, с помощью дрожжей. Для того чтобы осуществить эту задумку, пришлось перенести в геном дрожжей 23 новых гена и провести огромное множество сложных манипуляций. Однако эксперимент удался. Уже в ближайшие пять–десять лет эти дрожжи будут готовы. Другой пример связан с противомалярийными лекарствами. Самое последнее эффективное из них – артемизинин – производится из полыни. Однако она растет только в определенный период, а поскольку это заболевание распространено в основном в бедных странах, важно, чтобы лекарство было доступным и дешевым. Ученые создали дрожжи, которые научили продуцировать вещества, необходимые для производства артемизинина. «Удешевить технологию не получилось, но опыт создания ГМО небелковой природы наработан», – отмечает исследователь. «Сегодня в генной инженерии происходит в некотором роде революция: появились новые инструменты редактирования генома. Белок, открытый в 2012–2013-х годах, позволяет менять последовательность нуклеотидов в любом выбранном заранее участке генома любого организма. И сейчас во всем мире тысячи лабораторий начали использовать этот метод. Исследования по генной инженерии резко ускорились», – рассказывает Нариман. Например, в одной из работ по превращению свиней в идеальных доноров (эти животные имеют свои вирусы в геноме, есть опасность, что они приживутся в человеке и возникнет какая-то новая эпидемия, поэтому важно погубить их перед трансплантацией) с помощью этой системы в геноме животного одновременно уничтожили штук 20 вирусов, и таким образом очистили его от потенциальных опасностей. «Доказательство того, что человек, животные, растения, бактерии произошли от одного общего предка, это то, что наш генетический аппарат по созданию белков, генетический код, одинаков для всех живых организмов. Одними инструкциями записывается последовательность аминокислот и у морковки, и в организме большой белой акулы. Поэтому, если разбираться в вопросе, можно найти решение практически любой задачи по производству белков одного организма в другом», – говорит Нариман Баттулин. Так, транспортируя в растения белки вирусов, ученые создают на их основе растительные вакцины (то есть употребляя в пищу те или иные продукты, человек постепенно будет приобретать иммунитет против того или иного заболевания).Как отмечает исследователь, генетическая модификация животных имеет сегодня в основном исследовательские цели. Трансгенных же пищевых пород практически нет (исключение – американский лосось), поскольку в плане пищевого животноводства селекция пока работает лучше. «У животноводства следующие задачи: чтобы животное было как можно больше, ело как можно меньше и росло как можно быстрее. С точки зрения достижения этих целей традиционные способы оказываются эффективнее», – комментирует Нариман. Например, в течение XX века люди активно совершенствовали пищевые породы куриц. В результате скорость набора веса у этой птицы увеличилась раза в четыре. Это было связано с изменениями генома организма: он обогащается различными вариантами генов, которые обеспечивают быстрый рост (плюс изменилась технология выращивания). Затем попробовали применять трансгенные технологии – добавить гормон роста. Однако вопреки ожиданиям прибавка в весе птицы оказалась совсем незначительной. «Дело в том, что ресурсы у каждого организма ограничены. Нельзя создать курицу размером с корову и дорастающую до таких параметров за один день. Есть «биологический потолок», выше которого не прыгнешь, – объясняет Нариман. – Оказывается, что селекция, ведущаяся на протяжении нескольких тысячелетий, а в последние 100 лет – очень интенсивно, почти достигла этого потолка, и ресурсы дополнительного роста у организма курицы уже отсутствуют. Поэтому такие задачи решать с помощью трансгенных технологий бесполезно».
Практически весь сыр, который мы сегодня покупаем, изготовлен с использованием ГМО. Коровы обычные, но для того, чтобы получить этот продукт, из молока должно выпасть в осадок твердое вещество. Когда-то давно, когда молоко еще хранили в желудках умерщвленных животных, люди обратили внимание на интересный факт: в желудках молочных телят оно быстро сворачивалось. Оказалось, что там вырабатывается специальный белок, позволяющий переваривать этот продукт. И поэтому до 1990-х годов производства сыра специально забивали телят не старше десятидневного возраста, чтобы извлечь из них эти желудки и использовать их в раскрошенном виде в качестве закваски. А потом этот белок пересадили в геном дрожжей и черной плесени, и сегодня уже они вырабатывают необходимый компонент для производства сыра.
Однако методы генной модификации всё же иногда помогают животноводству. Так, основные молочные породы коров рогатые. Они часто дерутся, бодаются, возникают травмы, кровотечения. Чтобы избавиться от этих проблем, рога у них на крупных фермах обычно спиливают. Возникла идея: хорошо бы вывести безрогую породу (такие есть, но обычно они мясные). При традиционной селекции пришлось бы скрещивать мясную породу с молочной в течение нескольких сотен лет, отбирая безрогих животных. Однако гибрид окажется хуже и в мясном, и в молочном плане, и потом придется очень долго возвращать все те варианты генов, которые обеспечивают высокое содержание молока. А с помощью генной инженерии можно просто взять кусочек генома, отвечающего за «безрогость», и нацеленно внедрить его в молочную породу. И делается это всё за время существования одного поколения животных. «Совсем не значит, что развитие ГМО погубит селекцию. Со своими задачами селекционеры справляются лучше. У них подход более комплексный – они меняют сразу огромное количество генов, а мы действуем точечно, то есть это разные задачи, и каждая достигает своих целей», – заключает ученый.
Портал «Вечная молодость» http://vechnayamolodost.ru
09.09.2016