Биологически активные

Инсулин оказался также и первым белком, который удалось синтезировать химическим путем. Этого выдающегося результата добилась группа китайских химиков, причем добилась в печальный период «культурной революции»; в сообщении ученых говорилось, что тотальный синтез инсулина был осуществлен благодаря политике «трех больших красных знамен», «большого скачка» и при максимальном использовании идей Мао Цзедуна. Китайские химики всего на несколько месяцев опередили исследователей из США, также синтезировавших инсулин, но по другой схеме.

Наконец, инсулин оказался в числе первых фармакологических препаратов, промышленный выпуск которых был освоен с использованием методов генетической инженерии.

Трудно ли синтезировать белок?

Среди математиков в ходу шутка: «За работы в области теории чисел следует присуждать не ученые степени, а звание мастера спорта». Намекается тем самым, что теория чисел – лишь род головоломок, почти бесполезных в приложениях. Наверное, это все же не совсем так; я вспомнил об этой шутке, конечно, не для того, чтобы обидеть немногих моих читателей – специалистов по теории чисел.

Здесь напрашивается некая аналогия из истории химии белка. В течение десятилетий считалось, что химический синтез белка означал бы гигантский шаг на пути познания тайн природы, открытие новых невиданных возможностей управления ее силами, фантастические перспективы для медицины, сельского хозяйства, многих отраслей промышленности. Более того, выполнение такого синтеза представлялось небывалым триумфом человеческого разума, дерзким вызовом Натуре–или, если угодно, господу богу.

В пятидесятых годах была установлена структура нескольких биологически активных пептидов, а затем осуществлен и их синтез. Потом удалось определить аминокислотную последовательность ряда белков; стало ясно, что синтез белка – вопрос времени, причем не очень продолжительного. В начале шестидесятых годов уже отчетливо ощущался элемент спортивного азарта. Вспоминаю разговор двух химиков, свидетелем которого мне пришлось тогда быть:

– Ты слышал? Японцы уже умеют синтезировать белок!

– Невероятно! Как им это удалось?

– Удалось. С помощью микроорганизмов.

– А-а. Только почему же одни японцы? У нас тоже умеют – с помощью коровы.

Но вот наконец первый белок синтезирован. Вслед за инсулином появляется синтетическая рибонуклеаза, еще несколько белков. И как-то вдруг после в некотором смысле запланированного взрыва эйфории наступает отрезвление. Позвольте, а зачем это мы синтезируем эти самые белки? Чего мы добились? Показали, что у синтетических белков та же биологическая активность, что и у природных? Так как же ей не быть, если у них совпадает структура? Говорить же о получении синтетическим путем белков для каких-нибудь практических целей и вовсе бессмысленно. Стоимость тех ничтожных количеств синтетического белка, которые были получены в результате многолетнего труда искуснейших химиков, не сравнится со стоимостью никакого наидрагоценнейшего бриллианта, если пересчитать на вес. И ясно при этом, что существенно упростить процедуру синтеза не удается.

То есть буквально таких речей слышно не было, но интерес к проблеме химического синтеза белка стал затухать как-то сам по себе, и вот уж много лет никто, кажется, в этой области не работает. С позиций сегодняшнего дня получение синтетического белка многим представляется действительно чем-то вроде спортивного достижения – достижения знаменательного, сопровождавшегося напряженной борьбой до последних метров финишной прямой, но не оставившего принципиального следа в современной биологической науке.

В этом случае, как и в шутке о теории чисел, налицо некоторый перегиб; отметим хотя бы то очевидное обстоятельство, что усилия, направленные на синтез белка, значительным образом продвинули вперед сами методы белковой химии, играющие ныне столь значительную роль в биологических исследованиях. Но, несомненно, ожидали от этого, как тогда считалось, эпохального свершения, гораздо больше.

А между тем потребности в получении различных белков растут постоянно. Взять хотя бы тот же инсулин. По причинам пока не вполне понятным диабет становится все более распространенной болезнью; по количеству смертельных исходов он занимает сейчас третье место после сердечно-сосудистых заболеваний и рака. Как упоминалось, единственная надежда больных диабетом – инсулин, а единственный реально доступный его источник – поджелудочные железы домашних животных, получаемые на бойнях. Расчет показывает, что при сохранении нынешних тенденций распространения диабета, роста народонаселения и развития животноводства к началу будущего века просто не станет хватать материала для производства инсулина таким путем в количествах, которые смогли бы удовлетворить потребности всех больных.

Да к тому же инсулин, скажем, свиньи или коровы несколько отличается по аминокислотной последовательности от инсулина человека; для получения одинакового эффекта (снижения содержания глюкозы в крови) они требуются в больших количествах, чем человеческий инсулин. А у некоторых больных, прежде всего у детей, инсулин домашних животных вызывает опасные аллергические явления. Словом, крайне нужен чистый человеческий инсулин в больших количествах.

И вот опять инсулин оказывается лидером, «первым белком» – на этот раз первым белком, промышленное получение которого начато методами генетической инженерии. фирма «Эли Лилли» в 1982 году выпустила на рынок первую партию «генноинженерного» человеческого инсулина; препарат до этого успешно прошел все испытания и был разрешен для использования.

Как белки образуются в клетке

Генетическая инженерия! Уже более десятка лет мелькает это выражение на страницах научных и научно-популярных журналов, да и журналов или газет, никакого отношения к науке не имеющих. Оно будоражит воображение, вызывает восторги, иногда опасения. Когда только-только начались разговоры о возможности вполне сознательных манипуляций с наследственностью – в начале 70-х, по-видимому, – они воспринимались скорее как фантастика, как спекуляции на том, что принципиально возможно в каком-то весьма отдаленном будущем. Однако не прошло и десяти лет, и достижения генной инженерии обрели тот уровень зрелости, что стало ясно: речь действительно идет о «превращении молекулярной биологии в технологию». А еще пару лет спустя появились и первые коммерческие продукты, производимые с использованием методов генетической инженерии.

Невольно вспоминается разговор, случившийся на одной из популярных лекций Фарадея об электричестве. По ее окончании присутствовавший в зале министр финансов спросил (конечно же!), какая практическая польза может быть от всего этого.

– Еще не знаю, – ответил Фарадей, – но не сомневаюсь, что вскоре вы начнете изымать за это налог.

Платят, платят налоги многие уже фирмы, производящие «генноинженерную» продукцию; говорят, что пока затраты на исследования в области генетической инженерии не окупились, но ведь это только начало.

«Нередко, – пишет академик А.А. Баев, – о генетической инженерии говорят как об очередной биологической революции. Этим термином биологи до сих пор не злоупотребляли, и он был отнесен лишь к двум событиям: естественному отбору Ч. Дарвина и доказательствам роли ДНК как носителя наследственной информации.

Что же касается генетической инженерии, то причисление ее к событиям революционного ранга вызывает раздумье. Действительно, сама по себе генетическая инженерия является лишь утонченной технологией и не содержит нового взгляда на процессы наследственности. Генетическая инженерия не только не потребовала никакой ревизии установившихся представлений, но, наоборот, их подтвердила. Другое дело, что генетическая инженерия с первых своих шагов позволила установить явления новые и неожиданные, то есть привела к подлинным открытиям».

Для более или менее предметного разговора о методах генетической инженерии нам придется вернуться к вопросу, обсуждение которого несколько раз откладывалось: каким же образом возникают в клетке белковые молекулы?

Напомню лишь вкратце нынче уже, конечно, общеизвестную схему. Дезоксирибонуклеиновые кислоты (ДНК), основной носитель наследственной информации, представляют собой полимер, образованный четырьмя типами мономерных единиц – нуклеотидов: аденин, гуанин, цитозин, тимин. Вся наследственная информация определяется чередованием этих нуклеотидов в молекуле ДНК. В хромосоме ДНК находится в форме двойной спирали; ее образуют две молекулы, структура которых определяется следующим правилом взаимного соответствия: нуклеотидная последовательность одной из них может быть получена из последовательности другой заменой всех аденинов на тимин, а гуанинов – на цитозин, и наоборот. Такая согласованность последовательностей и позволяет паре комплементарных молекул ДНК образовывать двойную спираль, удерживаемую за счет водородных связей и иных взаимодействий между соответствующими парами нуклеотидов. Каждый нуклеотид состоит из азотистого основания – пуринового (аденин, гуанин) или пиримидинового (цитозин, тимин). Пуриновые основания представляют собой сочлененные пяти- и шестичленный циклы, причем в каждом цикле имеется по два атома азота, пуриновые – шестичленные циклы, также включающие два атома азота. В некоторых положениях те и другие несут заместители – аминогруппу, кислород, метильную группу. Расположения этих заместителей и определяет возможность образования стабилизирующих двойную спираль водородных связей именно между упоминавшимися парами; один участник такой пары – пурин, другой – пиримидин. Основания присоединены к остатку дезоксирибозы – соединения, отличающегося от другого сахара – рибозы отсутствием одного атома кислорода. Остатки же дезоксирибозы, принадлежащие соседним нуклеотидам, в молекуле ДНК соединены остатками фосфорной кислоты.