Дубинин Николай. Тайны наших генов

   Проблема гена, как видите, принимает чисто прикладной характер. Биологи должны научиться своими руками конструировать то, что принято называть единицей наследственности.
   "Заготовками" и "деталями" должны стать определенные молекулярные группы, а "сборочным цехом" - клетка и ее ядро.
   Именно к решению таких задач стремится новое направление исследований - генетическая инженерия.
   - Знаете, слово "инженерия" рядом со словами "ген", "наследственность" для непосвященного человека звучит довольно странно. Как-то даже трудно представить, что бы это могло значить.
   - Фактически начало этому новому научному направлению было положено задолго до того, как столь смелое словосочетание вошло в обиход. Методы целенаправленного изменения наследственного аппарата - конечно, еще не на молекулярном уровне - стали известны уже в 1934 - 1936 годах. В то время мне удалось, действуя рентгеновскими лучами на клеточное ядро мухи дрозофилы, изменить в нем число хромосом.
   Ядро с четырьмя парами сначала превратилось в ядро с тремя, а затем и с пятью парами хромосом. В этой работе можно увидеть истоки генетической инженерии.
   Сегодня исследователи ставят совершенно иные задачи.
   В различных лабораториях мира разыскиваются способы выделения, даже "сборки" отдельных генов и переноса их в живые организмы.
   Вспомним снова о бактериях. У них есть ген, ответственный за синтез витамина Bi2, которого начисто лишены растения. А между тем известно: добавка этого витамина резко увеличивает степень усвоения растительного корма в организме сельскохозяйственных животных. Так почему бы не попытаться пересадить тот самый бактериальный ген к растению? Каким путем пойдут ученые, покажет время. Но мне кажется, они будут исходить из того, что биохимический путь синтеза хлорофилла и витамина B2 имеет общие начальные стадии. А раз так, то после срабатывания цепочки из четырех-пяти добавочных ферментных реакций растительная клетка сможет вместо хлорофилла синтезировать необходимый животным витамин.
   Правда, из отдельной клетки надо еще получить целое растение. Но пути решений такой задачи уже известны. Да что там из клетки. Взрослое растение выращивают даже из протопласта - клеточной структуры, лишенной оболочки. Опубликован научный доклад, в котором говорится, как в результате метаморфоз круглого зеленого протопласта - одевания его оболочкой, деления и дифференцировки - возникает своего рода искусственное "семечко". Оно дает корни и листья, и в результате вырастает цветущий табак.
   - Николай Петрович, а какие конкретно задачи стоят сегодня перед генетической инженерией?
   - Если детализировать "биолого-инженерные" задачи, то можно определить среди них несколько наиболее существенных: - выделение генов и их структур; - синтез генов химическим или биохимическим путем; - направленная модификация наследственных комплексов под влиянием искусственно созданных условий; - регуляция активности генов; - их копирование; - их перенос в наследственный аппарат других организмов.
   Первая из перечисленных мною задач - выделение гена - уже решена сегодня. Можно сказать, что и синтез гена в принципе тоже удался. Успех этот достигнут был в 1970 году, когда индийскому ученому X. Коране удалось "собрать" ген дрожжевой клетки, содержащей всего 77 азотистых оснований.
   Такой короткий отрезок ДНК с заданной последовательностью оснований синтезировали химически. Так появился первый ген, созданный человеком.
   Конечно, это большой успех, предвещающий начало новой, фантастической эры генетики, однако он несколько меркнет перед сложностью строения генов и их комплексов даже у самых простых форм жизни. Ведь даже у простейших вирусов в состав ДНК входит 5500 азотистых оснований, составляющих приблизительно 17 генов. Что же касается синтеза единицы жизни - клетки, то трудности тут возрастают неимоверно.
   Но, как я говорил выше, кроме химического, есть еще и биохимический синтез. Интересные работы в этом направлении проведены группой сотрудников нашего Института общей генетики АН СССР и Института молекулярной биологии и генетики АН СССР. Кратко скажу, как мы решали эту задачу.
   Для высших организмов из-за очень сложной организации их наследственного аппарата создание генов пока возможно с помощью только одного вида биохимического синтеза - ферментативного. Ибо сейчас уже открыт и выделен особый фермент - так называемая обратная транскриптаза, синтезирующая ДНК на РНК как на матрице.
   Судя по всему, вам это не совсем понятно, поэтому постараюсь пояснить. В клетке присутствует целый набор информационных РНК (и-РНК). Они представляют собой комплементарные копии соответствующих индивидуальных генов. И если одну из таких индивидуальных РНК использовать в качестве матрицы для обратной транскрипции, то ДНК - продукт этой транскрипции будет соответствующим индивидуальным геном.
   Таким образом, решение задачи сводится к выделению из клеток индивидуальной информационной РНК (и-РНК). Для этого обычно берут клетки, в которых синтезируется в основном один какой-либо белок. Например, клетки железы шелкопряда вырабатывают преимущественно фибрин шелка, клетки хрусталика глаза - кристалины, ретикулоциты - гемоглобин и т. д. В частности, глобиновая и-РНК была применена в качестве матрицы для синтеза структурных генов, кодирующих в высших организмах первичную структуру соответствующих белков.
   Работы по синтезу структурного глобинового гена кролика ведутся в нашем институте не так давно. За это время удалось выделить индивидуальную глобиновую и-РНК. Принципиальные основы методов нам были известны из научной литературы. Однако эти методы удалось существенно изменить и упростить. Так что теперь мы располагаем чистой глобиновой и-РНК в количествах, достаточных для дальнейших исследований.
   На выделенной и-РНК как раз и был синтезирован структурный глобиновый ген кролика. В нашей стране такая работа проделана впервые. Теперь перед нами открываются широкие возможности по изучению наследственного аппарата высших организмов.
   - Некоторые ученые иногда заявляют, будто человечество как биологический вид клонится к угасанию. Чем же вызван такой пессимистический прогноз?
   - Такое мнение действительно встречается. И люди, отстаивающие это мнение, в основном указывают на якобы ослабленное действие естественного отбора. Ведь современная медицина сохраняет жизнь миллионам людей, которые в условиях полудикого существования, конечно, не выжили бы. Поэтому-то и появились утверждения, что в каждом последующем поколении становится все больше людей, отягощенных различными наследственными недугами и дефектами. Накопление вредных генов будто бы и ведет к постепенному вырождению человеческой расы.
   Иные сторонники этой точки зрения идут еще дальше. Они утверждают, что общество якобы расслаивается на группы генетически "ценных" и "неполноценных" людей. Носители разных типов генов дают начало разным классовым группировкам.
   А раз так, то никакая социальная среда не исправит биологических пороков "неполноценных" классов. Политическая направленность подобных утверждений совершенно ясна: они призваны отвлечь людей от борьбы за лучшую жизнь.
   Давайте разберем эти доводы по порядку. Действительно, биологи оперируют понятием "генетический груз". Он есть у самых различных животных и растений. В ходе эволюции в наследственном аппарате отдельных особей могут происходить и нередко происходят отклонения, мутации. Без них ни один вид, как мы уже выяснили, не смог бы приспосабливаться к меняющимся условиям существования. Но мутации, как известно, бывают не только полезными, но и вредными. На свет появляются существа с врожденными дефектами - это своеобразная плата за сохранение вида в целом.
   Обычно уровень генетического груза стабилизируется. Он Bысок, если отбор отметает всякую изменчивость, а это чаще всего бывает у диких животных и растений. У них большая часть мутаций вредна.
   В человеческом обществе ситуация иная. Конечно, и люди приносят генетические жертвы. Наследственные дефекты разной степени есть у 4 процентов детей. Но при сохранении современного темпа мутаций уровень генетического груза не увеличится ни в одном из будущих поколений. Надо только охранять генетические структуры от вредных воздействий.
   Остальная часть мутаций создает огромное, ни с чем не сравнимое разнообразие по группе крови, цвету волос и глаз, строению наружного уха, форме носа и т. д. Изменчивость такого рода людям нисколько не угрожает.
   Медицинская генетика сегодня имеет дело с распознаванием и лечением наследственных болезней, то есть с теми изменениями у человека, которые входят в состав его генетического груза. В перспективе мы видим возможность замещения больного гена, подобно тому как ныне пересаживают здоровую почку на место больной. .
   Например, несвертываемость крови (гемофилия) вызвана тем, что мутация у одного из предков дала человеку дефектный ген. Сейчас для предотвращения сильных кровотечений нужны очень дорогие препараты, полученные из крови здоровых людей. А если можно было бы ввести в хромосому больного гемофилией нужный ген, то мы навсегда бы избавили человека от страданий.
   Сегодня большинство биологов сходится во взглядах на природу раковой опухоли. Говоря несколько упрощенно, это масса клеток, образовавшихся из одной родительской, которая стала аномальной в результате изменений в одном или нескольких генах. В таком случае вполне понятно, что все дочерние клетки, пораженные раком, несут одни и те же злополучные гены. Поэтому не исключена возможность, что в будущем удастся изменить характер таких больных клеток еще до того, как рак разрастется.
   Уже удалось, например, ввести отсутствующий ген в клетки больного галактоземией - одним из наследственных заболеваний человека. Из-за генетического дефекта у страдающих этим недугом не образуется фермент, необходимый для расщепления и вывода из организма особого сахара, который содержится в молоке и многих других пищевых продуктах.
   Известна и другая подобная работа. Эмбриональные клетки мыши заражали вирусом полиомы. Получался так называемый псевдовирон, который внутри себя содержал ДНК клетки-хозяина. Этот-то псевдовирон и применяли для переноса ДНК.
   Конечно, наследственных заболеваний много, и мы еще не знаем, как будут вести себя в разных случаях клетки, которыми можно было воспользоваться для внесения в организм 359 необходимых ему генов. Да и немало таких наследственных болезней, перед которыми медицина пока практически бессильна.
   - Так, значит, получается, что сторонники ухудшения генетического фонда человечества все-таки в чем-то и правы?
   - Да нет, они не правы, так как не учитывают, что больные люди оставляют в среднем меньше детей, чем здоровые.
   При такой тенденции рост числа вредных структур гена - аллелей, может идти только под влиянием наследственных изменений. Теоретический расчет показывает, что аллели будут концентрироваться настолько медленно, что смогут оказать скольконибудь заметное влияние лишь через тысячи поколений.
   Вот один из многих возможных примеров. Из 10 тысяч людей один бывает альбиносом - у него нет пигментации кожи, волос и радужной оболочки глаз, так что просвечивающие кровеносные сосуды делают глаза розовыми. Удвоение концентрации аллелей за счет мутаций может произойти лишь через тысячу поколений, то есть примерно через 25 тысяч лет. По истечении этого срока на 10 тысяч человек будет приходиться 4 альбиноса. Чтобы все люди переняли их черты, потребуется время, в сто раз большее - два с половиной миллиона лет.
   Да и то лишь теоретически. Ведь на деле мутации распространяются не только от нормы к альбинизму, но и в обратном направлении. Так что приведенный выше огромный период надо увеличить еще в неопределенное число раз.
   Так обстоит дело с аллелем, не подверженным действию естественного отбора. А на носителей вредных генов отбор, как мы видели, распространяется. Поэтому даже нельзя и говорить о каком-то завоевании человечества мутантами. Я совершенно уверен: в будущем мы научимся справляться и с тем минимальным эффектом, который мутации дают через 10-20 тысяч лет.
   Ведь генетика весь этот период не будет стоять на месте.
   И для того чтобы научиться бороться с вредными мутациями, ей потребуется гораздо меньше времени.
   Совершенно ясно: ни медицина, ни повышение жизненного уровня не подтачивают наследственного здоровья рода человеческого.
   - Николай Петрович, но раз человек может страдать от вредных мутаций, вызываемых различными внешними воздействиями, то, значит, если оградить человеческую наследственность от таких вредных влияний, это положительно скажется на снижении вредных мутаций?
   - Действительно, человек не просто живет на планете.
   Он изменяет окружающую среду, воздействует на нее. Особенно интенсивно происходит это за последние десятилетия.
   И именно по этой причине со страниц печати не сходит сегодня проблема биосферы. Ведь человек, внеся свои изменения в окружающую среду, во многом нарушает исторически сложившиеся связи между видами на Земле. Ухудшается обстановка для жизни и самого человека. Он сам вольно или невольно загрязняет атмосферу, почву, реки, моря и даже океаны.
   На нашей планете возник и растет добавочный фон радиации, появилось множество технических и сельскохозяйственных соединений, которые оказывают вредное влияние, нарушая наследственные структуры у всех форм жизни, включая человека.
   И просто необходимо защитить жизнь, чтобы сохранить и сделать еще более прекрасным зеленый океан Земли, в котором живет и будет процветать человек. Нужен разумный контроль над эволюцией жизни со стороны человека. И в этом плане громадные задачи встают перед эволюционной генетикой, которая во многом уже проникла во внутренние глубины механизмов, ведущих историческое преобразование видов и популяций.
   Наконец, сам человек, несмотря на то, что он существо социальное, прикован к царству животных своими биологическими особенностями. Каждый человек принадлежит к той или иной расе или популяции. Это определяет важнейшее значение исследований по генетике популяций человека. Как разумное и физически совершенное существо нормальный человек заслуживает восхищения. Но если в целом наследственность человека представляет собой драгоценность Земли, то в отдельных случаях из-за ее порчи путем мутаций, как я уже говорил, рождаются дети с наследственными болезнями. И для того чтобы этого не происходило, мы должны очень бережно относиться как к самому человеку, так и к окружающей его среде.
   Борьба с теми факторами, которые повышают уровень мутаций, неотложная и важная задача. Мы должны оберегать человека от вредных влияний радиации, некоторых химических соединений. Известно же, например, что наличие в среде, окружающей человека, постоянно действующей дополнительной радиации даже такой малой дозы, как всего один рад, может привести к очень серьезным последствиям. На каждые три миллиарда человек может появиться дополнительно 11 миллионов детей, отягощенных тяжелыми наследственными дефектами психики и физическими уродствами.
   - 4 октября 1957 года весь мир облетела весть о том, что в Советском Союзе запущен первый искусственный спутник Земли. Началась космическая эра человечества. Но любому человеку даже тогда было ясно, что если посылать в космос живые организмы, то они подвергнутся там таким факторам, как невесомость, космическая радиация, ускорение, вибрация...
   Скажите, велись ли учеными-генетиками исследования в этом направлении?
   - Еще до начала космической эры нам было ясно, что полеты в космос обещают новые пути для развития биологии и ставят перед нею ряд крупных задач, решить которые должны полеты человека в космических кораблях. Но без предварительных экспериментов никто бы из нас не согласился с полной уверенностью предугадать, не принесет ли все это вред человеческому организму. Не знали бы мы и то, как перенесет наследственность человека все эти факторы и что именно с генетической точки зрения наиболее опасно.
   Так что космические полеты не только открывали новые пути развития биологии, но и ставили перед нею немало сложных задач, от решения которых зависело будущее космоплавания.
   Советские ученые заявили о необходимости исследования действия факторов космического полета на живые организмы задолго до создания первых космических ракет. Еще в 1939 году в нашей стране состоялась Всесоюзная конференция по изуче-нию стратосферы, на которой Н. Н. Кольцов, Г. А. Надсон и Г. Г. Меллер подняли вопрос о необходимости изучения влияния космической радиации на наследственность. Участник этой конференции Сергей Павлович Королев горячо поддержал выступления биологов. И с тех пор он всегда придерживался этото мнения. В 1934 году с одной из его первых ракет впервые в мире ушли в полет в скромных пробирках живые организмы.
   Это внимание к работе биологов-генетиков со стороны исследователей космоса мы ощущали и позже. Даже тогда, когда Королев, как Главный конструктор, берег каждый квадратный сантиметр пространства и каждый грамм веса внутри корабля, для наших биологических объектов место находилось всегда, и они регулярно летали в космос. Так что и космонавтика, и космическая генетика развивались почти парал.лельно.Уже в 1935 году на стратостате "СССР-1-бис" в стратосферу, к нижней границе космоса, были отправлены мухи дрозофилы. Позже уже в космос, кроме мух, отправились мыши, семена растений, микроорганизмы. Мы хотели выяснить, как влияет космическая радиация, невесомость, ускорение и дру,гие факторы космического полета на наследственные структуры в клетках организма. Проведенные исследования продемонстрировали, что при кратковременном полете сколько-нибудь заметного нарушения в генетической информации, записанной в молекулах ДНК в хромосомах клеток, не происходит.
   Как только начались первые опыты по исследованию влияния факторов космического полета на наследственность, ученым стало ясно, что в этих работах выкристаллизовывается совершенно новая отрасль науки. Вскоре она получила и свое название - космическая генетика. В дальнейшем было проведено немало опытов на собаках. С их помощью медики и физиологи получили подтверждение безопасности космического полета для живых существ. Прошло еще немного времени, и мы, генетики, вместе с медиками и физиологами, волнуясь, поставили свои подписи под документом, который, с медико-биологической точки зрения, открывал дорогу в космос Юрию Алексеевичу Гагарину, а затем Герману Степановичу .Титову и другим космонавтам.
   Так что, как видите, даже такая, казалось бы, и земная наука, как генетика, тоже прокладывала человеку путь в космические дали. На состоявшемся в 1968 году в Токио первом международном симпозиуме по космической генетике, где выступали советские делегаты и представители американского космического центра, было окончательно принято название новой дисциплины. Приоритет советских ученых в этой области был признан всеми.
   - Николай Петрович, но я думаю, что с первыми полетами советских космонавтов дальнейшее исследование влияний космических полетов на наследственность не прекратилось?
   - Полеты наших космонавтов не только не прекратили экспериментов, а, наоборот, поставили их на новую ступень.
   Наши объекты летали на "Востоках", "Восходах", "Союзах", "Космосах". Они несколько раз облетали Луну на станциях серии "Зонд". Так, например, на корабле "Восток" вместе с Ю. А. Гагариным летала дрозофила и другие объекты, на "Востоке-3" А. Г. Николаев проводил опыты с дрозофилой, а П. Р. Попович экспериментировал на "Востоке-4" также и с растениями. Проводились и другие интересные опыты.
   А. Г. Николаев во время своего полета на "Союзе-9" в 1970 году регулировал доступ света к опытным посевам одноклеточной водоросли хлореллы.
   Конечно, может возникнуть вопрос: а при чем же здесь опять эта плодовая мушка дрозофила? Дело в том, что уровень мутации у этого хорошо изученного генетиками организма служит тончайшим дозиметром, оценивающим действие факторов космического полета на наследственность. Особая методика позволяет накопить мутации, возникшие за все поколения в космосе, и потом изучить их на Земле.
   - Ну и что же, показали все эти многочисленные эксперименты безопасность космических полетов? Или же какая-то опасность все же существует?
   - Исследования наших ученых, которые, кстати говоря, подтверждены и опытами американских исследователей, позволили нам сделать вывод, что условия космического полета все же оказывают некоторое генетическое влияние. Может, например, несколько повыситься частота появления мутаций. А это, естественно, способно привести к скачкообразному изменению какого-либо признака и перестройке хромосом, также влияющих на наследственность.
   Эти данные получены в экспериментах при кратковременных полетах. Но ведь не за горами и то время, когда человек будет находиться вдали от Земли недели, месяцы. Работа на орбитальных станциях будущего, полеты человека к Венере, Марсу будут длиться довольно долго. Все это заставляет нас внимательнейшим образом продолжать изучать влияние космических условий на генетическую информацию в клетках самих космонавтов. Современные методы исследования позволяют нам вести эту работу, изучая хромосомы лейкоцитов до и после полета.
   Я привел этот пример, показывающий совместную работу наших генетиков с учеными других специальностей, как наиболее показательный. Подобные работы ведем мы и в других областях, где возможно ожидать вредное воздействие внешних условий на такое бесценное сокровище, каким является наследственность человека. И эти исследования показывают, что генетикам необходимо не только давать советы о различных способах защиты наследственности, но и разрабатывать методы химического контроля над протеканием самого процесса мутаций путем введения в организм человека антимутагенных соединений, которые не допускают или снимают повреждения с молекул ДНК, и путем усиления работы восстановительных ферментов, защищающих молекулы ДНК от повреждений.
   - Если я правильно вас понял, то выходит, что совсем недалеко то время, когда для того, чтобы обезопасить себя от губительного влияния космических лучей или радиации, достаточно будет просто принять пару каких-то таблеток.
   Но такая перспектива скорее напоминает фантастику, чем реальность.
   - И все же, несмотря на всю фантастичность такой перспективы, все это вполне возможно. Конечно, я был бы утопистом, если бы стал уверять вас, что такие таблетки появятся на прилавках аптек чуть ли не завтра. Но в то, что они все-таки рано или поздно появятся, я искренне верю.
   - Но если мы опять вернемся к космическим полетам, о которых мы только что говорили, то невольно возникает такой вопрос. При длительной работе на околоземных космических станциях или же при полетах человека к другим планетам космонавту необходимо питаться. Но набрать столько продуктов, чтобы их хватило на весь путь, современные космические корабли практически не в силах. Они просто не смогут оторваться от Земли. Как же быть? Писатели-фантасты уже нашли выход из этого трудного положения. Одни из них предполагают, что космонавты будут питаться какими-то суперкалорийными продуктами, которые при маленькой площади и объеме дадут человеку все необходимое. Другие же считают, что гораздо проще выращивать все необходимое прямо на корабле. Какое же из предположений вы считаете наиболее правильным и что в этом направлении может сделать генетика?
   -Предугадывать мне трудно. Я не специалист ни по космической технике, ни по космическому питанию. Но предположить я все-таки могу. Мне кажется, что в более или менее длительных космических полетах ближайшего будущего будет использоваться комбинированный способ питания. То есть те продукты, которые нельзя вырастить или синтезировать на борту космического корабля, будут браться с Земли в готовом виде. Ну а остальное будет производиться прямо во время полета.
   Вы помните, я несколько раньше говорил, что генетическая инженерия может создавать бактерии, необходимые для синтеза белков, пригодных для питания из отходов. Кроме того, с помощью генетики можно будет создать и специальные сорта растений, приспособленных для жизни на борту космического корабля. На корабле, держащем путь в просторы вселенной, будут находиться отобранные и специально выведенные растения, вода, то есть на нем образуется самостоятельная экологическая система, как бы условия нашей родной планеты в миниатюре, обеспечивающие нормальную жизнедеятельность как экипажа, так и растений. И генетика должна обеспечить защиту этих спутников человека. Притом, дабы не увеличивать вес корабля, необходимо, чтобы защита эта действовала без физических средств - различных экранов.
   Возможно ли это? Давайте возьмем ту самую хлореллу, которая уже побывала в космосе с А. Г. Николаевым. Популяция хлореллы - это несколько миллиардов особей. Какие генетические законы действуют здесь? Что касается наследственности отдельных организмов, то такие законы, как мы уже говорили, известны. А в отношении популяции клеток эти законы только открываются.
   В популяции хлореллы, как и в других организмах, под действием радиации возникают мутации. И задача ученых - правильно оценить эффект этих изменений и разработать соответствующие меры защиты. Конечно, наиболее простым способом было бы добавить в среду, где живет хлорелла, специальные химические препараты. Однако я не совсем уверен, что такая защита будет полностью эффективной. Значит, необходимо создать такие формы хлореллы, которые бы не боялись радиации. И это не просто идея. Опыты, доказывающие такую возможность, уже проводятся, так что можно с полной уверенностью сказать, что ко времени длительных полетов человека в космическом пространстве не боящаяся радиации хлорелла будет создана.
   Такая мутантная хлорелла, устойчивая к радиации, будет давать кислород и наверняка окажется необходимым "блюдом" как для животных, которые тоже могут быть на корабле, так и для человека. Конечно, одной хлореллой сыт не будешь. Необходимо искать и создавать другие, пригодные для космических полетов растения. Известно, что почти все семена хорошо переносят облучение. О растениях же этого не скажешь. И главная задача на сегодняшний день - отобрать и оценить с толки зрения радиационной устойчивости существующие растения. Когда же они будут найдены, нужно будет создать их новые формы для полноценного участия в экологической системе космического корабля.
   Так что, как видите, исследования ученых-генетиков необходимы не только для того, чтобы обезопасить наследственность; человека, штурмующего просторы вселенной, но и для того, чтобы сделать такое длительное путешествие.возможным.
   Беседу вел Г. МАКСИМОВИЧ