Рождение биотехнологии: ДНК на службе человека

Взлет биотехнологии, начиная с открытия структуры ДНК и заканчивая экспериментальной генной терапией, ознаменовался революционными открытиями и захватывающими техническими достижениями. Все это породило у людей ощущение способности достичь радикальных улучшений в здравоохранении, сельском хозяйстве, получении электроэнергии и других областях. Темпы развития биотехнологии, масштабы ее успеха и широта ее влияния удивили даже ее первопроходцев. Эксперты уверенны в том, что биотехнология оправдает возлагаемые на нее надежды уже в не столь отдаленном будущем

Динеш Рамде, журналист, «Ассошиэйтед пресс».

Описывать историю биотехнологии все равно, что писать автобиографию, будучи подростком: кажется странным акцентировать свое внимание на прошлом, в то время как важнейшие события в твоей жизни еще не наступили.

Однако с момента своего рождения в стенах тихих лабораторий четверть века назад биотехнологическая индустрия сразу взяла исключительно быстрый старт. Рост этой отрасли был ознаменован новаторскими научными методами и революционными открытиями на всем земном шаре.

Биотехнология завораживает не столько тем, какой большой путь она прошла в своем развитии, а тем, какие новые области ей еще предстоит исследовать. Ученые прогнозируют революционные изменения в наших подходах к решению проблемы продовольственного обеспечения, к вакцинации детей и к очистке воздуха и воды.

Биотехнология развивается, и мы оглядываемся назад и смотрим на нее в младенческом состоянии глазами ученых и предпринимателей, стараниями которых она появилась на свет.

РОЖДЕНИЕ БИОТЕХНОЛОГИИ

В 1863 году австрийский ботаник Грегор Мендель обнаружил, что растения гороха передают наследственные черты от родителей к потомству с помощью дискретных биологических единиц, позднее названных генами. Спустя 6 лет швейцарский биохимик Иоганн Фридрих Мишер выделил из лейкоцитов вещество, которое впоследствии назовут дезоксирибонуклеиновой кислотой, или ДНК.

Прошло еще 75 лет, прежде чем между этими двумя открытиями была установлена тесная взаимосвязь. В 1944 году канадский биолог Освальд Эвери предположил, что ДНК служит механизмом, с помощью которого бактерии передают свой наследственный материал. Однако объяснение Эвери было встречено скептично теми, кто считал, что генетическая информация организма слишком сложна для того, чтобы содержаться в ДНК.

В 1953 году американский биолог Джеймс Уотсон и британский молекулярный биолог Фрэнсис Крик определили структуру двойной спирали ДНК, что, в свою очередь, привело к череде новых открытий принципов работы ДНК на молекулярном уровне.

Эти открытия были достижениями лишь в области биохимии. Только в 1972 году ученые предложили новаторский способ объединения биохимии с технологиями, в результате чего родилась биотехнология. В тот год американские биохимики Герберт Бойер, Пол Берг и Стэнли Коэн разработали рекомбинантную ДНК — модифицированную молекулу ДНК, созданную путем комбинирования ДНК от двух неродственных организмов.

Каждая клетка в живом организме, начиная от бактерии и заканчивая человеком, содержит ДНК. В свою очередь, ДНК состоит из четырех «строительных блоков», называемых основаниями, с сокращенными названиями A, T, G и С. Подобно тому, как из 26 букв английского алфавита, выстроенных и чередующихся в определенном порядке, складываются осмысленные предложения, из четырех оснований ДНК образуются цепочки ДНК в порядке, уникальном для каждого живого существа.

ДНК представляет собой постоянный «шаблон», из которого образуются его временные аналоги, называемые рибонуклеиновой кислотой или РНК, которая, в конечном счете, «поручает» клеточному механизму создать уникальные белки. Каждая нить оснований ДНК, содержащая код одного белка, называется геном.

Ген можно представить себе в виде набора инструкций, содержащих указания для механизма клетки о том, как соединять аминокислоты для формирования того или иного белка. Механизм любой клетки, будь-то клетка бактерии или человека, использует этот набор инструкций для создания точно такой же последовательности аминокислот и, следовательно, точно такого же белка.

Если это так, рассуждали Бойер и его коллеги, то нельзя ли взять человеческий ген, создающий тот или иной жизненно важный белок, поместить его в ДНК бактерии и заставить бактерии непрерывно выдавать «на гора» все новые и новые «партии» этого белка? Когда группе Бойера удалось это сделать — создать рекомбинантную ДНК, которая объединила ДНК человека и бактерии, — и родилась биотехнология. Ученые нашли способ, как превратить столь простые организмы, как бактерии, в «фабрики», крошечные «сборочные линии» по изготовлению важных для человека белков, таких как инсулин и гормон роста человека.

РЕАКЦИЯ ДЕЛОВОГО МИРА

Молодая технология и созданные ею генетически модифицированные организмы вызвали столько же опасений, сколько воодушевления. «Нам приходилось быть ужасно осторожными, ибо этого „джина“ нельзя вернуть обратно в бутылку, — говорит Джордж Ратманн, первый директор биотехнологической компании „Амджен“ (Саузенд Оукс, шт. Калифорния). — Может случиться так, что будет создан новый инфекционный агент, более смертоносный, чем оспа или стрептококк, особенно если все это будет скомбинировано в вирусном организме».

Подобные опасения заставили ученых в 1975 году созвать конференцию в Пасифик-Гров (шт. Калифорния). На этой конференции примерно 140 ученых разработали строгие правила, определяющие пределы, которыми должны ограничиваться исследования рекомбинантной ДНК. Например, они постановили, что данная технология может применяться только к тем организмам, которые не способны самостоятельно жить вне лабораторий, и не должна использоваться в генах, которые могут проявлять активность в организме человека.

«Что и говорить, эту озабоченность разделяли все специалисты, — говорит Ратманн. — «Руководство компании „Эббот лаборэтриз“ было настолько озабочено потенциальными опасностями, связанными с рекомбинантной ДНК, что обязало своих сотрудников носить специальные защитные костюмы, шлемы, чуть ли не целые скафандры. Некоторые компании были настолько осторожными, что вообще ничего не предпринимали».

Но были и такие компании, которые радостно встретили новую технологию. В 1976 году Бойер вместе с венчурным инвестором Бобом Свэнсоном основали компанию «Дженентек» в южной части Сан-Франциско. Бойер сразу осознал потенциальные возможности новой технологии. «Это была очень захватывающая, стимулирующая возможность — превратить это научное начинание, частью которого я был, в нечто значимое в плане создания медикаментов и лекарств на благо людей», — говорит Бойер.

Вскоре «Дженентек» приобрела широкую известность, разработав «человеческий» инсулин, производимый с помощью созданных методами генной инженерии бактерий. Администрация по контролю за продуктами питания и лекарствами, регулятивный орган правительства США, одобрило это лекарство в 1982 году. В последующие годы другие компании последовали примеру компании «Дженентек», создав также полученные из модифицированных бактерий лекарства против отторжения трансплантированной почки, для пополнения запасов лейкоцитов у больных, проходящих курс химиотерапии, и для лечения гемофилии.

Технология рекомбинантной ДНК также принесла пользу и растениям. В 1987 году компания «Эдвансд дженетик сайнсиз» создала генетически модифицированную бактерию, которая препятствовала образованию инея на листьях земляники и картофеля. Эта технология позволила производить более неприхотливые и питательные продукты питания. Например, с помощью генетической модификации в рисе было повышено содержание витамина А, а в помидорах — понижено содержание веществ, вызывающих гниение. Эти изменения невозможно было получить простой селекцией.

Критики биотехнологии утверждают, что генетически модифицированные продукты питания связаны с риском для здоровья, которого нет у сельскохозяйственных культур, выращиваемых с помощью традиционных методов, хотя это утверждение так и не получило научного обоснования. Некоторые также утверждают, что компании, создающие генетически модифицированные сельскохозяйственные культуры, могут когда-нибудь предъявить интеллектуальные и финансовые права на эти сельскохозяйственные культуры в ущерб бедным и развивающимся странам. Пока происходит ровно наоборот — повышенная урожайность «биотехнологических» сельскохозяйственных культур приносит выгоду фермерам в развивающихся странах.

РОЖДЕНИЕ НОВОЙ НАУКИ

Методы, сделавшие возможным манипуляцию ДНК, позволили ученым создать революционные технологии. В восьмидесятых годах прошлого века компания «Пи-Пи-Эл терапеутикс» из Эдинбурга (Шотландия) использовала генную инженерию для создания коровы Рози, в молоке которой содержался человеческий белок альфа-лактальбумин. Это молоко можно назначать недоношенным младенцам, которые слишком малы для того, чтобы их можно было кормить грудью, а повышенное содержание белка обеспечивает малышей аминокислотами, необходимыми для их развития.

Эмбрионы коровы Рози были использованы для создания ее клонов, которым будет позволено нормально воспроизводиться для создания стада молочных коров улучшенной породы. Процесс клонирования включал в себя удаление ДНК из одной из клеток Рози и использование ее вместо ДНК коровьего эмбриона. Появившийся в результате на свет теленок был генетически идентичен Рози. Подобные эксперименты проводились в течение многих лет на лягушках, мышах и овцах.

В 1997 году исследователи из Рослинского института в Шотландии сделали еще более серьезное открытие: они клонировали овцу, взяв ДНК из овечьей клетки и поместив ее в клетку не эмбриона, а молочной железы, впервые доказав, что даже «взрослые» клетки могут быть модифицированы в другие клетки. До этого считалось, что данный процесс может осуществляться только на незрелых стволовых клетках.

Спустя год американский биолог Джеймс Томпсон впервые культивировал стволовые клетки эмбриона человека — клетки, которые высоко ценятся из-за своей способности развиваться в специфические клетки. В настоящее время ученые изучают вопрос о том, можно ли использовать стволовые клетки для замены мертвых или поврежденных клеток, тем самым дав больным, у которых заболевания головного мозга или отказывают жизненно важные органы, надежду на излечение.

Наряду с технологией клонирования в девяностых годах XX года был реализован еще один революционный проект в области изучения ДНК. С тех пор как Уотсон и Крик определили молекулярную структуру ДНК, ученые питали надежду, что им когда-либо удастся идентифицировать каждый ген в ДНК человека, что чрезвычайно сложно, поскольку у человека насчитывается от 20 до 25 тыс. генов. К 1990 году биотехнология была уже достаточно развитой для того, чтобы всемирный консорциум смело взялся за ее решение. Этот проект получил название «Геном человека».

Проект преследовал три цели — идентифицировать все гены человека, определить порядок расположения трех миллиардов пар оснований — т. е., «строительных блоков» A, T, G и C, — из которых образуется ДНК человека, и предоставить информацию о найденной последовательности исследователям. Проект был завершен в 2003 году — на два года раньше запланированного срока, — и в настоящее время ученые изучают полученные данные для их использования в медицинской генной терапии.

ПРЕВОСХОДЯ ВСЕ ОЖИДАНИЯ

Биотехнология росла и развивалась с такой скоростью, которую ни Бойер, ни Ратманн не могли себе даже представить.

«То, что происходит сегодня, поражает воображение, — говорит Бойер. — Разумеется, у нас были большие ожидания, и когда мы начинали, мы были похожи на детей, оказавшихся в конфетной лавке и подавленных огромным количеством открывающихся перед ними возможностей. Помню, что, когда мы только начинали разрабатывать методы рекомбинантных ДНК, я думал, что технология безгранична. Но все же мы не могли предвидеть всего этого».

Ратманн отказался от карьеры в области медицинской диагностики, чтобы стать директором — и третьим по счету сотрудником — компании «Амджен». По его словам, этот шаг свидетельствует о его безграничной вере в биотехнологию. «Это решение далось мне легко, потому что данное направление науки было очень мощным, — говорит он. — Но было бы абсолютно неверно предполагать, что индустрия развивалась в точном соответствии с нашими представлениями о том, как она должна развиваться. Не удивительно, что эта отрасль достигла успехов, но что действительно невероятно — так это масштабы достигнутых ею успехов, ее значение для медицины».

Ратманн вспоминает, как в восьмидесятые годы XX века ему на глаза попались официальные прогнозы, в которых утверждалось, что биотехнологическая промышленность когда-нибудь может превратиться в индустрию объемом в 4 млрд. долларов. «Это показывает, насколько бедным было наше воображение, — говорит он. — Одна только компания „Амджен“ стоит сегодня 95 млрд. долларов».

Однако для Ратманна деньги — не главное. В свои 77 лет бывший директор компании «Амджен» почти каждый день принимает «Эподжен» — одно из выпускаемых компанией «Амджен» лекарств, созданных с помощью генной инженерии, — который помогает ему бороться с почечной недостаточностью. Он уверен, что первые 25 лет существования биотехнологический индустрии — лишь начало чего-то более великого.

«В 1980 году будущее представлялось чрезвычайно светлым, а сегодня оно выглядит еще более обнадеживающим, потому что во всей отрасли наблюдаются столь значительные достижения, — говорит он. — Думаю, мы станем свидетелями дальнейшего расцвета биотехнологии. Это прекрасная, прекрасная наука».