Александр Панчин - Сумма биотехнологии. Руководство по борьбе с мифами о генетической модификации растений, животных и людей
Метагеномика имеет интересные сферы применения на стыке науки и теологии. Предлагаю такой проект: “Теология и метагеном древних еврейских экскрементов". Дело в том, что в иудаизме есть термин “кашрут”, означающий дозволенность или пригодность чего-либо с точки зрения иудейского права. В частности, пища бывает кошерная, которую разрешено есть, и некошерная, которую есть нельзя. Но существует одна проблема: отдельные названия библейских животных, вероятно, изменили значение, и никто точно не знает, что означали некоторые древние слова. Например, “анака”, “летаа”, “хомет”, “тиншемет”, “харгол”, “хагав”, “солам”, означающие что-то кошерное. Насчет одних имеются определенные догадки, насчет других есть сомнения, но если бы нам удалось точно узнать, какие животные считались кошерными пару тысяч лет назад, мы бы обогатили рацион современных евреев. Пусть это и будут ящерицы, саранча или что-то в этом духе.
Второзаконие (23:12–13) предписывало древним евреям закапывать свои фекалии. “У вас должно быть место вне стана, куда вы могли бы выходить по нужде. Каждый должен иметь при себе лопатку, чтобы, присев там, вырыть ямку, а потом закопать нечистоты". Следовательно, нужно найти подобные древние захоронения, выкопать их и провести анализ ДНК. Разумеется, такое исследование рискует столкнуться с рядом проблем. Сохранится ли ДНК? Как понять, что найденный нужник – еврейский? Как распознать загрязнения образцов чужеродной ДНК? Тут есть о чем подумать! Отдельный интересный вопрос: отличается ли метагеном людей, употребляющих исключительно кошерную пищу?
Если говорить об уже проведенных исследованиях на стыке науки геномики и теологии, упоминания заслуживает история про Кумранские рукописи. Кумран – местность примерно в двух километрах от побережья Мертвого моря. В период с 1946 по 1956 год в Кумранских пещерах было найдено несколько сотен текстов, датированных последними веками до нашей эры – первыми веками нашей эры, представляющих исторический, религиозный и лингвистический интерес. В частности, среди них имеются тексты, соответствующие древним библейским канонам. Некоторые записи были сделаны на шкурах животных, и при помощи анализа ДНК удалось выяснить, какие фрагменты принадлежат одной рукописи. Кроме того, анализ ДНК позволил установить виды животных, чьи шкуры были использованы. В древности шкуры имели разную цену и значимость, что позволяет определить, какие из текстов считались самыми важными.
Но все-таки основная задача геномики – установить последовательности генов и разобраться в том, как они работают, чтобы мы потом могли успешно заниматься генной инженерией, исправлять генетические дефекты человека и создавать новые организмы. Для того чтобы понять, как повлияет на организм то или иное изменение его генома, полезно иметь представление о разнообразии генов уже существующих живых организмов, и именно это становится возможным благодаря современным методам чтения ДНК.
Открытие генов светочувствительных ионных каналов из водорослей позволило создать нервные клетки, реагирующие на освещение, открытие ДНК-полимеразы из термофильных бактерий сделало возможным полимеразную цепную реакцию – один из важнейших методов молекулярной биологии. Кто знает, какие еще удивительные гены мы обнаружим в природе и как они изменят наш арсенал биотехнологий?
Глава 13
Игра в Бога. Технологии создания ГМО, синтетическая биология, изменение генетического кода
Попытайтесь догадаться, чем занимается человек, которого я сейчас опишу, учитывая, что его история основана на реальных событиях. Наш герой находился в городе на берегу океана, где он зашел в магазин, чтобы купить пачку презервативов и детектор поддельных банкнот. Обе покупки понадобились ему только ночью, когда он в кромешной темноте находился на яхте недалеко от берега. Вскоре на яхту взошел береговой патруль, чтобы проверить документы таинственной личности в связи с весьма подозрительной активностью оной и ее подельников. Документы оказались в порядке, и патрульные удалились восвояси. Назовем этого человека Доктором М.
Вы удивитесь, но Доктор М – молекулярный биолог, университетский профессор. Он ныряет под воду с аквалангом в поисках кораллов. Эти родственники медуз флуоресцируют при свете герметично упакованного в презерватив детектора валют. Из полученных образцов Доктор М выделяет ДНК, чтобы потом открыть новые гены флуоресцентных белков. Иногда, прежде чем прочитать ДНК, нужно ее поймать! В этом амплуа Доктор М выступает как настоящий “мокрый" биолог. Так на жаргоне называют ученых-экспериментаторов, противопоставляя их “сухим" биологам – теоретикам и биоинформатикам, которые работают с готовыми данными.
Чайники для полимеразной цепной реакции, презервативы и ультрафиолетовые лампы – это далеко не все подручные средства, помогающие двигать науку вперед. Рассмотрим способ выделения ДНК, для использования на кухне или в баре, в процессе которого получается неплохой побочный продукт – съедобный алкогольный коктейль. Выделять ДНК мы будем из клубники. Культивируемая клубника Fragana ananassa приятна на вкус, и в то же время в ней немало ДНК. Размер генома клубники составляет 720 миллионов нуклеотидов299, при этом Fragana ananassa октоплоидная: каждая из семи хромосом представлена в клетках восемью копиями. Клубнику нужно поместить в морозилку, чтобы кристаллизация воды при образовании льда привела к разрушению клеток, а затем разморозить, чтобы содержимое клеток вытекло наружу.
Размороженную клубнику положим в полиэтиленовый пакет и добавим туда ананасовый сок (желательно свежий), содержащий большое количество фермента бромелина. Этот фермент является протеазой (протеиназой), то есть способен разрушать белки. От белков нам желательно избавиться, потому что некоторые из них могут разрушать ДНК. Концентрированная протеаза из ананаса используется для удаления омертвевшей ткани после сильных ожогов, а также для маринования мяса на шашлыки (мясо становится более мягким). Есть предположение, что ананасовый сок благодаря столь высокому содержанию протеаз улучшает пищеварение.
Содержимое пакета нужно как следует перемешать и размять, чтобы ДНК оказалась в растворе. От мякоти придется избавиться – для этого можно использовать марлю или дуршлаг. Жидкость, отфильтрованную от мякоти, переливаем в стакан и достаем очень крепкий алкоголь. Желательно, чтобы в нем было больше 70 % спирта. Это может быть крепкий абсент, американская водка Devil's Springs (75,5 % этанола), спирт Everclear (бывает с содержанием спирта 75,5 % и 90 %) или ром Bacardi 151 (75,5 % этанола). Внимание! Чрезмерное употребление алкоголя вредит вашему здоровью!
Алкоголь нужно добавлять в коктейль очень медленно, по краешку стакана. Желательная высота слоя спирта – несколько сантиметров. Ни в коем случае спирт не должен перемешиваться с соком. В спирте ДНК не растворяется, поэтому, если все сделать аккуратно, получится двухслойный напиток, а между слоями сформируются беловатые сгустки ДНК. Их можно подцепить палочкой и съесть. Все совершенно натурально!
Конечно, в лаборатории используют гораздо более стандартизованные и эффективные методы выделения ДНК. Быструю заморозку клеток можно осуществлять в жидком азоте. Кроме того, для разрушения клеточных оболочек можно использовать детергент (вроде моющего средства), например раствор Triton X-100. В детергент иногда добавляют соль, которая помогает ДНК слипаться. Вместо протеаз из ананасового сока для разрушения белков используют чистую протеиназу (чаще всего протеиназу К). Вместо дорогих алкогольных напитков берут обычный спирт. После добавления спирта раствор обычно охлаждают и помещают в центрифугу, где пробирка начинает вращаться со скоростью около десяти тысяч оборотов в минуту. Центробежная сила приводит к тому, что осадок (из ДНК) оказывается на нижней стенке пробирки. Потом жидкость из пробирки удаляется, а ДНК так и остается на дне. Подобные эксперименты в ряде стран проводят даже дети. Когда они подрастут, им разрешат использовать методы выделения ДНК для взрослых – с Bacardi и абсентом.
С генной инженерией не все так просто, как с выделением ДНК. Вам потребуется объект, который вы хотите модифицировать, например бактерия или растение, один из множества инструментов для генной модификации и, собственно, та конструкция из ДНК, которую вы хотите перенести. В качестве примера попробуем создать флуоресцирующую бактерию. Доктор М, а также другие ученые до него уже нашли для нас гены, которые кодируют флуоресцентные белки, и выложили их последовательности нуклеотидов в открытые базы данных, что существенно облегчает поставленную перед нами задачу.
В 1961 году японский ученый Осаму Симомура выделил из медузы рода Aequorea красивый биолюминисцентный белок, светящийся синим300. Позже было установлено, что у медузы есть еще один белок, работающий с ним в паре. Мы его уже упоминали в предыдущих главах. Этот белок поглощает свет в синем диапазоне, а излучает в зеленом. Его назвали GFP (green fluorescent protein, или зеленый флуоресцентный белок). Если биолюминисцентным белкам нужен исходный продукт (субстрат), с которым они вступают в химическую реакцию для получения света, то GFP в таком субстрате не нуждается. Как это часто бывает в области фундаментальных научных исследований, в последующие тридцать лет GFP оставался практически бесполезным и интересовал лишь узких специалистов, изучающих механизмы его флуоресценции. До тех пор, пока внезапно этому белку не нашлось важнейшее применение, перевернувшее наши представления о молекулярной биологии.
