Среда, 20.09.2017
                       


МЕНЮ
УЧИТЕЛЮ БИОЛОГИИ
К УРОКАМ БИОЛОГИИ
ПУТЕШЕСТВИЕ В МИР РАСТЕНИЙ
В МИРЕ ЖИВОТНЫХ
АНАТОМИЯ БЕЗ ТАЙН И ЗАГАДОК
ИНТЕРЕСНО УЗНАТЬ
БИОЛОГИЧЕСКАЯ РАЗВЛЕКАЛОВКА
Категории раздела
ВВЕДЕНИЕ В БИОЛОГИЮ [66]
ЭКОЛОГИЕ ТРОПЫ [19]
РЕКОРДЫ В МИРЕ ЖИВОТНЫХ [94]
ЗНАКОМЬТЕСЬ, ЭТО УЛИТКИ [7]
ПУТЕШЕСТВИЕ В МИР РАСТЕНИЙ [146]
УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКТ К УРОКАМ [168]
УВЛЕКАТЕЛЬНО О МИКРОБИОЛОГИИ [29]
ОНЛАЙН-УЧЕБНИКИ [306]
ПРОВЕРКА ЗНАНИЙ НА УРОКАХ БИОЛОГИИ В 11 КЛАССЕ [142]
УДИВИТЕЛЬНЫЕ ЖИВОТНЫЕ [23]
ЧЕЛОВЕК [361]
ОНЛАЙН-ЭНЦИКЛОПЕДИЯ ЖИВОЙ ПРИРОДЫ [90]
ШКОЛЬНИКАМ О ДНК [73]
ДИДАКТИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ К УРОКАМ БИОЛОГИИ. 8 КЛАСС [62]
ТИПОВЫЕ ТЕСТОВЫЕ ЗАДАНИЯ ДЛЯ ПОДГОТОВКИ К ГИА [11]
ИНТЕРЕСНЫЕ ФАКТЫ К УРОКУ БИОЛОГИИ [18]
РАСТЕНИЯ. ПАРАЛЛЕЛЬНЫЙ МИР [19]
КОНСПЕКТЫ УРОКОВ БИОЛОГИИ [82]
ВНЕКЛАССНЫЕ МЕРОПРИЯТИЯ ПО БИОЛОГИИ [27]
РАСТЕНИЯ И ЧИСТОТА ПРИРОДНОЙ СРЕДЫ [26]
ЛЕКЦИИ ПО ОБЩЕЙ БИОЛОГИИ [25]
БИОЛОГИЧЕСКИЕ КРОССВОРДЫ [54]
АТЛАС ЮНОГО БИОЛОГА [88]
ЭКОЛОГИЯ ЖИВОТНЫХ [46]
ЖИВОТНОЕ ИЛИ РАСТЕНИЕ. ВВЕДЕНИЕ В НАУКУ О ЖИЗНИ [9]
УЧЕБНЫЕ ФИЛЬМЫ ПО БИОЛОГИИ [23]
ЭМОЦИОНАЛЬНАЯ ЖИЗНЬ ЖИВОТНЫХ [23]
РАБОЧИЕ МАТЕРИАЛЫ К УРОКАМ ОБЩЕЙ БИОЛОГИИ В 10-11 КЛАССАХ [67]
БИОЛОГИЧЕСКИЕ ОПЫТЫ [34]
ГРИБЫ [15]
ПОДГОТОВКА К ИТОГОВОЙ ПРОВЕРКЕ ЗНАНИЙ ПО КУРСУ БИОЛОГИИ [68]
КАК БАКТЕРИИ СДЕЛАЛИ НАШ МИР ОБИТАЕМЫМ [14]
ГЕНЕТИКА [95]
МОРСКИЕ РАКОВИНЫ [60]
Статистика

Онлайн всего: 1
Гостей: 1
Пользователей: 0
Главная » Файлы » КАК БАКТЕРИИ СДЕЛАЛИ НАШ МИР ОБИТАЕМЫМ

Саботажники
09.01.2017, 17:23

В процессе человеческой эволюции мы превратились в маньяков, одержимых стремлением контролировать весь окружающий мир. Тысячелетиями мы выращивали и отбирали животных и растения, расчищали землю, создавали новые материалы, строили здания. Мы повернули русла рек, чтобы контролировать распределение воды на континентах, построили стены, чтобы сдерживать море. Мы сконструировали машины для перевозки пищи, материалов и нас самих во все уголки планеты. И разумеется, не следует удивляться, что на протяжении нескольких коротких десятилетий мы пришли также к тому, чтобы самим программировать микроорганизмы. Как будет показано далее, современные ученые пытаются перемещать, совершенствовать или блокировать гены с целью заставить микроорганизмы работать на нас без необходимости возиться с естественным отбором. Мы станем творцами микробиотического метаболизма и будем конструировать микроорганизмы для выполнения наших приказов. У нас есть соответствующие возможности, но эти возможности, судя по всему, не сопровождаются пониманием потенциальных сокрушительных последствий таких действий для эволюции микробиотической жизни, не говоря уже о нашей роли в изменении вектора развития планеты.

Более двух десятилетий я работал в правительственной национальной лаборатории, финансируемой в первую очередь министерством энергетики и его дочерними агентствами. Национальные лаборатории были задуманы и разработаны с намерением воплощать в жизнь перспективные идеи в физике и химии; многие справедливо связывают их с разработкой и изготовлением атомного оружия, что и было их изначальной целью. Тем не менее национальные лаборатории также часто оснащены мощными компьютерами и другими приборами, такими как высокоэнергетические коллайдеры, предназначенные для выяснения природы материи, и невероятно мощными микроскопами; там инженеры работают совместно с учеными над развитием технологий, ведущих к новым открытиям.

Каждую неделю я обедал вместе с химиками и физиками, работавшими над созданием атомной бомбы вместе с Оппенгеймером, Ферми, Юри и Сиборгом. Как правило, большинство моих сотрапезников смотрело на биологию как на нечто побочное, второстепенное. В отличие от физиков биологам редко требовалась аппаратура, на постройку которой были нужны десятки, если не сотни, миллионов долларов. Они не мыслили столь крупномасштабно, как физики или даже химики. Однако в начале 1980-х годов несколько ученых в министерстве энергетики поставили перед биологами важную задачу: секвенировать человеческий геном. Основная идея состояла в том, чтобы разработать технологии для быстрого и дешевого определения последовательностей геномов живых организмов и извлечь из этих последовательностей полезную информацию.

Первоначальный ответ был не очень обнадеживающим. Предложение не было основано на какой-либо конкретной гипотезе – а большинство биологов привыкло планировать свои исследования именно так – скорее, просто на желании собрать и проанализировать большое количество генетической информации. Однако когда эта идея понемногу прижилась в умах, она не только преобразовала наше представление о человеческом геноме, но также в корне изменила наш взгляд на микроорганизмы в окружающем мире. Зарождающаяся отрасль молекулярной биологии начала стремительно развиваться, впоследствии превратившись в один из краеугольных камней биологических исследований.

Множество ученых внесли свой вклад в развитие молекулярной биологии со времен ее первоначальной фазы экспоненциального роста, и попытка перечислить основные исторические вехи неизбежно будет изобиловать пропусками. Тем не менее можно назвать три основных открытия, которым немало способствовали другие фундаментальные открытия XX столетия и которые дали нам возможность произвольно осуществлять горизонтальный перенос генов у микроорганизмов и тем самым потенциально изменять ход эволюции. Концепция горизонтального переноса генов очень проста: как мы уже видели, микроорганизмы постоянно перемещают гены из одного организма в другой. Однако мысль о том, что это сможет делать человек, не связываясь с запутанными проблемами пола и естественного отбора, означала, что мы потенциально имеем возможность «конструировать» микроорганизмы. Мой выбор ключевых событий, которые привели к зарождению и развитию генной инженерии, основывается на представлении о том, что история отражает наше будущее как вида и наши надежды на то, что микроорганизмы окажутся нашими спасителями.

Одно из важнейших открытий было сделано врачом Освальдом Эйвери, канадцем по происхождению, работавшим в Рокфеллеровской больнице (сейчас она входит в состав Рокфеллеровского университета – там же работал и Паладе, первооткрыватель рибосом), который совместно с Колином Маклаудом и Маклином Маккарти в 1944 году сообщил, что ДНК является носителем генетической информации. Первые эксперименты были достаточно просты, но весьма содержательны. Эйвери и его коллеги прибегли к методике трансформации, открытой в 1928 году и по сей день являющейся краеугольным камнем экспериментов по горизонтальному переносу генов. Выше мы уже упоминали трансформацию, когда говорили о горизонтальном переносе генов в консорциях, но не описывали в подробностях, как она работает.

Уже много лет микробиологи знали, что существует несколько штаммов, или серотипов, микроорганизмов, имеющих общее генетическое прошлое. В самом деле, в случае Escherichia coli, которая впервые была открыта в 1895 году немецким врачом Теодором Эшерихом в фекалиях здорового человека, позднее выяснилось, что некоторые разновидности, казалось бы, той же самой бактерии при попадании в пищу могут привести к смерти. Аналогичным образом британский микробиолог Фредерик Гриффит обнаружил, что бактерия Streptococcus pneumoniae, возбудитель пневмонии, присутствует и у здоровых людей, не вызывая заболевания.

Гриффит изолировал болезнетворный штамм, убил микроорганизмы посредством нагревания, после чего ввел их мышам. Мыши выжили. Однако когда он смешал убитый теплом болезнетворный штамм с безопасным, но живым и ввел эту смесь мышам, те погибли. Гриффит не имел представления о том, что происходит на молекулярном уровне, и назвал это явление «феноменом трансформации». По сути, Гриффит смог трансформировать неболезнетворную форму микроорганизмов в болезнетворную при помощи взвеси мертвых болезнетворных микроорганизмов. Это выглядело почти как магия. Он опубликовал полученные результаты в 1928 году, указав в качестве места своей работы «патологическую лабораторию министерства», – очевидно, ироническое значение слова «патологический» также эволюционировало за последнее столетие.

Освальд Эйвери, чрезвычайно скептически настроенный относительно экспериментов Гриффита, взялся их повторить. Потратив довольно много времени, он заключил, что Гриффит, который был весьма скрупулезным исследователем, оказался прав. Так что же произошло?

Для того чтобы идентифицировать агент трансформации, Эйвери и его коллеги культивировали бульон с мертвыми бактериями, изолированными из болезнетворного штамма, совместно с ферментами, которые могли переваривать белки. В то время большинство биохимиков считали, что именно белки являются носителями генетической информации, поскольку они были найдены в хромосомах эукариотических клеток и, будучи составлены из двадцати различных аминокислот, обладали достаточной вариативностью для объяснения наследуемости свойств; таким образом, логично было заключить, что эти молекулы несли в себе ключ к генетической информации. Эйвери и его сотрудники повторили эксперимент Гриффита, но с поправкой: когда они культивировали убитый теплом болезнетворный штамм бактерий вместе с ферментами, поглощавшими белки или РНК, и затем вводили раствор мышам, мыши погибали; однако если они добавляли фермент, поглощавший ДНК, мыши оставались живы. Эйвери сделал вывод, что именно ДНК передавала генетическую информацию от мертвого болезнетворного штамма безопасному штамму. Это было замечательным открытием, поскольку благодаря ему внимание научного мира было обращено на природу ДНК. Однако не менее примечательным был и тот факт, что Эйвери и его сотрудники практически не добились признания современников – и это еще мягко сказано. Их работа была почти проигнорирована. Представление о том, что белки являются носителями генетической информации, было настолько укоренившимся, что результаты Эйвери и его коллег сочли ошибкой в эксперименте. Это может служить примером когнитивного диссонанса в современном академическом мире. Многие биохимики решили, что трансформанты, полученные Эйвери и его сотрудниками, скорее всего, содержали следы белков.

И здесь на сцену выходит Джошуа Ледерберг, гениальный сын раввина, уроженец Нью-Джерси, выросший в нью-йоркском районе Вашингтон-Хайтс и проведший большую часть своей молодости в библиотеках. Приняв доклад Эйвери всерьез, Ледерберг решил отыскать действующий фактор трансформации и в своем поиске в буквальном смысле трансформировал биологию, открыв миру «магию» микробиологической трансформации. Вместе со своей женой Эстер он внедрял в бактерии частицы вирусов, содержащие генетическую информацию, – процесс, который мы сейчас называем трансдукцией, ставший фирменным знаком генной инженерии. В основе этого процесса лежит внедрение в бактерию кольцевого участка ДНК – Ледерберг назвал эти частицы плазмидами. Плазмида могла воспроизводиться внутри бактерии, но только вне ее хромосом. Она являлась чужеземным захватчиком, способным воспользоваться репликационной системой бактерии, чтобы реплицировать свою чужеродную молекулу внутри микроорганизма-хозяина. Ледерберг обнаружил, что плазмиды могут сделать бактерию-хозяина устойчивой к смерти от антибиотиков. С этим открытием Ледерберг стал пионером искусственного горизонтального переноса генов в лаборатории, что дало людям новый способ вмешиваться в эволюцию микроорганизмов. Ледерберг был удостоен Нобелевской премии в возрасте тридцати трех лет.

На основе работ Ледерберга и других ученых нынешние биологи могут намеренно внедрять гены практически в любой организм по своему выбору. В принципе, люди могли бы стать владыками биологической вселенной. Впоследствии за геномами организмов начнут охотиться, словно за дикими животными, ради собственной пользы – чтобы отыскать новое лекарство или ген, который сможет обеспечить долгую жизнь, сопротивляясь болезням или излечивая их. (Есть некоторая ирония в том, что Ледерберг умер в возрасте восьмидесяти двух лет от пневмонии – заболевания, возбуждаемого первым микроорганизмом, который он изучил, будучи студентом.) Однако для того чтобы конструировать организмы посредством трансформации, необходимо было понять, как именно ДНК кодирует определенные белки. Будучи генными инженерами, мы должны были выяснить, как природа создает гены.

История открытия структуры ДНК стала легендой, и оно поистине было легендарным. ДНК – это полимер, состоящий всего лишь из четырех повторяющихся циклических молекул – нуклеотидов, соединенных пятиуглеродным сахаром при помощи фосфатных связей и формирующих цепочку. Единственные вариации в пределах этой цепочки возможны в основаниях – и с учетом того, что их всего лишь четыре, ДНК может показаться не очень интересным соединением. Однако если Эйвери и Ледерберг были правы, то структура ДНК должна была открыть людям «магию». Тем не менее поначалу ничего подобного не случилось.

Знания о фундаментальной структуре молекулы ДНК основывались на одном-единственном дифракционном рентгеновском снимке, сделанном в 1952 году Розалиндой Франклин и Реймондом Гослингом из лондонского Королевского колледжа. В следующем, 1953 году, 25 апреля, уважаемый английский журнал Nature опубликовал серию последовательных статей. Первая из них, написанная Фрэнсисом Криком и Джеймсом Уотсоном из Кембриджского университета, предлагала модель структуры ДНК, основанную на до той поры не опубликованных рентгеновских изображениях, сделанных Уилкинсом и Франклин. Вторая статья, написанная независимо, была от лаборатории Мориса Уилкинса в Лондонском королевском колледже – в ней вниманию читателей предлагалось грубое рентгеновское изображение этой молекулы. К третьей статье, написанной Франклин и Гослингом, прилагался более четкий дифракционный снимок, полученный ими самими. Во всех трех статьях делалось заключение о том, что молекула, вероятно, представляет собой спираль, но Уотсон, Крик и Уилкинс предположили также, что спираль может быть двойной. За открытие структуры ДНК Крик, Уотсон и Уилкинс в 1962 году разделили между собой Нобелевскую премию. Франклин умерла в 1958 году от рака яичников в возрасте тридцати семи лет, ввиду чего не смогла войти в число кандидатов на ее получение.

К тому времени стало очевидно, что молекула ДНК является ключом к наследованию информации. Каким-то образом она кодировала последовательность аминокислот в белках, но реконструкция на основе анализа рентгеновских дифракционных снимков оставляла совершенно не очевидным ответ на вопрос, как может структура ДНК содержать необходимую информацию для синтеза белков. В ДНК содержится всего лишь четыре различных нуклеотида. Как могут четыре нуклеотида кодировать информационную систему, приводящую к образованию белков, имеющих двадцать аминокислот в весьма определенных последовательностях?

Истолкование генетического кода было, возможно, еще более хитроумной задачей, нежели истолкование структуры ДНК. Вслед за работой Эйвери и его коллег и структурным анализом двойной спирали, проведенным Франклин, Гослингом, Уилкинсом, Уотсоном и Криком, быстро пришло понимание того, что если в ДНК содержится всего лишь четыре нуклеотида, а в белках – двадцать аминокислот, то каждую аминокислоту должен кодировать больше чем один нуклеотид. Нуклеотидов должно было быть самое меньшее три – такая логика основывалась на простых расчетах. Если бы нуклеотидов было только два, то все возможные комбинации давали бы 42 = 16 аминокислот, а этого далеко не достаточно. Если же, однако, взять три нуклеотида, то возможных комбинаций будет 43 = 64, и этого уже более чем достаточно. Используя метод внедрения и последующего удаления одиночного нуклеотида в вирус, заражавший E. coli, команда ученых под руководством Фрэнсиса Крика, включавшая в себя также известного борца с традициями Сиднея Бреннера, расшифровала генетический код этой бактерии. Они показали, что набор из трех нуклеотидов в очень специфической последовательности ДНК определяет конкретную аминокислоту. Их работа была в буквальном смысле расшифровкой кода, этого Розеттского камня, ради понимания механизма наследования жизни. Тем не менее возникли и некоторые затруднения.

Для большинства аминокислот более чем один набор из трех нуклеотидов, составляющих последовательность, кодирует одну и ту же аминокислоту. Зная последовательность ДНК, можно вывести аминокислотную последовательность белка, кодирующегося этим геном. Однако эта информация будет вырожденной, то есть мы не можем вывести точную последовательность ДНК, зная последовательность белков. Знание «слов» одного языка в мире ДНК определяет одно значение в аминокислотном мире белков. Но знание «слов» аминокислот белков не обеспечивает адекватного перевода на язык ДНК. Главная проблема понимания того, как функционируют все живые организмы, очевидно, заключалась в том, какие инструкции закодированы в ДНК. И эта проблема вела к новой технической задаче – секвенированию ДНК.

Белки, РНК и ДНК являются полимерами, а секвенирование любого биологического полимера представляет собой серьезный вызов: реакция должна отсекать каждый из мономеров родительского полимера в определенном порядке. Секвенирование же ДНК имело еще одну дополнительную сложность, поскольку этот полимер имеет двойную структуру, и, хотя можно было секвенировать однонитевую РНК, основы ее химизма неприменимы к ДНК непосредственно.



Рис. 37. Кодоновое колесо – Розеттский камень, указывающий, как индивидуальные основания, или нуклеотиды, в составе ДНК кодируют конкретные аминокислоты в белке. Код каждой аминокислоты содержится в последовательности из трех нуклеотидов, которая называется кодоном. Двигаясь от центра колеса наружу, можно определить, какая аминокислота закодирована каждой из последовательностей ДНК. Например, последовательность AGC кодирует аминокислоту серин, а последовательность ACC – треонин. Для всех аминокислот, за исключением метионина и триптофана, существует более одного возможного кодона


За эту проблему брались несколько ученых-химиков, первым среди которых был Фредерик Сэнгер, английский биохимик из Кембриджского университета, уже получивший в 1958 году Нобелевскую премию по химии за разработку методики секвенирования белков. Сэнгер и его коллеги разработали метод секвенирования ДНК, предполагавший вначале разделение двух нитей и затем химическое разбиение последовательности в случайном порядке, на любом из четырех нуклеотидов в цепочке. После этого было необходимо найти молекулярную массу того, что осталось после химической реакции. Молекулярная масса продуктов определялась посредством отделения каждого из них согласно размеру в большом объеме геля. Через гель пропускался электрический ток, ввиду чего разрезанные кусочки ДНК были принуждены двигаться через гель. Самые маленькие кусочки двигались быстрее и, следовательно, дальше, чем более крупные; измеряя, насколько далеко продвинулся тот или иной кусочек, можно было вычислить, какой нуклеотид оказался на первом месте, какой – на втором, третьем и так далее. Применив эту методику, Сэнгер и его коллеги смогли секвенировать вирус PhiX174, содержащий 5375 нуклеотидов.

Их работа, опубликованная в 1977 году, была первой в истории записью геномной последовательности ДНК. Метод Сэнгера в конце концов привел к появлению технологии, позволившей секвенировать геном человека. В 1980 году Сэнгер получил вторую в своей жизни Нобелевскую премию по химии, разделив ее с Уолтером Гилбертом, независимо от него открывшим другой, несколько более трудоемкий метод секвенирования ДНК. Был и третий участник, разделивший с ними премию, – Пол Берг, биохимик из Стэнфордского университета, открывший процесс создания молекул ДНК из двух или более источников – молекул, не существующих в природе. Такие рукотворные молекулы ДНК называются рекомбинантной ДНК. Открытия этих трех ученых изменили мир не меньше, а, вероятно, даже больше, чем открытие структуры ДНК.

Разработанная Сэнгером базовая методика секвенирования посредством «обрыва цепи» не могла применяться к длинным последовательностям ДНК. Для того чтобы подступиться к проблеме секвенирования человеческого генома, содержащего 23 хромосомы, ДНК следовало разрезать на более мелкие куски. Отдельные куски уже можно было секвенировать, после чего перекрывающиеся случайные последовательности сверялись и по ним реконструировался весь геном. Этот метод, которому было дано название «метод дробовика» (термин, предложенный самим Сэнгером), был вначале разработан для микроорганизмов, а затем его применил к человеческому геному Дж. Крейг Вентер с коллегами. В самом деле, если технические аспекты секвенирования были сами по себе достаточно сложны, то реконструирование порядка генов в каждой хромосоме представляло собой еще более трудную задачу. Эта работа, на завершение которой ушло несколько лет, показала, что наш геном содержит более 3,2 млрд пар оснований, но лишь около 1,5 % из них кодируют белки. Это был один из самых больших сюрпризов, преподнесенных проектом по секвенированию человеческого генома, – у нас, оказывается, всего лишь около 20 тысяч генов, кодирующих белок, – гораздо меньше, чем предсказывалось до того, как геном был секвенирован, и всего лишь на один-два порядка больше, чем у обычных червей. Таким образом, более 97 % нашего генома содержат некодирующие области, которых нет у микроорганизмов.

Как ни парадоксально, секвенирование человеческого генома раскрыло, как относительно небольшие генетические изменения могут привести к более высокой организационной структуре животного. Важнейшие инструкции по сборке механизмов, снабжающих нас энергией и обеспечивающих синтез белков, транспортировку ионов и основной метаболизм, – все опираются на генетические платформы, унаследованные от микроорганизмов и сложившиеся миллиарды лет тому назад.

Благодаря материальной поддержке, оказанной министерством энергетики проекту по секвенированию человеческого генома, появилась возможность вкладывать крупные суммы в создание аппаратуры, которая позволила бы автоматизировать процесс секвенирования ДНК. Действительно, для меня и моих коллег в Ратгерском университете секвенирование генома является повседневной работой, и стоимость этой операции невообразимо мала. Когда Сэнгер впервые начал секвенировать ДНК, она составляла около 75 центов за нуклеотид, а к 2014 году упала до менее чем 0,001 цента. В 2002 году, когда проект «Геном человека» находился на стадии разработки, было определено, что стоимость секвенирования человеческого генома составит 100 млн долларов; сейчас эта цифра приближается к 1000 долларов и почти наверняка еще более снизится в ближайшие годы.

Невероятному снижению стоимости секвенирования содействовало огромное увеличение мощности компьютерной техники и взаимосвязанности компьютеров. Используя Интернет, последовательности ДНК теперь можно пересылать в реальном времени, так что подбор наилучшего соответствия с уже секвенированными молекулами ДНК занимает миллисекунды, и для только что расшифрованной последовательности сразу может быть определена ее вероятная функция внутри клетки.

С возросшими способностями компьютерной техники пришли более эффективные и дешевые технологии секвенирования и новые алгоритмы поиска генов. Фактически технологии стали настолько дешевыми, а аппаратура – настолько распространенной, что в национальных лабораториях США образовались избыточные мощности. Этот избыток мощностей секвенирования вскоре стремительно распространился по всему миру – на Францию, Германию, Великобританию, Китай, Японию, Корею и Индию. Как его использовать?

Вскоре после того, как проект «Геном человека» начал воплощаться в жизнь, Дэвид Галас, возглавлявший эту программу в министерстве энергетики в Вашингтоне, посетил Брукхэвенскую национальную лабораторию, чтобы узнать, чем занимаются тамошние биологи. Директор лаборатории попросил меня подготовить короткую презентацию, посвященную моей работе по выяснению механизма, позволяющего определенному виду одноклеточных водорослей синтезировать большее или меньшее количество определенных белков в ответ на изменение освещения – феномен, чрезвычайно важный для океанического фитопланктона. Галас спросил, не соглашусь ли я провести встречу, чтобы рассмотреть вопрос о том, как новые технологии секвенирования и компьютерные технологии могут применяться для изучения распределения микроорганизмов в окружающей среде. Я с радостью принял это предложение.

На заседании, где присутствовало около шестидесяти моих коллег из разных частей страны, я выступил с обстоятельным докладом. В конечном счете мы пришли к массовому секвенированию ДНК микроорганизмов в океанах, почвах, воздухе, озерах, горных породах, ледниках – практически во всех возможных местах обитания. В результате геномные последовательности океанических микроорганизмов анализируются с немыслимой скоростью; уже идентифицированы десятки миллионов новых генов. По существу эта информация представляет собой сокровищницу нетронутого биологического потенциала, который может быть мобилизован с целью выполнения любых поставленных нами задач в области генной инженерии микроорганизмов.

Буквально одним щелчком электронного прибора последовательность гена или множества генов – да что там, целого генома – может быть переслана через весь мир для анализа, переформирования и перераспределения. Едва ли не любой из генов может быть синтезирован и внедрен в микроорганизм. Такой свободный обмен генными функциями не знает границ; он привел к дальнейшему наращиванию войны с микроорганизмами.

Ввиду того что секвенирование генов и геномов к началу XXI столетия стало настолько дешевым и эффективным, ученые перешли от секвенирования геномов одиночных организмов к секвенированию геномов естественных микробиотических сообществ практически в любых местообитаниях, представляющих потенциальный интерес. Списки генов, определенных компьютерными алгоритмами, стали стремительно пополняться. На планете были идентифицированы десятки миллионов генов микроорганизмов, и пока не похоже, чтобы темпы их обнаружения замедлялись. Эта генная библиотека представляет собой «список запчастей», из которых можно сделать любой созданный природой белок, присутствующий в ныне живущих организмах. Но можем ли мы создавать новые части – такие, которые не существуют и никогда не существовали в природе?

Коротко говоря, да.

Одна из отраслей биологической науки сейчас ищет способы конструировать микроорганизмы, направлять обмен веществ и запускать внутри микроорганизмов новые процессы, чтобы добиться от них большей эффективности или придать им новые качества, которых они не имели прежде. Сможем ли мы создать организм, который сможет перерабатывать пластмассу? Или нейтрализовать радиоактивные вещества в почве? Получится ли у нас разработать альтернативный вид топлива? Или новый тип строительных материалов? Все эти вопросы – не плод теоретических размышлений. Все это уже происходит в реальности.

Тысячи лабораторий по всему миру используют плазмиды Ледерберга и рекомбинантную ДНК Пола Берга, чтобы внедрять один или несколько генов в микроорганизмы. Подавляющее большинство этих экспериментов безвредны и проводятся для проверки гипотез касательно функционирования конкретных генов. Однако значительная часть горизонтальных генных переносов осуществляется для манипуляции теми или иными природными реакциями, которые мы хотим изменить, например создав с нуля новый фотосинтезирующий организм.

Секвенирование человеческого генома обнаружило, что у нас практически нет уникальных генов. Если людей не станет, мир микроорганизмов будет по-прежнему функционировать, придя к новым устойчивым состояниям, и благодаря их метаболизму наша планета будет оставаться обитаемой. В самом деле, с эволюционной точки зрения человеческая эволюция представляет собой лишь временное нарушение биологически выраженного круговорота химических реакций. Коротко говоря, мы – выродки природы, нарушающие естественные геохимические циклы. Тем не менее мы нуждаемся в микроорганизмах.

Мы саботируем микробиологическую эволюцию – и сами не понимаем, что делаем. Попытки, предпринятые в этом направлении, все еще остаются чисто теоретическими упражнениями, но они не тривиальны. Так, Дж. Крейг Вентер со своими коллегами работал над созданием микроорганизма, в котором генетическая информация будет полностью сконструирована человеком при помощи компьютерных технологий, синтезирована в лаборатории и введена в клетку-хозяина, генетически запрограммированную на уничтожение собственной генетической информации. Клетка-хозяин превращается всего лишь в контейнер для полностью рукотворного генома.

Биологов, занимающихся синтезом, чаще всего не заботит состояние экосистем Земли – они сосредоточены на том, чтобы создать микроорганизм, который будет более эффективно фиксировать азот, или, еще лучше, запихнуть гены, отвечающие за связывание азота, непосредственно в зерновые культуры, от которых зависит наше пропитание. Они хотят сделать такой рубиско, который сможет отличать углекислый газ от кислорода, и распространить этот новый и «лучший» рубиско по всему растительному миру. Список изменений, которые ежедневно пытаются навязать микроорганизмам и другим живым существам, практически бесконечен. Большинство из этих попыток совершаются с благородными целями в стремлении к такому будущему, которое обеспечит выживание людям, но при этом очень редко принимаются во внимание непредвиденные последствия подобного недомыслия для эволюционного пути жизни на Земле.

Человек – животное, живущее на этой планете лишь временно, и за нашу короткую историю мы стали одной из наиболее разрушительных биологических сил, начиная с тех пор, когда цианобактерии стали производить кислород в качестве побочного продукта своего метаболизма. Мы – современные биологические большевики. Подобно цианобактериям, мы можем открыть ящик Пандоры, выпустив на волю множество непреднамеренных последствий. Я утверждаю, что, вместо того чтобы вмешиваться в жизнедеятельность организмов, гораздо лучше было бы применить наши интеллектуальные способности и технологические возможности, чтобы добиться лучшего понимания ключевых наномеханизмов, возникших в процессе эволюции, и того, как эти механизмы распространились по всей планете и стали двигателями жизни. Почему это так?

Микроорганизмы – служители этой планеты, и мы почти не понимаем, как они смогли развиться в систему по перемещению электронов и элементов по ее поверхности. А ведь в конечном счете этот поток электронов сделал Землю обитаемой и для нас. Мы имеем лишь самые поверхностные представления о том, как работает этот электронный круговорот, и тем более не знаем, как его контролировать, однако наша гордыня и неистощимая потребность в новых ресурсах заставляют нас вмешиваться в его работу, которую мы неосторожно нарушаем. К счастью, в контролируемый микроорганизмами электронный круговорот встроено столько избыточной информации, что для нас практически невозможно нанести ему серьезные повреждения, но мы не прекращаем попытки это сделать.

В ходе своей эволюции микроорганизмы сделали эту планету обитаемой как для самих себя, так и в конечном счете для нас. Мы лишь пассажиры в этом путешествии; тем не менее мы позволяем себе вмешиваться в действия тех, кто его контролирует. Если мы не будем сдерживать себя, то рано или поздно неизбежно создадим и выпустим на волю микроорганизмы, способные фундаментально нарушить баланс электронов в глобальном электронном круговороте. Это чревато катастрофой.

Категория: КАК БАКТЕРИИ СДЕЛАЛИ НАШ МИР ОБИТАЕМЫМ | Добавил: admin | Теги: Пол Фальковски, древнейшие самовоспроизводящиеся ор, занимательная зоология, история изучения микроорганизмов, Роберт Гук, бактерии
Просмотров: 42 | Загрузок: 0 | Рейтинг: 5.0/1
РАЗВИТИЕ БИОЛОГИИ

БИОЛОГИЧЕСКИЕ СПРАВОЧНИКИ
Поиск
Н А Ш И   Д Р У З Ь Я








Друзья сайта
  • Официальный блог
  • Сообщество uCoz
  • FAQ по системе
  • Инструкции для uCoz
  • Вход на сайт

    Copyright MyCorp © 2017
    Яндекс.Метрика Рейтинг@Mail.ru