— Зачем нужно синтезировать геном бактерии?

— Эта научная идея фундаментальна. Где ее можно применить на практике? Это будет интересно в учебных целях и в медицине. Это означает, что мы найдем тот минимум генов, поломка которых критична. Кроме того, можно обнаружить те гены, которые несут небольшую функциональную нагрузку: их можно удалить, если они будут отвечать за патологию. Данная работа может помочь в борьбе с различными инфекциями, при поиске новых мишеней для антибиотиков. Сейчас существует несколько поколений медпрепаратов, однако возвращается проблема резистентности (то есть устойчивость патогенов к лекарствам). Некоторые ученые полагают, что могут наступить времена, когда нынешние антибиотики просто не будут работать, а значит, мы не сможем лечиться. Микроорганизмы эволюционируют, и рано или поздно они находят способ нейтрализовать медпрепараты. Также если понять, как функционируют прокариоты (одноклеточные организмы), то можно будет понять, как работают наши клетки. Тогда появится возможность предсказывать и лечить генетические заболевания.

— Ученые синтезировали искусственно бактериальный геном из 531 560 букв ДНК…

— Столько необходимо для выживания организма. Те гены, которые остались, отвечают за репликацию ДНК (то есть ее копирование) в ряду поколений, за транскрипцию и трансляцию наследственного материала — синтез РНК (рибонуклеиновой кислоты), которая участвует в образовании белка, создании запаса энергии (гликолиз и транспорт глюкозы), в переносе веществ через мембрану клетки. В общей сложности у первоначальной бактерии из 896 было удалено 423 гена. Осталось 473. Тем не менее, у 149 из них не выяснены функции. И это интересный результат работы — есть область, в которой можно проводить различные исследования. 

— Почему букв так много, а функций мало?

— Это кажется, что много. Размер человеческого генома 3,1 млрд нуклеотидов (букв). По разных оценкам, у нас от 20 до 25 тысяч генов. У мыши — 3,4 млрд букв и 35 тысяч генов, у лягушки — 3,5 млрд, а у пшеницы — 12—18 млрд букв. Так что размер геномов не зависит от сложности организма и числа генов. Большое количество букв говорит о том, что в геноме есть много фрагментов, которые просто не читаются. Раньше примерно 98% процентов генома считалось «мусором». С одной стороны, с течением эволюции гены несколько раз повторялись (редуплицировались) и сломались. С другой стороны, мутации происходят с определенной частотой, и чем больше геном, тем меньше шансов, что нарушение произойдет в участке с полезными генами. Еще одна теория: огромные куски ДНК не кодируют белков, но несут информацию о регуляторных элементах генов. Они отвечают за развитие клетки, в том числе и патологическое. Почему «мусор» никуда не исчез? ДНК — очень важная молекула для клетки, поэтому она будет ее всячески оберегать и сохранять. Какие-то признаки были нужны нашим предкам, но со временем перестали быть необходимыми. Но вдруг когда-нибудь станут необходимыми?

— Почему исследования проводятся на одноклеточных организмах, а не на человеческих клетках?

— Это более простая модель. Мы с вами — эукариоты. Наша ДНК разделена на линейные фрагменты, которые связаны со специальными белками — гистонами. Проще говоря, молекула в разы плотнее упакована, до нее труднее добраться. И размер генома гораздо больше, сложнее регулируется работа генов. То, что мы знаем сегодня — в большинстве случаев благодаря исследованиям прокариотов. Это удобнее, так как у бактерий молекула ДНК в клетке одна, при этом небольшого размера и не связана с белками. Чистая нуклеиновая кислота. Все открытия, связанные с процессами транскрипции, трансляции, репарации, восстановлением ДНК, сделаны на прокариотах. И только потом процессы переоткрывали, дооткрывали на эукариотах.

— Можно ли искусственно создать геном человека?

— Нет, потому что его очень сложно синтезировать. Не забывайте, у нас 3,1 млрд букв, против половины миллиона в обсуждаемой работе! 530 тысяч букв — минимальный набор, который позволяет бактерии выжить. Чтобы человек оставался человеком, генов нужно гораздо больше, мы все-таки многоклеточные. Тем более что ученым нужно выяснить их роль. Кроме того, встают вопросы этического плана. Хотя на практике мы можем переносить в клетки отдельные донорские хромосомы, но ни в коем разе не создавать их заново, с нуля, как говорят — de novo.

— Где можно применить открытия генной инженерии?

— Генная инженерия бактерий плотно вошла в нашу жизнь. Весь инсулин, который сейчас принимают больные, продукт этой научной области. Раньше его выделяли из поджелудочной железы свиней, но на всех препарата не хватало. Химический синтез невероятно дорогостоящ и трудоемок, поэтому была разработана технология синтеза человеческого инсулина в клетках бактерии — кишечной палочки. Другой пример —  вакцины сейчас получают не из вирусов. Например, чтобы получить вакцину от гепатита В, нужно в дрожжи ввести ген синтеза поверхностного белка этого вируса. Тогда мы получим более безопасный для пациента препарат, который к тому же еще и дешевле.

Генная инженерия применяется в промышленных масштабах в сельском хозяйстве — это и химическая прополка, и овощи, устойчивые к вредителям. Можно получить чистый и дешевый урожай. Сейчас ученые работают над редактированием геномов, это поможет выключать или удалять какие-то гены. Правда, пока все это только научные эксперименты. Наконец, перспективное направление — генная терапия. Мы не можем вырезать дефектный ген из человеческого генома. Нельзя это делать на стадии эмбриона, ведь это неэтично. На уровне человека также нереально — там миллионы клеток. Однако можем в часть клеток, хотя бы временно, ввести нужный ген вместо сломанного и облегчить течение болезни.

— В каких направлениях работают уральские ученые?

— Нам проще кооперироваться с коллегами. У нас есть молекулярные биологи, иммунологи и физиологи растений. Первые занимаются изучением природно-очаговых инфекций, например, вируса клещевого энцефалита. Они изучают, как на генетическом уровне происходило распространение вируса, его эволюцию, откуда он произошел. Физиологов волнуют вопросы устойчивости растений к стрессовым факторам, биотехнологов — клеточной селекции растений. Я сотрудничаю с коллегами из Башкирии и Подмосковья. Они создают генетическую конструкцию, дальше вводят ее в растение, или это мы делаем вместе, а потом в УрФУ изучаем эффекты, которые оказало введение трансгена на физиологию изучаемого вида растений.

СПРАВКА

ДНК — это нерегулярный полимер, то есть линейная молекула с большой молекулярной массой. В ней повторяются определенные звенья — мономеры. Они называются нуклеотидами — их всего четыре: аденин, тимин, гуанин и цитозин. Если говорить проще, то это двойная спираль. Нуклеотиды выстраиваются в цепочку, напротив них выстраивается такая же, комплиментарная. Например, с одной стороны будет аденин, напротив — тимин. ДНК содержит информацию о всех признаках нашего организма.