Как ГМО спасает планету и почему люди этому мешают

Представьте себя кинооператором эпохи пленочного кино. Вы снимаете сцену, в которой рыцарь стремительно скачет на лошади, скажем, в гости к дракону. Одновременно вы хотите показать, что дракон готовится ко встрече с рыцарем – чашки там на столе расставляет, варенье из сосновых шишек переливает в подаренные бабушкой блюдца. А рыцарь в это время скачет, плащ развевается, у коня из ноздрей пар валит – красотища! И что, ради смены плана на пещеру дракона останавливать на скаку рыцаря, а затем просить его продолжить свой путь с тем же решительным настроем? Ну уж нет! Есть другой выход, и «это называется монтаж!» – как объяснял мистер Джонни Фест своей нетерпеливой даме сердца[71]. То есть кинопленку в нужном месте разрезают, а между двумя получившимися ее частями вставляют кусочек другой пленки с нужной сценой. Вот хорошо бы уметь «делать монтаж» в геномах разных организмов, чтобы добавлять и убирать из них гены по своему желанию!

Ученые мало чего придумывают сами. Чаще они подсматривают за природой, заимствуют ее механизмы, улучшают и добавляют их в свой арсенал. Так они поступили и при решении этой задачи. Как и нам, бактериям угрожают вирусы. Только вирусы у них специальные, бактериальные, и зовутся они бактериофаги. Бактериофаги превращают бактерию в завод по производству собственных вирусных копий, заставляя забыть обо всех собственных делах. Поэтому бактериям необходим некий механизм борьбы с интервентами. Что же они придумали?

Итак, вирус – это защитная белковая оболочка – капсид – и молекула ДНК или РНК внутри нее. Во время путешествий вирусный генетический материал упакован в капсид, но при проникновении в клетку капсид остается снаружи – как мокрое пальто на вешалке у входа в дом. В саму клетку проникает только молекула, поэтому эволюция выбрала такой подход: каждая проникающая в клетку молекула ДНК (или РНК), которая выглядит чужеродно, будет немедленно порезана на нефункциональные куски. Роль ножниц внутри бактерии исполняют специальные ферменты – эндонуклеазы рестрикции (рестриктазы). Их задача опознавать определенный довольно короткий (обычно состоящий из 4–8 букв) фрагмент генетического текста и в случае опознания делать в нем разрез по обеим цепям ДНК (или по единственной в случае РНК). Каждая эндонуклеаза рестрикции настроена на узнавание своего текстового фрагмента – сайта рестрикции. Некоторые рестриктазы делают разрез симметрично по обеим цепям, как показано на картинке ниже. Два конца молекулы, которые получаются в результате такого разреза, биотехнологи называют тупыми. Другие рестриктазы разрезают «внахлест»: разрез по одной цепи смещен на несколько букв от места разреза на второй цепи. Комплементарные цепочки на этом фрагменте расходятся и напоминают две ступеньки. Биотехнологи называют их липкими, и не случайно: в результате с каждой стороны от разреза остается по фрагменту одноцепочечной молекулы, которые могут легко соединиться обратно по принципу комплементарности.

Две получившиеся комплементарные[72] цепочки стремятся соединиться друг с другом обратно. Предотвратить это воссоединение можно, немного химически модифицировав нуклеотиды на концах. Или сделав на молекуле разрезы двумя разными типами рестриктаз на небольшом отдалении друг от друга – если удалить маленький фрагмент между разрезами, тогда оставшиеся концы не будут комплементарны друг другу и молекула не сможет соединиться по месту такого разреза.

Внимание, дальше нам снова понадобится воображение. Представьте себе коробку детского конструктора, в которой есть множество элементов типа «кирпичик» разного цвета. Независимо от цвета мы можем сцеплять эти кирпичики в любом порядке, выстраивая все более и более высокую башню. Секрет башни из кирпичиков в механизме сцепления деталей между собой: выпуклости на одной детали идеально подходят к разъемам на другой. И ничего кроме длины рук строителя не мешает нам вырастить эту башенку хоть до самого неба. Липкие концы позволяют проделывать похожий фокус: если разрезать одной и той же рестриктазой две разные молекулы ДНК, то оставшиеся в обоих случаях хвостики будут прекрасно соответствовать друг другу. А это значит, что их можно соединить между собой – встроить фрагмент одной ДНК в другую. Или даже множество фрагментов. Затем останется только сшить оставшиеся пробелы между нуклеотидами каждой цепи. Для этого пригодится еще один фермент – лигаза. И вуаля, у нас получился монтаж, то есть генетическая рекомбинация.

Тут любопытному читателю самое время спросить: неужели в геноме самой бактерии не найдется таких же фрагментов текста, которые способны узнавать рестриктазы? Как же рестриктазам тогда отличить чужеродную ДНК от собственной бактериальной и не совершить по неосторожности харакири? И этот вопрос совершенно справедливый!