Микрокосм. E. coli и новая наука о жизни

Благодаря этим исследованиям споры о генетическом коде переместились на другую почву. Никто не может с уверенностью утверждать, что только те самые 20 аминокислот делают жизнь возможной. Некоторые даже считают, что генетический код — это всего лишь исторический артефакт. Первые живые организмы синтезировали свои белки из тех аминокислот, которых вокруг было больше всего, и этот случайный выбор закрепился навсегда. Некоторые ученые уверены, что у нас самый лучший генетический код из всех возможных — ведь он позволяет хранить информацию о максимальном количестве белков в минимальном числе генов. Другие возражают, что естественный отбор мог бы предпочесть генетический код и поустойчивее, с меньшей вероятностью возникновения летальных мутаций, при которых происходит синтез белков с полностью измененной структурой.

В наших руках, однако, правила генетического кодирования изменились. Шульц и другие исследователи теперь пытаются разобраться, какую практическую пользу можно извлечь из белков E. coli, которых нет в природе. Возможно, такие белки позволят E. coli исправить одну из крупнейших неудач генной инженерии. Дело в том, что, в отличие от бактерий, клетки эукариот модифицируют белки, присоединяя к ним углеводные компоненты. Они участвуют в процессе сборки белка и влияют на его функционирование. E. coli может синтезировать точные копии наших белков — все аминокислоты точно на местах, — но если она не в состоянии добавить в нужных местах эти углеводы, то получившиеся белки для нас бесполезны.

Шульц с коллегами нашел способ обойти эту проблему. Вместо того чтобы добавлять углеводы к готовому белку, они добавляют их к отдельным аминокислотам, а затем так модифицируют E. coli, чтобы она распознавала аминокислоты с углеводным компонентом. Таким образом, бактерия может собирать белки с уже присоединенными углеводами, готовые для употребления человеком. Оказывается, то, что неестественно для E. coli, совершенно естественно для нас.

Сетевой взлом

Генная инженерия, которая на первый взгляд производит впечатление науки будущего, на самом деле достаточно примитивна и основана на биологических представлениях 1950–х гг. В мире генной инженерии E. coli и другие бактерии — всего лишь простые химические фабрики, выпускающие определенный набор белков. Достаточно изменить один ген, и один из производимых белков тоже изменится. Специалисты прекрасно понимают, что жизнь ни в коем случае не сводится к производству белков. Существуют еще, к примеру, репрессоры и промоторы, чья задача — включать и выключать гены. Но многие специалисты в области генной инженерии используют эту ценную информацию только для того, чтобы улучшить производительность E. coli и других организмов.

Возможен и другой взгляд на E. coli: бактерию можно рассматривать как управляющую схему или сетевую структуру. Ее белки и гены работают согласованно, позволяя микроорганизму получать и обрабатывать информацию, принимать решения, поддерживать устойчивое существование в нашем неустойчивом мире. Мощь управляющей сети E. coli обеспечивается суммой ее частей, а не одним, каким-нибудь геном или белком. Заметим также, что искусственные, рукотворные устройства человек постоянно улучшает — инженеры перерабатывают старые схемы, добавляют новые части. И некоторые ученые уже задаются вопросом: если жизнь тоже придерживается инженерных принципов, то, может быть, и ее можно доработать?

Первые сообщения об усовершенствовании живых организмов появились в 2000 г., и в обоих случаях речь шла о E. coli. Физик Майкл Еловиц из Калифорнийского технологического института совместно со Станисласом Лейблером из Университета Рокфеллера в Нью — Йорке заставили этот микроорганизм мигать. Для своего нового управляющего контура они выбрали три гена, отвечающих за производство трех разных репрессоров. Они модифицировали первый ген так, чтобы репрессор, за синтез которого он отвечает, блокировал активность второго гена. Репрессор, кодируемый вторым геном, блокирует третий. Третий реирессор, в свою очередь, блокирует первый; кроме того, кодирующий его ген отвечает за строительство флуоресцентного белка, позаимствованного у медуз.

Еловиц и Лейблер обнаружили, что в некоторых модифицированных ими бактериях три репрессора образовали циклическую систему. Первый ген командует производством репрессоров до тех пор, пока они не блокируют второй ген; третий ген при этом освобождается и блокирует первый. Когда первый ген прекращает выработку своего репрессора, второй ген освобождается и блокирует третий и так далее. Еловиц и Лейблер объединили эти гены в одной плазмиде и ввели ее в клетку E. coli. В бактериальной клетке гены активизировались, и ученые смогли наблюдать этот процесс собственными глазами: в зависимости от степени подавления активности третьего гена E. coli вырабатывала больше или меньше флуоресцентного белка. Иными словами, бактерия мигала, как крошечный фонарик.