Микрокосм. E. coli и новая наука о жизни

Даже в клетки животных теперь вводят чужеродные гены с помощью модифицированных вирусов. Некоторые исследователи надеются найти способ излечивать генетические заболевания, снабжая клетки работающими копиями ключевых генов. Другие вводят гены непосредственно в зародышевые клетки, чтобы получить животных с чужеродными генами во всех клетках тела. Некоторые ученые пытаются при помощи методов генной инженерии снизить загрязнение окружающей среды отходами сельского хозяйства. Основные загрязнения от сельскохозяйственной деятельности — соединения фосфора и кислорода, поступающие в почву с удобрениями. Когда дожди и вешние воды уносят фосфаты с полей в реки и в конечном итоге в океан, они вызывают вспышку размножения водорослей и другие экологические катастрофы, которые постепенно приводят к появлению обширных мертвых зон, где не может выжить ни один живой организм. Одна из причин, почему в удобрениях содержится так много фосфатов, заключается в том, что значительную часть удобрений получают из навоза домашних животных, к примеру свиней и кур. Дело в том, что эти животные лишены пищеварительных ферментов, необходимых для расщепления фосфатов, поэтому они проходят сквозь пищеварительную систему неизмененными. E. coli, как и многие другие бактерии, вырабатывает ферменты для расщепления фосфатсодержащих молекул. И когда исследователи ввели свиньям гены E. coli, фосфатов в навозе модифицированных животных стало вчетверо меньше, чем у обычных.

В каком‑то смысле все перевернулось с ног на голову: если 30 лет назад ученые вводили бактериям гены животных, то сегодня они, наоборот, вводят животным гены E. coli.

Азбука жизни расширяется

В начале своего существования генная инженерия была всего лишь инструментом, который ученые смогли создать на базе своих знаний о E. coli. Однако в последние годы грань между генной инженерией и наукой постепенно стирается. Герберт Бойер использовал свои глубокие знания о E. coli, чтобы разработать методы генной инженерии. Сегодня генная инженерия использует методы Бойера, чтобы узнавать новое не только о E. coli, но и о фундаментальных законах жизни.

Ученые долгое время спорили о том, почему жизнь на Земле, практически без исключений, использует при строительстве белков всего лишь 20 аминокислот[27]. (£. coli и ряд других видов, в том числе человек производят и двадцать первую аминокислоту под названием селеноцистеин.) В природе существуют сотни замечательных аминокислот, из которых жизнь, кажется, могла бы свободно выбирать. Вообще, чтобы присоединиться к Клубу аминокислот, молекуле нужно всего лишь обладать подходящими концами. На одном конце у нее должна быть аминогруппа — атом азота, ковалентно связанный с двумя атомами водорода, а на другом — карбоксильная группа, состоящая из атома углерода, двух атомов кислорода и атома водорода. Аминогруппа и карбоксильная группа легко стыкуются между собой, как кирпичики конструктора «Лего», и при этом почти не важно, что находится между ними. Любой химик может синтезировать в лаборатории сотни различных аминокислот; тот же процесс легко протекает в открытом космосе. В 1969 г. на Землю упал метеорит, покрытый слоем дегтеобразной слизи. Ученые насчитали в составе этой слизи 79 разновидностей аминокислот.

Так почему же у нас их всего двадцать? Один из способов разобраться в этом вопросе — попытаться искусственно получить организм, способный производить не двадцать аминокислот, а двадцать одну. В 2001 г. Питер Шульц из Научно — исследовательского института Скриппса в Ла- Хойя (Сан — Диего, Калифорния) с коллегами сделал именно это — естественно, на основе E. coli. Как и все остальные живые организмы, E. coli использует генетический код, в котором каждые три нуклеотида в составе ДНК кодируют одну аминокислоту. Существует 64 триплета, или, как их называют, кодона, большая часть которых у E. coli используется регулярно. Но Шульц с коллегами обнаружили один кодон, который используется очень редко. Они модифицировали E. coli таким образом, что этот редкий кодон теперь отдавал команду добавить в строящуюся молекулу белка необычную аминокислоту.

Журнал Science назвал это достижение «первой искусственной формой жизни, химия которой не похожа ни на что, встречающееся в природе». В дальнейшем ученые добавили в репертуар E. coli еще более 30 необычных аминокислот. Первоначально бактерия могла строить эти новые белки только при условии бесперебойного снабжения ее нестандартными аминокислотами, но затем ученые начали модифицировать E. coli так, чтобы она могла сама синтезировать их из обычной пищи.