Простое начало. Как четыре закона физики формируют живой мир

В ходе эволюции бактерии обзавелись мощными инструментами для работы с ДНК, включая ферменты, называемые рестриктазами, которые разрезают двойную спираль. Разрезы вносятся не беспорядочно: каждая рестриктаза распознает специфическую последовательность нуклеотидов: как правило, ферменты «дрессируются» нападать на тот или иной участок, исходя из истории заражений бактериального вида вирусами, то есть геномами с характерными последовательностями ДНК. Иными словами, рестриктазы участвуют в защите от вирусного вторжения в ходе стародавней войны, к которой мы вернемся чуть позже. Большинство рестриктаз оставляют концы разрезанной ДНК не «тупыми», а «липкими» – это реальные научные термины, – чтобы им было проще удерживаться вместе с другими такими же концами. Липкость обеспечивается не каким-то клейким веществом, а контуром среза: с каждой из сторон разреза одна из цепей двухцепочечной ДНК выступает на несколько нуклеотидов относительно другой (см. рисунок). Выступающие концы разных фрагментов, полученных разрезанием одной и той же рестриктазой, могут связываться друг с другом по принципу комплементарности, то есть напротив A одного из них встает T другого, а напротив Ц – Г.

Другая особенность бактерий состоит в их склонности поглощать ДНК из окружающей среды, что позволяет им перенимать полезные черты у почивших соседей. Особенно часто и ловко бактериальные клетки обмениваются маленькими внехромосомными молекулами ДНК. Эти, как правило, кольцевые и способные к автономной репликации геномы, называемые плазмидами, есть у многих бактерий.

Позаимствовав описанный набор инструментов, мы сможем внедрить человеческий ген в бактерию. Сначала нужно добыть фрагмент ДНК, соответствующий интересующему нас гену, – например, гену человеческого инсулина. Можно либо воспользоваться природным вариантом из чьего-то генома, либо создать ген с нуля – такие небольшие цепочки нуклеотидов умели химически синтезировать даже в 1970-х. Как вы помните, благодаря ПЦР – еще одной технологии микробного происхождения (см. главу 1) – даже ничтожное количество ДНК можно размножить до миллионов идентичных копий. После размножения фрагмента ДНК с целевым геном внутри необходимо вырезать этот ген выбранной рестриктазой: она внесет нужные нам разрезы по обе стороны от него. Так образуется множество одинаковых копий гена с липкими концами. Параллельно нужно выделить из выращенных в огромном количестве бактерий плазмиды и расщепить их в одном-единственном месте той же рестриктазой. Если содержимое двух пробирок смешать, фрагменты целевого гена и «открытые» колечки плазмид будут перемещаться в водной среде, случайно сталкиваясь друг с другом в броуновском танце. Некоторые из них комплементарно свяжутся друг с другом и замкнутся в новые, более крупные колечки, состоящие из плазмидной ДНК и целевого гена (отмечен на рисунке изогнутыми отрезками)[62].

Некоторые колечки закрываются и без целевого гена, но вскоре мы увидим, что такие пустышки не играют роли. Главное, что нужная нам последовательность оказывается хотя бы в нескольких плазмидах. (Если приглядеться к рисунку, в остове ДНК можно заметить зазоры в точках соединения липких концов; они исчезают, когда бактериальный фермент ДНК-лигаза сшивает стыкующиеся нуклеотиды вставки и плазмиды.)

Далее необходимо доставить плазмиды в бактериальные клетки. Поглощение ДНК из среды – трансформация – само по себе происходит редко, но его можно стимулировать тепловыми или электрическими импульсами, которые открывают в бактериальной оболочке врeменные поры. И все же лишь у небольшой доли бактерий внутри окажутся исходные либо рекомбинантные (со встроенным геном) кольца ДНК. Можно, однако, провести отбор в пользу именно этих микробов, уничтожающий всех остальных. Ученые выбирают или создают плазмиды, содержащие полезные для работы гены, в том числе и те, что обеспечивают устойчивость хозяйской клетки к антибиотикам. Если бактерии после этапа трансформации поместить в среду с антибиотиком, в живых останутся лишь клетки с плазмидами. Если таких клеток мало, не беда: в питательном бульоне они превратятся в миллиарды. Разумеется, в части выживших бактерий окажутся плазмиды без вставки, но нехитрые техники определения размера или последовательности плазмидной ДНК позволят выявить и отбраковать такие варианты. В итоге мы будем размножать только правильные бактериальные клоны².