Господин Свещаров
Биология за всички (68)

Революционните открития на молекулната биология

Ако се проследи историята на човечеството, няма да бъде никак трудно да се установи, че великите мислители неизменно са се опитвали да разгадаят природата на живота. Доста дълго време тези опити са носили белега на умозрителни разсъждения за законите, управляващи жизнените процеси. Изразителното различие, което съществува между света на живота и света на мъртвата природа, е убеждавало великите философи на миналото в пълната несъвместимост на представите за тези две състояния на природата. В ония времена се е смятало, че жизнените процеси притежават мистични свойства, защото когато е започнало систематичното изучаване на законите на физиката и химията, светът на живота е останал неизследван.

Все пак, какво сложи началото на това решително нахлуване в областта на жизнените явления така, както това стана преди няколко столетия в областта на физиката и химията? Сега вече е ясно, че необходимата предпоставка за това беше развитието на химията и по-специално на органичната химия, която има най-голямо отношение към живите системи. Достатъчно е само да споменем, че имаше време, когато органичната химия се смяташе за наука, поставена в услуга само на живите организми. Наистина без представите за строежа на атомите и молекулите, за огромното разнообразие на техните форми е било невъзможно да се направи дори и най-малката крачка към изясняване на законите, управляващи живите системи.

Възникването на молекулната биология днес представлява следствие на новите подходи на биолози, химици, физици и математици в изучаването на редица научни факти от областта на живата природа. Първите учени, работили върху този нов подход, бяха Нилс Бор, Шрьодингер и Макс Делбрюк. Те си задавали един и същ въпрос: възможно ли е за живите организми да са свойствени някакви особени физични закони, които да са неизвестни за неорганичното вещество? Разбира се, големите учени са си задавали този въпрос не заради това, че са предполагали съществуването на някаква наподобяваща витализма тайнствена сила. Те искали да узнаят, не се ли крият в сложно устроените живи същества закони, които учените още не са срещали във физиката.

Изследванията, които бяха извършени след 1950 г., потвърдиха, че съществува безусловна връзка между молекулните структури и биологичните функции. Свойствата на нуклеиновите киселини и белтъците произтичат от свойствата и разположението на атомите във вътрешността на молекулите. Тези открития и особено откритията, направени при разшифроването на генетичния код, показаха на учените необходимостта от нов подход при изучаването на всички биологични проблеми.

Това, което в продължение на малко повече от 20 години се извършва в биологията, спокойно може да се определи като революция, защото изучаването на процесите на живота на атомно-молекулно ниво, осъществявано от съвременната биохимия, биофизика и генетика, революционизира наистина всички клонове на биологичните науки. То бележи нов етап както в теоретичните ни представи за живата природа, така и за практическото използуване на тези знания в промишлеността, медицината и селското стопанство. Днес въобще е немислимо да се говори за добре развити биологични изследвания в дадена страна, без те да почиват на молекулната биология.

Успехите на биохимията, биофизиката, генетиката, микробиологията и вирусологията в тази област не са по-маловажни за човечеството от успехите на такива раздели на естествознанието, каквито са изучаването строежа на материята, овладяването на Световния океан и космическото пространство. И действително всички напреднали страни (СССР, САЩ, Япония, Англия, Франция и др.) полагат изключителни усилия за развитието на споменатите биологични дисциплини. Изчислява се, че към 80% от кредитите, отпуснати в тези страни за развитието на биологията, се използуват за субсидиране на биохимични изследвания.

Ето че започва да се сбъдва вековната мечта на човечеството — благодарение на изумителните постижения на съвременната молекулна биология вече падат една след друга яките крепостни стени, които ограждат тайните на наследствеността на организмите. Но колко много труд трябваше да бъде положен, колко надежди и разочарования трябваше да преживеят изследователите, докато се стигне до този взрив от открития в микросвета на живата материя, който започна след 1967 г.!

Само преди малко повече от 100 години Грегор Мендел доказа, че в клетките на живите същества има „нещо“, което отговаря на сформирането и предаването на определени наследствени белези. Впоследствие материалните носители на наследствеността при организмите бяха наречени „гени“. Така се роди новата наука генетика. Тя доказа, че гените са съсредоточени във вътрешността на клетките и че са подредени линейно по дължината на хромозомите. Но все още не се знаеше нищо за техния химичен строеж и молекулното им устройство.

Големите постижения на съвременната биологична наука изостриха апетитите на учените, които си поставиха фантастичната задача да получат изкуствен жив организъм. Пътят към последвалите успехи съвсем не беше лек. Как да се получи изкуствена ДНК на дадено, било то и най-просто устроено живо същество (например на някой вирус), след като се има предвид, че дебелината на нишката на ДНК е едва 50 пъти по-голяма от атома на водорода?

Човешкият гений успя да преодолее всички тези прегради, които е поставила природата. През 1967 г. телеграфните агенции донесоха сензационната вест, че е синтезирано „първото изкуствено живо същество“! Тази фантастично трудна задача успяха да разрешат сътрудниците на Стандфордския университет, професорите Артър Корнбърг и Мехрам Гулиан. Те създадоха напълно активно копие на ДНК на един от най-малките бактериофаги, които са познати на вирусолозите — т.нар. фаг Фита-хикс-174. Без да се подценява ни най-малко техният принос, трябва да се подчертае, че в случая природата просто беше надхитрена. Вместо търпеливо и безнадеждно дълго да се изгражда част по част молекулата на ДНК, те изработиха нейното „фотокопие“. Синтезата беше осъществена при използуване на матрица от ДНК на естествени вируси Фита-хикс-174, а за осъществяването на реакцията използуваха ензими, изолирани от други клетки. Разбира се, полученото копие е било всъщност полуизкуствено, но неговата жизнеспособност (в случая — инфекциозност) е била потвърдена от проф. Синшаймър. През миналите години успешни синтези на изкуствени вируси успяха да осъществят д-р Спигелман, д-р Уотсън, д-р Жданов и д-р Ершов в СССР и др.

Независимо от всичко първата крачка към осъществяване на цялостно получаване на живи организми по изкуствен път бе направена и тя наистина изглеждаше огромна. Защото се създадоха солидни основания да се вярва, че в най-скоро време учените ще са в състояние да дават заповеди на живата природа с нейния собствен шифър. Един шифър, който природата е създавала в продължение на повече от 3 милиарда години, доведен до учудващо съвършенство и прецизност, който тя така ревниво пазеше от хората…

Ако се проследи хронологията на събитията, ще трябва да се припомни, че вниманието на специалистите през последните месеци на 1969 г. беше привлечено от новината за изолирането на ген. Научен екип под ръководството на д-р Джонатан Бекуит от Харвардския университет успя да изолира и да наблюдава под електронен микроскоп един от трите хиляди гени на чревната бактерия Ешерихия коли. Учените са успели да изолират гена, който контролира метаболизма на лактозата. Изборът им се е спрял върху него затова, че този ген е един от най-големите — 1.4 микрона (1 микрон е равен на 1/1000 от милиметъра).

Харвардската научна група успя да отдели всъщност една от най-добре изучените генетични единици, т.нар. „лактозен оперон“. Той е сравнително дълъг участък от веригата на ДНК, състоящ се от 6 гена, които контролират метаболизма на лактозата (млечната захар). Първите 3 гена управляват синтезата на 3 ензима, контролиращи разграждането на лактозата, останалите 3 имат предназначението да „включват“ и „блокират“ първите 3 гена. Трите вида ензими се синтезират от гените само в случай, когато за обмяната на веществата на бактерията е необходима лактоза.

Целта на опита била да се пренесе интересуващият учените оперон от бактерийната хромозома върху хромозомата на бактериофага, който е много малък по размери, и след това оперонът да се отдели от него. Експериментаторите са имали щастието да познават бактериофаги, които в процеса на заразяване на бактерийните клетки са съединявали генетичния си материал с този от ядрото (хромозомата) на бактерията. Напускайки клетката, те отнасяли със себе си и частици от бактерийната ДНК. За своите опити д-р Бекуит и колегите му избрали два вида вируси. В тяхната генетична структура лесно се „закачвали“ лактозно-оперонните части на бактерийната хромозома.

По-нататък с помощта на химични методи харвардските експериментатори разделили („разсукали“) двойните спирали на ДНК от всеки вирус. Получили се „положителни“ и „отрицателни“ нишки. Тъй като тези вируси принадлежали към различни видове, нямало такъв отрязък, на който техните собствени ДНК да се дублират една с друга. Единственият отрязък от ДНК, общ за двата вируса, се оказал фрагментът на лактозния оперон, пренесен от бактерийната хромозома. След като „положителните“ и „отрицателните“ вериги от участъка на лактозния оперон на всеки вирус се засукали в двойна спирала, нечифтните вериги на вирусната ДНК останали да стърчат от двата им края.

Оттук нататък било много просто тези стърчащи краища да се „срежат“ с помощта на специални ензими, имащи свойството да действуват само на единични вериги от ДНК.

Разбира се, описаната остроумна методика на действие може да бъде ефикасна само когато се прилага към бактериите и не може да се използува на по-сложно устроените организми. Независимо от всичко това са изследвания, които ни приближават към решаването на подобни задачи и при по-високо организираните форми на живот, тъй като всички живи същества, като се започне от бактерията и се стигне до човека, възпроизвеждат наследствените си белези с помощта на едни и същи генетични механизми. Сега за сега изследванията на лактозния оперон в изолирани условия ще позволи да се изучи взаимодействието между самите гени и ще даде нов тласък към изучаване на механизма за възпроизводството на гените и тяхното участие в обмяната на веществата на клетките.

Така бе получен в чисто състояние първият в света изолиран ген от наследствения апарат на една бактерия, на който съвременните генетици с пълно основание могат да издигнат огромен паметник. Защото какви ли успехи щеше да има днешната наука за наследствеността на организмите, ако не съществуваше бактерията Ешерихия коли? Един микроскопичен организъм, така умело превърнат от експериментаторите в огромно поле за генетични изследвания и неизчерпаема мина за научни открития.

Никак не е лесно на тези хора, които са се заели да предсказват бъдещото развитие на науката и техниката. Ако погледнете към футурологичните прогнози на редица специалисти, ще видите, че те са сложили осъществяването на синтезата на първия изкуствен ген чак през 1980 г. И ето че това, което само преди няколко години се приемаше в кръговете на генетиците като весела шега, днес е вече осъществена реалност. Но кой ли не греши на този свят? Даже и големият английски учен и писател Артър Кларк допусна „малка“ грешка, като определи стъпването на човека върху Луната за 1975 г.

С осъществяването на грандиозната задача да се синтезира напълно изкуствен ген се зае специалистът по молекулна биология Хар Гобинд Корана. На неговата научна група от университета в щата Уискънсин, все едно че предстоеше фантастичната задача да направи копие на един град със 100 къщи, разположени на една единствена улица. И то на град, който никой не е виждал!

За да бъде по-ясен пътят до успеха на Х. Г. Корана, нека си припомним как се извършва пренасянето на генетичната информация. Както е известно, носител на цялата наследствена информация в клетката е ДНК. Нейната огромна молекула, образувана от две подобни на винтови стълби нишки, е изградена от 4 бази: аденин (А), гуанин (Г), тимин (Т) и цитозин (Ц), които са разположени така, че срещу определена база на едната нишка стои също така строго определена база от другата нишка. Аденинът винаги се съединява с тимина, а гуанинът с цитозина. Всяка от тези бази, свързана с една захар (дезоксирибоза при ДНК и рибоза при РНК) и един фосфорен радикал, образува един нуклеотид. Именно от подреждането на нуклеотидите зависят структурата и свойствата на молекулата на ДНК в клетката.

Ако в клетката трябва да се извърши синтеза на някакъв белтък, ДНК „съобщава“ това на т.нар. „информационна“ РНК. Тази рибонуклеинова киселина се отправя към клетъчните фабрики за белтъчна синтеза — рибозомите. Оттук нататък към тях започват да постъпват различните градивни елементи — аминокиселини, — необходими за изграждането на белтъка. Всяка от аминокиселините се „довежда за ръчичка“ от една друга молекула РНК, наречена „транспортна“. Аминокиселината аланин например се „улавя“ и пренася от аланин-транспортната РНК. През 1965 г. Холи успя да установи точната структура на аланин-транспортната РНК при дрожди. Известно е, че функциите на тази РНК се кодират от определен участък на клетъчната ДНК. Този участък, който всъщност представлява ген, има структура, различаваща се съвсем малко от тази на аланин-транспортната РНК. Така че задачата на Х. Г. Корана е била до известна степен улеснена — като се знае устройството на аланин-транспортната РНК, по аналогия може да се синтезира и съответният ген в молекулата на ДНК.

Така Х. Г. Корана пристъпил към синтезирането на гена, отговарящ за образуването и функционирането на аланин-транспортната РНК, в клетките на обикновените дрожди. Вече е било известно, че той е изграден от 77 нуклеотида, но даже и „само“ 77-те звена са правили процесът за настаняване на всички звена извънредно сложен. Започвайки да вкарват получените по лабораторен начин нуклеотиди в сложните химични реакции, учените от групата на Х. Г. Корана търпеливо и методично свързвали малките участъци на едноспиралната верига на ДНК. След всяка направена крачка те са били принудени да спират — всяка нова комбинация е трябвало да се изследва и да се провери дали не е била нарушена правилната последователност в подреждането на нуклеотидите.

Синтезата на нуклеиновата киселина със 77 нуклеотида се оказала извънредно трудна работа поради необходимостта от редица допълнителни химични реакции. Първоначално учените са успели да синтезират две вериги от ДНК от по 20 нуклеотидни единици. След това са прибягнали до ензима на А. Корнбърг, с чиято помощ за първи път през 1967 г. бе синтезирана биологично активната ДНК на вируса Фита-хикс-174 — т.нар. „ДНК-полимераза“. С помощта на този ензим към къси, синтетично получени вериги от ДНК започнали да „свързват“ все нови и нови градивни единици. Най-напред синтезирали едната нишка от двойната спирала на гена. Тъй като се знае на всяка база от едната нишка каква база от другата отговаря (по системата А–Т, Г–Ц), вече било лесно парче по парче да „съшият“ и другата нишка. Разбира се, това е едно твърде опростено описание на една брилянтна методика, която е далеч по-сложна и труднодостъпна.

Х. Г. Корана е подчертал, че синтезираният от него в продължение на 5 години ген е още сравнително несъвършен: той се характеризирал с липса на кодирани „заповеди“, с помощта на които започва и се прекратява синтезата на белтъците.

Казано с други думи, с негова помощ бе невъзможно да се получат молекули на аланин-транспортната РНК. За изследователите отново настъпиха усилени дни и в края на 1976 г. Х. Г. Корана съобщи, че неговата група успешно е синтезирала пълната генна структура на тирозин-транспортната РНК. Тя съдържа 199 двойки нуклеотиди и включвала вече съответствуващите му регулаторни участъци. Доказано бе също, че въведен във вирусна частица, новият изкуствен ген възстановява свойствата на вируси, нарушени вследствие дефекти в генома му, и позволява на вируса отново успешно да напада и се размножава в клетките на бактериите Ешерихия коли.

Развитието на биологичните науки вече достига темповете на развитие на техническите. Ясно е, че практическото приложение на всички описани дотук нови открития няма да бъде осъществено в близките няколко години, но както казва Х. Г. Корана, „направена е крачка напред към генното инженерство и в човека се поражда изкушението да направи нещо в биологията“.