[МУЗЫКА] [МУЗЫКА]
Когда я спросил у своего племянника, который учится в шестом классе,
как, по его мнению, с помощью трансгенных технологий можно сделать так,
чтобы бананы росли у нас в Сибири круглый год, он предложил достаточно логичный
план: нужно взять ген белого медведя — самого выносливого полярного жителя,
который обитает в нашей стране, взять ген от этого белого медведя
и пересадить в геном банана, таким образом поднять морозоустойчивость бананов.
Ну, в принципе, звучит всё логично, но как вы, наверное, сами догадываетесь,
этот план не без изъянов.
Так на самом деле не понятно, каким образом нужно выбрать ген белого медведя.
Как и у всякого млекопитающего, у полярных медведей порядка 25 тысяч генов,
и на самом деле непонятно, каким образом, скажем, ген, который участвует в
обеспечении густой шерсти у белого медведя поможет морозоустойчивости бананов.
В этой лекции давайте попробуем разобраться, какие свойства можно
запланировать у трансгенных организмов и как их можно реализовать.
И для начала давайте вспомним тех мышек, которых я показывал на предыдущих лекциях.
Мышки светятся зеленым светом при облучении их синим светом —
флюоресцирующие зеленые мышки.
Должен вам признаться,
что в реальной жизни они выглядят совсем не так впечатляюще, как на видео.
Поскольку вот это вот зеленое свечение, оно достаточно неяркое, и нужно
приглядываться, чтобы понять, что эта мышка трансгенная, а эта — нетрансгенная.
В природе есть намного более впечатляющие примеры животных,
которые светятся по ночам, например, светлячки.
Я думаю, что многие видели светлячков — это животные, которые летают по ночам и
издают вспышки света, и таким образом они общаются друг с другом.
И было бы на самом деле замечательно,
если бы мы смогли создать не флюоресцирующих трансгенных животных,
а люминесцирующих, подобных светлячкам, чтобы они ярко светились в темноте.
Для того чтобы понять, как это можно сделать, необходимо сначала разобраться,
каким образом светлячкам удается издавать такой яркий свет.
На сегодняшний день уже понятно,
что у светлячков это получается благодаря химической реакции.
Химической реакции, в которой происходит окисление специфического вещества,
которое называется люциферин.
В этой реакции участвует еще и фермент — люцифераза,
который катализирует эту реакцию.
Таким образом, для того чтобы светиться, светлячку нужно два ключевых компонента:
во-первых, это люцифераза, белок, и люциферин — небелковое вещество.
Если мы хотим создать трансгенное животное,
которое бы умело испускать свет так же, как светлячок, необходимо, чтобы в
клетках такого животного одновременно присутствовали оба компонента.
И если с люциферазой эта задача достаточно простая, не сегодняшний день мы уже можем
переносить, достаточно хорошо можем переносить гены из одного
организма в другой, то с люциферином задача оказывается намного сложнее.
Поскольку это не белок, значит, в геноме нет какого-то специфического гена,
который бы обеспечивал синтез люциферина.
Люциферин появляется в организме светлячков благодаря целому ряду
химических реакций, которые катализируются целым рядом ферментов.
Таким образом, если мы хотим чтобы наше трансгенное животное светилось и
вырабатывался в его клетках люциферин, необходимо, чтобы в его клетках
присутствовал весь каскад ферментов, который катализирует биосинтез люциферина.
Это достаточно сложная задача, особенно учитывая тот факт,
что до конца путь биосинтеза люциферина светлячков еще не расшифрован.
Люцифераза без люциферина — это, по сути, все равно что автомобиль без топлива,
какая-то груда металла, которая не выполняет свои функции.
Таким образом, можно сделать некий промежуточный вывод о том,
что достаточно просто создать трансгенные организмы, если то свойство,
которое мы хотим, чтобы появилось у трансгенного организма, обеспечивается
появлением в его клетках какого-то специфического белка, одного или двух.
Однако задача становится намного более сложной, если то свойство,
которое мы хотим получить у трансгенного организма,
обеспечивается появлением в его клетках веществ небелковой природы.
Но «сложно» не означает «невозможно», и дальше я хочу
привести несколько примеров успешной реализации таких проектов.
И первый, наиболее интересный, на мой взгляд,
проект связан с биосинтезом антималярийных препаратов.
Малярия — это достаточно распространенное заболевание,
одно из самых жутких заболеваний, которое преследует человечество.
Оно уносит огромное количество жизней каждый год.
Причем страдают от малярии в основном бедные страны в тропических
регионах планеты.
И проблема с лечением малярии заключается в том,
что поскольку малярию вызывает не бактерия, а простейшее, то антибиотики,
которые достаточно эффективно убивают бактерии, просто бессильны против малярии.
В 2015 году была выдана Нобелевская премия за открытие нового вещества,
которое обладает мощной противомалярийной активностью.
Ее получила китаянка Ту Юю.
Интересно, что открыла она новое вещество благодаря анализу рецептов
из книг по традиционной китайской медицине.
Вещество, которое было названо артемизинин,
было выделено из растения полынь однолетняя.
Вот так выглядит артемизинин.
Это достаточно простое химическое вещество небелковой природы.
Практически сразу с открытием был начат проект по попытке
биосинтеза артемизинина не в растениях, не в полыни,
поскольку полынь растет только летом во время, когда много солнца,
а в каких-нибудь микроорганизмах, например, в дрожжах, поскольку в таком
варианте возможно удастся удешевить производство этого лекарства, а это очень
важно, поскольку от малярии страдают именно бедные районы нашей планеты.
И для того чтобы научить дрожжи синтезировать артемизинин, для начала надо
понять, каким образом артемизинин синтезируется в растениях, в полыни.
Это было сделано, и было показано, что артемизинин является
побочным продуктом в пути биосинтеза такого вещества, как холестерол.
Я думаю, что многие слышали про холестерол,
в современном обществе в основном в негативном ключе, как о веществе,
от которого необходимо избавляться в каждодневной диете.
Но на самом деле холестерол — достаточно распространенное вещество и
жизненно важное для очень большого количества организмов,
это очень важный компонент их мембран клеточных.
Так вот, для того чтобы научить дрожжи синтезировать не только холестерол,
но и артемизинин, необходимо было модифицировать их геном,
внести в него некоторое количество генов.
Для начала необходимо было ввести десять генов,
которые увеличивают выход промежуточных продуктов в пути биосинтеза холесторола,
для того чтобы выход итогового продукта был как можно больше.
То есть получились такие трансгенные дрожжи, но они достаточно необычные,
поскольку эти гены, десять генов, уже были в геноме дрожжей,
но работали не на достаточно высоком уровне.
А в результате трансгенеза дрожжи получили дополнительные копии этих генов,
которые работают на очень высоком уровне.
И помимо этих десяти генов необходимо было ввести целых пять генов
уже от полыни однолетней, специфических генов,
которые участвуют в биосинтезе уже непосредственно артемизинина.
Таким образом, для того чтобы создать дрожжи,
которые продуцируют на высоком уровне артемизинин в своих клетках,
необходимо было ввести целых 15 дополнительных генов в их геном.
Этот проект достаточно успешно закончился,
удалось достичь очень высокой продуктивности артемизинина.
Настолько высокой, что из одного литра культуры дрожжей удалось
выделить до 25 грамм итогового вещества — артемизинина.
Но к сожалению, в финансовом аспекте этот проект был не очень удачным,
поскольку за то время, пока создавались вот эти трансгенные дрожжи, которые
синтезируют это лекарство, китайские фермеры и южноафриканские фермеры
научились достаточно эффективно выращивать полынь однолетнюю, и в итоге лекарство,
произведенное с помощью обычных растений полыни, оказалось в два раза дешевле,
чем лекарство, произведенное с помощью таких трансгенных дрожжей.
Однако в научном плане, несомненно, этот проект обладает очень высоким потенциалом,
поскольку на этом примере ученые научились синтезировать такие
сложные и достаточно востребованные вещества небелковой природы.
Другой пример использования трансгенных животных для синтеза веществ
небелковой природы связан с синтезом опиоидов.
Все вы, наверное, знаете, что опиоиды,
алкалоиды, которые вырабатывает опийный мак,
используются для производства лекарств обезболивающих и противокашлевых.
И проект, о котором я говорю, был нацелен на создание такой линии дрожжей
трансгенной, которая бы могла синтезировать некоторые опиоиды
вместо производства их в непосредственно в растениях опиумного мака.
Два вещества, которые удалось синтезировать таким образом,
это тебаин и гидрокодон.
Сейчас вы видите их на экране.
Они используются как раз для производства противокашлевых и обезболивающих веществ,
то есть они достаточно востребованы в фармацевтической промышленности.
Для того чтобы научить дрожжи синтезировать эти два вещества,
оказалось необходимым ввести в геном дрожжей огромное количество генов.
Для того чтобы синтезировать тебаин, необходимо ввести 21 ген,
причем от самых разных организмов: от бактерий,
млекопитающих до генов уже непосредственно опиумного мака.
А для того чтобы научить дрожжи синтезировать еще и гидрокодон,
необходимо ввести еще дополнительно два гена.
Таким образом,
общее число генов, введенных в культуру дрожжей, составляет 23.
Это огромная работа, но к сожалению, такое большое количество генов,
введенных в организм,
сказывается на общей эффективности синтеза этих веществ.
Оказалось, что такие трансгенные дрожжи не
очень хорошо синтезируют итоговое вещество.
Так, для того чтобы произвести всего одну таблетку викодина — обезболивающего
препарата, необходимо переработать 16,5 тонн культуры дрожжей.
Это очень много, это где-то в среднем сопоставимо со средней автоцистерной.
И понятно, что в таком виде эти дрожжи экономически неэффективны.
Однако они служат своего рода фундаментом для дальнейшего улучшения этой технологии,
и если удастся наладить вот этот конвейер из 23 ферментов,
сделать так, чтобы они работали согласованно и очень эффективно,
то выход итоговых препаратов, скорее всего, увеличится.
И возможно, в будущем лекарства на основе опиоидов мака
будут производиться не при переработке растений мака,
а вот в таком виде — в виде дрожжевой культуры трансгенных организмов.
