Сергей Бердышев - Открытия и изобретения, о которых должен знать современный человек
В целом методы генной инженерии выглядят следующим образом. На начальной стадии, носящей название рестрикции, идет операция по извлечению нужного гена из человеческой или любой другой ДНК. На молекулу химически воздействуют ферментами, которые отщепляют необходимый отрезок. Ферменты влияют на нуклеиновую кислоту таким образом, что у отрезка остаются «липкие» концы. Это означает, что они легко присоединятся к любой другой молекуле ДНК. Затем следует процедура лигирования. На этой стадии бактериальную плазмиду рассекают ферментами и вклеивают в нее готовый ген-отрезок. Затем плазмиду склеивают веществом лигазой, чтобы она опять приняла кольцевую форму.
Третий этап носит название трансформации. Измененная плазмида (или рекомбинантная) вводится в бактериальную клетку. Это сравнительно нетрудно, поэтому ученые и пользуются плазмидными векторами. Бактерии часто обмениваются между собой генетической информацией с помощью плазмид. Этот процесс заменяет им половое размножение. К сожалению, плазмиды проникают внутрь далеко не всех бактерий. Вирусы более эффективны в этом отношении, поскольку при переносе информации они инфицируют 100 % клеток (бактерий).
Бактерии с измененным генетическим аппаратом называются трансформированными. Они впоследствии размножаются, в результате чего образуется колония генетически одинаковых организмов. Новый генотип оказывается растиражирован. Полученной колонии присваивается название клона. Поскольку клон является конечным продуктом генной инженерии, то само создание и тиражирование трансформированного наследственного материала таким путем носит название клонирования. Завершает процедуру клонирования скрининг — отбор клонов. Из множества трансгенных колоний выбирается одна, отвечающая всем требованиям. Осуществляется такой отбор за счет меток колоний радиоактивным веществом.
Генетическое конструирование включает в себя, помимо создания трансгенных существ, и другие приемы манипуляций над наследственным аппаратом. Среди этих методов числится искусственный мутагенез. Он менее впечатляет, чем операции с применением плазмид, однако весьма эффективен. Искусственный мутагенез сводится к усиленному воздействию на гены в клетках животного или растения активных веществ-мутагенов, ультрафиолета, рентгеновских лучей и прочих факторов, вызывающих изменения генов. Мутагенез протекает под контролем ученых, а потому приводит к возникновению существ с измененной в лучшую сторону наследственностью.
Искусственное сырье
В природе встречается порядка 4 млн химических соединений. Это, безусловно, большое количество. Если хранить 100-граммовый образец каждого из них в специальном сейфе какой-нибудь лаборатории, то общая масса этих образцов составит 400 т. Однако если не внимательно изучить все химические справочники, то выяснится, что науке известны свойства порядка 15 млн веществ, т. е. почти в 4 раза больше! Откуда взялись лишние 11 млн соединений, понятно без лишних пояснений. Вещества, не встречающиеся в природе, человек получает самостоятельно, совершенствуя технику проведения реакций. Рост численности новых веществ происходит преимущественно за счет синтеза полимерных соединений, возможности которого практически безграничны.
Открыто строение полимеров
Слово «полимер» в переводе с греческого языка означает многокомпонентный, многосложный. Химики так называют соединения, образованные более простыми веществами. Слагающие компоненты выполняют ту же роль в огромной молекуле полимера, что и звенья в цепи. В науке такие звенья носят название мономеров. Они могут встречаться изолированно, как самостоятельные простые соединения.
Но после объединения при определенных условиях в молекулу полимера мономеры утрачивают многие прежние свойства, в результате чего образуется совершенно новое вещество. Полимеры чрезвычайно широко распространены в природе. Среди них в первую очередь следует назвать высшие полисахариды из группы сложных углеводов. Полисахариды по праву следует считать наиболее типичными органическими соединениями.
Одна только целлюлоза, синтезируемая растениями, составляет порядка 25 % от суммарной биомассы Земли, т. е. от общего веса живого вещества биосферы. Полимерная молекула-цепочка целлюлозы состоит из мономеров-звеньев, в роли которых выступает простой сахар глюкоза. Глюкоза является моносахаридом. Все полимеры из группы сложных углеводов сложены моносахаридами. Как правило, любая гигантская молекула образована 5 или даже 6 видами моносахаридов, но известны полимерные вещества, которые сложены, как целлюлоза, только одним видом мономера. В первом случае углеводные полимеры носят название гомополисахаридов, а во втором — гетерополисахаридов.
Пектиновые вещества, заполняющие мякоть ягод и фруктов и благотворно влияющие на пищеварение, также относятся к полисахаридам. Эти вещества известны малому кругу людей, в основном тем, кто занимается промышленными технологиями изготовления мармеладов и желе. Если продолжить тему питательных веществ, то необходимо упомянуть крахмал.
Он входит в состав картофельных клубней, зерен кукурузы и прочих злаков, а также содержится в стеблях, семенах и луковицах многих других растений. Этот полимер сложен всего двумя видами мономеров: моносахаридами амилопектином и амилозой. Крахмал прекрасно известен каждому, он относится к наиболее полезным и необходимым пищевым продуктам и содержится в таких изделиях, как хлеб и крупы.
Полисахариды активно взаимодействуют с белками и принимают участие во многих жизненно важных физиологических процессах. Иммунитет, свертывание крови, жировой обмен, оплодотворение яйцеклетки и многие другие важные процессы жизнедеятельности организма осуществляются благодаря этим полимерам. Полисахариды играют важную роль в промышленности. Наиболее существенна для народного хозяйства целлюлоза, применяемая при изготовлении целлофана, вискозы, бумаги, эфиров целлюлозы.
Помимо полимерных углеводов в природе встречаются и прочие виды супермолекул. Они тоже связаны с живым веществом, поскольку только живое способно производить столь сложные соединения. Оттого природные полимеры чаще всего называют биополимерами (от греческого биос — «жизнь»). Ранее уже назывались такие полимеры. Это белки, представляющие собой огромные молекулярные цепочки из аминокислот.
Размеры белков значительны, равно как и велик спектр выполняемых ими функций. Молекула белка гемоглобина из группы глобинов весит в 3000 раз больше молекулы этилового спирта. А масса молекулы мышечного белка миозина в 10 000 раз превосходит массу спиртовой молекулы. Простейшие белки являются цепочками из нескольких сотен мономеров, как правило, 200–300 аминокислот. Поэтому нет ничего удивительного в том, что белковые молекулы называются в химии макромолекулами (гр. макрос — «очень крупный»).
Большие полимерные белки являются полипептидами, поскольку аминокислоты объединяются в длинные цепочки за счет особого рода химической связи, т. н. пептидной. Белки выполняют огромное количество функций, это рабочие молекулы нашего организма. Ученые называют их самыми удачными нанороботами. Белки защищают организм, слагают собой клетки, транспортируют вещества, ускоряют химические реакции и выполняют множество другой разнообразной работы.
Самыми известными естественными полимерами нужно назвать нуклеиновые кислоты, о которых подробно рассказано в настоящей главе в разделе, посвященном наследственности. Молекула ДНК является носителем генетической информации. Считывать эту информацию помогает другая нуклеиновая кислота, называемая РНК. Все нуклеиновые кислоты невероятно велики, степень их полимеризации чудовищна.
Под степенью полимеризации химики понимают количество мономеров, образующих одну молекулу. Масса одной-единственной молекулы ДНК примерно в 1 млн раз (а иногда и в 10 млн раз) превосходит массу молекулы этилового спирта. Длина такого исполинского полимера как минимум в 1000 раз больше длины самых крупных белковых молекул. Мономерами этого гиганта служат вещества нуклеотиды. Полимерное строение нуклеиновых кислот было открыто в ходе генетических исследований 1944–1953 гг. Вещества оказались одними из самых поздних классов биополимеров, описанных учеными. Все остальные классы были изучены задолго до того.
Само открытие биополимеров произошло в середине XIX в. После успешного синтеза Ф. Велером в 1828 г. мочевины начались активные биохимические исследования. Полимером, открытым Т. Шванном в 1836 г., оказался фермент желудочного сока пепсин, представляющий собой пептидную цепочку из 327 аминокислот. Затем, уже во второй половине XIX столетия, биологи и химики открывают пептидную связь, сцепляющую пепсин и белки (Э. Фишер), а также получают начальные сведения о структуре белков, углеводов и жиров. Биохимические исследования оказались во многом плодотворными благодаря открытию причин брожения Л. Пастером, Э. Бухнером и Ю. Либихом.
