Текст книги "Как ГМО спасает планету и почему люди этому мешают"

В теории резать рестриктазами разные молекулы ДНК и соединять их по соответствующим липким концам мы можем хоть до бесконечности. С каждым разом все больше увеличивая размер и сложность получающейся плазмиды. На практике же все не так просто. Чем сложнее получается плазмида, тем больше с ней проблем. Во-первых, чем больше фрагментов мы пытаемся склеить, тем менее стабильной становится плазмида. Во-вторых, желательно, чтобы в плазмиде были только нужные нам (и ей для ее функционирования) фрагменты. То есть ничего лишнего: простые плазмиды в обращении удобнее, чем слишком сложные и многофункциональные. В-третьих, какими бы четкими ни были протоколы создания плазмид, делать это каждый раз самостоятельно примерно как каждый раз заново разрабатывать и собирать велосипед, вместо того, чтобы купить готовый и блестящий в специальном магазине. Даже самые первые экспериментаторы работали над модификацией существующей «природной» плазмиды, а не конструировали нечто совершенно новое. К хорошей плазмиде существует целый список требований о, так сказать, тактико-технических характеристиках[81]81
  Bajpai B. High Capacity Vectors. Advances in Biotechnology. 2013;1–10. Published 2013 Oct 22. doi:10.1007/978–81–322–1554–7_1. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC7120981/


[Закрыть]. Ну и наконец, с этого момента мы перестанем называть модифицированную плазмиду плазмидой, а присвоим ей гордое имя «плазмидный вектор». Вектор – потому что такая молекула используется для направленной модификации. Помимо плазмидного вектор может быть также на основе, например, вируса. Но про это мы еще поговорим.

Современные биотехнологи могут воспользоваться огромным количеством интернет-сервисов, где можно выбрать готовый плазмидный вектор из каталога или в удобном онлайн-конструкторе сформировать список требований к будущей покупке. Специальная биотехнологическая компания, специализирующаяся на изготовлении плазмидных векторов и других необходимых в лаборатории готовых наборов компонентов, подготовит и пришлет заказчику ровно то, что ему нужно. С гарантией качества и точными характеристиками. На самом деле, чтобы сделать такой заказ, совсем не обязательно быть ученым и работать в лаборатории. Любой читатель этой книги может проделать это самостоятельно. А потом заняться изготовлением трансгенных бактерий прямо на собственной кухне[82]82
  Великанов Л.П. Направленная изменчивость организмов и естественный отбор со ссылкой на: Ламарк Ж.-Б. Избранные произведения в двух томах. Том 1. Изд. АН СССР. 1955., С. 354


[Закрыть].

Генетическая карта плазмидного вектора pBR322. Гены устойчивости к тетрациклину (Tet) и ампицилину (Amp) содержат уникальные сайты узнавания для HindIII, BamHI и PstI. EcoRI-сайт расположен вне этих генов. Длина вектора – 4361 п. н.

Кстати, плазмидные векторы используются учеными не только для создания трансгенных организмов, но и как… библиотеки! Вот например, создали вы некоторый искусственный ген или разработали нужный для будущей модификации другого организма конструкт[83]83
  Такой конструкт обычно состоит из промотора, целевого гена и маркерных генов. Промотор – это фрагмент ДНК, служащий для молекулярных механизмов неким указателем «эй, начинай читать гены вот здесь, сразу за мной!». А маркерные гены – например, гены устойчивости к антибиотику или гены флуоресценции – помогают ученым наглядно и быстро понять, произошла ли модификация.


[Закрыть], но использовать пока не хотите. Тогда свои результаты можно сохранить на будущее в стабильной и удобной для быстрого применения форме – в таком плазмидном векторе. Как говорят, в библиотеке. Там нужная вам последовательность сохранится столько, сколько будет нужно. А когда понадобится достать ее для использования, можно положить ее в копир! Ну то есть в бактерию. Молекулярные механизмы бактерии помогут наработать нужное количество копий вектора (а значит, и вашего фрагмента) с такой точностью, которой нельзя достичь, используя обычный в таких делах метод ПЦР[84]84
  Полимеразную цепную реакцию. Этот метод основан на том, что в определенных условиях двуцепочечную ДНК можно разделить на две нити, а потом к каждой из них достроить новые комплементарные цепи из свободно плавающих в растворе нуклеотидов. И так много раз, с каждым разом удваивая количество нитей ДНК.


[Закрыть].

Обычно готовый плазмидный вектор содержит 1) несколько сайтов узнавания – фрагментов, которые соответствующие рестриктазы опознают и сделают по ним разрез, 2) несколько маркерных генов, которые позволят исследователю быстро понять, получили ли бактерии вектор при трансформации, 3) точку начала репликации – origin[85]85
  Копирование кольцевой хромосомы всегда начинается в одной точке – она называется «точка начала репликации», origin, – и идет по кругу, пока вновь не достигнет точки начала. Тут важно, что origin специфичны для разных видов организмов. Соответственно, чтобы вектор поддерживался в E.coli, он должен содержать не любой ori-сайт, а именно бактериальный.


[Закрыть]. Маркерными генами, например, служат гены устойчивости к определенным антибиотикам или гены, отвечающие за выработку светящихся при разном освещении белков.

Сегодня технологии работы с бактериями стали настолько отработанными, доступными и дешевыми, что создать собственный трансгенный продукт стало возможным и не обладая глубокими специализированными знаниями. Думаю, еще немного, и набор юного биотехнолога появится на полках детских магазинов рядом с наборами юного химика и юного конструктора. Конечно, наступит это светлое (в моем понимании) будущее только в том случае, если мы вместе сможем снизить градус опасений общества перед ГМО.

Любите ли вы шоколад? Любите ли вы его так, как люблю его я? Шутки шутками, но любить шоколад и иметь в своей семейной истории больных сахарным диабетом – не очень весело. В этой главе мы продолжим начатый ранее разговор о наших маленьких помощниках – генетически модифицированных бактериях. В ней мы подробно разберем, как они готовят для нас одно из самых нужных человечеству лекарств – человеческий инсулин. Но давайте для начала разберемся с терминами.

Инсулин – это гормон, вырабатываемый поджелудочной железой и играющий важную роль в управлении нашим метаболизмом. От него зависит уровень содержания глюкозы в крови. Если уровень глюкозы вырастет выше допустимого, это приведет к опасным для организма последствиям. Поэтому нам и нужен инсулин, который вовремя этот уровень способен понижать.

Сахарный диабет – это группа метаболических заболеваний, при которых поджелудочная железа не вырабатывает достаточно инсулина, или организм не может эффективно использовать вырабатываемый инсулин, или и то и другое вместе. Как следствие, у пациента повышается уровень глюкозы в крови, что приводит к серьезному повреждению многих систем организма. Диабет – одна из основных причин слепоты, почечной недостаточности, инфарктов, инсультов, сердечно-сосудистых заболеваний и необходимости ампутаций нижних конечностей. Почти полмиллиарда человек на планете сегодня страдают от сахарного диабета. По данным Всемирной организации здравоохранения, сахарный диабет входит в список самых частых причин смертей во всем мире[86]86
  WHO Diabetes. https://www.who.int/health-topics/diabetes


[Закрыть]. Из-за отсутствия терапии (по разным причинам, но чаще всего это недоступность квалифицированной медицинской помощи для жителей многих развивающихся стран) диабет все еще имеет высокую смертность[87]87
  https://www.who.int/ru/news-room/fact-sheets/detail/diabetes.


[Закрыть].

Медики выделяют сахарный диабет первого и второго типа[88]88
  «Подходы к лечению СД 1-го типа и СД 2-го типа также различаются. При СД 1-го типа на самом старте заболевания назначают введение инсулина, а при СД 2-го типа назначают таблетированные сахароснижающие препараты в сочетании с изменением образа жизни (диетой, физическими нагрузками). Если такая схема лечения оказывается неэффективной, назначают инсулин» – цитата с портала https://endocrinology.ru/vsye-o-diabete/.


[Закрыть]. И хотя причины их различны (и вклад в них наследственных факторов, кстати, тоже), в обоих случаях применяется инсулинотерапия – искусственное введение в организм белка инсулина.

Диабет – одно из самых изучаемых за историю человечества заболеваний. Первые записи о нем можно найти в работах за полторы тысячи лет до начала нашей эры. И на протяжении тысячелетий этот диагноз был гарантированным смертным приговором отложенного действия. Но в январе 1922 года все изменилось. 14-летний Леонард Томпсон, тяжело больной пациент из клиники Торонто, стал первым человеком, получившим экспериментальный препарат – очищенный инсулин, выделенный из поджелудочной железы коровы. Потребовалось еще немного времени, чтобы подобрать правильную дозу, но в итоге все получилось – показатели подростка из критических приблизились к нормальным. Создателям препарата – Бантингу и Бесту – понадобился еще год, чтобы отработать методику, рассчитать дозы, подготовить все необходимые материалы. И представить свои результаты медицинскому обществу. А уже в 1923 году немецкая фармацевтическая лаборатория первой в мире получила лицензию и запустила массовое производство такого инсулина. Потребность в препарате была огромна, и вскоре к производству присоединились лаборатории по всему миру[89]89
  Vecchio I., Tornali C., Bragazzi N.L., Martini M. The Discovery of Insulin: An Important Milestone in the History of Medicine. Front Endocrinol (Lausanne). 2018;9:613. Published 2018 Oct 23. doi:10.3389/fendo.2018.00613. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC6205949/


[Закрыть].

Долгое время человека выручали именно животные: драгоценный инсулин получали из поджелудочной железы свиней или коров (а в экспериментах рассматривали даже инсулин собак и китов). Но это решение, к сожалению, было не идеальным. Почему же?

Для ответа на этот вопрос нам нужно опуститься на уровень генетики. Итак, гены – это рецепты, по которым клетка готовит блюда – то есть белки. В процессе трансляции молекулярные механизмы клетки переводят генетический текст на язык аминокислот. Триплет (или кодон) – три генетические буквы – однозначно определяет одну аминокислоту (или знак окончания чтения – стоп-кодон). Из аминокислот выстраивается цепочка белка.

Многие наши гены (и ген, кодирующий инсулин, в том числе) очень похожи на гены свиньи. Похожи, но не идентичны: в мРНК человеческого инсулина на 88-й позиции стоит буква Г (гуанин), а в мРНК свиньи на 88-й позиции – буква А (аденин). Здесь поможет рисунок. Казалось бы, всего одна буква! В главе про избыточность генетического кода (глава 1.5, в которой неудачно обращались со словами) говорилось, что не всякие мутации вообще приводят к замене аминокислоты. Но в данном случае замена произошла очень неудачно: в результате вместо аминокислоты треонин молекулярные механизмы прочтут и добавят к растущей белковой цепи аминокислоту аланин[90]90
  Mo, Ran & Jiang, Tianyue & Di, Jin & Tai, Wanyi & Gu, Zhen. (2014). Emerging micro– and nanotechnology based synthetic approaches for insulin delivery. Chemical Society reviews. 43. 10.1039/c3cs60436e. https://www.researchgate.net/figure/A-Amino-acid-sequence-of-human-porcine-bovine-and-sheep-insulin-B_fig10_260809242. Weinges K, Ehrhardt M, Enzmann F. Comparison of biosynthetic human insulin and pork insulin in the Gerritzen test. Diabetes Care. 1981 Mar-Apr;4(2):180–2. doi: 10.2337/diacare.4.2.180. PMID: 7011722. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/7011722/


[Закрыть]. Но и замена одной аминокислоты на другую могла бы быть не столь страшной – в конце концов некоторые аминокислоты достаточно похожи по своему поведению в составе белков. Но не в этом случае – треонин и аланин различаются по своим свойствам[91]91
  А точнее, вместо имеющего гидрофобный радикал (то есть трусливо прячущегося от воды) аланина на его месте оказывается гидрофильный треонин (этакий водолюб).


[Закрыть], и потому такая замена приводит к изменению молекулы. Получается, из-за совсем небольшой разницы, буквально в одну букву, свиной инсулин стал по форме отличаться от инсулина человеческого. А форма белка связана с его возможностями исполнять свою функцию. В общем, свинье ее инсулин подходит, а вот человеку уже не очень.

Чтобы лучше понять, как форма влияет на функцию, вообразите конструктор лего. Вот две его детальки. Одна отлично входит в пазы второй. А теперь мысленно у первой детали вместо круглых штырьков поставьте квадратные. Но у второй все еще останется разъем под круглые. Теперь ваши детали или не соединятся вообще, или потребуют больших усилий сжатия, чтобы соединиться хоть как-то. Белки стыкуются друг с другом и с различными веществами – лигандами – так же, как детали лего. Измени форму паза у одного – и вот уже второй не сможет в нее пристыковаться совсем или же будет делать это с большими сложностями. А значит, не будет создан или верно реализован некий микромеханизм. Очередная биологическая «шестеренка».

Чужеродный инсулин организму может очень не понравиться: у части пациентов при долговременном приеме животного инсулина бывают кожные реакции, развивается системная гиперчувствительность и даже инсулинорезистентность[92]92
  S. Edwin Fineberg, Thomas T. Kawabata, Deborah Finco-Kent, Robert J. Fountaine, Gregory L. Finch, Alan S. Krasner. Immunological Responses to Exogenous Insulin, Endocrine Reviews, Volume 28, Issue 6, 1 October 2007, Pages 625–652, https://doi.org/10.1210/er.2007–0002 / https://academic.oup.com/edrv/article/28/6/625/2355076.


[Закрыть]. Инсулин от других животных подходит нам еще меньше свиного: различие между бычьим и человеческим инсулином составляет уже не одну, а три разные аминокислоты, а с инсулином овец – четыре[93]93
  Mo, Ran & Jiang, Tianyue & Di, Jin & Tai, Wanyi & Gu, Zhen. (2014). Emerging micro– and nanotechnology based synthetic approaches for insulin delivery. Chemical Society reviews. 43. 10.1039/c3cs60436e. https://www.researchgate.net/figure/A-Amino-acid-sequence-of-human-porcine-bovine-and-sheep-insulin-B_fig10_260809242. Pickup, John. “Human Insulin.” British Medical Journal (Clinical Research Edition), vol. 292, no. 6514, 1986, pp. 155–157. JSTOR, www.jstor.org/stable/29521896. Accessed 3 June 2021. https://www.jstor.org/stable/29521896.


[Закрыть]. Короче говоря, наше тело хотело бы видеть инсулин человеческий и торговаться оно не согласно.

Поэтому с развитием науки за дело взялись генные инженеры и биотехнологи. В начале 1980-х на рынок поступил первый инсулин человеческий генно-инженерный (он же рекомбинантный, он же биосинтетический) и очень скоро показал свои явные преимущества перед привычным животным инсулином. Новый ГМ-инсулин быстрее всасывался при подкожном введении, у пациентов снизилась частота побочных реакций, вызываемых инсулинотерапией – уменьшилось количество случаев аллергии на препарат и развития инсулинорезистентности[94]94
  Brogard J.M., Blickle J.F., Paris-Bockel D. Genetically engineered insulin: five years of experience. Drugs Exp Clin Res. 1985;11(6):397–406. PMID: 3915289. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/3915289/


[Закрыть]. Теперь спасителями человека стали не коровы и свиньи, а… бактерии! Хорошо знакомая нам всем кишечная палочка. Палочка-выручалочка биотехнологов. И как же это у нее получилось?

Мы уже сказали, что инсулин – это белок, а теперь посмотрим на его молекулярную структуру поближе. Итак, молекула инсулина состоит из двух белковых цепей, одна из которых содержит 21 аминокислоту (А-цепь), вторая чуть побольше – 30 аминокислот (В-цепь). Для белка это достаточно мало, поэтому аминокислотную последовательность обеих цепей смогли определить еще в 1950-х. Кстати, инсулин стал самым первым в мире белком, последовательность которого установили ученые[95]95
  А еще точнее сказать, что это был именно бычий инсулин.


[Закрыть][96]96
  Sanger F., Thompson E.О. The amino-acid sequence in the glycyl chain of insulin. I. The identification of lower peptides from partial hydrolysates. Biochem J. 1953 Feb;53(3):353–66. doi: 10.1042/bj0530353. PMID: 13032078; PMCID: PMC1198157. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/13032078/


[Закрыть].

Информация о том, как выглядит инсулин, поместилась в текст одного не очень длинного гена, который расположен на 11-й хромосоме человеческого генома[97]97
  INS insulin [Homo sapiens (human)] Gene ID: 3630, updated on 11-Jun-2021. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/gene/3630.


[Закрыть]. По полученной с него мРНК несложно построить белок – с задачей справятся даже бактерии. Для более сложных белков бактерии уже не подходят. Но об этом мы поговорим в другой главе (глава 3. «Эй, бактерия, посторонись!»).

Существует несколько различных методов изготовления инсулина. За прошедшие годы технология была неоднократно улучшена, сменялись различные подходы. И даже внутри одного подхода шаги могут отличаться друг от друга в деталях. Рассмотрим один из вариантов.

Сначала в лаборатории получают ДНК-последовательность самого гена. Для этого ген можно выделить из клеток или синтезировать его искусственно буква за буквой in vitro (в пробирке)[98]98
  Людмила Назаренко и др. Основы биотехнологии. В 2 ч. Часть 2. 2-е изд., испр. и доп., стр. 30.


[Закрыть]. Итак, у нас есть ген и мы хотим, чтобы бактерии произвели по его инструкции человеческий инсулин. Но одного только гена мало, нам придется еще записать для бактерии команду его читать. Для этого перед нужным геном необходимо добавить еще один хитрый ДНК-фрагмент. Он называется промотор.

Отступим на минутку и поговорим, что такое «промотор». Промоторы – это специальные фрагменты ДНК, благодаря которым в нужное время и в нужном месте начинается транскрипция самого гена. Чтобы понять их смысл, проще всего представить сборник инструкций вроде «Энциклопедия для девочек» из моего детства. У каждой главы в этой книге есть свой заголовок. Например, «Как приготовить манную кашу». Если с этим сборником в руках вы застряли в лифте, сомневаюсь, что эта глава вам пригодится. Зато будет смысл прочесть текст под названием «Что делать, если вы застряли в лифте».

Получается, что мы можем сравнить промоторы со своего рода заголовками, соответствующими определенным генам. Читатель (в случае книги это мы, в случае гена – это молекулярные механизмы) всегда начинает прочтение с такого заголовка. Если читатель видит, что заголовок не соответствует ситуации, то дальше он не читает сам текст.

Одни промоторы работают только в определенных органах или при определенных условиях. Другие работают везде и всегда. Например, зубная эмаль нам нужна только на зубах, значит, и читать гены компонентов эмали стоит только там и больше нигде. Напротив, новые рибосомы необходимы каждой клетке организма. Значит, гены, кодирующие все нужные компоненты рибосомы, будут стоять под управлением таких промоторов, которые позволят читать эти гены любой клетке и в любых условиях.

Как это применяется в биотехнологии: допустим, мы встроим чужой ген под управление промотора, который работает только в печени животных. Тогда, несмотря на то что новый ген будет присутствовать во всех клетках тела, работать он станет только в печени. А его продукт потенциально не «убежит» в клетки других органов.

Итак, здесь ученым нужно выбрать такой ген, который обычно хорошо работает внутри бактерии, узнать, какой промотор управляет этим геном, и использовать эту же промоторную последовательность для своей задачи.

Теперь хорошо бы добавить еще одну штуку: маркерные гены. Используем в этом качестве гены устойчивости к некоему антибиотику, как обсуждали ранее. Ведь нам необходимо просто и быстро понять, какие бактерии модифицировались, а какие нет[99]99
  По антибиотическому маркеру становится понятно, получили ли бактерии вектор внутрь клеток, но остается непонятным, пустой ли это вектор или со вставленным геном. Для выяснения последнего существуют отдельные маркеры. – Прим. науч. редактора.


[Закрыть]. И последнее, что пригодится в нашем конструкте, – терминатор. То есть фрагмент ДНК, в котором записана команда для молекулярных машинок на прекращение чтения. Чтобы все это заработало (то есть стало реплицироваться в бактерии), понадобится также бактериальный ori-сайт. Теперь, кажется, мы описали все нужные для работы по производству ГМ-инсулина компоненты.

Что ж, приступим к модификации. Сначала возьмем готовые плазмидные векторы и поместим в эти векторы получившуюся на предыдущем шаге конструкцию. Копий вектора нам нужно много, но каждый раз проделывать процедуру вставки конструкции в вектор будет сложно и затратно. Проще выполнить эту процедуру только один раз с небольшим количеством плазмид, а затем положить все в «копировальный аппарат» – то есть бактерии. Поместим эти бактерии на питательную среду, содержащую тот самый антибиотик, и позволим вдоволь размножаться – и копировать при этом наши модифицированные плазмиды. Будем ожидать, что выживут только те колонии, родоначальницами которых стали модифицированные нужным вектором бактерии.

Процесс «приготовления» белка инсулина по тексту кодирующего его гена различается внутри клетки животного и модифицированной бактерии. Если клетка выполняет всю работу самостоятельно, то бактериям нужны помощники – биотехнологи с их хитрыми технологиями. Посмотрим, как это делает клетка животного. С текста гена молекулярные механизмы внутри клетки считывают мРНК. По матрице мРНК строится цепочка препроинсулина – пре-предшественника инсулина. Препроинсулин – это довольно длинная аминокислотная цепочка (110 аминокислот), состоящая из четырех отдельных «подцепей». Такая цепочка называется полипептидом, а ее составные блоки называются пептидами. Пептиды в препроинсулине выстраиваются так: L-пептид, B-пептид, C-пептид и A-пептид. Хотя в конечный белок инсулин войдут только А– и B-пептиды, остальные блоки – это вовсе не бессмысленный мусор. L– и C-пептиды обычно нужны молекулярным механизмам клетки для выполнения разной подготовительной работы. Первым от полипептида, выполнив свою работу, отцепляется L-пептид. Так препроинсулин превращается в новый полипептид – проинсулин, состоящий уже из B, C и A-пептидов. Проинсулин теперь должен переместиться в специальный отдел клетки, где произойдет его созревание. За это время специальные ферменты вырежут пептид C, после чего пептиды A и B окажутся разделены, став двумя отдельными цепочками. Теперь эти цепочки соединяют друг с другом только дисульфидные мостики – химические связи на основе молекул серы[100]100
  Insulin Synthesis and Secretion. http://www.vivo.colostate.edu/hbooks/pathphys/endocrine/pancreas/insulin.html


[Закрыть]. Ну вот и все, наш инсулин готов! Останется самая малость – молекула инсулина не ходит поодиночке, а предпочитает сбиваться в «банду» по шесть инсулинов. Напарникам помогают держаться вместе молекулы цинка. А получившаяся в итоге функциональная молекула, на мой взгляд, очаровательно красива.

В организме животных вся описанная выше работа выполняется в клетках поджелудочной железы[101]101
  Точнее, в бета-клетках островков Лангерганса поджелудочной железы.


[Закрыть]. При биотехнологическом производстве одни этапы выполняются внутри бактериальной клетки, другие же при помощи биотехнологов и генных инженеров. Бактерии умеют производить только предшественник инсулина, его выделяют и уже биохимически получают инсулин, который затем в несколько этапов очищают[102]102
  Zieliński, M., Romanik-Chruścielewska, A., Mikiewicz, D., Łukasiewicz, N., Sokołowska, I., Antosik, J., … Płucienniczak, A. (2019). Expression and purification of recombinant human insulin from E. coli 20 strain. Protein Expression and Purification, 157, 63–69. doi:10.1016/j.pep.2019.02.002


[Закрыть].

Первый ГМ-инсулин был получен еще в 1979 году, и с тех пор технология постоянно развивалась. Новые работы в этой сфере выходят постоянно, появляются решения, помогающие уменьшить стоимость производства препарата за счет улучшения технологии и сделать препарат инсулина доступнее для все большего количества людей[103]103
  Govender, K., Naicker, T., Lin, J. et al. A novel and more efficient biosynthesis approach for human insulin production in Escherichia coli (E. coli). AMB Expr 10, 43 (2020). https://doi.org/10.1186/s13568–020–00969-w. https://link.springer.com/article/10.1186/s13568–020–00969-w


[Закрыть]. И все это действительно очень здорово. Благодаря генетической модификации человечество решило еще одну важную задачу[104]104
  Существует и другой современный способ получения инсулина человека: преобразование молекул свиного инсулина путем некоторых химических реакций. Оба способа одинаково широко распространены. А автор (совместно с ВОЗ) напоминает: здоровый образ жизни и умеренное потребление сахара доказано снижают вероятность приобретения диабета второго типа.


[Закрыть].

Если однажды кто-то из ваших знакомых спросит, «неужели без этих ГМО нельзя обойтись?» – просто расскажите ему историю о том, как вот уже более 40 лет ГМО спасают человеческие жизни. И пусть он сам поставит правильную запятую: «казнить нельзя помиловать».

Но не инсулином единым славны наши маленькие спутники жизни. Много чего они умеют сами, но еще большему их могут научить биотехнологи. Приглашаю вас отправиться со мной на короткую экскурсию в мир будущего, которое вообще-то давно уже здесь. А мы и не заметили.

Проблема загрязнения пластиковым мусором стоит очень остро для большинства стран. И пандемия только усугубила ситуацию: на и так огромных свалках на суше и в морях образовались дополнительные горы масок, респираторов, медицинских отходов[105]105
  Aragaw TA. Surgical face masks as a potential source for microplastic pollution in the COVID-19 scenario. Mar Pollut Bull. 2020;159:111517. doi:10.1016/j.marpolbul.2020.111517


[Закрыть]. А представьте себе, как было бы здорово взять эти безграничные свалки отходов полиэтилентерефталата (ПЭТ)[106]106
  Стоит отметить, что ПЭТ – популярный, но не единственный полимер, используемый для изготовления таких изделий. Те же маски часто делают из полипропилена. – Прим. науч. редактора.


[Закрыть] на суше и целые плавучие бутылочные острова посреди океанов и превратить их во что-то минимально вредное для окружающей среды? А уж совсем хорошо, если это что-то окажется еще и полезным в производстве чего-то нового. С этими мыслями группа японских ученых отправилась исследовать бактериальные сообщества, живущие на свалках пластика. И их улов был удачен!

В 2016 году был выделен штамм бактерий Ideonella sakaiensis 201-F06. Эти бактерии без всякого кетчупа наворачивают ПЭТ за обе щеки, а в процессе еще и выделяют терефталевую кислоту и этиленгликоль[107]107
  A bacterium that degrades and assimilates poly (ethylene terephthalate) Shosuke Yoshida. Science. 11 Mar 2016: Vol. 351, Issue 6278, pp. 1196–1199. DOI: 10.1126/science.aad6359. https://science.sciencemag.org/content/351/6278/1196


[Закрыть] – чрезвычайно полезные в хозяйстве вещества. Терефталевую кислоту, например, активно используют в текстильной промышленности и для изготовления контейнеров для еды[108]108
  J. Sheehan, R. (2011). Terephthalic Acid, Dimethyl Terephthalate, and Isophthalic Acid. Ullmann’s Encyclopedia of Industrial Chemistry. doi:10.1002/14356007.a26_193.pub2


[Закрыть], а этиленгликолю автомобилисты обязаны надежными тормозами и чистыми лобовыми стеклами своих машин, его используют в системах отопления домов и жидкостного охлаждения компьютеров (если вы майнили крипту, то точно говорили спасибо этому малышу). Вот это труженики! Но радоваться было еще рано. Едят бактерии все же недостаточно быстро, да и просто распылить их на скопления пластика в океане не получится.

Найденная бактерия оказалась не одинока в своих суперспособностях – чуть раньше другие исследователи обнаружили пару видов грибов с похожими пищевыми предпочтениями. Но только после этой истории все понеслось: в разных уголках Земли разные ученые начали обнаруживать все новые и новые микроорганизмы – бактерии и грибы, – которые тоже предпочитали определенные виды пластиковых отходов себе на обед и ужин[109]109
  The Race To Develop Plastic-Eating Bacteria. https://www.forbes.com/sites/scottcarpenter/2021/03/10/the-race-to-develop-plastic-eating-bacteria/?sh=480394667406


[Закрыть]. Стали понятны две вещи: во-первых, за совсем недолгую эпоху производства и потребления пластиковой продукции братья наши самые меньшие успели эволюционировать так, чтобы использовать в пищу совершенно новый для них ресурс; а во-вторых, если мы поймем, как они это делают, мы сможем повторить это в лаборатории. А затем и вне ее: создать генно-инженерные штаммы, которые смогут перерабатывать пластик в сотни и тысячи раз эффективнее и быстрее, превращая вчерашние свалки в новые заповедники, а отходы с них – в новое сырье для производства. Современные ученые строят светлые планы по биоремедиации[110]110
  Комплекс методов очистки вод, грунтов и атмосферы с использованием метаболического потенциала биологических объектов. Например, силами растений, грибов или червей.


[Закрыть] планеты, осуществить которые возможно еще на протяжении нашей жизни.

Первые успешные работы в этом направлении были опубликованы в 2018 году[111]111
  Engineering a plastic-eating enzyme / PUBLIC RELEASE: 16-APR-2018 / UNIVERSITY OF PORTSMOUTH. https://www.eurekalert.org/pub_releases/2018–04/uop-eea041318.php. Characterization and engineering of a plastic-degrading aromatic polyesterase Harry P. Austin, McGeehan, Gregg T. Beckham Proceedings of the National Academy of Sciences May 2018, 115 (19) E4350-E4357; DOI: 10.1073/pnas.1718804115. https://www.pnas.org/content/115/19/E4350


[Закрыть]. Сначала группа ученых выделила из бактерий сам фермент (белок), при помощи которого найденные ранее Ideonella sakaiensis расщепляют ПЭТ (кстати, назвали его ПЭТаза – «действующий на ПЭТ» фермент, о чем говорит традиционное окончание всех ферментов «-аза»). Потом, используя самые современные методы кристаллографии и построения 3D-структуры белков, ученые получили очень точную трехмерную, буквально поатомную, модель этого фермента. Затем к работе привлекли специалистов-биоинформатиков, которые помогли определить механизм работы данного фермента и спрогнозировать, как он поведет себя при определенных модификациях. Предсказанный в моделях модифицированный фермент собрали молекулярные биологи и показали, что теперь ему по зубам не только ПЭТ, но и ПЭФ (полиэтиленфураноат – новый вид биопластика, который достаточно хорошо перерабатывается уже существующими методами). Кроме того, фермент-мутант справлялся с задачей намного быстрее своего природного оригинала. С небольшим куском ПЭТ модифицированные бактерии могли расправиться уже всего за несколько дней. Хм, не очень-то быстро.

Совсем недавно, в пик второй волны пандемии, из-за которой проблема пластиковых отходов встала так остро, как никогда ранее – теперь нам потребовалось перерабатывать еще большее количество контейнеров от еды навынос, пакетов из доставки продуктов, упаковки, и конечно же масок и респираторов, – все той же группе ученых удалось совершить новый прорыв: объединив ранее созданный мутантный фермент ПЭТазу с другим ферментом – МГЭТазой (от «моно(2-гидроксиэтил)терефталат»), они смогли достичь ускорения деградации пластика при комнатной температуре в шесть раз! Идею такого объединения они также подсмотрели у бактерий, которые уже миллионы лет используют такую двойную систему для расщепления целлюлозы[112]112
  New super-enzyme eats plastic bottles six times faster. https://www.theguardian.com/environment/2020/sep/28/new-super-enzyme-eats-plastic-bottles-six-times-faster Characterization and engineering of a two-enzyme system for plastics depolymerization Brandon C. Knott, Gregg T. Beckham, John E. McGeehan Proceedings of the National Academy of Sciences Oct 2020, 117 (41) 25476–25485; DOI: 10.1073/pnas.2006753117. https://www.pnas.org/content/117/41/25476


[Закрыть]. Суть двойной системы в том, что первую половину работы делает один фермент, превращая «сырье» в промежуточные продукты, а вторую половину работы заканчивает за него второй – подхватывает полученные на первом шаге промежуточные вещества и превращает их в готовый продукт, который и требовался бактериям или научившимся у них ученым.

Ученые, разумеется, даже не думают останавливаться на достигнутом: в планах еще больше увеличить скорость работы новой системы ферментов и придумать, как наиболее эффективно доставить ее на «рабочее место».

И если вам кажется, что все это существует лишь на бумаге, в отчетах по грантам и, ну в лучшем случае, в холодильниках лабораторий, то это тот самый случай, когда ошибаться очень приятно! Уже сегодня французская биотехнологическая компания Carbios при поддержке и сотрудничестве с гигантами Pepsi, Nestle и L’Oreal[113]113
  Nestlé Waters, PepsiCo and Suntory Beverage & Food Europe join Consortium founded by Carbios and L’Oréal to support the world’s first enzymatic technology for the recycling of plastics. https://www.carbios.com/en/nestle-waters-pepsico-and-suntory-beverage-food-europe-join-consortium-founded-by-carbios-and-loreal-to-support-the-worlds-first-enzymatic-technology-for-the-recycling-of-plastic/ А научную публикацию с подробностями можно найти тут: Tournier, V., Topham, C.M., Gilles, A. et al. An engineered PET depolymerase to break down and recycle plastic bottles. Nature 580, 216–219 (2020). https://doi.org/10.1038/s41586–020–2149–4


[Закрыть] на базе технологии, использующей генно-инженерные ферменты, реализует проект перехода на полностью новый технологический процесс по переработке использованной пластиковой тары для создания новой столь же высокого качества. По оценкам, переход индустриальных мощностей компаний-участниц на новые процессы должен занять 5 лет[114]114
  Scientists create mutant enzyme that recycles plastic bottles in hours. https://www.theguardian.com/environment/2020/apr/08/scientists-create-mutant-enzyme-that-recycles-plastic-bottles-in-hours


[Закрыть]. Используемый в данном проекте фермент способен переработать тонну пластиковых бутылок на 90 % всего за 10 часов! Правда, пока для работы ему необходимо нагревание до 70 °C. Кстати, именно этот фермент использовали при создании двуферментной системы для расщепления ПЭТ ученые из абзаца выше. В общем, с нетерпением ждем в этом направлении не только новых прорывов, но и все большего внедрения таких технологий в процессы разных компаний-производителей.

Конечно, вопросам безопасности для окружающей среды здесь отводится очень много времени и сил. Компании заранее готовятся к самому пристальному вниманию регуляторов и проверяющих организаций. Что ж, посмотрим, что ждет нас всего через пару лет. Но уже точно понятно, что этой главе понадобятся большие обновления.