Новый взгляд на эволюцию. «Генетическая инженерия» в природных экосистемах

Новый взгляд на эволюцию. «Генетическая инженерия» в природных экосистемах

Следует подчеркнуть принципиально важное обстоятельство: одно из важных положений современной генетики состоит в открытии способности наследственной системы к «естественной генетической инженерии». В клетке существует режим генетического поиска и реорганизации структуры и функции генома.

Термин «вирус» этимологически обозначает «яд». Вплоть до 60-х годов XX века вирусы преимущественно рассматривались как болезнетворное начало. Но изучение вирусов многоклеточных организмов и бактерий (бактериофагов), открытие большого сходства мобильных генетических элементов с вирусами, а затем выявление повсеместного распространения вирусных последовательностей в геноме каждого изученного вида млекопитающих изменило представление о вирусах.

Представление о повсеместности вирусов в биосфере, высказанное в середине 70-х годов (Жданов, Тихоненко, 1975), в настоящее время полностью подтверждено. Вирусы вездесущи. Может быть, именно поэтому их можно обнаружить при любом заболевании (у здоровых их, как правило, не ищут). У человека только в клетках кишечника число обнаруженных в норме и при патологии вирусов больше 120. К 1970-м годам стала ясна суть респираторных — «простудных» заболеваний, переносимых большинством горожан, которые являются отражением эпидемических вспышек размножения вирусов.

Целенаправленное изучение путей распространения вирусов в природе привело в начале 80-х годов XX века к получению новой информации. Например, такие вирусы, как вирус полиомиелита, которые из-за своего видимого патогенного эффекта считались исключительно нейротропными, оказались обнаруженными в сточных водах и, стало быть, входят в группу энтеровирусов. Сточные воды оказались источником вспышки одной из форм вирусного гепатита, детского гастроэнтерита.

Пути распространения вирусов в биоценозах, и соответственно, пути горизонтального межвидового переноса генетического материала, поразительны. Достаточно сказать, что РНК-содержащий вирус гриппа переносится водоплавающими перелетными птицами, но обнаружен и у китов и у планктонных организмов (Жданов, 1990).

В эволюционном аспекте вирусы в природе являются самым мощным селективным фактором и самым мощным генератором наследственного полиморфизма, возникающего в результате популяционно-генетических взаимодействий типа паразит-хозяин.

Другой важный фактор в эволюции — бактерии. Миллиарды лет бактерии были единственными обитателями биосферы. Ни человека, ни животных, ни высших растений не было на Земле, а бактерии уже были. Да они и сейчас настоящие «хозяева планеты». Бактерии — истинные космополиты: они завоевали толщи почв и все водные бассейны, они поселились и в нас самих. Они создавали и создают месторождения полезных ископаемых, они же превращают останки живых существ в материал для новой жизни, помогают нам переваривать пищу и готовить ее. Они способны и убивать нас, заразив болезнями. Биомасса этих мелких существ на много порядков превышает биомассу всех земных млекопитающих вместе с человеком.

Горизонтальный перенос генов от одного организма в другой являлись существенным механизмом эволюции, в основном, у бактерий. Этот факт стал очевидным в последние несколько десятилетий.

Джошуа Ледерберг в 1952 году ввел понятие «плазмида». Он обнаружил в кишечной палочке, кроме основной спиралевидной, вытянутой во весь свой немалый рост ДНК, еще и маленькие, свернутые в кольцо ДНК. О плазмидах заговорили медики, когда в 1959 году было доказано, что неэффективность многих антибиотиков обусловлена плазмидами, несущими гены устойчивости к антибиотикам. Плазмиды легко переходят от бактерии к бактерии, делая их невосприимчивыми к лекарствам. К примеру, вырабатываемый плазмидами фермент пенициллаза разрушает пенициллин, спасая бактерии от гибели. Что, конечно же, осложняет лечение больных.

Детальные наблюдения характера возникновения опосредованной плазмидами устойчивости сделаны в Японии и Англии. В 1945 г. в Японии для борьбы с дифтерией стали применять сульфаниламид. Он был высокоэффективен только первые 5 лет. Вскоре появились устойчивые штаммы дифтерийной палочки, а уже некоторое время спустя 80-90% изолятов были устойчивыми. Затем сульфаниламид заменили антибиотиками. Но уже в 1952 г. от больного дифтерией был выделен штамм дифтерийной палочки, одновременно устойчивый к тетрациклину, стрептомицину и сульфаниламиду. А в 1964 г. половина всех бактериальных штаммов, выделенных из больных дифтерией, несла гены устойчивости одновременно к четырем антибиотикам. Эти гены устойчивости были собраны в одной плазмиде, способной распространяться среди бактерий горизонтально.

Гены плазмид, в свою очередь, могут перекочевывать на хромосомы клеток-реципиентов. Считают, что таким путем в кишечную палочку попали гены, кодирующие ферменты инактивации антибиотиков. Возможно, эти гены впервые появились у почвенных бактерий, живущих рядом с грибами-продуцентами антибиотиков. В почвенных бактериях в геноме плазмид находятся детерминанты устойчивости к тяжелым металлам. Из природных резерватов плазмиды с транспозонами, несущие гены устойчивости, попадают к бактериям животных и человека и с помощью их распространяются по всему миру.

То, что затрудняло работу медиков, пригодилось генным инженерам. А им нужны были переносчики реконструированных молекул ДНК в живые объекты. Правда, вначале на эту роль прочили вирусы-бактериофаги. Но, проникнув в клетку, вирус ведет себя как опасный хищник. Он переключает ресурсы клетки на удовлетворение своих нужд и примерно через полчаса губит ее. Иначе поступает плазмида — в отличие от вируса, она не убивает клетку-хозяйку. Плазмида и приютившая ее клетка осуществляют симбиоз. Плазмида защищает бактерию от, например, пенициллина. Клетка предоставляет плазмиде ресурсы для питания, размножения. Все эти особенности симбиоза бактерий и плазмид (особенно способность плазмид переходить «из рук в руки», от одной клетки к другой) оказались источниками генно-инженерных методов.

Плазмидами Д. Ледерберг предложил обозначать все внеядерные генетические элементы, способные к автономной репликации. Сюда входят «каппа-частицы» у парамеций, экзогенные вирусы и т.д. Взгляд на плазмиды как на симбионты и альтернативный взгляд на них как на составную часть генома, согласно Д. Ледербергу, зависит от того, насколько широко исследователь трактует границы генома и наследственной системы организма.

Именно особенности жизненных циклов вирусов, плазмид и бактерий привело в дальнейшем к созданию так называемых «векторов» — искусственно сконструированных молекул наследственности, которые могут переносить чужеродный материал от одного организма к другому.