Материал: Нанотехнологии для всех (Рыбалкина), 2005, c.444

ГЛАВА 6. Биотехнологии и наномедицина

нам прокариотах – первых живых существах, населявших нашу планету еще со времен Архейской эры. Как уже говорилось, ме ханизмы передачи генетической информации в природе обла дают высокой стабильностью, призванной служить сохране нию и выживанию вида. Стабильность эта, однако, не абсолют на, ведь иначе в ходе эволюции не смогло бы возникнуть тако го многообразия форм жизни, свидетелями (и представителя ми) которых мы являемся.

Но прокариоты, как известно, размножаются простым де лением, при котором каждая дочерняя клетка получает «в нас ледство» точную копию родительской ДНК. Откуда же возник ло такое разнообразие в среде самих простейших и как могли появиться другие организмы? Одна из наиболее очевидных причин генетической изменчивости – это мутации, являющие ся, по меткому выражению Дарвина, двигателем эволюции.

Мутации – cкачкообразные изменения генетического кода клетки, приводящие к появлению новых признаков. Если по томки измененной особи имеют некоторое преимущество пе ред обычными, например, большую жизнеспособность или по вышенную скорость роста, они постепенно накапливаются и вытесняют исходных особей.

Различают мутации спонтанные (причины их возникнове ния неизвестны) и индуцированные. Индуцировать мутации мо гут различные факторы, действующие на генетический матери ал клетки: физические, химические или биологические.

В ходе эволюции прокариоты выработали способы защиты своего генетического материала от повреждающего действия облучения, химических веществ и других мутагенов. В их клет ках обнаружены эффективные системы ремонта поврежденных участков ДНК. Если бы таких механизмов не было, то организм бы переродился и вымер как вид.

Основной механизм восстановления ДНК – это “выреза ние” повреждений, так называемая рестрикция. Ее осуществля ют ферменты эндонуклеазы, расщепляющие нить ДНК. Такой способ помогает, только если повреждена только одна цепочка молекулы. Тогда поврежденный участок вырезается, а образо вавшаяся брешь заполняется комплементарными нуклеотида ми с использованием в качестве матрицы шаблона неповреж денной нити ДНК. Таким образом, многие случайные мутации попросту вырезаются.

НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ

Однако когда повреждение касается обеих нитей, тот же са мый механизм восстановления превращается в орудие самоубий ства: эндонуклеазы распознают поврежденный участок и разры вают в его месте обе нити ДНК. Кстати говоря, то же самое про исходит и в клетках многоклеточных организмов в случае фаталь ного повреждения хромосом. Такое генетически запрограммиро ванное самоубийство биологи называют апоптозом. Оно сохра няет «чистоту генов» и предохраняет вид от деградации. Можно сказать, что клетка руководствуется своеобразным “клеточным самурайским законом” – “лучше умереть, чем ошибиться!”

Однако присущий всем живых существам инстинкт самосох ранения порой все же берет верх, и клетке мутанту удается “об мануть” убийственную рестрикцию путем модификации ДНК – метилированием или введением дополнительных пар нуклеоти дов. Уцелевшая клетка приобретает новые свойства и, если они оказываются выгодными, дает начало новому виду существ.

Итак, огромное разнообразие организмов объясняется му тациями. Но, как оказалось, тому есть и другие причины. С раз витием генетики ученые обнаружили, что для прокариот харак терен путь горизонтального переноса генов между различными особями. Молекулярно генетический анализ показал, что ге номы прокариот представляют собой мозаику генов, приобре тенных у разных видов. Одинаковые генетические последова тельности можно увидеть у многих прокариот, вне зависимости от степени их родства. Объяснить возникновение такой мозаи ки может только горизонтальный перенос генов.

Горизонтальный перенос генов у прокариот – это не просто лабораторный артефакт или результат генной инженерии, а распространенное природное явление.

Установлены три основных механизма латерального пере носа: трансформация, коньюгация и трансдукция.

Трансформация – это нормальная физиологическая функ ция обмена генетическим материалом у некоторых бактерий.

Конъюгация имеет наименьшее число ограничений для межвидового обмена генетической информацией, но предпола гает тесный физический контакт между микроорганизмами, легче всего достижимый в биопленках.

Трансдукция (от лат. transductio – перемещение) – это пере нос генетического материала из одной клетки в другую с по

294

ГЛАВА 6. Биотехнологии и наномедицина

мощью некоторых вирусов (бактериофагов), что приводит к из менению наследственных свойств клетки реципиента. Явление трансдукции было открыто американскими учеными Д. Ледер бергом и Н. Циндером в 1952.

Последний механизм следует рассмотреть более подробно, но прежде скажем несколько слов о вирусах.

Вирусы (от лат. virus – яд) были открыты в 1892 г. русским уче ным ботаником Д. И. Ивановским при изучении мозаичной бо лезни (пятнистости листьев) табака. К наиболее опасным заболе ваниям, вызываемым вирусами у животных и человека, относят бешенство, оспу, грипп, полиомиелит, СПИД, гепатит и др.

Вирусы – существа совершенно удивительные. Они зани мают промежуточное положение между живой и неживой мате рией, представляя собой случай некого биологического дуализ ма. На вопрос “живые ли вирусы?” нельзя ответить однознач но, ведь если живой считать структуру, способную к размноже нию и обладающую наследственной информацией, то можно сказать, что вирусы живые (впрочем, по этому определению живыми можно признать и компьютерные вирусы). Но если считать живой структуру, обладающую клеточным строением (как, например, растения, грибы, животные), то ответ должен быть отрицательным. Следует также отметить, что вирусы не способны воспроизводить себя вне клетки хозяина.

Вирусы устроены очень просто. Они состоят из головки (серд цевины) округлой, гексагональной или палочковидной формы диаметром 45 140 нм и отростка толщиной 10 40 и длиной 100 200 нм. В 1 мм3 воды может уместиться около миллиарда фагов.

Рис 187. Электронно микроскопическая фотография и схема строения бактериофага T4

НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ

Сердцевина вируса содержит ДНК или РНК. Ее окружает защитная белковая оболочка (капсид). Отросток имеет вид по лой трубки, окруженной сократительными белками вроде мы шечных. На конце отростка у многих вирусов есть базальная пластинка, от которой отходят тонкие длинные отростки «но ги», служащие для прикрепления к клетке хозяину.

Вирус может воспроизводить себе подобных только внед ряясь в клетку хозяина. Для этого он прикрепляется к бактери альной клетке и растворяет клеточную стенку, выделяя особый фермент. Затем содержимое головки по канальцу отростка про никает в клетку. Попав внутрь клетки, вирус, подобно своему компьютерному собрату, перепрограммирует рибосомы на про изводство своих копий. Он «выключает» хозяйскую ДНК и, ис пользуя свою собственную ДНК или РНК, «заставляет» клетку синтезировать новые копии вируса. После сборки большого числа вирусных частиц клетка, как правило, погибает, а множе ство новых вирусов, произведенных с ее помощью, выходит на свободу, поражая другие клетки. Вирусы, вызывающие гибель клетки, называют вирулентными19.

Рис 188. Жизненный цикл вирулентного фага, например Т2 или Т4

19 Вирулентность – это степень болезнетворного действия микроба. Ее можно рассматривать как способность адаптироваться к организму хозяина и преодолевать его защитные механизмы.

296

ГЛАВА 6. Биотехнологии и наномедицина

Однако существует и другая категория вирусов, называе мых умеренными (симбиотическими). Проникая внутрь клетки, они могут либо повести себя как обычные фаги, вызывая ги бель клетки, либо могут встроиться в ДНК клетки хозяина и остаться в ней в скрытой неинфекционной форме.

Клетки, содержащие такой вирус, называются лизогенными, они могут содержать 2, 3 и более фагов. Лизогения может затем передаваться потомству бактерии. На рисунке показаны два возможных пути развития умеренного вируса.

Рис 189. Жизненный цикл умеренного фага. Когда он инфицирует клетку, развитие может пойти по литическому или лизогенному пути

Так, а что же наш «горизонтальный перенос»? Напоминаем, что трансдукция – это перенос вирусом бак

териальных генов из одной клетки в другую, что приводит к из менению наследственных свойств клетки реципиента.

Трансдукция возможна, если в процессе размножения умеренного фага одна из частиц вирусной ДНК случайно захватит фрагмент бактериальной хромосомы