Сегодня препарат интерферона получают из лейкоцитов донорской крови — основы не только очень дорогой, но и принципиально не способной удовлетворить потребности медицины в ценном белковом препарате. В поиске альтернативных путей получения интерферона ученые обратились к генетической инженерии. Программа создания штамма — продуцента интерферона — успешно завершена, получены первые партии промышленного интерферона, которые отданы медикам на испытание. В этой работе участвовало несколько институтов и производств Академии наук СССР.
Другой путь — химический синтез гена интерферона в сочетании с регуляторными участками, необходимыми для того, чтобы он работал в искусственной наследственной системе. Иными словами, надо собрать воедино самую большую из когда-либо синтезированных человеком органических молекул — 1200 нуклеотидов! Заманчивость задачи перевесила все сложности: за данный синтез взялись ученые и в США, и в Советском Союзе — в Институте биоорганической химии имени М. М. Шемякина АН СССР, Институте цитологии и генетики Сибирского отделения АН СССР, в институтах Главмикробиопрома. Работа была выполнена за несколько лет. А ведь еще совсем недавно это казалось совершенно нереальным, и ученые, отважившиеся на решение подобной задачи, воспринимались в лучшем случае как чудаки!
И еще один пример использования генетической инженерии для получения крайне необходимого медицине белка — соматотропина, или гормона роста. Его применяют для лечения карликовости, ожогов, костных переломов и т. д. Задача получения этого белка решена сотрудниками Института молекулярной биологии Академии наук СССР.
Надо ли говорить, что за словами «задача решена» стоят месяцы и годы труда большого коллектива, поиск оригинальных подходов к преодолению многих частных, хотя каждый раз принципиальных сложностей.
Если клетки высших организмов выращивать, как микроорганизмы, в искусственных условиях, они могут производить ценнейшие вещества живого организма, необходимые и в пищевой, и в парфюмерной промышленности. Например, в Институте физиологии растений имени К. А. Тимирязева АН СССР в содружестве с Главмикробиопромом разработан промышленный регламент получения настойки женьшеня из клеточной биомассы, выращенной таким способом. И если из корня растения, добытого старателями с плантаций, получают в год 200–250 килограммов ценного препарата, то уже за первый год промышленного производства было получено около 5 тонн экстракта женьшеня.
Растительная клетка обладает уникальным свойством — любая может дать начало целому растению. Это позволяет, используя клеточную селекцию и инженерию, конструировать новые — высокоурожайные и устойчивые к болезням, к неблагоприятным условиям среды — хозяйственные растения. Так ученые переходят от моно— к микроклональному размножению, благодаря которому выводят устойчивый к филлоксере гибридный сорт винограда, устойчивый к поражению вирусом гибридный сорт картофеля, гибриды сахарной свеклы, люцерны и других культурных растений. Та же технология используется и для создания межвидовых гибридов, например, картофеля с томатом.
Не менее значительны результаты и в работе с животными клетками — яйцеклетками крупного рогатого скота. Исследования в МГУ, институтах Академии наук СССР и особенно широко в институтах ВАСХНИЛ направлены на создание банков замороженных эмбрионов высокопородных животных с последующей их трансплантацией. Таков путь получения генетических копий выдающихся животных-рекордистов.
Наконец, новая биотехнология — это наша надежда в деле охраны природы и воспроизводства природных ресурсов. Запасы угля, нефти, природного газа, Сланцев не беспредельны, хотя с каждым десятилетием их используют все больше и больше. Сгорание этих органических соединений сопровождается загрязнением атмосферы углекислым и сернистым газами, проливающимися потом «кислыми» дождями, что «бьет» и по природе, и по климату, и по благополучию человека. Строительство гидроэлектростанций меняет гидрологический режим рек, отражается на продуктивности рыбного стада. Атомная энергетика ставит перед учеными необходимость разработки надежных и рентабельных способов обезвреживания и утилизации радиоактивных отходов и т. д. И выход я вижу в ускоренной разработке методов промышленного получения биоэнергии, опирающихся на уникальный, естественный для природы механизм трансформации и утилизации практически бесконечной солнечной энергии — фотосинтез.
Успехи физико-химической биологии способствовали детальному изучению молекулярных основ фотосинтетического аппарата высших растений, синезеленых водорослей, бактерий. Сегодня мы уже досконально знаем, как энергия Солнца трансформируется в поток электронов, в АТФ (аденозинтрифосфорную кислоту) — эту универсальную энергетическую валюту живого, как и на каком этапе в процессе такой трансформации образуется водород — самое совершенное природное топливо.
Возникает заманчивая и вполне реальная задача — научиться останавливать фотосинтез на одном из этапов и в зависимости от «остановки» получать либо водород, либо поток «готового» электричества, либо богатую энергетической валютой биомассу. Основы таких будущих технологий отрабатываются сегодня в лабораториях биологов. И как только удастся найти способы длительного сохранения работоспособности разделенного на отдельные структуры фотосинтетического аппарата, человек начнет получать энергию в количестве, которое сегодня производит и потребляет страна в целом, с площади в несколько десятков квадратных километров пустыни или полупустыни.
Важнейшим светочувствительным элементом сетчатки глаза служит окрашенный пигментом белок — родопсин, расположенный в мембранных дисках палочек. Около пятнадцати лет назад было обнаружено, что галофильные, то есть соленолюбивые, бактерии содержат в своей оболочке (мембране) белок, весьма сходный с родопсином. Его и назвали бактериородопсином.
Но зачем галофильным бактериям оветочувстви» тельный белок? Оказалось, что он представляет собой некий насос, поглощающий кванты света и благодаря перекачиванию водорода сквозь клеточную мембрану запасающий энергию в виде все той же АТФ, в дальнейшем используемую для обмена веществ, движения, размножения — для жизни. Это первый известный науке случай непосредственной утилизации солнечного света живыми существами, не содержащими хлорофилла — светочувствительного белка высших растений и синезеленых водорослей.
Бактериородопсин оказался чрезвычайно интересным белком. Прежде всего тем, что это природная солнечная батарея, генератор ионных токов. В связи с этим весьма вероятно использование его в будущих гелиотехнических устройствах, скажем, для опреснения воды. Кстати сказать, галофильные бактерии живут в соленых озерах Средней Азии, в Мертвом море, в пересыхающих тропических лагунах.
Вместе с тем этот устойчивый к различным внешним воздействиям белок, сохраняющий свои свойства даже в высушенной пленке, обратимо меняет свою окраску под действием света. Отсюда вполне понятная мысль: создать на основе бактериородопсина фотохромные материалы с высочайшей разрешающей способностью. Полимерные пленки с включенным в них бактериальным светочувствительным белком могут выдержать очень много циклов записи и стирания оптической информации. Сейчас такие материалы, используемые в качестве элементов памяти в ЭВМ новых поколений, разрабатываются в институтах Академии наук СССР.
Таким образом, биотехнология — это новый этап синтеза современных биологических знаний и технологического опыта. Возникнув на стыке различных направлений — микробиологии, биохимии и биофизики, генетики и цитологии, биоорганической химии и молекулярной биологии, иммунологии и молекулярной генетики, — базируясь на достижениях фундаментальных исследований, биотехнология, в свою очередь, ставит новые сложные задачи перед фундаментальной наукой.