Открытие бактериальной трансформации
В 1928 году английский генетик и врач Фредерик Гриффит открыл явление бактериальной трансформации. В то время он разрабатывал вакцину от пневмонии. Работая с двумя штаммами бактерии Streptococcus pneumoniae, один из которых вызывал у мышей пневмонию, а другой — нет, он заметил, что, если смешивать мертвые вирулентные бактерии с живыми невирулентными и вводить эту смесь мышам, они погибают. Оказалось, что изначально невирулентные бактерии приобрели способность вызывать болезнь и стали передавать ее по наследству. Гриффит предположил, что существует некий «трансформирующий фактор», который превратил бактерии в патогенные. В 1944 году ученые Эвери, Маклеод и Маккарти показали, что «трансформирующим фактором» в этом процессе является молекула ДНК. Таким образом, бактерии могут активно усваивать чужие фрагменты ДНК и изменять собственные свойства.
Разработка инструментов генной инженерии
Плазмиды, обнаруженные в 1952 году, стали важными инструментами для передачи информации между клетками и репликации последовательностей ДНК. Эти небольшие молекулы ДНК, отдельные от геномных хромосом и способные реплицироваться автономно, встречаются у бактерий и являются природным средством горизонтального переноса — процесса, в котором организм передает генетический материал организму-непотомку. В 1967 году были обнаружены ферменты, которые соединяют разорванную ДНК, — так называемые лигазы. А в 1970 году лаборатория Гамильтона Смитса обнаружила рестрикционные ферменты, которые позволили разрезать ДНК в определенных местах и изолировать отдельные гены от генома организма. Совместное применение этих двух ферментов дало возможность вырезать и вставлять последовательности ДНК в геном для создания новой, рекомбинантной ДНК. В 1977 году Фредерик Сэнгер разработал метод секвенирования ДНК, что значительно расширило спектр доступной генетической информации. Полимеразная цепная реакция, открытая в 1983 году американским биохимиком Кэри Муллисом, позволила копировать небольшие участки ДНК, а также идентифицировать и изолировать генетический материал. За это открытие ученый через десять лет получил Нобелевскую премию.
E.coli и производство инсулина
В 1974 году Герберт Бойер и Стэнли Норман Коэн получили первую бактерию, несущую эукариотический ген — ген рибосомной РНК лягушки. А в 1978–1979 годах компания Genentech с помощью кишечной палочки (Escherichia coli) произвела первые рекомбинантные белки — соматотропин и инсулин. Человеческий инсулиновый ген был введен в геном бактерии, и она стала синтезировать аналог инсулина самостоятельно. Сегодня модифицированные E. coli используются при разработке вакцин, синтезе ферментов и для решения многих других задач.
Agrobacterium tumefaciens и генная инженерия растений
Сегодня одним из наиболее популярных методов введения вектора — молекулы ДНК или РНК, которая служит для передачи генетического материала внутрь клетки, — является использование почвенной бактерии Agrobacterium tumefaciens. Она часто применяется в генной инженерии растений. Поначалу чужеродный генетический материал физически вносили в растительную клетку. Однако в те же годы был обнаружен «природный» механизм переноса генов. Иногда в стеблях растений возникают шарики, похожие на опухоль, — это симбиоз растения и почвенной бактерии Agrobacterium tumefaciens. Оказалось, что бактерия заставляет растение производить продукт, необходимый для ее жизнедеятельности, с помощью переноса части гена в растительную клетку. Позднее ученые придумали, как использовать это свойство в генной инженерии. Были разработаны специальные векторы на основе плазмиды, которые позволяли привносить новую информацию в геном и получать растения с желаемыми полезными признаками. Однако данная бактерия не способна модифицировать злаки, и для изменения их ДНК используют генную пушку.
С помощью Agrobacterium tumefaciens биотехнологи получают как пищевые культуры, так и декоративные растения. Долгое время селекционеры безуспешно пытались создать синие розы, не существующие в природе. Конечно, для этого можно поместить белую розу в краситель. Однако китайские исследователи нашли способ окрасить розу в синий цвет с помощью генной инженерии. Плазмиды агробактерии содержали два пигментпродуцирующих гена idgS и sfp, взятые у других видов бактерий. Бактерии были введены в лепесток белой розы, и в результате экспрессии генов получились ферменты, превращающие L-глутамин, содержащийся в лепестках цветка, в синий пигмент индигоидин. Начиная с места введения бактерий, лепесток начал окрашиваться в синий цвет. Хотя цвет получился неровным и недолговечным, ученые заявили, что это первая в мире настоящая синяя роза и что следующим шагом будет создание растения, производящего эти ферменты самостоятельно, без искусственного введения бактерий.
CRISPR/Cas9
Систему CRISPR/Cas9, основанную на механизме защиты бактерий от вирусов, сегодня называют наиболее точным методом редактирования генов. В основе этой системы — особые участки бактериальной ДНК, короткие палиндромные кластерные повторы, или CRISPR. Между ними располагаются отличающиеся друг от друга фрагменты ДНК — спейсеры. Многие спейсеры соответствуют участкам геномов вирусов-фагов, которые паразитируют на бактерии. Когда вирус попадает в бактериальную клетку, он обнаруживается с помощью CAS-белков, которые связываются с CRISPR. Если система идентифицирует фрагмент вируса, белки разрезают вирусную ДНК, уничтожая ее. В 1980-е годы японские ученые открыли систему CRISPR, в начале 2000-х годов выяснилось, что последовательности спейсеров были похожи на последовательности вирусов, и примерно тогда же были открыты CAS-гены. В 2013 году ученые показали, что эти системы могут работать не только в клетках бактерий, но и в более сложных организмах, что означает возможность исправлять неправильные последовательности генов и лечить наследственные болезни.
