Kaip genų inžinerija pagelbėtų milijonams žmonių

1953 m. du mokslininkai, James Watson ir Francis Crick, pateikė pasauliui sensaciją – išaiškino DNR sandarą. To meto amerikiečiai buvo taip susižavėję atradimu, kad vilkėdavo marškinėlius su spiralinės DNR molekulės piešiniu – stambiamolekuliniu biopolimeru, kurio molekulę galima įsivaizduoti kaip karolius, kai vienas karoliukas, vadinamas monomeru, yra nukleotidas.

Šis sudarytas iš trijų dalių: heterociklinės azotinės bazės, deoksiribozės ir fosfato. Nukleotidai vienas nuo kito skiriasi hererocikline azotine baze, kurios būna keturių rūšių: adeninas (A), guaninas (G), citozinas (C), timinas (T).

Į vieną grandinę nukleotidai jungiasi fosfoesterinėmis jungtimis, susidarančiomis tarp vieno nukleotido fosfato ir kito nukleotido deoksiribozės. Dvi grandinės jungiasi tarp savęs vandeniliniais ryšiais, susidarančiais tarp heterociklinių azotinių bazių. Šios jungiasi tam tikra tvarka – adeninas sudaro du vandenilinius ryšius su timinu, o guaninas tris – su citozinu. Tai komplementarumo principas, kurio biologinė reikšmė: susidaro maksimalus vandenilinių jungčių skaičius ir išlieka vienodas atstumas tarp grandinių. Panašiai kaip užtrauktuko.

Beje, komplementarumo principas svarbus DNR dvigubėjant (moksliškai tai vadinama DNR replikacija), kai procesas vyksta pusiau konservatyviu būdu. Paprasčiau šį būdą galima paaiškinti taip: DNR grandinės atskiriamos, naujos molekulės susidaro iš vienos senos (motininės) grandinės ir naujai susintetinamos (dukterinės) pagal komplementarumo principą. Tai svarbu tiek baltymo sintezei, tiek apskritai genetinės informacijos perdavimui (kaip kitaip be DNR replikacijos mes iš tėčio paveldėtume mėlynas akis, o iš mamos – gebėjimą liežuvį susukti vamzdeliu).

DNR atkarpa su tam tikra nukleotidų seka yra vadinama genu. Kiekvienas genas koduoja kažkokį baltymą (tiksliau peptidinę grandinę, nes vienas baltymas gali būti sadarytas iš kelių peptidų). Baltymas yra taip pat stambiamolekulinis biopolimeras, susidedantis iš daug monomerų – aminorūgščių. Tiesa, baltymo santykinė molekulinė masė yra gerokai mažesnė nei DNR.

Tad kaip informacija, esanti gene, paverčiama peptidu? 1954 m. fizikas G. Gamovas, biologas teoretikas M. Yčas ir biochemikas A. Ričas sugalvojo biologinio genetinio kodo tripletus. Tai reiškia, kad trijų nukleotidų derinys koduoja vieną aminorūgštį, pavyzdžiui, GGG koduoja proliną, TTT – liziną ir t. t. Kadangi insulinas yra baltymas, tam tikra geno nukleotidų seka nulemia ir šio hormono sandarą. Jeigu sekoje suklystama, gaunamas hormonas, negebantis atlikti savo funkcijų. Žmogus suserga cukriniu diabetu. Taip paprastai galima paaiškinti, kaip genas lemia požymį.

Vienodas trijų nukleotidų derinys koduoja tą pačią aminorūgštį visuose gyvuose organizmuose. Kitaip sakant, genetinis kodas yra universalus. Įterpus žmogaus insulino geną į bakterijos genetinę medžiagą, ji pradės gaminti norimą hormoną.

Staley ir Herbert Boyer 1973 m. augalų bei gyvūnų genus įterpė į žarnyno lazdelę E.coli. Taigi, pasaulyje 1973 metai vadinami biotechnologijos ir genų inžinerijos mokslo atsiradimo pradžia.

1982 metais buvo pagamintas insulinas. Šio hormono gamybos aprašymas yra klasikinis daugelio vadovėlių genų inžinerijos pavyzdys.

Insulino gamybai naudojamos bakterijos. Šios turi vieną didelę žiedinę DNR ir gali turėti mažą žiedinę DNR, kuri vadinama plazmide. Plazmidės gali praeiti pro bakterijos sienelę ir plazminę membraną. Taigi iš bakterijos yra išskiriama plazmidė, kuri fermentu restriktaze (restrikcijos endonukleaze) „įkerpama“. Šis fermentas ypatingas tuo, kad DNR „kerpa“ tik tam tikroje vietoje (turi būti tam tikra nukleotidų seka). Be to, ne iš karto nukerpa abi grandines – iš pradžių vieną, po to – kitą. Susidaro Z pavidalo darinys, dar vadinamas lipniais galais – tai dvi nedidelės viengrandinės DNR atkarpos.

Skaičiau, kad Lietuvoje esanti bendrovė Thermo Fisher Scientific gamina 200 įprastinių ir 176 „FastDigest" restrikcijos fermentus. Tai antra pagal dydį pasaulyje restrikcijos endonukleazių kolekcija.

Taigi iš žmogaus išskiriama DNR, o iš jos gaunamas reikalingas genas. Tiesa, insulino geną galima pagaminti ir dirbtiniu būdu. Tai žymiai patogiau, negu „žvejoti“ reikalingą geną iš išskirtos DNR.

Plazmidės yra sumaišomos su žmogaus DNR. Fermentas ligazė „įklijuoja“ reikiamą geną į plazminę (prie „lipnių galų“ pagal komplementarumo principą). Gaunamos plazmidės su žmogaus genais (rekombinantinės plazmidės), kurios pereina per bakterijos apvalkalą. Tokia bakterija (genetiškai modifikuota) gali gaminti žmogaus insuliną. Belieka bakterijas padauginti ir gauti reikiamą produktą.

Aišku, vadovėlinis insulino gamybos variantas yra labai paprastas. Teoriškai mes lengvai „įkerpame“, „iškerpame“, „įklijuojame“, bet praktiškai reikia atlikti daug eksperimentų (beje, dauguma jų būna nesėkmingi), reikia daug laiko ir finansinių išteklių.

Leisiu sau moksliškai pafantazuoti: jeigu insulino geną galėtume įterpti į žmogaus kasos Langerhanso ląsteles, tegu pats organizmas gamina reikiamą hormoną. Juolab, kad yra ir geno veikimo reguliacijos mechanizmas.