50 лет назад в США был синтезирован первый искусственный ген. Как это повлияло на науку

Источник материала:

Полвека назад, 3 июня 1970 года, в США был синтезирован первый искусственный ген. Рассказываем, почему это важно.

Пятьдесят лет назад, 3 июня 1970 года в газете New York Times появилась заметка, где говорилось, что команда из Висконсинского университета в Мадисоне сообщила о первом полном синтезе гена — «унаследованном кодированном „сообщении“, которое сообщает клетке, как выполнять определенную химическую функцию». По словам авторов, уникальность в том, что ранее другие исследователи использовали «природный ген» для создания нового, тогда как в этом случае «гигантская молекула» была собрана с нуля, клетка за клеткой — все 77 нуклеотидов. Для сравнения — генетический материал, содержащийся в клетке человека, содержит примерно шесть миллиардов таких единиц (или 3,2 пар нуклеотидов), хотя они не все функциональны.

Первый искусственный ген был создан благодаря доктору по имени Хар Гобинд Корана и его коллегам в университете в Мадисоне. Их достижение «знаменует новый шаг на пути к манипуляциям с наследственным материалом у растений, животных и, возможно, человека».

Это произошло всего год спустя как профессора Гарвардского университета Джеймс Шапиро (James Shapiero) и Джонатан Беквит (Johnathan Bechwith) в принципе выделили первый ген.

Почему это важно

Как говорится в публикации Массачусетского технологического института, подъем «информационной эры» во второй половине XX века был вызван двумя факторами — научной и технологической революциями.

Вначале была цифровая революция, которая возникла с развитием математики, необходимой для вычисления и хранения данных, полностью основанной на двоичном коде. Вторая революция произошла благодаря открытию, что информация, закодированная в молекулярной последовательности ДНК, несет «инструкции» для рабочих частей клетки.

Область молекулярной биологии возникла как исследование того, как генетическая информация передается от одного поколения к другому. В результате это привело к методам чтения и записи биологической информации и изменению геномов согласно замыслу людей. Способность «перепрограммировать» живые организмы в нужных целях составляет основу биотехнологической индустрии.

Одним из тех, кто стоял у истоков, были учебные заведения США. Так, Массачусетский технологический институт еще в конце 1950-х начал набор молекулярных биологов — до того, как эта зарождающаяся область исследований была признана официально.

Одним из таких сотрудников был Александр Рич, который пришел в Массачусетский в 1958 году — он внес вклад в понимание, как отдельные нити молекул ДНК и РНК могут находить и сочетать комплементарные последовательности. А вторым чрезвычайно влиятельным сотрудником стал Сальвадор Лурия который был лидером в изучении бактериофагов — вирусов, которые заражают бактериальные клетки.

К 1960-м годам понимание фундаментальных генетических механизмов, разработанных Лурией и другими, соединилось с работой структурных биологов, таких как Рич, чтобы дать общее представление о том, как генетическая информация хранится, копируется и читается.

Это дало почву для исследований такого значимого ученого как Хар Гобинд Корана, уроженца Индии и сына деревенского налогового инспектора, который добился многого благодаря своему уму и трудоспособности. До того, как он переехал в Массачусетс в 1970 году, Корана успел поработать в Кембриджском университете в Великобритании и побыть директором отдела органической химии Исследовательского совета Британской Колумбии в Университете Британской Колумбии в Ванкувере (Канада).

Однако на пике своей карьеры Корана решил, что уже достиг всего, чего мог, и переехал в Висконсинский университет в Мадисоне, чтобы совершить на тот момент невозможное — первым синтезировать ген.

И ему это удалось — первый искусственный ген был химически синтезирован в 1970 году. Затем Корана синтезировал ген, родственный первому, и в 1979 году продемонстрировал, что они функционируют в бактерии. А в 1972 году ученый описал полный химический синтез функциональных генов тРНК, что стало беспрецедентным достижением в области химической биологии.

Для синтеза генов были использованы ферменты полимераза и лигаза, скрепляющие вместе фрагменты ДНК а также методы, предвосхитившие изобретение полимеразной цепной реакции. Безусловно, этого не удалось бы достичь, если бы Корана не обладал видением конечной цели и способностью убедить команду следовать за ним и пытаться сделать то, что до них не делал никто.

Эта работа стала поворотным пунктом в генетике — она положила начало эре рекомбинантной ДНК и лежит в основе методов сборки целых геномов из коротконитевых ДНК. Благодаря этому изобретению сегодня многие компании могут заказать себе любой синтетический ген.

Более того, Корана и его коллеги установили, что биологический язык, общий для всех живых организмов, состоит из набора трехбуквенных слов: каждый набор из трех нуклеотидов кодирует специфическую аминокислоту — за это они и получили Нобелевскую премию 1968 года.

Еще одним из ключевых технологических достижений, проистекающих из работы Кораны, стало развитие полимеразной цепной реакции — ПЦР, которая часто сейчас упоминается в связи с тестами на COVID-19. В этой реакции используются те же основные элементы, которые были предложены ученым еще в 60−70-х годах.

Таким образом, исследования Кораны стали важной частью информационной эры.