Биотехнология от А до Я №7

15.10.200361860

Портреты на фоне пробирок


Написанная больше шестидесяти лет назад книга Поля де Крюи "Охотники за микробами" до сих пор читается на одном дыхании. Переиздавалась она много раз.

Заодно рекомендую книги (и про науку как таковую, и про ее историю), полезные чайникам разного уровня, от школьников до тех, кто уже знает, кто такие гены и способен прочитать хорошо написанный учебник по чужой специальности:




Азимов А. Краткая история биологии. От алхимии до генетики. "Центрполиграф", 2002.

Азимов А., Бойд У. Расы и народы: Ген, мутация и эволюция человека. "Центрполиграф", 2003.

Егорова Т. А., Клунова С. М., Живухина Е. А. Основы биотехнологии. "Академия", 2003

Рис Э., Стернберг М. Введение в молекулярную биологию. От клеток к атомам. "Мир", 2002.

Грин Н., Стаут У., Тейлор Д. Биология. В 3 томах. "Мир", 2002.

Уотсон Дж. Двойная спираль. Воспоминания об открытии структуры ДНК. Переиздавалась неоднократно.

Чирков Ю. Время химер. Большие генные игры. "Академкнига", 2002.

Шлегель Г. Г. История микробиологии. "Эдиториал", 2002


Перечислить всех ученых и все открытия в биохимии, клеточной теории, генетике и других науках, лежащих в основе биотехнологии, невозможно. Ограничимся самыми великими открытиями и их авторами. Если перечень покажется кому-нибудь неполным, те, кто не попал в этот список (или их представители) могут его расширить.


Дополнительное удовольствие можно получить, глядя на портреты великих людей. Мне они кажутся намного более симпатичными, чем поп-звезды и тем более - политики.


Лёвенгук (Leeuwenhoek), Антони ван (1632-1723). Основная профессия - владелец маленькой мануфактурной лавки и по совместительству привратник, истопник сторож и уборщик в ратуше голландского города Дельфта. Образование - незаконченное среднее. Хобби - изготовление микроскопов (двояковыпуклых линз с увеличением в 200-300 раз). С 1673 по 1723 - член-корреспондент Лондонского королевского общества (Академии наук). Членами этого общества были Роберт Бойль, который открыл закон Бойля-Мариотта и многое другое, Исаак Ньютон, который открыл законы Ньютона и многое другое, и многие другие достойные джентльмены. В 1676 году Лёвенгук обнаружил движущихся микроскопических "зверушек" - сначала в воде, потом - в настое растений, гниющем мясе, зубном налете, молоке, воздухе - всюду, кроме свежей дождевой воды. За полвека он отправил в Лондонское королевское общество более 170 писем с рисунками микроорганизмов и описаниями наблюдений за ними. Последние два письма были переведены с родного голландского на латынь - тогдашний язык международного научного общения - и отправлены в Лондон уже после смерти автора. Обладатель единственной награды - неофициального титула отца микробиологии.


Спалланцани (Spallanzani) Лаццаро (1729-99). Итальянский естествоиспытатель, по основной профессии - служитель культа. Впервые показал невозможность самозарождения микроорганизмов (хотя споры об этом продолжались еще лет сто), осуществил искусственное оплодотворение у земноводных и млекопитающих, доказал, что микробы размножаются делением.


 


 


Дженнер (Jenner) Эдуард (1749-1823). Английский врач. В 1796 году впервые применил вакцинацию - прививку коровьей оспы для выработки иммунитета к натуральной оспе. Именно поэтому в обиход вошли известные всем слова "вакцина" и "вакцинация", от латинского vacca - корова.


 


 


 




Пайен (Payen) Ансельм (1795-1871) и Персо (Persoz) Жан-Франсуа (1805-1868) - его портрет мне найти не удалось. В 1833 году впервые выделили и очистили фермент - амилазу пшеницы, показали, что она утрачивает активность при нагревании, и предложили гипотезу о центральной роли подобных веществ в биологических процессах.


Лирическое отступление - к слову о ферментах. Наука до конца XIX века двигалась не спеша. Термины "энзим" и "фермент" немецкий химик Кюне (Kuhne) предложил только в 1877 г., а в 1893 г. немецкий физикохимик и философ Оствальд (Ostwald), лауреат Нобелевской премии по химии 1909 г., доказал, что ферменты являются катализаторами. Да и само слово "биохимия" изобрел только в 1903 г. молодой немецкий (с 1941 г. - американский) биохимик, впоследствии известный специалист по ферментам, Карл Нейберг (Neuberg), 1877-1956.


 


Шванн (Schwann) Теодор (1810-82). На основании собственных исследований и работ другого немецкого биолога,

Шлейдена (Schleiden) Маттиаса Якоба (1804-81), и других ученых, в 1839 г. опубликовал одно из крупнейших биологических обобщений - клеточную теорию строения живых организмов. Согласно этой теории, все организмы состоят из субъединиц - клеток, которые образуются и растут по одним и тем же законам.

Ткани и органы растут и развиваются за счет образования клеток; каждая клетка в определенных пределах является самостоятельной единицей, а их взаимодействие обеспечивает гармоничное существование организма. Шванн и Шлейден считали, что клетки в организме возникают из первичного неклеточного вещества.


 


В 1859 году Рудольф Вирхов сформулировал одно из важнейших положений клеточной теории: "Всякая клетка происходит из другой клетки… Там, где возникает клетка, ей должна предшествовать клетка, подобно тому, как животное происходит только от животного, растение - только от растения". Клетка - это важнейшая составляющая часть всех живых организмов, основа всех происходящих в нем физиологических и биохимических процессов; развитие многоклеточных организмов начинается с одной клетки. Клеточная теория еще раз подтвердила единство всего органического мира.







Пастер (Pasteur) Луи (1822-95). Основоположник современной микробиологии и иммунологии. В работах 1854-1864 гг. окончательно опроверг гипотезу о возможности самозарождения жизни, доказал, что брожение вызывают микроорганизмы, и возможность анаэробного брожения - жизни в отсутствие кислорода. Его исследования причин болезней вина и пива положили начало промышленной микробиологии. В 1870 г. изобрел процесс обеззараживания продуктов с помощью нагревания до невысоких температур, при которых микробы гибнут, а продукты не теряют вкуса. Впоследствии этот метод назвали просто и скромно - пастеризация. Ввел в медицинскую практику методы асептики и антисептики, в результате чего врачи стали мыть руки не только после операции, но и до нее, и обеззараживать раны, инструменты, помещения больниц и т. п. До этого от послеоперационного сепсиса умирала половина пациентов. Поводом начать исследования послужил бойкот парижанками родильных домов: смертность от родильной горячки в них приняла характер эпидемии. Предложил метод вакцинации путем введения ослабленных культур возбудителей болезней. Разработал вакцины от куриной холеры (1879), сибирской язвы (1881) и бешенства (1885). По образованию Пастер был химиком, и его ранние работы по оптической асимметрии молекул легли в основу стереохимии. Всю жизнь он с притворной скромностью подчеркивал: "Я всего лишь химик". О Пастере написано и сказано много, и все это в одной фразе однажды обобщил известный российский физиолог растений Климентий Аркадьевич Тимирязев (1843-1920): "Пастер оказал такое влияние на практические стороны человеческой деятельности, какого не оказывал ни один человек за всю историю цивилизации".


Дарвин (Darwin) Чарльз Роберт (1809-1882). В 1859 г. опубликовал книгу "Происхождение видов путем естественного отбора", в которой обобщил результаты собственных наблюдений во время кругосветного плавания в 1831-36 гг. и достижения современной ему биологии и селекционной практики. В книге "Изменение домашних животных и культурных растений" (1868) изложил дополнительные материалы к основному труду. В книге "Происхождение человека и половой отбор" (1871) обосновал гипотезу происхождения человека от обезьяноподобного предка. За сто с лишним лет в дарвинизм вошли дополнительные данные, сейчас эта теория называется синтетической теорией эволюции и является общепринятой.





Мендель (Mendel) Грегор Иоганн (1822-84)
, образование - незаконченное высшее, по основной специальности - монах августинского монастыря в Брно (Чехия, в то время - Австро-Венгерская империя). Основоположник генетики. В 1866 г. опубликовал не оцененную современниками статью, в которой с помощью статистического анализа результатов гибридизации сортов гороха сформулировал закономерности наследования признаков. Что это такое, должен знать каждый. Если вы не знаете - не расстраивайтесь, не знать - не стыдно, стыдно не хотеть знать.





Ни о хромосомах, ни о ДНК в те годы никто и понятия не имел, поэтому Мендель с помощью теории вероятности описывал статистические закономерности наследования внешних (фенотипических) признаков. Для этого ему не потребовалось ни сложного оборудования, ни компьютеров - в те годы великие открытия стоили дешевле, чем сейчас. Он всего лишь вырастил в монастырском саду (вот он, этот садик) десятки тысяч гороховых кустов и терпеливо считал, у скольких из них проявляется каждый признак из тех семи, которые он выбрал для изучения. При скрещивании друг с другом растений одного и того же сорта высота стебля, форма и окраска цветков, семян и плодов сохранялись неизменными - на то он и устойчивый сорт.



Если опылить цветок одного сорта пыльцой другого, все гибридные потомки в первом поколении по каждой паре альтернативных признаков (желтые/зеленые горошины, красные/белые цветы и т. д.) были похожи на одного из родителей. Этот признак Мендель назвал доминантным, а тот, который подавлялся в первом поколении гибридов - рецессивным.

Бэтсон и Сондерс в 1902 году предложили для краткости обозначать первое поколение гибридов символом F1, а второе - F2. При самоопылении или скрещивании друг с другом гибридных растений F1 у плодов научной любви - гибридов F2 - на три растения с доминантным признаком в среднем приходилось одно с рецессивным.

Вот наглядная иллюстрация из старой статьи: слева - горошины гомозиготного доминантного желтого сорта, справа - рецессивного зеленого, под ними - их одинаковые потомки в первом поколении, в самом низу - расщепление признаков во втором поколении гибридов.


Результат многолетних трудов в монастырском саду, из которого выросла вся современная генетика, можно свести в простую таблицу:







































































Признаки родительских сортов


F2-количество растений с признаками:


Отношение


Доминантный


Рецессивный


Доминантными


Рецессивными


Высота стебля


Высокий


Низкий


787


277


2,84 : 1


Форма семян


Гладкие


Морщинистые


5474


1850


2,96 : 1


Окраска семян


Желтые


Зеленые


882


299


2,95 : 1


Форма стручков


Плоские


Выпуклые


882


299


2,95 : 1


Окраска стручков


Зеленые


Желтые


428


152


2,82 : 1


Положение цветков


Пазушные


Верхушечные


651


207


3,14 : 1


Окраска цветков


Красные


Белые


705


224


3,15 : 1


Итого:


 


 


14949


5010


2,98 : 1


Признаки гибридов F1 в таблицу не вошли - они, если вы еще не забыли, все были в доминантного родителя, неважно, маму или папу.


Механизм действия законов Менделя объясняется тем, что у эукариот - организмов, имеющих клеточное ядро - в ядрах всех клеток, кроме половых (гамет) содержится по паре каждой из хромосом и, соответственно, два гена, определяющих альтернативные признаки. При образовании гамет в каждую из них попадает одна из пары гомологичных хромосом и, соответственно, один из генов. Альтернативные признаки проявляются в зависимости от того, доминантный или рецессивный ген получит зигота - оплодотворенная яйцеклетка - от каждого из родителей. Доминантная аллель - это состояние гена, при наличии которого в любой из двух хромосом альтернативный признак проявляется всегда, независимо от аллели во второй хромосоме. Рецессивный признак проявляется только тогда, когда его ничто не подавляет, т. е. в обеих хромосомах находятся рецессивные аллели. На генетическом жаргоне принято обозначать рецессивные аллели строчными буквами (a, b, с и т.д.), а доминантные - заглавными A. B. C и т.д.). У пчелок и цветочков наследование альтернативных признаков происходит так же, как и у нас с вами. Разница с горошинами состоит только в том, что Менделю повезло с объектом исследования: семь пар признаков, которые он обсчитывал, у гороха наследуются независимо друг от друга, определяются единственным геном, а доминирование этих признаков - полное. При неполном доминировании результаты проявляются по-другому, например, во втором поколении появляются красные, белые и розовые внуки красных и белых исходных сортов.


Не повезло Менделю с научным консультантом. Свою статью он разослал многим известным ботаникам. У большинства из них она вызвала умеренный интерес, но не больше. А один из крупнейших ботаников, Карл Негели, повторил опыты с горохом, убедился в справедливости выводов коллеги, но засомневался в том, что они носят универсальный характер. Но у Негели был свой излюбленный объект для наблюдений - ястребинка. Суть отзыва авторитетного коллеги сводился к следующему: "я поверю в справедливость ваших выводов, если вы подтвердите их на ястребинке".


Мендель несколько лет продолжал опыты, подтвердил справедливость своих выводов на фуксии, кукурузе и даже мышах, но с ястребинкой у него ничего не вышло, грантов на продолжение исследований у отца-настоятеля смиренный инок не просил, публиковать результаты дальнейших опытов не стал… И только в начале ХХ века его последователи выяснили, что ястребинка, одуванчик, и некоторые другие растения образуют семена неполовым путем и закономерности наследования признаков при скрещивании у них не подчиняется общим законам.


В 1900 году независимо друг от друга стразу трое ученых - де Фриз, Корренс и Чармак - открыли законы Менделя заново.



Вот они, великие законы.


1. Закон единообразия первого поколения. При скрещивании гомозиготных родительских форм в первом поколении потомства все особи однотипны.

При скрещивании двух гомозиготных родителей - с одинаковыми аллелями гена в обеих парных хромосомах (доминантные аллели - А, В, С и т.д. или рецессивные - а, b, с и т.д.) - все их потомки получают по одной хромосоме от каждого родителя.

В самом простом, классически менделевском случае, Если оба родителя были гомозиготны по исследуемому признаку (аа, BB, cc и т. д., или АА, bb, CC и т.д.), их потомки получат одинаковые гены и будут похожи на своих одинаковых родителей. Потомки гомозиготных доминантного и рецессивного родителей окажутся гетерозиготными (Аа, Bb, Сс и т.д.) и проявят признаки доминантного родителя.


2. Закон расщепления. При скрещивании между собой гетерозиготных потомков гомозиготных родителей среди гибридов второго поколения при полном доминировании доминантные и рецессивные признаки встречаются в отношении 3:1.

При неполном доминировании потомки F2 распределяются в соотношении 1:2:1. Например, 105 красных (АА), 207 розовых (Ab) и 94 белых (bb) цветка львиного зева).


3. Закон независимого наследования признаков. Каждая пара альтернативных признаков ведет себя в ряду поколений независимо друг от друга, в результате чего среди потомков второго поколения появляются особи с новыми (по отношению к родительским) комбинациями признаков. При скрещивании исходных форм, различающихся по двум признакам, во втором поколении выявляются особи с четырьмя вариантами фенотипа в соотношении 9:3:3:1.

Если скрестить родительские сорта, гомозиготные по двум признакам (AABB и aabb или aaBB и AAbb), у гибридов первого поколения с генотипом AaBb образуется 4 типа гамет: AB, Ab, aB и ab. Если гены, определяющие эти признаки, находятся в разных хромосомах или в одной, но достаточно далеко друг от друга, эти признаки будут наследоваться независимо друг от друга и все четыре варианта сочетаний рецессивных и доминантных генов будут сочетаться случайным образом.

В школьном учебнике общей биологии есть прекрасная иллюстрация к третьему закону Менделя - решетка Паннета, графический метод решения простых задач по наследованию признаков, предложенный английским генетиком R. Punnett.



В учебниках, в память о растении, на котором эти законы были открыты, обычно рисуют горошины: 9 гладких зеленых, 3 морщинистых зеленых, 3 гладких желтых и 1 морщинистая желтая. Но с помощью этого метода можно рассчитать вероятность появления любых независимо наследуемых признаков во втором поколении гибридов.


Если вам не лень, попробуйте рассчитать число вариантов фенотипа и вероятность их распределения во втором поколении гибридов при учете трех независимых признаков. Чтобы облегчить задачу, считайте, что каждый из родительских сортов по всем трем признакам был гомозиготным: AABBCC и aabbcc, а доминирование - полным.


Любые независимо наследуемые признаки, определяемые одним геном, наследуются по менделевским законам. Как при любой статистической закономерности, чем больше горошин (мышей, дрозофил, людей и других объектов) вы сосчитаете, тем точнее будет соблюдаться соотношение и 1:3:3:9.


Реальные законы наследования признаков намного сложнее простой старинной схемы. Мало того, что часто встречается неполное доминирование вплоть до промежуточного соотношения, при котором внешний признак гибридов с двумя аллелями (Аа) оказывается усредненным. Многие признаки кодируются генами, способными находиться не в двух, а в трех и более аллельных состояниях (как в детской народной игре "камень - ножницы - бумага". Многие гены находятся в одной и той же хромосоме и недалеко друг от друга, так что кодируемые ими признаки образуют группу сцепления и чаще всего наследуются вместе.


Большинство признаков кодируется не одним геном, а целым комплексом их, проявление генов в фенотипе может усиливаться или подавляться генами, находящимися в другой хромосоме - исключений здесь не меньше, чем правил.


Тем не менее законы Менделя - это основа основ современной генетики. Знал бы Негели, что рекомендация, которую он дал от чистого сердца, на десятилетия затормозит развитие науки - наверняка бы предпочел выполоть всю ястребинку в своем саду.


Александр Чубенко

Интернет-журнал «Коммерческая биотехнология» http://www.cbio.ru/


Ваш комментарий:
Только зарегистрированные пользователи могут оставлять комментарии. Чтобы оставить комментарий, необходимо авторизоваться.
Вернуться к списку статей