Компьютерный дизайн и органический синтез биомолекул

Основной целью исследований в этой области является получение полезных для человека продуктов жизнедеятельности организмов за счёт применения современных методов молекулярной биологии, генетики, биоинженерии и биотехнологических производств^[1]. Синтетическая биология использует методы клеточной инженерии, переходя от перемещения нескольких генов между организмами к созданию искусственного генома. В перспективе это направление позволит получать биотопливо из водорослей, бактериальное электричество, диагностические препараты, синтетические вакцины, бактериофаги и пробиотики для борьбы с инфекциями, повышения продуктивности и устойчивости культивируемых растений и животных^[1].

Помимо практической оценки результатов синтетической биологии существует этический вопрос о том, есть ли у человека право на реализацию искусственной эволюции (ускоренной в миллионы раз в отличие от эволюции естественной), притом что нет достаточного уровня предвидения последствий^[1].

Генная инженерия — это раздел молекулярной генетики и биотехнологии, направленный на создание in vitro («в пробирке») новых комбинаций генетического материала, способного размножаться в клетке-хозяине и синтезировать конечные продукты обмена. Процесс получения рекомбинантных молекул ДНК включает несколько этапов: получение нужного гена, встраивание его в вектор (плазмиду или вирусную ДНК) с помощью ферментов рестриктаз и лигаз, трансформацию — введение рекомбинантной плазмиды в бактериальную клетку, и, наконец, скрининг — отбор колоний бактерий, содержащих нужный ген^[1].

${\displaystyle {\text{Донорская ДНК}}+{\text{Вектор}}{\xrightarrow[{\text{лигаза}}]{\text{рестриктаза}}}{\text{Рекомбинантная ДНК}}}$

Рестрикционный анализ, лежащий в основе многих генно-инженерных манипуляций, использует рестриктазы — ферменты бактерий, расщепляющие молекулы ДНК в определённых точках (сайтах рестрикции). Рестриктаза II типа состоит из двух одинаковых субъединиц и узнаёт палиндромные последовательности — участки, читающиеся одинаково в обоих направлениях (например, GAATTC)^[2]. Обычно две цепи ДНК разрезаются в разных местах, симметрично относительно середины сайта рестрикции, образуя выступающие одноцепочечные участки — так называемые липкие концы. Однако некоторые рестриктазы разрезают цепи друг напротив друга, образуя тупые концы^[2]. Липкие концы удобны для конструирования рекомбинантных ДНК, поскольку они могут легко связываться с комплементарными липкими концами другого фрагмента^[2].

Методом рекомбинантных плазмид учёные создают штаммы бактерий, которые используются для производства в промышленном масштабе гормонов (инсулина, соматотропина), ферментов, белков-интерферонов, регуляторных пептидов и др. Этот же метод лежит в основе получения вакцин для борьбы с вирусами гепатита А и В, герпеса, гриппа, бешенства и ящура^[2].

Клонированные гены путём микроинъекций могут быть введены в яйцеклетки, а из них выращены целые организмы, геном которых будет содержать чужеродные гены. Такие особи называют трансгенными или генетически модифицированными организмами (ГМО)^[1].

Первые трансгенные организмы были получены в 1983 г. — культурные растения табака и петунии. Первой ГМО-культурой, коммерциализированной в Китае в 1992 г., стал табак, а первой ГМО-культурой, коммерциализированной в США в 1994 г., был томат FLAVR SAVR, разработанный для продления срока его хранения. С 1992 по 2020 г. 41 страна пробовала выращивать ГМО-культуры. В настоящее время 28 стран ежегодно выращивают почти 200 млн га генетически модифицированных растений^[1].

Учёные создают трансгенные растения с новыми хозяйственно ценными признаками. Например, при встраивании гена бактерии Bacillus thuringiensis, ответственного за выработку β-эндотоксина, в генотип картофеля получены так называемые Bt-растения, ядовитые для колорадского жука, но безвредные для других животных и человека. Получены также трансгенные растения, устойчивые к гербицидам — ядам, применяемым для борьбы с сорняками, что позволяет использовать эти препараты без вреда для культурных растений^[1].

Важной задачей генной инженерии является создание трансгенных животных. На трансгенных лабораторных мышах учёные моделируют развитие и течение различных генетических болезней человека, проводят испытания лекарственных препаратов. Созданы трансгенные овцы, в генотип которых добавлен ген, отвечающий за синтез IX фактора свёртываемости крови. Этот белок вырабатывается клетками молочной железы и выделяется из овечьего молока, а затем используется для лечения больных гемофилией. Раньше подобный белок можно было получить только из донорской крови. Однако безопаснее использовать трансгенных животных, так как у них нет вирусов, например ВИЧ и гепатита, которые могут встречаться крови доноров^[1].

Помимо генной инженерии, для создания новых форм организмов с полезными признаками широко используется явление полиплоидии — кратное увеличение числа хромосом в клетках. Полиплоидные виды растений часто встречаются в природе, у животных полиплоидия встречается намного реже. Многие полиплоидные растения обладают более мощным ростом, крупными размерами и другими полезными свойствами, что делает их ценными для генетико-селекционных работ^[3].

С помощью использования мутагенов в растениеводстве получают полиплоидные растения, обладающие большими размерами, высокой урожайностью и более активным синтезом органических веществ. Широко распространены полиплоидные сорта клевера, сахарной свёклы, турнепса, ржи, гречихи, масличных растений^[4]. Например, семена тетраплоидной ржи значительно крупнее семян диплоидной, и их масса может превышать массу семян дикорастущей ржи в 8-10 раз. В отличие от диплоидных форм, полиплоиды часто имеют более крупные плоды, цветки и вегетативные органы^[3].

Тетраплоидные сорта гречихи (4n = 32) по сравнению с диплоидными (2n = 16) имеют более крупные зёрна и повышенную урожайность. У растений с нечётным набором геномов — триплоидов (3n), пентаплоидов (5n) — наблюдается резкое снижение плодовитости, что связано с нарушениями нормального протекания мейоза: при расхождении конъюгирующих гомологичных хромосом постоянно возникают гаметы с недостаточным или избыточным числом хромосом^[3].

Компьютерный дизайн биомолекул активно использует данные о пространственной структуре белков и нуклеиновых кислот^[5]. Например, моделирование структуры гомеодоменов — консервативных участков регуляторных белков — показало, что они состоят из трёх альфа-спиралей, причём третья спираль непосредственно контактирует с ДНК, узнавая специфическую последовательность нуклеотидов. Это понимание позволяет разрабатывать искусственные белки, связывающиеся с заданными участками ДНК для регуляции работы генов^[3].

В основе компьютерного дизайна лежат методы биоинформатики, позволяющие предсказывать трёхмерную структуру белка по его аминокислотной последовательности, моделировать взаимодействия между биомолекулами и рассчитывать энергию связывания^[2]. Сравнительное картирование хромосом большого числа животных, основанное на компьютерном анализе последовательностей ДНК, помогает лучшему пониманию путей эволюции живого^[2].

Современные методы предсказания структуры белков основаны на анализе аминокислотной последовательности и использовании признаков, извлекаемых из неё методами машинного обучения; такие подходы позволяют строить достаточно точные модели ещё до экспериментального определения структуры белка^[6].

Молекулярный докинг — отдельный вычислительный метод, применяемый для моделирования взаимодействия молекул и оценки их наиболее вероятного способа связывания^[7]. Одним из успешных направлений применения компьютерного дизайна стало создание ингибиторов вирусных и бактериальных белков, а также оптимизация структуры лекарственных соединений с целью повышения их эффективности и снижения побочных эффектов.

Развитие технологий компьютерного дизайна биомолекул и генной инженерии сопровождается необходимостью соблюдения принципов биобезопасности и биоэтики. При создании новых биологических систем важно учитывать возможные риски для человека и окружающей среды, а также соблюдать действующие этические и правовые нормы проведения исследований и применения биотехнологий.