Биотехнология: что это такое?

Слово к читателю

В те самые дни, когда отечественная экономика с некоторой тревогой и опасением только готовилась к штурму символической крепости, олицетворявшей в представлении большинства из нас полный хозяйственный расчет, в одном из номеров «Правды» появилась статья под весьма неожиданным и, я бы сказал, даже интригующим названием «Цветок науки в суровом климате хозрасчета». Речь в ней шла о трудностях, встретившихся на путях новой хозяйственной деятельности Всесоюзному институту генетики и селекции промышленных микроорганизмов, занимающемуся проблемами биотехнологии. «Исследования, которые проводят здесь, — писала газета, — представляются со стороны странными, экзотическими, словно тропические цветы в оранжереях. Во многом это действительно ростки того, что войдет в нашу жизнь, станет обычным лишь завтра. Это интерфероны, интерлейкины, другие продукты, которые вырабатывает человеческий организм для обеспечения своей жизнедеятельности и которые теперь поручается синтезировать бактериям, причем в условиях индустриального производства.

И вот в первый рабочий день 1988 года «оранжерейная дверь» распахнулась в сегодняшнюю экономическую реальность — в институтские лаборатории стал сильно задувать ветер хозрасчета. Как чувствуют себя экзотические цветы и те, кто их растит?»

Не собираясь пересказывать содержание всей публикации, отмечу, однако, что проблемы в ней ставились действительно ответственные, серьезные и ненадуманные. «Когда стало понятно, — сообщал корреспондент, — что почти все ограничения и запреты сняты, некоторые сотрудники стали азартно прикидывать, какие договоры они могут заключить с заводами — теперь, дескать, одним махом можно поднять зарплату в три-четыре раза. Научный потенциал института, уже имеющийся задел действительно давали возможность резко расширить внедрение.

Но другие ученые резонно опасались, что такая тактика потребует серьезного сокращения исследований теоретических, поисковых, то есть тех, которые потом и превращаются в «научный товар» — в новые продукты и технологии. За эти работы заводы платить не будут. При существующих ныне условиях оплатить исследования, которые принесут отдачу через несколько, порой и через много лет, можно лишь по государственным заказам — из госбюджета и из средств своего Министерства медицинской и микробиологической промышленности».

Откровенно говоря, те трудности, с которыми пришлось столкнуться ученым ВНИИгенетики, о работах которого еще не раз будет упомянуто в этой книге, не что иное как «трудности роста». Через них в свое время прошла биотехнология многих стран мира. И не только прошла, но и успешно выдержала самую суровую конкуренцию со стороны других перспективных направлений научно-технического прогресса, в кратчайшие сроки превратившись в стабильный источник национального бизнеса. «Нежный цветок науки» оказался способным выстоять, выжить и дать замечательные плоды отнюдь не в оранжерейном климате.

Что же стимулировало и продолжает стимулировать столь бурное развитие биотехнологии во всем мире? Прежде всего, коренные сдвиги в биологической науке, приведшие к появлению физико-химической биологии, открывшей возможность изменения генетической программы клеток, придавая им новые, не свойственные от природы качества, — считает председатель Научного совета АН СССР по проблемам биотехнологии академик А. А. Баев. Возникновение современной биотехнологии, известной сегодня под названием «новой», было бы невозможно и без успехов в разработке инструментальных методов исследования, основанных на использовании совершеннейших приборов, в свою очередь базирующихся на последних достижениях физики. Именно поэтому сам факт возникновения и активного развития биотехнологии в первой половине нашего столетия никак нельзя рассматривать как случайность, ибо он всего лишь закономерное следствие поступательного развития научно-технического прогресса в целом, в свою очередь повторившего путь, пройденный когда-то эволюцией. А он, как известно, отмечен двумя главными вехами: от простого к сложному.

Применительно к самой биотехнологии, трансформирующейся в полном соответствии с превращением естественных наук из описательных в познающие, раскрывающие интимные, глубинные процессы всего сущего, можно сказать, что ее становление шло тем же выверенным временем, накатанным природой трактом, имя которому — Познание.

Путь этот столь многообразен и сложен, что, поставь я своей задачей даже простое хронологическое описание его этапов, — понадобились бы не одна и даже не две книги, подобных той, что вы держите сейчас в руках. Такая работа оказалась бы под силу, пожалуй, лишь многочисленному коллективу ученых, да и в этом случае ее выполнение растянулось бы не на один, два, три, а на многие годы.

Я же, приняв предложение «Эврики» о написании этой книги, ставил перед собой куда более скромную цель: познакомить молодых читателей с теми удивительно широкими возможностями, которые современная биотехнология открывает перед практически всеми научными направлениями и отраслями промышленности. И потому заранее согласен со всеми замечаниями читателя по поводу некоторой «мозаичности» в изложении материала. Особенно в тех главах книги, где речь идет о задачах и проблемах, связанных с развитием промышленной биотехнологии, о которой, вероятно, можно было б рассказать гораздо подробнее. Но, согласитесь, книга в таком случае стала бы уже иной. К тому же, удели я несколько большее внимание этой важнейшей составной современной биотехнологии — и налицо оказался бы «перекос» в иную сторону. И тогда наверняка к автору могли б предъявить вполне справедливые претензии представители науки. Вот почему, дабы не изменять генеральной линии моего рассказа, ограничусь лишь перечислением основных стадий современной промышленной биотехнологии. Первая из них — выбор штамма, обладающего наивысшей продуктивностью; вторая — подбор питательной среды, обеспечивающей оптимальный биосинтез целевого продукта; третья — культивирование клеток-продуцентов (эффективное решение которого достигается с помощью автоматического управления процессом с использованием ЭВМ); и, наконец, четвертая — выделение целевого продукта, его обработка, получение товарной формы этого продукта.

Что же касается методов промышленной биотехнологии, то лучше, чем характеризовал их в одной из своих работ крупнейший советский ученый в этой области, доктор технических наук В. Е. Матвеев, пожалуй, и не скажешь: «По форме применяемые методы во многом аналогичны тем, которые используются в химической технологии, однако по содержанию они резко различаются, так как выделяются и перерабатываются не отдельные химические вещества, а популяции живых микроорганизмов, имеющие свои, присущие только им особенности».

Запомним это определение и вновь вернемся к прерванному рассказу, в котором мне, разумеется, не обойти и драматических событий, связанных со «взлетами» и «падениями», пережитыми биотехнологией в своем становлении. Не придерживаясь хронологии в изложении материала, попробую все же «спроецировать» последствия некоторых из них на те актуальные задачи, стоящие перед современным человечеством, которые, казалось бы, трудно, а порой и невозможно решить без применения новейших достижений биотехнологии, ее успехов и побед. К ним прежде всего относятся проблемы продовольственные и энергетические, экологические и медицинские, все острее заявляющие о себе в наш век научно-технической революции.

Самая большая сложность заключается, пожалуй, в том, что даже выдающиеся успехи в решении каждой из этих проблем в отдельности, достигнутые традиционными методами, нередко оказываются на поверку успехами временными, способными своими отдаленными последствиями усугубить состояние многих других систем и компонентов, образующих сложнейший комплекс «человек — его хозяйственная деятельность — биосфера». Только взаимообусловленность в развитии всех направлений научно-технического прогресса — вот что гарантирует равновесие в поступательном движении всего этого комплекса, на незыблемости которого зиждется сама жизнь на планете Земля. И это тоже предмет разговора данной книги.

Так что же, собственно, представляет собой современная биотехнология? Однозначно ответить на этот вопрос трудно, поскольку в мире существует чуть ли не два десятка ее определений. И в свое время в одной из глав этой книги вы непременно познакомитесь с тем, какой смысл вкладывают в это понятие современные ученые. Сейчас же могу сказать одно: прежде чем с достаточной достоверностью охарактеризовать содержание данного термина, необходимо знать, о чем именно идет речь. Ибо биотехнология двояка в своем проявлении, соединяя в себе воедино сферу научной и промышленной деятельности. Причем каждая из них стимулирует развитие друг друга, во многом предопределяя направленность «партнера» не только на современном этапе, но и на ближайшую и даже отдаленную перспективу. И все же лидерство в этом взаимообогащающем союзе, безусловно, принадлежит фундаментальной науке, ее опережающему развитию.

Взять хотя бы ту же промышленную биотехнологию, основу которой составляет главным образом широкое использование микроорганизмов. Так вот, вся широчайшая гамма бактерий, клеток, грибов, дрожжей, производство которых поставлено сегодня на поток, — всего лишь какая-то десятая доля процента от их общего числа известных биологической науке. Известных, но не изученных настолько, чтобы практически использовать все их возможности и особенно способность многократного увеличения биомассы в кратчайшие сроки. Это ли не мощнейший резерв стимулирования промышленной биотехнологии, еще ожидающий своего дня и часа? Но может быть, вообще не стоит торопиться с практическим освоением последних? Стоит и даже очень. Потому что, лишь освоив их, биотехнология окажется способна не только производить новую продукцию, но и стать средством технического перевооружения всех отраслей народного хозяйства, использующих технологию химическую. А это еще одна «ипостась» биотехнологии, еще один ее лик, и отнюдь не мифический. Подобная пластичность, пожалуй, сродни «чудесам», на которые оказались столь богаты последние четыре-пять десятилетий нашего столетия. «Чудесам», с помощью которых человечество всерьез мечтало когда-то преобразовать мир. Но вот что знаменательно: каждый раз жизнь вносила свои и очень серьезные поправки в радужные ожидания, связанные с новой «победой» над природой. Так, открытие атомной энергии и расщепление атомного ядра породили в свое время иллюзию того, что именно радиация станет панацеей от всех и всяческих бед. И надо сказать, что основания для того были. Ведь с ее помощью оказалось возможным лечение некоторых онкологических заболеваний и предотвращение потерь сельскохозяйственной продукции, борьба с возбудителями болезней и ускорение роста растений. Но... От нее ожидали чудес, а она породила бомбу, испытания которой привели к мутациям — генетическим изменениям в организмах.

А расшифровка структуры ДНК? Разве не чудом представилась нам сама рассекреченная тайна сохранения и передачи организмом наследственной информации? А способность ДНК организовываться в гены — эти функциональные единицы наследственности, определяющие формы и функции всего живого — с чем как не с чудом сравнивалось в свое время узнанное? Мы и поныне почтительно замираем уже перед понятым таинством контроля их экспрессии в живых клетках. Конечно, многое еще предстоит открыть, осмыслить, перепроверить. Тем не менее и достигнутые успехи многократно увеличивают возможность человеческого вмешательства в биологическую среду. И, получая все большие знания о клетках и субклеточных структурах, способах их репродукции и соединения, мы обретаем и уникальный метод изменения жизни в ее наиболее фундаментальных аспектах.

Но хорошо это или плохо? Недаром перспектива генетического манипулирования произвела в свое время на широкую общественность впечатление, подобное тому, что вызвал когда-то взрыв атомной бомбы. Да и среди ученых нашлось немало трезвых голов, воспринявших это огромное научное достижение как чреватое потенциально высокой степенью риска. Однако большинство исследователей, даже из числа тех, кто ратовал за определенную сдержанность при проведении подобных экспериментов, увидело в использовании рекомбинантной ДНК (трансплантации генов одного организма в другой, нередко совершенно иного вида) прежде всего уникальное средство выяснения и понимания глубоко интимных биологических механизмов. И хотя они тоже не исключали возможности случайного риска, но призывали не к истерии, а к осторожности. Поставленная обо всем (как о громадном потенциале генетических манипуляций, так и возможной опасности) в известность мировая общественность реагировала на столь разные перспективы по-разному. Так, в некоторых странах на экранах кинотеатров не замедлили появиться фильмы ужасов, в них по воле сценариста биолог с помощью методов генетической инженерии, как говорится, прямо на глазах потрясенного зрителя превращал рак в инфекционное заболевание, а безобидную кишечную палочку — бактерию, живущую в кишечнике человека, — в грозный патоген, или безжалостно разрушал экологическое равновесие планеты.

Но та же пресса и в то же самое время превозносила методы генетической инженерии как чудотворные. Только они, писали газеты и журналы всего мира, способны дать человечеству новые редкостные биологические вещества, открыть безопасные и недорогие способы получения антигенов для вакцин, осуществить генетическую коррекцию наследственных болезней.

В общем, история повторилась. Дифирамбы и запугивания чередовались между собой в непредсказуемых вариациях. И кому-то уже всерьез мерещились искусственно созданные с помощью генетической инженерии легионы «суперсолдат», как на подбор сильных, слепо повинующихся диктаторам и одинаково бессердечных. Всерьез говорилось и о генетическом контроле над характерами и способностями детей. Да и почему бы в самом деле, имея такие мощные средства, не попытаться изменить по желанию родителей интеллект, силу, красоту их драгоценных чад?

И, разумеется, еще в самом начале дебатов о рекомбинантной ДНК возник вопрос о биологической войне, ведь генетические манипуляции сулили появление вирулентных патогенных организмов и новейших биологических токсинов. Высказывалось даже предположение о селективном воздействии последних, о возможности инфицирования или поражения людей выборочно. Ну, скажем, только с черной кожей или голубыми глазами. Более того, договорились до... генетических методов распознавания друзей, союзников, врагов. В общем, вся эта шумиха удивительно напоминала ту, что сопровождала в свое время открытие атомной энергии. Хотя проводить какую-то параллель между этими двумя событиями, на мой взгляд, все же не совсем верно. И в первую очередь потому, что ионизирующая радиация по своей сути всегда носит деструктивный, разрушающий характер, разрывая химические связи, она уничтожает и молекулу, в которой те осуществляются. Хотя в некоторых случаях именно это свойство радиации оказывается полезным, например, при радиационной терапии рака. Но то скорее исключение из правила, нежели норма.

Между тем все осуществляемые в настоящее время манипуляции с генами и клетками имеют конструктивный, созидательный характер. Правда, с их помощью ученые вначале тоже нарушают целостность гена или клетки, но не во имя самого уничтожения, а для того, чтобы, соединив совершенно иным способом, сконструировать затем гены с новыми свойствами и функциями. И нужно сказать, что результативность генетической инженерии превзошла все ожидания.

Так что же? Ее можно только приветствовать? К сожалению, исследование данного вопроса не дает права ответить на него лишь утвердительно. И ограничения, введенные на работы с рекомбинантной ДНК в некоторых странах, в том числе и в нашей, — лучший гарант их безопасности. Такие меры предосторожности тем более необходимы, что человечество уже нарушило устойчивое равновесие окружающей среды, а скорость, с которой оно каждый день, каждый час воздействует на нее, значительно превышает ту, с какой новое равновесное состояние могло бы быть достигнуто вновь.

Безудержная эксплуатация природных ресурсов, развитие индустрии, все возрастающие темпы производства энергии оказываются делом неприемлемо дорогим с точки зрения ценностей, жизненно важных для всех и каждого из нас в отдельности. Серьезность положения усугубляется еще и тем, что скорость распространения технического прогресса на планете значительно превышает ту, с которой политические, социальные и экономические институты разных стран могут приспособиться к быстро изменяющемуся миру, а все возрастающие знания законов развития жизни дают человечеству беспрецедентную власть над биологической судьбой всего сущего на Земле.

Правда, мне могут возразить, что человек уже не год и даже не столетие, а тысячелетиями вмешивается в ход эволюции. И ничего, до сей поры все вроде бы обходилось.

Да, обходилось. Но делал-то он прежде это косвенно, главным образом - путем негативного влияния на окружающую среду в процессе своей хозяйственной и «преобразующей» деятельности. Теперь же, получив возможность использования рекомбинантной ДНК, человек впервые за всю историю своего существования сможет самым непосредственным образом влиять на темпы и характер сокровеннейших эволюционных процессов.

Так не рассматривать ли нам открывшуюся перспективу как внезапно обретенное безграничное властвование Homo sapiens над природой? Конечно же, нет. Не властвование, а все возрастающую ответственность перед жизнью на Земле приобрели люди, проникнув в еще одну ее тайну. То же самое и в равной степени относится и ко всем другим направлениям научно-технического прогресса, а игнорирование их потенциально вредных последствий означает отказ от попытки контроля над курсом, которым можно и должно идти планете во имя спасения всего живого на ней.

Общеизвестно, что война — не что иное как крайнее выражение того же самого научно-технического прогресса. Но есть и другие, не менее драматические его проявления с, прямо скажем, непредсказуемыми последствиями. Вот почему, когда мы говорим, что главное условие выживания человечества — это мир, за который, не жалея усилий, борется наша страна, мы просто обязаны помнить и о другом важнейшем условии благополучия Земли — о восстановлении экологического равновесия в природе. Задача эта глобального масштаба, и в ее решении обязано принять участие все человечество. Средств же для разрешения этой проблемы сегодня более чем достаточно. И среди них наиболее мощное и действенное — новейшая биотехнология, возможности которой беспредельны, а методы всеобъемлющи. Вот почему, заканчивая это свое небольшое обращение к читателю, я хотел бы перечислить их все «поименно», в той самой последовательности, в которой называл эти методы академик Ю. А. Овчинников, с именем которого связано становление новой биотехнологии в нашей стране.

Итак, генетическая, клеточная, белковая инженерия и инженерная энзимология — те главные области и методы биотехнологии, что определяют сегодня результативность многих направлений научно-технического прогресса. О них и пойдет речь в книге, которую вы держите сейчас в руках. Но, знакомя вас с ее собственными достижениями и успехами других областей НТР, испытывающих непосредственное влияние и воздействие биотехнологии, я искренне надеюсь, что сумею удержаться на всем протяжении рассказа «в рамках» третьей стадии популяризации. Дело в том, что по мнению одного из ведущих американских популяризаторов науки Лоуренса Лессинга, удостоенного, кстати, за свою деятельность высшей награды Американского химического общества, научно-популярная литература, включающая в себя и репортерство, прошла в своем развитии три стадии.

На первой из них основным содержанием, а значит и задачей популяризатора, была и оставалась на долгие годы сенсационность. А мерой оценки — возглас удивления, исторгнутый читателем: ух ты, как здорово! На второй — от него потребовался предельно простой и одновременно точный рассказ о конкретной проблеме, решаемой наукой. И, наконец, третья стадия... Ее статус оказался еще более строгим, а тот, кто до нее «дорос», брал на себя обязательства не только сообщать своим читателям о научно-технических достижениях, но и интерпретировать их преимущества и предполагаемые недостатки (поскольку они не всегда проявлялись тотчас).

Попытаемся и мы с вами воспользоваться «призмой» третьей стадии. Что-то откроет нам «магический кристалл» науки?..