Журнал Наука и жизнь, 2000 № 04

Напомним читателям, что такое культура (культивирование) клеток или тканей. Это выращивание клеток (в нашем случае — животных) вне организма, в специальной культуральной среде, а проще говоря, в питательном бульоне, где клетки, взятые из живого организма, размножаются, растут, развиваются и в конце концов образуют белковую биомассу, обладающую нужными человеку свойствами. Она используется для широкого круга научных и практических целей, главным образом в области медицины и биологии. Это получение и ядерной ДНК, и различных белков и вакцин, и лимфоцитов, и макрофагов для иммунной защиты организмов и выращивание трансплантатов кожи и других тканей и т. п. Идея же применения культуры клеток животных в качестве сырья для искусственного мяса пока нигде даже не сформулирована, не говоря уж о разработке. Дело тут, думаю, в сложнейших проблемах, которые надо преодолеть для ее реализации.

Первая из них и, пожалуй, самая важная — необходимость наделить клетку способностью к безграничному размножению (или, как говорят ученые, сделать клетку бессмертной). Это путь к выращиванию больших объемов биомассы клеток, что и нужно для производства искусственного мяса.

Как долго продолжается жизнь отдельных клеток у высокоорганизованных организмов? Однозначного ответа на этот вопрос нет, ибо все зависит от типа клеток: лимфоциты человека вне организма живут 1–2 суток, эритроциты — 3 месяца, нервные клетки могут жить до 100 лет, а стволовые клетки относятся к бессмертным клеткам, они способны к неограниченному делению.

Стволовые клетки играют особую роль: они пополняют в организме запас клеток, обновляющихся после их естественной возрастной, физиологической или травматической гибели (клетки крови, кожи, мышц и других тканей). В частности, миобласты — тоже стволовые клетки — служат в организме как источник мышечных волокон. После деления миобласта одна из дочерних клеток остается стволовой, а другая участвует в образовании скелетных мышц (то есть таких, которые прикреплены к костям скелета).

Среднее время удвоения клеток животных в культуре — от 20 до 40 часов. Миобласты делятся каждые 12–18 часов. Стало быть, клетки мускулатуры от природы обладают способностью очень длительного размножения. Но ведь мясо состоит не только из мышечной ткани, в нем есть также соединительная ткань, нервная и эпителий (покровная ткань). Клеток для них нужно тоже очень много — речь ведь идет о массовом производстве. А эти клетки долго размножаться не могут.

Но существует возможность искусственно сделать клетку бессмертной. Для этого нужно ввести в ее геном соответствующий участок ДНК, его так и называют — ген бессмертия. Такие участки имеются в вирусных онкогенах, которые живут в каждом высшем организме. Из них можно выделить необходимую последовательность ДНК, ввести в геном клетки избранного вида и заставить там работать — производить белок, делающий деление клетки непрерывным. Интересно, что в гене бессмертия закодирован термочувствительный белок, который синтезируется при температуре культуральной среды 33 °C и делает клетку бессмертной. При повышении температуры примерно до 40 °C синтез быстро прекращается, и клетка возвращается в нормальное состояние. Стало быть, регулируя температуру, можно управлять процессом и сроками размножения. Это один путь к бессмертию клеток, проверенный на практике и вполне надежный.

Схемы получения бессмертных клеток. Сначала конструируют молекулу, содержащую ген бессмертия, под контролем подходящего промотора (регулятора деятельности гена), который позволил бы ему работать в большинстве животных клеток. Рядом с этим геном может быть пристроен чужеродный ген — для получения необходимого человеку белка из этих же клеток.

Такие конструкции вводятся в оплодотворенные яйцеклетки — зиготы (левая схема) или в соматические клетки животного, обладающие диплоидным набором хромосом, например в фибробласты (правая схема), а затем сливают их с яйцеклеткой, у которой удалено ядро с гаплоидным набором хромосом. Подготовленные таким образом зиготы и яйцеклетки с ядром фибробластов вводят в матку приемной матери, в которой развивается трансгенное потомство. Затем из определенных органов родившегося трансгенного животного берут клетки и выращивают в культуральной среде.

Другой путь лежит через трансгенез. Напомним читателям, что трансгенез — это область генной инженерии, имеющая целью наделять животных признаками и свойствами, которых у них нет от природы. Для этого гены одних животных пересаживают другим, и если это, например, ген роста, то получившее его животное начинает быстрее расти. Коровам в клетки молочной железы вводят гены лекарственных белков, и они вместе с молоком вырабатывают лекарства. Таким же способом можно ввести в геном нужных нам клеток той же коровы ген бессмертия, и эти клетки получат способность безграничного деления.

Таким образом, в арсенале ученых есть две надежные стратегии вызывать непрерывное размножение клеток. По первой из них гены бессмертия вводят в клетки, взятые из какой-либо ткани организма, и запускают процесс их бесконечного размножения. К сожалению, эта стратегия не относится к легкому пути, хотя на первый взгляд прельщает простотой.

Вторая стратегия создания бессмертных клеток — получение трансгенных животных. Тут тоже можно использовать два метода. Первый из них традиционный — микроинъекция чужеродного гена (гена бессмертия) в зиготу (оплодотворенную клетку). Хотя он широко используется, но оказался малопродуктивным, потому что обычно чужеродный ген наследуется только у 5—10 процентов родившихся трансгенных животных.

По-видимому, более перспективным будет иной метод. В нем для получения трансгенных животных используют яйцеклетки, у которых ядра с гаплоидным (одинарным) набором хромосом заменяют ядрами из соматических клеток с диплоидным (двойным) набором хромосом и с предварительно введенным в них геном бессмертия. Или сначала культивируют клетки из молочной железы беременного животного (в этот период в железе активируется много стволовых клеток), потом в них встраивают конструкцию из необходимого гена и яйцеклетки с диплоидным набором и вводят в матку приемной самки.

В настоящее время интенсивно развивается еще один метод трансгенеза, при этом заметен вклад российских исследователей. Суть проста: берут у самца сперматозоиды, вводят в них ДНК с необходимым геном и осеменяют самку. Во всех трех случаях рождаются трансгенные животные, способные наследовать чужеродные гены бессмертия.

Итак, клетки с приобретенным свойством бессмертия способны размножаться неограниченно долго. Это обеспечивает более дешевый и простой способ получения большого количества биомассы клеток. К тому же такие клетки обладают преимуществами перед нормальными. Это, например, и более высокая скорость роста, и меньшая зависимость от питательной сыворотки, и даже возможность развития в более простых — бессывороточных средах.