Текст книги "Генетика на завтрак (Научные лайфхаки для повседневной жизни)"

Автор книги: Мартин Модер

сообщить о нарушении

Текущая страница: 4 (всего у книги 11 страниц) [доступный отрывок для чтения: 5 страниц]

Глава 3
Крохотные герои молекулярной биологии

Перед зданием Института цитологии и генетики в Новосибирске стоит бронзовая статуя – памятник героям. Это не скульптура завоевателя, политика или борца за свободу, а фигурка старой, сморщенной лабораторной мыши. Она сидит, подогнув свои маленькие задние лапки, укутавшись в шаль и нацепив на кончик носа очки. В руках у мышки две вязальные спицы, которыми она вяжет двойную спираль ДНК. Российские ученые этим памятником хотели выразить свою благодарность всем живым существам, которым мы обязаны нашим нынешним знанием биологии, – подопытным животным.

Все знания, способствовавшие получению Нобелевской премии в области медицины за последние три десятилетия, в той или иной степени зависели от животных.

Без помощи животных современная медицина была бы далека от ее нынешнего состояния.

Летом 2010 года я вернулся домой после музыкального фестиваля в немецком городке Вакен с бактериальным заражением крови и провел несколько дней в больнице. Наверное, несколько ночей под капельницей после Вакена – это все равно самый гладкий переход обратно к нормальной жизни. Вводимые внутривенно антибиотики, которые тогда помогли предотвратить худшее, не смогли бы разработать без подопытных организмов. Я так благодарен им за это, что готов собственноручно воздвигнуть памятник. Вместо этого я посвящаю следующую главу этим героям молекулярной биологии.

Плодовые мушки с ампутированным мозгом

В 1947 году несколько плодовых мушек так долго действовали на нервы американским ученым, что насекомых запихнули в ракету и отправили в космос. Согласно официальной версии, проверять влияние космических лучей на живые существа. На самом деле это, скорее всего, было точное воплощение пословицы «с глаз долой, из сердца вон». Таким образом, плодовые мушки стали первыми животными, оказавшимися в космосе. Помимо опыта в качестве астронавтов они знакомы нам по мискам с фруктами. Стоит только летом взять в руку банан, как тотчас же откуда ни возьмись объявляется целая армия этих существ. Они не пользуются особой популярностью, но это действительно потрясающие животные.

Плодовая мушка Drosophila bifurca установила мировой рекорд: она обладает самыми длинными сперматозоидами среди всех животных.

Сперматозоиды мушки Drosophila bifurca в развернутом виде имеют длину почти шесть сантиметров, что примерно в десять раз превышает длину тела мушки. Человек со своими нелепыми семенными клетками в 60 микрометров не идет ни в какое сравнение, ведь его сперматозоиды все-таки примерно в тысячу раз короче, чем у мелкой плодовой мушки. Мы можем радоваться, что длина здесь не представляет особой важности. Если бы соотношение величины человеческого тела и длины семенной клетки было как у D. bifurca, то наши сперматозоиды оказались бы длиннее, чем грузовой автомобиль.

Самые длинные сперматозоиды среди всех животных – у плодовой мушки дрозофилы.

Но исследование в основном касается плодовой мушки Drosophila melanogaster. На сегодняшний день ее относят к одному из наиболее изученных организмов в мире. Генетическая информация мушки совпадает с человеческой на целых 60 %. Это поразительное сходство, но, к сожалению, его недостаточно, чтобы мы могли просто зажужжать и улететь в отпуск. Для лучшего понимания общей картины следует упомянуть, что наша ДНК также на 50 % идентична ДНК банана. Причем такое чувство, что некоторые люди эволюционно чуть ближе к растениям, чем другие. Между прочим, наличие 50 %-ного совпадения ДНК еще не означает, что из двух бананов можно сделать одного человека. Это распространенное заблуждение.

Мушки настолько похожи на нас, что у них даже присутствуют две трети всех генов, которые в случае выхода из строя вызывают развитие заболеваний у людей.

Многие сигналы, позволяющие проследить у людей путь от дефектного гена до заболевания, имеются и у плодовой мушки.

Это делает наших жужжащих спутников отличными подопытными организмами для молекулярных биологов. В 1933 году генетик Томас Хант Морган благодаря мушкам даже получил Нобелевскую премию в области медицины. Он первым сумел доказать, что отдельные гены в клетке последовательно распределены по хромосомам. Фундаментальное знание, без которого сегодня сложно представить медицинское исследование. Так что мушки заложили основы современной генетики.

В процессе подготовки диссертации на степень магистра я тоже имел удовольствие целый год работать с плодовыми мушками. Насекомые обитают в небольших бутылочках, наполовину заполненных богатой питательными веществами почвой. В них личинки живут припеваючи и чувствуют себя превосходно. Примерно через девять дней после вылупления они окукливаются и превращаются в замечательных плодовых мушек. Непрерывно наблюдать за животными, кажущимися настолько отличными от нас, людей, в течение длительного периода времени очень увлекательно. Начинаешь замечать многочисленные сходства. Впрочем, спустя какое-то время я сделал то же, что и большинство молекулярных биологов: я вытащил их мозги. Вам когда-нибудь приходилось делать это? Извлекать мозг плодовой мушки? Это чертовски мелкая вещица. Некоторые физики, занимающиеся исследованием элементарных частиц, обзавидуются. Но было бы несправедливо по отношению к мушкам вытворять такое, не имея на то уважительной причины. Хотя созданные для них условия были по возможности приближены к человеческим и мух перед операцией усыпляли. В данной ситуации меня интересовала не столько сама плодовая мушка, сколько совершенно другой заложник человечества: рак.

У плодовых мушек есть ген, носящий название Brain Tumor, или «опухоль головного мозга». Угадайте, что произойдет, если этот ген будет поврежден? Ученые – прагматики до мозга костей, поэтому они часто называют гены по обозначению того, что случится, если ген выйдет из строя. Следовательно, у мушек есть гены и с такими легко запоминающимися названиями, как «инвалид» или «косолапость». К сожалению, политкорректность в выборе слов среди мушек пока что не получила распространение. Если ген опухоли головного мозга дефектный, у мушки, соответственно, развивается опухоль головного мозга. Для мушек это не очень хорошо, но ученому может показаться довольно занимательным. Ген опухоли головного мозга присутствует и у людей, но под менее броским названием TRIM3. В настоящее время известно, что у пациентов с опухолью головного мозга часто встречается мутация в этом гене. Причина развития этого вида онкологического заболевания у мушек и у людей общая. Значит, можно попробовать вылечить опухоль головного мозга у мушки в надежде найти способ лечения для людей. Именно такую цель я преследовал во время нашей с коллегами работы в рамках написания магистерской диссертации на поприще генетики. Другими словами, мы разрушали еще больше генов мушки и смотрели, что будет. Звучит не очень продуманно, но, пожалуй, именно поэтому такой подход пользуется успехом среди исследователей.

У мушек, с которыми я работал, уже был поврежден ген опухоли головного мозга и на стадии личинки развилась опухоль. Мы брали этих мух и у каждой из них дополнительно нарушали другой ген, но у каждой свой. Если в распоряжении есть достаточное количество мух, то в конечном итоге в дополнение к гену опухоли будет поврежден каждый ген из всех, что имеются у мушки. При этом наблюдение ведется также за мушками, у которых опухоль не развивается, но присутствует мутация со склонностью к ее образованию. Второй, добавленный генетический дефект в этом случае компенсировал бы мутацию. Для этого нужно было отыскать ген, действующий на опухоли, но не на здоровые клетки мушки. Такой ген или белок, являющийся производным результатом этого гена, стал бы потенциальным объектом воздействия для будущих лекарств от рака.

Отключение такого большого количества генов кажется ужасно утомительным. В конце концов, у мушки их насчитывается более 15 000. К счастью, существуют библиотеки, которые всегда помогут в работе: мушиные библиотеки. Речь идет не о библиотеках с книгами о плодовых мушках и читальных залах, где насекомые увлеченно листают страницы, устроившись среди пыльных полок. Фактически это коллекция плодовых мушек, имеющих генетические различия. Мушиная библиотека, которой мы пользовались, состоит из мушек с мутациями в разных генах. Если их всех собрать вместе, то практически для каждого существующего гена найдется мушка, у которой соответствующий ген поврежден. Если мушки с поврежденным геном опухоли головного мозга спарятся с насекомыми, имеющими другую мутацию, у некоторых из их потомков оба гена будут повреждены. То есть нужно скрещивать мушек до тех пор, пока каждый ген, имеющийся у плодовой мушки, не будет однажды поврежден наряду с геном опухоли головного мозга. При этом необходимо выбирать здоровых особей, у которых, несмотря на дефект в виде опухоли головного мозга, рак не развивается. Таким образом, дополнительно мутировавший ген предотвращает рост опухоли. Эврика, нам даже удалось обнаружить парочку таких генов!

Получится ли однажды применить это знание для лечения людей? Никто не знает. Но по крайней мере путешествие в мир плодовых мушек определенно меня изменило. Каждый раз, когда во время пробежки по Донауинзель мне в нос залетает мошка, во мне просыпается надежда на прорывные результаты.

Ароматный алкоголь благодаря совместной эволюции

Мушки важны не только для медицины: в работе продуктовых ларьков они играют решающую роль. Во-первых, потому что мух нужно отгонять, тем самым мешая им поедать печеночный паштет, а во-вторых, потому что пиво, которым запивают бутерброды, без мушек было бы совсем невкусным. Когда в следующий раз соберетесь выпить кружечку золотистого Hopfen-Smoothie, подумайте о том, что его сладкий аромат так бесподобен только благодаря тысячелетней совместной эволюции дрожжей и плодовой мушки.

Исследования подтверждают, что насекомые имеют косвенное отношение к созданию фруктового аромата у некоторых сортов пива.

Хоть этот аромат и производят дрожжи, это делается не для удовольствия, а в надежде привлечь плодовых мушек [42]. С пивом у них ничего не вышло, потому что оно привлекает в основном мужчин среднего возраста. У колонии дрожжей, живущих в условиях дикой природы, гораздо больше шансов добиться успеха. Когда муха садится на нее, к волоскам на ее лапках прикрепляются дрожжевые клетки, которые, таким образом, благодаря насекомым эффективно распространяются. Чтобы привлечь мух, дрожжи выработали фруктовый аромат, который мы так ценим у некоторых сортов пива.

Впервые эта взаимосвязь была замечена случайно. Бельгийский генетик работал с двумя разными штаммами дрожжей. Один был нормальным, у второго была генная мутация, которая снижала его аромат. После долгого рабочего дня (каким бывает каждый рабочий день исследователя) ученый ушел из лаборатории, поленившись убрать дрожжевые культуры. В то же время его коллега из соседней лаборатории оказался настолько неаккуратен, что несколько мух умудрились улизнуть. На следующее утро исследователи дрожжей обнаружили, что плодовые мушки забрались в ароматную, а не в мутировавшую дрожжевую культуру. Еще одно подтверждение того, что быть ленивым и неряшливым – это не всегда плохо.

Чтение мыслей в аквариуме

Якоб и Мария, две влюбленные личинки рыбки данио-рерио, плывут по течению. Оба полностью прозрачные и всего лишь несколько миллиметров в длину. Якоб собирает букет водорослей для своей возлюбленной. С сияющими глазами Мария восклицает: «О боже, Якоб, это же мои любимые водоросли! Ты умеешь читать мысли?» В своем гормональном безумии Мария забыла, что оба они – личинки рыбки данио-рерио, излюбленные подопытные животные, у которых можно наблюдать работу мозга. Данио-рерио знакомы всем по стандартному набору начинающего любителя аквариумов. Животные выглядят довольно неприметно и, кажется, ведут себя скучно большую часть времени. И только опытный биолог сразу разглядит потенциал этих рыбок – они как Чак Норрис пресных вод. Если отщипнуть у них хвостовой плавник, новый сформируется всего за две недели. Кости, кожа, кровеносные сосуды и нервы – все вырастет там, где и должно быть. Потрясающая способность к регенерации! Быть может, именно по этой причине пластические операции не особо популярны среди рыбок данио-рерио – много денег, боли, а через две недели нос опять такой же кривой, как и прежде. Можно удалить 20 % сердечной камеры рыбки, не сильно ее потревожив. Спустя короткий промежуток времени ткань снова вырастет, практически не образовав рубцов. Для регенерации рыбка активирует клетки сердечной мышцы, которые начнут делиться и заменят отсутствующую часть сердца. Людям было бы особенно полезно овладеть этим трюком, поскольку сердечно-сосудистые заболевания являются у нас причиной смерти номер один. В процессе развития наше сердце также обладает высокой регенеративной способностью, которая в значительной степени утрачивается в течение жизни. Возможно, мы научимся у данио-рерио сохранять эту способность.

Если люди научатся лечить парализованных людей, в этом будет заслуга и рыбок данио-рерио.

Нервная система рыбок данио-рерио также обладает большей способностью к регенерации, чем наша. Но все же, если ее перерезать, это будет уже чересчур. В их спинном мозге находится большое количество нейронов, которые действительно вырастают заново. Но кое-что восстановить не удается, например нервную проводимость, которая отвечает за рефлекс бегства. К сожалению, что у рыбок данио-рерио исключение, то у людей является правилом. Через спинной мозг наш головной мозг сообщает мышцам, что они должны делать. Пережив травму спинного мозга, например, по причине тяжелого несчастного случая или неудачной операции, можно на всю жизнь остаться в инвалидном кресле. Мы пока не умеем сращивать разорванный спинной мозг пациентов. Но может статься, что мы научимся этому у рыбок данио-рерио. И вновь прозрачные личинки окажутся нам полезными. Ведь у них можно наблюдать, как работают живые нервные клетки.

Благодаря этому различные вещества можно проверить на способность стимулировать рост нервов. У рыбок, таким образом, уже нашли способы регенерировать непослушные нервы. При этом разрывы нервных волокон постепенно зарастают, и даже упрямый рефлекс бегства снова работает безупречно.

Если мы сумеем заставить парализованных людей вновь начать ходить, в научных статьях обязательно упомянут тот вклад, который внесли рыбки данио-рерио.

Последний известный случай, когда исцеление парализованного человека якобы имело место быть, был описан в Евангелии от Луки 5:17–26. Но это было давным-давно, да и опытную величину n=1 вряд ли стоит упоминать. Кроме того, рыбки данио-рерио не сыграли тогда никакой роли.

У рыбок данио-рерио хорошее сердце и сильные нервы. Но это еще не объясняет, откуда Якоб узнал, какие водоросли обожает Мария. Представьте себе, что другие люди могли бы видеть, о чем вы думаете. Например, ваша подруга в тот момент, когда спрашивает вас, не набрала ли она лишний вес. Или ваш трехлетний двоюродный брат, желающий узнать, понравился ли вам рисунок, на котором он запечатлел вашу персону. Положа руку на сердце, признайтесь, насколько серьезно вы вляпаетесь? К счастью, наша голова не прозрачная. И даже если бы это было так, мы бы не смогли увидеть, что прямо сейчас творят клетки мозга. Личинке данио-рерио подобная роскошь недоступна. С такой прозрачной головой ее мозг могут увидеть все, а в 2013 году японским ученым даже удалось визуализировать ее мысли [43]. Так что не сообщайте личинке данио-рерио пин-код от вашей банковской карты! Со своими 100 000 клеток мозга она в любом случае его не запомнит.

Когда нейроны выстреливают, в их мембранах открываются кальциевые каналы, заставляя кальций проникать в клетки. Японские исследователи изменили гены рыбки таким образом, что в особой области мозга – оптическом тектуме – подавался световой сигнал, как только кальций поступал в клетки мозга.

Оптический тектум отвечает за обработку визуальных сигналов. Генетическая модификация позволяет клеткам головного мозга зажигаться, как только они выстреливают. С помощью функциональной магнитно-резонансной томографии (фМРТ) можно измерять активность мозга в течение продолжительного времени, но при гораздо более низком разрешении, и фМРТ практически не измеряет электрическую активность мозга, а только кровоток. С новым методом ученые стали совсем бессердечными: они размахивали едой перед носом у рыбки. При этом можно было наблюдать, как мозговая активность перемещается в ее голове. Когда еда двигалась слева направо, мозговая деятельность смещалась справа налево. Это уже считается чтением мыслей? Во всяком случае, на тот момент это было самое точное представление в реальном времени того, что происходит внутри мозга. И, скорее всего, никто все равно не захочет слушать мысли рыбы, у которой перед носом держат еду, но не дают съесть. Но, собственно, к чему такая зацикленность на мыслях рыб? Им известны секретные коды ЦРУ? Что, если после многолетних ресурсоемких исследований мы вдруг обнаружим, что они не могут сказать ничего интересного, кроме «бульк»?

В 2013 году Барак Обама запустил исследовательскую инициативу B.R.A.I.N. (Brain Research through Advancing Innovative Neurotechnologies), или «исследование мозга через продвижение инновационных нейротехнологий». Целью проекта является ни больше ни меньше, как составление карты всего человеческого мозга – описание всех наших нервных клеток. Чем же они там занимаются весь день? Мы знаем об этом на удивление мало, потому что наш мозг очень, очень, очень сложный. Это наисложнейшая структура из всех, что мы когда-либо обнаруживали в этой вселенной. Последовательное картирование планировалось проводить, выбирая организмы со все более сложным строением мозга, начиная с нематоды С. elegans (302 нейрона), переходя к плодовым мушкам (250 тысяч нейронов) и личинкам данио-рерио (100 тысяч нейронов), мышам (75 миллионов нейронов), обезьянам (6 миллиардов нейронов у макак) и заканчивая человеком (86 миллиардов нейронов). Более глубокое понимание нашего мозга не только поможет ближе познакомиться с нашими самыми загадочными органами, но и будет способствовать открытию новых методов лечения таких заболеваний, как болезнь Паркинсона, болезнь Альцгеймера, аутизм, шизофрения, депрессия и других. Разумеется, в связи с этим могут возникнуть футуристически-этические дилеммы, от которых даже опытные любители научной фантастики в слезах бросятся искать мамочку.

Робот с мозгом цифрового червя

Представьте себе, что вы невролог и живете в 2030 году. По утрам, когда вы просыпаетесь, робот-дворецкий чистит вам зубы, пока 3D-принтер распечатывает для вас одноразовую одежду на предстоящий день. Вы радостно усаживаетесь в свой беспилотный электромобиль, чтобы отправиться в свою компьютеризированную лабораторию. Сегодня большой день, вы впервые запускаете симуляцию человеческого мозга на суперкомпьютере. Вы включаете машину, загружаете программное обеспечение и нажимаете «Старт». Аплодисменты среди ваших коллег. Эта штука работает! Каждый симулированный нейрон ведет себя именно так, как можно было бы ожидать от настоящего. Шампанское открыто, грандиозные планы построены, оживленно ведутся дискуссии об исцелении всех возможных заболеваний мозга. Поздним вечером большинство ваших коллег уже дома или валяются в углу, напившись сильнее, чем обычно. Вы тоже чувствуете усталость, так что решаете выключить симуляцию и ехать домой. Но, когда вы собираетесь закрыть программу, на экране появляется текстовое сообщение: «Прошу, не выключайте, я слишком молод, чтобы умереть!»

Допустим, что на компьютере удастся смоделировать мозг человека с точностью 1:1, можно ли будет с ним общаться? А вдруг у него даже разовьется самое настоящее сознание? На эти вопросы так сложно ответить, что даже смиренные философы показывают средний палец, когда с ними заговаривают на эту тему.

В качестве посредника в споре должен выступать микроскопический червь-нематода С. elegans. Эти особи всего лишь в один миллиметр длиной бывают мужского пола, а также двуполыми. Их можно встретить практически повсюду. Копаясь в земле в саду, можете быть уверены, что действуете на нервы нескольким С. elegans. Этот червь придает особое значение точному количеству клеток в своем теле. Каждый индивид имеет ровно по 302 нейрона. Количество оставшихся клеток тела также является постоянным – 959 клеточных ядер у гермафродитов и 1031 у самцов. Идеальные предпосылки, чтобы стать первым живым существом, полностью воссозданным на компьютере! Open-Worm-Project, или проект «Открытый червь» – это проект с открытым исходным кодом, предназначенный для симуляции полностью функционального червя С. elegans на компьютере. Животное воссоздают в цифровом виде, клетка за клеткой, надеясь, что виртуальный червь будет вести себя в цифровой среде как настоящий. Самая большая проблема здесь – это мозг животного. Хотя связь между отдельными клетками мозга уже хорошо изучена, но будет ли симулируемый червь вести себя в точности как его реальный прототип? Чтобы это проверить, цифровой мозг червя скормили футуристической высокотехнологичной машине: роботу Lego.

Возможно, когда-нибудь мы сможем поместить цифровой мозг человека в робота, как сделали это с мозгом С. elegans.

Он небольшого размера, белый с серым, имеет три колеса, два из которых управляемые. Такие, скорее всего, можно запросто найти на блошином рынке по евро за штуку. Робот оснащен датчиками, передающими ощущения на компьютер, где симулируется цифровой мозг червя. Если на пути у робота оказывается препятствие, то он с помощью эхолота обнаруживает его и передает информацию в центр обработки данных. Нервные связи, с помощью которых С. elegans обычно управляет своими мышцами, в цифровом варианте соединялись с двумя колесами робота. После запуска этот маленький сорванец и вправду стал вести себя как червь. Он двигается вперед, когда активируются его датчики питания. Когда робот сталкивается с препятствием, он останавливается, разворачивается и удирает. Удивительно, что робота никогда не программировали на то, что он должен делать. Никто не учил цифрового червя двигаться по направлению к корму. Вместо этого его симулированный мозг самостоятельно выработал такое поведение.

Если можно симулировать простой мозг червя, который ведет себя, по крайней мере частично, как настоящий, так почему бы не создать нечто большее?

Сможем ли мы когда-нибудь поместить цифровой мозг человека в огромного робота Lego и прогуляться с ним по улицам?

Будет ли убийством разобрать робота с человеческим мозгом внутри, если из его кирпичиков захочется построить замок Lego? Дать правильный ответ на этот вопрос не так-то просто. Но, возможно, наш друг из Lego через пару лет сможет сам высказать свое мнение по этому поводу.