Неогенетика: кто займется программированием живых организмов?

 

  Любой организм - это реализация программ, зашифрованных в геноме. Гены не просто кодируют белки, они могут взаимодействовать между собой.

В последнее время ученые активно занимаются не только расшифровкой генетических программ, но и написанием (а затем и внедрением в живые клетки) своих собственных.
 
Еще недавно о том, чтобы создавать клетки, выполняющие заложенные человеком программы, можно было только фантазировать, но на наших глазах это становится реальностью. Используя живую клетку как "болванку", ученые могут вкладывать в нее созданные ими алгоритмы (пока довольно простые). В будущем запрограммированные клетки могли бы лечить неполадки в нашем теле, производить нужные нам вещества (лекарства, топливо).

Чтобы "перепрограммировать" клетку недостаточно добавить тот или иной ген ("ген способности вырабатывать биотопливо"), нужно построить систему, в которую входят взаимодействующие друг с другом гены и их продукты - белки. Такие системы называются генными сетями.
 
Гены сплетаются в сеть

Ген - это участок ДНК, кодирующий один белок. Белки в клетке выполняют всю основную работу. В середине прошлого века ученые выяснили, что они также могут влиять на активность генов (под активностью гена понимается скорость синтеза с него белка: чем более он активен, тем больше с него синтезируется белка за единицу времени).

Для того чтобы белки могли управлять генами, в молекуле ДНК присутствуют особые регуляторные участки. Присоединение к ним белков приводит либо к увеличению, либо к уменьшению (вплоть до "выключения") активности некоторого гена. У одного гена может быть несколько регуляторных участков - своего рода рычагов управления, к которым могут присоединяться различные белки.

Зачем же нужно управлять активностью генов? Рассмотрим для начала относительно просто устроенные организмы - одноклеточных. Зачем организмам генные сети?
У всех живых организмов за "переваривание" пищи отвечают особые белки - ферменты. Пусть некоторая группа ферментов служит для переваривания какого-то питательного вещества, например, лактозы - любимого лакомства некоторых бактерий. Время жизни фермента (его ресурс) ограничен, а производство новых белков требует затрат энергии. Поэтому, если в течении длительного времени данного питательного вещества в среде нет, то белки для его переваривания выгодней не производить.

Именно так и поступают бактерии. У них есть один управляющий ген, который включает или выключает гены, кодирующие белки, необходимые для расщепления лактозы. Активность этого управляющего гена зависит от наличия лактозы в среде. Получается, нечто вроде подпрограммы, которая запускается лишь тогда, когда она нужна.

В самом начале своей жизни каждый из нас был всего одной клеткой. Она многократно делилась, и в итоге из ее копий было построено наше тело. Генотипы всех клеток нашего организма одинаковы, ведь молекула ДНК копируется при делении очень точно. Возникает вопрос: почему же тогда сами клетки разные?
 
 

Во время развития эмбриона мухи дрозофилы различные гены
активируются в разных частях тела, благодаря чему они отличаются друг от друга

Объясняется это тем, что только небольшая часть генов внутри клеток находится в активном состоянии. В разных клетках набор "включенных" генов различен, а значит, в них будут синтезироваться разные белки, они будут работать по различным программам, то есть отличаться внутренне и внешне. "Судьба" клеток (какой стать нервной клеткой, а какой - мышечной) решается во время развития зародыша.
 
Генные сети внутри нас

Искусственные часы были изобретены человечеством около 4-х тысяч лет назад. Но природа придумала часовой механизм намного раньше - за миллиарды лет до этого. Даже в примитивных бактериях существуют процессы, ежесуточно отмеряющие время (они называются циркадными).

Есть такие внутренние биологические часы и внутри людей. Они позволяют организму находиться в оптимальном для данного времени суток состоянии и управляют циклом сон-бодрствование.

Основные часы находятся в одной из областей головного мозга - супрахиазматическом ядре. Генные сети, функционирующие в нейронах, меняют их состояние. Нервные клетки передают сигналы дальше, вызывая в нас желание спать ночью и бодрствовать днем, а также подстраивают работу внутренних органов. От сетчатки глаза в супрахиазматическое ядро идет пучок нервных волокон, что позволяет "подводить" часы под режим смены дня и ночи (поэтому мы можем постепенно втягиваться в правильный ритм после дальних перелетов в другие часовые пояса).
В начале XXI века ученые смогли разобраться, как именно работают такие часы. Было найдено более 50 "часовых" генов, на взаимодействии которых и построен этот механизм.
 

Схема основных взаимодействий генов и белков внутренних часов

В этой сети существует две сигнальные цепочки, показанные оранжевыми и голубыми линиями. Они активируются друг другом поочередно, что можно сравнить с колебаниями маятника. Дополнительные элементы нужны для большей стабильности механизма в целом (вопреки случайностям молекулярных взаимодействий) и для "подводки" часов.
У большинства людей весь описанный цикл проходит за 24-25 часов, но при некоторых мутациях он может сильно отклоняться, что приводит к появлению "настоящих", ярко выраженных сов и жаворонков.
 
Расшифровка генных сетей

Выше - лишь несколько функций, выполняемых благодаря взаимодействию генов. На самом деле их гораздо больше. Это наиболее древний (из сохранившихся) метод управления в живых системах. Он отвечает за основные клеточные механизмы (рост, деление, переваривание или запасание питательных веществ). Генные сети можно сравнить с ассемблером - одним из наиболее низкоуровневых языков программирования для компьютеров.

Чтобы расшифровать генную сеть, нужно найти взаимодействующие гены и выяснить характер (торможение или активация) и силу их связи. На основе полученной информации можно строить компьютерные вычислительные модели, которые просчитывают эти взаимодействия. Этим занимаются молекулярные биологи и биоинформатики. У расшифровки генных сетей есть два главных практических применения: медицинское и технологическое.

Ряд заболеваний (особенно "возрастных") происходит из-за разлада механизмов взаимодействия генов. Генные сети активно используют вирусы, когда проникают в клетку хозяина. Для поиска средств борьбы с этими напастями фармакологические компании проводят огромное число опытов с вероятными претендентами на роль эффективного лекарства. Обладая моделью происходящих внутри клетки процессов, подобные опыты можно проводить не на лабораторных животных, а при помощи компьютерного моделирования, что и дешевле и быстрее. Подобные модели позволяют искать как потенциальные мишени для лекарств, так и лекарственные вещества, воздействующие на них. Это обеспечивает интерес (выражающийся в финансировании) медицинских компаний к расшифровке генных сетей.

Другим возможными практическим применением генных сетей является "программирование" живых клеток на выполнение нужных нам функций. Это может быть синтез лекарственных веществ (антибиотики и не только), биотоплива, кормов для животных и не только.
 
Синтетическая биология

В последнее десятилетие зародилась и становится все более популярной синтетическая биология. На протяжении веков биологи изучали организмы, созданные природой в ходе эволюции. Идея синтетической биологии в том, чтобы самим проектировать живые системы с нужными свойствами. Это нужно не только для практических задач, но и для фундаментального познания природы. Ведь единственный способ действительно понять что-то - научиться делать, конструировать.

В синтетической биологии существуют два основных направления. Первое - создание простейших живых систем "с нуля". Второе - внедрение в живую клетку искусственных геномов или их участков. Разница примерно такая же, как между созданием компьютера и написанием для него программы. Первое - еще не удается, а вот второе - вполне.

Первым успехом по внедрению искусственной генной сети стало создание Майклом Еловицом (Michael Elowitz) и Станисласом Лайблером (Stanislas Leibler) "Репрессилятора" (Repressilator), который заставлял бактерий "мигать" наподобие новогодней гирлянды. Схема его простая: три гена, последовательно тормозящие друг друга, и еще один, который вырабатывает светящийся белок.
 
 

Ген GFP вырабатывает светящийся белок, а остальные входят в "часовой механизм"
 

Компьютерное моделирование показывало, что подобная схема должна привести к периодическим колебаниям в активности генов. Это же показали и живые бактерии, которым были внедрены (при помощи плазмид, небольших участков ДНК, которые самостоятельно встраиваются в геном бактерий) нужные гены. Что любопытно, несмотря на то, что генная сеть "Репрессилятора" была для каждой бактерии одинакова, вели они себя немного по разному: активность генов у них менялась с разным периодом, а у некоторых и вовсе не наблюдалось колебаний. Это объясняет, зачем для создания естественных "внутренних часов" (которые работают, к счастью, гораздо надежнее "Репрессилятора") эволюции потребовалось не три гена, а несколько десятков: дополнительные контуры отрицательных и положительных связей повышают надежность системы.

В январе прошлого года в Nature была опубликована статья, в которой авторы (Джефф Хэсти (Jeff Hasty) и его коллеги описали создание и внедрение генной сети, обеспечивающей не только колебание уровня флюоресцентного белка, но и обмен сигналами между отдельными клетками, позволявший выполнять синхронизацию свечения между ними.


Модель взаимодействия трех генов и результат ее работы.


Вначале они разработали вычислительную модель подобной сети и проверили ее работоспособность на компьютере. Затем, при помощи вирусов, они встроили живым бактериям нужные гены, позаимствованные из двух видов других бактерий (наподобие того, как собирался монстр Франкенштейна) и наблюдали за поведением клеток. Бактерии вели себя очень схожим с предсказанным образом, постепенно переходя в синхронный режим колебаний.
 

Создаются уже и применимые на практике разработки. Так биолог Дрю Энди (Drew Endy) из MIT занимается созданием биодетектора скрытых мин. В бактерии внедряется несколько взаимодействующих генов, которые кодируют белки-рецепторы (активизирующиеся тротилом) и сказанные с ними флюоресцентные белки. Затем микроорганизмы распыляются на местности. Там, где есть тротил в почве (а он неизбежно просачивается из мины наружу), бактерии синтезируют флуоресцентный белок, после чего в темное время суток мины можно обнаружить по свечению, которое испускается микробами.
 
Пусть меня научат
 
В России биоинформатикой занимаются в лабораториях Михаила Гельфанда (Институт проблем передачи информации) и Вадима Говоруна (Институт биоорганической химии). Находят там свое место люди различных специальностей: и биологи, и физики, и математики, и программисты.
 
Манолов Александр,
Институт Высшей Нервной Деятельности и Нейрофизиологии РАН,
аспирант / CNews

 

 

О Вегетарианстве

О ВегетарианствеПара слов о вегетарианстве. В нынешнем времени быть строгим вегетарианцем получается трудно. Но лучше, если В ОСНОВНОМ наша диета - вегетарианская.

Наш организм стареет от растительной пищи медленнее, чем от животной.
Растительный рацион повышает сопротивляемость организма к разным заболеваниям...
Не будем перечислять то, что общепризнанно. Поговорим о психологической стороне, как вегетарианство влияет на психику?

Пища, исключающая мясо считается успокаивающей. Вспомните поведение животных, которые потребляют мясо, и животных, пытающихся растительностью. Вспомните клетки в зоопарке, например тигров, львов, волков… и буйволов, слонов, гиппопотамов… Первые - неспокойны. Вторые – спокойны.

Есть еще и психологический момент. Отказываясь от мяса, человек ежедневно упражняется в своем сострадании ко всем живым существам. Какая разница, убивает он животных сам, или лишь покупает их мясо, оставив другим само убийство. Спрос порождает предложение, и каждый, покупающий мясо, санкционирует убийство животных.

Подробнее...

Нравственность и духовность

 

 

Плохо написанные книги по духовному развитию и самосовершенствованию человека внесли много путаницы в вопросы, которые они наоборот должны были прояснить и сделать понятными неискушенному читателю. Зачастую их авторы ставят слова «нравственность» и «духовность» рядом и употребляют их едва ли не в качестве синонимов, что в действительности коренным образом противоречит исконному значению данных терминов. Достаточно открыть любой словарь, чтобы убедиться в очевидном факте: нравственность и духовность — это не одно и то же. Иначе говоря, нравственный человек не обязательно может быть духовной личностью, а духовный человек вполне может оказаться в высшей степени безнравственным. Нравственность представляет собой совокупность норм, определяющих поведение человека, либо поведение человека, основывающееся на таких нормах. Определение духовности выглядит следующим образом: духовная, интеллектуальная природа, сущность человека, противополагаемая его физической, телесной сущности; стремление к совершенствованию, высоте духа.

Нетрудно заметить, что нравственность относится к сфере межличностных отношений и является характеристикой установленных в обществе правил поведения. Нравственный поступок не обязательно является следствием высокой духовности. Человек может поступать «нравственно» в силу привычки, воспитания или из боязни быть наказанным. Ничто из этого нельзя считать подлинно нравственным поведением, требующим, в первую очередь, осознанность и четкого понимания причин собственных поступков. С точки зрения стороннего наблюдателя человек может вести себя нравственно, но при этом не иметь в душе никаких побудительных мотивов к совершению подобных поступков. Просто он слепо копирует установленные обществом стандарты поведения, чтобы не выглядеть «белой вороной.

Подробнее...

Проекционные зоны на теле человека

Проекционные зоны на теле человека

Вообще, одним из самых длительных заблуждений медицины была уверенность, что кожа выполняет простую роль защитной оболочки. Причем, роль пассивную, являясь просто неким прикрытием (типа дерматина) для мышц и сосудов. Только в нашем веке стали известны выделяющая, депонирующая, антимикробная функции. Как важная железа внутренней и внешней секреции кожа тесно связана со всеми внутренними органами. Вытяжки из кожи могут действовать как стимулирующие, сосудосуживающие и антисептические средства. Немецкий ученый Шмиц объявил кожу "самой большой эндокринной железой".
А чувствительная сфера? На один квадратный сантиметр кожи приходиться 2 тепловых, 12 холодовых, 25 осязательных и 150 болевых точек. Народные лекари Древнего Востока считали, что через кожу болезни входят и выходят из организма. Крупнейшие врачи древности довольно успешно пытались лечить болезни внутренних органов через кожу. 
Иногда и без прикосновения участок тела (кожи, мышцы, связки, надкостницы, сосуда), являющийся представителем определенного внутреннего органа, начинает болеть самостоятельно, и сила болевого ощущения обычна пропорциональна патологическому состоянию данного органа – чем больше болит, тем хуже состояние органа.
Состояние внутренних органов воздействует на внешний вид проекционных зон. Примером могут служить появляющиеся вновь или увеличивающиеся при хронической патологии родинки, папилломы, кератомы, кондиломы. Возникновение сосудистого рисунка на коже лица, покраснение или посинение губ, ногтей, изменение внешнего вида тела - это все реакция периферических проекционных зон на внутренние нарушения и патологии.

Подробнее...