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

 

 

Каков он, мир искусства?

Каков он, мир искусства?Первая и главная задача текста – создать эффект присутствия вас в моей голове. Которая несовершенна, и которая может, а раз может, то обязательно ошибется. И вам решать где сознание запуталось, где чувствует себя жрецом и вещает на подобии оракула, не имея никакого на это права. На последок замечу, что к искусству автор относится как зритель, и претендует лишь на свое виденье но вовсе не на истину о нем.

Стало уже общим местом в среде современного общества давать различные, мало в чем схожие определения искусству. Разногласия которые обнаруживаются в вопросе о том, что же считать искусством наверное будут существовать всегда. Некоторые даже ухитрились ловко приручить имеющийся хаос и выставляя свои, непонятно к чему относящиеся творения, клеймить всякого кто пытается последние критиковать ярлыком профана в области настоящего искусства. Прочие смирились с фактом того, что никогда не поймут. Другие, стесняясь одной даже возможности своего плебейского происхождения, с поразительно умудренным видом поглощает порнографические галереи и даже покупают часть творений, чтобы в другой раз им как знатокам налили побольше вина. Мир современного искусства, на постсоветском пространстве часто представляет из себя клуб знакомств. Слишком умные для клубов девицы и парни, а также в особенности те чей пол с трудом определим(последние впрочем не брезгуют и клубами, гармонично совмещая массовую культуру с культурой, по своему происхождению призванной быть полной ее противоположностью) , выбирают такие места для тусовки. Трудно сказать чем они руководствуются. Может желанием быть элитой, при ущербной своей ограниченности лишь созерцательными способностями. Возможно, отсутствием интереса к настоящему искусству, которое(отсутствие) в силу того что в нас от ребенка, вызвало непреодолимое желание построить свою песочницу. Или банальной ленью разбираться в вопросе собственного вкуса и отсутствием желания поиска того что действительно задевает. Последнее вызывает удивительно редкую, даже для мира животных, всеядность. А если где-то рождается жажда, то чудесным образом активируются те, кто способен ее унять.

Подробнее...

Архангел Михаил через Барбару Бессен в июле 2011 года

МЕЧ ВЕРЫ, СВЕТА И ЛЮБВИ!

Дорогие Мастера! Сердечно вас приветствую! Для меня большая честь Здесь и Сейчас быть с вами. Я прихожу не просто так. Я пришёл вас поприветствовать и предложить моё сопровождение. Я ЕСМЬ АРХАНГЕЛ МИХАИЛ.

Давай поговорим с тобой, находясь в близком контакте, чтобы передать тебе мою энергию. Меня часто называют защитником Земли. Вместе с моими легионами я охраняю поле этой планеты. Бушевала и продолжает бушевать битва титанов. Это борьба между добром и злом, между мужским и женским полами. Это разделение бытия, которым заняты люди. Сейчас этот период завершается и придаёт людям неуверенность. Они запутываются в собственных эмоциях по поводу всего, что появляется в их жизни и кажется вышедшим из-под контроля. Это часть происходящих событий, дорогие Мастера.

 

Почему я называю вас Мастерами?

Вы - те, кто оттачивает здесь своё Мастерство быть Человеком.

Мы проникнуты к вам большим уважением, и снимаем шляпу в глубоком поклоне.

Ты знаешь, что ты – Мастер?

Ты думаешь, что ты только лишь человек.

Но ведь ты знаешь всё, что знаю и я, просто в тебе ещё не всё открыто.

Ты считаешь себя незнающим и ущербным.

Поверь, глубоко в тебе спрятано ядро знаний, которое тебе нужно раскрыть.

Подробнее...

Окислять или ощелачивать?

Кислотно-щелочной баланс организма.

Окислять или ощелачивать?

Подробнее о том какими продуктами ощелачивать организм http://coraltula.my1.ru/

Кислотно-щелочной балансИзучая вопросы, связанные с народной медициной, я столкнулся с противоречиями насчёт кислотно-щелочного баланса в организме. Известна ссылка на учёного Отто Варбурга, получившего Нобелевскую Премию за открытие того, что раковая клетка в щелочной среде не может размножаться. На этом строится теория,о том, что лечить рак следует ощелачиванием организма.

Наш же учёный, академик Болотов успешно лечил рак, напротив, окислением внутренней среды (при помощи своих лекарственных квасов). Другой врач-самоучка Н.Климчук также придерживается точки зрения об окислении организма для лечения раковых опухолей. Он тоже успешно практиковал лечение рака при помощи обыкновенного противогрибкового препарата трихопола, закисляющего раковую опухоль и тем самым, побеждающегоеё. Кому же верить?

Теоретизировать можно сколь угодно долго, любую теорию могут напрочь побить практические факты. А факты таковы: и Климчук и Болотов успешно занимались лечением рака. Варбург никого не вылечил и не занимался лечением вообще! Да и вспомним сами, как мы лечимся при заболеваниях, питьём кислого или щелочного? Кислого, разумеется! Кислых соков,например.

Подробнее...