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

 

 

Аюрведа в жару

Аюрведа в жару

Согласно Аюрведе, жаркая погода способствует разбалансировке Питта доши (огонь), которая ответственна за баланс ума и тела, управляет пищеварением, гормонами и другими метаболическими процессами тела. В это время важно сохранять баланс влажности в организме, чтобы лето было здоровым и радостным.

В соответствии с принципами Аюрведы, все дело не в температуре потребляемой пищи, а в ее свойствах! Каждый вид пищи классифицируется в соответствии с ее способностью давать тот или иной вид энергии, разогревающей или охлаждающей. Кислая, соленая или острая пища разогревает; сладкая, горькая или вяжущая - охлаждает.

Для того чтобы Ваш внутренний термостат работал правильно и в соответствии с погодными условиями, необходимо выбирать правильную пищу и управлять своим состоянием. Также Аюрведа рекомендует определенные эфирные масла, обладающие охлаждающим эффектом, для регулирования Питта доши. Правильная еда и уход за кожей помогут сохранить прохладу и свежесть во время жарких летних дней.

Подробнее...

ZOOM

Зум (Zoom) - эффект или картинка в картинке, уложенные матрешкой, весьма популярен в интернетах и не только (финал "Люди в черном", одна из заставок к "Симпсонам", фильмы "Фавориты луны" и "Полнолуние"). Самыми известными являются, пожалуй, эти 30 нехитрых картинок, скан старой американской книги, были опубликованы в интернетах давно, однако периодически их снова кто-то открывает заново. Замечательный ZOOM американского художника венгерского происхождения Иштвана Баньи (Istvan Banyai) — комикс, в котором каждый следующий фрейм включает в себя предыдущий, таким образом зритель все время отодвигается от первичной сцены, по дороге понимая, что максимальный зум (увеличение) был в самом начале...

Подробнее...

Методические рекомендации воспитателей

 


Воспитатель Кузьмина Татьяна Валентиновна


СОДЕРЖАНИЕ


1. РАЗВИТИЕ ХУДОЖЕСТВЕННО-ТВОРЧЕСКИХ СПОСОБНОСТЕЙ ДЕТЕЙ - ВАЖНЫЙ ПУТЬ В ГУМАНИЗАЦИИ ПЕДАГОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА.


2. ЗНАЧЕНИЕ ЛЕПКИ ДЛЯ ХУДОЖЕСТВЕННО-ЭСТЕТИЧЕСКОГО ВОСПИТАНИЯ ДЕТЕЙ.


3. ОРГАНИЗАЦИЯ ЗАНЯТИЙ ЛЕПКОЙ В ДОШКОЛЬНОМ УЧРЕЖДЕНИИ. 
• ОСНОВНЫЕ ЗАДАЧИ И ПЛАНИРОВАНИЕ ЗАНЯТИЙ. 
• РАЗНООБРАЗИЕ МАТЕРИАЛОВ ПРИ ОБУЧЕНИИ ДЕТЕЙ ЛЕПКЕ. 
• СПОСОБЫ ЛЕПКИ ДЛЯ ИЗОБРАЖЕНИЯ ОБЪЕМНОЙ ФОРМЫ. 
• ВИДЫ ЛЕПКИ. 
• ИНТЕГРАЦИЯ ЛЕПКИ И ОЗНАКОМЛЕНИЯ ДЕТЕЙ С ИСКУССТВОМ.


4. ЗАКЛЮЧЕНИЕ.


5. ПРИЛОЖЕНИЯ. 

Одним из основных принципов работы дошкольного учреждения на современном этапе развития нашего общества, исходя из Концепции дошкольного воспитания, является гуманизация педагогического процесса. Ее основной смысл – поставить в центр внимания всей педагогической деятельности ребенка, удовлетворение его потребностей в активной деятельности, развитие его способностей, творчества, воображения, обеспечение его эмоционального благополучия. 
Важный путь в гуманизации педагогического процесса – усиление внимания к эстетическому воспитанию и развитие художественно-творческих способностей всех детей, воспитывающихся в дошкольном учреждении. А одно из условий – приоритетное внимание к специфическим видам деятельности, в том числе изобразительной. 
Для ребенка, который воспитывается под влиянием изобразительного искусства, мир становится многозначным, многообразным, многоцветным, добрым и прекрасным, а сам ребенок - здоровым и успешным.


Наше дошкольное образовательное учреждение – «Детский сад №114 ОАО «РЖД», опираясь на традиции и богатый опыт коллектива, выбрало в качестве приоритетного художественно-эстетическое направление.

С 2005 года детский сад ведет опытно-экспериментальную работу «Педагогическая модель художественно-эстетического образования в дошкольном учреждении». Цель эксперимента – разработать и обосновать педагогическую модель художественно-эстетического образования в дошкольном образовательном учреждении, обеспечивающую высокоэффективную индивидуальную и коллективную деятельность, позволяющую достигнуть повышение качества образования в художественно – эстетическом развитии воспитанников при рациональных затратах и времени всех участников педагогического процесса.

Одна из задач - развитие разнообразных художественно-творческих способностей детей.

Подробнее...