Трудно быть богом
Попытки искусственного сотворения жизни имеют давнюю историю. Когда Парацельс рассуждал о получении мышей из грязных рубашек и прорастающей пшеницы, жизнь казалась чем-то простым, а ее возникновение — привычным делом. По мере понимания невообразимой сложности живых систем надежда на их изготовление почти растаяла, но ее оживили успехи молекулярной биологии последних десятилетий.
Одна из попыток конструирования жизни предпринимается сейчас в Лос-Аламосе, американском научном центре, который прославило выполнение атомного проекта. Ведает построением жизни по заказу датский физик Стин Расмуссен (Steen Rasmussen), химической стороной проекта руководит китаец Ляохай Чэнь (Liaohai Chen). Кроме этой команды, подобными экспериментами занимаются десятки других исследовательских групп. Почему же тогда презентация, посвященная начатому проекту, открывалась слайдом «We are not crazy» — «Мы не сумасшедшие»? Оказывается Расмуссен намерение создать жизнь иной химической природы, нежели земная. Ученый не выходит за рамки органической химии, но ищет такие молекулярные решения, которые бы позволили до предела упростить строение живых (или псевдоживых) систем.
Чтобы оценить неимоверную сложность поставленной задачи, надо разобраться в том, что такое жизнь. Как известно, общепринятого ее определения нет1, но есть несколько подходов к формулировки такого определения. Поскольку земные организмы базируются на белках и нуклеиновых кислотах, можно вслед за Энгельсом характеризовать жизнь по ее биохимической основе. С другой стороны, ее можно описывать, перечисляя характерные свойства известных нам живых существ. Самым общим подходом является тот, который не связывает феномен жизни ни с определенными классами веществ, ни с конкретными явлениями, а рассматривает ее как термодинамический феномен. Жизнь — эволюционно совершенствующееся воспроизводство характерной структуры благодаря внешнему источнику энергии в соответствии с внутренней программой. Когда речь идет о земной жизни, мы можем детально описать характерную структуру (клетка с оболочкой на основе липидного бислоя, программа на нуклеиновых кислотах, преобразование энергии с ключевой ролью белков и т. д.) и типичные проявления ее функционирования.
Необходимо ли, формулируя понятие «жизнь», делать акцент на эволюционном развитии? Наверное, да, ведь именно это отличает «настоящую» жизнь от сколь угодно совершенного механизма. Все особенности живых систем — результат эволюции. Это означает не только то, что каждая особенность живых систем отшлифовывалась отбором на протяжении огромного времени. Сколь ни сложна современная жизнь, все ее характеристики могли возникать лишь эволюционно — путем совершенствования первоначально относительно простых приспособлений. В земной эволюции Афина не могла появиться из головы Зевса — ей надо было пройти путь становления длиной в 4 млрд. лет и сохранить в своем строении следы этого пути.
Кстати, согласно приведенному определению, ни вирусы, ни более простые молекулярно-генетические системы не следует считать живыми. Вирус — это молекула нуклеиновой кислоты, содержащая программу его сборки, белковые молекулы, обеспечивающие доставку этой кислоты и, иногда, еще кое-какие «детали», взятые у клетки-хозяина. Вся работа по производству вируса выполняется клеткой — действительным носителем жизни. Признавая вирус живым, мы должны считать живым и «письмо счастья», содержащее инструкции по собственному переписыванию и распространению.
Вирусы уже удалось скопировать искусственным путем: вирус полиомиелита мышей был собран мономер за мономером. Хотя искусственный вирус оказался по своим свойствам идентичен натуральному, как создание жизни этот результат пока не воспринимается.
Опробованные на вирусах технологии сейчас пытаются реализовать на клетках. Так, в Мэриленде работает команда под руководством Крэйга Вентера (Craig Venter), одного из активистов расшифровки генома человека, предоставившего для выполнения этой задачи не только свой собственный геном, но и усовершенствованные методы его прочтения. Эта группа пытается воссоздать по молекулам одну из самых простых клеток — микоплазму (Mycoplasma genitalium), возбудителя одной из половых инфекций человека. Микоплазма обходится всего 517-ю генами, причем их число можно и сократить (Вентер уже готов выбросить больше половины из них). Отключая в микоплазме один функциональный блок за другим, ученый планирует описать простейшую способную к самовоспроизведению конструкцию, а потом собрать ее из отдельных молекул.
Расмуссен пытается создать минималистскую альтернативу, основанную на других соединениях. Например, он решил отказаться от характернейшей особенности известной нам жизни: мембран. Мембраны, биологические оболочки, основанные на липидном бислое, кажутся неотъемлемой характеристикой жизни. Именно они ограничивают внутреннюю среду клетки и делят сложные клетки на отдельные отсеки. Расмуссен же намерен синтезировать протоклетки — так называемые мицеллы (находящиеся в водной среде наночастицы), собранные гидрофобными и иными молекулярными взаимодействиями. Основу мицелл, как и основу мембран, составят липиды — жироподобные вещества, с которыми свяжутся другие молекулы. Размеры мицеллы — 5–10 нм (крошечный комок по сравнению даже с чрезвычайно мелкой клеткой Mycoplasma genitalium, достигающей 200–250 нм).
Расмуссена не устраивают свойства ни ДНК, ни РНК — носителей информации у земной жизни. Надежда возлагается на пептидную нуклеиновую кислоту, ПНК — творчество датского ученого Питера Нильсена (Peter Nielsen), одного из участников описываемого проекта. ПНК совмещает способность к матричному копированию с ферментативной активностью. Хотя сейчас в живой природе это вещество не встречается, Нильсен предполагает, что ПНК могла быть тем самым биополимером, с которого и началась в свое время эволюция «большой» жизни.
Поскольку ПНК электропроводна, то, связав с одним ее концом фоточувствительную молекулу, можно обеспечить перемещение выбитого светом электрона по молекуле пептидной нуклеиновой кислоты. В конечном счете электрон должен вызывать перестройку молекулы «пищи», добавленной в культуральную среду. В результате из «пищевых» молекул должны получаться компоненты протоклетки, а молекулярные взаимодействия должны присоединять новые молекулы к мицелле, обеспечивая ее рост. Когда мицелла вырастет, она потеряет устойчивость и разделится на две части. Добавляя в среду «пищу», отводя отходы и поставляя световую энергию, мы получим размножающуюся популяцию искусственных протоклеток. Альтернативная жизнь, которую собирается создать Расмуссен, не будет способна самостоятельно существовать в земных условиях, однако для нее уже подбираются биотехнологические варианты использования.
Можно ли считать этот феномен жизнью? Да, утверждает автор проекта, уверенный, что научной победой будет даже один «жизненный» цикл новой конструкции. Однако с ним согласны далеко не все. Одно из фундаментальных свойств жизни — потенциально неограниченное во времени сохранение ее свойств — бессмертие. Сложный организм не может быть бессмертным, а самовоспроизводящаяся популяция — может. С потенциальным бессмертием жизни тесно связана ее способность к эволюции. О создании новой жизни можно будет говорить тогда, когда в условиях культуральной среды начнется отбор альтернативных конструкций протоклеток, приводящий к усовершенствованию их метаболизма и размножения. Если для «большой» жизни эволюция была условием ее возникновения, то о независимости «малой» можно будет судить только после первых ее эволюционных шагов.
Ну что ж, посмотрим, что получится у Расмуссена.
1 Такая ситуация парадоксальна для точных наук, но типична для биологии. Однозначные определения отсутствуют не только для жизни, но и для вида, организма, популяции, адаптации, эволюции, биосферы и многих других ключевых биологических понятий. Обратно к тексту
Генетический экспресс
Что толку, что наука установила генетическую предрасположенность к развитию многих болезней? Как это может помочь конкретному больному? Классический метод состоит в том, что специалист-генетик беседует с пациентом, узнавая, чем болели его родственники. Результатом беседы может стать, например, вывод: «раз среди ваших родственников много гипертоников, можно предположить, что у вас есть генетическая предрасположенность к этому заболеванию; вам нужно вести здоровый образ жизни, не дожидаясь первых симптомов повышения давления». Если эта истина сообщается человеку, который уже болен, от нее ничего не меняется: ничего не поделаешь, раз так на роду написано. А если подобный вердикт слышит здоровый человек? Вдруг он начнет вести правильный образ жизни и, «как дурак с чистой шеей», умрет, так и не узнав, что предрасположенности к гипертонии у него не было? Можно возразить, что он не проиграл, потому что вел здоровый образ жизни. А зачем тогда облекать пропаганду последнего в мантию генетического консультирования?
Конечно, есть ряд серьезных аномалий, передачу которых в ряду поколений можно проследить классическими методами. К счастью, эти аномалии встречаются редко. А для большинства граждан, предрасположенных к сосудистым, обменным или иным нарушениям, проявляющимся в зрелом возрасте, классические методики консультирования оказываются гаданием на кофейной гуще. Пока не появятся точные, быстрые и дешевые методы анализа предрасположенности к болезням того или иного человека, польза от генетических подходов в борьбе с наиболее распространенными болезнями невелика.
Не исключено, что ситуацию исправит разработанная в австралийском Университете Квинсленда технология, использующая geneballs («геношарики»). Фактически это модификация технологии биочипа: в микроскопических порах на поверхности маленького кварцевого шарика (доли миллиметра) находятся связанные образцы ДНК, комплементарные (дополнительные) последовательностям тех или иных дефектных генов. «Геношарики» помещаются в биологический материал, содержащий ДНК исследуемого человека (например, каплю крови с ДНК белых кровяных телец). Если в материале имеются последовательности ДНК, комплементарные тестовым, они связываются с поверхностью «геношарика». При анализе наследственности исследователь формирует необходимый для больного набор «геношариков» и обрабатывает его биологическим материалом. Затем «геношарики» освещаются лазером, который определяет, на каких из них содержится связанная ДНК.
Описываемая технология относительно недорога (диагностический комплекс стоит 30 тысяч долларов, а исследование одного пациента может быть достаточно дешевым). Хотя в новой идее нет научного «прорыва», она хорошо подходит для широкого использования. Революция в диагностике произошла?
Не совсем. Механизмы генетической предрасположенности известны далеко не для всех болезней. С другой стороны, технология «геношариков» может быть полезна и для поиска генетических маркеров при массовых обследованиях больных и здоровых людей. Кстати, ее можно будет использовать и для поиска других маркеров — например, определить по капле крови, пригоден ли человек для большого спорта. А интересно, есть ли генетические маркеры, коррелирующие с готовностью человека идти на конфликт с руководством?
Потренируемся на собаках?
Австралия решила ввести генетические паспорта для породистых собак. Новый порядок вначале будет добровольным, а с 2008 года приобретет обязательный характер — к размножению будут допускаться только животные, имеющие генетический паспорт.
Рзумеется, австралийцы пошли на этот шаг неспроста. Дело в том, что породы собак — это небольшие группы с пониженным генетическим разнообразием, в которых широко практикуется скрещивание с относительно близкими родственниками. Если какой-то из основателей породы внес в нее тот или иной дефектный ген, близкородственное скрещивание может резко повысить в ней «концентрацию» этого гена, что сокращает продолжительность жизни собак многих пород (особенно старых и немногочисленных), а со временем приводит даже к вымиранию исторически ценных пород.
Большая часть дефектных генов проявляется только в гомозиготном состоянии (у обладателей двух одинаковых копий опасного гена) и передается скрыто у гетерозигот (несущих одну дефектную, а одну нормальную версию гена). Классическими методами распознать гетерозиготного носителя болезни можно лишь анализируя его потомство (и наплодив при этом дефектных щенков). Современные методы позволяют по соскобу щечного эпителия, содержащему живые клетки, выявить носителей опасных для породы генов и отстранить их от размножения. А чтобы не перепутать овнов и козлищ, будут использоваться татуировки и внедряемые под кожу микрочипы.
В свое время в кинологию были перенесены технологии, отработанные на людях (индивидуальные паспорта, учет родословной). Способы «облагораживания породы», предлагавшиеся евгеникой, вовсю используются в селекции собак. Новый подход позволяет осуществить полный контроль над распространением нежелательных генов и убрать их за одно поколение. С другой стороны, практическая отработка методов генетической диагностики, идентификации личности (то есть особи) и использования полученных данных для евгеники (то есть селекции) может в дальнейшем пригодиться для перенесения «прогрессивных технологий» и на людей.
В космос ведь тоже первыми собаки полетели…
В деньгах ли счастье?
То, что восприятие качества жизни влияет на состояние здоровья, новостью не является. Каждый из нас может наблюдать это на своем окружении. Сложно, конечно, различить первичные и вторичные эффекты и определить, то ли здоровье у человека портится оттого, что его жизнь не заладилась и сам он впал в депрессию, то ли испорченное здоровье вызвало проблемы в эмоциональной области и социальных взаимодействиях. Ясно, что эти два комплекса проблем идут рука об руку.
Более того, абсолютной оценки качества жизни не существует и существовать не может. Сравните жизнь аристократа-феодала несколько веков назад с бытием современного клерка. В отношении бытовых удобств, гигиены, диетологии, здравоохранения, безопасности, возможностей для туризма и способов психической разгрузки жизнь шагнула далеко вперед. Разница только в том, что феодал мог и не ждать от жизни ничего лучшего, а клерк смотрит на «звезд» и нуворишей, завидует им и чувствует себя обделенным.
Сформулированные наблюдения могут показаться банальными. А каковы их психофизиологические механизмы? Чтобы объяснить один из «свежих» научных результатов, нужно вспомнить, что в большинство клеток тела встроен «часовой механизм», ограничивающий возможное число их делений. На концах хромосом есть особые участки - теломеры. С каждым клеточным делением от них «откусывается» небольшой кусок. После сокращения теломер до определенного уровня клетки теряют способность к делению. Лишь клетки зародышевого пути, а также некоторые стволовые и опухолевые клетки неподвластны этому эффекту.
С изучением описанного феномена связан один из потенциальных способов омоложения. Если бы мы смогли остановить или обратить вспять сокращение «шагреневой кожи» теломер, то сняли бы одно из существенных ограничений продолжительности жизни. Известны ферменты, способные решать эту задачу, осталось лишь обеспечить их желаемую работу. Впрочем, сейчас речь не об этом.
Британо-американская группа под руководством Тима Спектора (Tim D. Spector) установила, что скорость сокращения теломер зависит от социально-экономического статуса! Изучив хромосомы добровольцев, исследователи обнаружили, что, к примеру, для женщин бальзаковского возраста (паспортного) разница между социальными «сливками» и «люмпенами» по размерам теломер соответствовала семи годам. Естественно, быстрее жизненный запас сокращался у представителей групп с низким статусом. Тот же феномен удалось подтвердить близнецовым методом при исследовании генетически идентичных людей, живущих в разных условиях.
Зеленые осведомители
Задача криминалистики — восстановление прошедших событий, и в этом ей могут помочь любые, даже самые неожиданные данные.
Международные правозащитные организации при участии сотрудников Бирмингемского университета продолжают поиск массовых захоронений жертв террора в Боснии 1992–95 гг. До сих пор пропавшими без вести числятся около четырех тысяч человек. Многие братские могилы уже найдены. Их изучают, чтобы определить «почерк» палачей. Выяснилось, что такие захоронения покрываются специфической растительностью, в частности крапивой. Каждому виду растений свойствен уникальный набор пигментов и спектральные характеристики, на которые влияют условия произрастания. Таким образом, анализ этих параметров растительности со спутника позволяет находить места захоронений.
А вот австралийские эксперты уже готовы использовать для реконструкции преступлений семена и другие части растений, приставшие к обуви и одежде. Идея сама по себе не нова: если у человека, подозреваемого в преступлении, одежда в репьях, можно смело сказать, что он побывал на пустыре с лопухами. Технологическая же новинка заключается в расшифровке последовательностей ДНК найденных фрагментов растений, позволяющей установить, к какой популяции они принадлежат, и реконструировать маршрут объекта дознания.
Так что уйти от пристального внимания зеленых доносчиков становится все труднее.
Д. Шабанов. Трудно быть богом // Компьютерра, М., 2005. – № 6 (578). – С. 18–19
Д. Шабанов. Генетический экспресс // Компьютерра, М., 2004. – № 39 (563). – С. 13–14
Д. Шабанов. Потренируемся на собаках? // Компьютерра, М., 2004. – № 38 (562). – С. 17
Д. Шабанов. В деньгах ли счастье? // Компьютерра, М., 2006. – № 29 (649)
Д. Шабанов. Зеленые осведомители // Компьютерра, М., 2005. – № 31 (603)