Old News: Evolution of Clonal Rotifers, Super Mice, and Organ Printing

Без сексу, але й без наручників
Навіщо потрібне статеве розмноження? В еволюційній біології існує загальноприйнята відповідь: воно забезпечує рекомбінацію («пересочетання») спадкової інформації. Якщо різні особини в популяції мають різні гени, поєднання яких дасть позитивний ефект, статеве розмноження рано чи пізно забезпечить «зустріч» цих генів в одній особині. Більше того, якщо дві схрещувані особини мають два несприятливих гени, частина їхнього потомства буде позбавлена обох недоліків.
У популяційній генетиці існує поняття «шпилька Мюллера». Шпилька — це зубчасте колесо з зубцями, загнутими в одну сторону, як у наручниках. Таке колесо може обертатися лише в одному напрямку — затягаючи наручники. У популяції організмів, розмноження яких відбувається без генетичної рекомбінації, кількість несприятливих мутацій має безперервно зростати. Шпилька Мюллера працює щодо як безстатевих організмів, так і тих, у кого статеве розмноження є, а рекомбінації немає. Найпоширеніша форма статевого розмноження без рекомбінації — партеногенез (незаймане розмноження). При ньому самки утворюють яйцеклітини, які без запліднення розвиваються в нових самок. Формально будучи різновидом статевого розмноження (бо новий організм розвивається з статевих клітин), з точки зору рекомбінації партеногенез відповідає безстатевому розмноженню.
Відомі, до речі, ще більш екзотичні форми статевого розмноження без рекомбінації. У міжвидових гібридів зелених жаб (і деяких інших амфібій, а також ряду риб і комах) материнський або батьківський набір хромосом може передаватися з покоління в покоління клонально (як єдине ціле, без рекомбінації). Шпилька Мюллера підкручує рівень накопичення мутацій і в цьому випадку.
…Міжнародна колективність генетиків досліджувала молекулярні механізми стійкості коловраток до висихання. Коловратки — тип дрібних первиннопорожнинних водних тварин. Яскравою особливістю багатьох з них є коловоротний (колесоподібний) апарат з війок біля рота. Часто ці багатоклітинні тварини менші за багатьох одноклітинних! Для більшості з них характерний спосіб життя, при якому після ряду поколінь, що складаються з партеногенетичних самок, окрім самок з’являються і самці, забезпечуючи справжнє статеве розмноження. А у представників класу Bdelloidea, що існують не менше 40 мільйонів років (ймовірніше — 80 або 100 мільйонів), самців і статевої рекомбінації не буває.
Відмовившись від рекомбінації, ці тварини мали запустити шпильку Мюллера. Що може виправдати такий шлях еволюції? Можливість набуття функціональних відмінностей між двома хромосомними наборами! У журналі Science повідомляється, що стійкість до висихання бделоїдної коловратки Adineta ricciae пов’язана з двома білками, один з яких захищає мембрани, а інший — інші білки. Ці два білка утворюють два гени, колись будучи двома алельними формами одного й того ж гена. Припинення статевої рекомбінації дозволило цим генам і продуктам їхньої активності спеціалізуватися на різних функціях. Якби предки нинішніх коловраток продовжували схрещуватись один з одним, половина з них мала б або дві копії гена, що відповідає за захист білків, або дві копії гена — захисника мембран, а володіння цими білками окремо практично безкорисне.
А як впоратись із шпилькою Мюллера? «Рецепт» простий — висока плодовитість і висока смертність, що дозволяє відбору зберігати лише ті лінії безстатевих самок, у яких рівень мутацій не загрожує їх існуванню. Збереження лінії бделоїдних коловраток вимагає більшої кількості смертей, ніж збереження організмів, що практикують секс. Але чи шкодують коловратки про це?

Супермишки: де ж підступ?
Усі новинні агентства обійшли новину про створення «супермишок». Почнемо з того, що про це пишуть. У Case Western Reserve University (Клівленд, Огайо) колектив із п’ятнадцяти дослідників під керівництвом Річарда Хансона (Richard W. Hanson) вивів мишей, що володіють значно більшими фізичними можливостями, ніж звичайні особини. Генетично‑інженерними методами у звірят активували один із важливих ферментів, що беруть участь у видобутку енергії при розщепленні органічних сполук, — фосфоенолпіруват‑карбоксикиназу.
Зв’язавши ген, що відповідає за синтез тієї форми ферменту, яка зазвичай працює в печінці, з регуляторним ділянкою, відповідальним за синтез актина (білка м’язів), дослідники змусили працювати «печінкову» форму ферменту і в м’язах. У кращій лінії супермишок активність фосфоенолпіруват‑карбоксикинази становить 9 одиниць на грам м’язової тканини порівняно з 0,08 одиниці у звичайних особин!
У рутинній роботі генетика важливо не лише спробувати вставити потрібний ген у заплановане для нього місце. Потрібно обрати ті особини, у яких ця процедура спрацювала. Звичайно, експериментатори провели певні біохімічні тести, але мишенят, у яких печінковий фермент запрацював у м’язах, було і так не важко дізнатись: вони практично весь час бігали і стрибали, демонструючи десятикратно зрослу фізичну активність ("скакали по клітці, як смажений попкорн")! А далі несподіванки сипалися, як з рогу достатку.
"Супермишки" (яких коректніше називати PEPCK‑Cmus мишами, згідно з умовним позначенням активованого ферменту) використовують для отримання енергії не стільки глюкозу, скільки жирні кислоти. У їхніх м’язах практично не накопичується молочна кислота, і, отже, вони майже не знають втоми… Такі гризуни їдять на 60% більше, ніж нормальні, але при цьому не набирають вагу і навіть мають знижену масу тіла. Вони майже втричі довше живуть. Вони значно інтенсивніше розмножуються. Їхні самки продовжують приносити потомство у два з половиною року, тоді як звичайні миші втрачають здатність до розмноження у віці одного року! Ці миші агресивніші, що, у поєднанні з набагато кращою фізичною формою, забезпечить їм перемогу у сутичці з будь‑якою звичайною мишою1.
Стало ясно, що активація лише одного ферменту призвела до переналаштування і активації всього метаболізму генномодифікованих тварин. Механізм, що забезпечив таку переналаштування, ще вивчати і вивчати.
Наразі отримано близько п’ятисот супермишок. Звичайно, одразу постало питання, чи можна подібним способом отримати суперлюдей. Якщо відкинути етичну сторону питання2, ця можливість здається цілком реальною. Ми і миші біохімічно влаштовані практично однаково. Не будемо поки задумуватись про те, що буде, якщо таких мишей випустити в наших містах, і не будемо обчислювати, коли на старт вийдуть спортсмени з генномодифікованими ключовими ферментами. А ось питання, на яке хочеться отримати відповідь вже зараз: чому це виявилось можливим?
…Продавці різноманітних панцеїв явно чи неявно спираються на мало чим підкріплену ідею: наш організм може працювати набагато краще і інтенсивніше, треба лише його підштовхнути. Чим? Звичайно, черговим «новаторським» продуктом. У більшості випадків виявляється, що за підштовхування організму доводиться чимось платити. Підвищилася загоюваність ран? Можливо, зросте і ймовірність новоутворень. Зросла фізична активність? Швидше за все зростуть і шанси інфаркту3. Наш організм не так вже погано «спроектований»: його важливіші параметри визначалися як компроміс між протилежними потребами пристосування до середовища і відточувалися в тривалій еволюції. Ну добре, людина: не так давно вона різко змінила спосіб життя, і попередні налаштування її організму могли виявитися неадекватними. Миша зроблена краще. Чому незначна зміна її ферментів могла настільки підвищити ефективність функціонування організму?
Як би не боялись генетичної інженерної процедури її противники, у самому зміненні генів і навіть вбудуванні в них чужорідних фрагментів немає для еволюції нічого нового. У супермишок у м’язах штучно активовано ген PEPCK‑Cmus. Така ж активація могла відбутись і природним шляхом. Прогнозуючи, як має діяти природний відбір, ми припустимо, що така миша наголову розіб’є всіх своїх конкурентів: вона більш витривала, більш агресивна, довше живе і залишає більше потомків! Більше їсть — це дрібниці, важливіше не скільки тобі потрібно ресурсів, а чи встигнеш ти їх отримати чи ні4. Якщо все так, то чому світ досі не населений супермишами (суперщурками, супервовками тощо)? Мабуть, десь схований підступ: недоліки такого «суперметаболізму». У чому вони?
Не могло ж бути так, що генні інженери своїми примітивними методами знайшли рішення, яке залишилось не знайденим еволюцією, створивши і мишей, і ферменти! Безкоштовний сир буває лише в мишоловці. Де ж її пружина?

1 Куда там Микки‑Маусу! Повернення до тексту

2 Хоча хто її відкине! Повернення до тексту

3 Тут мова йде не про конкретну «ціну», а про сам факт її наявності. Повернення до тексту

4 Наприклад, ссавці і птахи споживають значно більше ресурсів, ніж їхні родичі, що не підтримують постійну температуру тіла. І нічого: вони виграють саме завдяки більшій швидкості споживання ресурсів (существенна частина яких витрачається на терморегуляцію). Повернення до тексту

Здоровий друкований орган

Вставка:
Чому клітини, потрапивши в абсолютно проти­природні умови, поводяться адекватно? Ми звикли вважати, що доцільність живих організмів — наслідок природного відбору, який зберіг лише ті організми, реакція яких на впливи середовища була «правильною». Але ж клітини тварин ніколи не відбиралися за здатністю утворювати псевдотканину, пройшовши через струйний принтер у складі лопаючих мікросфер! Так, адекватна поведінка клітин, їхня здатність розпізнавати своє оточення і встановлювати з ним контакти важлива при відновленні пошкоджень, а й при нормальному розвитку. Але ж у нормі ці процеси йдуть в зовсім інших умовах! Якби спадкова програма була послідовністю жорстких команд, чи змогли б клітини демонструвати таку гнучку можливість приходити до гармонійного фіналу розвитку з абсолютно проти­природного початкового стану?
Вісімдесят з лишком років тому великий естествоиспитувач Лев Семенович Берг намагався обґрунтувати, що доцільність — імманентна, первинна властивість живого. Одна група наведених ним прикладів стосувалась здатності до розвитку міжвидових химер — наприклад, рослин, складених з клітин і тканин різних видів. Берг наполягав, що оскільки здатність «домовлятись» з тканинами інших видів не могла бути предметом відбору, традиційний селекціонізм не здатний пояснити доцільний розвиток химер. Йому відповідали, що різні види, об’єднані в химері, колись мали спільного предка і зберегли однакову систему внутрішньоорганізмових регуляцій ще з того часу. Але зі струйним принтером спільного предка у клітин не було…
Ймовірно, всупереч думці Берга, доцільність все ж є результатом відбору. Але цей відбір відбувався зовсім не так, як здається зараз більшості людей, які освоїли основи молекулярної генетики: якщо якийсь ген підвищує шанси організму на виживання і розмноження, частка його носіїв у популяції зростає. Така цілісна природа спадкової програми, яка задає не стільки послідовність конкретних кроків, скільки потрібний кінцевий стан, нам поки практично не зрозуміла. Така програма не може складатися з окремих незалежно комбінованих і незалежно відбираних елементів. Проте органи можна друкувати, не розуміючи, як працює така програма — і за це дякуємо!

За деякими статистичними даними кількість людей, які очікують на пересадку донорських органів, за останні десять років приблизно подвоїлася. Технологія, розроблена американськими фізиками, може суттєво скоротити строки очікування операції для таких хворих і взагалі змінити вигляд деяких галузей медицини.
Протягом чотирьох років дослідницька група під керівництвом професора фізики з університету Міссурі‑Колумбія Габора Форджекса (Gabor Forgacs) розробила метод, що дозволяє буквально друкувати живі тканини, з яких згодом передбачається отримувати цілі органи. У недавньому дослідженні вчені виявили, що сам процес створення тканини за технологією, схожою на струйну печать, не впливає на біологічні властивості клітин, залишаючи їх цілком життєздатними. Група Форджекса використовувала біочорнила, що складаються зі сферичних часток, кожна з яких містить від 10 000 до 40 000 живих клітин. Друк проводиться на спеціальній біосумісній основі. Будучи нанесені на «папір», частки біочорнил починають зливатися разом, немов краплі води, утворюючи єдину, безперервну масу. За словами Форджекса, вони вперше отримали таким «небіологічним» методом структури, порівнянні за функціональністю з реальними живими тканинами.
Вчені, які роблять перші спроби створення методів «механічного збирання» тканин і органів, зіткнулися з однією принциповою проблемою. Щоб отримати певне подібне функціонуючому органу, треба використовувати клітини різних типів, що мають чітке розташування в «оригіналі». Як за допомогою технологій біодруку забезпечити необхідне розподілення клітин? Однак незабаром виявилося, що проблема «самоустранилася». Виявилося, що клітини в отриманому масиві самі знаходять підходяще розташування, групуючись за типами. Грубо кажучи, достатньо скинути всі клітини в купу, а там вони вже самі «розберуться», кому і де бути. В одному з експериментів для створення біочорнил вчені використали клітини серця курки. Як тільки краплі чорнила злилися, клітини почали синхронні скорочення, як і полагається тканині серця.
Форджекс твердо намірений довести свої розробки до практичного застосування і вже отримав на це грант у п’ять мільйонів доларів. Звичайно, до «друку» повноцінних органів ще далеко, але, за твердженням вчених, плоди їхньої праці можуть дуже стати в пригоді у фармацевтичній промисловості для випробування на них нових препаратів і лікувальних методик. Поточні випробування ліків на тваринах часто не підходять, а випробування на добровольцях пов’язані з очевидним ризиком. Тому «друкована продукція» американських фізиків може стати тут як ніколи вчасно. ЕГ

Д. Shabanov. Без сексу, але й без наручників // Комп’ютерра, М., 2007. – № 41 (709).
Д. Shabanov. Супермишки: де ж підступ? // Комп’ютерра, М., 2007. – № 44 (712).
Д. Shabanov. Вставка до нотатки «Здоровий друкований орган» // Комп’ютерра, М., 2007. – № 43 (711).