Генетическая всячина (от определения жизни до влияния счастья на генетику)
Трудно быть богом. О разработке минималистской искусственной жизни. Генетический экспресс. Геночипы в геношариках. Потренируемся на собаках? Генетические паспорта. Пока для собак. В деньгах ли счастье? Скорость сокращения теломер зависит от ощущения счастья. Зеленые осведомители. Анализ ДНК расте...
Важко бути богом
Спроби штучного створення життя мають давню історію. Коли Парацельс міркував про отримання мишей з брудних сорочок і пшениці, що проростає, життя здавалося чимось простим, а його виникнення — звичною справою. У міру розуміння неосяжної складності живих систем надія на їх виготовлення майже розтанула, але її оживили успіхи молекулярної біології останніх десятиліть.
Одна зі спроб конструювання життя робиться зараз у Лос-Аламосі, американському науковому центрі, який прославило виконання атомного проекту. Відає побудовою життя на замовлення данський фізик Стін Расмуссен (Steen Rasmussen), хімічним боком проекту керує китаєць Ляохай Чень (Liaohai Chen). Крім цієї команди, подібними експериментами займаються десятки інших дослідницьких груп. Чому ж тоді презентація, присвячена розпочатому проекту, відкривалася слайдом «We are not crazy» — «Ми не божевільні»? Виявляється, Расмуссен має намір створити життя іншої хімічної природи, ніж земне. Учений не виходить за рамки органічної хімії, але шукає такі молекулярні рішення, які б дозволили до межі спростити будову живих (або псевдоживих) систем.
Щоб оцінити неймовірну складність поставленого завдання, треба розібратися в тому, що таке життя. Як відомо, загальноприйнятого його визначення немає1, але є кілька підходів до формулювання такого визначення. Оскільки земні організми базуються на білках і нуклеїнових кислотах, можна услід за Енгельсом характеризувати життя за його біохімічною основою. З іншого боку, його можна описувати, перелічуючи характерні властивості відомих нам живих істот. Найзагальнішим підходом є той, який не пов'язує феномен життя ні з певними класами речовин, ні з конкретними явищами, а розглядає його як термодинамічний феномен. Життя — еволюційно вдосконалюване відтворення характерної структури завдяки зовнішньому джерелу енергії відповідно до внутрішньої програми. Коли йдеться про земне життя, ми можемо детально описати характерну структуру (клітина з оболонкою на основі ліпідного бішару, програма на нуклеїнових кислотах, перетворення енергії з ключовою роллю білків тощо) і типові прояви її функціонування.
Чи необхідно, формулюючи поняття «життя», робити акцент на еволюційному розвитку? Напевно, так, адже саме це відрізняє «справжнє» життя від скільки завгодно досконалого механізму. Усі особливості живих систем — результат еволюції. Це означає не тільки те, що кожна особливість живих систем шліфувалася відбором упродовж величезного часу. Хоч яким складним є сучасне життя, усі його характеристики могли виникати лише еволюційно — шляхом удосконалення спочатку відносно простих пристосувань. У земній еволюції Афіна не могла з'явитися з голови Зевса — їй треба було пройти шлях становлення довжиною в 4 млрд років і зберегти у своїй будові сліди цього шляху.
До речі, згідно з наведеним визначенням, ні віруси, ні простіші молекулярно-генетичні системи не слід вважати живими. Вірус — це молекула нуклеїнової кислоти, що містить програму його збирання, білкові молекули, що забезпечують доставку цієї кислоти і, іноді, ще деякі «деталі», узяті у клітини-хазяїна. Уся робота з виробництва вірусу виконується клітиною — справжнім носієм життя. Визнаючи вірус живим, ми повинні вважати живим і «лист щастя», що містить інструкції з власного переписування і поширення.
Віруси вже вдалося скопіювати штучним шляхом: вірус поліомієліту мишей був зібраний мономер за мономером. Хоча штучний вірус виявився за своїми властивостями ідентичним натуральному, як створення життя цей результат поки не сприймається.
Випробувані на вірусах технології зараз намагаються реалізувати на клітинах. Так, у Меріленді працює команда під керівництвом Крейга Вентера (Craig Venter), одного з активістів розшифрування геному людини, який надав для виконання цього завдання не тільки власний геном, а й удосконалені методи його прочитання. Ця група намагається відтворити по молекулах одну з найпростіших клітин — мікоплазму (Mycoplasma genitalium), збудника однієї зі статевих інфекцій людини. Мікоплазма обходиться всього 517-ма генами, причому їх число можна і скоротити (Вентер уже готовий викинути більше половини з них). Вимикаючи в мікоплазмі один функціональний блок за іншим, учений планує описати найпростішу здатну до самовідтворення конструкцію, а потім зібрати її з окремих молекул.
Расмуссен намагається створити мінімалістську альтернативу, засновану на інших сполуках. Наприклад, він вирішив відмовитися від найхарактернішої особливості відомого нам життя: мембран. Мембрани, біологічні оболонки, засновані на ліпідному бішарі, здаються невід'ємною характеристикою життя. Саме вони обмежують внутрішнє середовище клітини і ділять складні клітини на окремі відсіки. Расмуссен же має намір синтезувати протоклітини — так звані міцели (наночастинки, що перебувають у водному середовищі), зібрані гідрофобними та іншими молекулярними взаємодіями. Основу міцел, як і основу мембран, складуть ліпіди — жироподібні речовини, з якими зв'яжуться інші молекули. Розміри міцели — 5–10 нм (крихітна грудочка порівняно навіть з надзвичайно дрібною клітиною Mycoplasma genitalium, що досягає 200–250 нм).
Расмуссена не влаштовують властивості ні ДНК, ні РНК — носіїв інформації в земного життя. Надія покладається на пептидну нуклеїнову кислоту, ПНК — творчість данського вченого Пітера Нільсена (Peter Nielsen), одного з учасників описуваного проекту. ПНК поєднує здатність до матричного копіювання з ферментативною активністю. Хоча зараз у живій природі ця речовина не зустрічається, Нільсен припускає, що ПНК могла бути тим самим біополімером, з якого і почалася свого часу еволюція «великого» життя.
Оскільки ПНК електропровідна, то, зв'язавши з одним її кінцем фоточутливу молекулу, можна забезпечити переміщення вибитого світлом електрона по молекулі пептидної нуклеїнової кислоти. Зрештою електрон повинен викликати перебудову молекули «їжі», доданої в культуральне середовище. У результаті з «харчових» молекул повинні виходити компоненти протоклітини, а молекулярні взаємодії повинні приєднувати нові молекули до міцели, забезпечуючи її зростання. Коли міцела виросте, вона втратить стійкість і розділиться на дві частини. Додаючи в середовище «їжу», відводячи відходи і постачаючи світлову енергію, ми отримаємо популяцію штучних протоклітин, що розмножується. Альтернативне життя, яке збирається створити Расмуссен, не буде здатне самостійно існувати в земних умовах, проте для нього вже добираються біотехнологічні варіанти використання.
Чи можна вважати цей феномен життям? Так, стверджує автор проекту, упевнений, що науковою перемогою буде навіть один «життєвий» цикл нової конструкції. Однак з ним згодні далеко не всі. Одна з фундаментальних властивостей життя — потенційно необмежене в часі збереження його властивостей — безсмертя. Складний організм не може бути безсмертним, а популяція, що самовідтворюється, — може. З потенційним безсмертям життя тісно пов'язана його здатність до еволюції. Про створення нового життя можна буде говорити тоді, коли в умовах культурального середовища почнеться відбір альтернативних конструкцій протоклітин, що приводить до вдосконалення їх метаболізму і розмноження. Якщо для «великого» життя еволюція була умовою його виникнення, то про незалежність «малого» можна буде судити тільки після перших його еволюційних кроків.
Ну що ж, подивимося, що вийде у Расмуссена.
1 Така ситуація парадоксальна для точних наук, але типова для біології. Однозначні визначення відсутні не тільки для життя, а й для виду, організму, популяції, адаптації, еволюції, біосфери і багатьох інших ключових біологічних понять. Назад до тексту
Генетичний експрес
Що толку, що наука встановила генетичну схильність до розвитку багатьох хвороб? Як це може допомогти конкретному хворому? Класичний метод полягає в тому, що фахівець-генетик розмовляє з пацієнтом, дізнаючись, чим хворіли його родичі. Результатом бесіди може стати, наприклад, висновок: «раз серед ваших родичів багато гіпертоніків, можна припустити, що у вас є генетична схильність до цього захворювання; вам потрібно вести здоровий спосіб життя, не чекаючи перших симптомів підвищення тиску». Якщо ця істина повідомляється людині, яка вже хвора, від неї нічого не змінюється: нічого не вдієш, раз так на роду написано. А якщо подібний вердикт чує здорова людина? Раптом вона почне вести правильний спосіб життя і, «як дурень з чистою шиєю», помре, так і не дізнавшись, що схильності до гіпертонії в неї не було? Можна заперечити, що вона не програла, тому що вела здоровий спосіб життя. А навіщо тоді вбирати пропаганду останнього в мантію генетичного консультування?
Звичайно, є низка серйозних аномалій, передачу яких у низці поколінь можна простежити класичними методами. На щастя, ці аномалії зустрічаються рідко. А для більшості громадян, схильних до судинних, обмінних чи інших порушень, що проявляються в зрілому віці, класичні методики консультування виявляються ворожінням на кавовій гущі. Поки не з'являться точні, швидкі й дешеві методи аналізу схильності до хвороб тієї чи іншої людини, користь від генетичних підходів у боротьбі з найпоширенішими хворобами невелика.
Не виключено, що ситуацію виправить розроблена в австралійському Університеті Квінсленда технологія, що використовує geneballs («геношарики»). Фактично це модифікація технології біочипа: у мікроскопічних порах на поверхні маленької кварцової кульки (частки міліметра) перебувають зв'язані зразки ДНК, комплементарні (додаткові) послідовностям тих чи інших дефектних генів. «Геношарики» поміщаються в біологічний матеріал, що містить ДНК досліджуваної людини (наприклад, краплю крові з ДНК білих кров'яних тілець). Якщо в матеріалі є послідовності ДНК, комплементарні тестовим, вони зв'язуються з поверхнею «геношарика». При аналізі спадковості дослідник формує необхідний для хворого набір «геношариків» і обробляє його біологічним матеріалом. Потім «геношарики» освітлюються лазером, який визначає, на яких з них міститься зв'язана ДНК.
Описувана технологія відносно недорога (діагностичний комплекс коштує 30 тисяч доларів, а дослідження одного пацієнта може бути досить дешевим). Хоча в новій ідеї немає наукового «прориву», вона добре підходить для широкого використання. Революція в діагностиці відбулася?
Не зовсім. Механізми генетичної схильності відомі далеко не для всіх хвороб. З іншого боку, технологія «геношариків» може бути корисна і для пошуку генетичних маркерів при масових обстеженнях хворих і здорових людей. До речі, її можна буде використовувати і для пошуку інших маркерів — наприклад, визначити по краплі крові, чи придатна людина для великого спорту. А цікаво, чи є генетичні маркери, що корелюють з готовністю людини йти на конфлікт з керівництвом?
Потренуємося на собаках?
Австралія вирішила запровадити генетичні паспорти для породистих собак. Новий порядок спочатку буде добровільним, а з 2008 року набуде обов'язкового характеру — до розмноження допускатимуться лише тварини, що мають генетичний паспорт.Зрозуміло, австралійці пішли на цей крок неспроста. Річ у тім, що породи собак — це невеликі групи зі зниженим генетичним різноманіттям, у яких широко практикується схрещування з відносно близькими родичами. Якщо хтось із засновників породи вніс у неї той чи інший дефектний ген, близькоспоріднене схрещування може різко підвищити в ній «концентрацію» цього гена, що скорочує тривалість життя собак багатьох порід (особливо старих і нечисленних), а з часом призводить навіть до вимирання історично цінних порід.
Більша частина дефектних генів проявляється тільки в гомозиготному стані (у власників двох однакових копій небезпечного гена) і передається приховано в гетерозигот (що несуть одну дефектну, а одну нормальну версію гена). Класичними методами розпізнати гетерозиготного носія хвороби можна лише аналізуючи його потомство (і наплодивши при цьому дефектних цуценят). Сучасні методи дозволяють по зскрібку щічного епітелію, що містить живі клітини, виявити носіїв небезпечних для породи генів і усунути їх від розмноження. А щоб не переплутати овець і козлищ, використовуватимуться татуювання та впроваджувані під шкіру мікрочипи.
Свого часу в кінологію були перенесені технології, відпрацьовані на людях (індивідуальні паспорти, облік родоводу). Способи «облагородження породи», що пропонувалися євгенікою, на повну використовуються в селекції собак. Новий підхід дозволяє здійснити повний контроль над поширенням небажаних генів і прибрати їх за одне покоління. З іншого боку, практичне відпрацювання методів генетичної діагностики, ідентифікації особистості (тобто особини) і використання отриманих даних для євгеніки (тобто селекції) може надалі знадобитися для перенесення «прогресивних технологій» і на людей.
У космос же теж першими собаки полетіли…
Чи в грошах щастя?
Те, що сприйняття якості життя впливає на стан здоров'я, новиною не є. Кожен із нас може спостерігати це у своєму оточенні. Складно, звичайно, розрізнити первинні і вторинні ефекти і визначити, чи то здоров'я в людини псується через те, що її життя не склалося і сама вона впала в депресію, чи то зіпсоване здоров'я викликало проблеми в емоційній сфері й соціальних взаємодіях. Зрозуміло, що ці два комплекси проблем ідуть пліч-о-пліч.
Понад те, абсолютної оцінки якості життя не існує й існувати не може. Порівняйте життя аристократа-феодала кілька століть тому з буттям сучасного клерка. Щодо побутових зручностей, гігієни, дієтології, охорони здоров'я, безпеки, можливостей для туризму і способів психічного розвантаження життя крокнуло далеко вперед. Різниця лише в тому, що феодал міг і не чекати від життя нічого кращого, а клерк дивиться на «зірок» і нуворишів, заздрить їм і почувається обділеним.
Сформульовані спостереження можуть здатися банальними. А які їхні психофізіологічні механізми? Щоб пояснити один зі «свіжих» наукових результатів, потрібно згадати, що в більшість клітин тіла вбудований «годинниковий механізм», що обмежує можливе число їх поділів. На кінцях хромосом є особливі ділянки — теломери. З кожним клітинним поділом від них «відкушується» невеликий шматок. Після скорочення теломер до певного рівня клітини втрачають здатність до поділу. Лише клітини зародкового шляху, а також деякі стовбурові й пухлинні клітини непідвладні цьому ефекту.
Із вивченням описаного феномену пов'язаний один із потенційних способів омолодження. Якби ми змогли зупинити або повернути назад скорочення «шагреневої шкіри» теломер, то зняли б одне з істотних обмежень тривалості життя. Відомі ферменти, здатні вирішувати це завдання, залишилося лише забезпечити їх бажану роботу. Утім, зараз річ не про це.
Британо-американська група під керівництвом Тіма Спектора (Tim D. Spector) встановила, що швидкість скорочення теломер залежить від соціально-економічного статусу! Вивчивши хромосоми добровольців, дослідники виявили, що, наприклад, для жінок бальзаківського віку (паспортного) різниця між соціальними «вершками» і «люмпенами» за розмірами теломер відповідала семи рокам. Природно, швидше життєвий запас скорочувався в представників груп з низьким статусом. Той самий феномен удалося підтвердити близнюковим методом при дослідженні генетично ідентичних людей, що живуть у різних умовах.
Зелені донощики
Завдання криміналістики — відновлення подій, що минули, і в цьому їй можуть допомогти будь-які, навіть найнесподіваніші дані.
Міжнародні правозахисні організації за участю співробітників Бірмінгемського університету продовжують пошук масових поховань жертв терору в Боснії 1992–95 рр. Досі зниклими безвісти вважаються близько чотирьох тисяч осіб. Багато братських могил уже знайдено. Їх вивчають, щоб визначити «почерк» катів. З'ясувалося, що такі поховання вкриваються специфічною рослинністю, зокрема кропивою. Кожному виду рослин властивий унікальний набір пігментів і спектральні характеристики, на які впливають умови зростання. Таким чином, аналіз цих параметрів рослинності із супутника дозволяє знаходити місця поховань.
А ось австралійські експерти вже готові використовувати для реконструкції злочинів насіння та інші частини рослин, що пристали до взуття й одягу. Ідея сама по собі не нова: якщо в людини, підозрюваної у злочині, одяг у реп'яхах, можна сміливо сказати, що вона побувала на пустирі з лопухами. Технологічна ж новинка полягає в розшифруванні послідовностей ДНК знайдених фрагментів рослин, що дозволяє встановити, до якої популяції вони належать, і реконструювати маршрут об'єкта дізнання.
Так що піти від пильної уваги зелених донощиків стає все важче.
Д. Шабанов. Важко бути богом // Комп'ютерра, М., 2005. – № 6 (578). – С. 18–19
Д. Шабанов. Генетичний експрес // Комп'ютерра, М., 2004. – № 39 (563). – С. 13–14
Д. Шабанов. Потренуємося на собаках? // Комп'ютерра, М., 2004. – № 38 (562). – С. 17
Д. Шабанов. Чи в грошах щастя? // Комп'ютерра, М., 2006. – № 29 (649)
Д. Шабанов. Зелені донощики // Комп'ютерра, М., 2005. – № 31 (603)