Три старі новини: від молекулярної систематики до нанотехнологій і генетичної інженерії

Парадокси систематики
Перше діло першої людини досі не доведене до кінця. Адам, за свідченням Біблії, до гріхопадення (визначивши необхідність здобувати хліб насущний в поті лиця свого) придумував імена для тварин. Нині поіменовано понад мільйон видів, а черга безіменних все ще ховається за горизонтом. Класифікація названих видів дозволяє розібратися в мільйоні імен і зробити інформацію про їхню схожість та відмінність більш компактною.
Систематики досі сперечаються, чи існує єдна, правильна класифікація. Оптимісти вірять, що це та класифікація, яка точно відображає філогенію — еволюційну історію. Ось дізнаємося за допомогою молекулярних методів, як йшла еволюція, і поставимо все на свої місця… На жаль, еволюційні зміни багатовимірні, і, проектуючи їх на ієрархічну систему, ми неминуче втрачаємо значну частину інформації. Яку? Ту, яку вважатимемо менш важливою. Вважаєте, що «об'єктивними» методами можна визначити, яка частина інформації найважливіша? Залиште ці ілюзії!
Інтерпретуйте, наприклад, такий факт. З тих пір, як розійшлися еволюційні шляхи людини і шимпанзе, людина здобула 154 нових гени, а наші «відсталі» родичі шимпанзе — 233! Як виміряти і порівнювати ці зміни? За числом генів? За довжиною послідовностей ДНК? За зміною способу життя? Одна з впливових шкіл систематики стверджує: якщо зміну видів неможливо оцінити «об'єктивно», то її взагалі не слід враховувати і реконструювати треба лише порядок розгалуження еволюційного древа. Страусове рішення: навіщо потрібна класифікація, яка не враховує головний результат еволюції — зміну видів?
З іншого боку, ускладнення в тлумаченні якихось результатів не означає, що ці результати марні. Часто спорідненість (чи її відсутність) різних груп організмів, встановлена молекулярними методами, виявляється настільки явною, що доводиться змінювати усталені класифікації.
Орнітологи давно виділили дві групи грифів: Старого Світу (власне грифи) і Нового Світу (катартид). Хоча було зрозуміло, що ці групи не перебувають у тісному спорідненні, результати аналізу ДНК виявилися несподіваними. Американські грифи — це насправді лелекоподібні. До їх числа належать і сучасні кондори, і найбільші з коли-небудь літаючих птахів. Йдеться про тераторнісів («жахливі птахи»), «грифів», які у неогеновому періоді харчувалися останками гігантських ссавців. У одного з них, аргентавіса, розмах крил досягав 7 м, а вага 120 кг! Пам'ятаєте, в «Дітях капітана Гранта» Жюля Верна кондор викрав і потягнув по повітрю хлопчика? Реальні кондори на такі подвиги не здатні. Але в нашому фольклорі європейські лелеки носять дітей у дзьобі (тримаючи за пеленочку), а американські — у кігтях!
Найновіші молекулярні дані стосуються примітивних груп крилатих комах. Виявилося, що термитів не слід виділяти в окремий відряд, а розглядати як сім'ю відряду тарганів. Неважливо, що за складністю соціальної організації термити випередили всіх тварин, крім людей. Соціальна досконалість термитів — наслідок їхньої здатності розщеплювати целюлозу, основу деревини. У кишечниках термитів живе складний ендосимбіотичний комплекс. Його основу складають високоспеціалізовані джгутиконосці (яких довго вважали інфузоріями, оскільки під мікроскопом здається, що вони вкриті безлічю рухливих війок, як інфузорії). Те, що вважалося війками, виявилося спирохетами — видовженими бактеріями, здатними вигинатися. Населяючі кишечник терміта спирохети вирівнюються на поверхні джгутиконосця, синхронізують свої рухи і переміщаються разом з ним, як єдине ціле. Жгутиконосці самі по собі не можуть розщеплювати целюлозу, але всередині них живуть симбіотичні бактерії, які опанували цю реакцію. Заковтуючи маленькі тріски, джгутиконосці годують їх своїм внутрішнім бактеріям, а продуктами переробки діляться з забезпечуючими їхню рухливість спирохетами. Ну а термити годуються як продуктами активності свого внутрішнього зоопарку, так і його вихованцями.
Незважаючи на всі чудеса ендосимбіозу, перетравляння целюлози для термитів — непростий процес, у кишечнику одного комахи йому не пройти. Тому одна й та сама порція їжі проходить через травні тракти багатьох комах, що їдять фекалії один у одного. У кінцевому підсумку грудочки з продуктів переробки їжі будуть використані для спорудження термітників. Ці споруди, іноді досягаючи величних розмірів, забезпечують захист і сприятливий клімат для спільного розщеплення деревини. І тепер виходить, що все це роблять таргани?! Уявляєте, якою перемогою генно-інженерного мистецтва та інших біотехнологій стало б створення прусаків, що містять у кишечнику симбіогенетичний комплекс, здатний розщеплювати целюлозу? Такі таргани їли б не лише їстівні залишки, а й меблі з книгами.

Сфера застосування даних молекулярної систематики зростає. Останні новини: із залишків м'яких тканин тираннозавра, знайдених пару років тому в Монтані, видобули фрагменти молекул білка (коллагену, основи зв'язкової тканини). Аналіз цих фрагментів поки приніс лише тривіальний результат: тираннозавр перебував у більш близькому спорідненні з куркою, ніж з жабами і тритонами. Чи варто було заради цього турбувати залишки, що чекали своєї долі 68 мільйонів років? Варто! Бо лиха біда — початок. Розуміємо, у яких породах макромолекули зберігаються краще, — навчимося їх ефективніше шукати та розумніше аналізувати, і з часом дізнаємось щось нове. Поживемо — побачимо…

Нанотехноінфекція
Передовим краєм сучасного інженерного мистецтва вважаються нанотехнології. За останні роки людство зрівноважно просунулося в цій галузі. У нас є підстави пишатися власною винахідливістю, але не потрібно забувати, що окрім нас інженерні рішення на молекулярному рівні використовують всі біосистеми. Незважаючи на всі наші таланти, за рахунок років розвитку нанотехнологій ми не наздогнали навіть найпростіші з біологічних систем. Зворотливість нашого розуму протистоїть досвіду еволюції тривалістю майже чотири мільярди років. Ціною помилки в цій грі завжди була смерть. Ті, хто не зміг вирішити поставлені перед ними завдання пристосування, знищувалися.
Життєдіяльність клітини ґрунтується на відточених взаємодіях окремих молекул. Хімічне розпізнавання забезпечується тонким відповідністю форми та розподілу зарядів на молекулярних поверхнях. Один із головних шляхів регуляції активності клітинних роботів — ферментів — ґрунтується на зміні їхньої конформації (просторової організації частин). Цитоскелет, доцільно допрацьовуючись зі стандартних блоків, забезпечує транспорт і взаємодію молекул… До технологічного рівня клітини як цілого нам поки не піднятися, а от віруси та інші молекулярно-генетичні інфекційні системи вже представляють інтерес для нанотехнологів. Фактично, вірус — це наноробот. Його функціональні блоки забезпечують фіксацію на необхідних об'єктах, інші — керують його синтезом і самозбиранням. Змусити б віруси виконувати необхідні для нас нанотехнологічні процеси!
Один із перших результатів такого роду отримано в Массачусетському технологічному інституті групою професора Анжели Белчер (Angela Belcher). Поки що вірусам вдалося пристосувати для створення високоякісних, але однорідних за своїми властивостями поверхонь — електродів для літій-полімерних акумуляторів. Віруси були генетично модифіковані, щоб надати їхнім поверхневим рецепторам спорідненість з необхідними молекулами (зокрема, іонами кобальта). Такі віруси висадили на пластини електроліту і занурили у розчин солі кобальта. У підсумку «будівельники» сформували рильовий слій оксиду кобальта з винятково великою питомою поверхнею. Енергоємність збірки на таких електродах батареї буде значно вищою стандартних значень.
Лиха біда — початок. Значення цієї новини не лише в появі нової технології виробництва (при кімнатній температурі!) поверхонь із заданими властивостями. Розмістивши на поверхні вірусу рецептори до двох різних молекул (а це відносно не важко зробити методами генно-інженерного мистецтва), можна змусити його з'єднувати ці молекули з нанотехнологічною точністю. У запасі групи професора Белчер — віруси, що покривають себе напівпровідниками, а потім висаджуються на золоті електроди. Після отримання перших зразків цих наноінструментів їхнє виробництво не викликає труднощів — у придатному середовищі (клітинах) вони множаться самі! З принципових труднощів, що залишилися подолати для збірки мікросхем, головне — розробка методів точного позиціонування місць прикріплення вірусів-збирачів. Вказуючи несучим різним молекулам вірусам їхнє положення на поверхні збірки, можна було б створювати схеми відповідно до певного плану. Способи отримання такої розмітованої поверхні можуть бути різними. Ймовірно, ідеології «нанотехнологічної зарази» найбільше відповідає використання мембрани генетично модифікованої живої клітини.
Отже, будемо чекати подальших новин і сподіватися, що віруси-збирачі не виявляться заразними для нас із вами.

Генно-інженерна контррозвідка
Інформаційні агентства з ентузіазмом повторюють новину, присвячену начебто одержаній перемозі над раком. На жаль, до перемоги дуже далеко, але в цій темі радує будь-яка підйомка…
Рак вважається настільки загрозливою хворобою саме тому, що ракові клітини — це власні клітини організму, у яких порушилося взаємодія з їхнім середовищем. Результат: скасування гальм у розмноженні та легкість у розселенні по організму. Крім того, у переродженців «злітає» блок, що відповідає за самознищення в разі поломок. Різноманітність типів клітин, з якими може статися ця біда, — одна із складових різноманіття опухолей. Так, меланома (поширена форма раку) виникає внаслідок переродження інтенсивно ділячихся клітин шкіри.
Відомий усім феномен загару. У відповідь на збільшення ультрафіолетового опромінення клітини шкіри (меланоцити) збільшують синтез чорного пігмента, меланіну, який захищає від надлишку ультрафіолету. А чому меланіну синтезується лише після опромінення? Це пов'язано з подвійністю впливу ультрафіолету. Його високоенергетичні кванти використовуються для синтезу вітаміну D, важливого регулятора обміну іонів кальцію. Тому шкіра європеоідів, що сформувалися в умовах, де ультрафіолету може бути недостатньо, проникна для цього випромінювання. Проте надлишок ультрафіолету небезпечний, оскільки викликає порушення в структурі ДНК. Безпосередній ефект від дії випромінювання (фотодимеризація розташованих поруч тимінових основ) виправлять відновні системи клітини, але при цьому вони наділають багато помилок, які можуть спричинити порушення роботи клітини. Тому меланома (ракове переродження меланоцитів) — поширена хвороба європейців і білих американців.

Тим не менш меланома вважається не найгіршим видом раку. І справа не лише в тому, що при ній первинна пухлина знаходиться на поверхні тіла. Відомо цілий ряд надійно задокументованих випадків, коли розвиток меланоми зупинявся і повертався назад під впливом імунної системи хворого. Властивості сигнальних молекул на поверхні клітин при меланомі дещо змінюються, і вишукуючі «зміну» імунні стражі можуть відреагувати на цю різницю. Проте частіше не реагують…
Дослідники з американського Національного інституту раку працювали з швидкозростаючою формою меланоми. Вони взяли імунні клітини (Т-лімфоцити) у хворого, який зміг перемогти власну пухлину. Ввести їх іншим хворим було неможливо: імунна система негайно почала б із ними війну. Отже, треба було навчити Т-лімфоцити хворих тому, що вміють клітини щасливого першопроходця. Першим кроком у цьому напрямку стало опізнання рецептора, завдяки якому лімфоцити виправданого опізнали клітини пухлини. Це дозволило визначити структуру гена, що кодує таку цінну властивість. Для перенесення гена у культуру Т-лімфоцитів інших хворих використовували ретровіруси.
Ретровіруси використовують «чорний хід» у передачі молекулярно-генетичної інформації. Використовуючи фермент обернена транскриптаза, вони будують ДНК за матрицею РНК (основний потік інформації спрямований у протилежному напрямку). Побудований фрагмент ДНК може вбудовуватися у хромосоми клітини-господаря. Генні інженери вставляють у ретровіруси потрібні гени у вигляді «РНК-версій», заражають вірусами клітини-мішені і сподіваються, що потрібна послідовність ДНК потрапить туди, де зможе нормально працювати.
За допомогою ретровірусів потрібний ген ввели в отримані у хворих імунні клітини. Після цього з культури лімфоцитів вибрали і розмножили ті клітини, у яких з'явилися необхідні рецептори. Ці клітини ввели їх господарям назад. Щоб підвищити шанси на перемогу над пухлиною, пацієнтів піддали хіміотерапії. Токсичний удар при цьому зазнають усі швидкодіючі клітини, не лише ракові, а й імунні. На тлі послабленої імунної системи нові клони лімфоцитів продемонстрували стійкий ріст: їх виявили у значній кількості у п'ятнадцяти хворих із сімнадцяти. На жаль, виправити ситуацію вони змогли лише в двох випадках, решта тринадцять осіб, яким вдалося передати лімфоцити, як і ті дві, у яких процедура не спрацювала, померли. Минуло півтора року; у живих лишилися двоє хворих. Одному з них знадобилася додаткова операція.
Отже, суть нового методу полягає в навчанні імунних клітин хворого, при якому в якості джерела інформації використовуються молекулярні знахідки людей, що подолали хворобу, а перенесення даних забезпечує генно-інженерна процедура. Рекламуючи отриманий результат, американські лікарі наводять ім'я та фотографію одного із врятованих. Завдяки описаній процедурі він побував на весіллі своєї доньки! Природно, за нього можна лише порадіти. Отже, чи тягне цей результат на перемогу над раком? На жаль, поки це лише велике щастя для двох врятованих і нова надія для всіх інших, адже запропонована технологія може вдосконалюватися.
Цікаво, чи повинні противники генно-інженерного мистецтва вимагати заборони подібних досліджень?

Д. Шабанов. Парадокси систематики // Комп'ютерра, М., 2007. – № 16 (684)
Д. Шабанов. Нанотехноінфекція // Комп'ютерра, М., 2006. – № 15 (635)
Д. Шабанов. Генно-інженерна контррозвідка // Комп'ютерра, М., 2006. – № 33 (653)