Николай
я могу h.z.
emo on rails
Николай Яковин
Все записи
текст

Увижу ли я Чужого?

"ММ" №7/106 2014, с. 64
«Однажды я сидел за рулем Bentley – это хорошая машина. Что бы я предпочел – узнать полную последовательность моего генома или владеть Bentley? Пожалуй, я бы выбрал первое… А что на самом деле необходимо человечеству, так это „геном-Chevrolet“, который по средствам каждому». Это слова американского биолога Джеймса Уотсона, который в 1953 году вместе с Фрэнсисом Криком открыл структуру ДНК. Что же нам даст этот «геном-Chevrolet»?


Вообще-то это в стиле не особо политкорректного мистера Уотсона – сравнить научный прорыв с дорогой покупкой. А стоимость первого секвенирования (то есть расшифровки) ДНК, которое состоялось в 2007 году (и его объектом был именно геном Джеймса Уотсона), действительно равнялась стоимости приличного Bentley – $ 1,5 млн. Впрочем, эта сумма не так велика по сравнению с общими затратами на 15-летний проект «Геном человека» – почти $ 3 млрд. Целью этого проекта было секвенирование ДНК, то есть определение последовательности нуклеотидов, которые ее составляют.

За последние 30 лет трудоемкость и стоимость секвенирования неизбежно падали, а скорость – росла. У людей геном совпадает на 98−99 %, так что сейчас каждое новое секвенирование – это анализ небольших персональных отличий. Если на «черновое» завершение проекта генома человека ушло около 10 лет, то сейчас секвенирование одного генома можно провести за несколько дней, а стоимость прочтения 1 млн пар оснований составляет от 10 центов до 10 долларов (в зависимости от типа прибора). Глядишь, лет через 10 у нас действительно появится «геном-Chevrolet»…

В результате секвенирования получают сиквенсы – длинные «слова» типа «ATGGGCCCATGTGGA». В сиквенсах затем можно выделить участки, составляющие гены, точки начала и конца считывания этих генов, а также всевозможные другие известные последовательности. Одну непрерывную последовательность при анализе сразу не получить – это пока не по силам нынешним приборам. Поэтому нить ДНК «режется» с помощью ферментов или ультразвука на короткие фрагменты, в них устанавливается последовательность нуклеотидов, а затем компьютерная программа, сопоставляя пересечения, составляет единую последовательность.

В настоящее время почти полностью (не считая специфических проблем с некоторыми типами последовательностей) секвенированы геномы человека и многих других млекопитающих, множество геномов растений, грибов, бактерий и вирусов. Объем информации о функциях разных последовательностей тоже постоянно пополняется. Появляются новые схемы поиска генов, системы обработки полученных данных и способы сравнения последовательностей. База данных GenBank сегодня включает информацию о более чем 165 млн последовательностей (более 150 млрд нуклеотидов) более 100 тысяч живых организмов.
Зачем нужна эта информация? Пока самая благодатная почва для таких исследований – медицина. Зная, какие гены и сочетания генов «отвечают» за наследственные недуги, проще диагностировать предрасположенность к заболеваниям. Но особенно заманчивые перспективы открывает секвенирование генома для генетической инженерии. Как сказал все тот же Джеймс Уотсон: «Ни у кого не хватает смелости это сказать, но если мы сможем улучшить человеческое существо, зная, как добавлять гены, то почему бы и нет?»

***
Геном – это информация, записанная в виде последовательностей нуклеотидов в ДНК, которая позволяет живым организмам развиваться и жить. В геноме много различных последовательностей ДНК, некоторые из них – гены – кодируют белки, в т. ч. ферменты. Другие последовательности нужны для регуляции считывания информации с генов или для поддержания структуры ДНК, третьи – накапливавшийся веками бесполезный хлам, четвертые (транспозоны) вовсе размножаются сами по себе, играя свою особую роль в эволюции.


***
Есть целый ряд способов встраивания генов в живые организмы. В случае с животными их обычно вводят в оплодотворенные яйцеклетки, часто путем прямой микроинъекции ДНК в ядро стеклянной микропипеткой (диаметром 0,1-0,5 микрон). Для растений также обычные способы – бомбардировка клеток микрочастицами металлов, на которые напыляется ДНК; заражение вирусами, в которые встроена нужная ДНК; использование агробактерий, вызывающих рост корончатых галлов – опухолей (в этих бактериях, помимо основного генома, имеется небольшая кольцевая ДНК – Ti-плазмида, которая и вызывает рост опухоли у растений. Из этой плазмиды можно удалить гены, отвечающие за рост галла, и встроить нужные гены). Обычно трансформируют клетки, растущие на питательной среде, – из них затем можно получить новые растения. Разумеется, важен не только встраиваемый ген, но и регуляторные последовательности во вводимой ДНК – от этого зависит, будет ли экспрессироваться ген, а также будет ли экспрессия тканеспецифичной (для листа, корня или цветка) или нет.

Искусство «манипуляций генами» зародилось примерно в то же время, что и методы секвенирования, – в 1980-х. Сейчас около 10 % посевов культурных растений генетически модифицировано. Чаще всего в растение вводят гены устойчивости к болезням, вредителям и гербицидам, реже – гены, повышающие качество продукции или урожайность. Большое распространение получили генетически измененные микроорганизмы, вырабатывающие биологически активные вещества, которые используют в производстве лекарств. Фактически можно заставить клетки (бактерии, дрожжи, культуры животных или растительных клеток) вырабатывать почти любой белок в количестве, ограниченном лишь выживаемостью самих клеток при таких концентрациях.

Но все это – лишь первый шаг, на котором мы изменяем отдельные признаки. А насколько мы близки к страшноватой мечте спроектировать организм по своему желанию? Скоро ли наступит (если наступит) момент, когда ученые, не покидая лаборатории, смогут создать, допустим, вполне жизнеспособного и активно размножающегося Чужого (того самого, из фильма)? Пусть он даже будет не таким опасным и похожим на киношный образ – главное, чтобы он был создан таким, каким его захотят видеть «авторы» (в рамках, установленных законами природы)… Чтобы ответить на этот вопрос, следует выделить аспекты, которые отделяют нас от цели.

Во-первых, технические возможности в настоящий момент таковы, что мы можем вставлять в геном микроорганизмов, растений и животных различные гены и заставлять их экспрессироваться, то есть преобразовывать наследственную информацию в белок, например. Существуют методики выключения тех или иных известных генов, но на данном этапе развития науки включать и выключать любые гены в любом организме «запросто», без долгих месяцев проб и ошибок, не получится. Создавать целые крупные хромосомы (с уровнем организации хромосом, например, млекопитающих) тоже пока невозможно.


Во-вторых – понимаем ли мы, как развивается организм на уровне генетики? Мы знаем лишь отдельные фрагменты. Например, более или менее хорошо изучена генетика формирования пола у человека, есть большие наработки по эмбриональному развитию. Постоянные попытки обобщения и огромные базы данных постепенно упрощают работу с материалом, но он по-прежнему остается, скорее, загадкой для нас. Огромную сложность представляет и так называемая эпигенетическая изменчивость (не связанная с нарушением структуры генетического материала), ведь, помимо нуклеотидного кода, на работу генома влияет и пространственная организация ДНК (ее цепи могут закручиваться в петли и другие структуры), его метилированность и т. д. Код, переписанный с ДНК на РНК, прежде чем быть транслированным в белок, проходит через этап сплайсинга – вырезания из РНК некоторых ее фрагментов. Сплайсинг, в свою очередь, регулируется множеством белков, которые кодируются своими генами, РНК с которых также подвергается сплайсингу… Короче – «цена на бензин выросла вследствие роста цены транспортировки бензина из-за повышения цены на бензин». Геном современных организмов – очень сложная, запутанная, но довольно стабильная система, по-видимому, не созданная для того, чтобы человек мог свободно работать с ней, как с компьютерной программой.

В-третьих – давайте пофантазируем о дальнейшей эволюции полученного существа и его влияния на экосистемы. Учитывая многообразие живых организмов (которые имеют огромное многообразие способов размножения и огромное количество прямых и косвенных взаимосвязей), возможность горизонтального переноса генетической информации и то, что, помимо внешней стороны вопроса, есть и внутренние процессы, постоянно изменяющие геном… Учитывая все это, можно сделать вывод: да, ученые могут предположить последствия введения в геном одного конкретного сорта растений одного конкретного гена. Но едва ли когда-нибудь, не будучи богами, они смогут просчитать последствия создания принципиально нового организма, как сейчас они едва ли смогут правильно понять последствия массового внедрения разными группами исследователей и селекционными компаниями новых генов в культурные растения.

По оценкам ряда ученых, минимальный геном должен иметь, по крайней мере, 100–150 генов, ответственных за системы трансляции, транскрипции, репликации (т. е. производства белков и удвоения генома при делении клетки), а также поддержания примитивного метаболизма. Имеется в виду, конечно, организм с клеточным строением, а не вирус, структура которого намного проще за счет того, что он не способен размножаться во внешней среде – для этого ему необходим генетический аппарат клетки-хозяина. В этом смысле он не является в полной мере живым организмом, однако учеными уже были искусственно получены вирусы, обладающие инфекционной активностью. Следует отметить, что уже при синтезе небольшого (7500 пар оснований) вирусного генома возникли технические сложности, связанные со значительным числом неизбежных ошибок, допускаемых ферментами при синтезе нуклеотидных цепей. Лишь очень небольшая доля полученных вирусов была жизнеспособна.

Одним словом, «чужих» мы вряд ли увидим живьем. Возможно, в ближайшие десятилетия ученые получат возможность спроектировать, к примеру, цвет шерсти и длину зубов у новой породы собак. Но создать «с нуля» огромного ящера, размножающегося путем откладывания яиц в тело млекопитающих и имеющего, подобно насекомым, несколько промежуточных жизненных форм, – короче, организм с принципиально новыми признаками, – это в ближайшее столетие представляется малореальным. Зеленых, синих и фиолетовых кошек? Запросто, было бы желание (разноцветных флуоресцентных рыбок уже сделали). Летающих собак или крыс? Возможно, лет через 50–70. Мамонтов? А вот об этом проекте можно отдельно сказать пару слов…

Проект воссоздания мамонта (да и других вымерших животных) давно «витает в воздухе». Уже имеется ряд наработок в этой области: например, получено потомство из эмбриональных клеток мыши, замороженных на год (при –80 °С), а также из клеток, замороженных на 16 лет (при –20 °С). Показана возможность переноса генетического материала из замороженных клеток мыши в живые стволовые клетки и возможность их дальнейшего развития после такого переноса. И конечно, секвенирован геном мамонта – ДНК выделили из останков сибирского мамонта, жившего 20 тыс. лет назад.
Возможность восстановления исчезнувших видов была наглядно показана, когда генетический материал последней женской особи пиренейского горного козла букардо (Capra pyrenaica pyrenaica), умершей в 2000 году, был перенесен в яйцеклетки домашней козы (из которых предварительно удалили собственную ДНК). Эмбрионы подсаживались самкам других видов испанского козла. В результате одна из беременностей окончилась рождением козленка искомого вида. К сожалению, прожил он всего 7 минут – причиной смерти послужили проблемы с дыхательной системой.

Следует отметить, что, несмотря на несовершенство технологий и неизбежные повреждения генетического материала при длительном хранении, ничто не мешает ученым замещать недостающие и поврежденные участки ДНК искусственно синтезированными или полученными от родственных видов, хотя это, конечно, чрезвычайно увеличит объем работ.
Но в реальности воссоздание мамонтов наталкивается на ряд технических трудностей, связанных не только с сохранностью генетического материала, но и с самим процессом клонирования. Наиболее близкий к мамонту вид – азиатский слон – сам находится под угрозой исчезновения: в зоопарках мира всего 220 женских особей, и к репродукции способна лишь часть из них. А беременность у слонов длится около 660 дней, что делает подобные эксперименты крайне сложными, дорогостоящими и даже опасными, учитывая положение, в котором находится исчезающий вид. В случае с козлом букардо из 57 операций по имплантации эмбрионов суррогатным матерям всего 7 привели к беременностям, из которых лишь одна закончилась рождением живого козленка. Несомненно, «выход» жизнеспособных организмов в случае с жившими тысячи лет назад мамонтами будет на порядок (или порядки) меньше, тем более если речь будет идти о восстановленной ДНК. Неизвестно, сколько потребуется проб и ошибок для реализации такого проекта, поэтому на его завершение – в смысле действительного восстановления вида – понадобится много десятков лет.

***
Плейстоценовый парк – заказник в Якутии, основанный российским экологом Сергеем Зимовым. Это своеобразный эксперимент по восстановлению экосистемы мамонтовых тундростепей, которая в период позднего плейстоцена доминировала в Арктике. Парк занимает 160 км². Здесь живут якутские лошади, северные олени, лоси, овцебыки, зубры и маралы.



Впрочем, сегодняшняя мечта назавтра становится повседневностью, и шансы увидеть мамонтов (правда, скорее всего, в старости) у нас с вами все же есть. Тем более что именно в нашей стране расположено вполне удачное место обитания для этих животных – Плейстоценовый парк.


Читать эту статью в онлайн версии журнала "ММ": 

Всего 0 комментариев
Комментарии
OK OK OK OK OK OK OK
Яндекс.Метрика