Жизнь в стакане

АГ: Дело в том, что это размножение не точное. Следующее поколение может содержать отличия от первого и быть более приспособленным к окружающей среде. Быть прочнее, быстрее размножаться. То, что сделало жизнь жизнью, – это способность к эволюции. Посредством дарвиновского естественного отбора, который поначалу осуществлялся на уровне очень мелких и простых клеток.

АН: То есть мы с вами представляем собой колонию клеток.

АГ: Не просто колонию. Каждый из нас представляет собой клеточный клон – потомство одной-единственной клетки.

АН: Которая состоит из химических веществ?

АГ: На самом деле в клетке ничего, кроме химических реакций, не происходит. Но они идут не как попало, а определенным образом, в определенной последовательности.

АН: Значит, можно взять все эти химические составляющие, смешать...

АГ: Нет. Так вы клетку не получите.

АН: Почему?

АГ: Потому что жизнь, которую мы имеем сейчас, является результатом эволюции, продолжавшейся на Земле четыре миллиарда лет.

АН: Мы не упомянули об одной важной детали – ДНК.

АГ: Пожалуйста, добавили ДНК. Ничего не будет.

АН: Но если, предположим, мы взяли все это, поместили в стакан, добавили ДНК и нажали кнопку «Старт», то четырех миллиардов лет нам не надо. Оно сразу запустилось и будет работать. Потому что в моем представлении клеткой, состоящей из обычной химии, управляет нечто. И управляет, наверное, молекула ДНК.

Для того, чтобы в клетке происходили какие-то процессы, ею надо руководить. Ей нужна информация – когда, в какой последовательности и что делать. И в клетке существуют механизмы переноса этих данных. Например, ферменты, которые берут информацию, допустим, с ДНК, куда-то переносят, и в их присутствии начинается некий процесс.

АГ: Да, так примерно все и выглядит. Причем информация течет не только от ДНК. Поведением клетки, когда она уже готова, управляет даже не ДНК, а те сигналы, которые поступают в нее. В том числе и из среды организма. Гормоны, нервные импульсы.

АН: А как они получают информацию?

АГ: У клеток в мембране плавают белки. У некоторых из них есть углубления, которые по форме соответствуют, например, молекулам глюкозы. 

Вот плавают молекулы глюкозы с наружной стороны клетки, а по клеточной мембране плавает множество разных белковых молекул. И когда какая-то молекула глюкозы попадает в «подходящее» углубление белковой молекулы, она там и остается. В результате вся молекула белка меняет форму, и, когда тот ее конец, который выступает наружу, ловит глюкозу, тот конец, который направлен внутрь, приобретает способность ловить какие-то еще молекулы из цитоплазмы. Те, в свою очередь, получают способность запускать еще какой-то процесс. Такая последовательность событий может дойти до ядра. И в результате этого включится определенный ген. Примерно так все выглядит, в самом общем виде. АГ: Мы не предположили. Этот процесс изучают с другого конца.  АН: Совсем недавно у нас в гостях был директор Института Бехтерева. И я все время его склонял к тому, что головной мозг – это обычный компьютер. И, на мой взгляд, командует этой штукой молекула ДНК – некая управляющая плата, запрограммированный блок контакторов, кем-то когда-то сделанный искусственно. И выполняет он совершенно конкретную функцию математического программирования и управления. А все, что внутри клетки, – это некие флешки, носители информации.

АГ: Это метафора, с которой можно согласиться.

АН: Отлично. А как программировать, например, ДНК для определенных функций?

АГ: Это генная инженерия. В ДНК вставляем ген, который делает то, чего раньше клетка делать не могла. Сейчас делают растительные клетки, которые производят инсулин. Например, клетки помидоров.

АН: Если все так просто, почему мы не решаем вопрос раковых клеток? Надо залезть внутрь, убрать лишнее и запустить процесс обновления – и все, и не будет рака. В помидор-то мы можем засунуть определенный ген.

АГ: Засунуть другой ген в помидор – это, грубо говоря, испортить помидор. А вот вылечить его от этого гена гораздо сложней. Но мы хотя бы знаем, какой именно ген засунули, значит, можно его потом извлечь или нейтрализовать. Но выяснить, какой ген работает неправильно в раковых клетках, гораздо сложнее. Более того, в разных типах рака все происходит по-разному. Рак – это же десятки, если не сотни разных состояний. И каждое нужно лечить определенным образом.

АН: Чем клетка отличается от машины, механизма?

АГ: В механизме рычаг действует на другой рычаг и совершает определенное, точное движение. Ничего другого быть не может. В клетке же одна молекула может столкнуться вот с этой, а может и с той. И результаты столкновения будут разные. 

Двух одинаковых клеток не бывает. Даже когда мы получаем клон клеток, мы определяем в них, с виду совершенно одинаковых, разные уровни экспрессии генов, то есть их активности или латентности. И более того, некоторые из этих клеток превращаются в клетки одного типа, другие – в клетки другого типа и так далее. Поведение клеток очень отличается от поведения механизмов. Очень.

АН: Да почему? Разные механизмы есть.

АГ: Потому что три, десять, сто одинаковых механизмов в одинаковых условиях будут вести себя одинаково. А клетки – нет. Мы не только не знаем всех подробностей, чтобы предсказать, что с какой будет, но и в принципе не можем этого сделать.

Возьмем очень простую ситуацию. В клетках идут химические реакции. Реакция происходит, когда имеется, например, два вещества и фермент, который обеспечивает их взаимодействие. Оно описывается очень просто с помощью дифференциальных уравнений. Если мы точно знаем исходную концентрацию веществ и фермента, мы можем точно предсказать, как эта реакция будет идти со временем. Абсолютно точно. 

Берем другую реакцию. Еще два вещества и фермент. И тоже можем предсказать, как эта реакция будет протекать, если мы точно знаем исходные параметры. А теперь добавляем маленькое условие.  Мы знаем, что продукт первой реакции влияет на активность фермента, который катализирует вторую реакцию. А продукт второй реакции влияет на активность фермента, который катализирует первую реакцию. Здесь уже не одно и не другое дифференциальное уравнение, а система минимум из двух уравнений.

Так вот, одно уравнение решается однозначно, второе тоже. А у системы однозначного решения нет. Мы можем только говорить, что, если мы возьмем тысячу клеток, то их распределение в процентах будет такое-то. Но как поведет себя отдельная клетка, мы в принципе предсказать не можем.

Вы придерживаетесь позиций, через которые наука прошла в XVIII веке. Это так называемый детерминизм: уверенность в том, что, зная все начальные условия, мы можем точно просчитать все последствия. А если не можем – значит, мы чего-то не знаем, каких-то подробностей.

АН: Да я не о том. Мне кажется очевидным, что на клетку, в частности, на программируемый блок ДНК, идет внешнее воздействие.

АГ: Идет, конечно. Клетка реагирует на сигналы, которые поступают от организма, – на гормоны, нервные импульсы. Безусловно.

АН: Ну, подождите, еще раз вам говорю, что в сущности клетки самое главное – информация. Есть информация – есть клетка. Нет информации – есть просто химические элементы в стакане. Вот это самое главное. Это математика. Это двоичный код, это передача информации, это обычная логика.

АГ: Да, когда существует выбор между двумя возможностями или большим числом возможностей, мы получаем энное количество информации, когда этот выбор осуществлен. Ну, допустим, да.

АН: Так вот, что происходит? Управляемый блок (допустим, ДНК) получает команду в определенный момент. Ему дают одну команду, он делает так. Дают другую – он делает этак, в рамках тех характеристик, с какими его сделали. И вся история. И больше там ничего нет.

Вы все время упираетесь в те формы передачи информации, которые на сегодняшний момент нашли в организме. Но может быть, не все еще нашли? Я вам рассказываю свое видение, как работает эта система. На обычной логике машины, механизма.

АГ: А почему вы решили, что клетка работает так, как машина?

Головной мозг – это не клетка, это очень много клеток. И не компьютер. Компьютер действует цифровым способом. А мозг, если уж на то пошло, основан на аналоговых принципах, а не на цифровых.

АН: Почему? У нас все находится в логической последовательности. Вкус можно в голове как-то почувствовать без перевода ощущений в цифровой код? Да такого быть не может!

АГ: Да нет никакого цифрового кода. Те же самые гены. Ситуация, когда ген включен, ген выключен. Этот ген может молчать, а может работать на разных уровнях. И от того, на каком уровне он работает, зависит поведение клеток. И на каждом уровне у клетки есть целый спектр возможностей для ответа. Ни одна машина так не действует. Еще раз: у машины движение – ответ, движение – ответ однозначен. Но в клетке...

АН: Компьютер – это же машина? Вот такая же машина – ДНК. Только с точки зрения элементной базы другая. Ну, и еще что-то, чего мы не знаем.

АГ: Еще бы не другая! Вот мы говорили о генах, представляющих собой последовательности ДНК, которые с небольшими поправками транслируются в последовательности аминокислот в белках. А когда секвенировали, то есть «разобрали», человеческий геном, то выяснилось, что большая часть ДНК вообще ничего не кодирует. 

АН: Может быть, когда проверяли, все было в нейтральном состоянии. А включается оно именно тогда, когда работает для выполнения какой-то специальной функции. Пришла команда сверху – началась кодировка.

АГ: Александр Иванович, последовательность ДНК человека на данный момент известна. На это ушло несколько лет, энное число миллиардов долларов, над этим работало огромное количество людей. В общем – все известно. Другой вопрос – ДНК у каждого своя. И на каждой позиции возможны варианты. И сейчас следующий этап изучения всего этого дела: исследование всех возможных вариантов. Тем более, что некоторые из них предрасполагают к определенным болезням. 

АН: Ну, хорошо, Алексей Георгиевич. Вы же говорите про клетки, которые никто толком не знает. В одинаковых условиях они могут быть совершенно разными. Но вы не знаете всех начальных условий. Ну почему вы считаете, что ученые дошли до их понимания? Вы не предполагаете, что в этот момент на клетку влияет, скажем, гравитация, электромагнитное излучение?

АГ: Все это может быть. Но я вам говорю о том, что даже когда мы берем гораздо более простую систему, где можем контролировать реально все, – две взаимодействующие реакции, мы получаем на выходе ситуацию, которая в принципе непредсказуема. 

А именно это и происходит в клетках. Там не две реакции, там десятки и сотни  реакций, вступающих во взаимодействие между собой. Непредсказуемость возникает еще до того, как мы предполагаем наличие чего-то неизвестного. Она возникает уже на уровне абсолютно известных вещей. Вот в чем фокус-то.

Мы не можем просчитать, какой будет концентрация продуктов реакций через два часа. Она может быть такой, а может такой. А какой именно будет, мы можем узнать только задним числом.

Поэтому мы не знаем, как пойдут дела в отдельной клетке. Но когда мы берем сто клеток, то эти самые сто клеток, популяция клеток, ведет себя уже гораздо более определенным образом. Но здесь есть еще один маленький нюанс. В отличие от неживой природы, в живой природе многие отклонения способны к размножению. Если есть даже очень маленькая вероятность, дела в какой-то из клеток пойдут не так, как в других. И для этого даже не нужна мутация.

Например, из одной оплодотворенной яйцеклетки возникает множество разных клеток, которые очень друг от друга отличаются. И все это происходит без изменения в ДНК. За счет того, что гены могут активироваться, могут ингибироваться. Эти активные и заингибированные состояния могут передаваться от материнской клетки к дочерней. Грубо говоря, на ДНК садятся определенные белки. И положение этих белков на ДНК, которые либо позволяют генам быть активным, либо исключают такую возможность, передается от клетки к клетке.

Будет ли белок сидеть на ДНК, зависит от того, есть ли на белке еще дополнительные группы, которые прикрепляются к нему другими белками. Метильные группы, ацетильные. И от того, есть ли они на данном белке, будет зависеть присутствие или отсутствие белка на этом же самом участке ДНК у дочерней клетки. 

Примерно так  из одной оплодотворенной яйцеклетки возникают разные клетки, из которых в конце концов происходят  и клетки кожи, и нейроны, и клетки печени –  они все совершенно разные, но ДНК у них у всех одинаковая. Просто на этой ДНК в разных сочетаниях и в разных местах сидят те или иные белки. 

АН: Ну получается, это банальное программирование. И из всего этого, если мы скосим многие подробности, следует, что принципиальное изменение поведения клеток, в том числе и их превращение в раковые (которые ни на что не реагируют как надо, а только делятся безостановочно), возможно без мутаций. И такая вероятность всегда присутствует.  

Чтобы клетка вела себя каким-то образом, она должна постоянно получать сигналы и от ближайших клеток, и от центральных органов управления типа головного мозга. Мозг действует на клетки, управляя железами внутренней секреции, которые секретируют те или иные гормоны. 

Чтобы нормальная человеческая клетка в пробирке была способна к пролиферации (делению), нужно создать весьма сложные условия. Если мы добавим в пробирку глюкозу, аминокислоты, то клетки делиться не будут. Как минимум, нужно добавить еще сыворотку крови. Там содержится уйма веществ, необходимых для запуска пролиферации.  

А теперь, допустим, мы добавляем сыворотку, и процесс подготовки к делению запускается. Как вы думаете, через какое время деление произойдет? В промежутке от четырех до пятидесяти часов. Одна клетка через четыре часа разделятся, другая – через тридцать четыре. Очень большая часть разделится раньше, чем через двадцать часов. А другая весьма заметная часть – позже, чем часов через тридцать. То есть мы имеем ситуацию, когда можно описать достаточно точно поведение клеточной популяции, а вот как себя поведет отдельная клетка – этого мы не знаем. А это важно. Потому что, если ситуация изменилась (пока идет подготовка к делению), то клетки, которые ближе к моменту деления, будут на изменившуюся ситуацию реагировать так, а которые дальше от этого момента – будут реагировать этак. АН: Но есть клетки, из которых можно получить что хочешь? Например, клетки эмбриона.

АГ: Поначалу попытки вырастить ткани печени, поджелудочной железы или кожи проводились с эмбриональными стволовыми клетками. Сейчас пошли дальше. Научились многое  делать из клеток, которые можно взять из кожи. Они не вполне стволовые – хотя и способны к пролиферации, но при этом способны давать только один тип клеток в коже. Если их извлечь из организма и поместить в определенные условия, они пройдут обратный путь развития и дойдут до состояния, которое аналогично клеткам внутренней клеточной массы раннего эмбриона. И, соответственно, из клетки, полученной из кожи, превратив ее в такую индуцированную стволовую клетку, можно потом уже вырастить клетки печени, поджелудочной железы. Вот это уже реальное ноу-хау. Впереди планеты всей по этой части идут сейчас китайцы.

АН: Боюсь я, Алексей Георгиевич, что не все так просто...

АГ: Абсолютно не так просто. Перспективно – да. Но непросто – это точно.

АН: Не все так перспективно. Все-таки мне кажется, что человеческий организм – это некая машина, которую мы научились разбирать, собирать, ремонтировать и даже выращивать. Но она достаточно сложная, чтобы это сделать лучше, чем эволюция. Получается, эволюция пока сильнее нас, умнее. По какой-то непонятной причине.

АГ: У нее времени было больше.