Достижения биологии последнего времени привели к возникновению совершенно новых направлений в науке. Так, установление молекулярной природы гена послужило основой для генной инженерии - комплекса методов, с помощью которых возможно конструирование про- и эукариотических клеток с новой генетической программой. На этой основе налажено промышленное производство антибиотиков, гормонов (инсулина), интерферона, витаминов, ферментов и других биологически активных препаратов.
Среди достижений биологии можно отметить описание большого числа видов живых организмов, существующих на Земле, создание клеточной, эволюционной, хромосомной теории, расшифровка структуры белка и нуклеиновых кислот и т.д. На практике это способствовало увеличению эффективности производства сельскохозяйственной продукции, развитию медицины, биотехнологии, созданию основ рационального природопользования.

Те, кто следит за достижениями молекулярной биологии , должно быть, уже привыкли, что в этой молодой науке, вступившей всего лишь в третье десятилетие своего существования, крупные открытия совер-шаются часто, даже очень часто. Всего лишь 17 лет назад американец Джеймс Уотсон и англичанин Фрэнсис Крик предложили гипотезу о строении молекулы ДНК, которая, по их мнению, не разделявшемуся, впрочем, в то время большинством биологов, являлась хранителем генетической информации. Очень скоро, прямо-таки в фантастически сжатые сроки, мнение Уотсона и Крика о том, что ДНК действительно несет запись о всех генах организма, было доказано экспериментально. К началу шестидесятых годов стало ясно, что генетическая информация с молекул ДНК передается на похожие на них по своей структуре молекулы РНК. Последние соединяются с особыми структурами клетки - рибосомами, в которых и происходит синтез белка. Немногим ранее Г. Гамов (США), Ф. Крик и другие создали логически завершенную модель генетического кода. Самое важное заключалось в том, что было строго указано, для чего клетке нужна генетическая информация (синтез специфических белков, которые и определяют свойство жизни и возможность осуществления многообразных жизненных функций). Было показано и как отдельные элементы молекулы ДНК (по мысли Гамова, с которой все согласились, тройки нуклеотидов, расположенные вдоль цепи ДНК) кодируют строение синтезируемых в рибосомах белков.
Мало кто ожидал - даже среди весьма проницательных генетиков, - что уже в 1961 году Крик и его три помощника «расправятся» с задачей об общей природе генетического кода. Правда, путь к расшифровке состава отдельных троек, кодирующих аминокислоты, был открыт работой М. Ниренберга и Д. Маттеи, доложенной в Москве летом того же 2000 года. И уж совсем трудно было предполагать, что всего через два с половиной года американцы М. Ниренберг и Ф. Ледер предложат способ, позволяющий выяснить точное строение всех 64 кодовых слов генов. Уже через год генетики знали наследственный алфавит природы.

Но решение этих задач не увеличивало наших знаний о точном строении гена, точном строении молекул отдельных информационных и транспортных РНК. В 1964-1965 годах Холли в США и А. Баев в РФ расшифровали первые, самые маленькие из молекул, обслуживающих генетические таинства, - молекулы транспортных РНК. В 1967 году в лаборатории А. Корнберга в США после многолетних безуспешных попыток удалось синтезировать работоспособную молекулу ДНК фага 0X174. Через год Г. Корана (индиец, переехавший в США) в хитроумном эксперименте сумел синтезировать первый ген для транспортной РНК дрожжей. И вот сейчас, всего через год, выделен чистый ген из живых молекул ДНК !
Как ни парадоксально, этот грандиозный по своему замыслу, выполнению и последствиям для науки эксперимент не был само-целью. Беквит, широко известный специалист в области молекулярных основ реализации генетической информации, в предисловии указывает на главную цель, которую он и его коллеги преследовали, начиная работу. Им было важно найти ключи к разрешению давнего спора о том, когда происходит регуляция генной активности. Имелись две прСогласно первой, сам тен (то есть участок ДНК со строго определенной последовательностью нуклеотидов) может быть ареной регуляции. В таком случае с активированных генов будет списываться информационная РНК, а с репрессированных генов такого списывания происходить не будет.

Таким образом Биология довольно молодая, но довольно прогрессивная наука, довольно полезная для человека.

МЕДИЦИНЕ В ХХ ВЕКЕ

v 1901- Ландштейнер открыл группы крови, начало переливания крови.

v 1904 - Нобелевская премия в области физиологии и медицины присуждена Ивану Петровичу Павлову за открытие условных рефлексов.

v 1906 - первая пересадка трупной роговицы.

v 1910 - Томас Морган открыл хромосомы - органеллы наследственности.

v 1912- Бантинг и Бест открыли инсулин и причину диабета.

v 1926 - Меллер открыл мутагенные эффекты радиации и химических веществ.

v 1936 - первые ферменты получены в кристаллическом состоянии.

v 1944 - Освальд Эвери и Маклин МакКарти доказали, что изолированная ДНК встраивается в геном бактерий, изменяя их фенотип.

v 1951 - первая операция коронарного шунтирования (коронарный байпасс).

v 1953 - Джеймс Уотсон и Френсис Крик открыли двойную спираль ДНК.

v 1955 - первая пересадка почки.

v 1956 - первая коронарная ангиопластика.

v 1961 - Маршалл Ниренберг расшифровал генетический код (словарь) ДНК. Первые пересадки гематогенных стволовых клеток для спасения обреченных пациентов.

v 1964 - Чарлз Яновский подтвердил линейное соответствие генов и белков бактерий.

v 1967 - первая пересадка сердца и печени.

v 1969 - группа исследователей из Гарвардской медицинской школы изолировала первый ген человека.

v 1974 - Стенли Коэн и Герберт Бойер пересадили ген лягушки в бактериальную клетку. Начало генной инженерии.

v 1976 - создана первая биотехнологическая компания Genentech; начались пересадки генов человека в клетки микроорганизмов для промышленной наработки инсулина, интерферона и других полезных белков.

v 1980 - Мартин Кляйн создал первую трансгенную мышь путем пересадки гена человека в оплодотворенную яйцеклетку мыши.

v 1982 - генно-инженерный инсулин, наработанный бактериями, разрешен для использования в медицине.

v 1983 - открыта полимеразная цепная реакция (техника многократного клонирования коротких цепей ДНК) - стало возможным синхронно изучать работу многих генов.

v 1985 - техника «генетической дактилоскопии» ДНК стала использоваться в мировой криминалистике.

v 1985 - первые пересадки фетальной нервной ткани для лечения болезни Паркинсона.

v 1988 - выдан первый патент на генетически модифицированное животное.

v 1990 - начало работ по международному проекту Геном Человека.

v 1997 - клонировано первое млекопитающее - овца по кличке Долли; затем последовали удачные эксперименты по клонированию мышей и других млекопитающих.

v 1997-1998 - изолирование эмбриональных стволовых клеток человека в виде бессмертных линий.

v 1998 - создание методов одновременной регистрации активности 1000-2000 генов в геноме человека и млекопитающих.

v 1999-2000 - полная расшифровка генома 10 бактерий, дрожжей. Идентификация и установление расположения половины генов в хромосомах человека.

v 2001 - полная рашифровка генома человека

ХРОНОЛОГИЯ КЛОНИРОВАНИЯ

v 1883 год - открытие яйцеклетки немецким цитологом Оскаром Гертвигом (Хертвигом, 1849-1922).

v 1943 год - журнал «Сайенс» сообщил об успешном оплодотворении яйцеклетки «в пробирке».

v 1953 год - Р. Бригс и Т. Кинг сообщили об успешной разработке метода «нуклеотрансфера» - переноса ядра клетки в гигантские икринки африканской шпорцевой лягушки «ксенопус».

v 1973 год - профессор Л. Шетлз из Колумбийского университета в Нью-Йорке заявил, что он готов произвести на свет первого «бэби из пробирки», после чего последовали категорические запреты Ватикана и пресвитерианской церкви США.

v 1977 год - закончилась публикация серии статей о работах профессора зоологии Оксфордского университета Дж. Гердона, в ходе которых было клонировано более полусотни лягушек. Из их икринок удалялись ядра, после чего в оставшийся «цитоплазматический мешок» пересаживалось ядро соматической клетки. Впервые в истории науки на место гаплоидного ядра яйцеклетки с одинарным набором хромосом было внесено диплоидное ядро соматической клетки с двойным числом носителей генетической информации.

v 1978 год - рождение в Англии Луизы Браун, первого ребенка «из пробирки».

v 1981 год - Шетлз получает три клонированных эмбриона (зародыша) человека, но приостанавливает их развитие.

v 1982 год - Карл Илмензее из Женевского университета и его коллега Питер Хоппе из лаборатории Джексона в Бар-Харборе, штат Мэн, в которой с 1925 года разводят мышей, получили серых мышат, перенеся ядра клеток серого зародыша в цитоплазму яйцеклетки, полученной от черной самки, после чего эмбрионы были перенесены в белых самок, которые и выносили потомство. Результаты не были воспроизведены в других лабораториях, что привело к обвинению Илмензее в фальсификации.

v 1985 год - 4 января в одной из клиник северного Лондона родилась девочка у миссис Коттон - первой в мире суррогатной матери, не являющейся матерью биологической (то есть «бэби Коттон», как назвали девочку, была зачата не из яйцеклетки миссис Коттон). Был вынесен парламентский запрет на эксперименты с человеческими эмбрионами старше четырнадцати дней.

v 1987 год - специалисты Университета имени Дж. Вашингтона, использовавшие специальный фермент, сумели разделить клетки человеческого зародыша и клонировать их до стадии тридцати двух клеток (бластов, бластомеров), после чего зародыши были уничтожены. Американская администрация пригрозила лишать лаборатории дотаций из федеральных фондов, если в них будут проводиться подобные опыты.

v 1996 год - 7 марта журнал «Нейчур» помещает первую статью коллектива авторов из института Рослин в Эдинбурге, которые сообщили о рождении пяти ягнят, полученных без участия барана: в цитоплазматические мешки яйцеклеток были перенесены ядра культуры эмбриональных клеток, полученных от другого зародыша. Администрация Билла Клинтона еще раз подтверждает свое намерение лишать поддержки федеральных фондов всех, кто вознамерится экспериментировать с человеческими эмбрионами; так, был лишен субсидий исследователь из Университета Вашингтона, осуществлявший анализ пола зародыша и анализ дефектных генов на стадии восьми клеток.

v 1997 год - 27 февраля «Нейчур» поместил на своей обложке - на фоне микрофотографии яйцеклетки - знаменитую овечку Долли, родившуюся в том же институте Рослин в Эдинбурге. В конце июня Клинтон направил в конгресс законопроект, запрещающий «создавать человеческое существо путем клонирования и ядерного переноса соматических клеток».

v 1997 год - в самом конце декабря журнал «Сайенс» сообщил о рождении шести овец, полученных по рослинскому методу. Три из них, в том числе и овечка Полли, несли человеческий ген «фактора IX» («фактора 9»), или кровеостанавливающего белка, который необходим людям, страдающим гемофилией, то есть несвертываемостью крови.

v 1997 год - в США издается книга Майкла Смита «Клоны», в которой рассказывается о клонировании людей в подземных тоннелях вокруг Лос-Анджелеса (см. «Знание-сила», 1998, №4).

v 1998 год - чикагский физик Сид объявляет о создании лаборатории по клонированию людей: он утверждает, что отбоя от клиентов у него не будет.

v 1998 год, начало марта - французские ученые объявили о рождении клонированной тёлочки.

v 1999 годя. Нидерландские ученые намерены клонировать мамонта. Для этого они используют генетический материал найденного недавно в Сибири доисторического млекопитающего, умершего 20380 лет назад.

v 2000 год. В лаборатории сельскохозяйственного института префектуры Кагошима родился теленок, клонированный из клетки уже клонированного быка. Этот теленок, таким образом, стал первым животным второго поколения клонов сравнительно крупных млекопитающих.

v 2000 год. Британские ученые, клонировавшие овцу Долли, создали этим же методом пять поросят.

v 2001 год. Американские ученые заявляют о принципиакльной возможности клонирования человека. Палата лордов британского парламента после многочасовых дебатов одобрила законопроект, разрешающий клонирование эмбрионов человека

ЛЕТОПИСЬ открытий в ХИМИИ

v 2500 - 2000 гг до н. э. Проникновение меди с Востока в Европу. В Вавилоне изобретены весы - орудие для измерения количества золота и др. материалов. Прообразом для них послужило коромысло носильщика тяжестей.

v 2000 - 1500 гг до н. э. В египетских пирамидах найдены образцы стекла и ковкого железа.

v 1300 - 1000 гг до н. э. В Древней Греции известны медь, железо, олово, свинец, закаливание стали и действие навоза как удобрения.

v 1 в. до н. э. В поэме Лукреция Кара "О природе вещей" несуществующим богам противопоставляются невидимые атомы, с помощью которых объясняется все многообразие явлений окружающего мира, в том числе ветры и бури, распространение запахов, испарение и конденсация воды.

v 700 - 1000 гг. Арабский алхимик Джабир ибн Хайян и его последователи в результате безуспешных попыток превратить неблагородные металлы в золото применили кристаллизацию и фильтрование при очистке химических веществ; описали получение серной, азотной, уксусной кислот и царской водки (указали на ее способность растворять золото); приготовили нитрат серебра, сулему, нашатырь и белый мышьяк (мышьяковистую кислоту).

v 1000 - 1200 гг. В «Книге о весах мудрости» арабский ученый Ал-Казини приводит удельные веса 50 различных веществ. В «Книге тайн» Абу-ар-Рази впервые классифицируются все вещества на землистые (минеральные), растительные и животные; описаны кальцинация (обжиг) металлов и других веществ, растворение, возгонка, плавление, дистилляция, альгамирование, сгущение и т.п.

v 1280. Арнальдо Вилланованский описал приготовление эфирных масел.

v 1300 - 1400 гг. монаху Бертольду Шварцу приписывают изобретение пороха (в Европе). (В Китае порох был известен еще в начале нашей эры).

v 1452 - 1519 гг. Великий итальянский художник Леонардо да Винчи путем сжигания свечи под опрокинутым над водой сосудом доказывает, что при сгорании воздух расходуется, но не весь.

v XVI в. Алхимиком Василием Валентином в трактате «Триумфальная колесница антимония» описаны соляная кислота, сурьма, висмут (получение и свойства); развиты представления о том, что металлы состоят из трех «начал»: ртути, серы и соли.

v 1493 - 1541 гг. Парацельс преобразует алхимию в ятрохимию, считая, что главная задача химии - служить медицине изготовлением лекарственных средств. От него идет первое, многократно повторяющееся наблюдение, что для горения нужен воздух, а металлы при обращении в окалины увеличивают свой вес.

v 1556. В сочинении Г. Агриколы «12 книг о металлах» обобщены сведения о рудах, минералах и металлах; детально описаны металлургические процессы и тонкости горнорудного дела; приведена систематика металлов по внешним признакам.

v 1586 - 1592 гг. Г. Галилей сконструировал гидростатические весы для определения плотности твердых тел (1586), изобрел термометр (1592).

ЗАРОЖДЕНИЕ НАУЧНОЙ ХИМИИ

v 1660 - 65 гг. Р. Бойль в книге «Химик-скептик» сформулировал основную задачу химии (исследование состава различных тел, поиск новых элементов), развил представление о понятии «химический элемент» и подчеркнул важность экспериментального метода в химии. Он ввел термин «анализ» применительно к химическим исследованиям, установил обратную пропорциональность объема воздуха величине давления, применил индикаторы для определения кислот и оснований.

v 1668. О. Тахений ввел понятие о соли как продукте взаимодействия кислоты со щелочью.

v 1669. Х. Брандт выделил фосфор как продукт перегонки мочи (первое датированное открытие элемента).

v 1675. Н. Лемери дал определение химии как искусства "разделять различные вещества, содержащиеся в смешанных телах" (минеральных, растительных и животных).

v 1676. Э. Мариотт выразил зависимость объема воздуха от давления.

v 1707. И. Бетгер получил белый фосфор.

v 1721. И. Генкель получил металлический цинк.

v 1722. Ф. Гоффман описал получение сероводорода.

v 1723. Г. Шталь предложил теорию о флогистоне, как о материальном начале горючести.

v 1724. Д.Фаренгейт открыл зависимость точки кипения воды от давления и явление переохлаждения воды.

v 1730 - 33 гг. Р. Реомюр изобрел спиртовой термометр (1730). Он показал,что разные по составу растворы имеют различные плотности (1733).

v 1735. Г. Брандт открыл кобальт.

v 1741 - 50 гг. М. В. Ломоносов дал определение элемента (атома), корпускулы (молекулы), простых и смешанных веществ и начал разработку своей корпускулярной теории (1741). Сформулировал основные положения молекулярно-кинетической теории теплоты (1744).Открыл закон сохранения массы веществ (1745). Наблюдал явление пассивации металлов в конц. HNO 3

v 1751. А. Кронстедт открыл никель.

v 1757. Д. Блэйк показал, что при брожении выделяется углекислый газ.

v 1763. М. В. Ломоносов изложил основы горного дела и пробирного искусства, описал способы получения металлов из руд.

v 1766. Г. Кавендиш открыл водород.

v 1768. А. Боме изобрел прибор для определения плотностей жидкостей - ареометр.

v 1772. Д. Резерфорд открыл азот.

v 1772 - 73 гг. Дж. Пристли открыл хлористый водород, «веселящий газ» (N 2 O) (1772), кислород («дефлогистированный воздух»), описал свойства аммиака (1773).

v 1774. А. Лавуазье предположил, что атмосферный воздух имеет сложный состав. К. Шееле открыл марганец, барий, описал свойства хлора.

v 1775 - 77 гг. А. Лавуазье (независимо от Дж. Пристли) открыл кислород, описал его свойства, сформулировал основы кислородной теории горения.

v 1778 - 81 гг. К. Шееле открыл молибден, вольфрам; получил глицерин, молочную кислоту, синильную кислоту и уксусный альдегид.

v 1781. Г. Кавендиш показал, что при сгорании водорода образуется вода.

v 1782. И. Мюллер фон Райхенштейн открыл теллур.

v 1785. Т. Е. Ловиц открыл явление адсорбции древесным углем из растворов.

v 1787. А. Кроуфорд и У. Круикшанк открыли стронций. Ж. Шарль установил уравнение зависимости давления газа от температуры.

v 1789. М. Клапрот открыл цирконий и уран.И. Рихтер сформулировал закон эквивалентов.

v 1794. Ю. Гадолин открыл иттрий, что положило начало химии редкоземельных элементов.

v 1796. С. Теннарт и У. Волластон доказали, что алмаз состоит из углерода.

v 1797. Л. Воклен открыл хром.

v 1798. Т. Е. Ловиц ввел понятие о перенасыщенном растворе.

v 1800. У. Никольсон и А. Карлейль осуществили электролиз воды.

Десять крупнейших достижений десятилетия в биологии и медицине Версия независимого эксперта

Новые высокопроизводительные методы секвенирования ДНК – «цена» генома падает

МикроРНК – о чем молчал геном

Новые высокопроизводительные методы секвенирования ДНК – «цена» генома падает

Один из основателей знаменитой фирмы «Intel» Г. Мур в свое время сформулировал эмпирический закон, который до сих пор выполняется: производительность компьютеров будет удваиваться каждые два года. Производительность секвенаторов ДНК, с помощью которых проводят расшифровку нуклеотидных последовательностей ДНК и РНК, растет даже быстрее чем по «закону Мура». Соответственно, падает стоимость чтения геномов.

Так, затраты на проведение работ по проекту «Геном человека», который завершился в 2000 г., составили 13 млрд долларов. Появившиеся позднее новые массовые технологии секвенирования были основаны на параллельном анализе множества фрагментов ДНК (сначала – в микролунках, а сейчас – в миллионах микроскопических капель). В результате, например, расшифровка генома знаменитого биолога Д. Уотсона, одного из авторов открытия структуры ДНК, которая в 2007 г. обошлась в 2 млн долларов, всего через два года «стоила» уже 100 тыс. долларов.

В 2011 г. фирма «Ion torrent», предложившая новый метод секвенирования на основе измерения концентрации ионов водорода, выделяющихся при работе ферментов ДНК-полимераз, прочитала геном самого Мура. И хотя стоимость этой работы не оглашалась, создатели новой технологии обещают, что чтение любого генома человека не должно в будущем превышать 1 тыс. долларов. А их конкуренты – создатели еще одной новой технологии, секвенирования ДНК в нанопорах, уже в нынешнем году представили прототип устройства, на котором, потратив несколько тысяч долларов, можно секвенировать геном человека за 15 минут.

Синтетическая биология и синтетическая геномика – как просто стать Богом

Информация, накопленная за полвека развития молекулярной биологии, сегодня позволяет ученым создавать живые системы, никогда не существовавшие в природе. Как оказалось, сделать это совсем нетрудно, особенно если начать с чего-то уже известного и ограничить свои притязания такими несложными организмами, как бактерии.

В наши дни в США даже проводится специальный конкурс iGEM (International Genetically Engineered Machine), в котором студенческие команды соревнуются в том, кто сможет придумать наиболее интересную модификацию обычных бактериальных штаммов, используя набор стандартных генов. Например, пересадив в широко известную кишечную палочку (Escherichia coli ) набор из одиннадцати определенных генов, можно заставить колонии этих бактерий, растущие ровным слоем на чашке Петри, стабильно менять цвет там, где на них падает освещение. В результате можно получить их своеобразные «фотографии» с разрешением, равным размеру бактерии, т. е. около 1 мкм. Создатели этой системы дали ей имя «Колироид», скрестив видовое имя бактерии и название знаменитой фирмы «Поляроид».

В этой области есть и свои мегапроекты. Так, в фирме одного из отцов геномики К. Вентера был синтезирован из отдельных нуклеотидов геном бактерии-микоплазмы, который не похож ни на один из существующих микоплазменных геномов. Эту ДНК заключили в «готовую» бактериальную оболочку убитой микоплазмы и получили работающий, т.е. живой организм с полностью синтетическим геномом.

Лекарства от старения – путь к «химическому» бессмертию?

Сколько ни пытались за тысячи лет создать панацею от старения, легендарное средство Макропулоса так и осталось недосягаемым. Но и в этом, казалось бы, фантастическом направлении появляются подвижки.

Так, в начале прошедшего десятилетия большой бум в обществе произвел ресвератрол – вещество, выделенное из кожуры ягод красного винограда. ­Сначала с его помощью удалось значительно продлить жизнь клеткам дрожжей, а потом – и многоклеточным животным, микроскопическим червям-нематодам, плодовым мушкам-дрозофилам и даже аквариумным рыбкам. Потом внимание специалистов привлек рапамицин – антибиотик, впервые выделенный из почвенных бактерий-стрептомицетов с о. Пасхи. С его помощью удалось продлить жизнь не только клеткам дрожжей, но даже лабораторным мышам, которые жили на 10-15 % дольше.

Сами по себе эти препараты вряд ли будут широко применять для продления жизни: тот же рапамицин, к примеру, подавляет иммунную систему и повышает риск инфекционных заболеваний. Однако сейчас ведутся активные исследования механизмов действия этих и подобных веществ. И если это удастся, то мечта о безопасных лекарственных средствах для продления жизни вполне может стать явью.

Использование стволовых клеток в медицине – ждем революцию

Сегодня в базе данных клинических испытаний Нацио­нальных институтов здоровья США пере­числено почти полтысячи работ с использованием стволовых клеток, находящихся на разных стадиях исследования

Однако настораживает тот факт, что первое из них, касающееся использования клеток нервной системы (олигодендроцитов) для лечения травм спинного мозга, было прервано в ноябре 2011 г. по неизвестной причине. После этого американская компания «Geron Corporation» – один из пионеров в области «стволовой» биологии, которая проводила это исследование, объявила о полном сворачивании своих работ в этой области.

Тем не менее, хочется верить, что медицинское применение стволовых клеток со всеми их волшебными возможностями не за горами.

Древняя ДНК – от неандертальца до чумной бактерии

В 1993 г. вышел фильм «Парк Юрского периода», в котором на экране гуляли монстры, воссозданные из остатков ДНК из крови динозавров, сохранившейся в желудке замурованного в янтаре комара. В тот же год один из крупнейших авторитетов в области палеогенетики, английский биохимик Т. Линдал заявил, что даже при самых благоприятных условиях из ископаемых остатков нельзя извлечь ДНК старше 1 млн лет. Скептик оказался прав – ДНК дино­завров так и осталась недоступной, однако успехи в техническом совершенствовании методов извлечения, амплификации и секвенирования более молодой ДНК, достигнутые за последнее десятилетие, впечатляют.

На сегодня полностью или частично прочитаны геномы неандертальца, недавно открытого денисовца и множества ископаемых останков Homo sapiens , а также мамонта, мастодонта, пещерного медведя… Что касается более далекого прошлого, то была изучена ДНК из хлоропластов растений, чей возраст датируется 300-400 тыс. лет, и ДНК бактерий возрастом 400-600 тыс. лет.

Из исследований более «молодой» ДНК стоит отметить расшифровку генома штамма вируса гриппа, вызвавшего 1918 г. эпидемию знаменитой «испанки», и генома штамма чумной бактерии, опустошившей ­Европу в XIV в.; в обоих случаях материалы для анализа были выделены из захороненных останков умерших от болезни.

Нейропротезирование – человек или киборг?

Эти достижения принадлежат скорее к инженерной, а не биологической мысли, но от этого они не смотрятся менее фантастическими.

Вообще простейший тип нейропротеза – электронный слуховой аппарат – был изобретен еще более полувека назад. Микрофон этого устройства улавливает звук и передает электрические импульсы непосредственно на слуховой нерв или в ствол головного мозга – таким образом можно вернуть слух даже пациентам с полностью разрушенными структурами среднего и внутреннего уха.

Взрывообразное развитие микроэлектроники ­за по­следний десяток лет позволило создать такие виды нейро­протезов, что впору говорить о возможности скорого превращения человека в киборга. Это и искусственный глаз, действующий по тому же принципу, что и слуховой прибор; и электронные подавители проведения болевых импульсов через спинной мозг; и автоматические искусственные конечности, способные не только воспринимать управляющие импульсы мозга и выполнять действия, но и передавать ощущения обратно в мозг; и электромагнитные стимуляторы зон мозга, пораженных при болезни Паркинсона.

Сегодня уже ведутся исследования, касающиеся возможности интеграции разных отделов мозга с компьютерными микросхемами для улучшения умственных способностей. И хотя до полной реализации этой идеи далеко, но видеоклипы, показывающие людей с искусственными руками, уверенно пользующихся ножом и вилкой и играющими в настольный футбол, поражают воображение.

Нелинейная оптика в микроскопии – увидеть невидимое

Из курса физики студенты твердо усваивают понятие дифракционного предела: в самый лучший оптический микроскоп невозможно увидеть объект, размеры которого меньше половины длины волны, разделенной на показатель преломления среды. При длине волны 400 нм (фиолетовая область видимого спектра) и показателе преломления около единицы (как у воздуха) объекты мельче 200 нм неразличимы. А именно в этот размерный диапазон попадают, например, вирусы и множество интереснейших внутриклеточных ­структур.

Поэтому в последние годы широкое развитие в биологической микроскопии получили методы нелинейной и флуоресцентной оптики, для которых понятие дифракционного предела неприменимо. Сейчас такими методами удается в деталях исследовать внутреннее строение клеток.

Дизайнерские белки – эволюция в пробирке

Как и в синтетической биологии, речь идет о создании небывалого в природе, только на этот раз не новых организмов, а отдельных белков с необычными свойст­вами. Желать этого можно с помощью как усовершен­ствованных методов компьютерного моделирования, так и «эволюции в пробирке» – например, проводить селекцию искусственных белков на поверхно­сти специально созданных для этой цели бактериофагов.

В 2003 г. ученые из Вашингтонского университета с использованием методов компьютерного предсказания структуры создали белок Top7 – первый в мире ­белок, структура которого не имеет аналогов в живой природе. А на основе известных структур так называемых «цинковых пальцев» – элементов белков, узнающих участки ДНК с разной последовательностью, удалось создать искусственные ферменты, расщепляющие ДНК в любом заведомо заданном месте. Такие ферменты сейчас широко используются как инструменты для манипуляций с геномом: например, с их помощью можно удалить из генома человеческой клетки дефектный ген и заставить клетку заменить его нормальной копией.

Персонализированная медицина – получаем генные паспорта

Идея, что разные люди и болеют, и должны лечиться по-разному, далеко не нова. Даже если забыть про разный пол, возраст и образ жизни и не учитывать генетически обусловленные наследственные заболевания, все равно наш индивидуальный набор генов уникальным образом может влиять как на риск развития множе­ства болезней, так и на характер действия лекарств на организм.

Многие слышали про гены, дефекты в которых повышают риск развития онкозаболеваний. Другой пример касается приема гормональных контрацептивов: в случае, если женщина несет нередкий для европейцев «лейденский» ген фактора V (одного из белков системы свертывания крови), у нее резко повышается риск тромбоза, так как и гормоны, и этот вариант гена повышают свертываемость крови.

С развитием методов определения последовательно­сти ДНК стало возможным составление индивидуальных карт генетического здоровья: можно установить, какие известные варианты генов, связанных с заболеваниями или с ответом на лекарственные препараты, имеются в геноме конкретного человека. На основании такого анализа можно давать рекомендации о наиболее подходящем режиме питания, о необходимых профилактических осмотрах и о предосторожностях при применении тех или иных лекарств.

МикроРНК – о чем молчал геном

В 1990-х гг. было открыто явление РНК-интерференции – способности малых двуцепочечных дезоксирибонуклеиновых кислот снижать активность генов за счет деградации считываемых с них матричных РНК, на которых синтезируются белки. Оказалось, что клетки активно используют такой путь регуляции, синтезируя микроРНК, которые потом и разрезаются на фрагменты нужной длины.

Первая микроРНК была открыта в 1993 г., вторая – только через семь лет, при этом в обоих исследованиях была использована нематода Caenorhabditis elegans , которая сейчас служит одним из основных экспериментальных объектов в биологии развития. Зато потом открытия посыпались, как из рога изобилия.

Оказалось, что микроРНК участвуют и в эмбриональном развитии человека, и в патогенезе онкологических, сердечно-сосудистых и нервных заболеваний. А когда стало возможным одновременно прочитать последовательности всех РНК в клетке человека, оказалось, что огромная часть нашего генома, которая раньше считалась «молчащей», потому что не содержит генов, кодирующих белки, на самом деле служит матрицей для считывания микроРНК и других некодирующих РНК.

Д. б. н. Д. О. Жарков (Институт химической
биологии и фундаментальной медицины
СО РАН, Новосибирск) ­