Генетики всерьёз берутся за продолжительность жизни

Пионер секвенирования человеческого генома Дж. Крэйг Вентер обеими ногами прыгнул в биомедицину. Летом заработает в полную силу его новая фирма Human Longevity Inc.: «диагностика и лечение методами геномики и клеточной терапии». Конечная цель — здоровое старение.

На специальной пресс-конференции основатель и генеральный директор Института Дж. Крейга Вентера, размещённого в Сан-Диего (Калифорния), объявил, что начальный капитал стартапа составляет $70 млн — и этого хватит на то, чтобы построить крупнейший в мире центр по секвенированию человеческого генома, который превзойдёт даже китайскую компанию BGI. Фирма планирует приобрести 20 новых секвенирующих машин компании Illumina за миллион долларов каждая. После выхода на полную мощность стартап снизит стоимость получения человеческого генома до $1 000. В 2007 году, напомнил г-н Вентер, на это ушли $100 млн и девять месяцев.

Слева направо: Питер Диамандис, Крейг Вентер и Роберт Харири (фото Brett Shipe).

Пока секвенирование генома ничего не даёт врачам и пациентам — за исключением того, что позволяет выявить генетический профиль опухоли, определяя тем самым прогноз и лечение. Г-н Вентер намерен собрать воедино «всё, что мы можем измерить» и сопоставить это с клиническими данными. Он надеется найти таким образом закономерности, которые позволят понять, какое лечение или превентивные меры будут самыми эффективными. «Геномика — только часть картины», — подчёркивает учёный. Но именно с неё и начнут: в первый год будет секвенировано 40 тыс. геномов, а через пять лет центр выйдет на полмиллиона в год.

Первой целью компании станет рак. Будут секвенированы опухоли всех пациентов онкологического центра Калифорнийского университета в Сан-Диего, а также ДНК здоровых образцов ткани (конечно, с согласия человека). Кроме того, специалисты составят каталог микроорганизмов, живущих в теле каждого пациента, и проанализируют кровь — примерно на 2 400 химических веществ. Информация о семи тысячах больных раком будет дополнена сведениями о детях, долгожителях, других здоровых людях — отчасти для того, чтобы найти варианты генов, которые защищают от болезни.

Полученные данные объединят с тем, что содержится в медицинских картах. По соглашению с университетом компания может работать с его архивами. Более того, она планирует лицензировать доступ другим фармацевтическим и биотехнологическим фирмам, а также научным организациям.

Если брак геномики с микробиомами и метаболомикой не принесёт ожидаемых результатов, г-н Вентер позовёт на помощь стволовые клетки. Human Longevity оценит генетические изменения в стволовых клетках, то, как они дифференцируются и стареют, — снова имея в виду обнаружение способов, которые отсрочат старение и начало болезни.

Некоторых беспокоит, что г-н Вентер берёт на себя так много. Коммерческое предприятие должно быть сфокусированным, считает Джордж Чёрч из Гарварда, сам не только геномик, но и основатель нескольких стартапов. Есть по крайней мере одна компания, которая занимается лишь микробиомами. Стволовые клетки тоже активно изучаются. Анализ геномов на рак осуществляется и онкологическими центрами, и частниками. Чтобы утвердиться на этом рынке, нужны огромные ресурсы и большая доля везения, подчёркивает г-н Чёрч, а выдержать конкуренцию сразу на нескольких фронтах будет ещё труднее.

«Собрать такое количество данных — та ещё задача, а их эффективная интеграция — нечто по ту сторону добра и зла, — согласен с коллегой биохимик Джереми Николсон из Имперского колледжа Лондона (Великобритания), возглавляющий там Международный феномный центр — один из самых высокопроизводительных в мире. — Это величайшее научное предприятие, но оно напоминает попытку измерить Эверест вслепую».

Нельзя не заметить, что г-н Вентер славится умением мыслить масштабно и находить ресурсы для выполнения своих планов. В то же время его набеги в частный сектор успешными не назовёшь. Будучи президентом и главным директором по науке компании Celera Genomics в Роквиле (Мэриленд), он руководил первым в мире проектом по секвенированию человеческого генома, но был вынужден оставить компанию, когда та резко поменяла свои приоритеты. Тогда он основал в Сан-Диего фирму Synthetic Genomics Inc., которая в 2009 году попала на первые страницы газет, потому что корпорация ExxonMobil заключила с ней контракт стоимостью $600 млн на разработку коммерческой версии биотоплива из водорослей. Но четыре года спустя условия сотрудничества были пересмотрены, и фирма обратилась к более фундаментальным исследованиям. В случае с Human Longevity г-ну Вентеру помогли: соучредителями компании стали предприниматель Роберт Харири, подвизающийся в сфере стволовых клеток, и основатель премии XPRIZE Питер Диамандис. Время покажет, какая продолжительность жизни будет у этой смелой авантюры.

Дмитрий Целиков
Подготовлено по материалам ScienceNOW.

Интервью с Крейгом Вентером Ноябрь 2013

"Творец". К трёхлетию создания синтетической жизни. Дайджест.

Вакцина по электронной почте.

Сделаны первые рентгеновские снимки процессов, происходящих внутри живых клеток

Для того, чтобы получить детализированное до уровня отдельных молекул высококачественное рентгеновское изображение живых клеток, ученые погружают эти клетки в специальные защитные химические растворы. Но, в большинстве случаев, такой метод не приводит к желаемому результату, клетки погибают, их внутренняя структура претерпевает необратимые изменения, и на полученных снимках можно увидеть все что угодно, но только не картину естественного состояния живой клетки. Но недавно, ученые из германского исследовательского центра DESY нашли способ произведения безопасной рентгеновской съемки, при помощи которого ими были сделаны первые в истории науки рентгеновские снимки процессов, протекающих внутри отдельных живых клеток.

В работе, опубликованной на пошедшей неделе в онлайн-издании Physical Review Letters, ученые описывают структуру разработанной ими системы, позволяющей произвести высококачественную рентгеновскую съемку живых клеток. Ученые использовали раковые клетки опухли надпочечной коры, которые были искусственно выращены на поверхности тончайших пластин из нитрата кремния, материала, почти полностью прозрачного для рентгеновских лучей. Пластины с клетками были погружены среду, наполненную питательными веществами, а продукты метаболизма клеток удалялись сквозь сеть крошечных отверстий, проделанных в пластине.

Поскольку длительное воздействие высокоэнергетическим рентгеновским излучением может убить или повредить внутренние структуры клетки, исследователи использовали череду коротких, 0.05-секундных импульсов излучения. Каждый из импульсов позволял получить отдельное высококачественное изображение, на котором видны отдельные элементы, размеры которых равны долям нанометра. Анализируя последовательность изображений, ученые пришли к выводу, что короткие импульсы рентгеновского излучения не нарушили жизнедеятельности клетки, на что указывало то, что разница между положениями некоторых из 30 структур в пределах клетки отличалась от снимка к снимку на 50 нанометров.

Другими словами, то, чего удалось достичь германским ученым, коренным образом отличается от технологий рентгеновской, с которой мы привыкли сталкиваться в повседневной жизни при посещении дантиста или входя в рентген-кабинет медицинского учреждения. Все более ранние методы могут продемонстрировать структуру живого организма на уровне, гораздо большем уровня отдельных клеток, а полученная возможность заглянуть при помощи рентгена внутрь клеток и возможность воочию увидеть происходящие там процессы послужат тем, что существенно расширит наши знания о строении и функционировании живых организмов.

http://gizmodo.com/these-are-the-first-x-rays-of-a-living-cell-1532737921

Учёные перепрограммировали клетки кожи в клетки поджелудочной железы, вырабатывающие инсулин

Ке Ли — PhD Глэдстоунского института.

Ведущие специалисты до сих пор не могут создать эффективное лечение сахарного диабета 1-го типа. Не потому, что они не знают, что нужно делать. Просто, инструменты, с помощью которых можно сделать то, что нужно, пока не созданы. Учёные из Глэдстоунского института решают проблему сахарного диабета, используя потенциал регенеративной медицины. Они разработали методику, которая позволяет восстановить функции, повреждённые болезнью.

Сахарный диабет 1-го типа — заболевание, которое проявляется в детстве, возникает в результате деструкции бета-клеток — клеток поджелудочной железы, в норме продуцирующих гормон под названием инсулин. При отсутствии инсулина органы испытывают трудности при поглощении сахаров, в частности глюкозы, из крови. В настоящее время болезнь контролируют, проводя регулярный мониторинг глюкозы и используя инъекции инсулина. Более оптимальным решением является замена повреждённых бета-клеток. Но где их взять? Авторы проведённого исследования решали данную проблему, используя технологии перепрограммирования клеток.

«Сила регенеративной медицины заключается в том, что она может предоставить неограниченный источник функционально активных бета-клеток, продуцирующих инсулин, которые могут быть внедрены в организм пациента. Однако предыдущие попытки получить бета-клетки в большом количестве, а так же разработать приемлемую систему доставки оказались неуспешными» — говорит доктор Шень Динь (Sheng Ding, сотрудник Калифорнийского университета).

Одной из основных трудностей, которая мешает получению большого количества бета-клеток, является ограниченная регенеративная способность самих бета-клеток. Как только они становятся зрелыми, возможность получения новых клеток существенно падает. Поэтому учёные решили вернуться на один шаг назад в жизненном цикле бета-клеток.

Для начала они получили из организма мыши клетки кожи — фибробласты. Затем специалисты обрабатывали их специальным раствором, содержащим специфические молекулы, получая таким образом энтодермоподобные клетки. Клетки энтодермы — это клетки, которые обнаруживаются у эмбриона на ранних стадиях его развития. Они, развиваясь, дают основные органы организма, включая поджелудочную железу.

«Используя другой специальный раствор, мы преобразовывали энтодермоподобные клетки в клетки, имитирующие незрелые клетки поджелудочной железы, которые мы назвали PPLC’s. Нашей первоначальной целью было выяснить, сможем ли мы превратить PPLC’s в зрелые клетки, которые, как бета-клетки, отвечают на корректные химические сигналы и, что более важно, вырабатывают инсулин. Наши начальные эксперименты, проведённые в чашках Петри, показали, что мы можем получить искомое» — утоняет Ке Ли (Ke Li, PhD из Глэдстоунского института).

После авторы исследования решили проверить, можно ли добиться эффекта, увиденного в чашке Петри, в организме животных. Они вживили PPLC’s в организм мыши, у которой выявлялась гипергликемия — ключевой индикатор сахарного диабета.

По словам доктора Ли, всего через одну неделю после трансплантации клеток уровень содержания глюкозы в организме животного стал постепенно снижаться, придя к нормальному значению. Когда учёные удалили пересаженные клетки из организма подопытного животного, произошло резкое увеличение содержания глюкозы.

Когда учёные проверили состояние здоровья мыши, которой за 8 недель до проверки пересадили PPLC’s, то оказалось, что пересаженные клетки породили полностью функциональные, секретирующие инсулин бета-клетки.

По словам учёных, полученные результаты не только проливают свет на роль ряда веществ в перепрограммировании клеток, но так же могут быть использованы в будущем для борьбы с сахарным диабетом.

Более подробное описание результатов проведённого исследования можно найти на страницах журнала Cell Stem Cell.

Разработан модельный организм для изучения последствий различной активности белка STAT1

Слишком высокое содержание <i>STAT1</i> в клетках индуцирует хроническое воспаление и аутоиммунные заболевания. Недостаточное количество данного белка в клетках может приводить к развитию инфекционных заболеваний и злокачественных новообразований. (кликните картинку для увеличения)

Слишком высокое содержание STAT1 в клетках индуцирует хроническое
воспаление и аутоиммунные заболевания. Недостаточное количество
данного белка в клетках может приводить к развитию инфекционных
заболеваний и злокачественных новообразований.

Белок STAT1 вовлечён в обеспечение защиты организма от патогенов. Так же он важен для подавления развития опухолей. Когда уровень содержания данного белка в организме выходит за пределы нормы, повышается вероятность развития различных заболеваний. Учёные из университета ветеринарной медицины в Вене вывели линию мышей, содержание STAT1 в организме которых можно искусственно менять в нужных пределах. Данное решение позволяет изучать степень вовлечения белка в различные процессы.

STAT1 (от англ. signal transducer and activator of transcription 1 — переносчик сигнала и активатор транскрипции 1) — представитель группы белков-факторов транскрипции — клеточных протеинов, которые контролируют активность генов. STAT1 передаёт сигнал от интерферонов в иммунную систему. Животные, в организме которых резко понижено содержание STAT1, характеризуются ослабленным иммунным ответом и склонностью к развитию опухолей. У людей, которые страдают от развития злокачественных опухолей, часто выявляются мутации в гене STAT1. С другой стороны, чрезмерно высокое содержание STAT1 приводит к ненормально высокой активности иммунитета. В результате могут развиваться аутоиммунные заболевания. Поэтому очень важно, чтобы уровень содержания STAT1 находился в пределах нормы.

Содержание STAT1 в организме мыши

Николь Лайтнер (Nicole R. Leitner, сотрудница института животноводства и генетики) совместно со своими коллегами анонсируют создание генетически модифицированных мышей, в организме которых уровень содержания STAT1 может регулироваться с высокой точностью. Продукция белка осуществляется под контролем доксициклина, добавляемого в питьевую воду. При добавлении меньшего количества доксициклина уровень содержания STAT1, соответственно, ниже. Добавление большего количества доксициклина ведёт к повышению продукции STAT1. Разработанный учёными модельный организм позволяет исследовать различные болезненные состояния, например инфекционные заболевания или рак молочной железы.

«Особенной характеристикой нашей модели является способность синтезировать точное количество белка. Это открывает нам возможность анализа природы и течения многих заболеваний и, в конечном итоге, проверки потенциально возможных методов лечения данных заболеваний» — говорит Николь Лейтнер.

Более подробное описание результатов проведённого исследования можно найти на страницах журнала PLOS ONE.

Александр Шустер

Некоторые болезнетворные вирусы прячутся от иммунитета хозяина с помощью структуры «стебель-петля»

Учёные открыли систему защиты, выявляемую у некоторых вирусов, которую можно использовать для борьбы с ними. Они изучили альфавирусы, подобные на вирус восточного лошадиного энцефалита (выделен на фото красным цветом). Данный вирус передаётся человеку и лошадям при укусах комаров.
(с) Fred Murphy, Sylvia Whitfield/CDC

Учёные выявили способ, с помощью которого некоторые вирусы уходят от активности иммунной системы организма-хозяина, направленной на противостояние инфекции. Результаты проведённого исследования могут лечь в основу создания новых средств борьбы с вирусными инфекциями.

Известно, что вирусы умеют обманывать иммунную систему, ускользая от её работы. Они имитируют молекулярные маркеры, которые не позволяют клетке распознать инфекцию.

Сотрудники медицинского факультета Вашингтонского университета (Сент-Луис) выяснили, что некоторые вирусы обладают другим механизмом защиты от иммунной системы хозяина. Они могут блокировать работу белка иммунной системы, который проверяет специфические молекулярные маркеры. Блокирующая структура называется «стебель-петля». Она обнаруживается в начальной части генетического материала вируса. Впервые учёным удалось обнаружить механизм противостояния иммунной системе, основанный на непосредственном использовании генетического материала. Сейчас они ищут способы подавления работы данного механизма, а так же похожие механизмы у других болезнетворных микроорганизмов, которые могут быть построены на прямом использовании генетического материала.

«Когда «стебель-петля» находится в нужном месте и является стабильной, она блокирует работу белка иммунной системы хозяина, который в противном случае связался бы с вирусом и остановил бы инфекционный процесс. Мы выяснили, что изменение одной буквы генетического кода вируса устраняет защитный эффект структуры «стебель-петля» и делает вирус распознаваемым через белок иммунной системы хозяина. Мы надеемся найти способны дестабилизации структуры «стебель-петля», применяя лекарства и другие лечебные средства, восстановления естественных способностей клеток, направленных на борьбу с вирусной инфекцией, и остановки или замедления развития некоторых вирусных инфекций» — говорит Майкл Даймонд (Michael Diamond, один из авторов исследования, специалист в области медицины).

Практически у всех живых организмах наследственная информация зашифрована в ДНК. Чтобы использовать информацию, записанную в ДНК, клетки должны переписать её в форме другой нуклеиновой кислоты — РНК. Данная РНК может быть прочитана клеточной белоксинтезирующей машиной.

Генетическая информация некоторых вирусов закодирована прямо в РНК. К числу таких вирусов относят вирус Западного Нила, вирус гриппа, вирусы, вызывающие тяжёлый острый респираторный синдром, жёлтую лихорадку и полиомиелит.

Когда вирус инфицирует клетку, то вклинивается в работу белоксинтезирующей машины, обеспечивая синтез вирусных белков. Данные белки отвечают за репликацию вируса. Образовавшиеся в результате репликации вирусные частицы могут выходить из клеток, уничтожая их, заражать здоровые клетки. Так происходит распространение инфекции по организму.

Авторы проведённого исследования изучили альфавирусы — группу РНК-содержащих вирусов, вызывающих лихорадку, энцефалит и инфекционный артрит. Они показали, что изменение одной буквы в РНК альфавирусов придавало стабильность структуре «стебель-петля». Когда она была стабильной белок иммунной системы под названием lfit1 не мог связаться с вирусной РНК и инфекция продолжала беспрепятственно распространяться. Но, когда «стебель-петля» была нестабильной, lfit1 мог связываться с вирусной РНК, запрещая распространение инфекции.

http://news.wustl.edu/news/Pages/26430.aspx
http://www.sciencedaily.com/releases/2014/01/140130141221.htm

Зачем матричным РНК хвосты?

Общепризнанную и универсальную зависимость активности мРНК от длины её поли(А)-хвоста придётся пересмотреть. Как оказалось, взаимосвязь между тем и другим есть лишь на самых ранних стадиях развития эмбриона, и в дальнейшем она полностью исчезает.

У высших животных синтез белков в зародыше начинается сразу после оплодотворения благодаря матричной РНК, заранее запасённой в яйцеклетке. Но потом эмбрион включает собственную транскрипцию и начинает сам синтезировать мРНК; этот период называется MZT (maternal-to-zygotic transition).

Однако одним лишь включением транскрипции дело тут не ограничивается, так как одновременно происходят крупные перемены в регуляции активности самой мРНК в зародыше. Как известно, у большинства мРНК эукариот на одном из концов висит длинная полиадениновая последовательность, или поли(А)-хвост. Рибосомы движутся к поли(А)хвосту с противоположного конца молекулы, но хвост при этом сильно влияет на трансляцию. Считается, что количество белка, синтезируемое на мРНК, прямо пропорционально длине поли(А)-хвоста. При этом мРНК одинакового типа обычно несут приблизительно равные хвосты. Например, у мРНК рибосомных белков эта концевая последовательность относительно короткая.

РНК с рибосомами, синтезирующими полипептиды (фото Jay Reimer).

Исследования на эмбрионах, находящихся на ранних этапах развития, подтверждали связь между длиной хвоста мРНК и активностью трансляции на ней. Однако теперь у учёных дошли руки проверить это на стадиях, наступающих после включения собственных генов зародыша, а также в клетках взрослого организма.

Дэвид Бартел (David Bartel) и его сотрудники из Института Уайтхеда (США) сумели измерить длину поли(А)-хвостов у индивидуальных мРНК дрожжей, зародышей лягушки и рыбы данио-рерио, клеток листьев Arabidopsis thaliana, печени мыши и ряда клеточных линий. Длину мРНК сравнили с тем, как часто эти мРНК вовлекаются в трансляцию.

И оказалось, что после включения собственных генов зародыша, на стадии гаструляции связь между длиной поли(А)-хвоста и эффективностью трансляции мРНК слабеет, а в неэмбриональных клетках её вообще нет. Этот результат оказался настолько неожиданным, что потянул на статью в Nature. Получается, что вскоре после оплодотворения у клетки в корне меняются взгляды на регуляцию трансляции — по крайней мере в том, что касается поли(А)-последовательности. Опять же, поскольку эта последовательность есть у большинства мРНК у всех эукариот, речь тут идёт о каких-то базовых переменах в регуляции синтеза белка.

Косвенным образом это подтверждают и исследования эффекта микрорегуляторных РНК. Эти небольшие молекулы подавляют синтез белка, связываясь с матричной РНК. Механизм при этом оказывается разным: либо мРНК просто замолкает, либо микроРНК может её дестабилизировать. Оказалось, что на ранних стадиях развития зародыша микроРНК заставляют замолчать мРНК, укорачивая у неё поли(А)-хвост. А вот дестабилизация мРНК происходит на более поздних этапах развития. Что опять-таки указывает на разную роль поли(А)-последовательности в разные периоды развития.

Правда, теперь предстоит решить несколько важных вопросов, начиная с расшифровки механизма переключения между разными системами контроля активности мРНК и заканчивая выяснением того, зачем всё же у мРНК зрелых клеток есть поли(А)-хвосты разной длины.

Подготовлено по материалам Института Уайтхеда. Изображение на заставке принадлежит Shutterstock.

Стволовые клетки в костном мозге мужчин и женщин оказались разными

Американские молекулярные биологи обнаружили, что кроветворные стволовые клетки в костном мозге мужчин и женщин заметно отличаются друг от друга, как в активности генов внутри них, так и в том, как они реагируют на различные гормоны, говорится в статье, опубликованной в журнале Nature.

Мужчины и женщины отличаются друг от друга не только половыми органами и вторичными половыми признаками, но и работой организма в целом. Различия в наборах гормонов и других сигнальных молекул объясняют существование типично «мужских» и «женских» болезней, а также особенностей психики и устройства тела.

Шон Моррисон из университета Техаса в Далласе (США) и его коллеги открыли интересный пример таких различий, наблюдая за тем, как работают кроветворные стволовые клетки в организмах самцов и самок мыши. Сначала ученые не нашли существенных отличий в работе костного мозга, число клеток которого, их очертания и свойства были одинаковыми для слабого и сильного пола.

Тем не менее, когда они «заглянули» глубже и проанализировали белковый состав клеток и активность генов в них, то обнаружили несколько серьезных различий в их работе.

Во-первых, женские кроветворные клетки делились заметно активнее, чем их мужские «кузены», и гораздо чаще превращались в «заготовки» эритроцитов.

Во-вторых, они совершенно по-разному реагировали на некоторые сигнальные молекулы, в том числе эстроген, «женский» гормон. Увеличение концентрации этого соединения в окрестностях женских стволовых клеток заставляло их делиться быстрее и быстрее превращаться в эритроциты и другие клетки крови. Этого не происходило при инъекциях эстрогена в костный мозг самцов.

Как полагают авторы статьи, эти особенности в работе кроветворных клеток помогают женщинам снабжать кислородом себя и организм ребенка в утробе. Хорошим аргументом в пользу этого предположения выступает то, что во время беременности уровень эстрогенов в крови женщин достигает пика.

РНК из единственной клетки в натуральной среде

Впервые в истории исследователи смогли извлечь всю РНК из одной-единственной живой клетки, которая находилась в естественной микросреде, уютно устроившись рядом с другими клетками. Новый метод предоставляет уникальные возможности для изучения функций клеток и может быть использован при изучении воздействий лекарств на человека.

Исследователи, которые создали данный метод, показали, что нейрон, взаимодействующий со своими соседями, имеет совершенно другой набор генов, чем нейрон, полученный при культивировании клеток (общераспространенный способ изучения клеток мозга).

На самом деле, в отдельных культивированных нейронах было активно намного больше генов в сравнении с нейронами, растущими в естественной среде.

По словам Джеймса Эбервайна (James Eberwine), биохимика из Университета Пенсильвании, анализ одиночной клетки позволяет получить гораздо больше информации о здоровых и поврежденных клетках.

К примеру, при изучении болезни Альцгеймера этот новый метод может использоваться для изучения отдельных клеток, которые граничат с амилоидными бляшками, ассоциируемыми с заболеванием.

«Можно определить, оказывают ли бляшки прямое воздействие на эти клетки», – говорит Ебервайн.

Для ответа на простые вопросы о функционировании мозга можно изучить, как стимулирование одного нейрона влияет на экспрессию генов в другом нейроне, с которым посредством синапса связан первый.

По словам Эбервайна, в прошлом на данный вопрос практически нельзя было ответить.

Он и его коллеги доказали, что их новый РНК-анализ единственной клетки позволяет обнаруживать РНК в рамках одного нейрона, при этом нейрон по-прежнему контактирует посредством синапса с соседними клетками.

Команда исследователей использовала этот новый метод для получения РНК из отдельных нейронов мозга мыши, а также от пациентов, которые недавно пережили операцию на головном мозге. Результаты исследования были опубликованы в воскресенье в журнале Nature Medicine.

Обычно провести изучение молекулярного состава одной клетки непросто. Большинство лабораторных тестов требуют намного больше исходного материала, чем содержится в одной клетке. Несмотря на то, что изучение большого количества клеток одновременно позволяет провести множество экспериментов, результаты таких исследований часто оказываются неточными, поскольку исследователи учитывают некое общее состояние того, что происходит в каждой клетке. Даже клетки, взятые из одной части органа, такого как сердце, печень или мозг, могут иметь отличия на молекулярном уровне, а также различный состав активных генов, которые могут проявляться как белки и другие биомолекулы.

Это положение важно для медицины. Возьмем, к примеру, опухоль. Две разные клетки опухоли могут иметь различные мутации ДНК и другие клеточные изменения, которые влияют на их работу. Таким образом, когда исследователи из больничной лаборатории патологической анатомии изучают опухоль пациента в целях определения того, если ли в ней конкретная мутация, которую можно лечить при помощи конкретного лекарства, они в действительности не знают, будет ли предложенное лекарство лечить все или хотя бы часть клеток опухоли.

Анализ единственной клетки также может использоваться для разработки неинвазивных способов обнаружения рака, а также для определения генома яйцеклетки матери до экстракорпорального оплодотворения.

Новый метод, направленный на обнаружение РНК, начинается с создания специальной молекулы или «метки», которая может проникнуть в клетку, не разрушая мембрану. Метки проникают во множество клеток, но не прикрепляются к РНК до тех пор, пока не активированы с помощью света.

Исследователи могут использовать луч лазера для активации метки в отдельных клетках. В развитие молекулярного биологии осталось сделать всего несколько шагов, и исследователи смогут получать набор РНК из единственной клетки.

MIT Technology Review

Учёные предложили соединение, способное противостоять развитию злокачественных новообразований

Клетки злокачественного новообразования яичников.

Кристофер Парсонс (Christopher Parsons, сотрудник центра медико-биологических наук в Новом Орлеане государственного университета Луизианы) — старший автор статьи, в которой впервые сообщается о том, что сфинголипиды играют ключевую роль в выживаемости агрессивных лимфом, вызываемых вирусной инфекцией. Статья Парсонса рассказывает о новой терапии, направленной на предотвращение продукции сфинголипидов клетками лимфом, убивающей таким образом данные клетки, которые, к слову, часто устойчивы к действию стандартных методов лечения.

Внимание авторов проведённого исследования пало на первичную выпотную лимфому (ПВЛ) — смертельно опасную разновидность диффузной В-крупноклеточной лимфомы, которая часто выявляется у ВИЧ-инфицированных людей. Хоть учёным и известно, что саркома Капоши-ассоциированный герпесвирус вызывает ПВЛ, создавать эффективные методы лечения болезни — сложная задача. Опухоли при ПВЛ возникают внутри полостей тела, быстро прогрессируют. Стандартным средством медицинской помощи при ПВЛ является комбинированная химиотерапия. Однако побочные эффекты (включая супрессию костного мозга) и лекарственная устойчивость (формирующаяся через вирус-ассоциированные механизмы) ограничивают эффективность стандартного лечения.

После документального обоснования роли сфингозинкиназы (СК) в образовании биологически активных сфинголипидов в опухолях ПВЛ, поддерживающих жизнеспособность опухолевых клеток, учёные протестировали соединение, селективно ингибирующее СК. Речь идёт о веществе под названием ABC294640. Оно было разработано биотехнологической корпорацией «Аподжи» (Apogee Biotechnology Corporation). Предыдущие исследования обнаружили противоопухолевую активность ABC294640 в отношении клеточных линий злокачественных новообразований почек, простаты и молочной железы. В рамках текущего исследования ABC294640 не просто ингибировал СК, индуцируя гибель клеток первичной выпотной лимфомы, но действовал селективно лишь на инфицированные вирусом клетки, не затрагивая не инфицированные клетки.

«Понимание того, как данные специфические липиды способствуют развитию злокачественных новообразований вирусной природы, пока ещё окончательно не сформировано, но оно есть большой потенциальный прогресс» — говорит доктор Парсонс. По его словам, не существует методов лечения, способных противостоять опухолям вирусной природы путём селективного блокирования определённых путей, не затрагивая здоровые, неинфицированные клетки.

Несколько лет назад группа учёных под руководством доктора Парсонса работала со специалистами из «Аподжи» над созданием и проверкой небольших молекул, таргетирующих пути биосинтеза липидов, в частности, таковые лимфом вирусной природы, характеризующихся высокой вероятностью рецидива или отсутствием чувствительности к стандартным методам лечения, а так же более высокой способностью приводить к гибели по сравнению с невирусными лимфомами.

«На текущий момент времени наше исследование показывает, что разработанные молекулы безопасны» — заключает доктор Парсонс. По его словам, они могут выступать в качестве перорального лекарственного препарата, который нет необходимости совмещать с другими используемыми в клинике токсичными, во многих случаях неэффективными лекарственными препаратами.

Более подробное описание результатов проведённого исследования можно найти в журнале Американской ассоциации изучения онкологических болезней Molecular Cancer Therapeutics.

Американский ученый нашел таблетку для абсолютного слуха

Профессор молекулярной и клеточной биологии Гарвардского университета Такао Хенш обнаружил, что вальпроевая кислота, которую принимают больные эпилепсией или аффективными расстройствами, может помочь достичь взрослым людям абсолютного слуха. Об этом он рассказал в эфире американской радиостанции NPR.

Такао Хенш. Источник изображения: harvard.edu

Под наблюдением Хенша группа молодых людей, не имеющих музыкального образования, две недели принимала лекарство. После этого они стали заметно лучше различать высоты предложенных им звуков. По словам Хенша, вальпроевая кислота восстанавливает пластичность мозга до уровня, характерного для ребенка. Ученый заключил, что лекарство также может помочь людям учить иностранные языки, но предостерег, что переход мозга из одного состояния в другое может навредить человеку.

Абсолютный слух — умение определять высоту тона без сравнения со звуками уже известной высоты. Считается, что им могут обладать только те люди, кто занимались музыкой в детстве.

Синтетические РНК-химеры для борьбы с раком

В поисках более эффективных методов лечения рака исследователи из Онкологического центра Сайтмена (Siteman Cancer Center) и Школы медицины Вашингтонского университета (Washington University School of Medicine) разработали синтетические молекулы, позволяющие использовать преимущества сразу двух экспериментальных стратегий, основанных на молекулах РНК.

РНК тесно связана с ДНК и играет важную роль в том, как включаются и выключаются гены. Как миРНК (малые интерферирующие РНК, small interfering RNA, siRNA), так и микроРНК (microRNA) представляют собой фрагменты РНК, модулирующие экспрессию того или иного гена или полностью подавляющие ее. Препараты для лечения рака, основанные на миРНК и микроРНК – по отдельности – уже проходят клинические испытания, но мало кто предпринимал попытки объединить эти две стратегии.

«Это предварительные данные, но мы показали, что данной концепцией стоит заниматься», – комментирует Сяовэй Ван (Xiaowei Wang), PhD, доцент кафедры радиационной онкологии в Школе медицины. «Мы пытаемся объединить две, по большому счету, отдельные области исследования РНК и воспользоваться преимуществами обеих».

Результаты исследования опубликованы в журнале RNA.

Доктор Сяовэй Ван (Xiaowei Wang) и его
коллеги разработали синтетическую молекулу,
сочетающую в себе свойства миРНК и
микроРНК. (Фото: Robert Boston)

«Мы разработали искусственную РНК, которая является комбинацией миРНК и микроРНК, – говорит доктор Ван, – и, работая с раковыми клетками, показали, что наша искусственная РНК сочетает в себе функции двух разных молекул, подавляя одновременно миграцию и пролиферацию клеток».

Для лечебных целей малые интерферирующие РНК разрабатываются с целью подавления экспрессии одного специфического гена, вызывающего рак. Молекулы миРНК чрезвычайно хорошо подавляют ген-мишень, потому что последовательность миРНК создается точно комплементарной последовательности-мишени. Отличные операторы подавления экспрессии гена, миРНК, тем не менее, обладают опасными побочными эффектами: случайно они могут подавить другие гены, экспрессия которых должна сохраняться.

миРНК вмешиваются в работу других генов, не являющихся их мишенями, имеющих последовательности в той или иной степени комплементарные их затравочной области (seed region) – короткому, но важному участку последовательности миРНК, определяющему связывание с геном-мишенью.

«Мы не можем предсказать все токсические побочные эффекты, которыми будет обладать конкретная миРНК», – продолжает доктор Ван. «Чтобы снизить побочные эффекты, мы уже пытались блокировать затравочную область, но до сих пор не пытались полностью ее заменить».

Ученые решили проверить, можно ли заменить затравочную область миРНК затравочной областью микроРНК. В отличие от миРНК, микроРНК – естественный компонент системы экспрессии генов организма. И она тоже может подавлять гены. Поэтому затравочная область микроРНК (с ее природными мишенями) может уменьшить токсические побочные эффекты, вызываемые затравочной областью искусственной миРНК. Кроме того, затравочная область микроРНК могла бы стать еще одним инструментом для выключения других генов, также вызывающих рак.

Группа Вана начала с биоинформатики: для разработки последовательностей миРНК против известного онкогена Akt1, стимулирующего неконтролируемое деление клеток, ученые использовали компьютерный алгоритм. Они выбрали последовательности миРНК против Akt1, которые имели затравочную область очень похожую на таковую микроРНК, известной своей способностью подавлять миграцию клетки. Теоретически замена затравочной области миРНК затравочной областью микроРНК должна привести к объединению функций этих молекул – одновременному снижению пролиферации клеток и ослаблению их способности к движению.

Среди более чем 1000 миРНК, мишенью которых может быть ген Akt1, было найдено только три, затравочная область которых была удивительно похожа на затравочную область микроРНК, подавляющей способность клеток к миграции.

Исследователи заменили затравочную область всех трех найденных миРНК затравочной областью этой микроРНК. Высокое сходство этих двух фрагментов необходимо, так как слишком большое изменение последовательности исходной миРНК сделает ее менее эффективной в подавлении Akt1.

Получившиеся в результате комбинированные молекулы РНК ученые назвали искусственными интерферирующими РНК (artificial interfering RNA, или aiRNA). На основе компьютерных моделей этих последовательностей были созданы «живые» aiRNA, протестированные затем на раковых клетках.

Одна из трех созданных в лаборатории искусственных РНК действительно обладала свойствами исходной миРНК и трансплантированной в нее затравочной области микроРНК. Эта aiRNA значительно подавляла деление клеток (как миРНК) и их подвижность (как микроРНК). Чтобы подтвердить состоятельность своей концепции, доктор Ван и его коллеги сделали полностью противоположное – создали aiRNA, которая делает раковые клетки как резистентными к химиотерапии, так и неспособными к движению.

Ученые, конечно, не собирались повышать выживаемость и подвижность раковых клеток. Они, по словам доктора Вана, «хотели показать, насколько гибкой может быть эта технология». Это преимущество потенциально позволяет использовать ее для лечения не только рака, но и других заболеваний.

Оригинальная статья

Rational design of microRNA–siRNA chimeras for multifunctional target suppression

Лекарство от старости

Дэвид Синклэйр

Возможен ли эликсир вечной молодости? Некоторые учёные считают, что да. Возможно, он уже существует.

Человек много тысяч лет наблюдает за тем, как он сам и люди вокруг него рождаются, растут, стареют и умирают. Можно с уверенностью сказать, что за всю историю человечества эта схема развития событий не была нарушена ни разу: за зрелостью всегда следует старость, а за старостью – смерть. Но действительно ли необратимо старение? Новое открытие заставляет по-новому взглянуть на вопрос, ещё несколько лет назад казавшийся совершенно однозначным.

Обязательно ли стареть?

Старение – это не просто «износ» организма. Вопреки распространённому мнению, чисто теоретически не существует каких-либо неоспоримых причин, по которым время жизни клетки, ткани или органа должно быть ограничено.

За миллиарды лет эволюции клеточные системы в совершенстве овладели механизмами самоконтроля, саморегуляции и регенерации.

Эти механизмы работают на всех уровнях. В мире молекул они представлены, например, целой армией белков, проверяющих и перепроверяющих ДНК на предмет повреждений и ошибок. Бок о бок с ними работают сотни «молекулярных сенсоров», выявляющих «бракованные» и пришедшие в негодность белки и помечая их для уничтожения. Эти и многие другие системы ежесекундно корректируют состояние клетки. Все выносимые ими решения многократно верифицируются, «подтверждаясь» или «отменяясь» в сложнейших и многоступенчатых каскадах взаимодействий, пронизывающих клетку.

На уровне тканей, органов и целых организмов механизмы контроля не менее сложны и разветвлены. Иммунная система сканирует поверхность клеток на предмет обнаружения следов чужеродных молекул, а также «вынюхивает» постоянно образующиеся раковые клетки и уничтожает их на месте. Органы держат друг друга в узде, связываясь между собой с помощью «электронной почты» нервов и «химической почты» гормонов.

Помимо координации и контроля, для «вечной молодости» молекул, клеток, тканей и организмов нужен ещё один элемент – регенерация. Это тоже, в сущности, рутинный процесс.

ДНК обладает множеством механизмов «восстановления из резервной копии». Белки, РНК и другие «рабочие молекулы» – вообще расходные материалы, постоянно обновляющиеся в каждой клетке. Сами клетки во многих тканях постоянно обновляются, замещаясь новыми. Даже нервные клетки, которые исторически считались «невосстанавливаемыми», продолжают возникать даже во взрослом организме.

О том, что принципиально восстановить можно практически что угодно, свидетельствуют и эксперименты с индуцированными стволовыми клетками. Если взрослую клетку, имеющую срок жизни и ограниченное количество возможных делений, можно превратить в стволовую клетку, способную развиться в любую другую ткань и в принципе готовую делиться бесконечно – то о каких фундаментальных «сроках годности» может идти речь?

Дай дорогу молодым

Почему же тогда мы не живём вечно? Дело в том, что с точки зрения эволюции в вечной жизни нет ничего хорошего. Эволюция «работает» не с индивидуальными особями, а с популяциями. Если бы популяция на протяжении тысяч лет состояла из одних и тех же животных, никак не меняющихся всё это время, то рано или поздно они бы перестали быть хорошо приспособленными к окружающей среде.

Пожилым людям бывает трудно угнаться за техническими новинками и культурными веяниями, составляющими жизнь молодёжи. Так же и в делах живой природы «вечным» животным было бы трудно поддерживать свои умения на нужном уровне: например, добывать новую пищу или выживать в условиях меняющегося климата.

Половое размножение – главный механизм, который природа придумала для обеспечения постоянного разнообразия генов. С каждым его циклом гены тасуются, мутируют, видоизменяются. Каждая новая комбинация проверяется на прочность естественным отбором, открывая потрясающую приспосабливаемость к меняющейся среде.

Но любое размножение неминуемо вызывает проблему «нерезиновости» экологической ниши. Особенно остро вопрос ограниченности пригодного для жизни пространства стоит в наземных условиях, в которых эволюционировали и млекопитающие. Единственный выход из положения не отличается гуманностью, но таковая вообще не характерна для природы. Размножившиеся особи должны рано или поздно уступить место под солнцем молодым.

Эта необходимость на популяционном уровне и привела к возникновению такого феномена, как старение. Недавние исследования показывают, что разные группы животных стареют по-разному – и всё-таки в той или иной форме старение довольно универсально.

Главная болезнь человечества

Что такое старение? Это постепенное снижение базовых функций организма, приводящее в конечном итоге к смерти. Долгое время наука занималась только симптомами старения, такими, как, например, рак, мышечная атрофия или болезнь Альцгеймера. Мало у кого возникают сомнения в том, что эти состояния представляют собой именно болезни: учёные ищут их первопричину, разрабатывают лекарства, проводят клинические испытания – с довольно впечатляющими результатами.

Тем не менее идея о том, что и само старение можно отнести к заболеваниям – довольно новая. С одной стороны, очевидно, что старение повышает вероятность всех описанных патологий а, возможно, даже лежит в их основе. С другой стороны, до относительно недавнего времени термин «старение» вообще, строго говоря, не был научным: им просто объединяли весь спектр неприятностей, возникающих с возрастом.

Другими словами, в рассмотрении старения отдельно от других патологий раньше просто не было смысла: сказать «старение – причина рака» было всё равно, что сказать «авария – причина лобового столкновения». Однако за последние десятилетия стало понятно, что старение – не просто собирательный термин, а вполне конкретная последовательность событий, заложенных в нас генетически.

Как и «клеточное самоубийство», или апоптоз, вызываемый самой клеткой при возникновении неразрешимой проблемы, старение – это запрограммированный процесс. Детали этого процесса на уровне клеток и молекул пока слишком мало изучены, чтобы их можно было упрощать до формы, доступной любознательному неспециалисту.

Тем не менее уже сейчас можно с уверенностью утверждать, что существуют вполне конкретные молекулярные взаимодействия, в определённый момент активизирующиеся у всех млекопитающих.

Они и вызывают длительную и разветвлённую последовательность событий, в конечном итоге приводящую к смерти. Можно сказать, что старение – это самоубийство всего организма, осуществляемое независимо от его воли.

Такую «программу старения» можно отсрочить. В это трудно поверить, но за последние двести лет средняя продолжительность жизни увеличилась в два раза даже во многих отсталых странах. При этом продолжительность пожилого возраста более-менее неизменна. Таким образом, впечатляющее удлинение жизни достигается не «растягиванием» старения, а его отсрочкой.

Выходит, старение – это приговор? Время не повернуть назад, и однажды начавшись, старение никуда не денется – эта идея настолько глубоко заложена в наше представление о жизни и смерти, что крайне сложно представить себе иную ситуацию. Действительно, научная догма до недавнего времени однозначно гласила: старение необратимо. Сегодня эта догма впервые пошатнулась.

Телефонная линия молодости

Группа учёных из Гарвардского университета под руководством Дэвида Синклэйра проводила исследования, связанные с ролью митохондрий при старении. Эта тема сегодня – одна из наиболее популярных в области. Достоверно известно, что при старении активность митохондрий – главных клеточных «электростанций» – резко снижается.

На митохондриях сходятся две из наших главных потребностей: пища и воздух. С помощью кислорода митохондрии «выделяют» из питательных соединений химическую энергию, переводя её в нужную для клетки форму. Без митохондрий (или без кислорода) клетка может это делать, но несопоставимо менее эффективно.

Сами митохондрии удивительны тем, что эволюционно произошли из бактерий. Когда-то давно простейшие одноклеточные существа поглотили прогрессивную бактерию, и, наверное, переварили бы её без задней мысли. Но внезапно обнаружилось, что бактерии очень комфортно живётся внутри «большого друга». Последнему же такое сожительство оказалось тем более на руку: бактерия стала обеспечивать клетку невиданным количеством энергии – только успевай подавать кислород.

С тех пор прошли миллиарды лет, но митохондрии всё ещё сохранили признаки «бактериальности». Например, они обладают собственным геномом и часть своих функций обеспечивают независимо от остальной клетки. И всё-таки полной автономности у митохондрий уже давно нет, поэтому для их нормального существования необходима постоянная координация действий между «центром» (ядром, где располагается «главный» геном) и «ставкой» – маленьким, но очень независимым геномом самой митохондрии.

Именно эта связь между ядром и митохондриями нарушается при старении: они как будто перестают разговаривать друг с другом. В результате ядро не знает о потребностях митохондрии и не может должным образом обеспечить её нужным «оборудованием» – митохондриальными белками, закодированными в ядре. В итоге митохондрия не может нормально функционировать, что, в свою очередь, приводит к «цепной реакции» старения клетки.

До сих пор непонятно, является ли такое нарушение работы митохондрий причиной или всё-таки следствием старения. Одна из сложностей в этом вопросе – неоднозначность той самой связи между ядром и митохондрией. О том, как именно они общаются в норме, известно неплохо. Но никаких проблем с этим обычным «каналом общения» при старении не наблюдается.

Учёные из Гарвардского университета обнаружили принципиально новый механизм, с помощью которого осуществляется координация работы митохондрий и ядра. Именно этот механизм, как показывают их исследования, нарушается при старении.

Повернуть стрелки вспять?

Обнаружив эту новую внутриклеточную связь, исследователи, как настоящие сыщики, принялись распутывать её шаг за шагом. Установив роль в процессе нескольких промежуточных звеньев-белков, они, наконец, вышли на довольно неожиданную молекулу.

Ей оказался никотинамидаденин (НАД) – одно из базовых соединений, участвующих в клеточном энергообмене. Его содержание в клетке действительно снижается в процессе старения. Как установили гарвардские учёные, недостаток НАД нарушает работу открытого ими «канала связи» между митохондриями и ядром. Как и почему возникает недостаток НАД – пока не до конца понятно.

Что же такого особенного в НАД? Дело в том, что это молекула, которая хорошо известна и изучена вдоль и поперёк. Мы недурно представляем себе, откуда она берётся и где используется. Самое главное – мы знаем, как на это можно повлиять. Существуют препараты, которые могут повысить в клетке содержание НАД. Разумеется, первое, что сделали учёные, обнаружив роль НАД в старении – это дали один из таких препаратов старым мышам.

Результаты оказались ошеломляющими. В течение одной недели мыши возрастом в 22 месяца восстановили работу митохондрий. Но важнее другое: по ряду биохимических показателей их мышцы оказались на уровне молодых шестимесячных мышей! Это прямо противоречит уже упоминавшейся догме биологии старения. Если старых мышей действительно можно сделать молодыми – то значит, старение всё-таки обратимо?

Статья группы Синклэйра в Cell обрывается на этом самом интересном месте: создаётся впечатление, что скудные данные об «омоложении мышей» – это только намёк на то, что исследователи решили оставить на следующую статью.

Их можно понять: если их результаты – потенциально «нобелевские» – подтвердятся не только на мышцах, но и на других органах, то этически довольно спорный вопрос об эликсире молодости не просто замаячит на горизонте, а скорее проломит дверь самым бесцеремонным образом.

Журнал Science назвал десятку самых прорывных научных открытий года

Имуннотерапия признана прорывом года по версии Science. http://www.sciencemag.org/content/342/6165/1432.full

Научный журнал Science назвал десять самых значимых открытий, которые в уходящем году изменили мир. Десятка оказалась не очень оригинальной: многие исследования удостоились внимания и его конкурента — журнала Nature.

Вслед за Nature влиятельный научный журнал Science выбрал «горячую десятку» уходящего года.

И хотя в списке Nature фигурировали лица, а Science сосредоточился на научных открытиях, легко заметить, что многие направления вошли в чарты обоих журналов — мастодонтов научного мира.

Главным научным прорывом года по версии Science назван успех клинических испытаний, подтвердивший эффективность относительно нового метода лечения онкологических заболеваний.

Метод иммунотерапии предполагает натравливание иммунной системы организма на свои же клетки — те, что неожиданно начинают генетически изменяться и бесконтрольно делиться.

Давать команду «фас!» иммунитету человека могут вакцины, однако не профилактические, которые используются против туберкулеза или гриппа, а терапевтические, которые вводят уже заболевшему пациенту.

Главная задача таких вакцин — обучить иммунную систему распознавать врага. Однако первые успехи внушали опасения: не рано ли радоваться, ведь врачам до сих пор не известно окончательное воздействие препаратов? Год назад NNN рассказывал о препарате ипилимумаб, который блокирует рецептор CTLA-4. Этот рецептор служит своеобразным тормозом для Т-клеток, которые играют важную роль в формировании иммунного отклика, уничтожающего раковую опухоль.

Уходящий год оказался годом побед, которые «зацементировали» эффективность этой стратегии, считает редакция Science.

Доказательства тому — женщина с опухолью в легком размером с грейпфрут, которая спустя 13 лет после начала лечения жива и здорова; шестилетний мальчик, оказавшийся из-за лейкемии на грани жизни и смерти, который сейчас перешел в третий класс и находится в стадии ремиссии; и мужчина, у которого раковая опухоль почки продолжила уменьшаться даже после окончания терапии.

В мае в Science вышла статья о вакцине Pexa-Vec, которая одновременно уничтожает раковые клетки и вызывает образование специфических антител на раковые антигены.

После вакцинирования один пациент, с почечно-клеточным раком, прожил 76 месяцев, другой, с мелкоклеточным раком легкого, — 24,5 месяца, третий, с меланомой, — 12 месяцев.

Новейшая технология редактирования гена CRISPR (Clustered Regularly Interspased Short Palindromic Repeats) разделила симпатии редакторов Science и редакции Nature, которая накануне отметила успехи в этой области молодого нейробиолога Фэн Чжана из Массачусетского технологического института.

Эта технология, позволяющая бороться с заболеванием путем исправления гена, в уходящем году пережила бум и в плане публикаций, и в плане общественного интереса. Только за десять месяцев ей было посвящено более 50 научных статей, в которых описывались эксперименты над ДНК мышей, крыс, бактерий, дрожжей, рыбок данио, червей, фруктовых мушек и человеческих клеток.

Все это позволяет делать протеин Cas9, помогающий деактивировать, удалять и менять определенные гены. http://www.sciencemag.org/content/342/6165/1434.1

Технология CLARITY стала еще одним открытием года, позволившим ученым изменить пути к изучению мозга.

Ученые придумали, как сделать ткани мозга прозрачными, как стекло: для этого они заменили рассеивающие свет жирные молекулы липидов, которые образуют клеточные мембраны, на молекулы прозрачного геля. При этом им удалось оставить нейроны, другие клетки мозга и их органеллы нетронутыми. О подобной технологии просветления мозга пресса рассказывала в июне. http://www.sciencemag.org/content/342/6165/1434.2

Выделение стволовых клеток из клонированного человеческого эмбриона, за которое двумя днями ранее был отмечен Шухрат Миталипов, также не осталось без внимания редакции. Техника, называемая пересадкой ядер соматических клеток, применялась еще 17 лет назад для клонирования знаменитой овцы Долли.

В этом году сумели извлечь стволовые клетки из клонированного человеческого эмбриона, после того как обнаружили, какую важную роль играет кофеин, стабилизирующий молекулы яйцеклеток. http://www.sciencemag.org/content/342/6165/1436.1

Выращивание искусственных органов заняло свое место в десятке прорывов года. Оставленные без присмотра в чашке Петри плюрипотентные стволовые клетки могут образовать различные ткани: сокращающиеся клетки сердца, нейроны и даже волосы и зубы.

В этом году ученым удалось вырастить такие специфические мини-органы, как печень, мини-легкие и — самое выдающееся — рудиментарные ткани мозга.

Искусственные мозги, выращенные австрийскими учеными, отличаются от настоящих. В отсутствие кровоснабжения клетки мозга перестают расти, когда достигают размеров семечка яблока, и без доступа кислорода и питательных веществ погибают. http://www.sciencemag.org/content/342/6165/1436.2

Несмотря на то что космические лучи, проникающие сквозь толщу атмосферы, были открыты еще век назад, несколько десятилетий ученые не были до конца уверены, где они рождаются.

Благодаря космическому телескопу Fermi в этом году астрономы доказали свою догадку — местом их рождения являются вспышки сверхновых, катастрофические взрывы, которыми звезды заканчивают эволюцию. http://www.sciencemag.org/content/342/6165/1438.1

Еще одним общим с журналом Nature прорывом названы исследования в области создания новых фотоэлектрических систем, попросту говоря, солнечных батарей.

Несмотря на то что солнечные элементы, созданные на основе перовскита, пока отстают по эффективности от кремниевых панелей, которыми покрывают крыши по всему миру, их использование обещает сильно удешевить эти альтернативные источники энергии. http://www.sciencemag.org/content/342/6165/1438.2

Вошли в список ведущих открытий года и исследования, давшие наконец ответ на вопрос, зачем мы спим.

Осенью, физиологи из Рочестерского университета (США), показали, что главная функция мозга в процессе сна — вымывание из него вредных веществ и токсинов, накопившихся во время бодрствования. http://www.sciencemag.org/content/342/6165/1440.1

И наконец, особого внимания удостоились ученые, занявшиеся изучением того, какие из микроорганизмов, обитающих в человеческом теле, отвечают за наше здоровье или, наоборот, способны вызывать заболевания.

Изучение отдельных микробов и их влияния на здоровье — первый шаг к персонифицированной медицине. http://www.sciencemag.org/content/342/6165/1440.2

Так же была отмечена работа молекулярных биологов по, созданию ключевого элемента для создания вакцин против опасных детских инфекций. (Respiratory syncytial virus (RSV) ).

Учёные синтезировали антитела, которые помогут в борьбе не только с этим вирусом, но и вирусом ВИЧ. http://www.sciencemag.org/content/342/6165/1442.1

Японские учёные наблюдали передвижение молекулярной машины Xkid в естественных условиях

Изображение движений Xkid, выявленных в веретене деления.

Сотрудники университета Васэда (Япония) впервые напрямую наблюдали работу молекулярной машины — Xkid, играющей принципиально важную роль в обеспечении правильного расположения хромосом во время клеточного деления. Результаты проведённого исследования вносят значимый вклад в современные представления о транспорте вещества в биологических системах.

Предполагается, что данные, собранные японскими учёными, существенно поспособствуют выявлению молекулярных механизмов сегрегации хромосом — ключевого аспекта развития ряда заболеваний, включая онкологические болезни и врождённые дефекты.

В клетках молекулы Xkid локализованы внутри аппарата веретена деления — структуры необходимой для осуществления деления клеток, состоящей из скопления микротрубочек. Определение перемещений Xkid, происходящих в естественных условиях, называют ключом к пониманию механизмов сегрегации хромосом в ходе клеточного деления.

Хоть организм человека и образован множеством различных частей: мышцами, внутренними органами, головным мозгом и т.д. — развивается он из одной структуры — оплодотворённой яйцеклетки, которая претерпевает множество делений, образуя человеческую особь. На каждом этапе деления хромосомы должны быть точно сегрегированны — располагаться в образующихся клетках строго определённым образом. Хромосомы — это источник генетической информации. Неправильная сегрегация хромосом может приводить к развитию различных заболеваний, включая онкологические болезни.

Известно, что молекулярная машина Xkid принципиально важна для правильного расположения хромосом в клетке в ходе деления. Ранее функции Xkid были изучены in vitro. Тогда учёные использовали полученные из клеточных экстрактов очищенные белки Xkid, показав, что они определённым образом выстраиваются вдоль микротрубочек. Механизм поведения Xkid в интактном веретене деления требовал изучения. Веретено деления является строго организованной структурой, которая образуется из микротрубочек. Для того, чтобы расширить представления о сегрегации хромосом во время клеточного деления, необходимо выяснить то, как передвигается молекулярная машина Xkid в естественных условиях. Исследование, проведённое Японскими учёными, как раз и проливает свет на передвижение Xkid в интактном веретене деления.

От авторов исследования

Мы обнаружили, что

Xkid передвигается на существенные расстояния (около 5 мкм; максимум 17 мкм) вдоль ориентированных определённым образом микротрубочек, двигаясь от одной микротрубочки к другой во время своего перемещения. Мы так же наблюдали движение Xkid преимущественно в направлении, соответствующем полярным областям микротрубочек, приводящее к накоплению Xkid на экваторе веретена деления. Это согласуется со сборкой и расположением хромосом около экватора веретена деления в метафазе.

Результаты нашего исследования впервые демонстрируют на молекулярном уровне роль Xkid в направлении хромосом к экватору веретена деления. Около полюсов веретена деления больше молекул Xkid двигаются в направлении экватора веретена деления (экваториальный тип движения), в то время как около экватора веретена деления все типы движения наблюдались с одинаковой частотой.

Полярные области и длина микротрубочек были симметричными относительно экватора веретена деления и соответствовали преобладающему направлению перемещений Xkid.

Более подробное описание результатов проведённого исследования можно найти в журнале Nature.

Science Daily sci-lib.com

Оружие генетика: какие инструменты помогают трансформировать жизнь

Все мы не раз видели эту картину: тонкая игла под микроскопом входит в полупрозрачную живую клетку, чтобы перенести туда ДНК. Но какие приборы нужны для того, чтобы сделать это? Вот список самых интересных устройств, с помощью которых генетики проводят искусственное оплодотворение, создают генномодифицированные растения и определяют родство.

Электронный микроскоп: возможность видеть молекулы

Электронный микроскоп отличается от привычного нам оптического почти так же сильно, как компьютер отличается от печатной машинки. В этом приборе не используется свет: иначе говоря, мы никогда не сможем увидеть ДНК под ним в полном смысле этого слова. Размеры и форму объектов можно определить благодаря потоку электронов, которыми «обстреливают» молекулярные структуры. Частицы ударяются о свою мишень, отскакивают в разные стороны, и по траектории их полета ученые могут составить изображение того, что находится под электронным микроскопом.

Мы пока неспособны сфотографировать отдельную молекулу ДНК — знаменитую двойную спираль с двумя палочками сахаро-фосфатных стержней и миниатюрными перемычками — нуклеотидами. Для наблюдения за таким хрупким объектом наши электронные микроскопы слишком грубы, и потоки частиц неизменно успевают разбить структуру раньше, чем будет составлено ее изображение. Однако в начале 2012 года группе ученых из Генуи удалось запечатлеть «веревочку» ДНК, составленную из шести молекул, обернутых вокруг еще одной, седьмой. Для этого им пришлось создать абсолютно новую подложку с микроскопическими опорами, на которых ДНК была натянута, как телеграфный провод на столбах.

Микропипетка: перенос ДНК

Современные микропипетки — это высокоточные инструменты, способные дозировать крошечные объемы жидкости: от 1 до 1000 микролитров. Их можно найти в любой лаборатории или исследовательском центре, где проводится ПЦР-диагностика или другие генетические исследования.

Внешне микропипетки одновременно напоминают шприцы и шариковые ручки. В отличие от обыкновенной пипетки с мягким резиновым колпачком, микропипетка обладает крошечным тонким поршнем. Специалист просто нажимает на него большим пальцем, как на кнопку, поршень входит в узкий стеклянный капилляр, вытесняя из него воздух или жидкость. У микропипеток часто есть цветовая маркировка, чтобы можно было различить устройства разного объема. Также встречаются микропипетки с несколькими капиллярами — так называемыми «многоканальными модулями». Такие устройства позволяют забирать одинаковый объем жидкости сразу из нескольких пробирок или контейнеров.

Микроманипулятор: искусственное оплодотворение

Микроманипулятор — это прибор, позволяющий осуществлять тонкие и точные движения микроинструментов. С его помощью можно удалить или перенести клеточное ядро, сделать инъекцию в цитоплазму и др. Без приборов, руками эти действия выполнить невозможно: слишком мало давление, которое можно приложить к крошечному клочку материи. Вот почему все нужно делать с помощью джойстика и механизма, снижающего силу движения человеческих пальцев.

Микроманипулятор состоит из системы штативов с винтами, которые зажимают микроинструменты и обеспечивают их движение во всех направлениях. Также для работы необходима влажная масляная камера. Слой масла нужен, чтобы удержать клетку на месте и предохранить ее от высыхания.

Именно с помощью микроманипулятора специалисты проводят искусственное оплодотворение. Также прибор незаменим в генетических исследованиях: все инъекции растворов, в том числе, внесение в одиночную клетку новой ДНК in vitro, осуществляются с использованием микроманипулятора.

Биолистическая пушка: трансформация растений

Биолистическая пушка — один из самых распространенных инструментов генной инженерии растений (особенно однодольных: пшеницы, ячменя, кукурузы и др.). Она стреляет частицами вольфрама, на которые перед работой напыляют ДНК. Специалисты наносят эти «генетические пули» на целлофановую подложку и помещают в пушку. Под «стволом», на расстоянии 10-15 см, устанавливают чашку с растительной тканью, или каллусом — клетками, которые позже можно будет культивировать. После этого происходит выстрел. Вакуумный насос резко уменьшает давление в «стволе», и пушка на огромной скорости выбрасывает вольфрамовые частички. Они разрывают стенки клеток, без труда входят в цитоплазму и ядра клеток и доставляют туда ДНК. Из–за силы бомбардировки ткань по центру чашки, как правило, погибает. Однако по периметру клетки остаются живы и хорошо протрансформированы. Их и культивируют в дальнейшем, чтобы получить трансгенный сорт растения.

Электропоратор: трансформация животных

Электропоратор — еще один прибор для трансформации клеток живых существ: от бактерий и дрожжей до млекопитающих, а также растений. Перед работой раствор с живыми клетками и дополнительными молекулами ДНК помещают в пластиковые кюветы с алюминиевыми электродами. Затем электропоратор с помощью электрического поля создает в мембранах клеток крошечные поры, сквозь которые генетические конструкции проникают в цитоплазму. После завершения процесса поры закрываются, и клетки остаются целы и невредимы.

Сегодня электропорация считается самым простым и эффективным методом введения молекул ДНК в клетки. До недавнего времени он, впрочем, использовался не так часто из–за отсутствия серийного производства электропораторов.

Амплификатор: ПЦР

Амплификатор можно найти практически в любом медицинском центре, где проводятся генетические исследования. Он и позволяет проводить полимеразную цепную реакцию (ПЦР), после которой специалисты уже с помощью другого прибора находят, идентифицируют и подсчитывают различные фрагменты ДНК. Амплификаторы применяются при проведении клинических анализов и судмедэкспертизы, в ходе научных исследований, а также для экологического и санитарного контроля.

Метод ПЦР (полимеразной цепной реакции) основан на поиске и многократном копировании определенных участков ДНК, которые соответствуют заданным критериям. Для этого используется особый фермент — полимераза. Весь процесс протекает in vitro.

В ходе ПЦР специалисты нагревают и охлаждают пробирки с образцами, полимеразой и праймерами — короткими фрагментами нуклеиновой кислоты, комплементарными ДНК- или РНК-мишени. Мишенями всегда являются одиночные нити ДНК, к которым в определенном месте должен присоединиться праймер.

Процесс начинается с того, что температуру в пробирках повышают до 94-98°С. В этот момент водородные связи в двойных спиралях распадаются, и все одиночные цепочки оказываются сами по себе. Затем пробирки начинают охлаждать, чтобы праймеры с помощью новых водородных связей могли связаться со своими мишенями и образовать молекулы. Ну, а после этого, на финальной стадии, в дело вступает фермент, который на основе получившихся структур синтезирует множество дочерних ДНК — точных копий родительской молекулы. Они и нужны специалистам, чтобы провести анализ.

Анализатор нуклеиновых кислот: диагностика и судмедэкспертиза

Анализатор нуклеиновых кислот, или АНК, — второй необходимый для ПЦР-диагностики прибор. Когда реакция завершается, в это устройство переносят «переживший» полимеразную цепную реакцию образец. Ученые с помощью АНК подсчитывают, сколько искомых молекул возникло в пробирке, а также оценивают их качества.

Сегодня существуют анализаторы нуклеиновых кислот, которые работают в режиме реального времени. При наличии такого прибора амплификатор специалистам не нужен: весь процесс, от стадии нагревания пробирок до подсчета молекул прибор выполняет сам.

Секвенатор: исследования генома

Секвенирование — это процесс определения последовательности нуклеотидов в молекулах ДНК. Именно оно позволяет нам читать геномы и исследовать их. Правда, сегодня не существует ни одного метода, который работал бы для всей молекулы целиком. Чтобы определить, как расположены нуклеотиды в ниточке ДНК, специалистам всегда приходится сначала разделить ее на множество небольших участков. Затем ученые проводят ПЦР: нагревают и охлаждают эти «генетические кусочки» в пробирках с праймерами и ферментом. В результате появляется множество копий искомого участка ДНК. Секвенатор может прочитать каждую из них.

Наталия Киеня.

Взаимодействие белков в мышцах связано с продолжительностью жизни

Биологи из Университета Брауна (Brown University) открыли сложную цепь молекулярных событий, ведущую от инсулина к деградации белков в мышцах и значительно снижающую продолжительность жизни плодовых мушек дрозофил. Новое исследование, опубликованное в PLoS Genetics, определяет в качестве центрального звена этой цепочки эквивалент белкового комплекса млекопитающих активина.

Плодовые мушки, как известно, недолговечны, но ученые, занимающиеся биологией старения животных, начали понимать, почему некоторые из этих насекомых живут дольше других. Они, в частности, установили прямую связь между продолжительностью жизни и инсулином, а также между долгожительством и плодовитостью этих насекомых. Новое исследование, результаты которого актуальны для многих биологических видов, связывает эти данные воедино, прослеживая связь сигнального каскада инсулина с контролем над белковым составом мышечной ткани и сокращением продолжительности жизни.

Главной темой опубликованной в PLoS Genetics статьи является вновь открытая роль белка дрозофилы dawdle (daw) – эквивалента белкового комплекса млекопитающих активина (activin). Ученые установили, что он блокирует естественный механизм удаления неправильно свернутых белков из мышечных клеток, что приводит к снижению мышечной активности. Блокирование активности этого эквивалента активина увеличивает продолжительность жизни дрозофил на целых 20 процентов, около 10 дней, и, по мнению ученых, это не является случайным совпадением.

Для исследователей, конечно же, важно не то, что им удалось продлить на одну-две недели существование мушек, а то, что эти важнейшие белки эволюционно сохранены и в геномах млекопитающих, включая человека.

«Конечная цель нашего исследования – понять, как определенные молекулярные сигнальные пути контролируют старение всех видов в целом», – комментирует исследование ведущий автор статьи Хуа Бай (Hua Bai), постдокторант лаборатории экологии и эволюционной биологии профессора биологии Университета Брауна Марка Татара (Marc Tatar). «Сейчас эксперименты проводятся на плодовых мушках, но мы думаем, оно актуально и для биологии старения человека. Эволюция хорошо сохранила этот сигналинг».

Бай, Татар и их коллеги приступили к исследованию, будучи вооружены пониманием того, что подавление сигналинга инсулина увеличивает продолжительность жизни мух, потому что чем меньше инсулина, тем больше белка, называемого dFOXO. Задачей номер один было выяснить, какие гены, имеющие отношение к продолжительности жизни, могут быть мишенями dFOXO.

Доктору Баю удалось значительно сузить поиск, отобрав от сотен генов всего лишь три. Подавив их активность с помощью РНК-интерференции, он обнаружил, что это привело к увеличению продолжительности жизни мух. Подавление daw увеличило продолжительность жизни подопытных насекомых на 12–35 процентов.

«Грязные» мышцы. За 1, 3 и 5 недель (слева направо) в мышечных волокнах контрольных мух (верхний ряд) накопились большее количество белковых
агрегатов (показаны как зеленые пятнышки), чем в волокнах, в которых подавленный белок dawdle не затруднял удаление неправильно свернутых белков.
(Фото: Tatar lab/Brown University)

Известно, что у мух белок daw влияет на развитие нервной системы. У людей одной из функций активина является стимуляция фолликул яичников в менструальном цикле женской репродуктивной системы, и этот эффект опосредуется головным мозгом.

Что же касается мух, то эксперименты показали, что свое влияние на продолжительность их жизни белок daw оказывает за счет активности в мышечной ткани.

Что же он там делает? В ходе исследования выяснилось, что daw подавляет активность гена под названием Atg8a, чья функция состоит в стимулировании процесса аутофагии– удаления неправильно свернутых белков. Накопление неправильно свернутых белков ослабляет мышечную ткань, так же как аналогичный процесс в клетках головного мозга приводит, как полагают, к развитию болезни Альцгеймера. Подавление daw привело к усилению очищения мышечных волокон от токсичных белковых агрегатов.

Кроме того, исследователи установили, что и повышенная экспрессия Atg8a в мышцах мух несколько увеличивает продолжительность жизни насекомых.

Наконец, ученые установили потенциальную связь и с другими тканями: подавление daw снижает секрецию инсулина инсулин-продуцирующими клетками (insulin producing cells) головного мозга мух. В конечном итоге это приводит к подавлению системного сигналинга инсулина и замыкает цепочку обратной связи, в которой подавленный сигналинг инсулина позволяет dFOXO сильнее подавлять белок daw, что, в свою очередь, ведет к дальнейшему подавлению секреции инсулина клетками мозга. Этот же процесс – за счет стимуляции экспрессии гена аутофагии Atg8a – способствует поддержанию хорошего состояния мышц.

Доктор Бай признает, что им пока неизвестно, почему снижение функциональности мышц из-за отсутствия аутофагии приводит к сокращению продолжительности жизни мушек. Не исключена возможность и того, что стареющие насекомые просто теряют подвижность, необходимую при конкуренции за пищу. Но ученые уже начали новое исследование на одной из наиболее важных мышечных тканей – миокарде. Они пытаются понять, влияет ли цепь молекулярных событий, препятствующих аутофагии, на насосную функцию сердца мух. В 2004 году профессор Татар и его сотрудник Рольф Бодмер (Rolf Bodmer) уже связали инсулин и dFOXO с работой сердца дрозофил.

Чтобы понять, как все это соотносится с организмом человека, исследователи изучают и связь сигналинга активина и аутофагии в клетках млекопитающих.

«Потенциально это можно транслировать на биологии человека, – считает доктор Бай. «Доказательства, полученные на млекопитающих, могут быть полезны в поиске будущих терапевтических мишеней и лекарственных препаратов».

Оригинальная статья

Activin Signaling Targeted by Insulin/dFOXO Regulates Aging and Muscle Proteostasis in Drosophila

http://news.brown.edu/…013/11/aging

Крейг Вентер: «Меня пугают не столько новые технологии, сколько упущенные возможности»

Один из пионеров расшифровки человеческого генома и создатель первого синтетического организма рассуждает о прошлом, настоящем и будущем синтетической биологии.

Имя Крейга Вентера в современной науке более чем известно: достаточно сказать, что об этом учёном, по сей день активно работающем, есть статья в русскоязычной Википедии (хотя по объёму она явно уступает англоязычной заметке). Г-н Вентер стоял у истоков расшифровки человеческого генома в начале 2000-х, а в 2010 году сообщил о создании синтетического организма с минимально возможным набором генов. При этом его деятельность часто носила оттенок скандальности: расшифровкой генома человека он занимался независимо от «официального» международного проекта, и у многих метод Вентера не вызывал доверия. Кроме того, он рассчитывал использовать всё это в медицинско-коммерческих целях. Его компании удалось прочитать человеческий геном даже раньше конкурентов, но вскоре после этого г-н Вентер был вынужден уйти из неё.

Крейг Вентер (фото Erica Berger).

Выдающиеся организаторские и научные способности вместе с вольной или невольной скандальностью делают Крейга Вентера действительно крупной фигурой в современной науке. Недавно учёный выпустил книгу «Жизнь со скоростью света: от двойной спирали к цифровому бытию» («Life at the Speed of Light: From the Double Helix to the Dawn of Digital Life»), в которой среди прочего описал историю создания первого синтетического организма. В интервью, данном журналу Wired, можно узнать не только о содержании этого труда, но и о том, что исследователь думает о настоящем и будущем синтетической биологии, научно-этических проблемах и даже... о жизни на Марсе.

— В «Жизни со скоростью света» вы утверждаете, что человечество входит в новую фазу эволюции. Что вы под этим понимаете?

— Индустриальная эпоха заканчивается, переходя в эпоху биологического дизайна. Уже сейчас ДНК существует в виде оцифрованных данных. Благодаря развитию генетической инженерии — и синтетической биологии — мы можем манипулировать ДНК как нам заблагорассудится, а благодаря оцифровке биологической информации способны передавать её с помощью электромагнитных волн куда угодно, как если бы у нас был «биологический телепортер». Геном — это что-то вроде программного обеспечения клетки, и чем больше мы про него знаем, тем лучше понимаем, как работает клетка. Более того, мы можем отредактировать этот «софт» так, чтобы изменить работу «железа», то есть клеточных молекулярных машин.

— Из всего того, что вы сделали за последние двадцать лет, что вам кажется наиболее важным?

— Проект по созданию синтетической клетки. Но если попробовать выделить какое-то одно исследование, которое больше остальных расширило бы мои представления о жизни, то это работа 2007 года Genome Transplantation in Bacteria: Changing One Species to Another, которую мы с командой опубликовали в Science. В ней мы не просто убедились, что манипуляцией с ДНК можно превратить один вид в другой: после неё стало окончательно понятно, что с геномом можно обращаться как с программой, и именно эта работа заложила основы для создания синтетической клетки.

— В вашей книге есть впечатляющие примеры неудач, с которыми вы сталкивались на пути к синтетическому организму. Какое из разочарований было самым сильным?

— Когда мы только начинали работу над синтетическим организмом JCVI-syn1.0, то выбрали в качестве отправной точки бактерию Mycoplasma genitalium — из-за её исключительно маленького генома (до недавнего времени M. genitalium считалась по этому параметру чемпионом среди живых организмов, не считая вирусов. — Прим. К. С.). Но тут оказалось, что M. genitalium в лабораторных условиях растёт чрезвычайно медленно. Если, скажем, кишечная палочка делится раз в 20 минут, то M. genitalium для этого требовалось 12 часов. Следовательно, вместо того чтобы узнать результат эксперимента на следующий день, нужно было ждать несколько недель. Я чувствовал, что весь тяжелейший труд, потраченный на эту бактерию, закончится ничем, и мы переключились на Mycoplasma mycoides, геном которой раза в два больше, чем у M. genitalium, зато и растёт она гораздо быстрее.

— Многие из ваших коллег были весьма впечатлены вашей работой; одни восторгались самим появлением искусственной клетки, другие — техническими ухищрениями, которые были при этом использованы. Но были и такие, которые отнеслись к синтетическому организму довольно пренебрежительно: дескать, это совсем не то, что создание жизни «с нуля».

— Говорящие так не слишком отдают себе отчёт в том, что в данном случае означает выражение «жизнь с нуля». Возьмём, к примеру, кекс. Вы можете купить готовый. Можете взять специальную смесь, в которую нужно добавить лишь яйца, масло и воду. Можете «собрать» кекс из индивидуальных ингредиентов: муки, сахара, соли, молока, соды и т. п. Это, пожалуй, можно считать изготовлением кекса «с нуля». Но вряд ли кто-то при этом будет синтезировать соду из натрия, углерода, водорода, кислорода. Если перенести требование «абсолютного нуля» на синтетический организм, то не придётся ли нам заняться сборкой белков, липидов и нуклеиновых кислот даже не из предшественников-мономеров, а из тех же самых простейших элементов периодической таблицы?

— Есть параллельные исследования, посвящённые созданию синтетических организмов, но в виртуальном мире (о чём вы упоминаете в своей книге). Насколько удовлетворительны такие модели?

— Виртуальные клетки уже успели подтвердить свою «компетентность»: они действительно помогают узнать больше о том, что происходит в реальности. Вообще эти исследования начались в 1996 году, когда Масару Томита вместе со своими сотрудниками начал работать с только что расшифрованным геномом Mycoplasma genitalium и запустил так называемый E-Cell Project. Самые последние труды говорят о том, что исследователи способны на основании геномной информации создать виртуальную клетку, которая будет довольно близка к настоящей.

— Вас постоянно вовлекали в дискуссии об этических аспектах создания синтетических организмов. Имеет ли смысл говорить об этом сегодня?

— Проблема исследовательской ответственности сопровождает любое открытие и любую технологию, и все подобные вопросы можно было бы адресовать, например, тому, кто первым добыл огонь. Буквально каждые несколько месяцев проходят разные публичные мероприятия, посвящённые этическим проблемам, сопряжённым с новыми технологиями. Разумеется, важно прилагать все усилия во всех общественных областях, от образования до политики, чтобы новые технологии оставались не только эффективными, но и безопасными. Но за общественными дискуссиями не следует забывать, что синтетическая биология может дать ответы на ключевые вопросы медицины, экологии и прочих областей науки, касающихся всех и каждого.

— В чём кроется бóльшая опасность — в исследовательских ошибках или в злонамеренном использовании результатов биологических исследований?

— Меня больше заботят случайные утечки научной информации. Синтетическая биология, во-первых, во многом полагается на исследователей небиологического профиля, математиков и инженеров, чьи познания в биологии не так уж высоки. Во-вторых, молекулярно-биологические методы сегодня сверхдоступны; набор для проведения полимеразной цепной реакции позволяет провести эту самую реакцию едва ли не на кухне. И всё это биологическое знание может легко оказаться за пределами структур — правительственных, коммерческих, образовательных, — которые обеспечивают безопасность и культуру научных исследований. Последствия таких «биоинформационных утечек» непредсказуемы — особенно если речь идёт о «программируемой жизни».

Синтетический организм JVCI-syn1.0, созданный Крейгом Вентером и его сотрудниками на основе бактерий микоплазмы (фото Dr. Thomas Deerinck).

— Не отказаться ли нам тогда вообще от синтетической биологии?

— Всё-таки мой самый большой страх связан не с тем, что технологии нам навредят, а с тем, что мы упустим возможности, которые они нам предоставляют. С их помощью мы можем решить, например, важнейшие проблемы, связанные с перенаселением и экологическими изменениями на планете.

— Вы работали над тем, как превратить информацию из ДНК в цифровой сигнал и передать такой сигнал на машину, которая на его основе реконструирует живой организм...

— Сейчас мы можем отдать цифровой ДНК-код программе, которая способна восстановить, синтезировать эту последовательность; такие эксперименты мы ставим в нашей компании Synthetic Genomics (г-н Вентер основал Synthetic Genomics вместе со своим давним коллегой, нобелевским лауреатом Хамилтоном Смитом. — Прим. К. С.). Аппарат-синтезатор создаёт короткие ДНК-последовательности, которые потом соединяются специальным роботом-сборщиком. Синтез фрагментов ДНК, внесение в них специальных знаков, определяющих их итоговую последовательность, сборка — всё это выполняется автоматически. Мы используем мобильную лабораторию, которая позволяет брать образцы почвы, анализировать в них ДНК; полученная информация образует своеобразное «облако». Сведения из такого облака можно передать на следующий блок, который будет комбинировать из них программу нового организма.

— Что может дать эта технология с практической точки зрения?

— Самое очевидное применение — создание противовирусных вакцин. Когда в 2009 году разразилась пандемия свиного гриппа, за полгода были созданы сотни миллионов препаратов вакцины — но даже этого было мало: тогда, напомню, погибло 250 тыс. человек. При производстве вакцины вирус растёт в оплодотворённых куриных яйцах, процесс занимает 35 дней. Чем сильнее, чем «патогеннее» вирус, тем более критичным будет время, которое тратится на разработку вакцины.

Сейчас мы вместе с компанией «Новартис» как раз заняты тем, чтобы ускорить этот процесс с помощью нашего метода. Геном вируса полностью прочитывается, после чего в нём выбираются гены, которые могут послужить хорошим материалом для вакцины, — как, например, гены белков оболочки. Эти белки далее тестируются на иммунитете: насколько сильный иммунный ответ они вызывают. Информационная работа с вирусом позволяет создать вакцину менее чем за пять дней. В принципе, метод был опробован ещё в 2011 году и с тех пор показал свою эффективность на множестве штаммов гриппа.

— А ещё вы занимаетесь проблемой лекарственной устойчивости бактерий...

— Да, страх перед универсально устойчивыми бактериями заставляет многих говорить о том, что мы скоро узнаем, как жилось нашим предкам без антибиотиков. Однако хорошая альтернатива антибиотикам — это фаги. Каждые несколько дней половина всех бактерий на Земле погибает от фагов. С точки зрения медицины у фагов есть преимущество перед антибиотиками: они высокоспецифичны и не бьют по хорошим симбиотическим бактериям. Однако бактерии, в свою очередь, вырабатывают устойчивость и к фагам. Кроме того, сам организм человека стремится избавиться от них как можно скорее. Опять же информационные манипуляции с ДНК позволяют решить эти проблемы: нужно лишь создать необходимую программу для фага. Разумеется, для этого нужно перебирать множество вариантов, но наш метод позволяет проектировать и создавать до 300 новых фагов в день, так что много вариантов не проблема.

Хотя сейчас мы ограничены небольшими организмами — вирусами и бактериальными клетками, в будущем собираемся перейти к более сложным системам, вплоть до тканей...

Очевидно, что конструирование и переконструирование организмов с помощью «ДНК-софта» и впрямь может открыть перед нами эру биологического дизайна. Однако амбиции Крейга Вентера одной лишь нашей планетой не ограничиваются. ДНК-конструкторы и ДНК-передатчики могли бы сильно упростить жизнь, к примеру, марсианским колонистам, которым не пришлось бы тащить с собой с Земли растения и бактерии, что называется, «на развод». Судя по тому, что исследования г-на Вентера спонсирует НАСА, американские космические чиновники прониклись масштабом идеи.

Однако г-н Вентер рассчитывает на большее: он полагает, что методы расшифровки и анализа ДНК позволят обнаружить жизнь на других планетах. В том числе, как это ни парадоксально, и на Марсе. Да, г-н Вентер — один из тех, для кого вопрос «Есть ли жизнь на Марсе?» до сих пор не потерял своей актуальности. По мнению Крейга, жизнь в космосе не нашли до сих пор просто потому, что плохо искали. Он упоминает о своей работе с BP, когда в образцах воды, поднятых из метановых месторождений на глубине 2,2 км, обнаружилось невиданное изобилие микробов — почти такое же, по его словам, как в океане. И если уже в недрах Земли творится такое, то почему бы бактериям не жить и в глубинах Марса?..

Впрочем, чтобы не углубляться в обсуждение вопросов, есть ли жизнь на Марсе и обязательно ли она должна быть ДНК-белковой, на этом мы и закончим рассказ о Крейге Вентере — несмотря ни на что, выдающемся учёном нашего времени.

Подготовлено по материалам Ars Technica.

Кирилл Стасевич

Имплантируемые био-пластыри ускоряют рост костей

Ученые из Университета штата Айовы создали имплантируемый коллагеновый пластырь, внедряющий частицы, стимулирующие собственные клетки пациента вырабатывать белок, необходимый для роста костей.

Этот «био-пластырь» имеет структуру, подобную строительным лесам, и форму, соответствующую размеру области, где необходима новая кость. В структуре содержатся синтетически созданные плазмиды (молекулы ДНК), которые кодируются для фактора роста, известного как PDGF-B, то есть в них закладываются генетические инструкции для построения костей. Когда клетки здоровой кости встречаются с плазмидами, они получают кодировку, чтобы начать производить фактор роста, усиливающий регенерацию кости, то есть начать процесс заживления.

В лабораторных испытаниях «био-пластыри» были наложены на отверстия (5х2 мм.) в черепах подопытных животных. Спустя четыре недели, результаты сравнили с итогами параллельно проведенных испытаний, где пластыри не использовались. Сравнительные данные университета говорят о том, что благодаря засеянным плазмидам выросло в 44 раза больше костной и мягкой тканей в пострадавших районах, в сравнении с обычными случаями.

Как говорят ученые, плазмиды не вирусные, поэтому иммунная система с распростертыми объятиями примет их. К тому же, пластыри достаточно просты и дешевы, чтобы люди с разными финансовыми возможностями могли позволить их себе (в случае необходимости), и их легко производить в больших количествах.

Подробности исследований были опубликованы в журнале Biomaterials.

ДНК научили управлять движением грузов по «нанорельсам»

Цикл работы транспортной системы Изображение: Adam J. M. Wollman et al, Nature Nanotechnology, 2013.

Ученые из Оксфордского университета разработали микроскопическую систему транспорта, в которой движением грузов управляет ДНК. Исследование опубликовано в журнале Nature Nanotechnology.

Система основана на природной транспортной системе эукариотических клеток.

Она состоит из «рельс»-микротрубочек, присоединенных к ДНК флюоресцентных грузов, и белков-моторов. Последние были созданы путем соединения природного двигательного белка кинезина и белка, связывающегося с определенной последовательностью ДНК.

Кинезин известен тем, что напоминает микроскопического «человечка», который при наличии энергетической молекулы АТФ перебирает «ножками», двигаясь от одного конца микротрубочки к другому.

Рис. 1. Движение кинезина с грузом по микротрубочке. (Изображение: Jzp706).

Система работает следующим образом.

При добавлении к микротрубочкам первой ДНК с парой транспортных белков (ДНК-1) микротрубочки образуют похожую на звезду систему радиального транспорта. Затем добавляют ДНК-2 с грузами и транспортными белками, — они садятся на рельсы.

Когда в систему добавляют АТФ, грузы начинают двигаться к центру звезды. Чтобы высвободить грузы в том месте, куда они приехали, достаточно добавить ДНК-3. Она вытеснит из комплексов одну из цепей ДНК-2 с грузами и система вернется в приблизительно исходное состояние.

В природе система микротрубочек и кинезина используется для транспорта мембранных пузырьков. Например, она обеспечивает движение везикул с медиатором вдоль аксона к синапсу в нейроне.

http://www.nature.com/nnano/journal/vaop/ncurrent/full/nnano.2013.230.html

Ученые нашли ген, заставляющий ткани восстанавливаться, как в юности

Ученые обнаружили ген, активация которого заставляет ткани взрослых мышей восстанавливаться так же быстро, как у молодых животных; свои результаты они опубликовали в статье в журнале Cell.

«Звучит как научная фантастика, но (ген) Lin28a может быть частью целебного коктейля, придающего тканям взрослых исключительные способности к восстановлению, которые наблюдаются у молодых животных», — пояснил Джордж Дэли (George Daley) из Детской больницы Бостона (США).

Известно, что ткани восстанавливаются намного быстрее в молодости, нежели во взрослом возрасте. Это верно для многих животных — от насекомых до млекопитающих. Молекулярные механизмы, влияющие на способность тканей к восстановлению, до сих пор оставались неизвестными.

Дэли и его коллеги предположили, что важную роль в этом процессе может играть белок, кодируемый геном Lin28a. Этот ген активен на стадии эмбрионального развития, однако с возрастом уровни белка, который он кодирует, в организме падают. Ученые искусственно активировали Lin28a у взрослых мышей.

Они обнаружили, что это стимулировало размножение и миграцию клеток, поэтому у мышей быстрее отрастала сбритая шерсть, а также легче восстанавливалась хрящевая, костная и соединительная ткани при ранениях ушей и пальцев.

Исследователи обнаружили, что Lin28a оказывал свое благотворное действие из-за стимуляции клеточного дыхания — процессов переработки питательных веществ и кислорода, поступающих в клетку, в универсальные молекулы аденозинтрифосфата (АТФ), которые служат источником энергии для подавляющего большинства биохимических реакций.

Авторы статьи полагают, что

их результаты могут помочь в создании препаратов, способствующих восстановлению тканей у людей.