Биология в 21 веке

В биологии произошло несколько событий, которые позволили абсолютно по-новому подойти к исследованию сущности жизни. Самое главное – ученые научились читать генетическую информацию. Прочли гены уже многих бактерий, некоторых растений и простейших животных, практически прочитали геном человека. Здесь еще остались сложные, но в основном математические, технические проблемы. Когда объявили, что расшифрован геном человека, имелось в виду, что получен «буквенный текст». Сейчас появились методы, позволяющие быстро читать такие тексты.

Все, что заложено в нашей генетике, закодировано сочетаниями «букв», каждая из которых состоит из трех «символов». Символы, так называемые нуклеотиды, обозначаются как А, Г, Т и Ц. Это довольно простые молекулы. Тройки этих символов образуют буквы, их двадцать штук. Каждая буква кодирует некоторую аминокислоту. Однако самое интересное - узнать, что означает каждая фаза этого текста. Например, фаза может быть кодом некоторого белка – в одном белке обычно от ста до тысячи аминокислот.

Закодированы там и функции организма в целом – но более сложным способом. Есть специальные фазы, которые определяют, как сложатся клетки, когда должна умереть данная клетка, когда другая должна возникнуть и т. д.

Но чтобы закодировать все свойства организма в одной молекуле, нужно колоссальное сжатие информации. Молекула ДНК очень длинная, иногда в десятки сантиметров (!), а размер одного символа – один нанометр. У нас десяток таких молекул, у бактерии- одна. Давно просчитано, что там можно записать все, что нужно.

Уже известно, как записаны, например, белки, сбраживающие сахар у нас в кишечнике. Сегодня мы имеем полную библиотеку всего текста, который содержится в каждой живой клетке. Поняты отдельные его фрагменты – в основном то, что относится к биохимии клетки. Но есть и текст, вообще не имеющий смысла – с нашей, современной точки зрения. Может быть, некоторые места в конце концов так и не будут поняты.

Часто приходится слышать, что некие квантовые эффекты играют существенную роль при передаче генетической информации, но никаких научных данных за этим нет, есть только вера. Пока нет никаких оснований считать, что репликация ДНК обеспечивается чем-то, кроме обычной химии. Делается зеркальная копия этой молекулы, а потом копия копии, и возникает молекула, тождественная исходной. ДНК – это единственная саморазмножающаяся молекула в нашем организме.

Какие же задачи будет решать биология в 21 веке ?

В основном биологи считают, что первая задача это старение. Здесь две точки зрения. Одна – общепринятая, что старение – это поломка сложной системы, которая рано или поздно должна произойти. Но Вейсманом (Weismann) в конце 19 века была высказана другая точка зрения – что смерть была придумана эволюцией для того, чтобы выбраковывать ненужные особи, чтобы быстрее сменялись поколения, чтобы популяция не засорялась монстрами ( чем старше организм, тем больше вероятность, что он родит уродливое потомство ). Чтобы все это предотвратить, была – специально! – придумана смерть в результате старения.

Первые указания в пользу вейсмановской точки зрения уже есть. Обнаружены такие гены, при поломке которых существо живет дольше. Есть такой червячок, у которого удалось вышибить два определенных гена – и его жизнь удлинилась в шесть раз. В 1999 году был проделан опыт на мышах: им испортили ген ( это называется нокаут гена ), который кодирует так называемый белок р66 , - и продолжительность жизни подопытных особей возросла на 30 процентов.

Есть и много других интересных задач. Одну из них лучше всех сформулировал Илья Ильич Мечников: « Человек, явившийся в результате длинного цикла развития, носит в себе явные следы животного происхождения. Приобретя неведомую в животном мире степень умственного развития, он сохранил многие признаки, оказавшиеся ему не только не нужными, но прямо вредными». Вот это была идея всей его жизни. Мечников считал, что старение происходит оттого, что в нашем толстом кишечнике есть вредные бактерии. У него была простая идея, что толстый кишечник изобретен эволюцией, чтобы испражняться реже. Птичка все эти дела делает на лету, ей это не мешает, и у нее нет толстого кишечника. Но когда заяц убегает от волка и вдруг по дороге присядет – волк его настигнет, а если волк займется этим в погоне за зайцем, он его упустит. Мечников был одержим идеей бактериальных токсинов, которые порождаются бактериями, живущими в толстом кишечнике. Впоследствии оказалось, что токсины такие есть – но не из-за них мы стареем. Мечников же предлагал просто удалять толстый кишечник! Говорил, что вы чаще будете ходить в туалет, зато будете жить гораздо дольше.

Но он абсолютно прав, в том, что мы унаследовали от неразумной природы уже ненужные нам эволюционные механизмы. Старение – как раз один из них.

Есть еще очень интересная задача для наступившего века – решение проблемы старения генетического материала. У бактерий генетический материал имеет форму кольца. Когда нужно сделать копию, на эту кольцевую молекулу в определенных местах может сесть определенный белок, фермент, который по ней ползет и наращивает ее копию. Естественно, у него при этом всегда и справа и слева есть молекула ДНК, ведь она же кольцевая. А когда появились так называемые эукариоты, более сложные клетки, то ДНК разорвалась, она стала линейной. Но поразительно, что «копирующий» механизм остался прежним. Он по-прежнему работает только тогда, когда у него и справа и слева есть генетический материал. Соответственно, самый кончик молекулы ДНК не копируется. Этот переход случился сотни миллионов лет назад. За это время возникло множество других ферментов, изменились старые ферменты – но вот этот механизм почему-то остался прежним.

Поэтому каждая следующая копия короче предыдущей. Как если бы писарь, переписывая книгу, всегда ленился переписать последнюю страничку. И это продолжается миллионы лет… Как же природа из этого выпуталась? Она стала наращивать на концы молекулы ДНК некий бессмысленный текст, который делается совершенно иначе, без участия фермента. От того, что этот текст обтрепывается, никому ни тепло ни холодно. У эмбриона работает специальный белок, наращивающий бессмысленные участки. Потом, когда эмбрион рождается, этот фермент – почему-то – прекращает работать. И мы начинаем стареть. А в раковых клетках – наоборот, фермент активируется и начинает наращивать кончики.

Возникает вопрос, почему же эволюция допустила такое безобразие? Самая ценная молекула – и такая неточность считывания. Недавно американский биолог Джефф Боулз (Jeff Bowles) выдвинул такую идею: разрыв кольца и был изобретением смерти от старости. Так природа изобрела старение (бактерии же не стареют). Отсюда мы выходим на проблему рака совсем с другой стороны: может быть, если удастся убить этот фермент, мы победим раковую опухоль. Вот опять вернулись к теме старения, но если даже гипотеза Вейсмана неправильна, то может быть, рак удастся излечить исходя из этой философии.

Вообще, в биологии сейчас происходят удивительные вещи. Не так давно, у бактерий был обнаружен самый настоящий электромотор. Оказалось, что они вращают жгутики за счет разности потенциалов на оболочке. Это не образное выражение, там самый настоящий электродвигатель, причем с реверсом, - даже не поменяв направление поля, бактерии могут вращать жгутик в обратном направлении. Они включают и выключают свой мотор когда хотят, у них очень сложная система принятия решений. Бактерии суммируют некоторую информацию и принимают решения. Они удивительные существа. Например, вязкость среды измеряют точнее, чем самый лучший вискозиметр. Температуру измеряют с потрясающей точностью. Информация попадает внутрь, обрабатывается, и выдается некоторое решение: оставаться на месте или уплывать. Обычно говорят, что колесо изобрел человек. А вот они – какое там колесо, электромотор изобрели! Можно создать разность потенциалов на этой оболочке искусственно – и он будет крутиться.

Теперь человеческая клетка, фибробласт, из подкожной клетчатки. А вот в ней, внутри, - клеточная электропроводка, настоящий электрический кабель, который ученые обнаружили с помощью специального красителя, - он окрашивает только те участки клетки, где есть разность потенциалов. По этим проводам течет ток, разность потенциалов поперек оболочки кабеля (мембраны) может достигать четверти вольта. Пока неясно, в чем функция этих проводов, но то, что ученые обнаружили новые свойства живой клетки – совершенно ясно.

И в завершении хотелось бы сказать, что сейчас возникает новая химия, оперирующая веществами, которых нет в природе. Вот пример одной недавней и совершенно фантастической работы: нахождение вещества, блокирующего белок р53. Этот ключевой белок, называется «стражем генома», есть в каждой клетке. Он ползает по молекуле ДНК и проверяет, не порвалась ли она где-нибудь. Если порвалась, он дает команду починить, а сам продолжает ползать. Если ДНК не чинится, белок дает другой приказ – запрещает клетке делиться. А потом если за длительный срок повреждение не исправлено, дает приказ на самоубийство – приводит в действие самурайский закон, и клетка сама себя убивает.

Так вот, оказывается, что в половине всех случаев рака этот замечательный белок сломан. По этому клетка с поврежденной ДНК и шалеет – сигнала на самоубийство нет. С другой стороны, при инфарктах, инсультах, септическим шоке это самоубийство охватывает сразу огромное количество клеток в жизненно важном органе. Итак, с одной стороны, р53 очень хорош своим антираковым действием, с другой – отчасти из-за него мы гибнем от инфаркта и инсульта. По этому хорошо было бы найти на него управу. Молодой, очень талантливый биолог Андрей Гудков (раньше он работал в Москве, в Онкоцентре, сейчас живет в США) подошел к задаче следующим образом. Он взял «библиотеку веществ» (многие тысячи различных соединений) и протестировал их, используя автоматизированную систему, на способность этот белок блокировать. Так удалось найти нужную молекулу.

Список использованной литературы:

Еженедельник «Компьютера» от 20 февраля 2001 г. #7 (384).Владимир Скулачев. « Я предполагаю, что в биологии действует «самурайский закон»». стр. 46.