От молекул до галактик, или чем жила наука в 2016 году

Генная инженерия выбрала путь минимализма

Группа ученых из Института Джона Крейга Вентера совместно с коллегами из Калифорнийского университета, Национального института стандартов и технологий и специалистами компании Synthetic Genomics спроектировали новый геном с минимальными генетическими компонентами.

Отчет о работе опубликован в журнале Science в марте этого года. Созданная бактерия содержит минималистский вариант генома Mycoplasma mycoides — одного из самых маленьких известных геномов — и носит название JCVI-syn3.0. Исследователи утверждают, что использование этого генома раскроет новые подробности основ биологии: геном такого размера может быть использован, как «шасси» для создания микробов, производства лекарств и химических средств.

Разобраться, чем же так примечателен геном JCVI-syn3.0, нам помог Константин Мирошников, доктор химических наук и руководитель лаборатории молекулярной биоинженерии Института биоорганической химии РАН (ИБХ РАН).

Нельзя говорить об инновационности этого исследования в буквальном смысле. Это, скорее, промежуточный рекорд, итог многолетней работы команды исследователей и 50-летней эволюции молекулярно-генетических методов. Инновационность здесь примерно такая же, как в восхождении на горную вершину, конструировании сверхскоростного автомобиля или выращивании гигантской тыквы. Можно фантазировать на тему «Зачем это может пригодиться?», но в сухом остатке это иллюстрация возможностей человека как творца.

Если брать изучение функций генов и возможность их редактирования в целом, перспективы развития этого исследования велики. Это и борьба с болезнетворными бактериями, и улучшение свойств полезных, и борьба с генетическими заболеваниями — продолжать можно бесконечно. И вместе с этим исследователи вынуждены будут столкнуться с рядом проблем.

Проникновение в тайны природы происходит медленно. Вирусы мы научились конструировать в начале 2000-х, сейчас, можно сказать, освоили создание бактерий. Но руководитель этой работы, глава и владелец института Крейг Вентер говорил, что переход даже к мельчайшим одноклеточным эукариотам вроде инфузорий и дрожжей будет очень сложным, на сегодняшний момент он практически нереален. Так что бегающие по городу динозавры, как в «Парке Юрского периода», нам в ближайшее время не грозят.

Как нам справиться с глобальным старением

Американские генетики из медицинского колледжа Альберта Эйнштейна подсчитали данные о продолжительности жизни человека на протяжении всего XX века. К какому выводу они пришли? Казалось бы, очень простому и очевидному: продолжительность жизни конечна, и мы все когда-нибудь умрем. Статистика показывает, что на протяжении всего XX века продолжительность жизни росла, но уже в 90-е годы достигла своего максимума и перестала увеличиваться. Сейчас абсолютный рекорд среди долгожителей — 122 года (Жанна Луиза Кальман). Руководитель Лаборатории геномной инженерии МФТИ Павел Волчков рассуждает о том, сможет ли человечество и медицина побить этот рекорд.

За последние сто лет условия жизни, как социальные так и медицинские, становились только комфортнее, но на Земле нет ни одного человека, который преодолел бы порог в 122 года. Есть определенное количество людей которые переваливают за столетний порог — так называемые супердолгожители, но продолжительность их жизни все равно конечна. Авторы статьи в журнале Nature не дают биологического или любого другого обоснования приведенной демографической статистики, однако мне как генетику интересно порассуждать об этом.

Почему мы достигли максимума в продолжительности жизни?

Даже на современном технологически и медицинском этапе очень сложно придумать что-то, что значительно увеличило бы жизнь человека. Для этого нужно делать нечто, лежащее вне привычного медицинского подхода, нечто экстраординарное. Любой человеческий организм живет по программе, программа определяет продолжительность каждого этапа и жизни в целом. Продолжительность, впрочем, может корректироваться инфекцией, беременностью или встречей с камазом. У каждого организма есть свой план (программа) развития, современная медицина лишь немного может его скорректировать, увеличить. Авторы показывают, что есть условные 122 года, и это максимальный возраст, отведенный человеку. Наша смерть запрограммирована, существенно раздвинуть границы долголетия в рамках современной медицины невозможно.

Ответ на этот, на первый взгляд риторический, вопрос очень простой: если мы хотим жить дольше, мы должны менять собственный геном. На земле есть виды, которые живут сильно дольше, чем человек: черепахи, гренландские киты или двустворчатые моллюски. Если растянуть этапы развития человека, например, от полового созревания до взросления, мы сможем увеличить продолжить жизни в целом. Если вы хотите жить дольше, то должны перестать быть человеком — вы должны менять себя генетически.

Человечество имеет прекрасный опыт в селекции животных, в которой мы достигли колоссальных результатов. Из волкообразного дикого предка собак можно сделать очень много разных пород. Направленный отбор генома по продолжительности жизни — что-то невероятно длинное. Отобрать в раннем возрасте яйцеклетки и сперму у людей (в реальной жизни маловероятно, что супердолгожитель встретит супердолгожителя), потом дождаться, когда они доживут до своих рекордов, и начать их скрещивать. Если бы мы целенаправленно тысячелетиями вели такой отбор, то в рамках даже нашего человеческого разнообразия, скорее всего, повысили бы максимум продолжительности жизни. Но, конечно, это был бы уже не тот человек, что есть сейчас.

Сегодня есть исследовательские программы, которые собирают геномы супердолгожителей и пытаются анализировать, что же в них такого, что сделало их «бессмертными». Это сложная задача: они почему-то не умерли от инфекций, вели здоровый образ жизни, не болели и были устойчивы к стрессам — слишком много факторов и вариантов, которые совпали, и мы пока не знаем, случайность это или нет. И это не совсем чистый эксперимент: XX век был трудным — погибший на Второй мировой войне вполне мог бы дожить до 130 лет, но этого не случилось, и мы не узнаем почему.

Иммунология ищет универсальный способ борьбы с раком

В июне группа ученых из Майнцского университета имени Иоганна Гутенберга совместно с коллегами из других научных центров опубликовала результаты исследования системного использования РНК в иммунотерапии рака.

Ученые представили методику получения универсальной противораковой вакцины, содержащей РНК. Чтобы нуклеиновая кислота не разрушалась под воздействием внеклеточных РНКаз, ее поместили в липоплексы (липидные наночастицы). Испытания показали, что для стабильной доставки комплекса РНК-липоплексов к клеткам-мишеням достаточно отрегулировать общий электрический заряд наночастицы. Авторы научной работы, опубликованной в журнале Nature, начали первую фазу клинических испытаний, и первые результаты обнадеживают.

О сути и перспективах разработки рассуждает Антон Буздин, доктор биологических наук и руководитель группы геномного анализа сигнальных систем клетки ИБХ РАН.

Исследователям наконец удалось применить сравнительно простую и эффективную систему модификации клеток иммунной системы (а точнее, одной из их когорт).

Антиген-представляющие клетки (АПК) сигнализируют иммунным клеткам о наличии в организме инфекции. В ответ на это активируются Т-клетки, которые атакуют и убивают пораженные вирусом клетки, и В-клетки, которые вырабатывают противовирусные антитела. В то же время образуются так называемые «клетки памяти», которые конфигурируют свои антиген-узнающие белки таким образом, чтобы добиться максимального связывания с антигеном. Клетки памяти, в отличие от большинства других иммунных клеток, живут долго — от нескольких лет до десятилетий — и сохраняют приобретенный противовирусный потенциал.

Немецкие исследователи научились модифицировать эту сформированную эволюцией систему для обучения клеток.

Очень важно, что используются именно молекулы РНК, а не ДНК: таким образом минимизируется риск патологической трансформации клеток (поглощенные молекулы ДНК могли бы нежелательным образом изменять структуру генома захвативших их клеток, что привело бы к геномной нестабильности и патологии).

Эта работа открывает огромные перспективы для иммунотерапии, как опухолей, так и инфекционных заболеваний. И что очень важно, предлагаемые подходы сравнительно недорогие, что поможет распространить эту технологию если не повсеместно, то как минимум широко. Кроме того, можно будет лечить и хронические инфекционные заболевания, только тут в АПК будет вводиться РНК вирусных белков, а не онкогенов.

Микробиология создает новое поколение антибиотиков

Микробиологи из Тюбингена (Германия) выяснили, что человеческие комменсалы (микроорганизмы-паразиты, не несущие вреда) способны к выработке антибиотика, отрицательно влияющего на колонизацию потенциально опасных микроорганизмов.

Большинство бактериальных инфекций провоцируются устойчивыми к антибиотикам микроорганизмами-паразитами. Так, например, стафилококк способен вызывать инвазивные инфекции, и основной проблемой их лечения является низкий уровень изученности механизмов, которые препятствовали бы колонизации условно-патогенных (способных вызывать заболевания при определенных условиях) микроорганизмов. Ученые опасаются, что организмы, обладающие устойчивостью к лекарственным препаратам, вскоре могут стать более частой причиной смерти, чем рак. В июле этого года Александр Циппер совместно со своими коллегами обнаружил в человеческом носу бактерию Staphylococcus lugdunensis, которая способна подавлять рост золотистого стафилококка.

Кандидат биологических наук ИБХ РАН Денис Кузьмин рассказывает, почему это открытие важно.

Работа безусловно заслуживает внимания: впервые представляется столь оригинальный источник новых антибиотиков — собственный микробиом человека. В исследовании сочетаются как классические микробиологические подходы, так и биоинформатические методы, позволившие предсказать структуру молекулы лудгинина и кластера генов, кодирующих ферменты синтеза антибиотика.

Фактически эта работа является первым экспериментальным доказательством того, насколько перспективен и недооценен геном ассоциированных с человеком бактерий.

В 2015 году в мир вышла статья, посвященная открытию антибиотика теиксобактина учеными Северо-Восточного университета Бостона. Сейчас же немецкие ученые настаивают на том, что искать новые антибиотики в почвенных бактериях и актиномицетах — прошлый век, и предлагают в качестве нового ценного источника использовать собственную флору человека.

Авторы исследования заявляют, что лудгинин частично может решить проблему «кризиса антибиотиков». В то же время для выведения данного препарата на рынок им предстоит еще long way to go. Прежде всего, речь идет о серии доклинических и клинических исследований. Как показывает опыт прошлых лет, зачастую уже к завершению доклинических испытаний (2–4 года) в лаборатории появляются первые резистентные штаммы, что стремительно снижает терапевтический и рыночный потенциал открытой молекулы. Основной мишенью лудгинина является MRSA-стафилококк, относящийся к Грам (+) бактериям (чувствительным к некоторым антибиотикам), что несколько ограничивает его перспективы, поскольку сегодня более 60% антибиотиков, находящихся на 1–3-й фазе клинических испытаний, направлены именно против Грам (+) бактерий. Значительно хуже дело обстоит с веществами против Грам (-) бактерий — против них лудгинин остается бессильным.

Просто Космос

С каждым годом количество важных открытий, так же как и количество денежных вливаний в космическую отрасль, упорно растет. 2016 год запомнился нам первыми в истории событиями детектирования гравитационных волн, обнаружением ближайшей к нам экзопланеты на орбите красного карлика — Проксима Центавра, и предсказанием о существование планеты в нашей Солнечной системе — девятой по счету. Однако это далеко не полный список достижений, которыми в истории астрономии запомнится 2016-й. Чем еще занимались астрофизики — аспирант (PhD студент) факультета астрофизики Университета Принстона, выпускник кафедры физики и астрофизики МФТИ Айк Акопян.

Мало кто обратил внимание, но в этом году мы также впервые увидели газовый гигант Юпитер с ракурса, с которого мы его никогда ранее не видели. В июле научный спутник «Юнона» после пятилетнего полета наконец сел на орбиту Юпитера. Через объектив «Юноны» мы впервые смогли увидеть полюса планеты-гиганта, недоступные для взгляда с Земли. При близких пролетах спутник запечатлел фотографии северного полюса (фото слева), где отчетливо видны нехарактерные для других широт вихри и потоки. Инфракрасная камера «Юноны» также поймала в объектив полярное сияние на южном полюсе Юпитера (фото справа), возникающее из-за взаимодействия магнитосферы планеты с потоком солнечного ветра. При первом подлете «Юнона» также собрала серию радиосигналов, генерируемых этим весьма сложным взаимодействием. Вот как страшно это звучит, если перевести сигналы в диапазон, доступный для слуха. В любом случае, «Юнона» пролетит вокруг Юпитера еще около 25 раз до февраля 2018 года, и нам предстоит узнать еще много чего нового о самой массивной и жизненно важной для существования Земли планете.

Идея с поиском землеподобных экзопланет вокруг карликовых звезд уже далеко не новая. Дело в том, что достаточно слабое излучение и другие особенности таких звезд позволяют легко обнаруживать и детально изучать планеты в таких системах с помощью современных технологий. Поэтому если мы в ближайшие годы обнаружим жизнь за пределами Солнечной системы, то, скорее всего, это будет именно в системе вокруг карликовой звезды. В частности, такой являлась звезда Проксима Центавра, вокруг которой нашли землеподобную планету. Но, несмотря на близость этой системы к нам, детально изучить атмосферу планеты Проксима-б пока не удается. Однако в мае 2016-го вокруг похожей карликовой звезды всего в 40 световых лет от нас обнаружили сразу три землеподобные планеты, одна из которых потенциально обитаема. Что самое замечательное, из-за экстремальной близости к своей звезде, а период самой близкой планеты составляет всего полтора дня, с имеющимися технологиями эти планеты являются на сегодняшний день лучшими кандидатами для изучения их атмосферы и, соответственно, поисков жизни. В ближайшем будущем, по-видимому, взоры всех телескопов и спектрографов, заточенных под изучение атмосфер, будут направлены именно на эту систему.

Для далекого космоса год выдался еще более революционным. Проанализировав данные с телескопа «Хаббл», а также нескольких наземных телескопов, космологи-наблюдатели из университета Ноттингема показали, что на самом деле галактик примерно 2 триллиона. Если эта цифра вам ничего не говорит, то это примерно в 10 раз больше, чем считалось ранее! «Новые» обнаруженные галактики — это в основном очень далекие тусклые карликовые галактики. Это очень важно с точки зрения теории образования галактик, так как самые далекие — они же самые молодые, образовавшиеся еще в ранние стадии жизни Вселенной. В течение миллиардов лет эти карликовые галактики взаимодействовали между собой, сталкивались и образовывали более крупные галактики, одна из которых волей случая стала нашим домом под названием Млечный Путь.

2016 год как всегда не обошелся без побития «астрофизических рекордов». В частности, в марте этого года «Хаббл» нашел самую далекую и, соответственно, самую старую галактику GN-z11, на расстоянии 32 млрд световых лет, образовавшуюся всего через 400 млн лет после Большого Взрыва. Из других рекордов: в августе этого года астрономы обнаружили, что галактика Стрекоза 44 (Dragonfly 44) почти полностью пуста: примерно 99,99% всей ее массы содержится не в звездах или газе, а в форме мистической темной материи.

Детальное изучение этих далеких объектов в будущем должно пролить свет на многие вопросы о самых ранних стадиях формирования галактик. Несмотря на то что для современных телескопов эти горизонты недосягаемы, эта задача должна оказаться по зубам будущему космическому телескопу-гиганту Джеймса Вебба (JWST), который в этом году наконец сдал первые «экзамены». В частности, самая важная часть телескопа — 6,5-метровое композитное зеркало уже готово и в этом году прошло все испытания. Этот телескоп, запуск которого планируется в 2018-м и на который уже потратили примерно в 20 раз больше запланированного (примерно $8,8 млрд), является самым масштабным, дорогостоящим и одновременно многообещающим научным космическим проектом на сегодняшний день.