Від генної інженерії до любові: чим займалися біологи в 2017 році

Кератиноцит - одна з клітин епідермісу, за рахунок яких оновлюється верхній шар шкіри. З таких кератиноцитів виростили шкіру для хлопчика, хворого бульозної епідермолізом. Фото: ZEISS Microscopy / Torsten Wittmann, University of California, San Francisco.

У деяких з офіур, що мешкають на морському дні, можливо, ховається ліки від раку. Фото: FWC Fish and Wildlife Research Institute / CC BY 2.0.

Мигдалеподібне тіло, або амигдала, - область мозку, яка раніше вважалася «центром страху» і у якій останнім часом виявляють все більше функцій. Малюнок: Anatomography / Life Science Databases / CC-BY-SA-2.1.

Самці чорних какаду стукають по дереву, щоб привернути увагу самок. Фото: Doug Janson / Wikimedia Commons / CC BY-SA 3.0.

<

>

Якщо говорити про події, що сталися в найбільш «гарячих» напрямках, то в першу чергу згадується опублікована в журналі «Nature» стаття дослідників з університету Орегона науки і здоров'я, які відредагували геном людських ембріонів. Мова йде про знаменитого методі виправлення ДНК під назвою CRISPR / Cas9. Метод запозичили у бактерій, які за допомогою CRISPR / Cas9 борються з вірусами: в бактеріальної ДНК в ділянці під назвою CRISPR зберігається бібліотека вірусних послідовностей, а білки сімейства Cas (Cas9 і інші) беруть копії з цих бібліотечних послідовностей і порівнюють їх з будь-якої чужої ДНК , яка проникла в клітку. Якщо схожість є - значить, в бактерії з'явилася вірусна ДНК, і її знищують.

Виявилося, що цей метод незмірно зручніше, ніж інші методи редагування ДНК, і його можна використовувати, щоб вносити найрізноманітніші виправлення в клітинний геном. Останнім часом не проходить тижня, щоб не була опублікована робота, присвячена системі CRISPR / Cas9: її постійно модифікують і вдосконалюють, її відчувають на дріжджах, дрозофилах, круглих черв'яків, тютюні і рисі, на клітинах мишей, свиней, собак і людей.

Як тільки метод CRISPR / Cas9 почав застосовуватися в біотехнології, стало ясно, що рано чи пізно справа дійде до людини, точніше - до людських ембріонів. Звичайно, генетичний редактор можна спробувати доставити в неправильно працюючий орган або тканину дорослого організму, але якщо заздалегідь відомо, що дитина вийде генетично хворим, то чому б не виправити йому гени в самому-самому початку розвитку? Але наскільки правомірно втручатися в ДНК ембріона? Дискусії етичного характеру йшли б ще довго, якби в 2015 році китайські дослідники з Університету Сунь Ятсена не оголосив, що вже використовували CRISPR / Cas9 на людських ембріонах. В результаті вдалося домовитися, що з певними застереженнями метод можна застосовувати і до людських ембріонів. Тепер, швидше за все, подібних робіт стане набагато більше, і вищезгадана стаття в «Nature» - лише одна з перших.

Правда, якщо хтось у зв'язку з цим чекає появи «дизайнерських дітей» або якихось генетично модифікованих суперсолдат, то чекати йому доведеться досить довго. Проблема в тому, що з ембріонами ефективність методу CRISPR / Cas9 не повністю: в деяких зародках зміни вносяться тільки в одну копію гена (хоча у нас всякий ген, як відомо, знаходиться в двох варіантах - батьківському і материнському), а в деяких зародках редагування взагалі не спрацьовує. Нарешті, що більш важливо, якщо можливості CRISPR / Cas9 в «редагуванні людини» порівняти з бочкою меду, то в ній є ложка дьогтю, яка стосується точності методу.

Точність CRISPR / Cas9 завжди називають одним з найбільших плюсів - вважається, що він не редагує нічого зайвого. Але минулого літа вийшло як мінімум дві досить серйозні статті (в «Nature Methods» і в «Nature Medicine»), в яких йдеться про те, що CRISPR / Cas9 поки що мало підходить для редагування людських генів, вже дуже великий ризик незапланованих виправлень. Проблема у великій варіабельності наших генів: одна і та ж послідовність ДНК у двох різних людей може відрізнятися на одну або кілька букв. Хоча на функції гена такі заміни часто ніяк не впливають, через них редагує машина може спрацювати в десятці, а то і в сотні точок в геномі. Вперше про те, що різноманітність генів може ввести CRISPR / Cas9 в оману, заговорили ще три роки тому, але зараз вдалося кількісно оцінити масштаб проблеми: в окремих випадках число помилок може доходити до десяти тисяч. Правда, деякі гени не провокують CRISPR / Cas9 ні на які помилки, і з ними CRISPR / Cas9 працює виключно точно. З огляду на, що новий метод дуже зручний, щоб від нього можна було просто взяти і відмовитися, біотехнологи, звичайно, зроблять все можливе, щоб підвищити його точність незалежно від того, які гени йому доведеться виправляти.

У тому, що методи генної інженерії будуть використовувати в медицині все ширше, немає ніяких сумнівів. Вже зараз з їх допомогою можна воістину творити чудеса, як це сталося з семирічним хлопчиком, якого вдалося вилікувати від важкого генетичного захворювання під назвою «бульозний епідермоліз». Через мутацій в шкірних клітинах верхній шар шкіри при бульозної епідермолізе відшаровується і розпадається - шкіра наче розчиняється. Хлопчику, у якого було уражено 80% шкіри, виростили здорову шкіру з його ж власних клітин, в яких попередньо виправили генетичні дефекти; стаття з описом цього випадку була опублікована в «Nature» на початку листопада.

Інша область біотехнологій, яка протягом багатьох років залишається однією з головних, - клітинні технології. Мова в першу чергу про стовбурові клітини і їх здатності перетворюватися в клітки будь-якого іншого типу. Дійсно, стовбурові клітини можуть зробити багато для регенеративної медицини, коли з них вирощують тканину або навіть цілий орган на заміну зіпсувати. Правда, цілі органи для пересадки ще не вирощують, проте роботи в цьому напрямку йдуть повним ходом: наприклад, дослідники з Токійського університету разом з колегами зі Стенфорда виростили в щурах мишачу підшлункову залозу - клітини з неї потім використовували, щоб пересадити мишам з діабетом. Іншими словами, вдалося показати, що органи можна вирощувати в міжвидових химери: коли тварина одного виду служить інкубатором для біоматеріалу іншого виду. Справа в тому, що вирощувати орган або тканину поза організмом не завжди можливо, клітини поводяться інакше. Щоб отримати саме те, що потрібно, потрібно організм-«нянька».

І гризунами тут справа не обмежується. Напевно багато хто пам'ятає новина про «свіночеловека»: дослідники з Інституту Солка (США) на початку минулого року повідомили в «Cell», що їм вдалося сконструювати зародок, що складається з клітин людини і свині, і що такий зародок навіть якийсь час розвивався всередині свиноматки. У перспективі в таких химерах можна вирощувати органи з власних клітин пацієнта: після пересадки вони не будуть викликати проблем з імунітетом. Подібні експерименти можуть виявитися безцінними при дослідженнях вроджених патологій.

Крім того, продовжує розвиватися напрямок, пов'язаний з вирощуванням мініорганов, коли для дослідницьких цілей створюють або якусь частину великого органу, або його крихітне подобу. Часом це навіть не орган, а цілий ембріон. Його в буквальному сенсі слова зібрали вручну дослідники з Кембриджа і він виявився дуже схожий на справжній (такий мишачий напівштучний ембріон описаний в одному з торішніх номерів «Science»).

Медичні пристрої - менше, розумніше, довговічніше

Від органів, вирощуваних з клітин, було б логічно перейти до звичайних медичних пристроїв. Слово «звичайні» тут, звичайно, потрібно брати в лапки: навряд чи так можна назвати кардіостимулятор, який працює прямо від серця, перетворюючи за допомогою п'єзоелемента енергію скорочень в електричну енергію. Модель такого кардіостимулятора обговорюють давно, одна з останніх описана в «Journal of Intelligent Material Systems and Structures» співробітниками Університету Баффало (США); і зараз мова йде вже про те, щоб почати ставити такий стимулятор людям. Не можна назвати звичайним і термометр, який вимірює температуру всередині тіла і який отримує електроенергію за допомогою шлункового соку - його створили в Массачусетському технологічному інституті. І навряд чи звичайним здасться датчик глюкози, який розробляють в Інституті теоретичної та експериментальної біофізики РАН разом з колегами з Великобританії і Німеччини: цей датчик являє собою щось на зразок татуювання, коли під шкіру вводяться мікрокапсули, постійно відстежують рівень цукру в крові і передають інформацію на мобільний пристрій. «Розумна тату» повинна працювати рік, а то й довше, правда, авторам винаходу ще належить придумати, як автоматизувати виробництво таких капсул.

В цілому подібні знахідки ілюструють велике і активно розвивається напрямок в медицині, яке орієнтоване на створення дуже маленьких і дуже розумних діагностичних і лікарських засобів: ліки повинні самі собою звільнятися в тілі людини в потрібний час, міні-датчики повинні постійно стежити за фізіологічними показниками, а мікроелектроніка повинна працювати якомога довше.

І якщо вже ми згадали кардіостимулятори, варто згадати про своєрідного робота, який допомагає серцю скорочуватися: він являє собою силіконовий чохол, який стає як би додатковим м'язовим шаром - його структура імітує пристрій зовнішніх м'язових шарів серця. Робот скорочується завдяки пневматичної насосу і, скорочуючись, допомагає працювати серцю. Його можна зробити за індивідуальною міркою з урахуванням анатомічних і клінічних особливостей конкретного серця: наприклад, якщо у пацієнта проблема з лівим шлуночком, то силіконовий робот буде сильніше працювати саме з лівого боку. Головний плюс робота в тому, що він сам ніяк не стикається з кров'ю, на відміну від всіх інших моделей штучної серцевого м'яза. Останнім часом робототехніки активно конструюють «м'яких роботів», які завдяки своїй гнучкості та еластичності здатні імітувати рухи живих об'єктів, будь то пливе медуза або скорочується м'яз, і силіконовий міокард, створений дослідниками з Гарварда, - чудовий приклад такого пристрою.

Ліки від раку і всюдисущий імунітет

Якщо говорити про медицину в ширшому сенсі, то одні з найголовніших тем в ній - це рак, це імунітет і різні проблеми з імунітетом, діабет, складні психоневрологічні розлади. Причому треба враховувати, що все пов'язане одне з одним: кажучи про онкологічні хвороби, ми обов'язково вийдемо на імунітет, а кажучи про імунітет, волею-неволею доведеться торкнутися обмін речовин, надмірна вага і нервовий стрес.

Ліки проти злоякісних пухлин шукають в лабораторіях по всьому світу і знаходять часом в абсолютно несподіваних місцях: наприклад, співробітники Урбинского університету ім. Карла Бо (Італія) з'ясували, що ділення ракових клітин можна загальмувати полуничним екстрактом, а дослідники з Далекосхідного федерального університету виявили речовини з антіонкогенов дією в офиурами з Охотського моря і в морських огірках. Та й в нашому власному організмі є помічники, на яких можна покластися в боротьбі з раком. Так, дослідники з Копенгагенського університету виявили, що адреналін, що з'являється в крові під час фізкультури, спонукає ракові клітини до самогубства (правда, до такої дії адреналіну чутливі тільки клітини певного типу). А співробітники Інституту Гюстава Руссі (Франція) і їх колеги з Онкологічного центру ім. М. Д. Андерсона при Техаському університеті (США) в двох торішніх статтях в «Science» повідомили, що імунна атака на ракові клітини залежить від кишкової мікрофлори - виявляється, наші Сімба-тичні бактерії допомагають імунітету атакувати рак в повну силу.

Імунні методи боротьби з онкологічними хворобами зараз розробляють дуже активно, тому що за допомогою імунітету можна дістати ті ракові клітини, у яких з'явилася стійкість до звичайних ліків. Завдання - активувати імунітет хворого, щоб його власні імунні клітини почали ефективно полювати за злоякісними клітинами. Один із способів налаштувати імунітет на полювання на рак - забрати імунні клітини з організму і натискати їх на пухлинні клітини в спеціальному штучному органі, що імітує вилочкової залози. При такому «зовнішньому» навчанні імунні клітини стають здатні дуже точно розрізняти клітини пухлини і при цьому не чіпати здорові тканини. Втім, як то кажуть в квітневій статті в «Nature Methods», в клініці такий метод поки що не відчували.

Діючи на імунітет, потрібно бути обережним, оскільки в нашому організмі він впливає буквально на все і пов'язаний з усім. Хоча те ж саме можна уявити і більш оптимістично: якщо імунітету до всього є діло, то і ми можемо через нього спробувати вилікувати такі захворювання, які раніше або взагалі не лікували, або лікували погано. І це ще один помітний тренд в сучасній біології - з'ясовувати, як і на що впливає імунітет. У минулому році ми дізналися, що імунні клітини-макрофаги допомагають клітинам серця проводити скоротливий імпульс і тим самим підтримують правильний ритм в серцевому м'язі; що Т-клітини стимулюють поділ стовбурових клітин, що відповідають за ріст волосся; що запалення, підганяв деякими типами імунних клітин, стимулює апетит - іншими словами, імунітет в буквальному сенсі змушує нас більше їсти, причому настільки більше, що, як показали експерименти фізіологів з Інституту метаболізму Товариства Макса Планка (Німеччина), все може скінчитися ожирінням і діабетом . А дослідники з японського Інституту фізико-хімічних досліджень (RIKEN) опублікували в «Nature Immunology» статтю, в якій описували, як імунітет може впливати на психіку: виявляється, через занадто активних імунних клітин мозку починає не вистачати нейромедіаторів, за допомогою яких нейрони обмінюються сигналами, і така нестача нейромедіаторів неминуче позначається на поведінці.

мозкові складності

І тут саме час згадати про велику наукову область з величезним числом напрямів - про нейробіологію. Левова частка досліджень в ній - спроби зрозуміти, як працює мозок людини, особливо в тому, що стосується вищих когнітивних функцій: пам'яті, уваги, спілкування з іншими людьми і т. Д. З розвитком нейробиологических методів ми стали краще розуміти, що при цьому відбувається в мозку, і вже давно ніхто не дивується з того, що наші старі уявлення часом доводиться серйозно переглядати. Наприклад, з'ясовується, що якась область мозку виконує функції, про які й подумати ніхто не міг. Характерний приклад - амигдала, або мигдалеподібне тіло, до якого здавна приклеїлася назва «центр страху». На ділі амигдала займається і іншими емоціями, і не обов'язково неприємними. У минулому році в журналі «Neuron» вийшла стаття, в якій говорилося, що деякі нейрони «центру страху» працюють не на страх, а на задоволення - вони запам'ятовують приємні відчуття і потім спонукають шукати ці відчуття і далі. У тій же амигдалит, як пишуть автори іншої статті в журналі «Cell», знаходиться центр мисливського поведінки, а дослідники з Каліфорнійського технологічного інституту (США) виявили, що деякі нейрони мигдалеподібного тіла допомагають оцінювати нам невизначені і двозначні емоції, які ми бачимо у інших людей.

Часто виявляється, що якась складна функція розподілена між різними зонами мозку, які на перший погляд до цієї функції не можуть мати ніякого відношення. Наприклад, співробітники Національного дослідницького університету «Вища школа економіки» разом з колегами нортумбрійського (Великобританія) і Орхуського (Данія) університетів з'ясували, що для того, щоб зрозуміти сенс слова, що означає конкретну дію, мовні центри мозку звертаються до рухової корі. Тобто коли ми читаємо дієслово «кидати», то разом зі звичайними мовними зонами в мозку активується область кори, що відповідає за рухи рук. Взагалі останнім часом нейробіологи, що займаються мозком і вищої нервової діяльністю, вивчають не стільки конкретні зони, скільки інформаційні канали, які ці зони об'єднують. Деякі завдання, які доводиться виконувати мозку, вимагають об'єднаного зусилля самих різних відділів. Як з'ясували дослідники з Інституту людського мозку і свідомості Товариства Макса Планка, зрозуміти іншу людину, тобто зрозуміти його думки, почуття, мотиви поведінки можна тільки в тому випадку, якщо в мозку добре розвинені особливі нейронні «проводи», що зв'язують різні області скроневої і лобової часткою кори.

Спати потрібно ритмічно

У нейробіології є одна дуже інтрігуюча область, яка незмінно прівертає Рамус шірокої публікі - це дослідження сну. Однако сон - лишь один Із проявів Добовий рітмів, Яким підкоряється в нашому організмі буквально все, від імунітету до нервової системи, від гормонів до температури тела. Добовими ритмами управляє спеціальний молекулярний механізм, і за його розшифровку в минулому році дали Нобелівську премію з фізіології і медицині (про це читайте в «Науці і життя» № 11 2017 р стаття «Молекулярні ритми життя» ). Але Нобелівська премія зовсім не означає, що тема закрита, скоріше, навпаки. Головні біологічний годинник знаходяться в мозку, але ритмами керують не тільки клітини мозку: дослідники з Медичної школи Морхауз (США) виявили, що м'язи допомагають мозку тримати добовий ритм і справлятися з наслідками недосипу.

А недосип - це дійсно погано: недолік сну і взагалі будь-який збій в біологічних годинниках збільшує ймовірність важких системних розладів, від ожиріння і діабету до злоякісних хвороб. Втім, в організмі є системи захисту, які допомагають боротися з «вартовими» проблемами, і одна з таких систем - жіночі статеві гормони. У жовтні минулого року дослідники з Гуелфского університету (Канада) опублікували в журналі «Cardiovascular Research» статтю, в якій пояснювали, чому жіноче серце в середньому міцніше чоловічого: виявляється, жіночі гормони захищають серце від проблем, пов'язаних з порушеннями в добових ритмах, і почасти тому проблеми з серцем у жінок починаються пізніше, ніж у чоловіків.

Варто уточнити, що добові ритми у різних людей можуть підкорятися різному розкладом; іншими словами, у «сов» і «жайворонків» є досить багато різновидів, і різниця між їх розкладами може становити кілька годин. Однак власний графік сну і неспання потрібно дотримуватися. А що робити, якщо графік все-таки пішов під укіс і кожен день доводиться боротися з денною сонливістю? Тоді, як запевняють співробітники Колорадського університету в Боулдері (США), досить провести кілька днів без електронних пристроїв і штучного освітлення, - в лютневої статті в «Current Biology» вони пишуть, що відпочинок від гаджетів допомагає ввести організм в його добове розклад (і, до речі, в таких умовах заодно згладжується різниця між "совами" і "жайворонками").

Акули, папуги і любов

Але якщо відволіктися від великих напрямків з великими відкриттями, які знаменують собою великі успіхи, що можна наостанок згадати з минулого року? Може бути, акул, які, ковтаючи видобуток, допомагають собі плечима - про це в «Proceedings of the Royal Society B» написали біологи з Брауновського університету (США)? Або чорних какаду, які, доглядаючи за самками, ритмічно б'ють паличкою по дереву? Чорні какаду, до речі, залишаються єдиними тваринами, здатними утримувати постійний ритм. Дослідники з Австралійського національного університету, описуючи папуг-ударників в статті в «Science Advances», повідомляють, що какаду навіть палички для музикування роблять собі самі. Ще на думку спадає давно вимерлий тираннозавр, у якого виміряли силу укусу. Дослідники з університетів штатів Оклахома та Флорида (США) проаналізували будову щелеп і черепа тиранозавра і найближчих сучасних родичів динозаврів, тобто алігаторів, крокодилів і птахів, і прийшли до висновку, що тираннозавра кусали з силою близько 34,5 тисячі ньютонів, а це дорівнює приблизно вазі трьох мікролітражних автомобілів.

Але найкраще, напевно, завершити огляд двома прикладами того, як наука допомагає людині пізнати самого себе. І обидва приклади - про любов. По-перше, експерименти дослідників з Університету Західної Австралії показали, що андростадіенон і естратетраенол, які вважаються людськими феромонами, ніяк не впливають на привабливість. Втім, ці речовини цілком можуть якось діяти на нас, просто ефекти від них виявляються складніше, у вигляді опосередкованих емоційних реакцій.

І по-друге - скільки б ми не уявляли собі ідеального чоловіка або жінку, наші реальні переваги не обов'язково відповідають тому, що ми собі навидумують. Ті, хто нам дійсно подобається, цілком можуть бути схожі на ідеал, проте, як то кажуть у вересневій статті в «Psychological Science», передбачити по ідеальній картинці, хто саме нам сподобається, неможливо. І те, що любов передбачити не можна, без сумніву, один з найвидатніших наукових результатів минулого року.