Старые новости: эволюция клональных коловраток, супермыши и печать органов

Без секса, но и без наручников

Зачем нужно половое размножение? В эволюционной биологии есть общепринятый ответ: оно обеспечивает рекомбинацию («пересочетание») наследственной информации. Если разные особи в популяции имеют разные гены, сочетание которых даст положительный эффект, половое размножение рано или поздно обеспечит «встречу» этих генов в одной особи. Более того, если две скрещивающиеся особи имеют два неблагоприятных гена, часть их потомков будет лишена обоих недостатков.

В популяционной генетике есть понятие «храповика Мёллера». Храповик — это зубчатое колесо с зубцами, загнутыми в одну сторону, как в наручниках. Такое колесо может вращаться только в одном направлении — затягивая наручники. В популяции организмов, размножение которых происходит без генетической рекомбинации, количество неблагоприятных мутаций должно непрерывно возрастать. Храповик Мёллера работает в отношении как бесполых организмов, так и тех, у кого половое размножение есть, а рекомбинации нет. Самая распространенная форма полового размножения без рекомбинации — партеногенез (девственное размножение). При нем самки образуют яйцеклетки, которые без оплодотворения развиваются в новых самок. Формально являясь разновидностью полового размножения (раз новый организм развивается из половых клеток), с точки зрения рекомбинации партеногенез соответствует бесполому размножению.

Известны, кстати, еще более экзотические формы полового размножения без рекомбинации. У межвидовых гибридов зеленых лягушек (и некоторых других амфибий, а также ряда рыб и насекомых) материнский или отцовский набор хромосом могут передаваться из поколения в поколение клонально (как единое целое, без рекомбинации). Храповик Мёллера подкручивает уровень накопления мутаций и в этом случае.

…Международный коллектив генетиков исследовал молекулярные механизмы устойчивости коловраток к высыханию. Коловратки — тип мелких первичнополостных водных животных. Яркой особенностью многих из них является коловращательный (колесовидный) аппарат из ресничек около рта. Зачастую эти многоклеточные животные мельче многих одноклеточных! Для большинства из них характерен образ жизни, при котором после ряда поколений, состоящих из партеногенетических самок, кроме самок появляются и самцы, обеспечивая настоящее половое размножение. А вот у представителей класса Bdelloidea, существующих не менее 40 миллионов лет (вероятнее — 80 или 100 миллионов), не бывает самцов и половой рекомбинации.

Отказавшись от рекомбинации, эти животные должны были запустить храповик Мёллера. Что может оправдать такой путь эволюции? Возможность приобретения функциональных отличий между двумя хромосомными наборами! В журнале Science сообщается, что устойчивость к высыханию бделлоидной коловратки Adineta ricciae связана с двумя белками, один из которых защищает мембраны, а другой — иные белки. Эти два белка образуют два гена, когда-то бывшие двумя аллельными формами одного и того же гена. Прекращение половой рекомбинации позволило этим генам и продуктам их активности специализироваться на разных функциях. Если бы предки нынешних коловраток продолжали скрещиваться друг с другом, половина из них имела бы или две копии гена, отвечающего за защиту белков, или две копии гена — защитника мембран, а обладание этими белками по отдельности практически бесполезно.

А как справится с храповиком Мёллера? «Рецепт» прост — высокая плодовитость и высокая смертность, позволяющая отбору сохранять только те линии бесполых самок, у которых уровень мутаций не угрожает их существованию. Сохранение линии бделлоидных коловраток требует большего количества смертей, чем сохранение организмов, практикующих секс. Но сожалеют ли коловратки об этом?

 

Супермыши: где же подвох?

Все новостные агентства обошла новость о создании «супермышей». Начнем с того, что об этом пишут. В Case Western Reserve University (Кливленд, Огайо) коллектив из пятнадцати исследователей под руководством Ричарда Хансона (Richard W. Hanson) вывел мышей, обладающих гораздо большими физическими возможностями, нежели обычные особи. Генноинженерными методами у зверьков активировали один из важных ферментов, участвующих в извлечении энергии при расщеплении органических соединений, - фосфоенолпируват-карбоксикиназу.

Связав ген, отвечающий за синтез той формы фермента, которая обычно работает в печени, с регуляторным участком, ответственным за синтез актина (белка мышц), исследователи заставили работать «печеночную» форму фермента и в мышцах. У лучшей линии супермышей активность фосфоенолпируват-карбоксикиназы составляет 9 единиц на грамм мышечной ткани по сравнению с 0,08 единицы у обычных особей!

В рутинной работе генного инженера важно не только попытаться всадить нужный ген в запланированное для него место. Надо выбрать те особи, у которых эта процедура сработала. Конечно, экспериментаторы провели определенные биохимические тесты, но мышат, у которых печеночный фермент заработал в мышцах, было и так нетрудно узнать: они практически все время бегали и прыгали, демонстрируя десятикратно возросшую физическую активность ("скакали по клетке, как жареный попкорн")! А дальше неожиданности посыпались, как из рога изобилия.

"Супермыши» (которых корректнее называть PEPCK-Cmus мышами, в соответствии с условным обозначением активированного фермента) используют для получения энергии не столько глюкозу, сколько жирные кислоты. В их мышцах практически не накапливается молочная кислота, и, значит, они почти не знают усталости… Такие грызуны едят на 60% больше, чем нормальные, но при этом не жиреют и даже отличаются пониженной массой тела. Они почти втрое дольше живут. Они гораздо интенсивнее размножаются. Их самки продолжают приносить детенышей в два с половиной года, тогда как обычные мыши теряют способность к размножению в возрасте одного года! Эти мыши агрессивнее, что, в сочетании с гораздо лучшей физической формой, обеспечит им победу в стычке с любой обычной мышью1.

Стало ясно, что активизация всего лишь одного фермента привела к перенастройке и активизации всего метаболизма генномодифицированных животных. Механизм, обеспечивший такую перенастройку, еще изучать и изучать.

В настоящее время получено около пятисот супермышей. Естественно, тут же встал вопрос, можно ли похожим способом получить суперлюдей. Если отбросить этическую сторону вопроса2, эта возможность представляется вполне реальной. Мы и мыши биохимически устроены практически одинаково. Не будем пока задумываться о том, что будет, если таких мышей выпустить в наших городах, и не будем вычислять, когда на старт выйдут спортсмены с генномодифицированными ключевыми ферментами. А вот вопрос, на который хочется получить ответ уже сейчас: почему это оказалось возможным?

…Продавцы разнообразных панацей явно или неявно опираются на мало чем подкрепленную идею: наш организм может работать намного лучше и интенсивнее, надо лишь его подтолкнуть. Чем? Разумеется, очередным «новаторским» продуктом. В большинстве случаев выясняется, что за подстегивание организма приходится чем-то платить. Повысилась заживаемость ран? Возможно, возрастет и вероятность новообразований. Увеличилась физическая активность? Скорее всего увеличатся и шансы инфаркта3. Наш организм не так уж плохо «спроектирован»: его важнейшие параметры определялись как компромисс между противоречивыми потребностями приспособления к среде и отлаживались в длительной эволюции. Ну ладно, человек: не так давно он резко изменил образ жизни, и прежние настройки его организма могли оказаться неадекватными. Мышь сделана лучше. Почему небольшое изменение ее ферментов могло настолько повысить эффективность функционирования организма?

Как ни боятся генноинженерной процедуры ее противники, в самом изменении генов и даже встраивании в них чужеродных фрагментов нет для эволюции ничего нового. У супермышей в мышцах искусственно активирован ген PEPCK-Cmus. Такая же активация могла произойти и естественным путем. Прогнозируя, как должен действовать естественный отбор, мы предположим, что такая мышь наголову разобьет всех своих конкурентов: она более вынослива, более агрессивна, дольше живет и оставляет больше потомков! Больше ест - это мелочи, важнее не то, сколько тебе нужно ресурсов, а то, успеешь ты их получить или нет4. Если все так, то почему мир до сих пор не населен супермышами (суперкрысами, суперволками и т. п.)? Видимо, где-то спрятан подвох: недостатки такого «суперметаболизма». В чем они?

Не могло же быть так, что генные инженеры своими примитивными методами нашли решение, которое осталось не найденным эволюцией, создавшей и мышей, и ферменты! Бесплатный сыр бывает только в мышеловке. Где же ее пружина?

 

Куда там Микки-Маусу! Обратно к тексту

Хотя кто ж ее отбросит! Обратно к тексту

Здесь речь идет не о конкретной «цене», а о самом факте ее наличия. Обратно к тексту

К примеру, млекопитающие и птицы потребляют значительно больше ресурсов, чем их родственники, не поддерживающие постоянную температуру тела. И ничего: они выигрывают именно благодаря более высокой скорости потребления ресурсов (существенная часть которых тратится на терморегуляцию). Обратно к тексту

 

Здоровый печатный орган

Врезка:

Почему клетки, попав в абсолютно противоестественные условия, ведут себя адекватно? Мы привыкли считать, что целесообразность живых организмов — следствие естественного отбора, который сохранил только те организмы, реакция которых на воздействия среды была «правильной». Но ведь клетки животных никогда не отбирались по способности образовывать псевдоткань, пройдя через струйный принтер в составе лопающихся микросфер! Да, адекватное поведение клеток, их способность узнавать свое окружение и устанавливать с ним контакты важно при восстановлении повреждений, да и при нормальном развитии. Но ведь в норме эти процессы идут в совершенно других условиях! Если бы наследственная программа была последовательностью жестких команд, разве смогли бы клетки демонстрировать столь гибкую возможность приходить к гармоничному финалу развития из совершенно противоестественного начального состояния?

Восемьдесят с лишним лет назад великий естествоиспытатель Лев Семенович Берг пытался обосновать, что целесообразность — имманентное, первичное свойство живого. Одна группа приводимых им примеров касалась способности к развитию межвидовых химер — например, растений, составленных из клеток и тканей разных видов. Берг настаивал, что поскольку способность «договариваться» с тканями других видов не могла быть предметом отбора, традиционный селекционизм не способен объяснить целесообразное развитие химер. Ему отвечали, что разные виды, объединенные в химере, когда-то имели общего предка и сохранили одинаковую систему внутриорганизменных регуляций еще с тех пор. Но со струйным принтером общего предка у клеток не было…

Вероятно, вопреки мнению Берга, целесообразность все-таки является результатом отбора. Но шел этот отбор совсем не так, как кажется сейчас большинству людей, усвоивших азы молекулярной генетики: если какой-то ген повышает шансы организма на выживание и размножение, доля его носителей в популяции повышается. Тот целостный характер наследственной программы, которая задает не столько последовательность конкретных шагов, сколько требуемое конечное состояние, нам пока практически не понятен. Такая программа не может состоять из отдельных независимо комбинируемых и независимо отбираемых элементов. Впрочем, органы можно печатать, не понимая, как работает такая программа — и на том спасибо!

По некоторым статистическим данным количество людей, ожидающих пересадки донорских органов, за последние десять лет примерно удвоилось. Технология, разрабатываемая американскими физиками, может существенно сократить сроки ожидания операции для таких больных и вообще изменить облик некоторых областей медицины.

В течение четырех лет исследовательская группа под руководством профессора физики из университета Миссури-Колумбия Гэбора Форджэкса (Gabor Forgacs) разработала метод, позволяющий буквально печатать живые ткани, из которых впоследствии предполагается получать целые органы. В недавнем исследовании ученые обнаружили, что сам процесс создания ткани по технологии, чем-то напоминающей струйную печать, не влияет на биологические свойства клеток, оставляя их вполне жизнеспособными. Группа Форджэкса использовала биочернила, состоящие из сферических частиц, каждая из которых содержит от 10 000 до 40 000 живых клеток. Печать проводится на специальной биосовместимой основе. Будучи нанесены на «бумагу», частицы биочернил начинают сливаться вместе, словно капли воды, образуя единую, непрерывную массу. По словам Форджэкса, они впервые получили таким «небиологическим» методом структуры, сопоставимые по функциональности с реальными живыми тканями.

Ученые, делающие первые попытки создания методов «механической сборки» тканей и органов, столкнулись с одной принципиальной проблемой. Для того, чтобы получить некое подобие функционирующего органа нужно использовать клетки разных типов, имеющих совершенно четкое месторасположение в «оригинале». Каким образом с помощью технологий биопечати обеспечить необходимое распределение клеток? Однако вскоре выяснилось, что проблема «самоустранилась». Оказалось, что клетки в полученном массиве сами находят подобающее им расположение, группируясь по типам. Грубо говоря, достаточно свалить все клетки в кучу, а там они уже сами «разберутся», кому и где быть. В одном из экспериментов для создания биочернил ученые использовали клетки сердца курицы. Как только капли чернил слились вместе, клетки начали синхронные сокращения, как и подобает ткани сердца.

Форджэкс твердо намерен довести свои разработки до практического применения и уже получил на это дело грант в пять миллионов долларов. Конечно, до «распечатки» полноценных органов еще далеко, но по утверждению ученых, плоды их трудов могут очень пригодиться в фармацевтической промышленности для испытания на них новых препаратов и лечебных методик. Практикуемые сейчас испытания лекарств на животных подходят далеко не всегда, а испытания на добровольцах сопряжены с очевидным риском. Посему «печатная продукция» американских физиков может прийтись здесь как нельзя кстати. ЕГ

 

Д. Шабанов. Без секса, но и без наручников // Компьютерра, М., 2007. – № 41 (709).   
Д. Шабанов. Супермыши: где же подвох? // Компьютерра, М., 2007. – № 44 (712).
Д. Шабанов. Врезка к заметке «Здоровый печатный орган» // Компьютерра, М., 2007. – № 43 (711).
 

Комментарии

"Не могло же быть так, что генные инженеры своими примитивными методами нашли решение, которое осталось не найденным эволюцией, создавшей и мышей, и ферменты! Бесплатный сыр бывает только в мышеловке. Где же ее пружина?"
Так где же подвох? Я не внимательно прочитала текст, или ответа в нем действительно нет?

У меня ответа не было, когда я писал эту новость, и нет и сейчас. А вопрос остается.