Заботливый вор
Каждый из нас, как и другие населяющие планету существа, есть нечто самостоятельное, отграниченное от остального мира. Мы развиваемся как единое целое под влиянием генетической программы, унаследованной от предков. Эта программа повторена в бесчисленном множестве клеток, каждая из которых - относительно независимая структурная единица наших тел. Разные организмы развиваются под влиянием отличающихся наследственных программ; постепенное накопление изменений таких программ в каждом из видов и объясняет разнообразие жизни… Верно? Да! Даже в школе этому учат. Но "есть многое на свете, друг Горацио, что и не снилось нашим мудрецам".
В журнале Национальной академии наук США коллектив американских и южнокорейских ученых опубликовал статью, добавившую несколько новых деталей в одну из головоломок современной биологии. Освещая эту новость, мы не будем следовать логике самой статьи, а обрисуем картину в целом.
Клетки грибов, животных и растений имеют симбиотическое происхождение. Они возникли из клеток разных бактерий и архебактерий, одна из которых стала оболочкой, хозяином для остальных. Митохондрии наших клеток (а также клеток других животных, растений и грибов) когда-то вели обособленную жизнь. Подобное происхождение имеют хлоропласты (органеллы фотосинтеза) растений: в свое время они были самостоятельными фотосинтезирующими организмами. Впрочем, оказавшись в других клетках, митохондрии и хлоропласты утратили самостоятельность: они синтезируют лишь небольшую часть набора белков, необходимого для их жизнедеятельности. Биохимические потребности внутренних симбионтов удовлетворяют гены ядра клетки. Возможно, часть из них - "переехавшие" гены внутренних сожителей.
Итак, клетка растения - это комплекс когда-то независимых организмов, состоявших из нескольких разных групп. Клетка - относительно самостоятельная единица, но это не значит, что она не может отказаться от самостоятельности. Тело (таллом) сифоновых и некоторых других водорослей состоит из слившейся воедино или разделенной на отсеки неклеточной массы, в которой разбросаны ядра, хлоропласты, митохондрии и другие компоненты клеток. В частности, такое строение характерно для нитевидной морской водоросли вошерии (Vaucheria litorea), достигающей одного-двух сантиметров в длину.
Вошериями питаются брюхоногие моллюски (то есть дальние родственники известных всем улиток) из отряда мешкоязычных. Выворачивая наружу скоблящий орган, спрятанный в мешкообразном углублении, зеленоухая элизия (Elysia chlorotica) протыкает оболочку вошерии и высасывает ее "внутренности". Большая часть содержимого таллома усваивается, а хлоропласты перемещаются в печеночные выросты, пронизывающие все тело элизии, где становятся ее собственными органами фотосинтеза. Наполнив складки своего тела хлоропластами, элизия отказывается от животного питания и переходит к "растительной" жизни, в которой ей не нужно ничего, кроме света, углекислого газа и морской воды. После того, как элизии прожили почти год, в их геномах активируется вирус, который вызывает гибель. Из отложенных яиц выходят новые моллюски…
Но как хлоропласты умудряются так долго жить в тканях элизии? А вот как: необходимые гены вошерии вошли в геном элизий. Новорожденный моллюск, который отправляется на охоту за хлоропластами, уже имеет набор генов водоросли, необходимых для ухода за ними!
Признайтесь, даже если бы вы захотели придумать что-то похожее, у вас хватило бы фантазии справиться с задачей, которую блестяще разрешила эволюция?
Клон из морозилки
Сложно составить исчерпывающий перечень факторов, определяющих роль той или иной страны в международном разделении труда и прогрессе технологий. Но какими бы они ни были, Япония раз за разом удавалось добиваться успеха не столько в решении фундаментальных научных проблем, сколько в доведении до ума имеющихся разработок и создании на их основе конкурентоспособных продуктов. За научные революции и сенсационные открытия со временем можно получить престижную премию, но деньги текут туда, где эти открытия умеют толково использовать.
Последние недели принесли две новости, касающиеся виртуозного применения клеточных технологий специалистами из Центра биологии развития в Кобе (RIKEN Center for Developmental Biology). Научная группа под руководством Терухико Вакаямы (Teruhiko Wakayama) смогла клонировать мышей, которые умерли и были заморожены шестнадцать лет назад. Самое важное, что грызунов-доноров не обрабатывали криоконсервантами и не морозили с использованием специальных режимов для обеспечения сохранности клеток: животных просто положили в морозильник, в котором поддерживалась температура –20 °C. Естественно, их клетки оказались повреждены. Чтобы клонировать таких мышей, ядра поместили в неоплодотворенные яйцеклетки, а когда те начали развиваться — осуществили вторичную пересадку ядер полученных эмбриональных клеток. Благодаря этим ухищрениям, из сорока шести линий эмбриональных клеток удалось получить тринадцать клонов!
Комментируя эту новость, обычно вспоминают о клонировании мамонтов. Конечно, возможность их оживления еще под вопросом. И дело не только в том, что вечная мерзлота хуже японских морозильников. При клонировании ядра пересаживают в яйцеклетки того же вида, а яйцеклеток мамонтов у исследователей как раз и нет. Для этих целей можно попробовать использовать яйцеклетки слона как наиболее близкого родственника мамонта из ныне живущих, но вероятность получения полноценного клона в этом случае невелика. И все же значение успеха японских биологов не стоит недооценивать. Даже если сейчас неясно, где могут «выстрелить» такие технологии, расширение границ возможного порой способно приносить плоды в самых неожиданных областях.
А где применять результаты другого исследования, не нужно и гадать. Группа Йосики Сасаи (Yoshiki Sasai), трудящаяся в том же Центра биологии развития, смогла вырастить из отдельных клеток участки мозговой ткани. Ученые использовали как эмбриональные стволовые клетки, так и индуцированные плюрипотентные клетки из тканей взрослого человека. Ясно, что использование второй категории клеток гораздо предпочтительнее. Лучше «омолодить» клетки взрослого человека, нежели использовать материал из абортированных зародышей. Но в обоих случаях, направляя рост и размножение делящихся нервных клеток, ученым удавалось вырастить фрагменты нервной ткани. Нейроны располагались в них закономерным образом, устанавливали контакты друг с другом и даже обменивались сигналами. Хотя метод пока рано использовать в медицинской практике, выращенные фрагменты ткани уже годятся, например, для тестирования лекарств.
И "концы" в Землю?
Что ни день, поступают тревожные новости о глобальном потеплении. Споры о том, действительно ли оно вызвано деяниями человечества, то стихают, то разгораются с новой силой. Вроде бы существенная часть ответственности на нас все-таки лежит. Впрочем, связей внутри биосферы, влияющих на состав атмосферы и температурный баланс, мы так до конца и не понимаем. Периодически всплывают предупреждения об опасностях: например, потепление может вызвать выброс метана, находящегося на дне океанов и в сибирских болотах. Метан - гораздо более сильный парниковый газ, чем углекислота, и как будет выкручиваться человечество, если в атмосферу поступит его значительное количество, никто не знает.
PNAS (журнал Национальной академии наук США) опубликовал статью, авторы которой утверждают, что углекислый газ из атмосферы можно связывать в залежах перидотитов - горных пород, характерных для верхней мантии. Перидотиты - смесь нескольких минералов (оливина и пироксенов), имеющая темно-зеленый или серо-зеленый цвет. Огромные их запасы залегают довольно глубоко под земной корой, но кое-где они выходят на поверхность. К примеру, мощные выходы находятся на территории Омана. Исследователи показывают, что перидотиты способны связывать значительное количество углекислоты, образуя при этом карбонаты. Такие горные породы связывают углекислый газ и без участия человека, но процесс захоронения парникового газа может быть ускорен в сотню тысяч раз, для чего в слои перидотитов надо закачать горячую воду, обогащенную CO2, дав толчок самоподдерживающейся реакции. Расчеты показывают, что только на территории Омана таким образом можно связать значительную часть (до 15%) углекислоты, выброшенной в атмосферу человечеством.
Помогут ли открывающиеся возможности планетарной инженерии в борьбе с глобальным потеплением? О полном решении проблемы, конечно, речь не идет. Кроме того, не ясно, в какую сумму обойдется сама процедура и как ее исполнитель должен быть связан с теми, кто отравляет атмосферу углекислотой. И все же тщательнее рассмотреть предлагаемый американскими учеными вариант, безусловно, стоит.
Орган с собственного огорода
Новость, получившая широкую огласку в середине ноября, стала счастливым завершением событий, происходивших около пяти месяцев назад. Столько времени потребовалось, чтобы убедиться в успехе операции с использованием поистине пионерской технологии.
Тридцатилетняя испанка Клаудиа Кастильо (Claudia Castillo) страдала туберкулезом. Болезнь вызвала сильное поражение левого бронха - "воздуховода", ведущего к легкому. Из-за этого пациентка не могла полноценно использовать свое левое легкое, и при обычном лечении потребовалось бы его удаление. Такая операция существенно ограничивает трудоспособность - проблемой становится даже быстрая ходьба. Ситуацию могла частично облегчить пересадка донорской трахеи. Однако люди, которым пересадили донорские органы, до конца своих дней вынуждены принимать лекарства, подавляющие иммунитет, и опасаться отторжения пересаженного органа.
Все наше тело - клон из миллиардов клеток, в которые развилась (в типичном случае) одна-единственная оплодотворенная яйцеклетка. В ходе нормального развития эти клетки размножаются, взаимодействуют друг с другом и формируют каждого из нас. По окончании очередного этапа развития включаются механизмы, защищающие тело от аномалий роста - например, опухолей. Способность большинства клеток к размножению и специализации снижается до предела, допустимого с точки зрения безопасности организма. Лишь немногие клетки - стволовые - сохраняют способность к многочисленным делениям, так как в их функции входит производство быстро изнашивающихся клеток-потомков, таких как клетки крови. И после этого травмы и болезни начинают вырывать из наших тел кусок за куском.
Для Клаудии все закончилось благополучно: врачи смогли вырастить для нее новую трахею. Вначале все же пришлось использовать донорский материал (трахею умершего человека). Однако донорские клетки были разрушены, а сама трахея промыта и очищена настолько, что от нее осталась лишь коллагеновая основа. Коллаген - белок, являющийся основой соединительной ткани. Всем известный желатин - это частично разваренный коллаген. Так вот, на коллагеновую основу донорской ткани были высажены стволовые клетки костного мозга самой больной. За несколько дней они заселили отведенное им пространство, сформировав живой орган. Эта трахея была пересажена Клаудии и на удивление быстро прижилась. Вскоре врачи уже не могли провести границу между естественными тканями и пересаженным фрагментом.
По оценкам экспертов, до массового выращивания органов из стволовых клеток самих больных пройдет еще лет двадцать. Вероятно, со временем можно будет синтезировать основу для размножения клеток искусственным путем (например, с помощью печати на трехмерном принтере), обходясь без донорского материала. Конечно, трахея - орган довольно простой, а, скажем, выращивание почки представляет куда более трудную задачу. И все-таки первый шаг сделан!
Д. Шабанов. Заботливый вор // Компьютерра, М., 2008. – № 47–48 (763–764)
Д. Шабанов. Клон из морозилки // Компьютерра, М., 2008. – № 43 (759)
Д. Шабанов. И «концы» в Землю? // Компьютерра, М., 2008. – № 44 (760)
Д. Шабанов. Орган с собственного огорода // Компьютерра, М., 2008. – № 45 (761)