Методы проб и открытий

Одни и те же две-три страницы в хорошем научном журнале каждый может прочитать по-своему. Для авторов это может оказаться лучшей работой в жизни, для научной общественности – открытием года. Часто для широкой публики такие успехи – забавный факт, вроде зеленой светящейся свинки или клонированной овечки, а для любителей посчитать деньги – миллионы долларов, потраченные на расходные материалы и оборудование, или же миллионы потенциальной прибыли от внедрения новой идеи.

Лучший способ заинтересовать всех сразу – сделать что-нибудь понятное всем и совершенно новым способом.

Так и поступили авторы работ, попавших в список «методов года», опубликованный издательской группой Nature. Все методы-лауреаты, появившиеся или получившие новое развитие в этом году, внесли свою лепту в современный подход к изучению жизни. Чей вклад окажется больше, можно будет сказать лишь спустя десятилетия исследований.

Управление функциями клеток с помощью света (временная ссылка, PDF-файл)

Управлять конкретными функциями отдельной клетки и даже всего организма биологи давно научились включением или выключением генов с помощью коротких РНК или транскрипционных факторов. Относительно недавно удалось создать «управляющие элементы», способные переключать экспрессию гена по химическим сигналам извне. Однако даже этот способ требует, во-первых, внедрения самих управляющих элементов в геном, а во-вторых – лекарственного вмешательства для включения/выключения функции.

Теперь это можно делать дистанционно – с помощью обычного света.

Идея проста – практически в любом организме есть светочувствительные клетки, направив на которые световой пучок можно добиться надежного возбуждения. А если взять из них те субклеточные структуры, которые отвечают за восприятие света, и вставить в другие клетки, то возбуждения мы, может, и не добьемся (на это способны только нервные и мышечные клетки), а вот изменения функционального состояния клетки – легко.

Такой структурой стал бактериальный светочувствительный ионный канал ChR2, меняющий свою пропускающую способность, а следовательно, и потенциал мембраны в зависимости от освещенности. Поскольку ген, кодирующий ChR2, выделен, то проблем с встраиванием этого мембранного канала даже в эукариотические клетки не возникло.

«Побаловаться» новой игрушкой уже успели нейробиологи, повставлявшие ChR2, куда только можно.

Например, если вставить его в несветочувствительные нейроны головного мозга мышей, то можно выработать условные рефлексы на локальное освещение больших полушарий. То же самое справедливо и для мозга рыбок данио. А если встроить ChR2 в зону повреждения спинного мозга, то восстановление под действием света пойдёт гораздо быстрее.

Конечно, фотосенсибилизаторы или ставшие сверхмодными в последний год «нанобомбы» с противораковыми лекарствами, на деле давно использующиеся в онкологии, тоже можно смело внести в арсенал «повелителей света». Но их точность и скорость работы не идёт ни в какое сравнение с генетически встраиваемыми ионными каналами.

Количественная масс-спектрометрия (временная ссылка, PDF-файл)

Масс-спектрометрия (первое слово имеет отношение не к массовости, а к массе) изначально создавалась как метод качественного анализа различных веществ. В последнее время этот метод, измеряющий отношение массы к заряду вещества, стал основным способом изучения белков – ключевых строительных элементов любого живого организма.

Но даже самые совершенные приборы не могут дать ученым достаточно информации, именно поэтому Матиас Манн и его коллеги предложили использовать масс-спектрометрию ещё и для точного количественного анализа. Решение нашлось не в самом «измерителе», а в подготовке материала к исследованию. Добавляя к культивируемым клеткам аминокислоты, связанные со стабильными изотопами, Манну удалось количественно оценить уровень синтезируемого белка, чуть отличающегося от обычного по массе.

А развитие биоинформатики способствовало тому, что в 2008 году этой исследовательской команде удалось определить содержание и качество нескольких белков в целом мышином организме.

Искусственная жизнь (временная ссылка, PDF-файл)

Известный всем, кто следит за перипетиями проектов по изучению генома, «бизнесмен в науке» и просто обаятельный пенсионер Крейг Вентер объявил в этом году о создании полностью искусственного бактериального генома из отдельных олигонуклеотидов.

Ученым удалось объединить участки длиной в 24 000 пар оснований в кластеры, а потом уже из них собрать геном Mycoplasma genitalium длиной в 582 900 пар.

Машиной для сборки генома опасного инфекционного агента стали дрожжи, ферменты которых и выполняли последние этапы объединения и рекомбинации нужных цепочек.

Примерно то же самое удалось и группе японских ученых, воссоздавших последовательность из 134 500 пар азотистых оснований, играющую роль хранителя генов хлоропластов риса. Эта органелла в растительных клетках, как митохондрии в животных, обладает собственным геномом, очень похожим по строению на бактериальный.

Относительная простота устройства последнего и стала залогом успеха обеих команд – в отличие от нашей ДНК, двуспиральная ДНК бактерий не связана ни с какими белками в виде хромосом, а просто замкнута в кольцо. Кроме того, в составе этого кольца нет «незначащих последовательностей», так что сами ученые не сомневаются в функциональных способностях собранных геномов. Это, надо отметить, ещё лишь предстоит проверить.

О воссоздании генома эукариот пока говорить не приходится: во-первых, генетического материала у них гораздо больше, во-вторых, он сложно упакован, а в-третьих, в его составе большое количество вариабельных участков и «бессмысленных», на первый взгляд, последовательностей.

Индуцированная плюрипотентность (временная ссылка, PDF-файл)

Хотя первые два сообщения о создании эмбриональных стволовых клеток (ЭСК) из фибробластов появились ещё в конце 2007 года, настоящее развитие этот метод получил лишь в завершающемся году.

ЭСК, в отличие от стволовых клеток взрослого организма, способны превращаться в клетки любого органа или ткани организма; биологи называют это свойство плюрипотентностью. До прошлого года единственным их источником были ткани эмбрионов, что накладывало серьезные этические проблемы.

В прошлом году их удалось получить введением 4 генов в обычные фибробласты кожи, для выделения которых достаточно кусочка ткани объемом 1 кубический миллиметр.

Этот способ вместе с широкой оглаской получил даже благословление папы римского. Вряд ли такое одобрение стало определяющим для десятка лабораторий по всему миру, но модификаций метода и первых результатов за год появилось предостаточно. Во-первых, удалось снизить количество вводимых генов. Во-вторых, использование разных способов введения и клеток-мишеней разных типов позволило в 100 раз повысить «КПД метода» – выход ЭСК на один используемый фибробласт.

Хотя этические аспекты получения ЭСК решились, научных «противопоказаний» к клиническому применению результатов только прибавилось.

Раньше основным «тормозом» служила опасность развития тератом (опухолей, обладающих сложной структурой) при трансплантации ЭСК. Теперь компанию онкологической опасности составляют «риски генной терапии». Дело в том, что для «инъекции генов» используются потенциально опасные вирусные векторы, хотя несколько испытаний генной терапии врожденных заболеваний пока не выявили побочных эффектов такого рода.

Изучение структуры мембранных белков (временная ссылка, PDF-файл)

Белки, «заякоренные» в мембране, составляют около 30% всех белков клетки, а вот в базе данных белков с расшифрованной структурой – только 1%. Причина этого «противоречия» кроется в трудности работы с этими белками, большая часть из которых – рецепторы. За прошедший год было немало сделано для устранения несправедливости.

Естественно, рассмотреть в микроскоп молекулы с линейными размерами в несколько нанометров не представляется возможным, так что биохимики после выделения сначала кристаллизуют белки, а уже потом используют ядерный магнитный резонанс и дифракционную томографию. Теоретически, можно пытаться рассчитать на компьютере, в какой клубок свернется цепочка из известных аминокислот, но ведь в наших клетках это происходит не самопроизвольно, а под тщательным контролем белков-шаперонов, помогающих сформировать оптимальную объемную структуру.

В 2008 году была выяснена детальная структура десятков поровых белков, а также G-рецепторов, участвующих во многих сигнальных реакциях. Эти, казалось бы, фундаментальные открытия уже сейчас активно используются фармакологами, которые всё время подбирают новые ключи к клетке. Знать, как устроена замочная скважина, в этом деле очень полезно.

О новых методах микроскопии, попавших в список, мы ещё поговорим отдельно. Продолжение следует.