Полiт.ua Государственная сеть Государственные люди Войти
9 декабря 2016, пятница, 16:30
Facebook Twitter LiveJournal VK.com RSS

НОВОСТИ

СТАТЬИ

АВТОРЫ

ЛЕКЦИИ

PRO SCIENCE

ТЕАТР

РЕГИОНЫ

05 февраля 2016, 12:00

Три кита биотехнологий

Александр Панчин
Александр Панчин
Фото: Наташа Четверикова/Полит.ру

4 февраля в рамках проекта «Публичные лекции Полит.ру» выступил кандидат биологических наук, старший научный сотрудник Института проблем передачи информации РАН, автор научно-популярной книги «Сумма биотехнологии» Александр Панчин. Его рассказ был посвящен тому, что дают нам биотехнологии сегодня и чего ждать от биотехнологий самого ближайшего будущего.

Среди описанных Александром Панчиным направлений современной биотехнологии можно выделить три фундаментальных метода, которые в прямо на наших глазах стали основой многих разработок. Их можно назвать тремя китами генетических технологий.

Первое направление связано с использованием флуоресцентных белков. В 1960-е годы японский ученый Осаму Симомура, работавший в Принстоне, выделил из мелких ракообразных (Cypridina hilgendorfii) люцеферин, позволяющий им светиться. Затем из организма медузы Aequorea victoria Симомура выделил белок экворин, обеспечивающий люминесценцию в присутствии ионов кальция. Однако сам по себе экворин излучал синий свет, а сами медузы светятся зеленым. Продолжив работу, Симомура обнаружил, что это свечение обеспечивает другой белок – зеленый флуоресцентный белок (green fluorescent protein, GFP). Именно открытие GFP дало в руки биологов мощный исследовательский инструмент, хотя в начале 1960-х об этом никто не подозревал.

В 1992 году Дуглас Прэшер (Douglas C. Prasher) из Лаборатории морской биологии в Массачусетсе клонировал ген, кодирующий GFP. В 1994 году Мартин Чалфи (Martin Chalfie) впервые применил этот белок in vivo, индуцировав нужный ген в кишечную палочку (Escherichia coli) и нематоду Caenorhabditis elegans. В дальнейшем Роджер Тсиен усовершенствовал этот белок. За работу над флуоресцентным белком Сикомура, Чалфи и Тсиен получили в 2008 году Нобелевскую премию по химии.

Александр Панчин рассказал, как ученые в дальнейшем получили гены, дающие флуоресцентные белки самых разнообразных цветов. Они даже смогли рисовать в чашках Петри цветные картины, используя бактериальные культуры с разными флуоресцентными белками. Но, конечно, важность этих белков не в возможности их применения для живописи и не за это была дана Нобелевская премия. С их помощью исследователи получили возможность увидеть процессы, происходящие в организме, и даже контролировать результаты собственных действий. Это стало возможным благодаря генной инженерии. Вставив в нужное место генома ген, кодирующий флуоресцентный белок, исследователь по появлению флуоресценции может определять, когда и как этот участок генома «работает». Когда в распоряжении ученого есть несколько разных флуоресцентных белков, их можно внедрить в один организм или в одну клетку и наблюдать параллельно несколько процессов. При помощи такого многоцветного мечения можно сделать так, чтобы ядро клетки, например, светилось красным, цитоскелет – синим, митохондрии – зеленым и так далее.

Группа ученых из Гарвардского университета в 2007 году предложила даже метод, позволяющий увидеть каждый отдельный нейрон мозга мыши. Метод получил название Brainbow. Он состоит в том, что в результате определенных манипуляций каждая клетка мозга получает случайный набор флуоресцентных белков. А, как известно, из сочетания трех цветов: красного, зеленого и синего – можно получить любой цвет. В результате нейроны приобретают индивидуальную уникальную окраску. Сейчас этот метод применяется не только для исследования клеток нервной системы мышей, но и на других животных.

Второй метод, о котором шла речь в лекции Александра Панчина, это набирающий в последнее время все большую популярность метод редактирования геномов CRISPR/Cas9. Первая часть ее названия означает «Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats» – короткие палиндромные повторы, регулярно расположенные группами. Это фрагменты ДНК, содержащиеся в геноме бактерий. Они соответствуют геномам вирусов, когда-то проникавших в предков этой бактерии. Имея такую библиотеку из фрагментов вирусных геномов, бактерия может опознавать проникающие в нее вирусы, подобно тому, как антивирусная программа компьютера по хранящимся в ее библиотеке фрагментам кода компьютерных вирусов опознает вредоносные программы. У бактерий с вирусных фрагментов ДНК синтезируется цепочки РНК. РНК взаимодействует по принципу комплементарности с ДНК новых вирусов, проникающих в бактериальную клетку, и тут вступает в дело белок Cas9, который разрывает вирусную ДНК в месте взаимодействия.

Ученые стали использовать этот механизм для редактирования геномов. Они синтезируют РНК, комплементарные тому месту генома, где цепочку надо разрезать, и вводят их в клетки вместе с белком Cas9. Точнее, в клетку вводят конструкции из ДНК, кодирующие и то, и другое. В результате РНК будет указывать на то место, где надо резать, а белок – резать. Внесение разрыва в одну из двух нитей двухцепочечной геномной ДНК сильно повышает вероятность гомологической рекомбинации – процесса, при котором гомологичные хромосомы обмениваются гомологичными фрагментами. Если ввести в клетку донорную ДНК, несущую нужный вариант гена, а затем с помощью системы CRISPR/ Cas9 ввести разрыв в нужное место, то с довольной высокой вероятностью образуется хромосома с нужным геном – клетка, заполняя разрыв, достроит нужную последовательность по предложенному образцу.

Система CRISPR/Cas9 выгодно отличается от остальных способов искусственного изменения генома эффективностью и безопасностью. Для модификации генома клетки с ее помощью надо, чтобы система работала только непродолжительное время в самом начале, а потом, когда геном будет отредактирован, в ней больше нет необходимости. Данный метод редактирования генома постоянно совершенствуется. Генетики делают его все более точным, добиваясь, чтобы белок разрезал цепочку ДНК строго в нужном месте, а также подбирают варианты белка, которые легче доставить в клетку. В самых недавних вариантах этого метода используется для разрезания уже не Cas9, а другой белок FokI.

Сейчас ведутся исследования, в которых система CRISPR/Cas9, используется, например, для редактирования генома Т-лимфоцитов, что позволит создать новые методы борьбы с вирусом иммунодефицита человека, ученые заставляют иммунную систему свиньи терпеть развивающиеся в свином эмбрионе человеческие органы и даже создают малярийных комаров, в организме которых возбудитель малярии не выживает.

Наконец, третий метод, упомянутый в лекции Александра Панчина – это оптогенетика. В его основе лежит использование белков, организующих транспорт ионов через мембрану клетки в зависимости от освещенности. Обычно эти белки позаимствованы у водорослей, бактерий или архей, у которых они отвечают за светозависимое поведение, например, за движение в лучшей освещенности (это повышает эффективность фотосинтеза). Если такой белок встроен в мембрану нейрона, то, в зависимости от направления транспорта ионов под действием света, он может препятствовать распространению электрического импульса или наоборот – его запускать.

Один из таких белков – каналородопсин-2 (channelrhodopsin-2, ChR2), взятый у водорослей. В одном из экспериментов он позволил исследователям создать ложные воспоминания у мышей, просто посветив через вживленный в мозг оптический кабель на конкретные группы нейронов. В ходе опыта мышей запускали в новую камеру, где они получали слабый удар электрическим током. При этом ген с-fos, необходимый для формирования памяти, который включается при попадании животного в новую среду, был у этих мышей связан с геном каналородопсина-2 введенным в их геном искусственно. В дальнейшем мыши, попадая в ту камеру, где они сталкивались с электротоком, проявляли робость и мало двигались, а если их сажали в другую камеру, не связанную с неприятным воспоминанием, вели себя спокойно и активно. Но тут ученые светили через оптический кабель на нейроны гиппокампа мышей, активируя каналородопсин. И мыши, хотя и находились в безопасной камере, начинали проявлять чувство страха, «вспоминая» полученные удары током.

Другой эксперимент, в котором задействованы светочувствительные белки, был связан с восстановлением зрения. При неработающих светочувствительных клетках сетчатки глаза (палочках и колбочках) исследователи смогли заставить реагировать на свет другую группу нервных клеток сетчатки – биполярные клетки, которые в обычном случае лишь передают сигнал от палочек и колбочек дальше. Но их сделали светочувствительными, добавив их геном ген каналородопина-2.

Сейчас, по словам Александра Панчина, ученые обратили внимание на белки, чувствительные не к световому излучению, а к температуре. Нашлись белки, которые в ответ на изменение температуры открывают или перекрывают ионный канал, регулируя прохождение сигнала между нервными клетками. Таким образом, наряду с оптогенетикой теперь появилась и термогенетика. Более того, недавно в организме человека был обнаружен белок, реагирующий на магнитное поле, так что, возможно, его тоже удастся использовать для регуляции нейронов.

Обсудите в соцсетях

Система Orphus
Loading...
Подпишитесь
чтобы вовремя узнавать о новых спектаклях и других мероприятиях ProScience театра!
3D Apple Facebook Google GPS IBM iPhone PRO SCIENCE видео ProScience Театр Wi-Fi альтернативная энергетика «Ангара» античность археология архитектура астероиды астрофизика Байконур бактерии библиотека онлайн библиотеки биология биомедицина биомеханика бионика биоразнообразие биотехнологии блогосфера бозон Хиггса визуальная антропология вирусы Вольное историческое общество Вселенная вулканология Выбор редакции гаджеты генетика география геология глобальное потепление грибы грипп демография дети динозавры ДНК Древний Египет естественные и точные науки животные жизнь вне Земли Западная Африка защита диссертаций землетрясение зоопарк Иерусалим изобретения иммунология инновации интернет инфекции информационные технологии искусственный интеллект ислам историческая политика история история искусства история России история цивилизаций История человека. История институтов исчезающие языки карикатура католицизм квантовая физика квантовые технологии КГИ киты климатология комета кометы компаративистика компьютерная безопасность компьютерные технологии коронавирус космос криминалистика культура культурная антропология лазер Латинская Америка лженаука лингвистика Луна мамонты Марс математика материаловедение МГУ медицина междисциплинарные исследования местное самоуправление метеориты микробиология Минобрнауки мифология млекопитающие мобильные приложения мозг Монголия музеи НАСА насекомые неандертальцы нейробиология неолит Нобелевская премия НПО им.Лавочкина обезьяны обучение общество О.Г.И. открытия палеолит палеонтология память педагогика планетология погода подготовка космонавтов популяризация науки право преподавание истории происхождение человека Протон-М психология психофизиология птицы ракета растения РБК РВК регионоведение религиоведение рептилии РКК «Энергия» робототехника Роскосмос Роспатент русский язык рыбы Сингапур смертность Солнце сон социология спутники старообрядцы стартапы статистика технологии тигры торнадо транспорт ураган урбанистика фармакология Фестиваль публичных лекций физика физиология физическая антропология фольклор химия христианство Центр им.Хруничева школа эволюция эволюция человека экология эпидемии этнические конфликты этология ядерная физика язык

Редакция

Электронная почта: politru.edit1@gmail.com
Адрес: 129343, Москва, проезд Серебрякова, д.2, корп.1, 9 этаж.
Телефоны: +7 495 980 1893, +7 495 980 1894.
Стоимость услуг Полит.ру
Свидетельство о регистрации средства массовой информации
Эл. № 77-8425 от 1 декабря 2003г. Выдано министерством
Российской Федерации по делам печати, телерадиовещания и
средств массовой информации. Выходит с 21 февраля 1998 года.
При любом использовании материалов веб-сайта ссылка на Полит.ру обязательна.
При перепечатке в Интернете обязательна гиперссылка polit.ru.
Все права защищены и охраняются законом.
© Полит.ру, 1998–2014.