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.
