Методические материалы, статьи

Эпоха биологии

Судьба этого человека вобрала в себя трагедии и взлеты российской интеллигенции советского времени: арест отца, война, немецкий лагерь, лысенковщина… Но были и Московский университет, научное творчество, мировое признание.

Автор этой статьи — один из тех, благодаря кому первую половину следующего тысячелетия уже называют эпохой биологии. О том, какова же она будет, биология будущего, и рассказывает в своей статье член-корреспондент РАН, член Европейской академии, председатель научного совета российской национальной программы по изучению генома человека, лауреат Государственной премии СССР, лауреат премии Блеза Паскаля — Лев Львович Киселев.

Историки еще долго будут спорить, был ли уходящий двадцатый век веком физики и математики (атомная энергия, освоение космоса, компьютеры и многое другое), химии (полимеры, новые материалы, лекарства и т.д.) или биологии (генетический код, триада ДНК — РНК — белок, молекулярные основы жизни). Однако почти все, кто предсказывает развитие науки на ближайшие десятилетия, сходятся на том, что по крайней мере первая половина XXI века будет эпохой биологии. Почему?

Геномная эра


В конце 1980-х годов в США и СССР начались работы по геному человека (геном — совокупность всех генов и межгенных участков любого организма), вскоре возникли национальные программы по изучению генома во Франции и в Англии, затем эти исследования получили мощное развитие в Германии и Японии. Сейчас даже в таких малых странах, как Швеция, Дания, Нидерланды, геномные исследования ведутся с большим размахом и глубиной.

Скорость расшифровки строения ДНК, составляющая химическую основу всех геномов клеточных организмов и многих вирусов, достигла к концу девяностых годов многих миллионов нуклеотидных пар в день (нуклеотиды — элементарные химические единицы, из которых построены молекулы ДНК, их всего четыре типа: A, G, C и Т). Процесс расшифровки строения ДНК почти полностью автоматизирован и компьютеризован. Естественно, что такой огромный объем информации крайне трудно обрабатывать и осмысливать. Поэтому в мире создано множество крупных и более мелких банков данных, где эта информация собирается, систематизируется, обрабатывается, хранится и постоянно обновляется.

К концу 1998 года известно строение около десяти процентов всех генов, входящих в состав генома человека. Считается, что общее число генов у человека не превышает ста тысяч, а сейчас расшифрованы уже около десяти тысяч. Прогноз дальнейших успехов впечатляет: все специалисты убеждены, что к 2003 году почти весь геном человека будет расшифрован, а это около трех миллиардов (!) нуклеотидных пар.

Развитие технологии расшифровки ДНК оказалось столь стремительным, а продуктивность столь высокой, что многие крупнейшие фирмы (например, Merck) создали свои собственные геномные программы, имеющие более прикладной характер. Кроме генома человека, поразительные успехи достигнуты в расшифровке геномов бактерий (мы знаем полное строение геномов более двух десятков наиболее важных в медицинском отношении бактерий, например возбудителя туберкулеза). Эти огромные достижения открыли дорогу к получению нового поколения лекарств направленного действия. Об этом многие десятилетия мечтали микробиологи, иммунологи, врачи.

Самым выдающимся достижением геномики (науки о геномах всех живых существ) стала расшифровка строения генома первого эукариотического (истинно клеточного) организма — дрожжей, достигнутая в конце 1997 года. Оказалось, что геном клеток дрожжей содержит шесть тысяч генов (в десять раз меньше, чем геном человека), причем большинство генов кодируют белки с неизвестной функцией. Ученые наивно думали, что они уже хорошо понимают, как функционируют клетки очень простого организма — дрожжей. Теперь этой иллюзии пришел конец: раскрытие строения дрожжевого генома ясно показало глубину нашего незнания и еще раз напомнило о том, что даже одноклеточный организм — это крайне сложно устроенная живая система, многие важнейшие части которой еще совершенно неведомы.

Сейчас ясно, что расшифровка всего генома человека — цель не только достижимая, но и очень близкая: уже через несколько лет мы будем знать его строение, все десятки тысяч генов. Сейчас это уже только вопрос вложенных средств, организации работ, числа участников, времени — все спады, все сомнения, все теоретические трудности остались позади. Геномный поезд мчится на всех парах, его уже не остановить.

Что же дальше, там, за горизонтом?

Послегеномная эра


Еще до расшифровки генома человека буквально в ближайшие месяцы мы узнаем строение генома первого многоклеточного организма — червя нематоды, число генов у которого, вероятно, в два-три раза больше, чем у клеток дрожжей. Сравнение геномов дрожжей и нематоды позволит понять, какой набор генов нужен для того, чтобы обеспечить правильное взаимодействие клеток друг с другом, их специализацию. Это будет огромным шагом вперед, потому что именно межклеточные взаимодействия — один из труднейших вопросов общей биологии, где прогресс дается с большим трудом.

Параллельно с расшифровкой генома человека будет раскрыто устройство геномов еще многих десятков бактерий, что позволит не только понять, как возникли бактерии, как они эволюционировали, но и создать новые направления в фармакологии (науке о лекарствах) и в биотехнологии, которая использует микробы как живые фабрики по производству многих важнейших биопродуктов (антибиотики, аминокислоты, витамины, гормоны и многое другое).

Знание всей структуры генома неизбежно сместит интересы исследователей к изучению роли разных генов в жизни клетки, а значит, к изучению белков — основных продуктов, информация о структуре которых записана в геноме. Поэтому на смену геномике структурной постепенно придет геномика функциональная, в которой главное место будут занимать белки, их каталитическая активность, регуляция их функций, взаимодействие с другими белками.

Если сейчас на знамени геномики написаны три буквы — ДНК, то уже через несколько лет к ним обязательно добавится новое ключевое слово «белок», так как общее число разных белков в клетках лишь немногим меньше, чем число генов.

Характерно, что те группы исследователей (их было несколько десятков коллективов в разных странах мира, в основном в Европе), которые сумели раскрыть структуру генома дрожжей, сейчас предложили идею нового международного проекта, который коротко называется «протеом» от слова «протеин» (белок) по созвучию со словом «геном». Протеомный проект, который сейчас обсуждается, ставит своей конечной целью установить все белок-белковые взаимодействия, которые существуют в живой дрожжевой клетке. Это совершенно грандиозная задача, если учесть, что в клетке дрожжей одновременно присутствуют несколько тысяч белков, причем каждый из них может вступать во взаимодействие еще с несколькими другими белками. Уже создан поразительный метод, который позволяет расшифровать контакты любых белков внутри дрожжевых клеток. При этом можно изучать как дрожжевые белки, так и любые другие, например белки, выделенные из клеток человека.

Эпоха протеомики


Почему так важно изучить белок-белковые взаимодействия? Дело в том, что большинство белков — это ферменты (биологические катализаторы), которые превращают в клетке одни соединения в другие. Естественно, что так как ферментов великое множество, как и субстратов (вещества, на которые воздействуют ферменты), то для клетки в высшей степени важно координировать работу внутриклеточных ферментов.

Это достигается главным образом через белок-белковые контакты. Например, известно, что данный фермент не работает, если он не присоединил к себе фосфатные группы. Фосфорилирование достигается действием другого фермента, который в свою очередь тоже регулируется через фосфорилирование-дефосфорилирование. В клетке есть сотни киназ и фосфатаз (так называемые ферменты, которые соответственно фосфорилируют и дефосфорилируют другие белки), и их действие осуществляется через связывание с другими белками.

Знание структуры всех генов и кодированных ими белков совсем не равнозначно тому, что мы знаем, для чего они нужны клетке. Эпоха геномики будет постепенно сменяться эпохой протеомики, где на первый план выйдет проблема регуляции взаимодействий между целыми группами белков. Когда мы работаем с одним белком в пробирке, то экспериментатор постоянно контролирует ситуацию: он может задать температуру, концентрацию, состав окружающего белок раствора и т.д.

В клетке ситуация несопоставимо сложнее, так как этот же самый белок в зависимости от условий (которые нам крайне трудно учесть или изменить) может вести себя совершенно по-разному. Поэтому интегральное изучение поведения и функций клеточных белков в живой клетке, что и является конечной целью протеомики, оказывается задачей сверхсложной. Она потребует не только новых технологий изучения живых систем, но и огромных информационных и математических достижений, так как ни одна наука еще не оперировала таким объемом разнородной информации.

Это — дело будущего, хотя и достаточно близкого. Но уже сейчас возникает буквально на наших глазах новая наука, которую условно называют фармакогеномикой (или фармакогенетикой). В этих названиях соединены, с одной стороны, гены или геномы, а с другой — наука о лекарствах. Как произошло такое объединение? Сейчас ни для кого уже не секрет, что огромное количество болезней, от которых страдает все живое (люди, животные, растения), имеет генетическую основу. Это означает, что возникновение и развитие этих заболеваний связано с повреждением или изменением функций одного, а чаще нескольких генов.

Наиболее известными и, к сожалению, наиболее тяжелыми из таких болезней являются онкологические. Общепризнано, что рак — это болезнь генома клеток. Возникновение злокачественных опухолей связано с тем, что одни гены, защищающие клетки от превращения в раковые, повреждаются, а другие гены, наоборот, под действием факторов окружающей среды начинают работать более активно. Первые называют антионкогенами (или генами, подавляющими развитие опухолей), а вторые — онкогенами. Известны десятки генов человека, которые относят к этим группам. Очевидно, что не зная строения этих генов и кодируемых ими белковых продуктов, трудно надеяться на то, что будут найдены рациональные пути лечения рака. Поэтому расшифровка строения генома человека — наиболее обоснованный путь к созданию рациональной терапии онкологических заболеваний.

Любое лекарство должно обладать как минимум двумя свойствами: действовать на то звено в клетке, которое поражено болезнью, и, во-вторых, не затрагивать других, здоровых сторон жизни клетки. Ученые говорят: лекарство должно быть избирательным (специфичным) и нетоксичным (не причинять вреда). Совместить оба требования крайне сложно, если не знать мишень, на которую нужно действовать. Сейчас геномика дала в руки исследователей способы определить, какая болезнь связана с каким геном. Раньше решение такой задачи считалось выдающимся успехом, об этом сообщали все научные журналы, это было редким событием, сенсацией. Сейчас гены, ответственные за ту или иную болезнь, находят буквальньо каждую неделю. Как только ген найден и его структура установлена, надо понять, как работает белок, кодированный этим геном. Затем, когда функция белка установлена, вырабатывается стратегия лечения болезни. Можно искать лекарство, которое будет восполнять функцию поврежденного белка или, наоборот, подавлять активность белка, если болезнь связана с его сверхпродукцией. Можно идти и по другому пути: ввести в клетки вместо поврежденного нормальный ген того же самого белка. Этот путь лечения называют генотерапией.

В США к концу 1998 года уже тысячи больных получили генотерапевтическое лечение. Пока прошло еще слишком мало времени, чтобы судить об отдаленных результатах, но медики дружно согласны в том, что для многих неизлечимых болезней генотерапия — единственный путь лечения, несмотря на все возникающие на этом пути трудности. Главная из них — добиться того, чтобы в каждую отдельную клетку попал здоровый ген и там закрепился. Генотерапия прогрессирует столь быстро, на ее развитие ведущие страны выделяют столь значительные средства, что успехи генотерапии наверняка станут одним из главных событий нового века.

Все только начинается


XXI век будет не только веком новой биологии, но и веком новой медицины, построенной не на эмпирической или полуэмпирической основе, а на основе точных знаний об организме человека, его генах и белках. Уже возникла область, которая называется молекулярной медициной. В ней объединяются достижения геномики, молекулярной биологии, биохимии, знания о механизмах болезней на молекулярном уровне.

Новая медицина не только увеличит продолжительность жизни людей (она уже сейчас в цивилизованных странах достигла очень большой длительности), но, что, вероятно, еще важнее, избавит родителей от детей с врожденными наследственными болезнями. Безусловно, уже в начале века будет побежден СПИД — бич века уходящего, станут излечимы многие формы рака.

Поэтому государства, развивающие геномные исследования сейчас, закладывают основы здоровья нации в грядущем веке. Это дальновидная политика, от которой выиграют не только отдельные страны, но и все человечество в целом.

Самое интересное в биологии только начинается. Расшифровка структуры геномов бактерий, дрожжей, нематоды и в близком будущем человека — триумф индустриальной и коллективной науки. Только высочайшая степень индустриализации (крупные центры, автоматы, роботы, массовые стандартные процедуры) в сочетании с разделением труда в масштабах всего мира и привлечением многих сотен исполнителей сделали эти достижения возможными. Однако дальнейшее развитие геномики, ее постепенное превращение в «протеомику» (функциональную геномику) не может быть достигнуто теми же методами и подходами. Этот новый этап потребует перехода от индустриальной науки к науке интеллектуальной, где интеллект и талант одного исследователя станут играть гораздо большую роль, чем сейчас. Поэтому те, кто придет в биологию в начале будущего века, окажутся в лучшем положении, чем современные биологи, которые слишком сильно зависят от индустриально-финансовой стороны. Оригинальное мышление, нестандартный подход, умение интегрировать разнородную информацию (всего этого пока лишены даже самые совершенные компьютеры) станут движущей силой будущей биологии, что не может не быть привлекательным для молодежи.

Биолог в будущем будет, вероятно, значительную часть своего времени проводить за компьютером и письменным столом, а меньшую часть — за столом лабораторным, потому что поиск идеи опыта будет требовать больших усилий и времени, чем сам опыт. Конечно, талантливые экспериментаторы всегда были и будут в биологии людьми высшего сорта, однако роль теоретиков, несомненно, возрастет.

Доля России, где интеллектуальное начало в науке всегда преобладало над массово-индустриальным, этот прогноз благоприятен. Российские традиции для новой будущей биологии, безусловно, будут очень ценны. Однако, конечно, сейчас самое важное состоит не в праздных размышлениях о возможных будущих успехах, а в том, чтобы не потерять тот научный потенциал, который сейчас тает на глазах из-за бедственного финансового положения как науки, так и ее творцов-ученых. Уход молодежи из науки (в коммерцию, за границу и т.д.) принял катастрофические масштабы, и если его не остановить, будущая биология будет развиваться без россиян, что было бы крайне опасно для страны и несправедливо по отношению к российским биологическим школам.

Лев Киселев



См. также:
Обзор выигрышных слотов
ПРОЕКТ
осуществляется
при поддержке

Окружной ресурсный центр информационных технологий (ОРЦИТ) СЗОУО г. Москвы Академия повышения квалификации и профессиональной переподготовки работников образования (АПКиППРО) АСКОН - разработчик САПР КОМПАС-3D. Группа компаний. Коломенский государственный педагогический институт (КГПИ) Информационные технологии в образовании. Международная конференция-выставка Издательский дом "СОЛОН-Пресс" Отраслевой фонд алгоритмов и программ ФГНУ "Государственный координационный центр информационных технологий" Еженедельник Издательского дома "1 сентября"  "Информатика" Московский  институт открытого образования (МИОО) Московский городской педагогический университет (МГПУ)
окна пвх в могилеве - купить пластиковые окна по оптовым
Детские двухъярусные кровати от производителя
ГЛАВНАЯ
Участие вовсех направлениях олимпиады бесплатное
Автобус в Хельсинки Что посмотреть в Тампере? Город Турку. Город Турку.

 

Мокроходный счетчик воды Apator Powogaz JM-2,5 ХВ Самые популярные и надежные квартирные устройства для учета воды на сегодняшний день это Apator Powogaz (Польша) и Sensus Residia Jet (Германия-Словакия), более дешевый вариант - Gross Украина. После того как вы уже приобрели у нас счетчик для воды, не забудьте оставить отзыв в одной из соцсетей в которых мы присутствуем. А это и Facebook и Vkontakte, Google Plus и Twitter.

Номинант Примии Рунета 2007

Всероссийский Интернет-педсовет - 2005