Методические материалы, статьи

От зеленых вирусов к изумрудным овцам

В 1990-х годах российскими биологами было сделано важное открытие: исследованы белки, придающие яркую окраску некоторым животным, и разработаны способы внедрения их генов «нецветным» организмам. Это значит, что через несколько десятилетий обычной картиной могут стать ярко-красные овцы, изумрудные кошки, кролики, окрашенные в цвета коралловых рыбок… Но куда важнее значение этих исследований для науки и медицины. Как сделать так, чтобы в экспериментах на животных клетки раковой опухоли резко отличались от других тканей по цвету?
Чтобы проникающие в клетку вирусы были видны «как на ладони» — за счет излучаемого ими света? Как сделать зримыми всевозможные биохимические процессы? Наш корреспондент Кирилл ЕФРЕМОВ записал беседу с одним из авторов открытия, Юлием Александровичем ЛАБАСОМ. Речь пойдет о значении светящихся белков — как для эволюции далекого прошлого, так и для технологии близкого будущего.

1. Клетка с попугаем

- Юлий Александрович! Известно, что млекопитающие не могут похвастать большой пестротой окраски. Кстати, самые цветные среди них — приматы. Человек, имеющий в палитре своего тела только черный и рыжий пигменты, научился украшать себя всевозможными цветами — примат, он и есть примат. Неужели в ближайшем будущем он сможет «покрасить» и своих спутников — домашних животных во все цвета радуги?

- Да, возможно, через несколько десятилетий будут выведены породы всем нам знакомых животных, окрашенные не хуже коралловых рыбок. Для этого надо научиться вводить в геном гены, кодирующие «цветные белки». Впрочем, не это главное. Использование «цветных белков» открывает дорогу целому направлению биотехнологии. В конце 1990-х российские ученые открыли новое семейство цветных и флуоресцирующих белков, которые можно широко применять в биотехнологии. Итоги этих работ названы президентом РАН одним из трех крупнейших открытий в биологии за последнее десятилетие.

А началась история этого открытия очень давно — еще в конце XVIII века. В то время датский ученый и путешественник Форскал описал небольшую медузу, «способную светиться внутри», которую он назвал «экворея». Прошло почти два столетия, прежде чем была установлена причина свечения: светится особый белок, названный экворином. С конца 1960-х его стали широко использовать для исследований как сверхчувствительный индикатор ионов кальция в живых структурах. В частности, при введении его в мышцы усоногих рачков удалось доказать, что в основе мышечного сокращения лежит выброс ионов кальция.

Однако, как оказалось, в свечении медуз участвует не только экворин, но и еще одно вещество, названное «зеленым флуоресцирующим белком». При попадании на него синих лучей он испускает яркий зеленый свет — флуоресцирует. Когда изучили его структуру, оказалось, что это настоящее чудо природы. После синтеза в рибосоме «зеленый флуоресцирующий белок» сворачивается в виде причудливой «клетки», а внутри нее, словно попугай, располагается хромофорное кольцо, от которого и зависит свечение. Оказалось, что «клетка с попугаем» очень устойчива — сохраняет способность светиться в разных условиях, да и вообще «зеленый флуоресцирующий белок» — очень удобный объект для исследования. Начался шум. Было сделано более шести тысяч работ с применением этого белка в качестве генетического маркера.

В конце 1990-х вместе с сотрудниками лаборатории С.А. Лукьянова в Институте биоорганической химии РАН и с А.П. Савицким из Института биохимии РАН мы стали искать: нет ли других организмов (кроме медузы), обладающих подобными светящимися белками? Возникла идея поработать с одним из видов актиний, не проявляющим явного свечения. Первое время работа казалась безрезультатной. Мы были похожи на Балаганова, который пилит гири: «Пилите, Шура, они золотые» — вот о чем думалось. И поиск был успешным. Нам удалось клонировать гены, продукт которых представлял собой новую разновидность «зеленого белка». В конце концов, было обнаружено множество разноцветных оптически активных белков. Мы словно напали на золотую жилу, получив целое семейство генов, кодирующих экзотическую окраску морских животных. Кстати, за живностью не потребовалось ехать в тропики — все нашлось у московских аквариумистов. Вы знаете, что Москва — мировая столица морских аквариумов?

- Все же мы привыкли думать, что «цвета жизни» обусловлены пигментами, в первую очередь — растительными, которые заодно окрашивают многих морских животных (за счет обитающих в их тканях водорослей), и даже шерсть некоторых зверей (скажем, ленивцев или белых медведей).

- Действительно, долгое время считалось, что окраску задают пигменты — низкомолекулярные соединения. Но оказалось, что есть множество белков, то есть куда более сложных молекул, влияющих на окраску, например тех же стрекающих. Причем небольшие изменения в их структуре, вызванные мутацией гена, могут изменить оптические свойства. Тогда меняется цвет, усиливается или ослабевает свечение. Кстати, недавно сотрудники Института биоорганической химии РАН и Стэнфордского университета в США совместно открыли «мутант-таймер» — такую форму белка, которая после синтеза имеет зеленый цвет, а за 16 часов делается желтой и, наконец, красной (видимо, потому, что хромофорная группа «созревает» — окисляется). Вначале этот ген был «посажен» нами в кишечную палочку. А потом его перенесли в яйцеклетку лягушки. И уже можно увидеть воочию, как внутри эмбриона красными, желтыми и зелеными пятнами отображаются разные стадии развития тканей, видно, где экспрессия генов произошла раньше, а где — позже.

- Открываются широкие возможности.

- Наш успех в исследованиях «цветных белков» имеет не только биологическое значение: «Какие-то русские сделали открытие!» — так с удивлением отметил американец Роже Тсьен, один из мировых авторитетов в области клеточной биологии. Возможные перспективы наших исследований — выделить гены белков, которые светятся от свободных радикалов кислорода, и присоединить их к трансгенам (вирусам — переносчикам генов), что позволит прямо в нейронах, в мышцах и так далее наблюдать кинетику свободных радикалов кислорода в момент возбуждения клеток.

- Почему вы заговорили о кислороде?

- Потому что кислород — это ключ к пониманию роли «цветных белков» в эволюции. Сейчас я об этом расскажу.

Так выглядят кораллы в ультрафиолетовых лучах. Их свечение вызвано особыми флуоресцирующими белками.

2. Художественный кислород

- Итак, какова же роль оптически активных белков?

- Вообще, это открытие помог сделать эволюционный подход. Еще Чарльз Дарвин задумывался о том, как можно объяснить возникновение свечения под действием естественного отбора. У большинства морских тварей свечение предназначено для отпугивания хищников (скопление светящейся мелочи производит на них впечатление массивного чудовища) либо для привлечения брачного партнера. Но ведь светятся и древние организмы, особенно одноклеточные, которые возникли задолго до появления зрячих хищников. В частности, еще в 1970-х я обнаружил, что зеленая флуоресценция у гребневиков (это настоящие морские дирижабли — но только по отношению к планктону, которым они питаются) очень похожа на свечение «зеленого белка». То есть ее вызывает аналогичная система. А сейчас известно, что эволюционные пути гребневиков и стрекающих разошлись очень давно, еще в докембрийском «слепом» мире — до появления хищников с хорошо развитым зрением. Зачем же вообще яркие цвета слепым (или почти слепым) морским животным? Вероятно, у светящихся белков должна быть более древняя, универсальная функция.

Мы предположили, что эта функция — защита от яркого света как причины образования активных форм кислорода. Дело в том, что для животных, например, кислород является источником жизни только в том случае, если он утилизируется митохондриями. В иных случаях кислород (а особенно его активные формы — свободные радикалы) предстает как мощный окислитель и разрушает молекулярные структуры жизни. Поэтому его надо нейтрализовать. Этим занимаются молекулы-антиоксиданты (к ним относится всем известная аскорбиновая кислота). Биолюминесцентные системы также участвуют в нейтрализации активных форм кислорода — именно при этом процессе и происходит излучение фотонов.

- То есть можно считать, что когда атмосфера насытилась кислородом, этим ядовитым продуктом фотосинтеза, эукариоты стали защищаться от него, в том числе люминесцентными белками?

- Это началось гораздо раньше. Уже в условиях бескислородной атмосферы живым клеткам приходилось защищаться от огромного количества активного кислорода. Вы спросите, откуда он брался? В то время Земля еще не имела защитной ионосферы и озонового слоя, поэтому мощное ультрафиолетовое излучение расщепляло молекулы воды (в которой сосредоточивалась жизнь) с образованием перекиси водорода и других активных соединений кислорода. Поэтому ко времени возникновения эукариот многие формы жизни (в том числе бактерии — предки митохондрий) были уже хорошо защищены от действия активного кислорода. Но, на самом деле, все еще сложнее: биолюминесцентные комплексы оказались необходимы для защиты организма от активных форм кислорода, которые он же сам и производит!

- Для чего же производить столь опасный продукт?

- Для защиты от микробов, в первую очередь — от гнилостных бактерий. Вы никогда не задумывались, как организмам удается отражать их атаку при жизни? Иммунитет? Но ведь гуморальный иммунитет (когда во внутренней среде высока концентрация антител) хорошо развит только у теплокровных. А как защищаются беспозвоночные? Вот у Герберта Уэллса марсиане, легко одолевающие земные войска, были побеждены… гнилостными бактериями. А почему земные организмы не гниют при жизни? Оказывается, помимо работы специфического иммунитета действует поток свободных радикалов кислорода. Гнилостные бактерии его боятся. Если бы получили способность не бояться — съели бы все живое, а затем все мертвое, и их бы самих не стало. Поэтому в процессе эволюции они словно заключили соглашение: «пока живой — не гниет».

Активный кислород используют и наши белые кровяные тельца. Можно сказать, что фагоциты ползут, как танки, и временами сообща дают «залп» свободными радикалами, «сжигая» бактерии. В этот момент в их клетках происходит «дыхательный взрыв» — скачок потребления кислорода, причем не для дыхания, а для производства радикалов. При этом наблюдается их слабое свечение. Активно выделяют радикалы и клетки эпителия. Но производителям радикалов кислорода необходима защита от самоубийства — в этом качестве и выступают антиоксиданты, отдельные из которых дали начало биолюминесценции.

Кстати, у человека избыток радикалов возникает при таком заболевании, как серповидно-клеточная анемия. Такой человек легко может умереть от инфаркта или инсульта (избыток перекиси поражает стенки сосудов). Но эта же перекись убивает малярийный плазмодий, попавший в кровь. То есть эта болезнь в «малярийных» регионах оказывается средством выживания.

В генах этого детеныша уже есть код зеленого флуоресцентного белка. Это единственная удача из 224 попыток внедрения такого гена в яйцеклетки макак-резусов.

3. Теперь покрасить можно почти все

- В ходе нашей работы мы узнали, что огромный и цветной мир кораллов и актиний (а также, как мы полагаем, многих других обитателей моря) окрашен с помощью белков, на которые распространяется принцип «один ген — один белок — один цвет». Все они родственны тому самому «зеленому флуоресцирующему белку» медузе-экворее. Их важная функция — светозащитная. То есть они создают световой экран, способный как бы притенять в их тканях теплицу с симбиотическими водорослями и тем самым ослаблять выделение ими кислорода, в том числе и его активных форм. Ведь избыточный фотосинтез на очень ярком свету (под тропическим солнцем) по-своему вреден, и «цветные белки» помогают уменьшать этот вред. Если же света недостаточно, те же оптически активные белки оказываются расположены под слоем водорослей, наоборот, и усиливают световой поток. Вообще морские животные довольно активно «руководят» эндосимбионтами, сокращаясь или расслабляясь при действии определенных лучей. «Цветные белки» тоже участвуют в такой регуляции.

- Это косвенная защита. А обладают ли изучаемые вами «цветные белки» собственной антиоксидантной активностью?

- Этого еще никто не проверял. Просто время не пришло. Сейчас предпринимаются попытки ответить на этот вопрос.

- Расскажите о возможностях практического применения «цветных белков».

- В биологии часто возникает необходимость следить за судьбой отдельных белков, клеточных клонов, бактерий и вирусов. Лучшей меткой здесь является флуоресценция (на внутриклеточном уровне) и цветная окраска (на уровне организма). Приведу такой пример: возникла необходимость проверить действие какого-то онкостатика — вещества, угнетающего раковую опухоль. Допустим, в ходе эксперимента организму прививают клетки опухоли. Но как же увидеть, растет она после действия онкостатика или нет? Рентген здесь помогает далеко не всегда. А вот если к генам опухоли «прицепить» ген белка-маркера, она будет выделяться оптическими свойствами.

Здесь еще очень важно получше узнать взаимодействие люминесцентных белков и активного кислорода. Дело в том, что клетки раковой опухоли производят его больше, чем другие ткани. Раковая опухоль «ползет», окутанная свободными радикалами, «не понимая», что ее окружают клетки своего организма. Сама она имеет хороший антиоксидантный механизм, а соседние ткани разрушаются. Если же научиться подавлять антиоксидантные свойства опухолевых клеток, то с ними будет гораздо легче справиться.

Есть еще одна сфера возможного применения. У флуоресцирующих молекул есть «память», и поэтому из совокупности клеток можно создать массив, который будет вести себя как вычислительное устройство. То есть возможно их использование для создания биокомпьютеров. А вообще таких сфер — не перечесть. В иммунологии — можно связывать с антигеном один белок-маркер, с антителом — другой и узнавать по изменению спектра, когда произошло взаимодействие антиген-антитело. В эмбриологии — можно пометить клетки-предшественники и наблюдать за их дальнейшей судьбой: каким тканям они дают начало, куда мигрируют (ведь некоторые клетки совершают целые путешествия внутри организма). В одной из недавних работ в два бластомера лягушки ввели гены белков-маркеров разного цвета и получилась… половина головастика красная, половина — зеленая.

- А есть ли еще подобные результаты по окраске покровов?

- Да, их уже немало. Например, работы с генами белка кератина, который входит в состав шерсти. Ведутся работы по «получению» цветных зверей: уже можно было увидеть мышь и собаку, которые светятся ярко-зеленым в лучах синего света, и обезьяну такой же окраски. Могу сказать, как это сделали: в яйцеклетки ввели вирус, в который включен ген зеленого флуоресцирующего белка, затем их искусственно оплодотворили и имплантировали в матку самкам.

Из двадцати особей у одной получилась зеленая окраска. Теперь ее потомки тоже будут зеленые.

- Результат немного жутковатый. Вспоминается Конан-Дойль с его собакой Баскервилей. У него еще было что-то о микробах, вызывающих синие пятна на коже, которыми чуть не отравили город… Но даже если отвлечься от детских страхов: не отразится ли все же такое вмешательство на жизнеспособности?

- Конечно, пока это не проверено, но можно предположить негативную реакцию на свет, под действием которого в клетках кожи будет вырабатываться излишек кислородных радикалов.

- Во все времена люди старались изменить свою внешность. Как только не травмировали тело, причем почти без асептики и анестезии. Мне кажется, что прогресс медицинских технологий может в недалеком будущем спровоцировать очередную моду на измененную внешность. Это будет похлеще пирсинга и татуировок. Не могут ли цветные белки стать одним из инструментов «живого грима»?

- Это было бы очень неразумным шагом. Здесь как раз и существует опасность побочных эффектов, когда под действием света молекулы «цветных белков» возбуждаются и могут стимулировать в коже процессы разрушения тканей. Кроме того, этой технологией трудно управлять. В принципе, можно сконструировать такой ретровирус, который проникал бы в клетки и заставлял их синтезировать цветные белки. Но много ли найдется женщин, которые бы согласились, чтобы их яйцеклетки поразил вирус, вызывающий изменения в геноме ребенка? А ведь всегда есть немалый процент брака. Так что лучше оставаться «самим собой».

- Я вообще-то имел в виду другое. Представим себе, что человек будущего придет в «центр красоты» и заявит, что хочет иметь такие же полосы на лице, как у тигра (а лучше — как у мандрила). И его кожу уже не будут красить, а введут в клетки вирус (какой-нибудь вроде вируса папиллом), который заставляет клетки кожи выделять разноцветные белки. Мало ли до чего может дойти технология и мода. Украшают же сейчас себя цветными татуировками и силиконовыми протезами… А может появиться и такое применение: получение шерсти, окрашенной естественным путем (которая удовлетворит пристрастие к «натурпродукту»).

И, тем не менее, в подобном вмешательстве в природу можно усмотреть повод для осуждения. Как вы думаете, не поднимется ли волна порицания со стороны общественности — аналогично ситуации с проблемой клонирования? Мол, «доктор Моро» со своими синими мышами опять творит монстров и вершит насилие над природой?

- Конечно, люди, воспитанные на триллерах об ученых-злодеях, могут воспринять нашу работу именно так. Но ведь, повторюсь еще раз, «окраска шкуры» остается совсем не главной задачей. Главное — научиться использовать цветные белки в медико-биологических исследованиях. Тогда будет большой прогресс в иммунологии, эмбриологии, прикладной медицине и во многих других областях.

Ю. Лабас



См. также:
Особенности системы Мартингейл
Получить микрозайм с сервисом ZaimOnline-Ru – легко!
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)
ГЛАВНАЯ
Участие вовсех направлениях олимпиады бесплатное
Вы можете заказать у нас Упаковочные Картонные коробки для переезда с доставкой.. А также после переезда коробку можно разобрать и сложить в плоский компактный лист и сохранить до следующего переезда, или же, если вам не безразлична судьба планеты – вы можете сдать использованную картонную коробку в макулатуру. А теперь к вопросу о том, где купить коробки для переезда. При чём не просто купить, а купить коробку для переезда с доставкой.

Номинант Примии Рунета 2007

Всероссийский Интернет-педсовет - 2005