27 декабря 1822 года во французском местечке Доль родился один из будущих основоположников микробиологической науки Луи Пастер. Именно ему человечество будет вечно признательно за открытие микробиологической природы инфекционных заболеваний и способа получения иммунитета при помощи прививки вакцин. При всей неоднозначности восприятия этой процедуры в нашем обществе никто не станет отрицать, что за прошедшие 128 лет с того дня, когда Пастер сделал первую в истории прививку против бешенства юному Йозефу Майстеру (на фото справа), вакцины спасли жизнь колоссальному числу людей. Надо сказать, у Пастера были свои счёты с микробами: из пятерых его детей трое умерли от брюшного тифа в раннем возрасте, в детстве же его глубоко потрясла мученическая смерть нескольких жителей селения, которых покусал волк, больной бешенством.
Следующим опытом вакцинации явилось спасение им от смерти крестьян из России, также оказавшихся пораненными бешеным волком. Всего их отправилось во Францию 19 человек. Шестнадцать из них Пастеру удалось спасти. Для троих вакцинация запоздала: они добирались до Парижа две недели…
Выполняя «научный заказ» виноделов (ах, Франция!..), Пастер сумел впервые обнаружить бескислородную форму жизни — анаэробные бактерии маслянокислого брожения, вызывающие прогорклость вина. А предложенный им процесс нагревания вина до 50–60 градусов с целью уничтожения микроорганизмов в жидкой среде стал самой массовой биотехнологией, которую мы называем по имени создателя — «пастеризацией». Примечательно, что, получив в 1864 году патент на эту технологию, Пастер совершенно бесплатно разрешал всем желающим ею пользоваться. Когда его спрашивали, почему он так непрактично поступает, Луи Пастер отвечал, что не хотел бы, чтобы права на это открытие получил какой-нибудь делец, который пользовался бы ими для своей выгоды.
Долгие десятилетия список известных нам микробиологических технологий не так уж сильно отличался от тех, что предложили Пастер и его ученики. И лишь в последнее время появился ряд принципиально новых подходов в микробиологии, обогатив эту когда-то чисто экспериментальную науку целым арсеналом компьютерных и молекулярных технологий. Вот о них и пойдёт речь.
1. Первая компьютерная модель клетки. В прошлом году группа американских биологов под руководством Дж. Карра (J.R. Karr) опубликовала в авторитетном микробиологическом журнале Cell статью о впервые созданной ими комплексной компьютерной модели клеточных процессов, обобщающей имеющиеся на сегодня данные о том, что происходит внутри клетки. В качестве «пробного шара» исследователи выбрали бактерию Mycoplasma genitalium и сумели смоделировать все процессы цикла жизнедеятельности клетки.
Надо отметить, что подход, применённый биологами, во многом напоминает принципы объектно ориентированного программирования: все многочисленные процессы в клетке представлены взаимодействующими объектами-модулями, объединёнными в классы процессов (транскрипция, метаболизм и т. д.), которые разрабатывались и тестировались автономно. Сама же модель клетки получается по принципу «сборки» конкретной версии, отвечающей типу микроорганизма и требуемой степени детализации модели. Поражает, что уже первые опыты моделирования позволили аналитически сформулировать несколько новых гипотез, в частности относительно механизмов внутренней регуляции длительности клеточного цикла и ряд других.
2. Не кашлять! Несколько недель назад группе учёных из Висконсинского университета удалось применить методы компьютерного моделирования молекулярной динамики для поиска способов «взлома» оболочек риновирусов — одной из разновидностей вирусов, вызывающих простуду человека. Задача была поставлена давно: для эффективного лечения простудных заболеваний нужно найти действующий молекулярный агент, способный выводить из строя белковую оболочку риновирусов, нарушая процессы их размножения в клетках. Препараты на базе такого агента могли бы стать чрезвычайно эффективным средством, заменяющим традиционные вакцины.
Наличие огромного числа разновидностей вирусов, различающихся степенью восприимчивости к вакцинам, а также их способность быстро меняться сводит на нет попытки создания эффективной противовирусной вакцины. В то же время применение методов компьютерного моделирования позволяет искать препараты, которые на молекулярном уровне блокировали бы те или иные ключевые стадии жизненного цикла вируса.
Так вот, группе под руководством доктора Энн Пальменберг (A. C. Palmenberg) удалось с помощью своей компьютерной модели структуры вирусной оболочки понять механизм взаимодействия вируса с рецептором, запускающим процессы распаковки вирусной оболочки с выбросом вирусной РНК в цитоплазму поражённой клетки. Кстати говоря, именно эта модель исчерпывающе показала, почему препараты, эффективно действующие против одного класса риновирусов, практически безвредны для других возбудителей простуды.
3. Рождение синтетической биологии. Весной 2010 года мир облетело сенсационное сообщение об успешном завершении удивительного эксперимента Дж. Крейга Вентера (J. Craig Venter) — создании первого в истории микробиологии искусственного живого существа, бактерии Mycoplasma mycoides. Что удалось: группа исследователей под руководством Вентера чисто химическим путём синтезировала геном M. mycoides длиной в 1,08 млн пар (!) нуклеотидов, который затем был введён в «пустую» клеточную оболочку бактерии M. capricolum. «Перепрограммированная» клетка нормально заработала, превратившись в Mycoplasma mycoides (на фото внизу). Некоторое время научный мир выжидал, занимаясь изучением представленных результатов проведённой работы. Затем последовали весьма лестные для Вентера отзывы коллег, которые собрал и опубликовал журнал Nature.
Общий тон высказываний научной общественности хорошо передают слова профессора Марка Беду (Mark Bedau): «Новоприобретённая мощь, несомненно, порождает новую ответственность. Никто не знает, к каким последствиям приведёт создание новых форм жизни, но это означает лишь, что надо быть готовыми к любым последствиям. Нужно ожидать появления новой области, со всей ответственностью прогнозирующей потенциальные риски и дающей рекомендации по предотвращению возможных последствий… Искусственный геном предвосхищает тот день, когда жизнь сможет быть синтезирована по-настоящему — полностью из неорганических материалов и «без оглядки» на организацию существующих организмов. А это уже в который раз вернёт к «жизни» извечный философский вопрос — что такое жизнь, каково её предназначение в мироздании и играет ли здесь человечество какую-то особенную роль».
4. Отладка кода. Понятно, что никакие проекты «написания» искусственных генетических программ не увенчаются успехом, если у разработчиков не будет под руками эффективных инструментов редактирования и отладки ДНК-последовательностей. Первые такие инструменты были разработаны в ходе знаменитого проекта «Геном человека», однако открытые недавно специфические белковые системы, получившие название TAL-эффекторов (Transcription Activator Like Effectors) произвели буквально революцию в технологиях редактирования генетических последовательностей.
Эти белки были открыты в ходе исследований жизненного цикла бактерий Xanthomonas, поражающих растения. Выяснилось, что TAL-эффекторы сравнительно несложно создавать искусственным путём, программируя при этом их функционал. Сами по себе они замечательно справляются с задачей поиска и распознавания заранее заданных фрагментов ДНК с целью доставки к ним молекул нуклеазы, обладающих способностью разрезать ДНК-последовательность в строго определённом месте. С помощью TAL-эффекторной технологии мы можем обращаться к любому фрагменту ДНК, производить извлечение, вставку, замену любых фрагментов, включая отдельные гены.
5. Самооборона без оружия. Ещё один чрезвычайно эффективный инструмент отладки генетических последовательностей, который оказался даже проще технологии TAL-эффекторов, разработан в прошлом году большой интернациональной командой микробиологов из США, Швейцарии, Австрии и Швеции. За основу исследователи взяли впервые открытый ими механизм иммунитета — «самообороны» клетки от вторжения чужеродной генетической информации вирусов. Механизм этот базируется на специфическом комплексе совместно функционирующих компонентов иммунитета клетки — «кассете CRISPR» (своеобразной базе данных, куда копируются фрагменты уникальных последовательностей ДНК ранее побеждённых микроорганизмов) и белка Cas9, осуществляющего разрыв чужеродной ДНК, что приводит к прекращению функционирования «чужака».
Путём соответствующей настройки «базы данных» иммунной системы можно, как выяснилось, очень эффективно «нарезать» ДНК-последовательности, формируя из них в кассетах CRISPR результирующие «файлы». Некоторые исследователи, впрочем, отмечают, что использование генетической модификации иммунных механизмом может оказаться потенциально опасной технологией в руках человека. Поживём — увидим…
