18 декабря 2008, 14:00 Наука Размер текста А А А

Методы проб и открытий

Список лучших научных методик 2008 года

Пётр Смирнов Традиционно подводя итоги, британский журнал Nature не стал публиковать список лучших достижений года, а решил рассказать о новых научных методах. Во многом благодаря этим методам были совершены те «открытия года», которые в пятницу в последнем номере сезона должен назвать американский Science.

Одни и те же две-три страницы в хорошем научном журнале каждый может прочитать по-своему. Для авторов это может оказаться лучшей работой в жизни, для научной общественности – открытием года. Часто для широкой публики такие успехи – забавный факт, вроде зеленой светящейся свинки или клонированной овечки, а для любителей посчитать деньги — миллионы долларов, потраченные на расходные материалы и оборудование, или же миллионы потенциальной прибыли от внедрения новой идеи.

Лучший способ заинтересовать всех сразу – сделать что-нибудь понятное всем и совершенно новым способом.

Создатель LHC стал «ньюзмейкером года» Британский научный журнал Nature присудил титул своего «ньюзмейкера года» Лину Эвансу – руководителю проекта «Большой адронный коллайдер» (LHC) в европейском Центре ядерных исследований (ЦЕРНе). Несмотря на сентябрьскую аварию.

Валлиец по крови и скулам Эванс, живущий сейчас на французской стороне большого кольца у Женевского озера, руководит работами по созданию LHC с самого их начала. В текущем году постройка была завершена, и в сентябре учёным удалось пропустить пучок протонов небольшой энергии по полному кольцу. По некоторым подсчётам, за этим событием в прямом эфире следили около миллиарда зрителей – ничего подобного в науке никогда не было. А руководил всем Эванс.

Спустя всего две недели произошла авария, при которой серьёзно пострадал один из секторов большого кольца. Сейчас продолжается ремонт, планируется, что коллайдер вновь будет запущен не ранее июля 2009 года. При этом до конца следующего года он так и не выйдет на свою полную мощность в 7 ТэВ на частицу. Впрочем, и энергия в 5 ТэВ, которой достигнут протоны следующим летом, является рекордной.

Так и поступили авторы работ, попавших в список «методов года», опубликованный издательской группой Nature. Все методы-лауреаты, появившиеся или получившие новое развитие в этом году, внесли свою лепту в современный подход к изучению жизни. Чей вклад окажется больше, можно будет сказать лишь спустя десятилетия исследований.

Управление функциями клеток с помощью света (временная ссылка, PDF-файл)

Управлять конкретными функциями отдельной клетки и даже всего организма биологи давно научились включением или выключением генов с помощью коротких РНК или транскрипционных факторов. Относительно недавно удалось создать «управляющие элементы», способные переключать экспрессию гена по химическим сигналам извне. Однако даже этот способ требует, во-первых, внедрения самих управляющих элементов в геном, а во-вторых – лекарственного вмешательства для включения/выключения функции.

Теперь это можно делать дистанционно – с помощью обычного света.

Идея проста – практически в любом организме есть светочувствительные клетки, направив на которые световой пучок можно добиться надежного возбуждения. А если взять из них те субклеточные структуры, которые отвечают за восприятие света, и вставить в другие клетки, то возбуждения мы, может, и не добьемся (на это способны только нервные и мышечные клетки), а вот изменения функционального состояния клетки – легко.

Такой структурой стал бактериальный светочувствительный ионный канал ChR2, меняющий свою пропускающую способность, а следовательно, и потенциал мембраны в зависимости от освещенности. Поскольку ген, кодирующий ChR2, выделен, то проблем с встраиванием этого мембранного канала даже в эукариотические клетки не возникло.

«Побаловаться» новой игрушкой уже успели нейробиологи, повставлявшие ChR2, куда только можно.

Например, если вставить его в несветочувствительные нейроны головного мозга мышей, то можно выработать условные рефлексы на локальное освещение больших полушарий. То же самое справедливо и для мозга рыбок данио. А если встроить ChR2 в зону повреждения спинного мозга, то восстановление под действием света пойдёт гораздо быстрее.

Конечно, фотосенсибилизаторы или ставшие сверхмодными в последний год «нанобомбы» с противораковыми лекарствами, на деле давно использующиеся в онкологии, тоже можно смело внести в арсенал «повелителей света». Но их точность и скорость работы не идёт ни в какое сравнение с генетически встраиваемыми ионными каналами.

Количественная масс-спектрометрия (временная ссылка, PDF-файл)

Масс-спектрометрия (первое слово имеет отношение не к массовости, а к массе) изначально создавалась как метод качественного анализа различных веществ. В последнее время этот метод, измеряющий отношение массы к заряду вещества, стал основным способом изучения белков – ключевых строительных элементов любого живого организма.

Но даже самые совершенные приборы не могут дать ученым достаточно информации, именно поэтому Матиас Манн и его коллеги предложили использовать масс-спектрометрию ещё и для точного количественного анализа. Решение нашлось не в самом «измерителе», а в подготовке материала к исследованию. Добавляя к культивируемым клеткам аминокислоты, связанные со стабильными изотопами, Манну удалось количественно оценить уровень синтезируемого белка, чуть отличающегося от обычного по массе.

А развитие биоинформатики способствовало тому, что в 2008 году этой исследовательской команде удалось определить содержание и качество нескольких белков в целом мышином организме.

Искусственная жизнь (временная ссылка, PDF-файл)

Известный всем, кто следит за перипетиями проектов по изучению генома, «бизнесмен в науке» и просто обаятельный пенсионер Крейг Вентер объявил в этом году о создании полностью искусственного бактериального генома из отдельных олигонуклеотидов.

Ученым удалось объединить участки длиной в 24 000 пар оснований в кластеры, а потом уже из них собрать геном Mycoplasma genitalium длиной в 582 900 пар.

Машиной для сборки генома опасного инфекционного агента стали дрожжи, ферменты которых и выполняли последние этапы объединения и рекомбинации нужных цепочек.

Примерно то же самое удалось и группе японских ученых, воссоздавших последовательность из 134 500 пар азотистых оснований, играющую роль хранителя генов хлоропластов риса. Эта органелла в растительных клетках, как митохондрии в животных, обладает собственным геномом, очень похожим по строению на бактериальный.

Относительная простота устройства последнего и стала залогом успеха обеих команд – в отличие от нашей ДНК, двуспиральная ДНК бактерий не связана ни с какими белками в виде хромосом, а просто замкнута в кольцо. Кроме того, в составе этого кольца нет «незначащих последовательностей», так что сами ученые не сомневаются в функциональных способностях собранных геномов. Это, надо отметить, ещё лишь предстоит проверить.

О воссоздании генома эукариот пока говорить не приходится: во-первых, генетического материала у них гораздо больше, во-вторых, он сложно упакован, а в-третьих, в его составе большое количество вариабельных участков и «бессмысленных», на первый взгляд, последовательностей.

Индуцированная плюрипотентность (временная ссылка, PDF-файл)

Хотя первые два сообщения о создании эмбриональных стволовых клеток (ЭСК) из фибробластов появились ещё в конце 2007 года, настоящее развитие этот метод получил лишь в завершающемся году.

ЭСК, в отличие от стволовых клеток взрослого организма, способны превращаться в клетки любого органа или ткани организма; биологи называют это свойство плюрипотентностью. До прошлого года единственным их источником были ткани эмбрионов, что накладывало серьезные этические проблемы.

В прошлом году их удалось получить введением 4 генов в обычные фибробласты кожи, для выделения которых достаточно кусочка ткани объемом 1 кубический миллиметр.

Этот способ вместе с широкой оглаской получил даже благословление папы римского. Вряд ли такое одобрение стало определяющим для десятка лабораторий по всему миру, но модификаций метода и первых результатов за год появилось предостаточно. Во-первых, удалось снизить количество вводимых генов. Во-вторых, использование разных способов введения и клеток-мишеней разных типов позволило в 100 раз повысить «КПД метода» – выход ЭСК на один используемый фибробласт.

Хотя этические аспекты получения ЭСК решились, научных «противопоказаний» к клиническому применению результатов только прибавилось.

Раньше основным «тормозом» служила опасность развития тератом (опухолей, обладающих сложной структурой) при трансплантации ЭСК. Теперь компанию онкологической опасности составляют «риски генной терапии». Дело в том, что для «инъекции генов» используются потенциально опасные вирусные векторы, хотя несколько испытаний генной терапии врожденных заболеваний пока не выявили побочных эффектов такого рода.

Изучение структуры мембранных белков (временная ссылка, PDF-файл)

Белки, «заякоренные» в мембране, составляют около 30% всех белков клетки, а вот в базе данных белков с расшифрованной структурой – только 1%. Причина этого «противоречия» кроется в трудности работы с этими белками, большая часть из которых – рецепторы. За прошедший год было немало сделано для устранения несправедливости.

Естественно, рассмотреть в микроскоп молекулы с линейными размерами в несколько нанометров не представляется возможным, так что биохимики после выделения сначала кристаллизуют белки, а уже потом используют ядерный магнитный резонанс и дифракционную томографию. Теоретически, можно пытаться рассчитать на компьютере, в какой клубок свернется цепочка из известных аминокислот, но ведь в наших клетках это происходит не самопроизвольно, а под тщательным контролем белков-шаперонов, помогающих сформировать оптимальную объемную структуру.

В 2008 году была выяснена детальная структура десятков поровых белков, а также G-рецепторов, участвующих во многих сигнальных реакциях. Эти, казалось бы, фундаментальные открытия уже сейчас активно используются фармакологами, которые всё время подбирают новые ключи к клетке. Знать, как устроена замочная скважина, в этом деле очень полезно.

О новых методах микроскопии, попавших в список, мы ещё поговорим отдельно. Продолжение следует.