Виртуальная бактерия.

Как-то в дискуссии о пользе-вреде ГМО промелькнул аргумент "вот ученые сами не знают точно, что там с генами происходит, когда вставить в геном чужеродный ген, вот пусть и не лезут своим грязными ручонками в святое". А действительно, что на самом деле ученые знают про геном и его работу? Ответ на этот вопрос призвано ответить отрасль современного направление молекулярной биологии, так называемой
системной биологии, а именно
транскриптомика. Всего несколько лет назад, на заре зарождения системной биологии, речь шла о необходимых компьютерных мощностях, которые способны обработать динамику работы десятков тысяч генов. Теперь уже можно сказать, что первые успешные шаги в этом направлении сделаны и в конце прошлого года появилась публикация в журнале Cell "
A Predictive Model for Transcriptional Control of Physiology in a Free Living Cell". Причем ключевое слово "predictiv", а значит модель, которая способна не только описать, но и предсказать поведение генома живой клетки при изменении условий. Прежде, чем мы углубимся в результаты работы, разберем, что такое
транскриптомика.

После того, как ученые научились прочитывать геномы и стало ясно, что не все последовательности в геноме являются собственно генами, следующим шагом стало выделение и описание именно генов. Как различить где
ген, а где не ген? Скажем так: то, что экспрессируется в виде
мРНК, почти наверняка является геном. Если мы выделим все возможные мРНК, то можно сказать, что мы определили все работающие в тот момент гены. Методы для этого уже есть, так что закатываем рукава и принимаемся за работу.

После того, как мы их выделили, мы можем теперь еще раз прочитать для верности каждый отдельный ген и попробовать сравнить с доселе известными и описаными. Это даст нам минимальную информацию об их возможной функции. Когда я впервые таким образом получила прочитанные 8 тысяч генов гороха, у меня зарябило в глазах от чудовищных малознакомых мне названий, из которых от силы 5% я могла вспомнить роль в клетке из университетского курса. Просто не верилось, что это все помещается в маленьку клетку. Пришлось начать издалека. Из каталогизации (системные биологи называют это аннотацией). Систему аннотации по структуре и функциям придумали к счастью до меня. После того, как я посортировала эти гены, стало немного проясняться. Сейчас и у вас прояснится. Все гены можно грубо разделить на пять больших классов:

1.
гены, регулирующие метаболизм (
синтез и распад сахаров, жиров, аминокислот, нуклеотидов, гормонов, вторичных метаболитов, таких как витаминов, флавоноидов и пр., а также гены, которые задействованы в синтезе и переработке энергетических молекул АТФ)

2.
гены, отвечающие за обработку генетической информации (синтез РНК на ДНК из тех составляющий частей, которые наделали гены предыдущей группы; гены, которые сами включают или выключают работу генов, они называются
факторы транскрипции и на них мы остановимся позже поподробнее; гены, кодирующие машину для синтеза белка – рибосому; гены обслуживающие синтез, созревание и доставку свеженасинтезированного белка по назначению, а также развал ненужного белка.)

3.
гены, отвечающие за получение, передачу и обработку информации из окружающей среды (мембранные рецепторы, транспортеры, мембранные каналы, передатчики молекулярных сигналов, типа киназы, фосфатазы, а также куча других извозчиков и курьеров)

4.
гены, регулирующие клеточные процессы (гены обеспечивающие механизм роста и деления клетки, начиная от удвоения ДНК заканчивая формированием новой клеточной стенки. Там много всего нужного. Например гены, кодирующие структурные приспособления гистоны для упаковки клубка ДНК в красивые хромосомы. Также в этой группе гены ответственные за клеточную смерть, защиту от болезней, поддержание клеточного гомеостаза и приспособление к изменившимся условиям внешней среды)

5.
непонятно, что за гены, которые делятся на две группы: те, которые не подпадают ни в одну из вышеперечиленных категорий и те безымянные белые пятна, о роли которых ничего не известно.

Итак, когда на гены разложили по полочкам и навесили бирочки, можно посмотреть, какие у нас есть способы отследить их работу. А возможности у нас практически безграничные. Мы можем нанести все гены в виде молекул на твердый носитель и это буде называться
биочипом. Разновидностей этих чипов уже сейчас очень много, делаются они с помощью специальных роботов. Я надеюсь, что когда-то напишу обзор про принцип метода, его зарождение и эволюции, а также возможности. С помощью этого чипа мы можем отслеживать, какие гены включились, а какие выключились в ответ на стресс, болезнь, стадии развития, внешние раздражители (любые, вплоть до циркадных ритмов), в том числе и на внедрение чужеродного гена в геном.
На чип наносятся две пробы РНК из опыта и контроля. Опыт мы, например, маркируем зеленым флюоресцирующим красителем, а контроль красным. Результаты наблюдаем в виде разноцветных точек: если точка зеленая, значит этот ген "включен" в опытном образце, если красная, то соответственно в контроле "влючен", а в опыте "выключен". Если желтая, то значит, что и в контроле и в опыте работает одинаково, а если сигнал отсутствует, то значит, что ген ни там, ни там не "включен". Интенсивность свечения отвечает количеству мРНК в клетке. То есть мы можем не только сказать "включен" или "выключен" ген, а даже сказать "много" его или "мало". Интенсивность выражатеся в числах и с этого момента биолог начинает сильно жалеть, что плохо учил в школе математику и искать друзей информатиков с просьбой написать скриптик, чтобы это все посчитать. Впрочем, как раз тут на этом стыке, развивается новое поколение ученых, которые на ты не только с биологией, но и с математикой и называются они биоинформатиками.

Итак, теперь пришло время помотреть, что написано в той статье, ссылку на которую я дала в самом начале.

Есть такая бактерия Halobacterium salanarium NRC-1, о которой до начала проекта было известно немного. А именно то, что она живет в солевой среде, ее геном содержит 2400 генов, из которых функцию описано 38%. Первым делом гены сравнили с уже известными другими похожими и разложили по полочкам, как это сделала когда-то я. На выходе получилось примерно 90% более-менее внятной аннотации. Особое место в ней занимают те самы транскрипционные факторы, о которых я вскользь упомянула, и которые являются "включателями" генов. Один транскрипционный фактор может принять сигнал из клетки "давай, вруби мне все гены, которые необходимы для уравновешения кислотности, а то мой гомеостаз что-то не в порядке" и включить целую кучу генов для этой цели. После того, как гены были описаны и нанесены на чип, биологи взялись обрабатывать клетки бактерии всем, чем только можно и анализировать работу генов с помощью чипа. Было сделано около 200 различных анализов, а биоинформатики взялись приводить эти все сигналы в божеский вид: то есть коррелировать работу генов с условиями, не выпуская из виду "включатели".

Я не сильна в биоинформатических подходах, скажу только, что построили так называемые динамические сети, которые должны собрать этот генный паззл назад воедино. Получилась компьютерная модель генома галобактерии, которую назвали EGRIN (
Environmental and Gene Regulatory Influence Network). Теперь вопрос, насколько она работает. Теперь вводим в модель переменную в виде изменившегося содержания марганца или меди в среде (в статье описано моделирование 9ти различных условий) и смотрим, как реагирует вируальный геном: какие "включатели" генов какие гены включают. И что вы думаете? Все получилось. В частности удалось даже найти главный генный "включатель", который регулирует экспрессию гена соляной помпы
nhaC3 для откачки лишней соли.

Помнится, нобелевский лауреат Sydney Brenner сильно воротил нос от системной биологии. Он говорил так: представьте, что вы слушаете звук барабана, записываете это звучание и по измерению интенсивности и амлитуды колебания пробуете определить физические свойства этого инструмента. В этот момент вы натыкаетесь на классическую инверсивную проблему: информация утеряна и измерения неаккуратны. Впрочем, это ему не помешало говорить о больших перспективах коннектомикса: электрических сетях мозга. Прорыв и перспективы системной биологии налицо, а о Sydney Brenner мы поговорим чуть позже.

Про селекцию и не только.

Хотела уже закрыть тему про ГМО, как вспомнила, что забыла рассказать о прелестях традиционной мирной селекции. В самом деле, нафига нам страшные ГМО, у которых гены чужие, продукты которых могут вдруг оказаться аллегренными. Если при слове "селекционер" у вас встает перед взором такой себе добрый дедушка-селекционер с колоском в руках, среди бескрайних полей, то я сейчас вам это быстренько исправлю на хохочущего

демона.

Итак, сегодня, среди наиболее перспективных направлений в селекции (традиционной), рассматривается так называемый
TILLING (Targeting Induced Local Lesions in Genomes) подход. Для этого берут организм, желательно с неплохо изученым геномом, и обрабатывают его EMS (Ethyl methanesulfonate). Это очень сильный мутаген, тератоген и карциноген. (Тут уже вполне можно выключить верхнее освещение и подсветить лицо фонариком снизу).

Если не очень переусердствовать с реагентом, то можно подобрать такую удачную концентрацию, когда еще не все потомство подохнет, а только 30%, а оставшиеся в живых будут иметь одну мутацию на каждые 170 000 нуклеотидов. Это очень много. Это фактически половина всех генов становятся уродами, а организмы едва теплят свое существование. Я не зря сказала про хорошо изученный геном, потому что TILLING позволяет нам из тысяч организмов найти того уродца, где изменен нужный нам ген. Конечно, помимо этого нужного нам гена там все поломано, но нас это пока не интересует. Ну например, корни там уродские, колосок кривой, листочки с пятачок, это все ерунда, главное, что у него
содержание крахмала классное (или оно способно расти на песке без воды, или его не жрет никакой долгоносик)! А теперь мы его скрещиваем с нормальным хорошим живым организмом. Потомство тоже будет не очень ахти, но если каждый раз отбирать более-менее живенькое с этим самым хорошим содержанием крахмала (или другим приятным нам признаком) и дальше скрещивать, то уже за десяток поколений мы получим очень похожее на нормальное, но с нужным нам мутировавшим геном (благодаря молекулярно-биологическим подходам мы можем его физически отслеживать).

Или вот еще хороший метод для обхода трансгенности. Вот у нас рапс, да? А вот у нас арабидопсис, родственник, но с рапсом в природе не скрещивается. То есть скрещивается, но потомство не выживает. У арабидопсиса есть полезный ген, который мы могли бы без лишнего геморроя перенести в рапс. Но тогда на рапсе придется писать ГМО и волновать потребителя. Берем рапс и скрещиваем с арабидопсисом, а гибридный зародыш выращиваем в культуре инвитро методом "сохранения зародышей" (Пускает звуковым фоном что-то леденящее кровь и фонарик у подбородка меняет цвет на красный). То есть мы не один ген переносим, мы два генома разламываем и смешиваем. Один из сохраненных зародышей рапса будет иметь ген, который нам надо (плюс еще половина генов из арабидопсиса). Потомство от этого урода мы используем как донор для последующих скрещиваний. Уж сколько там в геноме наломается, словами не передать, но зато потребителю уже не страшно.  Это я не придумала, это уже так делают.

Вот если кто боится, что в результате трансгенности вдруг случайным образом получится какой-то аллергенный белочек (один), или вдруг какая устойчивость к долгоносикам, которая нашу экологию погубит, то оцените вероятность того же самого при таких монстрозных подходах. Но ничего, селекционеры делают реверанс в сторону ГМО паранойиков:"
We have demonstrated the application of TILLING, a nontransgenic, reverse genetics technology, to generate a large amount of variation in the waxy loci of both allohexaploid and allotetraploid wheat, two species with genomes among the largest and most complex of flowering plants. By generating and identifying a large allelic series in three target genes, we were able to generate useful mutations in the waxy loci and to demonstrate the potential of TILLING for wheat crop improvement. "

Удивительное ближе, чем кажется.

Тут меня спросили про препарат
Деринат. Иммуномодулятор, ага. От всего: ОРЗ, ОРВИ, риниты, гаймориты, фронтиты, синуситы, облитерирующие заболевания нижних конечностей, трофические язвы, гангрены, ожоги, обморожения, воспалительные заболевания слизистой полости рта, глаз, носа, влагалища, прямой кишки, геморрой. И от СПИДа. И от рака. Да. Можно закапывать в нос, в глаз, полоскать горло, в кишку клизмой, капельки в рот, поливать сверху, а можно и внутримышечно вколоть.
Запатентован в Америке, если это имеет значение (но пусть вас это не смущает, авторы патента россияне).

И что же это за волшебное действующее вещество? А дезоксирибонуклеат натрия. А это, друззя, ДНК в чистом виде из молок осетровых. И пусть не вводит вас в заблуждение натрий. Это всего лишь для нейтрализации (ДНК это кислота, кто забыл), в растворе оно у нас диссоциирует. Ну и раствор у нас по солям физиологичным должен быть. А почему из молок осетровых, так это только по одной простой причине: материал бросовой и легкий для гомогенизации. Во факиры. Думаете дело в концентрации? (аж 2 грама). Так я вам скажу, что это эквивалентно пол-кило помидоров. Круто, ниче не скажеш. Приложил ДНК к больному месту и все. Пока весь мир пыхтит, ищет как бы поспецифичнее лекарство разработать.

В остальном мире эту натриевую соль ДНК тоже используют. Для понижения уровня неспицифической гибридизации в экспериментах по детекции нуклеиновых кислот. Там я понимаю для чего, сама использую. Но чтобы горло полоскать, это я до такого не додумалась. 

Про лекарства от депрессии.

Я долго думала, стоит ли писать об этом (почему, будет видно позже), но устоять не смогла. Больно интересная тема. Однако я думаю, что тем, кто страдает серьезными депрессиями и пробует лечиться медикаментозно, дальше
.

Итак, в прошлом месяце в мировом медицинском комьюнити, которое занимается вопросами психологии и лечением психиатрических расстройств, случился скандал. Журнал PLoS Medicine опубликовал статью
Irving Kirsch
"Initial Severity and Antidepressant Benefits: A Meta-Analysis of Data Submitted to the Food and Drug Administration" Реакция практикующих психологов была нервной, ученые придирались к мелочам в методике подсчета, однако статистика неумолима: новый класс антидепрессантов ничуть не эффективнее плацебо.

Пару слов о механизме действия антидепрессантов класса Selective serotonin reuptake inhibitors (SSRIs). Освежим чуток теорию о передаче нервных сигналов.


На картинке нейрон (нервная клетка): то, что выглядит как амеба, является телом нервной клетки. От нее отходят аксон (один) и дендриты (много). Дендриты это место образования синаптических щелей (рисунок ниже). Синаптическая щель, это контакт нервной клетки с другой (нервной или, например, мышечной). Нервный сигнал от клетки к клетке передается в помощью
нейромедиаторов (разных), серотонина, например. Серотонин находится в нейроне в везикулах, затем высвобождается в синаптическую щель (это звучит только просто, механизм высвобождения тоже довольно непростой, но углубляться нам пока не стоит). В синаптической щели где-то 10% серотонина воспринимается рецепторами клетки-акцептора (той, которой этот сигнал предназначается). А оставшиеся 90% болтаются некоторое время в щели без дела. Но тут природа сэкономила и придумала излишек серотонина закачивать обратно в нейрон с помощью специальных каналов. Иногда случается, что закачка излишков серотонина настолько эффективна, что те 10%, которые должны восприниматься рецепторами, просто не успевают до них долететь, как жадная клетка забирает серотонин назад. В общем медики понаблюдали за этим безобразием и видят, что недостаток серотонина приводит к развитию депрессий. А фармацевты придумали блокировать "вовращение" серотонина в нейрон, чтобы он поболтатся в синаптической щели, авось рецепторы его заметят. Этот класс лекарств назвали Selective serotonin reuptake inhibitors (SSRIs) и начали прописывать всем, у кого случаются депрессии.

А они случаются как минимум у каждого шестого хотя бы раз в жизни. Поэтому потребление SSRIs за последние несколько лет сильно выросло. И тут статья. А в статье факты, что дескать согласно результатам подсчетов, эффективность SSRIs только немногим превосходит эффективность плацебо, и то, только в случаях глубоких депрессий. В основном
"the difference between treated and placebo groups did not reach a “statistically significant” level. Казалось бы, ну не помогают, теперь знаем, сняли из производства и забыли. Но есть нюанс. В психотерапии при лечении депрессии все средства хороши и использование эффекта плацебо такой же легитимный прием, как и "действующий" фармацевтический препарат. Другими словами плацебо успешно помогает лечить депрессии. А тут занудные ученые говорят, что эта таблетка не помогает. И все. Врач, даже если хотел прописать и дать пациенту надежду и воспользоваться пусть даже эффектом плацебо, тепер этого сделать не может. Поэтому реакция психиатров и психологов на такое вроде бы правильное и нужное открытие вполне нервная.

Хотя с учетом
новых взглядов на процессы в мозгу, ожидается новый расцвет когнитивной психологии.

Еще пару слов про ГМО и тему можно закрыть.

В последнем номере "Зеркала недели" сразу две вменяемые статьи про ГМО и риски. Хвалю.
"Обереги от предубеждений " и
"Сон разума рождает чудовищ".

Теперь рассмотрим, что у нас на полях и на полках в супермаркете трансгенного.

Итак, если вы услышали, что кто-то говорит, что клубника, яблоки и томаты теперь стали невкусными, потому что видать трансгенные, можно смело рассмеяться в лицо. На рынке НЕТ трансгенных клубники, яблок и томатов. А также огурцов, баклажанов, капусты и лука. То есть
ни один овощ или фрукт, который вы покупаете в супермаркете, НЕ трансгенный. "Неразмягчающиеся" томаты, которые в свое время пугали людей, далеких от генетики, были на рынке в США, но сплыли. По слухам в США бывают ГМО-цуккини, но в Европу они не поступают. То, что называют F1 семенной материал – это тоже НЕ трансген.

Тепер о тех ГМО, которые


Соя, причем не сама соя, а продукты переработки. Европа потребляет 40 млн соевого сырья в год, которое выращивается в США, Аргентине и Бразилии. Существует 30 000 наименований продуктов, которые содержат производные соевого сырья: от соевого масла в маргарине до лецитина в шоколаде, печенье и мороженом. США выращивает 90% , Аргентина 98% , Уругвай 100% ГМ сои, итого
60% всей сои на мировом рынке – ГМО. Трансгенность касается устойчивости к гербицидам типа глифосат. Новые ГМ сорта кроме устойчивости к гербицидам содержат измененную композицию жиров: блокирован ген дезатуразы, что предотвращает образование линолевой кислоты, которая при нагревании (получении маргарина или жарке) преобразуется во вредные транс-жирные кислоты. Практически вся ГМ соя вышла из трех фирм: Monsanto, Pioneer Hi-Bred, Bayer CropScience. В Европе ГМ-соя выращивается в Италии, Сербии и Румынии.

Устойчивая к гербицидам соя НЕ означает увеличение обработки полей гербицидами. Наоборот. При культивировании обычной сои поля обрабатывали трижды или даже четыре раза за сезон гербицидами, при этом не все сорняки удавалось побороть (из-за этой проблемы например в Румынии культивирование сои сильно редуцировалось в период с 1990 до 1997 года с 200 000 га до 60 000 га) . Выращивание ГМ сои позволяет успешно бороться с проблемой всего с
однократной обработкой гербицидами. Это настолько экономически выгодно, что в Румынии существуют черные рынки с посевным материалом ГМ сои, потому что с момента вхождения Румынии в ЕС приходится это дело немного сворачивать и готовить новые допуски.

Кукуруза. Большая часть культивируемой кукурузы идет на корм скоту. Наверное две трети. Сегодня в мире кукурузы выращивается больше, чем пшеницы и риса. Европа обеспечивает себе кукурузой сама. Наименований продуктов, где используется кукуруза, значительно меньше, чем тех, где используется соя. Это кукурузные хлопья, чипсы, поп-корн, кукурузное масло и крахмал (однако большая часть кукурузного крахмала идет в бумажную и техническую промышленность). ГМ-кукурузу выращивают: США 52% всей кукурузы ГМО (в том числе и той, которая не допущена для культивирования в Европе), Аргентина (45% ГМ), ЮАР (57% ГМ), Филиппины, Болгария, Словакия, Гондурас, с 2005 года Испания, Германия, Португалия, Франция и Чехия. В основном ГМ-кукуруза от Monsanto, это растение со встроенным геном Bt-токсина из бактерии, который для млекопитающих безвреден (может и безвреден, скажете вы, но все-равно, как-то неприятно токсин есть, да? Да. Современные ГМ сорта НЕ продуцируют токсин в початках и зернах, а только там, где вредитель жрет. В стволе или в корнях. В пыльце, которую пчелы собирают, тоже НЕТ.)

Рапс. До недавнего времени рапс культивировался вяло, хотя довольно длительно. Одомашнили его так давно, что дикого предка так просто не найти. Масло тоже научились давить давно, но в еду употребляли неохотно, во-первых, эруковая кислота придавала неприятный вкус, во-вторых, глюкозиноляты плохо перевариваются. Но традиционными методами селекции удалось вывести такие сорта, где ни эруковой кислоты, ни глюкозинолятов практически не содержится, а комбинация жиров вообще превосходит по качеству оливковое масло. Так что если раньше рапсовое масло использовалось в лако-красочной промышленности и как биотопливо, то теперь все больше говорят о нем, как о ценном пищевом продукте. В магазине вы вряд ли найдете рапсовое ГМ масло, я думаю, что те 20% мировой ГМ рапс-продукции касается выращивания технических сортов рапса, устойчивых к гербицидам. Причем первенство держит США и Канада. В Японии культивирование ГМ рапса допущено, но никто не культивирует. В Европе ГМ рапс коммерчески НЕ выращивают.

Картофель. В 1999 году в США и Канаде высадили 25 000 тыс тонн ГМ-картофеля, устойчивого к насекомым и вирусам. В 2001 году культивирование прекратили. Перед этим попробовали продвинуть картофель в Украине и Румынии, но безуспешно, проект закрыли. Все. Если где и выращивают, то разве что на приусадебных хозяйствах то, что наворовали.

Рис. До сих пор коммерческого выращивания не наблюдалось. Впервые ожидается высадка ГМ-риса в Иране и к 2011 году возможно допустят "золотой рис".

Больше у нас ничего из ГМ продуктов на столе, во всяком случае сегодня, оказаться не может. Про хлопчатник наверное неинтересно, но он тоже в основном уже ГМ. Что касается криков об обязательной маркировке, то тоже ясно, что сейчас это касается
только сои, которая в основном экспортируется и все-равно уже ГМ так или иначе. Аналитические лаборатории могут выдавать сертификат о наличии ГМО с закрытыми глазами без дополнительных анализов. А если они вдруг обнаружат не ГМ-сою, то я бы спросила, сколько им заплатили за такой неудачный анализ. Так что обезопасить себя всем желающим очень просто: не употреблять сою. Вообще. И корнфлекс, как вариант. Но!

Теперь смотрим, что у нас там еще на столе ГМО и о чем
никогда не напишут на упаковке. Витамин С, глютамат, лимонная кислота, аспартам, бета-каротин, всевозможные ферменты и красители для мясной, кисломолочной и пивоваренной продукции, это
все сделано с помощью ГМО. Правда бактерий.

После того, как мы все это усвоили, я скажу, что технологически в лабораториях УЖЕ получены ГМО практически всех культурных видов растений: от ананаса, малины, банана, кокоса и мяты до сахарного тростника, пшеницы и ячменя. С разнообразными устойчивостями к болезням и стрессам, улучшенными вкусовыми и биохимическими показателями. Это уже все есть и будет в дальнейшем производиться и улучшаться. И очень скоро появится на прилавках. Тогда и поговорим.