Чем занимались биологи в 2018 году – часть первая

Уходящий год запомнится нам не только очередным шумом вокруг генетического редактирования человека, но и новыми исследованиями, посвящёнными иммунотерапии рака, бактериями, управляющими нашими генами, спорами о продолжительности человеческой жизни, противораковыми слоновыми генами и макаронами, которые не полнят.

Подводить итоги года в науке непросто в первую очередь потому, что любое открытие, сколь бы выдающимся оно ни было, есть лишь часть большой исследовательской работы в какой-то области. И по-хорошему в итогах нужно обозревать всю эту область, с предысторией и контекстом. Но тогда итоги года превратятся в многотомный сборник, на который ни у авторов, ни у читателей не хватит ни сил, ни терпения, особенно перед Новым годом. Поэтому мы просто постараемся вспомнить особо заметные работы – из тех, о которых мы рассказывали, – и по возможности сгруппировать их вокруг тех или иных научных тем.

Мы не выстраиваем итоги года списком – первое выдающееся открытие, второе выдающееся открытие и т. д., поскольку нам кажется, что сводить обширную картину науки к отдельно стоящим открытиям не слишком корректно. Тем более, что наука живёт не по календарю, и те «главные научные события», о которых мы слышим в конце каждого года, на самом деле есть результат не одного, не двух, а многих лет напряжённой работы.

Возможно, кому-то покажется странным, что в наших итогах года попадаются, скажем так, не очень великие работы. На это можно сказать, что, с одной стороны, было бы странно представлять науку как цепочку сплошь великих открытий, а с другой, было бы скучно знать только про какие-нибудь великие и эпохальные эмбриологические исследования, и не знать о том, что динозавры, например, не могли показывать язык.

Про биотехнологии

Биологические и медицинские итоги уходящего года волей-неволей приходится начинать с недавнего скандала, о котором многие наверняка слышали. В конце ноября Хэ Цзянькуй (He Jiankui), в недавнем прошлом сотрудник китайского Южного университета науки и технологий, заявил, что ему с помощью методов генной инженерии удалось отредактировать два человеческих эмбриона так, что они стали полностью защищены от ВИЧ, для чего нужно было отключить всего лишь один ген, CCR5. (Известно, что люди, у которых ген CCR5 мутирован, так сказать, самой природой, действительно устойчивы к ВИЧ.) Самое главное – из эмбрионов благополучно родились два ребёнка. Заявил это Хэ Цзянькуй сначала в видео на YouTube, а потом на международной конференции, посвящённой проблемам редактирования человеческого генома.

Человеческий эмбрион, окрашенный разными красителями. (Фото: University of California, San-Francisco / Flickr.com)

Поднялся страшный шум. Говорили, что метод, которым Хэ редактировал геномы, пока ещё не настолько точен, чтобы применять его на людях; говорили, что редактирование не могло пройти абсолютно во всех клетках, так что у детей так или иначе получился генетический мозаицизм, который неизвестно к чему приведёт в будущем. Наконец, отключённый ген в геноме всё-таки не лишний, и возникает вопрос, как будут чувствовать себя дети в дальнейшем. Хэ отвечал, что мать и отец были в курсе всех этих сложностей. Собственно, отец был инфицирован ВИЧ, поэтому родители, которым хотелось собственных детей, дали согласие на процедуру.

Дискуссия о несовершенстве метода была обильно сдобрена восклицаниями по поводу этических проблем и сущности человека – восклицаниями, которые демонстрируют миру благородные намерения восклицающих, но притом мало что сообщают по сути дела.

Однако с сутью дела есть некоторая проблема. Даже на той конференции, на которой выступал Хэ, он не предъявил ничего, что позволяло бы судить о проделанной работе. Никакой статьи по «отредактированным» детям у него тоже не выходило. То есть у нас есть только слова самого Хэ Цзянькуя, а также некоторых других исследователей, с которыми он консультировался и которые полагают, что у него действительно могло что-то получиться. Речь не идёт о том, что мы имеем дело с сенсационным надувательством, но наука – такая область, где любые слова должны быть подкреплены общедоступной информацией о проделанной работе.

И, конечно же, нам нужны правовые нормы, которые бы регулировали будущие генетические операции на людях. Однако такие дискуссии возникают уж в который раз: мы их слышали три года назад, когда человеческий геном отредактировали впервые – всё осталось на уровне эмбрионов, и сам метод сработал не очень эффективно; затем два года назад – когда человеческий эмбрион отредактировали против ВИЧ; наконец, те же споры мы слышали в прошлом году, когда эмбрионы человека избавили от мутации, вызывающей болезнь сердца. Во всех трёх случаях мы имели дело с научными публикациями, по которым можно было судить о достоверности и значимости результатов, и мы могли говорить о тех результатах как об итогах года. Но сейчас мы пока что видим только «глубокую озабоченность», выраженную в разнообразных «публичных мнениях», и называть очередную серию этого сериала примечательным событием в науке было бы некоторой натяжкой.

Хотелось бы надеяться, что, даже если CRISPR-метод неточен, точность ему смогут подтянуть, потому что в биотехнологии он позволяет делать настоящие чудеса. Например, с его помощью можно сделать искусственную кожу, которая избавляет от кокаиновой зависимости (правда, пока только мышей).

Чжун Чжун и Хуа Хуа – первые клонированные обезьяны. (Фото: Qiang Sun и Mu-ming Poo / Chinese Academy of Sciences)

Но генетическое редактирование – не единственное биотехнологическое направление, которое развивалось в уходящем году. Можно вспомнить клонированных обезьян, которые получились спустя почти два десятилетия бесплодных попыток. Или кусочек человеческой почки, выращенный в мышах. В последние годы идея выращивать органы в пробирке становится всё ближе к реальности, и выращенный кусочек почки – лишнее свидетельство прогресса в этом направлении. А из биотехнологических гаджетов стоит упомянуть про контактные линзы, которые измеряют уровень сахара.

Две клетки с наночастицами внутри, ядра клеток окрашены синим, наночастицы – зеленым. (Фото: British Heart Foundation /Flickr.com)

Львиная доля биотехнологических исследований приходится на наночастицы. Их используют, чтобы сделать радиоуправляемые ферменты, с их помощью улучшают лекарства, растворяющие тромбы, наночастицы помогают заживлять ожоги. Часто именно с наночастицами связывают надежду на победу над раком.

В частности, золотые наночастицы уничтожают раковую опухоль, разогревшись в лазерном луче; другие же наночастицы создают так, чтобы они убивали раковые клетки двойным ударом – радиоактивностью и бактериальным токсином. (Кстати, все эти работы с наночастицами – российские: их выполнили сотрудники Университета ИТМО, Сибирского федерального университета, Нижегородского государственного университета им. Н. И. Лобачевского и других российских научных центров.)

Про рак

И раз уж мы заговорили про рак, то скажем, какие «раковые» исследования привлекли наше внимание в уходящем году. Рак уже долгие годы остаётся одной из главных научных тем, и, к сожалению, будет оставаться таковым и дальше – хотя очень хотелось бы надеяться, что случится чудо и в ближайшее время эту тему вдруг раз и навсегда закроют.

Движущая сила злокачественных болезней – молекулярно-генетические неполадки: какие-то гены из-за мутаций начинают работать слишком активно, побуждая клетки к неконтролируемому делению, а гены-предохранители, наоборот, отказывают. Большая часть исследований посвящена как раз генетической защите, которую можно было бы активировать и подавить рост опухоли. В поисках таких механизмов биологи порой обращаются к животным, а именно к голым землекопам и слонам. И те, и другие на удивление редко болеют раком, а землекопы ещё и очень долго живут для грызунов своего размера. У тех и у других действительно есть мощные противораковые системы: у землекопов очень хорошо работает система ремонта ДНК, исправляющая онкогенные мутации, а у слонов есть специальная генетическая система, которая убивает клетки с испорченной ДНК ещё до того, как они станут раковыми.

Иммунные клетки макрофаги. Именно с макрофагами сливаются раковые клетки, становясь подвижнее и опаснее. (Фото: NIAID / Flickr.com)

«Нобелевский» метод – не единственное решение; иммунитету в борьбе против рака можно помогать разными способами, например, специальными онколитическими вирусами, с помощью которых можно побороть даже те опухоли, которые не поддаются другим способам лечения. И нельзя не вспомнить хитроумную противораковую «вакцину», описанную прошлым февралём в Science Translational Medicine. Суть этого метода в том, чтобы разбудить Т-лимфоциты, сидящие внутри опухоли, после чего они не только уничтожат её саму, но и найдут её метастазы, рассеянные по организму.

Кроме того, исследователи продолжают искать обычные лекарства, которые подавляли бы рост раковых клеток. Исследований с новыми потенциальными противораковыми молекулами выходит огромное количество. Мы же напомним только одну работу, вышедшую весной в журнале Science Advances – в ней речь идёт о веществе, синтезируемом кожной бактерией Staphylococcus epidermidis. Оказалось, что не только это вещество, но и сама бактерия подавляет рост клеток лимфомы. S. epidermidis есть примерно у 20% людей, и, возможно, они действительно реже болеют кожными онкологическими заболеваниями.

Про микрофлору и еду

От этой бактерии логично перейти к новостям из мира микрофлоры. Мы не устаём напоминать, что микрофлора, в первую очередь кишечная, влияет на очень многие процессы в нашем организме. И очевидно, что они как-то вмешиваются в работу генов в наших клетках, так что какие-то гены начинают работать активнее, другие, наоборот, отключаются.

Кишечная палочка – один из обычных обитателей нашего пищеварительного тракта. (Фото: UCL News / Flickr.com)

Один из молекулярных механизмов, который микрофлора при этом использует, описан в январской статье в Nature Communications: бактерии выделяют короткие жирные кислоты, которые подавляют активность ферментов, управляющих упаковкой ДНК. Если ДНК плотно упакована белками, то гены в ней недоступны для считывания и потому неактивны, если ДНК упакована неплотно, то, наоборот, гены активно работают. И коль скоро бактерии работают с такими фундаментальными молекулярными процессами, стоит ли удивляться их влиянию? Стоит ли удивляться, что они могут даже симптомы аутизма ослабить?

В то же время мы сами можем повлиять на наших бактерий – с помощью еды и каких-нибудь пищевых добавок. Правда, иногда такие добавки срабатывают не так, как мы ждём. Например, желая помочь нашей микрофлоре, мы иногда принимаем пробиотики. Но, как показали исследователи из Института Вейцманна, бактерии из пробиотических препаратов в некоторых случаях могут работать против естественной микрофлоры человека.

В долговременной перспективе низкоуглеводная диета может быть не так уж полезна. (Фото: dstaerk / Depositphotos) 

В целом о взаимоотношениях микробов с едой можно узнать из статьи «Микробы для здоровья». Отдельно же мы хотим выделить несколько исследований о еде, результаты которых идут вразрез с привычными представлениями. Во-первых, это сообщение о том, что макароны не полнят, – благодаря низкому гликемическому индексу пасты ее можно есть даже тем, кто сидит на диете; во-вторых, это заявление Европейского кардиологического общества, что низкоуглеводная диета может быть вредна; в третьих, исследование в Circulation: Heart Failure, в котором говорится, что много белка в еде может повредить сердцу.

Разумеется, много исследований про еду касается избыточного веса. В 2018 году мы узнали, что ожирение портит не только фигуру и обмен веществ, но и умственные способности – ещё один веский аргумент в пользу того, чтобы перейти на более здоровое питание. Впрочем, тут дело не только в здоровом питании, но и в общем распорядке дня: если мы хотим есть меньше сладкого, нужно больше спать по ночам, кроме того, бессонная ночь сама по себе добавляет нам жира, одновременно ослабляя мышцы.

Из-за фастфуда иммунитет запускает ненужное воспаление. (Фото: stockfoto-graf / Depositphotos) 

Если же говорить о конкретных механизмах того, как вредная еда заставляет нас толстеть, то тут не обходится без иммунитета: в начале года мы писали о статье в Cell, в которой говорилось, что иммунная система в буквальном смысле звереет от фастфуда: из-за диеты, богатой жирами и углеводами, иммунитет начинает общую воспалительную реакцию с долгоиграющими последствиями.

Про иммунитет и лекарства

Заговорив о еде, мы затронули сразу несколько очень больших научных предметов: тут и мозг с нейронами, и суточные ритмы со сном и бодрствованием, и иммунитет, и сердце с сосудами. И везде, везде были свои любопытные достижения, и говорить о них порознь тем труднее, что всё это очень часто взаимосвязано друг с другом. Мозг мы оставим на вторую часть нашего обзора, а сейчас попробуем бегло напомнить иммунно-медицинские новости.

Иммунитет неустанно охотится на бактерий (а также на вирусов и других паразитов). Бактерии же стараются иммунитет обмануть, причём иногда им в этом помогают вирусы: исследователи из Тюбингенского университета опубликовали в Nature статью о том, как вирусный ген даёт бактериям фермент, который маскирует их от антител. Кроме того, белки некоторых бактерий похожи на наши собственные, чтобы иммунная система принимала их за «своих», а не за «чужих». Однако на этот случай у иммунитета есть своя хитрость – бракованные В-лимфоциты и плохие антитела, которые, как оказалось, в таких случаях оказываются очень кстати, узнавая замаскировавшихся врагов. Убивают же бактерий иммунные клетки самыми разными способами, и одно из их антибактериальных средств – это хлорноватистая кислота (из которой делают хлорную известь, или «хлорку»): как только бактерия оказывается внутри иммунной клетки, та мгновенно заливает добычу хлорированным окислительным коктейлем.

На иммунитет влияют самые разные факторы. Про фастфуд мы уже говорили; заодно можно вспомнить статью в The Lancet Oncology о том, что иммунотерапия сильнее помогает мужчинам, чем женщинам – сказываются физиологические различия между полами, а также работу исследователей из Уорикского университета о том, как иммунитетом управляет температура.

Частицы вируса гриппа под электронным микроскопом. (Фото: Sanofi Pasteur /Flickr.com) 

Ну и коль скоро мы коснулись темы лекарств, можно вспомнить три работы, в которых какое-то уже известное лекарственное вещество вдруг проявляло какие-то новые неожиданные свойства. Во-первых, сотрудники Института теоретической и экспериментальной биофизики РАН обнаружили, что метформин – одно из самых известных лекарств против диабета второго типа – помогает переносить радиоактивное облучение; правда, эксперименты тут ставили только на крысах.

Во-вторых, как показали исследователи из Университета штата Нью-Йорк в Буффало, противораковое средство ромидепсин помогает ослабить некоторые симптомы аутизма (эксперименты тоже ставили пока только на мышах). Наконец, в совсем недавней статье в Nature Communications говорилось о лекарстве, которое используют при некоторых заболеваниях сетчатки, но котором при этом подавляет рост лейкозных клеток.

На самом деле, для специалистов в таких новых свойствах старых лекарств наверняка нет ничего неожиданного – исходя из того, как они действуют, можно было предположить, что они сработают и при каком-то другом расстройстве, просто пока ещё это никто не проверял экспериментально. Может, в будущем и к другим лекарствам удастся присмотреться подробнее, чтобы лучше раскрыть их потенциал ради нашей более здоровой и более долгой жизни.

Предельная продолжительность человеческой жизни пока остаётся предметом споров. (Фото: tish1 / Depositphotos) 

Кстати, о продолжительности жизни. Биологи и медики, конечно, всячески ищут способы замедлить старение и сделать всех нас долгожителями. Но многие задаются вопросом – а до каких пределов это возможно? Есть ли крайний срок человеческой жизни, который невозможно преодолеть? Внятного ответа тут нет. Есть статистические исследования, согласно которым у человека есть такой возраст, после которого старение само по себе замедляется. С другой стороны, есть другие исследования, которые утверждают, что такое замедление старения – лишь статистическая ошибка.

Если отвлечься от статистики и обратиться к молекулярно-генетическим механизмам, то, хотя про старение известно уже очень много, о пределах жизни мы пока судить вряд ли можем. Впрочем, ничто не мешает нам в личном порядке продлевать собственную жизнь, благо рецептов тут много, и можно выбирать, чем именно её продлевать: то ли рыбой, как говорят в статье в Journal of Internal Medicine исследователи из Чжэцзянского университета и Национального института рака, то ли религией, как пишут в Social Psychological and Personality Science сотрудники Университета штата Огайо.