Науки о жизни: от атласа клеток человека до синтетической биологии
2024 год принес целую серию достижений, расширяющих границы современной биологии. Международный консорциум завершает карту клеток человека, обещающую переворот в понимании строения нашего организма. Синтетическая биология выходит на новый уровень, давая возможность создавать биологические объекты по заданным параметрам. Углубились и исследования древних видов людей: неандертальцы оказались гораздо ближе к современному человеку, чем считалось ранее. Дополняют картину успехи в редактировании генов, борьбе с вирусами и создании инновационных пестицидов, открывающих дорогу к новым технологиям в медицине и сельском хозяйстве.
На меня наибольшее впечатление произвела серия статей в Nature и дочерних журналах по созданию полного Атласа клеток человека.
Эта работа международного консорциума, созданного в 2016 году и включающего несколько тысяч человек, так что речь не идет о каких-то конкретных странах, масштаб близок к консорциуму, который описал геном человека в начале XXI века.
В этом атласе на морфологические и фенотипические признаки всех клеток организма человека наложен профиль экспрессии всех генов в данном типе клеток. В результате этой колоссальной работы вместо описанных до этого приблизительно 200 типов клеток мы получили картину, включающую несколько тысяч отличимых друг от друга клеток, отличающихся по метаболическим путям.
Полный атлас выйдет только в начале 2026 года. Это будет оказывать очень серьезное влияние на всю биологию несколько десятилетий, пока мы даже не представляем себе ближние и отдаленные последствия появления такого справочника.
Все активнее развивается синтетическая биология, занимающаяся проектированием созданием новых биологических объектов, не встречающихся в природе. В 2024 году Нобелевская премия по химии (Демис Хассабис и Джон Джампер) была присуждена за работы в области искусственного интеллекта и нейросетей для предсказания структуры белков и их взаимодействий. Потенциал таких технологий не только в значительном сокращении времени на определение пространственной структуры белков, но и в открывающихся возможностях для модификаций известных белков, например направленных на повышение их стабильности или активности, для проектирования искусственных белков с заданными свойствами. Такие перспективы значимы для более глубокого понимания процессов в живых системах, для практических разработок инновационных биоматериалов и средств лечения.
Однако развитие синтетической биологии ставит ряд фундаментальных философских вопросов о границе естественного и искусственного, роли человека-творца, пределах вмешательства в молекулярные основы жизни.
Очень значимый и крупный пласт исследований связан с пересмотром места неандертальцев в эволюции человека, в эволюционной системе. Какое-то время считалось, что это примитивные дикие пещерные люди, а оказывается, они по многим параметрам мало чем отличались от людей современного типа.
Конечно, морфология отличалась, генетика отличалась, но все больше подтверждений, что у них было и искусство, и игры, и мертвых хоронили, и убогим помогали. Теперь их научное название Homo sapiens neanderthalensis. В исследованиях этого года выяснилось, что коридор скрещивания современного человека и неандертальцев составлял 7000 лет.
Древние цепочки следов на вулканическом пепле встречаются довольно часто. Но вот последняя цепочка, найденная в этом году в Африке, удивительна. В ней были следы двух гомининов, абсолютно точно оставленные в одно время. Одна цепочка следов принадлежала Homo erectus, то есть уже человеку, первому представителю рода Homo, нашему непосредственному предку. Вторая же — парантропу, родственнику австралопитеков. Получается, что существовали они в одно и то же время.
О чем это говорит? Что эволюционное развитие — это не магистраль: «вот появились хомо, и никого других уже нет». Ничего подобного: масса разных видов гоминин существовала одновременно. А потом уже эволюция отбирала, кто пойдет дальше, а кто нет. Это и есть основной эволюционный принцип.
Мне бы хотелось отметить несколько важных научных открытий ушедшего года.
Создание гуманизированной свиньи, в геноме которой с помощью технологии редактирования изменено около 70 генов: вместо свиных были добавлены и гены человека. И если в 2023 году была публикация доклинических исследований на приматах, то 2024 год как раз ознаменовался тем, что была проведена трансплантация почки от такой свиньи уже человеку. И, собственно, учитывая постоянно растущий дефицит органов для трансплантации, подобный подход может в будущем спасти много жизней.
Китайские ученые усовершенствовали метод клонирования обезьян с помощью переноса ядер. Приматов клонировали и до этого, но успех был лишь примерно в 2% случаев. В ходе многочисленных экспериментов удалось обнаружить, что клонированные эмбрионы на ранних этапах имеют проблемы с развитием внешней мембраны, формирующей плаценту. Решение было найдено в методе трансплантации внутренней клеточной массы, что позволило клону развиваться нормально. Обновленный метод показал действенность и применимость технологии переноса ядер и для приматов, что потенциально может, конечно же, когда-то быть использовано и для человека.
Был целый ряд публикаций о древней жизни, о происхождении тех или иных органов на ископаемых останках. Это вот направление сейчас активно развивается. К примеру, оказалось, что структуризация в кожные покровы возникла за десятки миллионов лет до того, чем было принято считать.
Очень интересная работа была по анализу времени происхождения генетического кода и аминокислот, из которых состоят белки. Авторы с помощью компьютерного анализа существующих белков опровергают принятую до сегодняшнего дня теорию о том, что генетический код возникал на основе аминокислот, которые могли появиться в результате некоторых химических процессов в жидкости, в «первичном бульоне».
На мой взгляд следует выделить достигнутый результат по созданию первой искусственной бактериальной клетки с полностью синтетическим геномом.
Международный консорциум биотехнологических компаний и научно-исследовательских институтов США, Китая, Великобритании и Германии смог разработать и внедрить в клетку E.coli полностью синтетическую хромосому, состоящую из 4 млн пар оснований. Этот прорыв в области синтетической биологии открывает новые возможности для создания организмов с заданными свойствами, а также лежит в основе перспективных разработок в медицине, биотопливе и других областях. Вероятно, это новый этап в развитии конструирования живых систем.
В 2024 году была представлена новая версия программы AlphaFold3 для предсказания структуры белков, разработчики технологии Демис Хассабис и Джон Джампер были удостоены Нобелевской премии по химии. Это событие стало важной вехой в развитии искусственного интеллекта и нейросетей, которые позволяют моделировать трехмерную структуру белков на основе их генетического кода.
Ранее ученые проводили сложные физико-химические исследования, чтобы определить пространственную структуру, конфигурацию белков. AlphaFold же позволяет получать крайне точные результаты очень быстро, что стало огромным прорывом в области биомедицины.
Самая последняя версия AlphaFold3, выпущенная в 2024 году, не только значительно улучшает точность предсказаний по сравнению с предыдущими версиями и другими моделями, способна моделировать не только структуры самих белков, но и их комплексы с ДНК, РНК, разными ионами, пептидами и др. Вот это моделирование целых комплексов открывает возможность для более целенаправленного дизайна новых белков и молекул с заданными свойствами.
Это особенно важно в области создания новых биоматериалов, биофармацевтических продуктов в первую очередь для медицинского назначения, но также для производства, сельского хозяйства и пр.
В 2024 году ученые сделали прорыв в борьбе с ВИЧ, разработав и протестировав препарат ленкапавир. Одна инъекция каждые 6 месяцев снижает риск заражения почти до нуля. Мишень нового лекарства — капсидный белок вируса, и эта разработка не только приближает нас к победе над ВИЧ, но и открывает путь к лечению других вирусных заболеваний по аналогичной схеме.
Еще в 2024 году был разработан новый пестицид на основе РНК, способный с беспрецедентной точностью уничтожать вредоносных жуков, не затрагивая другие виды насекомых. Традиционные химические пестициды часто оказывают разрушительное воздействие на окружающую среду и убивают полезных насекомых, тогда как этот метод обеспечивает более избирательное и безопасное решение. Принцип действия основан на механизме РНК-интерференции, при котором двуцепочечные РНК попадают в организм насекомого, подавляя экспрессию жизненно важных генов и приводя к его гибели.
Хотя технология РНК-пестицидов находится на ранних стадиях разработки, она демонстрирует значительный потенциал, и развитие этой технологии может радикально увеличить продуктивность сельского хозяйства.
