ати, селекционеры работают не только с пшеницей и огурцами, но и с животными!
Первым съедобным культурным растением с измененной ДНК стал томат. Ученые сделали так, чтобы его плоды дольше оставались свежими.
Сегодня очень многие распространенные культуры генетически модифицированы: рис, пшеница, соя и другие. Для того чтобы такие растения были пригодны для еды, надо убедиться в их полной безопасности, а это занимает много времени. Поэтому во многих странах, в том числе и в России, генно-модифицированные организмы запрещены и пока живут только в пределах лабораторий. Кстати, ученые изменяют ДНК не только ради количества и качества пищи, но и чтобы растения производили лекарства, лучше очищали воздух и просто были красивее (это называется модификацией декоративных видов).
Генетика в руках ученых
Ученые все время изобретают методы и подходы к изучению ДНК и РНК. Технологии помогают узнавать новое про эти молекулы, а значит, и находить больше возможностей для применения генетики. Давай узнаем, где сегодня генетика помогает человеку, а главное, как она это делает.
Помнишь фильм «Парк Юрского периода»? Люди, которые мечтают возродить динозавров, существуют не только в кино. Палеогенетики занимаются тем, что изучают ДНК ископаемых зверей, растений, людей и, возможно, ближайших потомков динозавров. Это позволяет больше узнать о жизни, которая была до нас. Кости не всегда сохраняются так хорошо, чтобы извлечь из них ДНК, но иногда ученым очень даже везет. А когда случается обнаружить в вечной мерзлоте или леднике целый организм, это становится настоящей сенсацией! Там ДНК сохраняется лучше всего.
Один из самых древних изученных геномов принадлежит мамонту. ДНК получили из зуба животного, которому больше миллиона лет!
Исследователи до сих пор не знают точно, какие из динозавров могли быть теплокровными. Анализ ДНК помогает искать ответ. За изучение ДНК неандертальцев, древних людей, в 2022 году даже дали Нобелевскую премию. Ее получил шведский палеогенетик Сванте Паабо – тот, что однажды случайно изучил ДНК кого-то из сотрудников лаборатории. Это он изобрел особый метод, с помощью которого можно осторожно брать ДНК из окаменелостей.
Работать с древней ДНК гораздо сложнее, чем с ДНК организмов, которые живут сейчас. «Современную» ДНК ученые просто извлекают непосредственно из фрагмента тканей, слюны, лейкоцитов – в целости и сохранности. Однако древняя ДНК сохранилась не полностью. Получить ее сложнее, потому что она осталась не везде. Из-за различных факторов ДНК изменяется, и ученые пытаются восстановить ее первоначальное состояние. За тысячелетия хрупкая молекула распадается на мелкие фрагменты – намного мельче тех, к которым привыкли исследователи. Добавь к этому еще одну проблему: возможное загрязнение фрагментами современной ДНК. Работа с древним генетическим материалом в лаборатории и последующий труд биоинформатиков – непростые задачи, но ученые справляются с трудностями.
Как мы уже говорили, палеогенетики работают с ДНК неандертальцев, динозавров, саблезубых тигров и других вымерших животных. И не только животных, но и растений. Так ученые многое узнают об исчезнувших видах, условиях их жизни и климате на Земле. А еще исследуют то, как происходило одомашнивание животных. Ученые действительно мечтают вернуть к жизни вымершие виды (особенно динозавров и мамонтов), но пока ничего не выходит. Много сложностей на этом пути! Но в науке все непросто, так что мы не отчаиваемся. Может быть, именно ты станешь тем самым ученым-генетиком, которому доведется понянчить диплодока и мамонтенка.
А как насчет йети – снежного человека? Ученые решили проверить, существует ли он. В этом помог анализ ДНК. Из разных музеев собрали фрагменты костей, кожи и шерсти – предположительно, снежного человека. С помощью методов молекулярной биологии и биоинформатики ученые определили, кому принадлежит ДНК внутри этих фрагментов. Оказалось, что… медведям и собакам.
Генетический код разных видов помогает ученым определить степень родства между животными, микробами или растениями. Для этого последовательности генома или отдельных генов сравнивают друг с другом. Есть правило: чем эволюционно ближе виды друг к другу, тем сильнее похожи их ДНК. Следуя этому принципу, ученые выяснили, что самый близкий вид к человеку – это шимпанзе бонобо. Они похожи на шимпанзе, но меньше размером и не такие агрессивные. Наши с бонобо геномы похожи примерно на 98,7 %.
Помимо уточнения родственных связей, сравнение геномов помогает узнать, когда виды разошлись на эволюционном древе. В этом нам помогает молекулярная филогенетика: ученые берут последовательности ДНК или РНК (зависит от задачи) разных видов, выравнивают их друг относительно друга и сравнивают между собой, чтобы затем строить филогенетические деревья. Так называются схемы, которые показывают родство между последовательностями. Чем сильнее похожи виды, тем ближе они на дереве, чем больше различий – тем дальше. Так изучают, насколько различаются виды, как давно они возникли и какой у них общий предок. Этот подход используют и для растений, и для животных, и для бактерий.
С 1988 года проводится знаменитый долговременный эксперимент по эволюции кишечной палочки E. coli. Его начал американский ученый Ричард Ленски. И, представь себе, продолжает до сих пор! Он взял 12 популяций кишечной палочки и каждые 500 поколений замораживал часть из них, а другую часть – оставлял жить в пробирке, делиться и эволюционировать. В то время секвенирование не было распространено, но в начале 2000-х годов его коллекция оказалась как нельзя кстати! Эксперимент помог воссоздать долговременную эволюцию, понять некоторые ее правила и увидеть, как меняются гены. Оказалось, что одна популяция научилась поедать химическое соединение цитрат. Обычно кишечным палочкам нет никакого дела до этого вещества. Однако у этой популяции что-то пошло не так. Благодаря тому, что предыдущие поколения сохранились, удалось найти мутацию и время, когда она произошла. Это открытие сделал известный ученый Закари Блаунт, который тогда был аспирантом.
Эволюционные методы доказывают существование естественного отбора. Этот принцип сформулировал еще Чарльз Дарвин, о котором ты наверняка знаешь. Суть в том, что выживают и оставляют здоровое потомство организмы, лучше всего приспособившиеся к окружающей среде. Ученые, которые занимаются эволюционной генетикой, разработали сложные формулы и предложили множество новых терминов. Они описали несколько форм естественного отбора и механизмы его действия. Например, вот как это работает с вирусами. В организме есть гены, важные для иммунитета. Мутации в них происходят очень быстро. Вот только вирусы молниеносно реагируют на эти изменения и тоже мутируют. Получается вечная гонка: кто быстрее эволюционирует – вирус или иммунная система, которая должна его распознать.
Эволюционная геномика – это сложные теории, смелые гипотезы и моделирование разнообразных ситуаций. Поэтому без высшей математики здесь не обойтись. Многие важные правила и формулы были предложены еще в начале или середине XX века. И проверить, насколько они соотносятся с реальностью, помогает как раз математика. Любые модели и гипотезы должны быть обоснованы не только биологически, но и математически.
Биоинформатика – это применение методов информатики для изучения биологии. Направлений здесь несколько. Например, изучение нуклеотидных и аминокислотных последовательностей с помощью компьютеров можно назвать геномной биоинформатикой. Ее используют в своей работе почти все филогенетики, о которых мы уже говорили.
Кто-то считает биоинформатику отдельной наукой, но мы придерживаемся мнения, что это набор разнообразных компьютерных и математических методов, помогающих познавать живой мир. В основе каждого из направлений – спектр подходов, в том числе это технологии, которые позволяют подсчитывать разные характеристики исследуемых объектов. Специалисты по алгоритмической информатике создают методы-программы, которыми потом пользуются остальные биоинформатики.
Чтобы сопоставить последовательности, их выравнивают относительно друг друга. Похожие нуклеотиды или аминокислоты должны встать напротив друг друга. (Если не помнишь, что такое нуклеотиды и аминокислоты, перечитай раздел «Откуда буквы внутри ДНК?» или загляни в словарик в конце книги.) Этот процесс так и называется – выравнивание последовательностей.
Так удобно искать различия между последовательностями – то есть мутации. Выяснять, по каким молекулярным причинам они произошли, на что могут повлиять, как изменят организм. Они сделают его более приспособленным или наоборот? А может, вообще превратят в представителя другого вида?
Структурная биоинформатика изучает белки. Как они выглядят и по каким правилам формируются из аминокислотных последовательностей? Как взаимодействуют друг с другом и образуют комплексы? Как на них влияют разные лекарства? Специалисты по структурной биоинформатике ищут ответы на все эти вопросы, используя множество программ, в том числе прибегают к машинному обучению. Это метод, с помощью которого решаются особенно сложные научные и практические задачи и, например, работает искусственный интеллект. Одна из таких программ – AlphaFold («АльфаФолд»), которая по аминокислотной последовательности предсказывает, как должен выглядеть белок. Настоящее волшебство, но без всякой магии: только сведения из биоинформатических баз данных, формулы и строго научный подход.