Структуру белка можно определить не только биоинформатическими методами. Все зависит от желаемой точности результата. Если хочется просто посмотреть на форму и размер молекулы, то ученые используют электронную микроскопию или малоугловое рассеяние рентгеновского излучения. Когда надо знать положение отдельных атомов, помогут методы рентгеноструктурного анализа, ядерного магнитного резонанса и электронной микроскопии при сверхнизких температурах (образцы измеряют при –200 ℃).
Зачем нужно знать структуру белка? С одной стороны, в научных целях, с другой – для практического применения. Например, если структура белка у человека отличается от типичной для всех людей, то общепринятые методы лечения для него не годятся. Надо подбирать терапию с учетом генома. Этот подход называется персонализированной медициной.
Омиксное направление в биоинформатике объединяет достижения многих наук. Оно изучает, какой у человека набор белков – протеом, липидов – липидом, а также метаболитов – метаболом. В омиксном направлении все, что происходит с организмом, исследуется на более общем уровне. Например, можно увидеть, какие белки получились в результате работы генов, – этим занимается протеомика.
Алгоритмическая биоинформатика, как понятно по названию, работает над алгоритмами. Это важное направление, потому что не все ученые могут (и вообще-то не должны!) сами написать компьютерную программу, которая могла бы проанализировать геном или поправить ошибки секвенирования. Никто из нас не способен делать всё и сразу – это нормально. Специалисты по биоинформатике создают множество программ для решения конкретных задач. Одни помогают понять родство видов по одному или нескольким генам, а может и целым геномам. Другие анализируют геном. Третьи работают с белками и их структурами. Это активно развивающаяся область. Возможно, в будущем и ты захочешь связать с ней свою жизнь.
Может ли генетик или биолог быть еще и биоинформатиком? Конечно! Надо только освоить биоинформатический анализ данных. Для этого можно поступить в университет или поучиться самостоятельно и на специальных курсах. Чаще всего биоинформатиками становятся биологи и врачи, а также математики и программисты. Кому из них проще, а кому сложнее – большой вопрос. Ведь математикам приходится дополнительно учить биологию, а биологам – математику. Так что и тем и другим надо прикладывать усилия.
В биоинформатике используются самые разные данные. Это не всегда результат секвенирования полного генома, экзома или отдельных генов. Иногда ученые секвенируют определенные наборы нуклеотидов и создают чипы. Они фиксируют, чей это геном и какие важные мутации в нем произошли. Чипы изготовлены так, чтобы учесть и показать разнообразие внутри вида – то есть участки генома, в которых чаще всего возникают изменения. При этом важно расшифровать нуклеотиды и в генах, и в некодирующих фрагментах ДНК. Ученые секвенируют и регуляторные области в некодирующей части ДНК, чтобы понять, как они влияют на работу разных генов.
Информацию о секвенированных геномах, экзомах, генах и некодирующих последовательностях – то есть обо всем, что получили при прочтении генома или его частей, – отправляют в базы. Есть базы и для структур белков, и для различных – омиксных – данных. Для модельных объектов тоже есть свои отдельные хранилища, в которых собрана вся информация о них.
Существуют базы данных, куда каждый может выслать информацию о генах – и она, скорее всего, будет принята. Они называются архивными. В них есть и качественная информация, и довольно спорная. Бывает, что ученым не удается секвенировать геном бактерии, но они все равно присылают данные – и в базе их публикуют. Есть и такие системы, в которых вся информация проходит проверку. Там неточности и небрежность встречаются куда реже.
Не все данные хранятся в открытом доступе. Некоторые считаются конфиденциальными, и показывать их кому угодно нельзя. Это касается генетических анализов, результаты которых могут быть использованы против пациентов. Например, человека могут уволить с работы или отказать ему в медицинской страховке, сославшись на особенности его здоровья.
Будущее генетики
Молекулярные биологи вместе с генетиками научились редактировать ДНК, меняя одни «буквы» на другие. И в этом помогли бактерии: выяснилось, что в их геноме есть механизм, защищающий от вирусов. Теперь ученые знают, как использовать этот способ защиты для исправления ошибок в ДНК. То есть влиять на гены, чтобы организм делал то, что кажется им полезным. Но сейчас это еще очень сложная технология, которую активно изучают. Иногда можно услышать, что вакцины редактируют наш геном. Так вот, это неправда! Вакцины только тренируют иммунную систему.
В разработке технологии редактирования генома CRISPR-Cas9 участвовал американский генетик Джордж Чёрч. Этот ученый немного похож на Джона Хаммонда, основателя «Парка Юрского периода» из одноименного фильма, и так же мечтает возродить вымерших животных – только не динозавров, а мамонтов. Он даже компанию для этого основал – Colossal.
Технологии, которые помогают изменять ДНК растений и животных в сельском хозяйстве, используются и для создания новых методов лечения. Как ты уже знаешь, многие болезни человека связаны с мутациями в генах. Поэтому для лечения используют генную терапию. Например, внутрь измененного вируса помещают здоровый ген. Он прибывает на место генетической «поломки» и устраняет неисправность.
Какое будущее нас ждет, если генетические технологии будут развиваться в том же темпе, что и сегодня?
Ученые уже смогли создать генную терапию. Правда, только для нескольких заболеваний – например, СМА (спинальной мышечной атрофии) и мышечной дистрофии Дюшенна. Разработка такого лечения – дорогой и долгий процесс, поэтому и дается она непросто. Один из ожидаемых итогов развития генетики – появление доступной генной терапии для самых разных заболеваний.
Для этого ученым надо еще лучше разобраться в устройстве и работе ДНК, в том, какие мутации и в каких генах и некодирующих частях генома приводят к болезням. Чаще всего причиной становится неполадка в работе клеток: иногда они не вырабатывают нужный гормон и развивается диабет, иногда «ломаются» митохондрии и органы перестают получать энергию в необходимом количестве. Сбой в нервных клетках может привести к параличу, нередко – на всю жизнь. Ученые предполагают, что генная терапия может справиться с очень многими бедами, ведь она позволяет бороться с болезнями на уровне молекул.
Онкологические заболевания – это тоже поломка клеток, в том числе и на генном уровне. Поэтому победить их, возможно, позволит именно такая терапия. А еще она помогает справляться с инфекциями. ВИЧ или гепатит – это вирусы, и они поражают наши клетки именно при помощи своего генетического кода. А если не дать им встраиваться в наш геном? Или изменить рецепторы, через которые они проникают внутрь, и так защитить наши клетки? Быть может, тогда мы навсегда избавимся от опасности наступления новых пандемий.
С помощью геномной селекции можно было бы решить проблему голода. Если благодаря технологиям растения перестанут болеть и начнут приносить обильный урожай, можно делиться с нуждающимися. Геномная селекция распространяется и на животных. Мы можем выводить новые породы и улучшать уже имеющиеся, чтобы коровы давали больше питательного молока, куры – яиц, а овцы – теплой шерсти.
Особое будущее – у биотехнологий. Например, при помощи генетического редактирования ученые создадут бактерии, которые переработают весь ненужный пластик на планете. Сейчас в океане есть целые острова из пластика, например Большое Тихоокеанское мусорное пятно площадью примерно 1,5 млн квадратных километров. Оно вредит живым существам, и биотехнологии работают над решением этой в буквальном смысле огромной проблемы. Другие бактерии уже сейчас изменены для синтеза лекарств, например инсулина, и могут производить другие лекарства и вещества.
При помощи биотехнологий мы получим возобновляемый источник энергии, который не вредит окружающей среде, и сможем сохранить нашу планету здоровой.
Заключение
Теперь ты знаешь, как устроена эта удивительная наука – генетика. Знаешь, что такое гены, какую информацию и зачем они хранят и почему так важно продолжать исследования этой сферы человеческого знания. ДНК – маленькая хрупкая молекула – объединяет все живое на планете, и наверняка она способна на большее, чем могут предположить ученые.
Узнав, как именно генетический код реализуется в виде белков, человек добрался до невероятного по своему размаху источника новых знаний. Именно знания о геноме и о том, как он работает, помогают нам находить причины болезней и лечить их, менять свойства живых организмов, искать высокотехнологичные способы сохранить нашу планету.
Генетика будущего прекрасна и движется вперед уже сейчас, когда ты читаешь эту книгу. Она не так сложна, как может показаться, и очень увлекательна: в ней есть и логика, как в математике, и творческое начало. Ты тоже можешь стать частью генетики будущего, если захочешь.
Авторы выражают благодарность всем, кто поддерживал их во время написания книги. В особенности людям, внесшим непосредственный вклад в то, что книга вышла в свет, а именно: выпускающему редактору Ирине Останиной, иллюстратору Анне Журко, научным редакторам Екатерине Черняевой и Александру Егорову, рецензенту Людмиле Лутовой.
Словарик
Аденин – химическое соединение, а точнее – азотистое основание. Вместе с остатком сахара и фосфорной кислоты составляет нуклеотид. Входит в состав ДНК и РНК.