Чтобы узнать все о работе ДНК и организма, нужно наблюдать и экспериментировать. Ставить опыты над людьми – опасно. Если эксперимент окажется неудачным, то человек пострадает. Когда ученые испытывают лекарства и другие методы воздействия, всегда есть риск непредвиденных последствий. Подвергать опасности человека никто не будет. Это противоречит и этике, и здравому смыслу. К тому же у людей довольно длинный срок жизни – ждать результатов придется слишком долго. Так что в лабораториях всего мира проводятся эксперименты над одними и теми же животными, растениями, грибами и микроорганизмами. Их называют модельными объектами. Модельными – потому что ученые моделируют, то есть искусственно создают для них, особые условия. Например, это может быть какая-то болезнь, если надо найти способ ее победить.
Ученые постепенно отказываются от того, чтобы использовать животных в исследованиях. Это медленный и сложный путь, но он очень важен. В качестве замены пробуют проводить опыты на органоидах – группах клеток, имитирующих конкретный орган. Важным помощником в экспериментах стал искусственный интеллект. Он позволяет представлять заранее, то есть опять же смоделировать, различные пути исследования и сразу выбрать наиболее подходящие варианты.
Давайте поближе познакомимся с теми, кто живет в лабораториях.
Кишечная палочка – Escherichia coli
Кишечная палочка – один из самых ранних модельных объектов. Именно ее геном был полностью изучен первым. Причины те же: он небольшой и устроен довольно просто. На примере генома кишечной палочки ученые узнали, как в соответствии с заложенной в генах информацией получаются белки. А потом оказалось, что если вносить изменения в геном бактерии, то можно получать новые белки. Так кишечная палочка «прописалась» в лабораториях биоинженеров.
Дрожжи – Saccharomyces cerevisiae
Дрожжи, как и кишечная палочка, – организм крайне маленький, неприхотливый и удобный для исследований из-за небольшого генома и быстрого размножения. Ученые выбирают простые объекты исследования, чтобы сначала разобраться, что к чему, а уже после переходить к более сложным организмам. В отличие от уже перечисленных объектов, дрожжи – эукариоты. А к эукариотам относятся, как ты помнишь, и люди! У нас ДНК находится в ядре и клетки устроены сложнее, чем у бактерий. Изучая геномные процессы дрожжей, ученые пытаются понять, как работает человеческая ДНК.
Фаг лямбда – Enterobacteria phage lambda
Фаг лямбда – вирус, который поражает кишечную палочку. В его геноме закодированы всего 12–14 белков, в то время как у человека – около 20 000. Именно поэтому фаг лямбда удобен для экспериментов и наблюдений. Он простой с точки зрения генетики, компактный, и результат мутации сразу виден. Ну и то, что фаг лямбда совсем крошечный, сильно облегчает работу. Это не слон или кит, которые в лаборатории просто не поместятся. Ученые выясняют, как именно взаимодействуют гены вируса, какие матричные РНК и белки получаются и насколько часто возникают мутации.
Арабидопсис – Arabidopsis thaliana
Арабидопсис – это такое растение. Угадай, за что его любят ученые? Правильно, за маленький геном, упакованный всего в пять пар хромосом. Арабидопсис используется как модельный организм… ну конечно же, растения. Можно понаблюдать, как он развивается, как реагирует на разное освещение, продолжительность дня, перемещение с одного подоконника на другой, – а потом проверить выводы уже на других растениях. В геном арабидопсиса довольно просто вставить новые фрагменты ДНК, что создает возможности для новых сложных экспериментов.
Нематода – Caenorhabditis elegans
Миниатюрная нематода – абсолютно прозрачный червь. Изучая его, ученые многое узнали об эмбриональном развитии и о запрограммированной клеточной смерти. Нематоды удобны тем, что с ними легко проделывать разнообразные генетические манипуляции.
На языке науки запрограммированная клеточная смерть называется «апоптоз». Это процесс, в ходе которого организм аккуратно избавляется от неправильных или неподходящих ему клеток. Тебе наверняка знакомо комнатное растение монстера. У него огромные фигурные листья с «дырами», как будто прорезанными ножницами. Эти отверстия – как раз результат апоптоза.
Моллюски известны своей уникальной нервной системой. Она довольно сложная, несмотря на древнее происхождение (моллюски появились на планете гораздо раньше людей). Зато организм у них устроен относительно просто. Еще у моллюсков очень развита способность к регенерации. Это закреплено в геноме, вернее в определенных генах. Моллюски, которых используют в исследованиях, не похожи на другие модельные организмы. Они довольно крупные, а с их эмбрионами работать куда труднее, чем с нематодами. Поэтому в научных лабораториях моллюски встречаются не слишком часто.
Шпорцевая лягушка – Xenopus laevis
Эту важную толстенькую лягушку особенно ценят ученые, которые изучают развитие организмов. Она очень плодовита, и эмбрионы из ее икры развиваются очень быстро. Для исследований подходят и икра, и головастики, и взрослые особи. Шпорцевая лягушка похожа на человека гораздо больше, чем рыбки. Поэтому ее чаще исследуют, чтобы разобраться в наших мутациях и заболеваниях. Нужно исследовать генетические изменения, характерные для человека? Или понять реакцию нашего организма на различные лекарства? Обратитесь к шпорцевым лягушкам!
Дрозофила – Drosophila melanogaster (и другие представители рода Drosophila)
Маленькие плодовые мушки стали важнейшими модельными организмами для генетики. Уже более ста лет генетики анализируют плодовых мушек. Благодаря этим насекомым удалось картировать геном еще до того, как стало известно, какая молекула является носителем наследственной информации. Одним из основных методов исследования стал радиационный мутагенез, поскольку радиация может способствовать возникновению мутаций. Это помогло ученым понять механизмы эволюции: видообразование, адаптацию и многое другое. Геном дрозофилы – один из первых, расшифрованных полностью.
Данио-рерио – Danio rerio
Маленькие неприхотливые рыбки, которые быстро развиваются и дают многочисленное потомство, – отличный модельный организм. Ученые «отключали» гены данио-рерио и наблюдали за изменениями. Такой подход помог узнать многое о роли определенных генов в работе организма. Данио-рерио помогли исследователям изучить редкие генетические болезни, потому что многие гены у них очень похожи на человеческие. Также эти рыбки помогают разработать лекарства против различных онкологических болезней.
На примере птиц изучают многое: и болезни, и эмбриональное развитие, и питание, и виды адаптации к различным условиям окружающей среды, и видообразование, и поведение. А еще за птичье пение и человеческую речь отвечает один и тот же ген – FOXP2! Чаще всего в исследованиях используют неприхотливых птиц, только ни в коем случае не тех, что находятся на грани исчезновения. Например, в лабораториях можно увидеть кур, перепелок и голубей.
Макака-резус – самый любимый модельный организм среди приматов. Геномы резуса и человека похожи на 93 %. Умные и близкие нам эволюционно, обезьяны внесли огромный вклад в развитие науки, за что люди всегда будут им благодарны.
Использование обезьян в качестве модельного объекта строго регулируется различными нормами, в первую очередь – законами и этикой.
Незаменимые помощники генетиков – мыши и крысы, которых часто специально адаптируют к экспериментам. Например, есть специально выведенные лабораторные мыши, которые предрасположены к развитию определенных заболеваний. На таких животных проверяют действие генной терапии и новых лекарств.
Для исследования патогенов выведены лысые мыши, у которых практически не работает иммунитет. Они не выжили бы даже в качестве обычных домашних животных в клетке, но именно они помогают ученым наблюдать за разными инфекциями внутри живого организма.
Генетика в нашей жизни
Врачи все чаще обращаются к генетическому анализу. Это помогает определить, почему возникает заболевание и с какой вероятностью оно может развиться. Например, когда ты болеешь, твою кровь берут на анализ и определяют, есть ли там ДНК или РНК патогенов (бактерий и вирусов). Микробами мы называем тех, кого можно увидеть только в микроскоп. А если в семье готовятся к появлению малыша, родители могут узнать, насколько здоров будет ребенок, – об этом мы уже говорили. Когда подозревают определенное заболевание, врачи могут помочь младенцу. Например, будут внимательны к нему, когда он родится, окажут необходимую медицинскую помощь, чтобы малыш рос сильным и здоровым.
На месте преступления может оказаться улика, которая способна рассказать очень многое, если сделать генетический анализ. Например, обрезок ногтя, пятно крови или крошечный волос позволят отыскать преступника. Ведь информация о нем записана в геноме, который хранится почти в каждой клеточке тела.
Ученые выделяют ДНК из найденного объекта и сверяют последовательность букв с материалом предполагаемого преступника или с данными из специальной базы.
На нашей планете есть города, села и другие населенные пункты, где людям не хватает еды. Голодают примерно 800 млн человек, это 10 % населения Земли. Большинство из них живут в странах Африки и Азии. В некоторых уголках планеты может быть очень жарко или, наоборот, холодно, мало питьевой воды. Тогда люди из других мест отправляют туда продукты, выращенные на своих, более плодородных, землях. Но получить столько пшеницы, риса или моркови тяжело. Ученые поставили перед собой задачу – помочь растениям, сделать их сильнее и питательнее, чтобы они могли расти где угодно. На помощь пришла селекция: она помогает отбирать отдельные растения, скрещивать и менять их ДНК так, чтобы они противостояли вредителям и давали больше плодов, богатых витаминами и питательными веществами. Кст