Что такое биологическая революция
Биологическая революция
Как революция в биотехнологиях изменила жизнь людей
Артем Елмуратов, сооснователь, директор по развитию Genotek
Василиса Кирилочкина, журналист
«Сноб»
На наших глазах происходит генетическая революция: биотехнологии меняют медицину, сельское хозяйство и другие важные сферы. Рассказываем о самых громких случаях вмешательства генетики в нашу жизнь
Мы все прекрасно знаем, что живем в эпоху технологической революции и ежедневно пользуемся ее плодами. Самый яркий пример: на наших глазах гаджеты уменьшаются в размерах, а их мощности неуклонно растут. Этот феномен получил название «закон Мура», согласно которому компьютеры становятся в два раза мощнее каждые два года. Пока мы поражаемся очередным нововведениям в айфонах, менее заметные для обывателей генетические технологии тоже прогрессируют, причем сильно опережая компьютерные. Первый человеческий геном полностью секвенировали (прочитали) в 2001 году. Тогда на это ушло 11 лет и 3 миллиарда долларов. Сегодня это делают за три месяца и несколько тысяч долларов. Сравните: за последние 16 лет мощность IT-технологий выросла в 250 раз, а генетических – почти в миллион.
Может показаться, что такой скачок в развитии биотехнологий мало повлиял на повседневность, но на самом деле генетика затрагивает многие сферы нашей жизни. А иногда кардинально ее меняет.
Генеалогия
Пять лет назад американская ирландка Эллис Коллинз Плебух решила сделать генеалогический ДНК-тест исключительно в развлекательных целях. Тест показал, что Эллис – наполовину еврейка. Пережив первый шок, женщина организовала полноценное расследование и выяснила, что в 1913 году ее отца перепутали в роддоме.
Таких историй великое множество. В фейсбуке действует группа DNA Detectives, в которой почти сто тысяч людей ищут информацию о своих предках, основываясь на генетических тестах. ДНК-тесты позволяют не просто больше узнать о своей родословной, но и избавиться от вредных стереотипов.
Эту идею отлично проиллюстрировал проект The DNA Journey, в котором участвовало 67 человек разных национальностей. ДНК-тесты показали, как много разной «крови» в них на самом деле смешано. Например, молодой британец с неприязнью к немцам был поражен, когда у него обнаружилось 25% немецких генов.
Криминалистика
Ошибки могут происходить не только в роддомах. В 1985 году американца Кирка Бладсуорта признали виновным в изнасиловании и убийстве 9-летней девочки. Его приговорили к смертной казни. В ожидании смерти Кирк провел в тюрьме 8 лет до того момента, пока не настоял на проведении экспертизы ДНК. Генетическая экспертиза показала, что Кирк не совершал преступления. Позже в 2003 году в государственную базу США попала информация о ДНК реального преступника. Преступление было раскрыто. Это яркий пример того, как генетика преобразила судебный процесс и расследование преступлений в целом.
Сельское хозяйство
Генетические технологии позволяют влиять на то, что мы едим, и, в конечном итоге, на наше здоровье.
Сегодня активно развивается направленная селекция с учетом генетических маркеров. По данным ООН, в большей части Африки (от Сахары до южного побережья) от голода страдает практически каждый четвертый человек, то есть более 220 миллионов жителей. Поддерживаемый ООН консорциум African Orphan Crops Consortium пытается побороть голод с помощью изучения геномов традиционных африканских культурных растений для улучшения качества и количества производимой еды в регионе.
Для подобных целей применяется и генная модификация. Но отношение к данной технологии в обществе неоднозначное (конечно, вне науки – в научном сообществе есть консенсус об отсутствии вреда ГМО). Яркий пример – генно-модифицированный «золотой рис», который содержит много бета-каротина. Внедрение этого сорта могло бы побороть дефицит витамина А в Азии. К сожалению, против него активно выступает Greenpeace, а радикальные активисты разорили экспериментальные поля. В 2016 году сотни лауреатов Нобелевской премии подписали открытое письмо к Greenpeace с просьбой прекратить кампанию против ГМО и «золотого риса» в частности. Остается надеяться, что защитники природы прислушаются к авторитетному мнению.
Микробиология
Однако у технологий геномного редактирования есть однозначные успехи, принимаемые обществом: с начала 1980-х фармацевтические компании научили кишечную палочку производить инсулин, внедрив в нее соответствующий человеческий ген. Почти полмиллиарда людей в мире, страдающих от диабета, ежедневно пользуются достижениями биоинженерии и фактически зависят от них.
Невероятно, но факт: генной инженерией сегодня можно заняться, не выходя из дома. Конечно, речь не идет о дилетантской разработке новых продуктов питания или лекарств, но в прямом смысле поиграться с геномом может каждый. DIY-наборы (от англ. do It yourself – сделай сам) для изменения ДНК в Штатах можно купить дешевле 200 долларов. С помощью этого набора можно заставить обычные хлебопекарные дрожжи светиться в темноте. Для этого в их ДНК внедряется ген медузы под названием GFP (Green Fluorescent Protein, зеленый флуоресцентный белок).
Медицина
Применение генетики в медицине намного шире, чем производство инсулина. Геномные технологии применяют в фармацевтике, планировании семьи и профилактике социально значимых заболеваний. Новейшие разработки в области лечения онкологии тоже связаны с генетикой. А ДНК-тесты позволяют не просто диагностировать генетические заболевания, но и искоренять их.
Пожалуй, самый яркий пример «исцеления» целой популяции с помощью ДНК-тестирования относится к ашкеназским общинам в Северной Америке. Дело в том, что у евреев-ашкеназов часто встречалась тяжелая наследственная болезнь Тея-Сакса, которая приводит к ранней смерти ребенка. С 1970-х годов общины начали профилактировать эту болезнь – проводить генетический скрининг молодежи на стадии планирования семьи – и таким образом снизили ее частоту в десять раз. Сегодня болезнь Тея-Сакса в США встречается у ашкеназов реже, чем у представителей других наций.
Сейчас делаются первые шаги в генной терапии – это уже не просто чтение генома, а полноценное вмешательство. Первые генно-терапевтические препараты уже зарегистрированы в США – например, генная терапия для лечения редкого вида слепоты была одобрена в конце прошлого года.
На самом деле, в современной медицине нет ни одной сферы, куда бы не проникла генетика. И будущее определенно за ней.
Революция в современной биологии (стр. 1 )
 | Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах: 1 2 3 4 |
Революция в современной биологии
Биология как наука насчитывает сотни лет своего развития. Однако, за относительно короткий срок (1980-2000 гг.) в молекулярной биологии и генетике произошли революционные изменения, повлиявшие весь «ландшафт» биологии и связанных с нею областей знаний. Исходным событием явилась осуществленная в 1953 году Уотсоном и Криком расшифровки структуры двойной спирали ДНК. За этим последовало создание методов расшифровки пространственной структуры белков с помощью рентгено-структурного анализа; методов расшифровки (чтения) аминокислотных и нуклеотидных последовательностей; создание методов генетической инженерии; трансгенез, клонирование. Началась эпоха массовой расшифровки геномов, увенчавшаяся таким выдающимся достижением как расшифровка генома человека. Были разработаны эффективные методические подходы, гарантирующие получение фундаментальных знаний о молекулярно-генетическом, клеточном, организменном, экосистемном уровнях организации жизни и трансформацию этих знаний для нужд прикладных отраслей и общества в целом.
РЕВОЛЮЦИЯ В СОВРЕМЕННОЙ БИОЛОГИИ
Расшифровка структуры двойной спирали ДНК
Рентгено-структурные методы расшифровка пространственной структуры белков
Методы расшифровки аминокислотных последовательностей
Методы расшифровки нуклеотидных последовательностей
Массовое секвенирование геномов
Расшифровка генома человека
Протеомика
Транскриптомика
Молекулярная медицина, генотерапия
Конструирование молекулярно-генетических систем с заданными свойствами
2. Глобальные проблемы, стоящие перед человечеством и Россией в 21 веке
числу глобальных проблем, стоящих перед человечеством и Россией в 21 веке, решение которых связано с революционными достижениями биологии, относятся следующие:
создание индустриальных технологий нового поколения на основе методов промышленной микробиологии, ориентированных на стратегию энергосбережения и энергозамещения;
разработка стратегий сохранения и восстановления биосферы, разрушенной в результате техногенной деятельностью человечества;
создание медицины нового поколения, способной решить проблему раковых заболеваний, обуздать глобальные пандемии, приобретающие все более зловещие для судеб человечества очертания (вирус СПИДА, новые высокоагрессивные формы туберкулеза и т. д.), выработать стратегии лечения наследственных и мультифакториальных заболеваний за счет направленного воздействия на молекулярно-генетические механизмы организма человека;
cохранение естественного генетического разнообразия человечества в условиях разрушения естественной среды его обитания;
сохранение и восстановление естественного биоразнообразия природы (микробного, растительного и животного мира) в условиях стремительно растущего населения планеты и постоянно увеличивающегося техногенного давления на естественные ареалы обитания видов и экосистемы;
автоматическая расшифровка нуклеотидных последовательностей
4. Характеристики генома человека
Например, длина генома человека составляет более 6 миллиардов пар оснований и он содержит более 30 тысяч генов. При его расшифровке получены данные объемом десятки терробайт о физических и цитогенетических картах хромосом, их нуклеотидных последовательностях, локализации генов, мутациях: выявлено не менее 1.5 миллиона мутаций, по которым геномы людей отличаются друг от друга.
Характеристики генома человека
5. Экспериментальные данные
Расшифрованы структуры геномной ДНК тысяч вирусов, десятков бактерий, геномы дрожжей, дрозофилы, ряда животных и растений.
Расшифрованы аминокислотные последовательности миллионов белков и более 15 тысяч пространственных структур белков.
Технология ДНК-чипов позволяет количественно измерять экспрессию десятков тысяч генов одновременно в отдельной клетке. Разворачиваются
исследования по протеомике, направленные на расшифровку первичной и пространственной структур всех белков человека и бактерий (миллионы молекул). Огромные экспериментальные данные накапливаются при изучении разнообразия геномов человека и животных.
Не менее мощные массивы экспериментальных данных накапливается в таких классических направлениях биологии, как зоология, ботаника, систематика, экология.
Расшифрованы аминокислотные последовательности миллионов белков
Расшифрованы пространственные структуры десятков тысяч белков
Информатика, в отличие от биологии, существует лишь около 50 лет. Однако с момента своего возникновения она оказывала радикальное и все более возрастающее влияние на все области знаний, включая биологию. Анализируя историю развития науки, можно сделать вывод, что подавляющее большинство революционных достижений биологии последних десятилетий было бы невозможно без использования информационных технологий.
Особенно стремительный прогресс информационных технологий наблюдается в последние десятилетия 20-го века, хронологически совпадая с революцией в биологии.
К числу наиболее впечатляющих достижений информатики относятся:
-персональные компьютеры высокой производительности, обеспечившие массовое распространение информационных технологий во всех областях знаний, в том числе в биологии;
-сверхмощные вычислительные системы (суперкомпьютеры и сверхбольшие вычислительные кластеры);
-сверхбольшие носители информации, обеспечивающие накопление и сохранение огромных объемов данных;
-мировая сеть Интернет, обеспечившая доступ к глобальным распределенным информационным и программным ресурсам;
-огромное разнообразие универсальных и специализированных языков программирования;
-методы анализа данных, основанные на достижениях теории искусственного интеллекта;
-технологии моделирования динамики сверхсложных систем, состоящих из огромного разнообразия взаимодействующих элементов.
Информационные технологии становятся становым хребтом современной науки и цивилизации в целом, и их роль в 21 веке будет стремительно возрастать.
7. Возникновение информационной биологии
Современная биология стала производителем беспрецедентно огромных объемов экспериментальных данных, осмысливание которых невозможно без привлечения современных информационных технологий и эффективных математических методов анализа данных и моделирования биологических систем и процессов.
Прогресс человечества в 21 веке будет неразрывно связан с биологией и информатикой. Ответы на многие глобальные вызовы, стоящие перед современной цивилизацией, критическим образом зависят от развития этих наук, их взаимодействия и использования их достижений.
8. Актуальные задачи информационной биологии
Информационная биология относится к числу высоких технологий современной биологии и обеспечивает информационно-компьютерные и теоретические основы генетики и селекции, молекулярной генетики и биологии, генетической и белковой инженерии, биотехнологии, медицинской генетики, генодиагностики, генотерапии, экологии, словом, тех наук, благодаря выдающимся достижениям которых биология превратилась в одну из лидирующих наук грядущего столетия.
Информационная биология занимает в современной биологии ключевую и исключительно важную позицию. Предметом информационной биологии является исследование биологических систем на трех уровнях их организации: (i) молекулярно-генетическом; (ii) организменном и (iii) популяционном и экосистемном.
К числу наиболее актуальных задач информационной биологии относятся:
создание компьютерных баз данных для хранения экспериментальной информации о структуре и функции биологических объектов на всех уровнях их иерархии начиная с молекулярно-генетического, включая организменный и заканчивая популяционным;
разработка алгоритмов и пакетов программ для анализа информации, накапливаемой в перечисленных выше базах данных;
разработка теоретических и компьютерных методов анализа геномов и изучение их информационного содержания;
изучение механизмов хранения, реализации и передачи наследственной информации, закодированной в геномах;
Учебник. Эволюция или революция?
Представление об эволюции – постепенном развитии живых организмов от простых к сложным – оформилось ещё во времена античности. В частности, Аристотель считал, что животные эволюционируют постепенно и непрерывно. Первую целостную научную теорию эволюции – ламаркизм – создал Жан-Батист Ламарк, предположивший, что приобретённые признаки могут передаваться потомству. Изменения среды, по его мнению, приводят к изменению форм поведения, что вызовет необходимость использования некоторых органов по-новому, возможно, с большей или с меньшей интенсивностью. Эффективность и величина этих органов изменяются; эти признаки, согласно Ламарку, передаются следующему поколению. Так, длинная шея жирафа объяснялась по Ламарку тем, что многие поколения его короткошеих предков питались листьями деревьев, за которыми приходилось тянуться всё выше и выше. Незначительные удлинения шеи в каждом из поколений передавались следующим поколениям, пока она не достигла нынешней длины. Исследования Вейсмана поставили крест на этой теории, однако и по сей день неоламаркисты пытаются развить отдельные стороны
Созданная Жоржем Кювье в 1812 году теория катастроф рассматривала земную историю как чередование сравнительно длинных эпох покоя и коротких катастрофических событий, резко преображавших лик планеты. Возникновение после катастрофы нового мира обычно связывалось с актом творения. Однако через несколько десятков лет катастрофизм уступил место теории естественного отбора, созданной Альфредом Уоллесом и Чарльзом Дарвиным. Согласно ей движущими силами эволюции являются наследственная изменчивость и естественный отбор. В противоположность Ламарку Дарвин считал, что эволюция определяет приспособление к внешнему миру, а не наоборот. Основной заслугой Дарвина было не введение понятия эволюции как такого, а объяснение механизмов
Основной теорией эволюции XX века считается неодарвинизм (синтетическая теория эволюции), в котором взгляды Дарвина были дополнены фактами из генетики и экологии. Однако многое в эволюционной теории до сих пор остаётся неясным.
Прямой эксперимент по подтверждению той или иной теории эволюции может затянуться на миллионы лет. Поэтому важное значение в эволюционном учении имеют
Палеонтология – это наука об ископаемых остатках животных и растений. Среди объектов интереса палеонтологии целые организмы (вмёрзшие в лёд, «мумифицированные» в смоле или асфальте), захороненные в песке и глинах скелетные структуры (кости, раковины и зубы), окаменелости (ткани организма заменяются кремнезёмом, карбонатом кальция или другими веществами), отпечатки и следы, копролиты (экскременты животных). Ранее считалось, что древние окаменелости – остатки драконов, гидр и прочих мифических существ; теперь учёные уверены, что эти кости принадлежат вымершим, но тем не менее реально
Кости ископаемого мезозавра 
Окаменевшая кладка яиц динозавров 
Паук в янтаре
Несмотря на то, что с палеонтологическими находками согласуются геофизические данные и экологические соображения, одной только палеонтологии для обоснования эволюционной теории недостаточно. Этому препятствует, прежде всего, недоказуемость происхождения одних форм организмов от других, и отсутствие непрерывности в палеонтологической летописи. Впрочем, учёные готовы объяснить недостающие звенья тем, что далеко не все организмы погибают в условиях, благоприятных для сохранности их остатков, тем, что мёртвые организмы быстро разлагаются либо поедаются падальщиками и, наконец, тем, что не все ещё
Процесс образования ископаемых остатков
В ряде случаев удаётся найти живущие поныне недостающие звенья в летописи природы. Так, было обнаружено промежуточное звено между рыбами и земноводными – кистепёрая рыба латимерия. Ещё один пример – онихофоры, промежуточная форма между кольчатыми червями и членистоногими.
Кости конечностей позвоночных похожи друг на друга, несмотря на всё различие в жизнедеятельности животных
При сравнительном рассмотрении органов групп животных или растений становится понятным, что они имеют сходные черты. Так, у всех цветковых растений имеются лепестки, тычинки и пестики, а конечности всех позвоночных построены по единому принципу. Органы, сходные по строению и развитию, называются гомологичными. Естественно предположить, что организмы, наделённые гомологичными органами, произошли от общего предка. Наука, изучающая сходства и различия в строении групп организмов, называется морфологией (сравнительной анатомией).
Приспосабливаясь к различным условиям среды, гомологичные органы могут видоизменяться. Этот процесс называется адаптивной радиацией (дивергенцией). Примером адаптивной радиации является наличие или отсутствие хвоста у амфибий, ведущих водный или наземный образ жизни. Сходными органами могут обладать и организмы, не связанные филогенетическим родством; такие органы называют аналогичными, а процесс их появления – конвергентной эволюцией. Примерами конвергенции являются параллельная эволюция сумчатых и плацентарных млекопитающих, образование тел похожей формы у рыб и китов. Причиной конвергентной эволюции является действие сходных условий существования в течение естественного отбора.
Пример конвергентной эволюции: сумчатый и обычный волки
Некоторые структуры у отдельных организмов могут не нести никакой функции. Такие структуры называют рудиментарными. Так, рудиментарными являются копчиковые позвонки у человека или аппендикс. Наличие рудиментарных органов было бы трудно объяснить вне связи с процессом эволюции. В пользу эволюции свидетельствует и появление у отдельных особей атавизмов – органов, присутствовавших у далёких предков, но впоследствии утраченных.
Изучая эмбриональное развитие у различных групп животных (например, у разных классов позвоночных), можно обнаружить удивительное сходство между зародышами на начальных стадиях. Так, все многоклеточные животные повторяют в своём развитии одноклеточную стадию, что может служить намёком на происхождение всех животных от простейших. Далее следует стадия однослойного шара бластулы, в которой можно усмотреть возможный принцип появления многоклеточности – делящиеся клетки не расходились, а оставались рядом, впоследствии дифференцируясь. Далее все многоклеточные животные проходят через стадию гаструляции, что соответствует строению современных кишечнополостных. Но чем дальше развивается зародыш, тем больше различий наблюдается между особями
Онтогенез и филогенез
Наблюдая за развитием зародышей, Геккель сформулировал биогенетический закон, согласно которому онтогенез (индивидуальное развитие) повторяет филогенез (историческое развитие организмов). Хотя этот принцип сильно упрощает реальное положение дел, он в известной
Все живые организмы на Земле состоят из одних и тех же классов органических соединений – белков, липидов, углеводов и нуклеотидов. Однако сходство на этом не исчерпывается: биохимические процессы получения и запасания энергии в клетках различных организмов также невероятно похожи. Принцип строения ДНК также оказался одинаков для всех организмов; ген из ДНК человека можно встроить в ДНК бактерии, и в результате бактерия начнёт производить белки, типичные для человека. Последовательности аминокислот в белках у родственных организмов идентичны или очень близки, и чем меньше отличий в этих последовательностях, тем более близкими друг к другу
Иммунологические исследования также свидетельствуют об эволюционном родстве между организмами. Если белки, содержащиеся в крови, ввести в кровь животным, у которых этих белков нет, то организм начнёт вырабатывать соответствующие антитела. Так, человеческая сыворотка, введённая в кровь кроликам, вызывает образование антител у них. Если спустя некоторое время к пробе крови кролика с антителами добавить человеческую сыворотку, то произойдёт образование комплексов антиген-антитело, выпадающих в осадок, количество которого можно измерить. Предполагая, что это количество находится в прямой зависимости от сходства между белками сывороток, можно установить степень родства между разными
Динамика температуры в прошлые эпохи
В современной геологии считается, что распределение суши и моря в прошлом было другим: в карбоне на земном шаре существовал единственный материк Пангея. Впоследствии, под влиянием глубинных конвективных течений магмы он разделился на два больших континента – Гондвану и Лавразию, которые ещё через десятки миллионов лет раскололись и раздвинулись, образовав современную сушу. В пользу этой точки зрения говорят, в частности, палеонтологические исследования, в результате которых в Антарктиде были найдены ископаемые формы, приспособленные к обитанию в тропических поясах. Отсутствие отдельных групп организмов в местах, казалось бы подходящих для их обитания (например, отсутствие плацентарных млекопитающих в Австралии), свидетельствует в пользу происхождения различных групп животных и растений в разное время и в разных местах.
Наконец, успехи селекции по выведению ценных пород животных и сортов растений можно рассматривать в пользу того, что с помощью аналогичного механизма виды могут возникать и в естественных условиях; при этом вместо человека в роли фактора отбора выступает внешняя среда.