Что такое революция в биологии

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;

Источник

uCrazy.ru

Навигация

ЛУЧШЕЕ ЗА НЕДЕЛЮ

ОПРОС

СЕЙЧАС НА САЙТЕ

КАЛЕНДАРЬ

Сегодня день рождения

Рекомендуем

10 ожидаемых революций в биологии

Иди и учись. Желательно, на биофак — именно биология, а точнее генетика (а не экономика или, не к ночи будь помянуты, маркетинг или политология), определяют сегодня будущее человечества. Потому что человечество учится изменять само себя на генетическом уровне. Все остальные переделки, включая цветные революции, на этом фоне блекнут.

1. ПОБЕДА НАД РАКОМ:

геномное программирование Т-киллеров

Начался этот бум с двух публикаций пять лет назад. В журналах Science Translational Medicine и New England Journal of Medicine появились статьи о том, что в клинике при Университете Пенсильвании двое пациентов были полностью излечены от лейкемии при помощи совершенно нового вида вакцины.

В последние десятилетия врачи стремились создать вакцину от рака, которая заставила бы иммунитет находить и убивать именно те клетки, из которых состоит конкретная опухоль. Но пенсильванская группа исполнила сложный и эффективный трюк: забрав у пациентов клетки иммунитета, так называемые Т-лимфоциты, ученые перепрограммировали их in vitro (то есть искусственно, «в пробирке»), вводя генетическую инструкцию, обучающую находить и уничтожать раковые клетки.

Каждый такой лимфоцит, попав в организм пациента, начинал быстро делиться – в итоге в организме появлялось в 1000-10 000 раз больше «обученных» Т-лимфоцитов, чем исходно ввели; потомство одного такого лимфоцита убивало тысячу раковых клеток. После исчезновения опухолей число Т-лимфоцитов сокращалось, но в лимфоузлах все равно сохранялась их небольшая популяция. Ведь ровно так – и в этом главная красота метода – развиваются события и при инфекции: Т-лимфоциты учатся находить врага, размножаются, отражают атаку, а потом их число падает; и лишь где-то в лимфоузлах навсегда образуется небольшое поселение таких «специалистов», которые знают в лицо, например, штамм гриппа осени 1997 года – и готовы в любой момент снова создать нужную численность в ответ на вторжение. Это объясняет и стойкость ремиссии в пенсильванском исследовании: стоит раковым клеткам начать снова размножаться – обученные Т-лимфоциты их убивают.

Через три года газеты сообщали уже об 11 пациентах, и в прошлом году – о 122; теперь речь шла уже не только о лейкемии, но и о меланоме. Сейчас в университетах мира происходят клинические испытания этой совершенно новой группы методов практически для всех видов опухолей.

2. ПОБЕДА НАД ПРИРОДОЙ:

устойчивые к болезням ГМО-растения и животные

Начиная с 2006 года человечество производит достаточно еды, чтобы накормить всех; голод существует только из-за неравномерного распределения. Этот успех – результат «зеленой революции»: прорыва в селекции растений в середине ХХ века, в результате которого агроном Норман Борлоуг (лауреат Нобелевской премии мира) накормил всю планету. За девять лет до смерти, в 2000 году, нобелиат предупредил нас: возможности его метода исчерпаны. Новую пахоту уже взять негде, и кормить растущую армию ртов мы сможем, только используя генетические модификации существующих организмов – увеличивая их продуктивность и устойчивость к болезням.

Скажем, в Бангладеш баклажан является одной из ключевых культур; в этой тропической стране пропавший урожай баклажана – постоянный риск голода и смертей. В 2012 году страна разрешила и массово плантировала ГМО-сорт «бринджаль»: у этого баклажана есть гены микроба Bacillus thuringiensis, который дав но и широко используется для опрыскивания растений. Теперь баклажан отпугивает вредителей сам, без посторонней помощи.

Прогресс неудержим, вопрос только в том, какие страны будут иметь к нему доступ, а какие нет.

3. ПОБЕДА НАД СЛЕПОТОЙ:

Уже сегодня ученые в США прокалывают слепым людям глаза длинными тонкими иглами и заражают их неработающую сетчатку безвредным вирусом. Вирус внедряет в клетки сетчатки гены крошечных водорослей, всегда плывущих в море на свет. Глаз такого пациента станет химерой: в нем будут ДНК двух существ – водоросли и человека. И тогда человек снова увидит свет.

Дело в том, что при попадании на поверхность водоросли кванта света особые молекулярные машины (они называются опсиновыми светочувствительными каналами) запускают электрохимическую активность всей клетки, у водоросли начинает биться жгутик, как винт у моторной лодки, и водоросль плывет активнее.

Около десяти лет назад Карл Дейссерот из Стэнфорда подметил это сходство. Ему пришло в голову: если синженерить нейроны, например, мышам, а именно внедрить в их ДНК один из генов светочувствительных каналов (ген ChR2), то на поверхности у таких нейронов появятся эти самые опсиновые каналы. Если у такой мыши в черепе проделать дырку, то можно будет светить в нее голубым фонариком (именно в этой части спектра у ChR2 пик чувствительности), и нейроны начнут срабатывать – будто водоросли.

Появилось новое слово: «оптогенетика». И шквально появились десятки новых идей. Ген ChR2 научились внедрять в конкретные нейроны и нейронные сети. Так что, включая свет, стало легко управлять мозгом: удалось впечатать мышам ложные воспоминания, вылечить их от кокаиновой зависимости, остановить тремор у мышей с Паркинсоном.

Уже научились включать при помощи оптогенетики не только нейроны, но и некоторые другие клетки: в сердечной мышце, рецепторы в коже; и не просто включать – а запускать в них при помощи луча света работу конкретных генов. Такая вот волшебная палочка, световая указка.

4. ПОБЕДА НАД СТАРОСТЬЮ:

искусственное удлинение теломер

В 2016 году впервые удалось подредактировать живому человеку кончики хромосом, которые имеют прямое отношение к продолжительности жизни. Речь идет о восстановлении теломер – технических отрезков хромосом, на которых не записаны значимые гены: за них держатся особые манипуляторы, которые растаскивают копии хромосом при делении клетки надвое. При каждом клеточном делении эти теломеры укорачиваются, но особые гены отвечают за их подновление (которое чуть-чуть отстает от укорачивания, так что наши биологические часы тикают, увы, по направлению к могиле). В старости подновление притормаживается еще больше, так что подрезаться могут уже смысловые участки хромосом; считается, что это повышает риск рака и ускоряет старение тканей и органов. В прошлом году главе фирмы BioViva по имени Элизабет Пэрриш, у которой в 44 года обнаружили ускоренное старение, при помощи модифицированного вируса вживили дополнительные гены, отвечающие за латание теломер. Маркетинговый ход, и успешный: в 2016-м женщина попала на страницы газет с новостью о том, что ее теломеры выросли примерно на тысячу «букв» каждая, что соответствует примерно двадцати годам «омоложения».

5. ПОБЕДА НАД СЛОМАННЫМ ТЕЛОМ:

регенеративная медицина и органы на запчасти

Сегодня мы умеем вырастить полфаланги пальца ребенку, если он ее утратит в возрасте до года. Но эта ситуация очень скоро улучшится: дня не проходит без важных новостей, связанных с успехами в создании так называемых плюрипотентных стволовых клеток.

В 2008 году японский биолог Синъя Яманака взял клетки кожи 36-летней женщины и, пользуясь методом (за который он получил нобелевскую премию в 2012 году), перепрограммировал их в эмбриональное состояние. Вырастив некоторое количество таких клеток, ученый посадил их под кожу мышам, и у тех стали развиваться живые комки, в которых формировались мышцы, хрящи и сосуды человека. С тех пор мы постоянно слышим об успехах такого перепрограммирования: обезьянам с болезнью Паркинсона нарастили новые нейроны, крысам – почки и печень. Есть и единственное (пока что) испытание, проведенное на людях: группа японских стариков с макулодистрофией (дегенерацией сетчатки) проходит лечение, в котором новую сетчатку растят тоже из кожи, через такое же перепрограммирование.

6. ПОБЕДА НАД ТАБЛЕТКАМИ:

персонализированная геномная медицина

На первую расшифровку генома человека потребовалось 15 лет и шесть миллиардов долларов. Сегодня чтение генома стоит две тысячи долларов и занимает три дня; прочитаны десятки тысяч полных геномов. Это дало ученым гораздо больше информации, чем можно успеть интерпретировать, – о долгожителях и о наследственном раке, о том, чем различаются расы и народы, о болезнях и предпочтениях, вкусах и талантах.

Среди этих данных особое место занимают новые знания о том, почему одно и то же лекарство может действовать на разных людей по-разному. Миллионы людей в мире начинают день с пилюли, которая гасит в желудке кислотный огненный океан. Сегодня, плюнув в пробирку из коммерческого набора 23andMe (то есть претендуя не на полную расшифровку генома, а только на чтение подборки из нескольких десятков контрольных точек), мы уже можем получить результат: скажем, не поможет обычная доза этого лекарства, нужна двойная (ну, и еще что-то там про кочевников и ненависть к брокколи).

Двойная доза, потому что на людей с определенным геномом лекарство действует слабо, неэффективно. Логический следующий для фармакологии шаг – не двойная доза, а совсем другая лекарственная формула, которая лучше подходит конкретно вашей молекулярной конституции. В прошлом году был начат проект по секвенированию геномов 330 000 (то есть примерно всех) исландцев: зная все варианты генов этой близкородственной, инбредной популяции, медики собираются начать разрабатывать исландцам совершенно новые линейки лекарств для всех основных патологий: таблетки от давления и холестерина, аритмии и подагры.

Это первая ласточка. Но не за горами момент, когда аптекарь, глядя на вас уже не поверх очков, а через какой-нибудь гуглгласс, тут же увидит облачные данные о ваших генетических особенностях и прецизионно отсыплет один из 19 вариантов слабительного – тот самый, который идеально подошел бы вашей прабабушке, которой совершенно не помогал чернослив.

7. ПОБЕДА НАД СЕКСОМ:

дети от трех и более родителей и дети на запчасти

Сегодня в Великобритании узаконена процедура получения детей от трех родителей: при этом одна из двух матерей оказывается донором всего 0,01% генов. Речь идет о донорстве так называемых митохондрий, энергетических станций в клетках, которые содержат небольшое количество собственных генов. Правда, первый такой ребенок родился в Мексике, от трех иорданцев – такая вот офшорная беременность.

Следующий этап – создание детей от нескольких родителей, каждый из которых будет донором вначале конкретных хромосом, а потом и конкретных генов. Сегодня мы можем создать десять эмбрионов «в пробирке», и у каждого взять по одной клетке на анализ; так можно определить лучшего донора костного мозга для старшего сиблинга, и именно его подсадить в матку для вынашивания (а остальных – не использовать). Следующий этап – не отбирать из десяти, а редактировать гены эмбрионов перед подсадкой; в 2016 году британское правительство выдало первую лицензию одной лаборатории для проведения такой процедуры. Правда, пока что отредактированных эмбрионов нельзя подсаживать, потому что не доказана безопасность метода. Но это вопрос считанных лет.

8. ПОБЕДА НАД ИСТОРИЕЙ:

В 2002 году биологи из Пущино сотворили чудо, которое почти не заметили поклонники «Ледникового периода», а зря. Взяв из вечной мерзлоты ком семян, которые трудолюбивые суслики напихали себе в нору на обрыве сибирской реки Колымы 30 000 лет назад, они разморозили их в лабораторных условиях. Разумеется, среди семян не было ни одного всхожего; но ученые все же смогли найти в порванном кристаллами льда зародыше единичные живые клетки. Пользуясь молекулярными методами, они впервые в истории клонировали растение, которое вполне могло бы пойти на завтрак мамонту.

Но с клонированием самого лохматого дегустатора еще придется повозиться. Пока что в существующих останках не найдены клетки с достаточно сохранившимся ядром, чтобы клонировать их в яйцеклетке суррогатной матери, индийской слонихи. Правда, в мозге мышей такие клетки находятся после пятнадцати лет лежания в морозильной камере, так что поиски продолжаются. И хотя совсем уж мало шансов найти в промерзших мошонках мамонта живые сперматозоиды (у мышей они, опять же, выдерживают не дольше пятнадцати лет замораживания), их тоже ищут. Если найдут – начнут крыть слоних, с каждым скрещиванием получая все более близкий к мамонту внешний вид. Простой селекцией в XXI веке вывели «почти кваггу» – подвид зебры, растворивший свои гены среди других зебр 130 лет назад.

Но если мы бескомпромиссно хотим мамонта и только мамонта, то больше надежд на создание искусственных хромосом. Их постройка для мышей (или для человека) – одна из ключевых задач современной биологии. Пока что создали для дрожжей. Полный геном мамонта уже прочитан, и если мы сможем записывать что хотим на искусственных хромосомах, то вскоре сделаем начинку и для ядра, не ожидая милостей от вечной мерзлоты.

9. ПОБЕДА НАД ПОСЛЕДСТВИЯМИ:

Если бы Женская Таблетка (та самая, с большой буквы, да!) сегодня пыталась пройти через все барьеры клинических испытаний, у нее ничего не получилось бы. Увеличение веса, снижение либидо, риск тромбоза – все это у одного пациента из тысячи – оказались бы непроходимым барьером. Но прогресс нельзя повернуть вспять, как нельзя поместить пасту обратно в тюбик: став общедоступной в 1960-е, Таблетка навсегда изменила мир, стала общим достоянием, и сегодня никакие контролирующие органы не имеют права решать, пить женщинам таблетки-контрацептивы или не пить. В этом смысле Мужской Таблетке не повезло. Запрос на нее очевиден: дав женщинам свободу, Женская Таблетка передала им и полный контроль: лишь от женщины зависит, станет ли отцом Борис Беккер (известный пример, когда мужчина оказался жертвой зачатия, хитроумно спланированного peroral). Сделать контроль хотя бы равным – вот цель как минимум трех разных разработок, находящихся уже на стадии испытания на людях-добровольцах (есть еще немало других, которые пока тестируются только на животных).

В прошлом году одно из таких исследований было остановлено, потому что трое добровольцев (из тысяч) пожаловались на побочные эффекты: у одного суицидальные мысли, у другого лишний вес, у третьего ослабевание либидо.

Для западной системы контроля лекарств такие препоны могут оказаться серьезными; в Китае и Корее из-за либеральности законов биотехнологический прогресс идет гораздо быстрее. Так что не исключено, что в ближайшие несколько десятилетий восточные мужчины будут пребывать в статусе морских свинок (а заодно – побудут символом подлинной независимости и контроля над собственной судьбой), а западные – в статусе наседок с выводками бастардов.

В любом случае, как в случае с Женской Таблеткой, прогресс все выровняет.

10. ПОБЕДА НАД ГРИППОМ:

От гриппа – в отличие от ВИЧ, гепатита и герпеса – нет эффективного лекарства. Ну то есть есть осельтамивир, но, во-первых, осельтамивир действует, только если успеть принять его в первые 48 часов, а во-вторых, неизвестно, будет он эффективен при возникновении совершенно нового смертельного штамма. Ну и вообще – лень болеть чуть ли не каждый год.

В таких случаях победа приходит в виде вакцины: от черной оспы тоже не было лекарства, но ее истребили тотальным вакцинированием всех землян. Проблема с вирусом гриппа – в изменчивости его оболочки. Эпидемия каждый год начинается в южном полушарии, и, следуя рекомендации ВОЗ, мы уже в сентябре разъясняем иммунитету, как в этом сезоне выглядит злоумышленник. Вакцина работает у разных людей по-разному, но по статистике за 22 года вакцина промахнулась лишь два раза (в массово привитых городах все же случились эпидемии).

В оболочке вируса есть, метафорически говоря, глубокие складки, поверхность которых не меняется от года к году. Известно минимум два клинических исследования, которые обещают вакцину, обучающую иммунитет распознавать именно эти глубокие участки

Пишут, что до выхода на рынок им осталось около десяти лет.

Источник

• ← Что такое стакан котировок
• Что такое гост iso →