Сегодня уже появилась возможность принимать таблетки синтезированного мелатонина, поддерживая необходимый его уровень в организме. По мнению американских исследователей У. Пьерпаоли и У.Регелсона, более тридцати лет занимающихся экспериментами с применением мелатонина, его синтезированный аналог действительно является ключом к здоровью и долголетию.
Лев Киселев
Эпоха биологии
Судьба этого человека вобрала в себя трагедии и взлеты российской интеллигенции советского времени: арест отца, война, немецкий лагерь, лысенковщина…
Но были и Московский университет, научное творчество, мировое признание. Автор этой статьи – один из тех, благодаря кому первую половину следующего тысячелетия уже называют эпохой биологии. О том, какова же она будет, биология будущего, и рассказывает в своей статье член-корреспондент РАН, член Европейской академии, председатель научного совета российской национальной программы по изучению генома человека, лауреат Государственной премии СССР, лауреат премии Блеза Паскаля – Лев Львович Киселев.
Историки еще долго будут спорить, был ли уходящий двадцатый век веком физики и математики (атомная энергия, освоение космоса, компьютеры и многое другое), химии (полимеры, новые материалы, лекарства и т.д.) или биологии (генетический код, триада ДНК – РНК – белок, молекулярные основы жизни). Однако почти все, кто предсказывает развитие науки на ближайшие десятилетия, сходятся на том, что по крайней мере первая половина XXI века будет эпохой биологии. Почему?
В конце 1980-х годов в США и СССР начались работы по геному человека (геном – совокупность всех генов и межгенных участков любого организма), вскоре возникли национальные программы по изучению генома во Франции и в Англии, затем эти исследования получили мощное развитие в Германии и Японии. Сейчас даже в таких малых странах, как Швеция, Дания, Нидерланды, геномные исследования ведутся с большим размахом и глубиной.
Скорость расшифровки строения ДНК, составляющая химическую основу всех геномов клеточных организмов и многих вирусов, достигла к концу девяностых годов многих миллионов нуклеотидных пар в день (нуклеотиды – элементарные химические единицы, из которых построены молекулы ДНК, их всего четыре типа: А, С, С и Т). Процесс расшифровки строения ДНК почти полностью автоматизирован и компьютеризован. Естественно, что такой огромный объем информации крайне трудно обрабатывать и осмысливать. Поэтому в мире создано множество крупных и более мелких банков данных, где эта информация собирается, систематизируется, обрабатывается, хранится и постоянно обновляется.
К концу 1998 года известно строение около десяти процентов всех генов, входящих в состав генома человека. Считается, что общее число генов у человека не превышает ста тысяч, а сейчас расшифровано уже около десяти тысяч. Прогноз дальнейших успехов впечатляет: все специалисты убеждены, что к 2003 году почти весь геном человека будет расшифрован, а это около трех миллиардов (!) нуклеотидных пар.
Развитие технологии расшифровки ДНК оказалось столь стремительным, а продуктивность столь высокой, что многие крупнейшие фирмы (например, Merck) создали свои собственные геномные программы, имеющие более прикладной характер. Кроме генома человека, поразительные успехи достигнуты в расшифровке геномов бактерий (мы знаем полное строение геномов более двух десятков наиболее важных в медицинском отношении бактерий, например возбудителя туберкулеза). Эти огромные достижения открыли дорогу к получению нового поколения лекарств направленного действия. Об этом многие десятилетия мечтали микробиологи, иммунологи, врачи.
Самым выдающимся достижением геномики (науки о геномах всех живых существ) стала расшифровка строения генома первого эукариотического (истинно клеточного) организма – дрожжей, достигнутая в конце 1997 года. Оказалось, что геном клеток дрожжей содержит шесть тысяч генов (в десять раз меньше, чем геном человека), причем большинство генов кодируют белки с неизвестной функцией. Ученые наивно думали, что они уже хорошо понимают, как функционируют клетки очень простого организма – дрожжей. Теперь этой иллюзии пришел конец: раскрытие строения дрожжевого генома ясно показало глубину нашего незнания и еще раз напомнило о том, что даже одноклеточный организм – это крайне сложно устроенная живая система, многие важнейшие части которой еше совершенно неведомы.
Сейчас ясно, что расшифровка всего генома человека – цель не только достижимая, но и очень близкая: уже через несколько лет мы будем знать его строение, все десятки тысяч генов. Сейчас это уже только вопрос вложенных средств, организации работ, числа участников, времени – все спады, все сомнения, все теоретические трудности остались позади. Геномный поезд мчится на всех парах, его уже не остановить.
Что же дальше, там, за горизонтом?
Еше до расшифровки генома человека буквально в ближайшие месяцы мы узнаем строение генома первого многоклеточного организма – червя нематоды, число генов у которого, вероятно, в два-три раза больше, чем у клеток дрожжей. Сравнение геномов дрожжей и нематоды позволит понять, какой набор генов нужен для того, чтобы обеспечить правильное взаимодействие клеток друг с другом, их специализацию. Это будет огромным шагом вперед, потому что именно межклеточные взаимодействия – один из труднейших вопросов общей биологии, где прогресс дается с большим трудом.
Параллельно с расшифровкой генома человека будет раскрыто устройство геномов еще многих десятков бактерий, что позволит не только понять, как возникли бактерии, как они эволюционировали, но и создать новые направления в фармакологии (науке о лекарствах) и в биотехнологии, которая использует микробы как живые фабрики по производству многих важнейших биопродуктов (антибиотики, аминокислоты, витамины, гормоны и многое другое).
Знание всей структуры генома неизбежно сместит интересы исследователей к изучению роли разных генов в жизни клетки, а значит, к изучению белков – основных продуктов, информация о структуре которых записана в геноме. Поэтому на смену геномике структурной постепенно придет геномика функциональная, в которой главное место будут занимать белки, их каталитическая активность, регуляция их функций, взаимодействие с другими белками.
Если сейчас на знамени геномики написаны три буквы – ДНК, то уже через несколько лет к ним обязательно добавится новое ключевое слово «белок», так как общее число разных белков в клетках лишь немногим меньше, чем число генов.
Характерно, что те группы исследователей (их было несколько десятков коллективов в разных странах мира, в основном в Европе), которые сумели раскрыть структуру генома дрожжей, сейчас предложили идею нового международного проекта, который коротко называется «протеом» от слова «протеин» (белок) по созвучию со словом «геном». Протеомный проект, который сейчас обсуждается, ставит своей конечной целью установить все белок-белковые взаимодействия, которые существуют в живой дрожжевой клетке. Это совершенно грандиозная задача, если учесть, что в клетке дрожжей одновременно присутствуют несколько тысяч белков, причем каждый из них может вступать во взаимодействие еще с несколькими другими белками. Уже создан поразительный метод, который позволяет расшифровать контакты любых белков внутри дрожжевых клеток. При этом можно изучать как дрожжевые белки, так и любые другие, например белки, выделенные из клеток человека.
Геном человека: 200 томов по 1000 страниц
Почему так важно изучить белок-бел ко вые взаимодействия? Дело в том, что большинство белков – это ферменты (биологические катализаторы), которые превращают в клетке одни соединения в другие. Естественно, что так как ферментов великое множество, как и субстратов (веществ, на которые воздействуют ферменты), то для клетки в высшей степени важно координировать работу внутриклеточных ферментов.