Заразная идея: биологи мечтают оцифровывать кишечную палочку

Знаете, какая у биологов мечта? Они мечтают о воссоздании живого существа в компьютере. Чтобы существо это, со всеми генами и молекулами, жило в машине и развивалось как в реальном мире. Учёные говорят, что это "конечная цель биологии", потому что перспективы – фантастические.

Но создать в компьютере жизнь, даже в самом примитивном её понимании, очень-очень трудно.

 

 

На то она и мечта, волнующая умы в течение многих десятилетий. Хотя это не значит, что учёные фантазируют со сложенными руками – они делают всё, что могут. И кое-что у них, как пишет New York Times, уже неплохо получается.

"Вы только представьте себе, что можете сесть за компьютер и проводить над животным разные эксперименты, наблюдая, как и что работает, попутно выясняя, почему это произошло, а это нет, — рассказывает канадский профессор Майкл Эллисон (Michael Ellison), биолог из университета Альберты (University of Alberta). — Мы не сможем совершить революцию в биологии, пока не научимся моделировать живой организм".

Доктор Эллисон — один из членов международной группы биологов, которые пытаются сделать фантазию реальностью. Шансы у них появились только в последние несколько лет, а когда удастся достичь результата — можно только гадать. И это притом, что учёные замахнулись всего лишь на Escherichia coli, скромного обитателя человеческого кишечника.

	Профессор Майкл Эллисон (фото University of Alberta).

Выбор в пользу E. coli, одной из любимейших учёными модели для биологических экспериментов, доктор Эллисон объясняет так: "Мы взяли самый простой организм, о котором знаем больше всего".

Учёные действительно знают о кишечной палочке больше, чем о какой-либо другой разновидности на Земле. Однако это вовсе не означает, что перенос бактерии в компьютер — лёгкая задача. Микроб, обнаруженный в 1885 году, всё ещё хранит кое-какие секреты.

Популярность E. coli стала быстро расти в 1940-х годах, когда исследователи выяснили, как использовать бактерию для изучения генетики. В 1970-х учёные научились "прививать" микробам чужую ДНК, превратив их в своего рода биохимические фабрики для производства большого количества ценных составов, вроде инсулина.

В 1997 году был полностью расшифрован геном бактерии — биологи получили возможность рассмотреть все 4 тысячи 288 генов микроба, исследовать их взаимодействия. Но "полностью решить" E. coli — к чему в 1967 году призывали один из первооткрывателей ДНК Френсис Крик (Francis H. C. Crick) и нобелевский лауреат Сидни Бреннер (Sydney Brenner) – никому до сих пор не удалось. Всё-таки бактерия содержит около 60 миллионов биологических молекул.

Доктор Гэвин Томас (фото University of York).

Только к концу 1990-х "окончательный разбор" кишечной палочки учёные смогли назвать вероятным. "Должно быть, тайной для нас остаётся приблизительно 1 тысяча генов, — оценивает британский микробиолог Гэвин Томас (Gavin H. Thomas) из университета Йорка (University of York). — Нам ещё очень многое предстоит узнать, прежде чем мы сможем построить действительно полноценную модель".

С этой целью в ноябре 2002 года был сформирован Международный альянс (International E. coli Alliance — IECA). В эту организацию вошли канадцы из проекта Cybercell, японцы из Института передовых биологических наук (IAB), англичане из группы IBEC, американцы из консорциума E.coli, фармацевтическая компания GlaxoSmithKline и многие другие.

Альянс распределил задачи между лабораториями, и началась реализация проектов, в ходе которой учёные из разных стран время от времени объединяют усилия.

	Профессор Барри Уоннер (фото Purdue University).

"Было бы глупо, если б две или три лаборатории занимались одним и тем же, при этом конкурируя друг с другом", — заметил Барри Уоннер (Barry L. Wanner) из университета Пардью (Purdue University). Он вместе с коллегами создал 3,9 тысячи различных штаммов кишечной палочки, каждый из которых отличается от всех остальных отсутствием одного гена.

"Мы провели с этими штаммами множество простых тестов, но нам не по силам провести с каждым из них сложный эксперимент, — признаётся Уоннер. — Однако сто других лабораторий могут это сделать". По его словам, вскоре учёные смогут заказать из "коллекции" любой штамм, чтобы провести собственное исследование.

Постепенно узнавая, как растёт E. coli, учёные начинают строить модели микроба, которые отражают некоторые образцы его поведения. "Это направление развивается очень активно", — не без гордости заявляет Бернард Палссон (Bernhard Palsson) из университета Калифорнии (UCSD), он моделирует метаболизм бактерии, разбирается, как она расщепляет пищу ферментами.

Профессор Бернард Палссон (фото UCSD).

Палссон с коллегами реконструировал взаимодействия более 1 тысячи генов метаболизма и может предсказать, как быстро микроб будет расти, получая пищу из различных источников, и как повлияет на рост удаление некоторых генов.

Калифорнийские учёные говорят, что точность "1000-генной" модели метаболизма достигает 78% и собираются увеличить количество генов вдвое.

Тем временем, исследователи под руководством Филиппа Клазеля (Philippe Cluzel) из лаборатории университета Чикаго (University of Chicago) сосредоточились на изучении плавания микроба, для чего создали его виртуального двойника.

E. coli плавает благодаря нескольким вращающимся со скоростью 270 оборотов в секунду жгутикам. Если жгутики крутятся против часовой стрелки, они собираются в связку, которая продвигает микроба вперёд. А если микроб поворачивает "двигатели" по часовой стрелке, связка распадается, и бактерия совершает кувырок.

Вот так, плавая и кувыркаясь, E. coli передвигается по своему крошечному миру. Учёные отмечают, что кишечная палочка для обработки информации задействует целую сеть "датчиков" на внешней мембране, и говорят о существовании "микробного компьютера".

	Кипит работа в университете Альберты (иллюстрация Jason Scott/New York Times).

Виртуальная бактерия плавает почти как живая, но, конечно же, это далеко не та модель-мечта, к которой стремятся биологи. "Компьютерная" палочка должна не только плавать, но и питаться, отбиваться от вирусов, копировать свою ДНК и выполнять массу других задач в одно и то же время. А это, как вы уже поняли, невероятно трудно.

Тем не менее, Барри Уоннер вместе с коллегами из Японии уже приступил к созданию первой зрелой модели — упрощённой E. coli, составляющей примерно четверть её оригинального размера. Они попробуют "сколотить" группы по 100 генов и в течение двух лет постепенно довести количество генов до 1 тысячи.

Майкл Эллисон тоже создаёт виртуального близнеца в рамках одноимённого проекта (Project Gemini): "Наш подход состоит в том, чтобы отследить каждую биомолекулу в клетке в пространстве и времени", — сообщил доктор, в качестве доказательства уже смоделировавший имеющую форму пузыря мембрану, сделанную из 13 тысяч частиц.

Но дело ещё в том, что даже упрощённая модель E. coli будет настолько сложной, что ни одна из существующих компьютерных программ её не осилит. "С другой стороны, компьютеры становятся всё мощнее, поэтому мы пока прорабатываем структуру и надеемся, что в течение 5 или 10 лет компьютеры будут в состоянии справиться с этой задачей", — объяснил Эллисон.

"Даже если бы мы смогли сегодня создать модель всей бактерии, это не означало бы, что мы смогли бы понять созданное, — добавляет Тьерри Эмонет (Thierry Emonet) из Чикагского университета, — хитрость в том, что мы должны вести строительство шаг за шагом, проверяя и изучая явления по очереди".

И вот представьте: сколько работает специалистов, сколько прикладывается усилий, сколько тратится времени, денег – и всё это, чтобы перенести в компьютер изученный вдоль и поперёк микроб. Но таков путь биологов к мечте, ничего тут поделаешь.

Статья получена: Membrana.ru