Мне бы хотелось поделиться некоторыми интересными событиями, которые происходили на зимней школе Futurebiotech 2014 в Звенигороде (ближнее Подмосковье) 26 января — 1 февраля. Начну с рассказа о небольшой отечественной команде Visual Science, представитель которой рассказал на школе о том, как их группа создает визуализированные обзоры научной литературы по исследованию структур молекул, вирусов и некоторых других биологических объектов с использованием самых современных научных данных и навыков в области дизайна. Результатом этой деятельности являются замечательные по красоте и точности модели биологических объектов, нередко детализированные до отдельных атомов. Стоит отметить, что при поступлении новых экспериментальных данных модели уточняются. По сути это достаточно оригинальный способ представления и обобщения данных.
Ниже представлено изображение вируса иммунодефицита человека, сконструированное на основании 33 научных публикаций. Модель включила в себя как данные рентгеноструктурного анализа отдельных белков вируса, так и данные микроскопических исследований его структуры и исследований в области молекулярной биологии, в которых изучался количественный и качественный молекулярный состав этого вируса. Подробное описание картинки и подписи к ней можно посмотреть тут: http://visualscience.ru/projects/hiv/illustrations/. Справа от ВИЧ приведено подробное изображение иммуноглобулина IgG. Это антитело, которое связывается с чужеродными частицами, проникающими в наш организм, что позволяет узнавать их и нейтрализовать при помощи клеток иммунной системы. Под ними изображены вирус папилломы человека и вирус гриппа H1N1. Вирус папилломы человека является причиной рака шейки матки. От этого вируса сегодня существует эффективная вакцина.
Вирус иммунодефицита человека. Источник: http://visualscience.ru/feature-img/hiv/hiv-hq-images/human-immunodeficiency-virus-HIV-5.jpg
Иммуноглобулина IgG. Источник: http://visualscience.ru/feature-img/immunoglobulin/immunoglobulin-g-1.jpg
Вирус папилломы человека. Источник: http://visualscience.ru/feature-img/papilloma/hpv.jpg
Вирус гриппа H1N1. Источник: http://visualscience.ru/feature-img/influenza/influenza-ru.jpg
Кстати, одна из самых увлекательных лекций этой школы тоже была посвящена вирусам. Эту лекцию читал доктор биологических наук Вадим Израилевич Агол – очень известный вирусолог и просто замечательный человек. В своей лекции Вадим Израилевич рассказывал о том, что хотя с вирусами, вызывающими тяжелые патологии, можно и нужно бороться, не все вирусы являются злом для человека. Во-первых, вирусы сыграли огромную роль в эволюции живых организмов, осуществляя горизонтальный перенос генов между видами. Например, ген белка синцитина является эндогенным вирусом, т.е. это эволюционировавший кусочек вируса, некогда встроившегося в геном нашего далекого предка. Сейчас синцитин необходим для нормального формирования плаценты человека. Кроме того вирусы могут быть использованы как средство генной терапии для лечения некоторых врожденных заболеваний. Интересно, что многие негативные последствия вирусных инфекций связаны не столько с действием самого вируса, сколько с чрезмерно активным действием нашей иммунной системы. Между вирусом и иммунной системой возникает “гонка вооружений”, последствия которой часто драматичны. Но вирусы далеко не всегда заинтересованы в гибели своих хозяев и при длительной ко-эволюции хозяина и вируса могут достигаться и взаимовыгодные отношения. В конце лекции Вадим Израилевич сделал интересный форсайт – прогноз, что будущее – это не человек и робот, а человек и вирус, что в скором времени будут не только вирусы для лечения заболеваний, но и генетически измененные вирусы настроения, вирусы, делающие из нас атлетов и улучшающих возможности нашего организма, которые будут продаваться в аптеках рядом с обычными лекарствами. Лично мне было интересно узнать про необычный вирус тли и растений, который влияет на поведение первой: тля, зараженная вирусом, предпочитает питаться незараженными растениями, что способствует более эффективному распространению инфекции.
Бурную дискуссию вызвала лекции ученого из Австрии Bojan Zagrovic, который поделился своими исследованиями, посвященными изучению происхождения генетического кода. Как известно, молекулы РНК кодируют белки посредством триплетов: три нуклеотида молекулы РНК составляют кодон, который кодирует одну аминокислоту. Правило соответствия кодонов и аминокислот называется генетическим кодом, который одинаков у представителей всевозможных групп организмов (исключения бывают, но это редкость). Сегодня во всех клетках синтез белков происходит, главным образом, с участием рибосом – специальных молекулярных машин, в состав которых входит РНК и белки. Каким же образом осуществлялся синтез белков, когда рибосомы еще не существовали?
Иммуноглобулина IgG. Источник: http://visualscience.ru/feature-img/immunoglobulin/immunoglobulin-g-1.jpg
Вирус папилломы человека. Источник: http://visualscience.ru/feature-img/papilloma/hpv.jpg
Вирус гриппа H1N1. Источник: http://visualscience.ru/feature-img/influenza/influenza-ru.jpg
Кстати, одна из самых увлекательных лекций этой школы тоже была посвящена вирусам. Эту лекцию читал доктор биологических наук Вадим Израилевич Агол – очень известный вирусолог и просто замечательный человек. В своей лекции Вадим Израилевич рассказывал о том, что хотя с вирусами, вызывающими тяжелые патологии, можно и нужно бороться, не все вирусы являются злом для человека. Во-первых, вирусы сыграли огромную роль в эволюции живых организмов, осуществляя горизонтальный перенос генов между видами. Например, ген белка синцитина является эндогенным вирусом, т.е. это эволюционировавший кусочек вируса, некогда встроившегося в геном нашего далекого предка. Сейчас синцитин необходим для нормального формирования плаценты человека. Кроме того вирусы могут быть использованы как средство генной терапии для лечения некоторых врожденных заболеваний. Интересно, что многие негативные последствия вирусных инфекций связаны не столько с действием самого вируса, сколько с чрезмерно активным действием нашей иммунной системы. Между вирусом и иммунной системой возникает “гонка вооружений”, последствия которой часто драматичны. Но вирусы далеко не всегда заинтересованы в гибели своих хозяев и при длительной ко-эволюции хозяина и вируса могут достигаться и взаимовыгодные отношения. В конце лекции Вадим Израилевич сделал интересный форсайт – прогноз, что будущее – это не человек и робот, а человек и вирус, что в скором времени будут не только вирусы для лечения заболеваний, но и генетически измененные вирусы настроения, вирусы, делающие из нас атлетов и улучшающих возможности нашего организма, которые будут продаваться в аптеках рядом с обычными лекарствами. Лично мне было интересно узнать про необычный вирус тли и растений, который влияет на поведение первой: тля, зараженная вирусом, предпочитает питаться незараженными растениями, что способствует более эффективному распространению инфекции.
Стереохимическая гипотеза появления генетического кода гласит, что нуклеотиды, из которых состоит любая молекула РНК, могут взаимодействовать с аминокислотами непосредственно, причем есть интересная закономерность: в случае нуклеотидов пиримидинов (цитозинов и урацилов) чем лучше нуклеотид связывает ту или иную аминокислоту, тем в среднем богаче этим нуклеотидом кодон аминокислоты в универсальном генетическом коде.
Bojan Zagrovic и его группа развили эту идею и показали, что существует статистически достоверное соответствие между нуклеотидным составом кодирующих участков молекул РНК и предпочтительным связыванием аминокислот кодируемых ими белков. Это удивительное наблюдение с одной стороны является аргументом в пользу стереохимической гипотезы происхождения генетического когда, а с другой стороны свидетельствует о том, что многие молекулы РНК и белки, которые ими кодируются, должны взаимодействовать напрямую даже сейчас, когда во всех клетках есть рибосомы. Это понятно: такое соответствие должно поддерживаться средствами естественного отбора, а значит, оно должно быть функционально важным.
Соотношение между пиримидиновым составом молекул РНК (долей C и T нуклеотидов в участке последовательности РНК) и сродством с пиримидинами соответствующего участка аминокислотной последовательности белка. Источник: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3817144/bin/rna-10-1248-g1.jpg
Действительно, известны примеры, когда белки связываются со своей РНК, но эти примеры не очень распространены, несмотря на активное изучение РНК-белковых взаимодействий. Сложно поверить, что такое большое количество белков, причем из совершенно разных организмов (исследовалось 15 видов, принадлежащих к группам бактерий, архей и эукариот), взаимодействуют со своими РНК, и, что никто этого до сих пор не обнаружил. Тем не менее, можно представить несколько универсальных проблем, с которыми сталкивается клетка при синтезе любого белка:
1. Как остановить синтез белка, если его стало слишком много? Такая проблема имеет множество решений: есть специальные белки, которые избирательно останавливают либо синтез РНК, либо синтез белков в некоторых подобных случаях. Это могут быть белки, которые кодируются совсем другими молекулами РНК. Тем не менее, связывание белков со своей собственной РНК гипотетически может быть универсальным механизмом отрицательной обратной связи: если белка слишком много, он связывает свою РНК, и синтез новых молекул этого белка останавливается. На первый взгляд это применимо при синтезе почти любых белков почти в любом организме.
2. Достаточно часто белки сворачиваются неправильно, что представляет угрозу для клетки. Неправильно свернутые белки неправильно работают и могут нарушать всевозможные клеточные процессы. Поэтому пригодились бы универсальные механизмы устранения белков, которые плохо свернулись. Свернутый белок обладает сложной нелинейной структурой и, вероятно, будет хуже взаимодействовать со своей собственной РНК, чем белок, который свернулся плохо и имеет линейные, несвернутые участки. Такие участки белка, где бы они не возникали, могли бы связываться с собственной молекулой РНК, а образование такого комплекса могло бы служить сигналом, что белок некачественный и что его нужно устранить.
Эти гипотезы не выглядят убедительными и имеют ряд проблем, но если что-нибудь из этого окажется правдой хотя бы в некотором приближении, это будет очень интересно.
Сложно описать подробно все научные темы, которые обсуждались на школе. Лично мне запомнилась лекция доктора биологических наук Елизаветы Александровны Бонч-Осмоловской о термофильных бактериях, обитающих в самых разнообразных местах, некоторые из которых способны существовать при температуре около 120°C: вода может быть жидкой при такой температуре в условиях высокого давления, а белки могут сохранять устойчивость за счет, так называемых, дисульфидных мостиков – связей между атомами серы. Некоторые не менее интересные темы не упоминаются в этой статье только потому, что сколь-либо связанный рассказ о них потребует очень большого количества пояснений. Как я понимаю, лекции снимались на видео и вскоре будут доступны на сайте школы.
Кроме научной составляющей на школе была интересная командная работа для участников: коллективная попытка представить себе будущее биотехнологий, а также круглые столы, на которых обсуждали вопросы взаимодействия между научными коллективами, давали советы по написанию статей и рецензий, поиску финансирования для научных проектов, выбору лабораторий. Обсуждали и реформу РАН: присутствующие в целом разделили мнение, что современный вариант реформы не является благом для российской науки и требует пересмотра с полноправным участием представителей научного сообщества. В свободное время (после всех мероприятий) многих участников удавалось обучать социальному парному танцу – хастлу.
В целом, мне кажется, что это очень достойное мероприятие, стимулирующее развитие науки в нашей стране, и информацию о его существовании следует донести всем, кому это может быть интересно и тем, кто может поддержать этот молодой и очень перспективный проект.
Автор выражает благодарность организаторам мероприятия и всем, кто помогал проекту. Школа была организована совместно командой Future Biotech и командой «Современной биологии», возглавляемой профессором Михаилом Гельфандом и проходила при поддержке Центра инновационного развития Москвы, Российской венчурной компании (РВК), фонда “Династия”, Российского фонда фундаментальных исследований, ЗАО «БиоХимМак», а также ряда образовательных и информационных партнеров.
Автор также благодарен Евгении Дуевой за помощь в написании текста этой статьи и преподавании танцев.