От CRISPR до светящихся белков и оптогенетики - самые мощные технологии ученых были позаимствованы у природы

Уотсон и Крик, Шредингер и Эйнштейн - все они совершили теоретические открытия, изменившие мировое представление о науке.

Сегодня большие, судьбоносные идеи встречаются все реже. Движущей силой современных научных исследований и открытий являются новые и усовершенствованные методы. Они позволяют ученым проводить эксперименты быстрее, чем раньше, и проливают свет на области науки, скрытые от наших предшественников.

Три новейшие технологии - инструмент редактирования генов CRISPR, флуоресцентные белки и оптогенетика - были вдохновлены природой. Биомолекулярные инструменты, которые миллионы лет работали на бактериях, медузах и водорослях, теперь используются в медицине и биологических исследованиях. Прямо или косвенно они изменят жизнь обычных людей.

Бактерии и вирусы борются сами с собой и друг с другом. Они находятся в состоянии постоянной биохимической войны, конкурируя за ограниченные ресурсы.

Одним из видов оружия, имеющегося в арсенале бактерий, является система CRISPR-Cas. Она представляет собой генетическую библиотеку, состоящую из коротких повторов ДНК, собранных со временем из враждебных вирусов, в паре с белком Cas, способным разрезать вирусную ДНК, словно ножницами. В природе, когда бактерии подвергаются атаке вирусов, ДНК которых хранится в архиве CRISPR, система CRISPR-Cas выслеживает, разрезает и уничтожает вирусную ДНК.

Ученые перепрофилировали это оружие для собственного использования, добившись революционного эффекта. Дженнифер Дудна, биохимик из Калифорнийского университета в Беркли, и французский микробиолог Эммануэль Шарпантье разделили Нобелевскую премию по химии 2020 года за разработку CRISPR-Cas как метода редактирования генов.

Проект "Геном человека" позволил получить практически полную генетическую последовательность человека и дал ученым образец для последовательности всех других организмов. Однако до появления CRISPR-Cas у исследователей не было инструментов для легкого доступа к генам живых организмов и их редактирования. Сегодня, благодаря CRISPR-Cas, лабораторная работа, которая раньше занимала месяцы и годы и стоила сотни тысяч долларов, может быть выполнена менее чем за неделю и всего за несколько сотен долларов.

Существует более 10 000 генетических заболеваний, вызванных мутациями, происходящими только в одном гене, - так называемые одногенные заболевания. Ими страдают миллионы людей. Серповидно-клеточная анемия, муковисцидоз и болезнь Хантингтона - одни из самых известных таких заболеваний. Все они являются очевидными мишенями для CRISPR-терапии, поскольку гораздо проще исправить или заменить только один дефектный ген, чем исправлять ошибки в нескольких генах.

Например, в доклинических исследованиях ученые вводили инкапсулированную CRISPR-систему пациентам, родившимся с редким генетическим заболеванием - транстиретиновым амилоидозом, вызывающим фатальные нервные и сердечные заболевания. Предварительные результаты исследования показали, что CRISPR-Cas можно вводить непосредственно пациентам таким образом, чтобы найти и отредактировать дефектные гены, связанные с заболеванием. У шести пациентов, включенных в эту эпохальную работу, инкапсулированные минимиссеты CRISPR-Cas достигли генов-мишеней и выполнили свою работу, вызвав значительное снижение уровня неправильно сформованного белка, связанного с заболеванием.

Кристаллическая медуза Aequorea victoria, бесцельно дрейфующая в северной части Тихого океана, не имеет ни мозга, ни ануса, ни ядовитых жал. Это маловероятный кандидат на то, чтобы зажечь революцию в биотехнологии. Однако на периферии его зонтика расположено около 300 фотоорганов, испускающих точечные лучи зеленого света, которые изменили представление о науке.

Биолюминесцентный свет медузы обусловлен наличием люминесцентного белка aequorin и флуоресцентной молекулы green fluorescent protein, или GFP. В современной биотехнологии GFP выступает в роли молекулярной лампочки, которая может быть соединена с другими белками, что позволяет исследователям отслеживать их и видеть, когда и где белки производятся в клетках живых организмов. Технология флуоресцентных белков ежедневно используется в тысячах лабораторий и стала причиной присуждения двух Нобелевских премий - в 2008 и 2014 годах. А флуоресцентные белки теперь обнаружены у многих видов животных.

Эта технология в очередной раз доказала свою полезность, когда исследователи создали генетически модифицированные вирусы COVID-19, экспрессирующие GFP. Возникающая при этом флуоресценция позволяет проследить путь вирусов, когда они попадают в дыхательную систему и связываются с поверхностными клетками с волосовидными структурами.

Когда водоросли, рост которых зависит от солнечного света, помещают в большой аквариум в затемненной комнате, они бесцельно плавают вокруг. Но если включить лампу, водоросли поплывут к свету. У одноклеточных жгутиконосцев, названных так из-за хлыстообразных придатков, с помощью которых они передвигаются, нет глаз. Вместо этого они имеют структуру, называемую глазным пятном, которая различает свет и темноту. Глазное пятно усеяно светочувствительными белками, называемыми каналодопсинами.

В начале 2000-х годов исследователи обнаружили, что если генетически внедрить эти каналодопсины в нервные клетки любого организма, то освещение каналодопсинов синим светом вызывает возбуждение нейронов. Этот метод, известный как оптогенетика, предполагает введение в нейроны гена водоросли, производящей каналодопсин. Когда на нейроны направляется точечный пучок синего света, каналодопсины открываются, ионы кальция проникают в нейроны, и нейроны начинают работать.

Используя этот инструмент, ученые могут избирательно и многократно стимулировать группы нейронов, тем самым получая более точное представление о том, на какие нейроны следует воздействовать для лечения конкретных расстройств и заболеваний. Оптогенетика может стать ключом к лечению таких изнурительных и смертельно опасных заболеваний мозга, как болезнь Альцгеймера и болезнь Паркинсона.

Но оптогенетика полезна не только для изучения мозга. Исследователи использовали оптогенетические методы для частичного восстановления слепоты и получили многообещающие результаты в клинических испытаниях оптогенетики на пациентах с пигментным ретинитом - группой генетических заболеваний, разрушающих клетки сетчатки. А в исследованиях на мышах этот метод был использован для управления сердцебиением и регулирования работы кишечника мышей, страдающих запорами.

Какие еще неизведанные приемы хранит для нас природа?

Согласно исследованию 2018 г., люди составляют всего 0,01% от общего числа живых существ по массе, но за короткое время существования на Земле они уничтожили 83% всех диких млекопитающих и половину всех растений. Уничтожая природу, человечество, возможно, упускает новые, мощные и меняющие жизнь технологии, даже не представляя их себе.

В конце концов, никто не мог предположить, что открытие трех революционных процессов, происходящих из природы, может изменить подход к науке.