Состояние анабиоза, возможность живого организма на время «отключить» все системы жизнеобеспечения, а после снова их запустить, будоражил воображение и учёных, и научных фантастов. Пока об анабиозе человеческого организма говорят только первые (как иначе перенести космическое путешествие длительностью в несколько десятков лет?). Но сам принцип «отключения» и «включения» жизни в простейших живых клетках используется уже сегодня, например, для хранения или транспортировки биоматериала, используемого в научных и медицинских целях.
До сих пор «заархивировать» живые клетки получалось только при низких температурах (именно таковы условия, при которых в анабиоз впадают всем известные лягушки и другие хладнокровные, обладающие такой способностью). Но учёные из международной группы, куда входит группа из Института фундаментальной медицины и биологии Казанского федерального университета под руководством Олега Гусева, предлагают альтернативный способ, который позволит снизить затраты на поддержание условий хранения. Вместо того, чтобы держать биоматериал в замороженном состоянии, учёные предлагают его обезвоживать по технологии, сохраняющей жизнь в клетках и хранить при комнатной температуре.
Очень мало живых существ умеют «засыпать» при обезвоживании. Один из примеров – непримечательный вид комара-звонца из Нигерии и Уганды, многочисленные родственники которого такой способностью не обладают. Будущие технологии хранения обезвоженных клеток «подсмотрены» именно у него
Доклад с продолжением
Интересно, что этот проект зародился на Московской конференции по молекулярной биологии (MCCMB) в 2013 году (конференция проходит раз в два года). «Люди просто встретились на нашей конференции и стали разговаривать», – сказал Михаил Гельфанд, заместитель директора по научным вопросам Института проблем передачи информации им. А.А.Харкевича РАН, который является соорганизатором конференции.
«Дело в том, что есть разные подходы к ведению научных исследований. Есть подходы, где используются модельные организмы (мыши, люди). Эти исследования особо актуальны для общества, и там большая конкуренция. Мы же используем уникальные организмы, – отметил Олег Гусев. – В какой-то момент стало понятно, что системный биологический подход – это глубокое понимание геномики, транскриптомики, – тоже очень важен. Этим вопросом занимается достаточно ограниченная группа людей, и до недавнего времени центр этих исследований располагался в Японии. Так совпало, что на прошлой конференции МССМВ собрались лучшие биоинформатики и системные биологи всей России и не только. И как-то спонтанно получился наш проект».
На самом деле появление такого проекта не просто совпадение. Конференция в принципе нацелена на то, чтобы биоинформатики, занимающиеся проблемами из разных областей, имели возможность обменяться мнениями. «После конференции был произнесён очень хороший тост:
биологи обсуждают, может ли эволюционно появиться механизм, облегчающий эволюцию? Такая большая теоретическая проблема. И эта конференция точно является таким механизмом в силу ее «бардачного» характера, то есть, широкого разнообразия», –
в свойственной ему ироничной манере прокомментировал Гельфанд.
Как африканский комар сделал свой вклад в науку
Что же касается проекта с участием Олег Гусева, STRF.ru уже кратко писал об этом исследовании. Механизм замедления метаболизма учёные «подсмотрели» у личинок африканского комара-звонца Polypedilum vanderplanki (известного также как мотыль), которые способны длительное время существовать в состоянии ангидробиоза, практически полного обезвоживания.
Трегалозу впервые выделили из спорыньи – грибка поражающего, в частности злаковые
Личинки заинтересовали учёных ещё и потому, что это одни из немногих сложно устроенных представителей фауны, приспособившийся к обезвоживанию. «Мы имеем дело с естественным примером того, как можно хранить при полном отсутствии воды различные ткани с достаточно сложной системой организации», – пояснил такой выбор Олег Гусев. Что интересно, взрослые особи комара-звонца не имеют способности к ангидробиозу.
Учёные выявили несколько особенностей, позволяющих личинкам африканского комара безболезненно «уйти в гибернацию». Во-первых, у мотыля в процессе десикации, который в природе занимает около 2 дней, вырабатываются так называемые LEA-белки. Такие белкам синтезируются в семенах растений, благодаря чему семена устойчивы к высушиванию. Кроме того, у африканских личинок есть гены антиоксидантов и набор ферментов, которые предотвращают старение белков, частично восстанавливая повреждённые аминокислоты. Наконец, третья важная особенность – это замещение воды в теле личинки на сахар трегалозу.
Природных источников трегалозы не так много, много ее содержится в выделениях из ясеня после укола насекомых. В промышленных масштабах получают химическим путем из крахмала
«Получается «молекулярный щит», только не снаружи, а внутри организма, – пояснил Олег Гусев. – А когда появляется вода, и происходит возвращение к жизни, химические процессы запускаются практически мгновенно. Сахара разлагаются, и за счёт этого происходит выброс энергии, который используется личинкой на начальном этапе».
Теперь исследователи узнали, что и другие клетки можно «запрограммировать» на ангидробиоз. Стадия, на которой дессикация возможна, – это эмбриональный период, когда клетки будущего организме ещё не приобрели строгой дифференциации. «В этот момент и в эти клетки можно ввести эту способность к криптобиозу (обезвоживанию с возможностью последующего восстановления – Ред.) искусственным способом. Но храня их в растворе трегалозы», – пояснил Гусев. Уже проведён ряд опытов, доказывающих эту теорию.
Вакцина «сделай сам»
Учёные видят несколько будущих применений своей методики. Во-первых, возможность хранить биоматериал для исследовательских лабораторий без специальных холодильных установок существенно снизила бы расходы центров и повысила их энергоэффективность. Та же технология с успехом могла бы применяться и в промышленности.
Помимо более экономичного хранения самих клеток новая технология поможет синтезировать определённые белки, применяемые, например, в создании вакцин.
«Предствьте себе, что вакцину можно синтезировать в этих клетках и достаточно быстро высушить. Вакцина превратится в порошок, это будет гораздо удобнее для полевых условий, чем то, что мы имеем сейчас. При необходимости – как в детстве у нас было? «Yupi – просто добавь воды», добавляешь, клетки оживают, и из них выделяют необходимый элемент», – рассуждает Гусев.
За прошедшие с начала исследований два года к ним проявили интерес различные научные коллективы из России, в их числе группы ИППИ РАН, «Сколтех» и другие. Ряд тем (в том числе в рамках международной коллаборации с Японией) направленных на понимание различных аспектов ангидробиоза – от устойчивости личинок к сверхвысоким дозам радиации до разработки протоколов синтеза целевых белков в ангидробиотических клетках были поддержаны грантами РНФ и РФФИ, Федеральной программой "Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014–2020 годы", а также Программой повышения конкурентоспособности Казанского федерального университета среди мировых ВУЗов.
Теперь в стенах Казанского федерального университета функционирует целая международная лаборатория “Экстремальная биология”, работа которой напрямую связана с изучением уникальных адаптаций животных и биомиметикой.