Примечания
1
Такая температурная отметка называется точкой Кюри. – Здесь и далее прим. ред., если не указано иное.
2
Паттерн (англ. «шаблон», «узор», «схема») – определенный способ организации элементов или процессов (атомов, клеток, экспрессии генов, распределения веществ и т. д.); часто понимается как повторяющаяся устойчивая картина, закономерность.
3
Способность клеток ориентироваться по жесткости или механическим напряжениям окружающей среды называют механочувствительностью. Для нормальных клеток типичен дуротаксис – склонность двигаться по градиенту жесткости, то есть в область среды с более высокой (из-за иного состава внеклеточного матрикса либо клеточного окружения) жесткостью. В случае клеток дотошные ученые чаще говорят не о жесткости (она обычно обусловлена мощным цитоскелетом) или мягкости, а о высоком или низком модуле Юнга («Биомеханика живой клетки», https://biomolecula.ru/articles/biomekhanika-zhivoi-kletki).
4
Дарвин Ч. Происхождение видов путем естественного отбора // Собр. соч. в 9 т. М.: Изд-во АН СССР, 1939. – Прим. перев.
5
Британский биолог Джон Эдвард Салстон (1942–2018) известен прежде всего как исследователь эмбрионального развития модельного червя Caenorhabditis elegans и как одна из центральных фигур в проектах прочтения геномов C. elegans и человека. Нобелевскую премию в 2002 году он получил совместно с Сиднеем Бреннером и Робертом Хорвицем «за открытия, связанные с генетической регуляцией развития органов и программируемой клеточной гибели». Салстон выступал за свободный доступ к научным данным и против патентования генетической информации, считая такой способ извлечения прибыли аморальным.
6
Нуклеотид = нуклеозид (азотистое основание + пятиуглеродный сахар) + фосфатная группа. В ДНК встречается четыре вида азотистых оснований: аденин (А), гуанин (Г), тимин (Т) и цитозин (Ц). Именно ими различаются нуклеотиды, а потому именно по ним мы и «читаем» ДНК (при этом, скажем, под буквой А мы обычно подразумеваем не само основание аденин, а нуклеотид аденозинмонофосфат целиком). Сахар, входящий в состав нуклеотидов ДНК, называется дезоксирибозой. Дезоксирибозы разных нуклеотидов соединяются друг с другом через фосфатные группы в цепочки, формируя остов ДНК (дезоксирибонуклеиновой кислоты), а азотистые основания как бы торчат из него.
7
Эти нити в реальности направлены противоположно друг другу, то есть антипараллельны.
8
Азотистые основания комплементарных цепей взаимодействуют друг с другом с помощью относительно слабых водородных связей.
9
История открытия метода, его суть, вариации и применения подробно и популярно описаны, например, в статье «12 методов в картинках: полимеразная цепная реакция» (https://biomolecula.ru/articles/metody-v-kartinkakh-polimeraznaia-tsepnaia-reaktsiia).
10
Если исходная молекула ДНК – та, что будет служить матрицей для синтеза новых цепей, – очень длинная, целиком ее копировать невозможно. Обычно на основе крупной матрицы намножают (амплифицируют) небольшие фрагменты ДНК.
11
Очевидно, что синтезированные копии ДНК тоже служат матрицами для построения новых молекул, однако амплификация в одной смеси не может длиться вечно: запас рабочей полимеразы, например, истощается примерно к 30-му циклу, и если необходимо, эту же ПЦР-смесь сильно разбавляют, внося новые ингредиенты, кроме исходной ДНК.
12
Этот процесс известен как молекулярное клонирование: амплифицируемую или исследуемую ДНК встраивают в векторы – генетически подправленные для той или иной цели небольшие молекулы ДНК (реже РНК) вирусного, бактериального или эукариотического происхождения. Для множества задач подходят, например, векторы на основе бактериальных плазмид (внехромосомных генетических элементов, способных реплицироваться в бактериях самостоятельно). Векторы защищают встроенный в них генетический материал от разрушения, помогают размножить его и изучить, доставить в нужный тип клеток, синтезировать на его основе полезные белки.
13
Полноразмерный GFP подходит не для всех подобных задач из-за риска искажения естественного поведения сшитых с ним белков.
14
Сориентировать в спектре и практическом применении улучшенных флуоресцентных белков может красочно иллюстрированная статья “Флуоресцентные белки: разнообразнее, чем вы думали!” (https://biomolecula.ru/articles/fluorestsentnye-belki-raznoobraznee-chem-vy-dumali).
15
Свежие представления о механизмах движения кинезина (и очень понятную картинку) можно найти в статье Fei J., Zhou R. Watching biomolecules stride in real time. Science. 2023; 379 (6636): 986–987. Короткая анимация: https://www.youtube.com/watch?v=ilgdFvit49Y.
16
Простая анимация процесса: https://www.youtube.com/watch?v=bvG0pstNyOo.
17
Поскольку инкубационный период куру изредка может превышать 50 лет, уход последних ее жертв зафиксировали лишь в 2000-х.
18
Увлекательная история этого открытия рассказана в статье «Разоблачитель белков-убийц» (https://biomolecula.ru/articles/razoblachitel-belkov-ubiits).
19
Это уже упоминавшаяся рентгеновская кристаллография (рентгеноструктурный анализ).
20
Дэвид Эллиот Шоу – американский миллиардер-биоинформатик, основатель хедж-фонда D. E. Shaw & Co и университетский профессор, увлеченный симуляцией молекулярной динамики белков.
21
В отличие от упомянутой раньше ДНК-полимеразы, РНК-полимераза не нуждается в короткой нуклеотидной затравке (праймере) для начала синтеза и в ферментах-помощниках (хеликазах) для расплетания цепей ДНК.
22
Разновидность РНК, которая служит шаблоном для синтеза белка, называется матричной или информационной: мРНК или иРНК.
23
Указанные 3 миллиарда п. н. – это средний размер гаплоидного генома, то есть содержимое гаплоидного набора хромосом: 22 аутосом и одной половой хромосомы, X или Y. По актуальным на 2023 год данным, гаплоидный геном женщины состоит из 3 054 815 472 п. н., мужчины – из 2 963 015 935. ДНК в составе митохондрий добавляет каждой клетке еще 16 569 п. н. Клетки человека, за исключением половых, содержат двойной (диплоидный) набор хромосом, а значит, 6 миллиардов п. н.
24
И расщелину нёба, и нарушения нервно-психического развития в рамках синдрома Х-сцепленной умственной отсталости (по типу Сидериуса) вызывают, в частности, мутации гена PHF8. Этот ген кодирует белок, который удаляет метильные группы с лизина, входящего в состав гистонов.
25
В грубом приближении вещество хромосом, хроматин, состоит из череды нуклеосом – ДНК, намотанной на бусины/катушки из восьми молекул коровых гистонов. Свободная ДНК между нуклеосомами, линкерная, на входе в нуклеосому и выходе из нее связана с отдельным линкерным гистоном. Комплекс нуклеосомы с линкерным гистоном называется хроматосомой.
26
Автор рассматривает в сокращенном виде прокариотический лактозный оперон из трех структурных генов: lacZ, lacY, lacA. У эукариот регуляция метаболических путей схожа по сути, однако реже базируется на оперонной организации – когда несколько генов, кодирующих функционально связанные белки, стоят друг за другом под общим промотором и считываются вместе, единой РНК, подчиняясь общим регуляторным сигналам.
27
Как правило, нужна небольшая оптимизация – подгонка кодонного состава (триплетов ДНК, кодирующих ту или иную аминокислоту) под предпочтения нового хозяина (https://biomolecula.ru/articles/takie-raznye-sinonimy).
28
Это высказывание традиционно приписывают Моно, хотя происхождение его достоверно неизвестно (см., например, Friedmann H. C. From Butyribacterium to E. Coli. Perspectives in Biology and Medicine. 2004; 47 (1): 47–66).
29
Джетлаг – комплекс разноплановых физиологических нарушений, обусловленных сбоем циркадных ритмов из-за быстрой смены нескольких часовых поясов.
30
К органеллам иногда причисляют и рибосомы. Эти молекулярные фабрики по производству белка есть в клетках всех живых существ и всегда лишены мембран.
31
Цепочки – это остатки длинных жирных кислот.
32
Это белки главного комплекса гистосовместимости, у человека называемые HLA-антигенами.
33
Во втором, редком для человека, типе контактов – электрическом синапсе – расстояние между мембранами двух клеток еще меньше – до 3,8 нанометра, – к тому же они соединены физически белковыми каналами. По таким синапсам нервные импульсы проходят быстрее, что полезно для молниеносных, примитивных рефлекторных ответов. Синапсы бывают и смешанными, использующими оба способа передачи сигнала.
34
У E. coli жгутики расположены по всему периметру клетки, и у каждого из них есть движущий элемент – ротор. Если ротор вращается против часовой стрелки, жгутики сплетаются в общий толстый жгут и работают скоординированно, толкая клетку вперед по относительно прямой линии; если ротор начинает вращаться по часовой стрелке, жгут расплетается и клетка недолго крутится на месте. Такие кувыркания ведут к смене направления дальнейшего прямолинейного движения. Эти два типа случайного движения постоянно чередуются, а частота их смены, способная корректировать направление, может зависеть от содержания в среде важных для бактерий веществ.
35
Дриш взял на вооружение аристотелевский термин энтелехия, вложив в него смысл нематериального фактора, который организует все живое, придавая биологическим процессам целесообразность, отличную от «машинной» целесообразности неживых, рукотворных систем.
36
Название even-skipped («четные пропущены») указывает на то, что этот ген экспрессируется только в нечетных сегментах мушиного эмбриона, в отличие от гена odd-skipped («нечетные пропущены»). Оба гена входят в группу pair-rule genes («гены парного правила»), с активации которой и начинается сегментация зародыша.
37
16S рРНК – рибосомная РНК, формирующая каркас малой субъединицы рибосом бактерий и архей. Она не только структурирует белки в составе рибосомы, но и организует ключевые взаимодействия в ходе трансляции. Ген 16S рРНК – 16S рДНК – используют как молекулярные часы для определения эволюционной дистанции между бактериями (их родства). Сравнивая изменчивые участки гена, нередко удается различить бактерии даже на уровне вида, что помогает еще и в диагностике инфекций. Эта методика спровоцировала масштабную перестройку в систематике прокариот, поскольку старый добрый морфологический анализ сильно уступал ей по точности, а для некультивируемых организмов был вообще невозможен.
38
Фрагменты из трагедий Шекспира «Юлий Цезарь» (в переводе И. Б. Мандельштама) и «Гамлет» (в переводе М. Л. Лозинского). – Прим. перев.
39
Донорский фекальный материал превращают в гомогенную суспензию, фильтруют и вводят чаще всего с помощью колоноскопа (самый эффективный способ), реже – через назодуоденальный зонд и исключительно редко – клизмой (https://biomolecula.ru/articles/chem-pakhnet-zdorove). Все эти способы не самые приятные и безопасные, но компания Seres Therapeutics недавно выпустила первый пероральный препарат (капсулы) из очищенных спор фекальных микроорганизмов. Эффективность и безопасность препарата VOWST в предотвращении рецидивов инфекции C. difficile оказались достаточными для его одобрения американским регулятором FDA в 2023 году (https://www.fda.gov/media/168274/download?attachment).
40
Цитата из романа «Анна Каренина».
41
Принцип работы T6SS в простейшем виде показан, например, в короткой анимации: https://www.youtube.com/watch?v=DsvrkB5ABLY.
42
Летом 2022 года команда Кима – лаборатория биомиметической микроинженерии (BioME Lab) – перебралась в Кливлендскую клинику (Исследовательский институт Лернера).
43
Эта зависимость описывается законом квадрата – куба: при пропорциональном увеличении объекта площадь его поверхности растет пропорционально квадрату масштабирующего коэффициента, а объем и масса – пропорционально кубу (иными словами, объем и масса прирастают быстрее площади поверхности).
44
Другое название этого африканского животного, похожего на мышь с хоботком, – слоновая землеройка.
45
Галилей Г. Беседы и математические доказательства, касающиеся двух новых отраслей науки, относящихся к механике и местному движению синьора Галилео Галилея Линчео, философа и первого математика светлейшего великого герцога тосканского. С приложением о центрах тяжести различных тел // Сочинения. Том 1. М. – Л.: Государственное технико-теоретическое издательство, 1934. – Прим. перев.
46
Сурфактанты – это поверхностно-активные вещества, те самые ПАВ, которые в разных вариациях встречаются на этикетке любого моющего средства.
47
Основной (базовый) обмен – энергозатраты на необходимый минимум реакций для поддержания нормальной жизнедеятельности в покое (температуры тела, кровообращения, дыхания и так далее).
48
Мандельброт Б. Б. Фрактальная геометрия природы. М.: Институт компьютерных исследований, 2002. – Прим. перев.
49
Речь идет о бактериофаге лямбда, заражающем кишечную палочку (Wu R., Kaiser A. D. Structure and base sequence in the cohesive ends of bacteriophage lambda DNA. Journal of Molecular Biology. 1968; 35: 523–537).
50
Понятно иллюстрированный обзор этого классического и новых методов секвенирования: https://biomolecula.ru/articles/metody-v-kartinkakh-sekvenirovanie-nukleinovykh-kislot.
51
Этот абсолютно рутинный в молекулярной биологии процесс разделения и визуализации молекул ДНК (РНК и белков тоже, но со своей спецификой) называется гель-электрофорезом. В секвенировании по Сэнгеру часто применяют капиллярный вариант электрофореза.
52
Эта разновидность ПЦР называется эмульсионной (из-за протекания в водно-масляной эмульсии). Она создает в капле целые молекулярные колонии за счет клональной амплификации единственного фрагмента из библиотеки одноцепочечных фрагментов генома (принцип понятно, но не идентично показан, например, в коротких видео: https://www.youtube.com/watch?v=qKouzbp1RWI и https://www.youtube.com/watch?v=N9rh_EPYnbA). В разных каплях параллельно множатся разные фрагменты. Такая предварительная амплификация работает на усиление сигнала в разных видах секвенирования.
53
Эти импульсы испускает ионный датчик (ионоселективный транзистор, ISFET), уловивший изменение pH в лунке, которое обусловлено выделением протона при встраивании правильного нуклеотида в растущую цепь ДНК, – принцип последовательного добавления разных типов оснований здесь тот же, что и в пиросеквенировании, но детекционные события запускает выход не пирофосфата, а иона водорода.
54
Перед этой, секвенирующей, реакцией фрагменты геномной ДНК фиксируют с помощью адаптеров и якорных праймеров в микроячейках общей подложки и там же амплифицируют, в итоге подложка оказывается покрытой миллионами кластеров ДНК, каждый из которых содержит около тысячи копий одного исходного фрагмента. Далее ДНК на подложке плавят и в тех же кластерах одноцепочечные молекулы секвенируют с помощью синтеза комплементарной цепи (иллюстративное видео: https://www.youtube.com/watch?v=womKfikWlxM).
55
Этот метод тоже основан на принципе секвенирования путем синтеза комплементарной цепи. Но матричные фрагменты здесь не нужно множить с помощью ПЦР, и они могут быть очень длинными, до нескольких десятков тысяч оснований (принцип метода лаконично представлен в видео: https://www.youtube.com/watch?v=NHCJ8PtYCFc).
56
В последних разработках Oxford Nanopore точность чтения, похоже, приблизилась к показателям Illumina (см., например, доклад А. М. Ермакова, эксперта по нанопоровому секвенированию из ИТЭБ РАН: https://www.youtube.com/watch?v=xiOm0-yyCm4). При этом нанопоровое секвенирование обеспечивает недостижимую для других технологий длину прочтений – сотни тысяч оснований и даже больше (здесь многое зависит от этапа выделения ДНК): это сильно облегчает сборку целых геномных последовательностей по сравнению с тем же Illumina. К тому же этот метод обычно обходится без амплификаций и модификаций ДНК и спокойно относится к сериям одинаковых нуклеотидов.
57
Некоторые секвенаторы – в частности, нанопоровые варианты – умеют секвенировать РНК напрямую, минуя этап синтеза кДНК, правда, теряя в производительности.
58
Белок CFTR может вносить вклад в патогенез муковисцидоза и за счет других своих функций, влияющих как на свойства эпителиального секрета (в частности, CFTR регулирует транспорт ионов натрия по другому каналу), так и на работу иммунной системы (Hanssens L. S. et al. CFTR Protein: Not Just a Chloride Channel? Cells. 2021; 10 (11): 2844).
59
Если известно, что конкретный вариант ОНП – например, А вместо доминирующего в популяции Ц – связан с какой-то болезнью, при оценке предрасположенности к ней «зондировать» проще именно на патологический вариант.
60
Такими формулировками в 1927 году Холмс выражал мнение судейского большинства по знаменитому делу «Бак против Белла». Эта история с принудительной стерилизацией и спецлагерями прекрасно иллюстрирует биологизацию социальной политики в эпоху расцвета евгеники в США. Разбор этого дела и темы в целом можно найти в книгах: Мукерджи С. Ген. Очень личная история. М.: Corpus, 2023; Оффит П. Ящик Пандоры: Семь историй о том, как наука может приносить нам вред. М.: Манн, Иванов и Фербер, 2020.
61
На русском языке эта серия комиксов Билла Уоттерсона издавалась в составе трех книг: «Кальвин и Хоббс. Все дни забиты до предела», «Кальвин и Хоббс. Здесь повсюду сокровища!» и «Убийственный психо-джунглевый кот».
62
Читатель может удивиться, откуда это именно по границам гена и в одной точке бактериальной плазмиды оказались нужные нам рестрикционные места. Конечно, узнаваемые той или иной рестриктазой последовательности нуклеотидов в любом большом геноме могут встречаться часто, и чем они короче, тем чаще. Но в этой работе ученые не полагаются на случайность: чаще всего они готовят праймеры для ПЦР с внесенными туда рестрикционными сайтами, чтобы те в ходе реакции вошли в состав размножаемого фрагмента с целевым геном. И плазмиды используют тоже не обычные, а модифицированные под нужды ученых (векторы) – в том числе сайтами узнавания самых ходовых рестриктаз и (не всегда) маркерами, которые дадут знать, что разрезанная плазмида не замкнулась сама на себя, а в нее таки встроился фрагмент ДНК. Все эти хитрые уловки и действия объединяет в себе технология под названием молекулярное клонирование.
63
Во втором варианте золотого риса ген из нарцисса, например, заменили геном из кукурузы.
64
В 2018 году употребление золотого риса в пищу одобрили национальные регуляторы здравоохранения Австралии, Новой Зеландии, Канады и США. Но как раз в этих странах, в отличие от Филиппин, едва ли многие нуждаются в таком продукте. В 2021 году филиппинские власти наконец разрешили коммерческое выращивание золотого риса, создав прецедент для всей Юго-Восточной и Южной Азии. В 2023 году Верховный суд Филиппин удовлетворил требования борцов анти-ГМО-фронта, спасающих сограждан с фатальным авитаминозом А от угроз каверзного риса, и обязал минсельхоз отозвать разрешение. Бангладеш все еще размышляет над одобрением коммерческого выращивания золотого риса. Иными словами, в проблемных регионах разработка так и остается запертой на опытных участках.
65
Иногда спейсеры идентичны участкам транспозонов или крупных плазмид, способных передаваться от бактерии к бактерии (конъюгативных плазмид).
66
О перипетиях, связанных с открытием системы CRISPR-Cas и патентованием технологий на ее основе, рассказывает, например, статья: https://biomolecula.ru/articles/crispr-epopeia-i-ee-geroi. Просто и наглядно поясняет принцип работы этой системы инфографика: https://biomolecula.ru/articles/prosto-o-slozhnom-crispr-cas.
67
Деятельность корпорации Meta Inc (Facebook, Instagram) решением российского суда признана экстремистской и запрещена на территории России.
68
Подробнее на русском языке процесс описан, например, в заметке: https://nplus1.ru/news/2019/10/21/prime-editing. Визуально поясняют заметку короткие анимации: https://www.youtube.com/watch?v=FzVV-AkS76I и https://www.youtube.com/watch?v=Ag4nSw3Z_Lk.
69
Речь идет о довольно распространенной мутации CCR5-Δ32 – делеции (выпадении) 32 п. н. из этого гена. Восприимчивость к ВИЧ снижается особенно сильно, если мутантные варианты получены от двух родителей, то есть функциональный рецептор CCR5 не образуется вовсе.
70
Эта мутация в гене CEP290 вызывает амавроз Лебера 10-го типа (LCA10). Обзор современного состояния (2023 год) генной терапии глазных болезней можно найти в статье: https://biomolecula.ru/articles/svet-v-kontse-tunnelia-gennaia-terapiia-boleznei-zreniia.
71
Кстати, у отредактированных девочек пока все отлично, им в октябре 2023-го исполнилось пять лет.
72
Биографии Габера и его первой жены, Клары Иммервар, производят сильное впечатление благодаря хитросплетениям таланта, триумфа, вины, предрассудков, драмы и трагедии. Судьба Габера в какой-то мере стала тренажером для иронических упражнений истории, о чем можно прочитать хотя бы в Википедии.
73
Тонкая механика мутагенной цепной реакции, лежащей в основе таких модификаций, наглядно показана, например, в статье: https://biomolecula.ru/articles/mutagennaia-tsepnaia-reaktsiia-redaktirovanie-genomov-na-grani-fantastiki. С историей и принципами генного драйва в целом знакомит работа: https://nauchkor.ru/media/chto-takoe-gennyy-drayv-i-kak-on-rabotaet-59c647305f1be722ab1ef5bf.