Заразная идея: биологи мечтают оцифровывать кишечную палочку
Понимаете, какая у биологов мечта? Они грезят о воссоздании живого существа в компьютере. Дабы существо это, со молекулами и всеми генами, жило в машине и развивалось как в реальности.
Учёные говорят, что это «конечная цель биологии», по причине того, что возможности – фантастические.
Но создать в компьютере жизнь, кроме того в самом примитивном её понимании, очень тяжело. На то она и мечта, волнующая умы на протяжении многих лет. Не смотря на то, что это не означает, что учёные фантазируют со сложенными руками – они делают всё, что смогут.
И кое-что у них, как пишет New York Times, уже хорошо получается.
«Вы лишь представьте себе, что имеете возможность сесть за компьютер и проводить над животным различные опыты, замечая, как и что трудится, попутно выясняя, из-за чего это случилось, а это нет, — говорит канадский доктор наук Майкл Эллисон (Michael Ellison), биолог из университета Альберты (University of Alberta). — Мы не сможем совершить революцию в биологии, пока не обучимся моделировать живой организм».
Врач Эллисон — один из участников интернациональной группы биологов, каковые пробуют сделать фантазию действительностью. Шансы у них появились лишь в последние пара лет, а в то время, когда удастся достигнуть результата — остается только предпологать. И это притом, что учёные замахнулись всего лишь на Escherichia coli, скромного жителя людской кишечника.
Доктор наук Майкл Эллисон (фото University of Alberta).
Выбор в пользу E. coli, одной из любимейших учёными модели для биологических опытов, врач Эллисон растолковывает так: «Мы забрали самый несложный организм, о котором знаем больше всего».
Учёные вправду знают о кишечной палочке больше, чем о какой-либо второй разновидности на Земле. Но это вовсе не свидетельствует, что перенос бактерии в компьютер — лёгкая задача. Микроорганизм, найденный в 1885 году, всё ещё хранит кое-какие секреты.
Популярность E. coli стала расти в 1940-х годах, в то время, когда исследователи узнали, как применять бактерию для изучения генетики. В 1970-х учёные обучились «прививать» микробам чужую ДНК, перевоплотив их в собственного рода химические фабрики для производства громадного количества полезных составов, наподобие инсулина.
Во второй половине 90-ых годов двадцатого века был полностью расшифрован геном бактерии — биологи взяли возможность разглядеть все 4 тысячи 288 генов микроба, изучить их сотрудничества. Но «всецело решить» E. coli — к чему во второй половине 60-ых годов XX века 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.
Врач Гэвин Томас (фото University of York).
Лишь к концу 1990-х «окончательный разбор» кишечной палочки учёные смогли назвать возможным. «Должно быть, тайной для нас остаётся примерно 1 тысяча генов, — оценивает английский биолог Гэвин Томас (Gavin H. Thomas) из университета Йорка (University of York). — Нам ещё многое предстоит определить, перед тем как мы сможем выстроить вправду полноценную модель».
С целью этого в ноябре 2002 года был организован Интернациональный альянс (International E. coli Alliance — IECA). В эту организацию вошли канадцы из проекта Cybercell, японцы из Университета передовых биологических наук (IAB), британцы из группы IBEC, американцы из консорциума E.coli, фармацевтическая компания GlaxoSmithKline и многие другие.
Альянс распределил задачи между лабораториями, и началась реализация проектов, на протяжении которой учёные из различных государств иногда объединяют упрочнения.
Доктор наук Барри Уоннер (фото Purdue University).
«Было бы довольно глупо, в случае если б две либо три лаборатории занимались одним и тем же, наряду с этим соперничая между собой», — увидел Барри Уоннер (Barry L. Wanner) из университета Пардью (Purdue University). Он вместе с сотрудниками создал 3,9 тысячи разных штаммов кишечной палочки, любой из которых отличается от всех остальных отсутствием одного гена.
«Мы совершили с этими штаммами множество несложных тестов, но нам не по силам совершить с каждым из них сложный опыт, — признаётся Уоннер. — Но сто вторых лабораторий смогут это сделать». Он утвержает, что скоро учёные смогут заказать из «коллекции» любой штамм, дабы совершить собственное изучение.
Неспешно выясняя, как растёт E. coli, учёные начинают строить модели микроба, каковые отражают кое-какие образцы его поведения. «Это направление начинается весьма деятельно», — не без гордости заявляет Бернард Палссон (Bernhard Palsson) из университета Калифорнии (UCSD), он моделирует метаболизм бактерии, разбирается, как она расщепляет пищу ферментами.
Доктор наук Бернард Палссон (фото UCSD).
Палссон с сотрудниками реконструировал сотрудничества более1 тысячи генов метаболизма и может угадать, как скоро микроорганизм будет расти, приобретая пищу из разных источников, и как повлияет на рост удаление некоторых генов.
Калифорнийские учёные говорят, что точность «1000-генной» модели метаболизма достигает 78% и планируют увеличить количество генов в два раза.
Тем временем, исследователи под управлением Филиппа Клазеля (Philippe Cluzel) из лаборатории чикагского университета (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. В случае если жгутики крутятся против часовой стрелки, они планируют в связку, которая продвигает микроба вперёд. А вдруг микроорганизм поворачивает «двигатели» по часовой стрелке, связка распадается, и бактерия совершает кувырок.
Вот так, плавая и кувыркаясь, E. coli перемещается по собственному маленькому 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 практически как живая, но, конечно же, это далеко не та модель-мечта, к которой стремятся биологи. «Компьютерная» палочка обязана не только плавать, но и питаться, отбиваться от вирусов, копировать собственную ДНК и делать массу вторых задач в одно да и то же время. А это, как вы уже осознали, поразительно тяжело.
Однако, Барри Уоннер вместе с сотрудниками из Японии уже приступил к созданию первой зрелой модели — упрощённой E. coli, составляющей приблизительно четверть её уникального размера. Они попытаются «сколотить» группы по 100 генов и в течение двух лет неспешно довести количество генов до 1 тысячи.
Майкл Эллисон также создаёт виртуального близнеца в рамках одноимённого проекта (Project Gemini): «Отечественный подход пребывает в том, дабы отследить каждую биомолекулу в клетке в пространстве и времени», — сказал врач, в качестве доказательства уже смоделировавший имеющую форму пузыря мембрану, сделанную из 13 тысяч частиц.
Но дело ещё в том, что кроме того упрощённая модель E. coli будет такой сложной, что ни одна из существующих компьютерных программ её не осилит. «Иначе, компьютеры становятся всё замечательнее, исходя из этого мы до тех пор пока прорабатываем структуру и сохраняем надежду, что в течение 5 либо 10 лет компьютеры будут в состоянии совладать с данной задачей», — растолковал Эллисон.
«Кроме того если бы мы смогли сейчас создать модель всей бактерии, это не означало бы, что мы имели возможность осознать созданное, — додаёт Тьерри Эмонет (Thierry Emonet) из Университета Чикаго, — хитрость в том, что мы должны вести строительство ход за шагом, контролируя и изучая явления попеременно».
И вот представьте: какое количество трудится экспертов, сколько прикладывается упрочнений, сколько тратится времени, денег – и всё это, дабы перенести в компьютер изученный на протяжении и поперёк микроорганизм. Но таков путь биологов к мечте, ничего тут сделаешь.
