Современная генетика — это одно из самых многообещающих направлений в области биологии и медицины, и её считают профессией будущего. Первое знакомство с генетикой происходит ещё в школе. Но как же объяснить ученикам важность этой науки? Мы решили узнать у школьников, какие вопросы их интересуют, и задали их авторам нового учебного курса по генетике от ГК «Просвещение».
Чтобы заинтересовать учеников, важно использовать современные технологии и примеры из реальной жизни. Например, можно рассказать о достижения в области клонирования, таких как овца Долли, и о том, как учёные работают с ДНК для восстановления вымерших видов животных. Также стоит упомянуть о проектах по синтетической биологии, где создаются искусственные микроорганизмы и даже простые клеточные структуры. Эта информация может помочь ученикам понять, как генетика может менять наше восприятие жизни и будущего.
К тому же, обсуждение этических аспектов генетики, таких как редактирование генов с помощью CRISPR-технологий, может стимулировать гораздо более глубокие размышления и диалоги. Ученики, задавая вопросы о том, как мы можем использовать эти технологии для устранения генетических заболеваний или даже создания новых форм жизни, начинают видеть, как наука продолжает развиваться и как важен их вклад в будущее.
Генетика может возродить динозавров?
Нариман Баттулин, кандидат биологических наук, заведующий лабораторией генетики развития Института цитологии и генетики СО РАН
Окаменелости, обнаруженные в настоящее время, больше напоминают каменные образования, чем биологические ткани динозавров. ДНК в таких находках не сохранилась, поэтому у генетиков нет прямого доступа к генетическому материалу этих древних существ. Тем не менее, мы можем получить много информации о динозаврах, изучая их современных потомков — птиц. С точки зрения работы генома динозавры, существовавшие в юрском периоде, схожи с курами.
В общем, ДНК имеет определённый срок хранения. В идеальных условиях замороженные ткани могут сохранять ДНК до примерно миллиона лет. Таким образом, ДНК динозавров уже давно не существует, а вот ДНК мамонтов и шершащих носорогов, найденных в вечной мерзлоте Северного полюса, вполне возможно выделить и проанализировать. Как именно это делают палеогенетики, можно узнать из нашего учебного пособия.
Несмотря на то что ДНК мамонтов сохраняется в замороженных тканях, она заметно разрушена. Если в живом организме молекулы ДНК в хромосомах могут достигать длины 150 000 000 нуклеотидов, то в ископаемых тканях средняя длина фрагмента составляет лишь около 200 нуклеотидов.
Клонирование мамонтов не представляется возможным, поскольку для нормального развития эмбриону требуется целостная ДНК. Собрать молекулу из таких маленьких фрагментов — это всё равно что пытаться восстановить фарфоровую вазу, разбитую на 15 миллионов кусочков.
Поэтому живого динозавра или мамонта нам не удастся увидеть, но я надеюсь, что с использованием генной инженерии возможно будет создать волосатого indийского слона (такой проект сейчас в разработке), который будет практически как мамонт.
Существует также ряд других методов, таких как «геномное редактирование» с использованием технологии CRISPR, которые могут помочь в создании живых организмов с желаемыми свойствами. Однако такие исследования поднимают ряд этических вопросов и требуют тщательного контроля. В рамках генной инженерии исследователи также изучают возможность восстановления функций отдельных генов, связанных с характеристиками, присущими ископаемым видам.
Некоторые ученые рассматривают возможность создания «древесных ящеров» — современных рептилий с чертами древних видов. Также активно обсуждаются вопросы, как новые технологии могут помочь нам лучше понять эволюцию и адаптацию видов во времени. Исследования в области древней ДНК открывают новые горизонты в изучении биоразнообразия и экологии прошлых эпох.
Я смогу создать искусственного человека лет через 15, если пойду в генетики?
Вениамин Фишман, кандидат биологических наук, заведующий сектором геномных механизмов онтогенеза Института цитологии и генетики СО РАН
Следует отметить, что все живые организмы (за исключением вирусов) состоят из клеток, а сами клетки — из молекул. Ученые уже давно пытаются создать даже самую простую клетку — бактериальную — из отдельных молекул. Один из ярких примеров этого — эксперимент команды под руководством Крейга Вентера, который был опубликован в журнале Science в 2010 году.
Исследователи заменили бактериальный геном искусственно синтезированным и доказали, что такая «химическая» ДНК может контролировать жизнь простого живого существа.
Но не спешите радоваться — синтезировать другие клеточные компоненты, особенно белки, в лаборатории намного сложнее. ДНК бактерии в тысячу раз короче, чем у человека, и гораздо проще упакована. Поэтому в обозримом будущем создать жизнеспособную человеческую или бактериальную клетку в лабораторных условиях вряд ли получится.
Но есть хорошие новости. Клетки животных прекрасно адаптированы к сосуществованию – они разработали системы самоорганизации и взаимного контроля. Смешивая разные клетки, можно формировать нечто похожее на органы или ткани.
Особенно развита способность к самоорганизации у эмбриональных клеток, так как они должны координировать свои действия во время формирования эмбриона. Об этом у нас в книге есть целая глава. Ученые уже давно используют способность эмбриональных клеток к самоорганизации в попытках искусственного формирования и выращивания эмбрионов. Недавний прогресс, достигнутый группой Якоба Ханы, позволяет выращивать мышиные зародыши в искусственной матке до 11-го дня их развития, и это наводит на мысль, что выращивание искусственных людей может быть не такой уж недостижимой задачей.
Однако создание отдельных органов представляет собой большую трудность, так как зрелые клетки не так охотно самоорганизуются в различные ткани и структуры. В настоящее время многие учёные работают над этой проблемой — ведь никто не откажется от запасного сердца или почки, выращенной в генетической лаборатории. Это направление будет активно развиваться в течение следующих 15 лет.
У генетиков есть какой-нибудь план на случай всемирной катастрофы?
Сергей Седых, кандидат биологических наук, научный сотрудник лаборатории ферментов репарации Института химической биологии и фундаментальной медицины СО РАН
Давайте подробнее рассмотрим, что можно назвать «всемирной катастрофой». Острая проблема существует в области продовольствия. Около 10% населения Земли страдает от голода, и это трудно назвать иначе, как катастрофой.
Обеспечить продовольствием 8 миллиардов людей с помощью «обычных» методик селекции — скрещивания и отбора — вряд ли возможно. В нашей стране сейчас проходят испытания десятки трансгенных генетически модифицированных растительных сортов (с использованием технологии рекомбинантной ДНК) и сортов, созданных методом редактирования генома (технология CRISPR-Cas), и они уже разрешены к выращиванию в нескольких странах. Именно они помогут избежать продовольственной катастрофы.
Другой «катастрофой» может стать возникновение новой болезни, которая поразит население. В 2020 году знания, накопленные генетиками и специалистами по генной инженерии, позволили быстро разработать новые вакцины для предотвращения коронавирусной инфекции. Я уверен, что мы справимся и с другими вызовами.
Однако готовы ли генетики прийти на помощь человечеству в случае глобальной катастрофы? Мы готовы, но лучше, чтобы человечество заранее прислушивалось к советам ученых и не доводило ситуацию до критической.
Как работает лекарство от Covid-19?
Михаил Карташов, к. б. н., старший научный сотрудник отделения молекулярной вирусологии ГНЦ вирусологии и биотехнологии «Вектор»
Несмотря на кажущуюся простоту структуры, вирусы могут быть крайне опасными. Обычно лечение вирусных инфекций сводится к борьбе с их симптомами. В отличие от бактерий, на которые есть широкий ассортимент антибиотиков, эффективных методов против вирусов разработано пока очень немного (это задача для будущих поколений биологов).
Однако у вирусов есть одно слабое место, отличающее их от других живых организмов. Они нуждаются в проникновении в клетки хозяев для размножения. Эффективная мера борьбы с ними заключается в создании барьеров для этого процесса. Иммунная система, состоящая из клеток-киллеров и антител, защищает нас от вирусных инфекций. Более того, она обладает отличной памятью и надолго запоминает всех чужаков.
Чтобы иммунная система могла отразить угрозу коронавируса до того, как он попадет в организм, её нужно подготовить и снабдить необходимыми средствами. Это происходит благодаря вакцинации.
Учёные разработали различные виды вакцин против коронавируса. В одних из них представлены лишь небольшие фрагменты вируса, чем-то напоминающие элементы пазла. В других это может быть безвредный вирус, модифицированный так, что его часть напоминает коронавирус. В третьем варианте вирус полностью инактивирован. Главное, что вакцина безопасна для организма, но помогает иммунной системе распознать врага!
У мармеладного медведя тоже есть ДНК?
Елена Воронина, к. б. н., доцент, научный сотрудник лаборатории фармакогеномики Института химической биологии и фундаментальной медицины
Мармеладные мишки производят из желатина или агара. В состав этих сладостей входят также сахар, глюкозный сироп, крахмал, специи, лимонная кислота и пищевые красители.
ДНК не указана среди компонентов, но желатин получают из хрящей животных, в которых содержатся клетки, а в них — ДНК. Таким образом, в мармеладном мишке могут оставить следы ДНК животного, использованного для производства желатина.
Тем не менее, стоит отметить, что при производстве желатина из хрящей он подвергается длительному кипению, в результате которого ДНК разрушается. Следовательно, даже если в мармеладных мишках и остается ДНК, то её количество крайне мало, и она сильно повреждена.
Агар, получаемый из водорослей, также может содержать незначительные остатки их ДНК, но в ничтожных количествах. Выделить ДНК из мармеладного медвежонка невозможно, так как желатин и агар мешают выделению ДНК, запутывая её молекулы.
