기억 관장하는 뇌세포 "컴퓨터보다 똑똑하네"

기억 관장하는 뇌세포 "컴퓨터보다 똑똑하네" (뉴시스, 2009.2.10)

'그 사람 이름이 뭐더라?' 사람 이름이나 중요한 약속을 잊어버리는 일이 다반사다. 심지어 대화 도중 무슨 말을 하려고 했는지 생각나지 않는 경우도 있다. 도대체 왜 기억나지 않는 걸까. 기억이 어떻게 생성되고 저장되는지 '기억에 관한 모든 것'이 지금 여기 있다.

◇ 내 머리 속의 '타임스탬프'
수천 개의 뇌세포는 오늘도 당신의 머릿속에서 새로 생성되고 있다. 이 '신상 뇌세포'를 미국 소크 연구소 생물학연구팀과 호주 퀸즈랜드 대학 연구팀이 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 관찰했다. 실험 수행 후 얻은 결과는 바로 뇌세포가 '타임스탬프 역할'을 한다는 것. 타임스탬프는 주로 시각이나 시점을 기록할 때 쓰는 산업용 기록 장치를 일컫는 것으로, 연구팀은 "'신상 뇌세포'가 인체 속의 타임스탬프 역할을 해 기억을 만든다"고 뉴론 저널을 통해 발표했다.

그러나 연구팀은 "뇌세포가 '2009년 2월4일 무슨 일이 발생했음'이라고 특정날짜를 기억하는 것이 아니다"고 밝혔다. 대신에 비슷한 시간 혹은 동 시간에 발생한 사건들을 암호화해서 일의 선후관계를 파악한다는 것이 연구팀의 설명.

또한 서로 다른 A와 B라는 사건이 일어나는 동안에 같은 뇌세포가 활동했다면, 이 두 사건은 하나의 기억으로 연결돼 만들어진다고 한다. 예를 들면 당신이 식사를 하고 영화를 보러 갔을 때 뇌세포는 그 일을 한데 묶어 하나의 기억으로 만든다는 것이다. 때때로 영화 보러 갔던 날짜가 기억나지 않을 때 "그날 우리가 영화보기 전에 00레스토랑에 갔었지? 그러니까 그날이 4일이겠다"라고 말하는 이유가 바로 여기에 있다.

연구팀은 또 "새로 생성된 뇌세포는 일정 기간 동안 일어나는 모든 일에 반응한다"고 말했다. 특정 사건과 시각이나 촉각 같은 감각과도 잘 연결시킨다는 뜻이다. 당신이 길을 지나다 팝콘 냄새를 맡고 며칠 전에 보러갔던 영화를 기억하는 사례가 바로 여기에 해당한다.

뇌는 섬세하고 똑똑하게 일한다. 기억도 효율적으로 단기기억과 장기기억으로 나눠 관리한다. 단기기억 저장소는 지금 후딱 지나가고 말 일들의 기억을 담당하고, 장기기억 저장소는 꽤 오래 전 있었던 사건을 회상하는 일을 담당한다.

그런데 최근 뉴로 사이언스 저널에 게재된 한 연구는 기억이 분리돼 관리될 뿐 아니라 단기기억소와 장기기억소의 위치도 각기 다른 것으로 나타났다.

연구팀은 연구 참여자들에게 지난 30년간 일어났던 일을 회상해보라고 주문했다. 그랬더니 단기기억 능력과 관련 있는 해마는 최근 1년간의 사건을 생각할 때 가장 활발히 활동했던 것으로 밝혀졌다. 또한 오래 전에 일어난 사건일수록 해마의 활동량이 점차 감소하는 것으로 드러났다. 13년 이후부터는 지속적으로 낮은 활동량을 보였다.

반면에 오래된 추억을 이야기 할수록 두개골 앞부분과 측면, 정수리 부분의 대뇌피질 활동은 활성화 된다고 연구팀은 밝혔다. 이는 위에 나타난 부분들이 장기기억의 저장을 담당한다는 것을 뜻하는 동시에 단기기억소와 장기기억소의 위치가 다르다는 사실을 알려준다.

실험에 참여한 래리 스콰이어 캘리포니아 대 정신의학교수는 "이번 연구는 알츠하이머 환자들이 최근 일어난 사건은 잘 기억하지 못하는 반면 오래 전 일어난 사건은 비교적 수월하게 기억하는 이유를 말해준다"고 설명했다.

◇ 알고 보면 똘똘한 뇌의 단기기억 능력
오래 기억하는 것을 '머리 좋다' 평하는 우리로서는 단기기억을 관장하는 곳이 장기기억을 관리하는 곳보다 덜 중요해 보일지도 모른다. 하지만 단기기억소는 기억을 저장하는 데 생각보다 큰 역할을 한다는 연구결과가 최근 발표됐다. 단일 신경세포로도 수많은 정보를 완벽하게 저장하고 처리하게 할 수 있다는 것이다.

텍사스 사우스웨스턴 대학교 메디컬 센터 돈 쿠퍼 교수는 "뇌 앞쪽에 위치하고 있는 단일신경세포만으로도 상당한 기억을 유지하는 것으로 밝혀졌다"고 네이처 뉴로 사이언스 2월호에 게재했다.

또 이 연구로 약물복용과 단기기억능력 저하간의 관계도 밝혀졌다. 쿠퍼 교수는 "실험용 쥐에 코카인을 투입시킨 결과, 약물복용으로 단기기억능력이 훼손되는 이유를 알 수 있었다"며 "코카인이 도파민을 생성시켜 단기 정보를 기억하는 세포의 능력을 감소시켰다"고 밝혔다.

연구 결과를 접한 미셸 쿠하 에모리 대 신경약리학 교수는 "단기기억을 관장하는 곳에 문제가 있을 경우 주의력결핍과잉행동장애(ADHD)나 정서장애 문제가 생기게 된다"며 "이번 연구결과로 신경조직에 관한 약들이 주의결핍과 같은 장애를 앓고 있는 사람들을 도와줄 수 있을 것"이라고 말했다.

연지연 인턴기자 ackkamomo@newsis.com  

http://media.daum.net/foreign/others/view.html?cateid=1046&newsid=20090210093109319&p=newsis 

혼돈의 시대 ‘정치생태학’에서 해법을 찾다

혼돈의 시대 ‘정치생태학’에서 해법을 찾다 (한겨레, 2009.4.10)

21세기 진보 지식인 지도 /

⑦ 브뤼노 라투르

1947년에 프랑스 부르고뉴 지방의 중심인 본의 와인제조업 집안에서 태어났다. 철학과 인류학을 공부했으며, 미국 소크생물학연구소의 한 실험실에 대한 민족지 연구를 통해 과학적 사실이 구성되는 과정을 분석한 <실험실 생활>로 국제적 주목을 받기 시작하였다. 이후 동료인 미셸 칼롱과 더불어 행위자-연결망 이론을 정립하면서, <프랑스의 파스퇴르화>, <과학의 실천> 등의 저서를 발표하여 과학기술학의 대표적 학자로 부상하였다. 1990년대에는 자신의 이론을 생태적 정치철학으로 발전시킨 <우리는 근대적이었던 적이 없었다> <자연의 정치학> 등의 저서로 더욱 각광을 받았고 인문·사회과학 전반에 걸쳐 영향력을 넓히게 되었다. 행위자-연결망 이론의 산실인 국립고등광업대학교 혁신사회학센터의 교수로 20년 넘게 재직하다가, 2006년에 파리 정치연구대학교의 사회학 교수로 옮겨 왕성하게 활동하고 있다.(www.bruno-latour.fr)

수많은 잡종들의 탄생, 온난화, 이로 인한 생태위기 등 과학기술의 생산 및 소비와 관련된 엄청난 집단적 실험은 그동안 아무런 정당한 과정도 없이 결정되어 왔다. 인간과 비인간이 좀더 바람직하게 결합하기 위해서는 모든 과학기술의 산물이 논란과 타협, 조정의 정당한 과정을 거쳐야 한다.

브뤼노 라투르는 과학기술학에서 출발하여 정치생태학에까지 그 사상의 폭을 넓혀 다양한 분야에서 국제적으로 주목을 받고 있는 학자다. 그가 동료인 미셸 칼롱과 더불어 1980년대에 과학기술학 분야에서 구축한 독특한 접근은 ‘행위자-연결망 이론’이란 이름으로 널리 알려져 있다. 이 이론에서는 과학과 기술을 자연 실재의 단순한 반영으로 보는 입장이나 사회 실재에 의해 구성되는 것으로 보는 입장 모두를 거부한다. 그 대신에 행위자-연결망 이론은 인간과 비인간을 포함한 다양한 이질적 행위자들이 동맹을 맺어 공고한 연결망의 구축을 성취할 때 성공적으로 과학과 기술이 출현하며, 이 과정에서 사회 역시 새로운 모습으로 구성된다고 주장한다. 곧 과학기술과 사회는 연결망 구축의 결과로서 공동생산된다는 것이다. 이를 잘 보여주는 것이 파스퇴르의 탄저병 백신 개발에 관한 라투르의 사례 연구다.

1870년대 후반에 탄저병은 프랑스 전역에서 수많은 가축, 축산농민, 수의사, 위생학자를 괴롭히던 치명적인 전염병이었다. 이 병은 지역별로 숱한 변이를 보였기 때문에 세균과 같은 단일한 원인과는 무관한 것으로 보였고 따라서 실험실 과학과는 연관이 없다고 흔히 믿었다. 그러나 파스퇴르는 탄저병이 발생한 농장에 임시 실험실을 차려 농민과 수의사에게 정보를 얻고 이를 자신의 실험과학 언어로 번역하였다. 그리고 농장에서 채취한 탄저균을 파리의 실험실로 가져와 본격적으로 분리 배양하는 실험에 착수하였다. 그는 이미 약화된 닭콜레라 배양균이 백신의 역할을 한다는 점을 알고 있었기 때문에, 비슷한 방식으로 만든 탄저균 백신을 동물에게 주사하여 병독성의 다양한 변이를 실험실에서 모방하고 통제할 수 있게 되었다. 마침내 1881년 파스퇴르는 농업협회의 후원으로 푸이 르포르 마을의 농장에서 많은 사람들과 언론이 지켜보는 가운데 탄저병 백신의 공개 시연을 열었고 결과는 파스퇴르가 예상했던 대로 대성공이었다.

푸이 르포르의 야외 실험이 성공했던 것은 사람들에겐 기적처럼 보였지만 사실은 실험실과 동일한 조건(소독·청결·보존·주사 동작·타이밍·기록 등)을 단순히 농장으로 확장시킨 덕분이었다. 이 실험 이후 탄저병을 해결하고자 하는 모든 집단들에게 다음과 같은 확신이 생겨났다. “만일 당신의 가축들을 탄저병으로부터 구하고 싶다면 파리에 있는 파스퇴르의 실험실에 백신 플라스크를 주문하라.” 이에 따라 탄저병 백신이 공급되는 상업적 회로 비슷한 것이 파스퇴르 실험실에서 프랑스 전역으로 확산되었고 정부의 통계기구는 탄저병의 전국적 감소를 도표로 기록했다. 이 사례 연구는 파스퇴르의 위대함을 찬양하려는 것이 아니라, 과학이 성공하기 위해서는 많은 이질적인 행위자들(탄저균·가축·농민·수의사·위생학자·언론·정부 등)이 과학자의 실험실과 연결되고 이를 통해 구축된 공고한 이해관계의 동맹이 있어야 한다는 점을 보여주려는 것이었다. 그리고 탄저병 백신을 둘러싼 이 행위자-연결망이 구축되기 전과 후의 프랑스 사회는 상당히 다르기 때문에 사회 역시 연결망 구축의 원인이 아닌 결과라고 말할 수 있다는 것이다.

1990년대 탈냉전과 생태 위기의 본격적 전개에 따라 라투르는 행위자-연결망 이론이 이러한 지구적 문제에 던지는 철학적·정치적 함의를 모색하는 쪽으로 연구를 확대하였다. 그는 탈냉전이 기존의 낡은 근대주의적 정치를 벗어나 이제야말로 평화시대에 걸맞은 새로운 정치를 할 기회를 좌파에게 제공하고 있다고 강조한다. 그에 의하면 냉전 시대에는 그 치열했던 계급전쟁에도 불구하고 사실상 좌파와 우파 사이에 그리 큰 차이가 없었다. 즉 근대화의 필요성, 진보의 불가피성, 경제의 토대적 역할, 과학기술의 가치중립성 등에 대해 다양한 우파와 좌파 사이에 항상 깊은 의견일치가 있었다는 것이다. 그런데 탈냉전 이후에 우파뿐 아니라 좌파도 역시 ‘지구화’, ‘시장의 자유’, ‘탈규제’, ‘유연성’, ‘기술혁신’ 등을 외치며 누가 근대화를 더 잘 근대화하느냐를 두고 다투고 있을 뿐이라고 그는 꼬집는다. 오늘날 진정 중요한 문제는 수십억의 사람과 동물과 사물의 운명에 영향을 주는 지구 온난화, 종의 보존, 인구 증가, 환경오염, 유전공학의 영향 등이라고 그는 지적한다. 과학기술의 생산 및 소비와 관련된 이런 엄청난 ‘집단적 실험’이 그동안 아무 의정서도, 피드백 기회도, 사후보고도, 기록보관도, 모니터링도, 정당한 정치 과정도 없이 결정되어 왔다는 것이다.

“근대화냐, 생태화냐”로 요약되는 그의 문제의식에서, 좌파는 근대화의 심화에 몰두하는 우파와 이제야말로 진정한 차이를 만들 기회를 만났다고 지적된다. 그러나 그가 주장하는 생태화는 “자연으로 돌아가라”고 외치는 현재의 녹색운동과는 다르다. 비인간들로만 구성된 절대적 ‘자연’ 개념에 의존하고 있는 녹색운동은 문제의 궁극적 원인인 근대주의를 탈피한 것이 결코 아니기 때문이다. 근대주의에서는 모든 실체들을 두 가지의 완전히 분리되는 존재론적 영역인 순수한 비인간들의 세계와 순수한 인간들의 세계로 나누고 있다. 이것은 데카르트의 물질/정신 이원론에서 비롯되어, 칸트의 객체/주체 이분법으로 전개되었고, 뒤르켐의 사회학에 와서는 자연/사회의 이분법으로 고정되었다. 여기서 전자는 물리법칙이 지배하는 ‘사실’의 세계이고, 후자는 영혼과 자유의지가 작동하는 ‘가치’의 세계로 간주된다. 근대인들은 의식으로는 이런 이분법에 몰두하고 있으면서 무의식적으로는 행위자-연결망을 통해 점점 더 수많은 잡종들을 양산하여 생태 위기를 초래하고 있다. 과학과 기술을 통해 만들어진 모든 사실과 인공물이 이러한 잡종들인데, 근대인들은 이들을 순수한 비인간으로 간주하여 ‘사실’ 세계로만 단순히 파악하려는 오류를 범하기 때문이다.

따라서 라투르는 새로운 정치생태학을 제안한다. 그것은 절대적 실재로서의 ‘자연’이나 이를 반영한다고 간주되는 유일한 ‘과학’, 또는 인간에게만 행위성을 부여하는 ‘사회’ 개념을 모두 거부한다. 그것은 인간과 비인간이 좀더 바람직하게 결합하는 공동세계(코스모스)의 점진적 구성을 지향한다. 이를 위해서는 모든 과학기술의 산물이 논란과 타협·조정의 정당한 정치적 과정을 거쳐서 공동세계의 구성원이 되어야 한다. 라투르는 이를 위해 ‘사실’을 구성하는 요소들을 ‘논란’과 ‘제도’로, ‘가치’를 구성하는 요소들을 ‘협의’와 ‘위계’로 분해한 다음에, ‘논란’과 ‘협의’를 상원으로 하고 ‘위계’와 ‘제도’를 하원으로 재편성하는 새로운 권력분립의 정치 모델을 제안하고 있다. 예를 들면 광우병의 원인이라 일컬어지는 단백질인 프리온의 경우, 상원에서는 그것이 어떤 것이며 과연 존재하는지 ‘논란’을 벌이고 이에 관련된 모든 행위자들(과학자, 축산농민, 도축장, 정부, 동물단체 등)이 충분히 ‘협의’를 하도록 맡긴다. 그 다음에 하원에서는 공동 세계에서 기존 구성원들과 프리온의 양립 가능성을 평가하고 상대적 위치를 조정하는 ‘위계’ 부여를 하고 마지막으로 이런 모든 과정을 거친 프리온에 대해서는 논의를 종결하고 ‘제도’로 받아들이는 것이다.

물론 위에서 상원과 하원이라 한 것은 비유적 용어이고 공동 세계의 구성을 위한 의사결정의 권한을 그렇게 나누자는 것이다. 요점은 이러한 정치 모델에서 자연/사회, 사실/가치의 이분법은 마침내 사라지며, 모든 사물들이 관련 행위자들의 논란과 협의 및 조정을 거쳐야만 공동 세계의 일원이 될 수 있다는 것이다. 아직 추상적이라는 비판이 없지 않으나, 라투르의 정치생태학은 지구적 혼돈과 생태위기 시대에 새로운 정치를 모색하는 이들에게 참신한 의제와 통찰을 던져주고 있는 것으로 보인다.

김환석/국민대 교수

Bruno Latour 
 

http://www.hani.co.kr/arti/culture/culture_general/349176.html  

http://planetculture.tistory.com/143?srchid=BR1http%3A%2F%2Fplanetculture.tistory.com%2F143 

ГЕНЫ, КОТОРЫЕ МЫ МЕНЯЕМ

ноябрь 2008
Генетика

ГЕНЫ, КОТОРЫЕ МЫ МЕНЯЕМ

Олег Сеньков

---

По результатам новейших исследований, наши гены не статичны. Геном человека — открытая система, чутко реагирующая на особенности рациона, образа жизни, а также на внешние факторы, например на состояние окружающей среды

---

В тот момент, когда вы держите в руках этот номер журнала «В мире науки», каждый из 20 тыс. ваших генов, упакованный где-то в одной из 46 хромосом любой соматической клетки вашего организма, осциллируя, пребывает в совершенно разных состояниях, в зависимости от того, как вы читаете эту статью. Пьете ли чай, кофе либо гранатовый сок, сидя дома или в офисе, или мчитесь в вагоне переполненного метро, пытаясь изо всех сил удержать равновесие и читать одновременно, напрягая почти все ваши 656 мышц. И уж точно ваш генетический статус стал сейчас совершенно иным по сравнению с тем, что был, скажем, сегодня ночью, когда вы спали, вчера — когда провели полдня за рулем автомобиля, или три дня назад, после веселых выходных, не говоря уже о том, что произошло месяц, год, пять лет назад.



Perpetuum mobile — все меняется и пребывает в вечном движении! Как ни странно это звучит, но наши гены тоже постоянно меняются. Нет, не сама информация, кодирующая белки, записанная в виде нуклеотидной последовательности ДНК (впрочем, и такое случается во время точечных мутаций, хромосомных аббераций, делеций и вставок, становясь основой генной эволюции, а также многих генных болезней), а состояние генов — они то активируются, то ингибируются, причем до полного выключения. Экспрессия одних из них в клетке может усиливаться плавно, скачкообразно или по какой-то иной сложной схеме, других в тот же момент — сходить на нет или держаться на определенном базальном уровне. И все это может происходить в пределах мгновений, или от нескольких минут до часов, иногда дней. Каждый наш ген имеет свой, только ему присущий status quo, который зависит от тысячи разных факторов, как внутренних, так и внешних. И нужно совсем немного, чтобы изменить его, часто так незначительно мало, что поражаешься, насколько гены чувствительны к нашим действиям, к тому, что мы ели или пили, каким воздухом дышали, как спали, отдыхали или насколько активно провели день, даже к тому, о чем думали и мечтали, над чем умственно трудились или что эмоционально переживали. Все влияет в той или иной степени, рано или поздно, прямо или опосредованно. Ген больше не рассматривается как закрытый «черный ящик» — это довольно открытая система, тонко чувствующая нас самих и окружающую среду. Конечно, каждая клетка как маленькая фабрика производит свой, только ей присущий набор белков и протеинов; нейрон нельзя заставить вдруг экспрессировать пищеварительные ферменты поджелудочной железы, хотя все эти гены у него есть, только они заблокированы, так же как клетки поджелудочной нельзя заставить синтезировать белки миелиновой оболочки аксонов или специфические синаптические макромолекулы нейронов. Все предопределено в процессе эмбрионального развития. Но управлять сложным оркестром из нескольких тысяч синтезируемых белков, которые каждая клетка экспрессирует ежеминутно, может невидимый дирижер — мы с вами, наш образ жизни плюс факторы окружающей среды.

Ученые уже давно подметили, что однояйцевые близнецы, рожденные с абсолютно одинаковым набором генов, отличаются друг от друга по многим параметрам, например предрасположенности к болезням, особенно таким как шизофрения, депрессия или биполярное аффективное расстройство, часто имеют разные характеры и привычки, даже антропоморфические показатели тела могут быть различными. И чем старше близнецы, чем больше расходятся условия и образ их жизни, тем ярче становится выражена эта неодинаковость. Получается, что окружающая среда, личный опыт, поведение, привычки, питание и т.д. во многом определяют нас самих, нашу глобальную молекулярно-генетическую картину организма — какие гены экспрессируются, где и как, а какие гены «спят». Так, например, если один из близнецов заболел раком, то шансы другого заболеть составляют всего 20%, что показывает, насколько минимально влияние генов per se, и высоко — среды, индивидуального опыта. Или другой пример: из эпидемиологических исследований последних 50 лет известно, что частота возникновения злокачественной опухоли легких, прямой кишки, простаты и груди гораздо выше в западных странах, чем в восточных; и наоборот, рак мозга, шеи и матки обычен в Индии, а рак желудка — в Японии. Причем миграция людей полностью меняет эту картину: мигранты начинают болеть болезнями страны, куда они приехали. Опять-таки налицо мощный фактор среды. Сегодня специалисты считают, что влияние генов, которые мы наследуем, на развитие хронических болезней составляет всего 15%, остальные 85% — «заслуга» нашего образа жизни. В англоязычной научной литературе недавно даже появился такой термин, как lifestyle diseases — болезни образа жизни, к которым сейчас относят диабет, ожирение, многие сердечно-сосудистые заболевания, астму, атеросклероз, инсульты, гипертонию, расстройства гормональной, пищеварительной и иммунной систем, болезнь Альцгеймера, депрессии и фобии, даже рак.

Сегодня ученые выделяют шесть главных факторов, непосредственно влияющих на картину экспрессии наших генов: еда, режим питания, физическая активность, уровень стресса, вредные привычки, окружающая среда (экология). Все эти факторы, помимо собственно генетики, отвечают за то, насколько мы здоровы. Как вода точит камень, так эти факторы постепенно, день за днем, «шлифуют», трансформируют наш генетический статус, что идет либо на пользу нашему организму, либо ему во вред.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ
Ген больше не рассматривается как «закрытая» стационарная система хранения наследуемой информации: напротив, появляется все больше научных данных о пластичности генов, их адаптационных свойствах, способности чутко реагировать на изменения внутренней и внешней среды человека.

Влияние генов, которые мы наследуем, на развитие хронических болезней составляет всего 15%, остальные 85% — следствие нашего образа жизни.

Выделяют шесть главных факторов, влияющих как на картину экспрессии наших генов, так и на геном в целом: еда, режим питания, физическая активность, уровень стресса, вредные привычки, окружающая среда (экология). Причем многие из этих взаимодей-ствий генома и среды — эпигенетические.

Нутригенетика — наука, зародившаяся в США в начале этого десятилетия, изучающая влияние на геном человека пищи, того, как разные нутриенты модифицируют экспрессию генов, и как это ведет к изменению здоровья человека.

Правильная пища для генов

Пожалуй, я не ошибусь, назвав еду самым коротким путем к нашим генам. Это действительно так. Наш мозг в мгновение ока начинает продуцировать множество медиаторов, гипоталамус — гормонов, а пищеварительная система — сотню-другую пептидаз, амилаз, липаз и т.д. не только во время собственно трапезы, а задолго до нее, когда мы в мыслях предвкушаем ее вид, запах и вкус.

Сегодня в развитых странах, особенно в США, получила широкое распространение новая область научных знаний — нутригенетика (nutrigenetics), или генетика питания, наука о том, как правильно питаться, чтобы нашим генам было хорошо. Давайте же разберемся, какие из продуктов питания находятся сейчас в поле зрения ученых? Как они влияют на геном человека? Как воздействуют на болезни?

Зеленый чай. Пожалуй, о целебных свойствах напитка, приготовленного из растения Camellia sinensis, знают все. Чай, в особенности зеленый, укрепляет сосуды и останавливает кровотечения благодаря витамину Р, витамины группы В улучшают общее самочувствие, кофеин помогает нам просыпаться по утрам, теофиллин — согреться в холод, а в жару — повысить тонус, теобромин стимулирует работу почек. Но только в последние годы специалисты начали приближаться к разгадке других свойств чая, способствующих продлению жизни, общему оздоровлению и омоложению организма.

В одном полномасштабном исследовании, проведенном в 1999 г. на более чем 8 тыс. человек группой ученых из Центра исследования рака префектуры Сайтама, Япония, было показано, что ежедневное употребление зеленого чая в количестве 10 маленьких японских чашек (~50 мл), значительно снижало риск онкологических заболеваний в течение жизни у здоровых людей, а употребление более пяти чашек больными раком молочной железы уменьшало частоту рецидивов болезни и увеличивало промежутки времени между ними. В другом аналогичном исследовании, опубликованном в 2007 г. в журнале Carcinogenesis, ученые из Австралийского национального университета смогли показать на более чем тысяче пациенток с раком молочной железы, что если употреблять зеленый чай с частотой примерно 600–700 чашек в год (т.е. около двух в день), то риск развития заболевания уменьшается на 50%.


Epigallocatechin Gallate (EGCG) — главный катехинин зеленого чая — составляет от 50% до 80% от всех полифенолов чая


Как же воздействует зеленый чай на раковые клетки? Первая научная работа, показавшая, что экстракт из обычного зеленого чая индуцирует гибель раковых клеток и блокирует их деление, была опубликована в 1997 г. группой американских исследователей во главе с Хасаном Мухтаром (Hasan Mukhtar). Как выяснилось, противораковым действием чай обязан особым полифенолам — катехининам, одним из самых мощных природных антиоксидантов. Epigallocatechin Gallate (EGCG) — главный катехинин зеленого чая — составляет от 50% до 80% от всех полифенолов чая; кружка зеленого чая вмещает примерно 200–300 мг EGCG. Как показали многие исследования, EGCG влияет почти на весь спектр онкологических заболеваний: от рака легких и молочной железы до опухолей прямой кишки, печени, желудка, простаты и кожи. Так, в клинических экспериментах на пациентах с различными видами рака было показано, что либо капсулы, содержащие 200 мг EGCG, либо сам зеленый чай способствовали рецессии болезни, уменьшали возникновение новых раковых очагов и метастазов.

Как же работает EGCG? Согласно последним данным, он может проникать во все клетки организма, в том числе раковые, где связывается не только с различными белками и протеинами, но и напрямую с ДНК и РНК, что очень важно, так как показывает, что зеленый чай может непосредственно влиять на нашу ДНК, а значит на гены, их правильную экспрессию и трансляцию в белки. Пока не очень понятно, как все это происходит на молекулярно-клеточном уровне, но ясно одно: EGCG неким образом влияет на экспрессию определенных белков, в одних случаях усиливая ее, в других — уменьшая. Так американские ученые Кэтрин Каванаг (Kathryn Kavanagh) и Гейл Зоненшайн (Gail Sonenshein) из Бостонского университета показали, что EGCG угнетает развитие рака молочных желез у крыс, а также негативно воздействует на рост раковых образований в культуре через усиление экспрессии особого белка, p27 — мощного естественного ингибитора клеточного деления. В другой работе, осуществленной недавно в Технологическом институте им. Бирлы, Индия, использовались мыши с инкорпорированными раковыми клетками молочной железы человека — EGCG не только блокировал пролиферацию раковых клеток за счет ингибирования клеточного цикла, сильно уменьшая экспрессию генов белков клеточного деления, так называемых циклинов Cyclin D, Cyclin E, CDK-4, и CDK-1, но также вызывал их апоптоз — полную гибель.

Чеснок. Вот уже как минимум 6 тыс. лет чеснок используется как средство с тринадцатью «против» в его инструкции по применению: противовоспалительное, противобактериальное, противогрибковое, противопротозойное, противоглистное, противовирусное, противоболевое и т.д.. Но то, как чеснок работает на молекулярно-генетическом уровне, как влияет на наши гены, понемногу становится понятно только за несколько последних лет кропотливых исследований.

Какие же компоненты чеснока сегодня в фокусе внимания ученых и фармакологических компаний? Пожалуй, чаще всего в статьях фигурируют органические сульфиды — diallyl sulfide (DAS), diallyl disulfide (DADS), diallyl trisulfide (DATS), которые сейчас широко применяются в клинических и лабораторных испытаниях по всему миру. В аптеках доступны различные водные, спиртовые или сухие экстракты чеснока в виде капсул, настоек и масел. Как работают все эти DAS, DADS и DATS? Год назад в Медицинском университете Южной Каролины, США, было показано, что в чашке Петри с раковыми клетками человека чесночный экстракт индуцирует быстрый апоптоз метастазирующих клеток посредством активации экспрессии, так называемых стрессорных киназ p38 MAPK, JUNK1 и цистеиновых протеаз. Другой недавно открытый сульфид чеснока — thiacremonone — тоже зарекомендовал себя как надежный «киллер» раковых клеток. Он был успешно протестирован на метастазирующих клетках прямой кишки человека в Чунгбукском национальном университете, Южная Корея; его действие сводилось к тому, что он блокировал такие труднодоступные гены, как Bcl-2, cIAP/2, XIAP, iNOS, COX-2, нацеленные на выживание и рост раковых клеток, одновременно активируя проапоптические гены (Bax, caspse-3, PARP), призванные разрушать опухоль, элиминируя раковые клетки.



В другом исследовании, напечатанном в мае этого года в журнале Gerontology, ученые из Анкарского медицинского университета, Турция, задались вопросом, не может ли чеснок продлевать жизнь? Ведь известно, что народы, употребляющие в пищу много чеснока и других острых специй, отличаются большей средней продолжительностью жизни. Т.к. одна из главных научных гипотез старения сегодня — увеличение с возрастом оксидативного стресса в клетках, побочным продуктом которого являются свободные радикалы, разрушающие ДНК, белки и липиды, то исследователи решили рассмотреть именно те гены, которые контролируют этот процесс. Для этого была протестирована кровь у 13 пожилых (около 70 лет) людей до и после одного месяца употребления чеснока в количестве 0,1 г на кг массы тела в день, что составляет примерно 2–3 зубчика ежедневно. Как выяснилось, ученые были абсолютно правы — чеснок очень мощно активировал гены, кодирующие энзимы антиоксидантной системы человека (GSH-Px и SOD), подавляя гены оксидативных, производящие свободные радикалы и суперперекиси ферментов, таких как, например, MDA.

Гранатовый и апельсиновый соки. Сок плодов гранатового дерева Punica granatum имеет очень сильные антиоксидативные и антивоспалительные свойства. Недавно группой ученых во главе с Хасаном Мухтаром (Hasan Mukhtar) из Висконсинского университета, США, было показано, что экстракт из плодов граната имеет также поразительные антираковые свойства — сок был протестирован на крайне агрессивных раковых клетках простаты человека, а также на мышах in vivo (им добавляли 0,2-процентный экстракт в воду, что примерно соответствует по концентрации чистому гранатовому соку для человека). Мыши, которые сидели на гранатовой диете, показали значительное уменьшение раковых опухолей простаты: ингибировалась экспрессия циклинов D1, D2, E, которые регулируют деление клеток, и циклин-зависимых киназ CDK-2, CDK-4, CDK-6, а также усиливалась экспрессия «губительных» для раковых клеток генов и тормозилась активация генов «выживания».

Чему же обязан гранатовый сок таким действием? Как выяснилось, он содержит особый танин — эллагитанин, очень сильный антиоксидант, способный убивать раковые клетки и останавливать их распространение. Этот антиоксидант находится в гранатовом соке в более активной форме, чем в зеленом чае или в красном вине. В другом исследовании, проведенном в Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе в 2006 г. на 80 мужчинах с диагностированным раком простаты, было показано, что употребление всего одного стакана этого сока ежедневно замедляло метастазирование рака в четыре раза.

Апельсиновый сок, оказывается, тоже обладает генохраняющими свойствами. Так, недавно ученые из Университета Буффало, США, провели эксперимент на 32 здоровых людях в возрасте 20–40 лет с нормальным весом, давая им выпить четыре разных напитка: воду с 300 калориями глюкозы, фруктозы, апельсиновый сок и просто воду, подслащенную сахарином — искусственным сахаром без калорий. Как показал анализ крови, взятой у всех участников всего спустя два часа после употребления напитков, количество свободных радикалов и клеточных маркеров воспаления, которые потенциально могут повреждать как белки, ДНК, так и целые клетки, было увеличено только в группе, которая пила чистый глюкозный напиток, несмотря на то что в апельсиновом соке также содержится глюкоза. Соответственно возникает вопрос: какие ингредиенты сока подавляли образование свободных радикалов и воспалительные процессы? Как оказалось, витамин С, которого так много в апельсиновом соке и который так славится своим антиоксидантными и противовоспалительными свойствами, не влиял на эти процессы, а главными «действующими лицами» стали два флавоноида — гесперетин и нарингенин: именно они блокировали воспаление и переокисление в клетках крови, вызванные употреблением напитков с глюкозой, до 70%.

Если посмотреть на весь спектр продуктов, которые человек употребляет сегодня в пищу, то можно с полной уверенностью сказать, что каждый из них обладает той или иной генрегулирующей активностью. Просто во многих случаях такую активность очень сложно выявить: она либо «маскируется» другими процессами, либо требует от ученых слишком сложных экспериментальных схем, чтобы ее как-то выявить. В данный момент в университетских лабораториях интенсивно разрабатывается примерно сотня пищевых продуктов, которые имеют наиболее сильно выраженные «генные» свойства — ученые пытаются разобраться, какие из ингредиентов продуктов умеют наилучшим образом «общаться» с нашими генами, чтобы на их основе создать новые лекарства или пищевые добавки. Вот лишь некоторые из них (активные ингредиенты указаны в скобках): виноград, красное вино (резвератрол), кориандр (линалол, монотерпены), соя (генистеин), базилик (урзоловая кислота), чернослив (олеаноловая, урзоловая кислоты, тритерпеноиды), олеандр (олеандрин), красный перец чили (капсаицин), цитрусовые (кверцетин), имбирь (гингерол), томаты (ликопен), морковь (бета-каротины), алоэ (эмодин), цветная капуста (сульфорафан), прополис (фенетиловый эфир кофеиновой кислоты, ФЭКК), артишок (силимарин).

Что нужно генам каменного века?

То, что регулярная физическая активность, в особенности профессиональный спорт, кардинально меняют не только мышечную массу, но и все другие системы организма человека, напрямую или опосредованно связанные с физической нагрузкой, — костную, сердечно-сосудистую, даже пищеварительную, — известно довольно давно. А вот то, как это происходит на уровне генома, как глобально влияет на другие системы организма, включая мозг, иммунную и репродуктивную системы, на состояния острой и хронической болезни, стресса и т.д., постепенно становится понятно только в последние годы, после полной расшифровки генома человека и изобретения новых молекулярно-генетических методов скрининга активности большого количества генов и белков одновременно — ДНК, РНК и протеиновых чипов.

Из потока исследовательских работ, наводнивших за последние пять лет тысячи научных журналов, постепенно становится понятно, что любой биологический организм, каким бы простым или сложным он ни был, очень тонко реагирует не только на изменения внутренних, но и внешних стимулов, адаптируясь к новым условиям; и эта реакция организма включает как адаптацию уже синтезированных белков и биологически активных веществ, таких как гормоны, синаптические медиаторы и т.д., так и изменение генома, ДНК и РНК, экспрессии так называемых белков и протеинов «домашнего хозяйства», даже синтез новых белков, которые до этого либо не синтезировались вообще, либо присутствовали в рудиментарных количествах.


Физическая активность, в особенности профессиональный спорт, кардинально меняет не только мышечную массу, но и все другие системы организма человека

---

Так, по данным эпидемиологических скрининг-исследований, гиподинамия, которой сегодня страдает каждый второй офисный работник, увеличивает множество рисков, связанных со здоровьем: болезни коронарной артерии на 45%, гипертензии — на 30%, рака толстого кишечника — на 41%, рака груди — на 31%, диабета II типа — на 50%, остеопороза — на 59%, способствует накоплению холестерола, ожирению, депрессии и повышенной смертности.

Что же происходит с современными «обломовыми в галстуках»? Из-за недостатка активности человек теряет массу тканей, нарушается нормальное функционирование клеток. Во время продолжительной гиподинамии у человека происходит масса адаптаций: на 25% уменьшаются ударный объем сердца и потребление кислорода, кости теряют в массе в 10 раз быстрее, чем обычно, скелетные мышцы становятся слабее, уменьшается концентрация митохондрий, чувствительность к инсулину падает в течение трех дней сидения на диване. Даже появилась теория о «генах каменного века», которая объясняет, почему наш организм начинает страдать от гиподинамии. Якобы на заре человеческой эволюции, в каменном веке, наши предки в течение двух с половиной миллионов лет выживали за счет постоянной физической активности, постоянного движения, поиска новой пищи, охоты, кочевания и т.д. За это время в нашем организме благодаря отбору появилась огромная когорта генов, которые «привыкли» к такому постоянному стимулу, и без нее начинают терять активность, ритм, нормальную экспрессию не только собственно протеины мышц, но сотни других белков, вовлеченных в энергетический и метаболический баланс всего организма. Как раз сегодня, как считают ученые, это и происходит с современным человеком — в нашем мире комфорта и «диванной болезни» роль умеренной, но постоянной физической нагрузки сведена до минимума, что сразу же отражается на дисбалансе генов каменного века, который приводит организм к таким метаболическим проблемам, как диабет, лишний вес, болезни сердца и крови, расстройства пищеварения, даже памяти и эмоций.

Ученые давно предполагали, что определенные гены весьма чувствительны к физической нагрузке, но первая работа, доказавшая это, появилась в 1967 г. и принадлежала Джону Холлоси (John Holloszy), который показал, что крысы, упражнявшиеся на беговой дорожке в течение 12 недель по два часа ежедневно, имели на 86% больше важного митохондриального протеина цитохрома-С, переносчика электронов в универсальной цепи утилизации и накопления энергии в клетках, чем крысы, лишенные физической активности.

Сколько генов активируется в организме человека под влиянием физической нагрузки? Ответ на этот вопрос был получен в 2005 г. в исследовании ученых из Института Каролинска в Стокгольме, Швеция, под руководством Карла Зюндберга (Carl Sundberg). Как оказалось, у здоровых мужчин регулярные занятия в течение шести недель на самом обычном велотренажере активируют такое количество разных генов, которое не активируется больше ничем — около 470. В основном стимулировались гены внеклеточного матрикса мышечных клеток и белки, связывающие кальций, но также важные гены, вовлеченные в развитие диабета и сердечно-сосудистых заболеваний, причем чем лучше результат был достигнут на тренировках, тем выше была экспрессия генов.

Сегодня более 15 млн американцев страдают диабетом II типа; в России эта цифра чуть поменьше, около 5–7% всего населения, но темпы заболевания постоянно растут, количество больных может вырасти к 2025 г. до 300 млн во всем мире. Одним из главных факторов, приводящих к развитию диабета, ученые сегодня называют гиподинамию. Так, в одном исследовании ученых из Университета Отаго, Новая Зеландия, которое получило награду на международной конференции по питанию в 2001 г. в Вене, было обследовано 79 здоровых человек в возрасте 35–60 лет на предмет изменения чувствительности клеток тела к инсулину под влиянием физической нагрузки (а толерантность к инсулину — одна из главных причин развития диабета).

Давно известно, что изменение образа жизни имеет оздоровительное воздействие на людей, уже болеющих диабетом, но что то же самое происходит и у здоровых людей, показано впервые. Так, свойство тела использовать инсулин по назначению выросло на 23% после четырехмесячной физической тренировки (20 минут фитнеса пять раз в неделю) и специальной диеты. Другими словами, умеренная физическая нагрузка приводила к лучшей чувствительности клеток тела к инсулину, по-видимому, за счет каких-то геномных модификаций экспрессии белков рецептора инсулина.

Медитация и гены

Сегодня практика медитации — удел не одиноких просвещенных буддийских монахов, как это было лишь 50–70 лет назад, а миллионов обычных людей во всем мире. Заниматься медитацией — не просто чувствовать себя лучше, быть более энергичным и уравновешенным. Медитация заставляет наш мозг работать по-другому, картина мозговых волн меняется, активность мозга синхронизируется, за счет этого нормализуются многие физиологические процессы в организме — сон, пищеварение, функционирование сердечно-сосудистой и нервной систем, меняется даже состав крови. Из исследования, предпринятого в 2005 г. Американской кардиологической ассоциацией, стало известно, что медитация продлевает жизнь, снижая риск смерти от болезней в старости на 25%, от кардиоваскулярных болезней — до 30% и до 50% — от рака.

Что же делает с мозгом медитация? В исследовании, проведенном в 2005 г. в Массачусетсском госпитале в Бостоне, США, ученые проследили, что происходит в головах практикующих медитацию людей, используя магнитно-резонансную томографию (МРТ). Специалисты отобрали 15 практикующих медитацию людей с разным опытом (от года до 30 лет) и 15 подопытных, которые никогда не медитировали. После анализа большого массива информации активности и структуры мозга стало ясно, что медитация увеличивает толщину некоторых отделов коры головного мозга, вовлеченных в процессы внимания, рабочей памяти и сенсорной обработки информации — префронтальной коры и островка Рейля. Сара Лазар (Sara Lasar), руководитель данного исследования, прокомментировала результаты эксперимента так: «Вы тренируете мозг во время медитации, поэтому он и растет. Ведь известно, что у музыкантов, лингвистов, атлетов соответствующие области мозга увеличены. Рост коры мозга происходит не за счет роста нейронов, а за счет разрастания кровеносных сосудов, глиальных клеток, астроцитов — всей системы, которая питает мозг».

Как же мало нужно, чтобы включить механизмы саморегуляции в мозге через гены! Как показали эксперименты с использованием МРТ, проведенные в Бостонском университете, США, в 2007 г., достаточно всего одного часа йоги — и мозг начинает производить на 30% больше такого важного ингибиторного медиатора, как GABA. Уменьшение GABA в мозге наблюдается при депрессии, хронических состояниях страха и беспокойствах, а также эпилепсии. Таким образом, занятия самой обычной йогой могли бы здесь заменить медикаментозную терапию.

Медитация увеличивает толщину некоторых отделов коры головного мозга, вовлеченных в процессы внимания, рабочей памяти и сенсорной обработки информации

Медитация не только снимает стресс, усталость и беспокойство, но и омолаживает мозг. Так в работе, сделанной в прошлом году в Университете Эмори, США, были исследованы 13 человек, практикующих дзен-медитацию, которую используют буддисты Японии, Китая, Кореи и Вьетнама. В работе было впервые показано, что медитация может обращать вспять процессы старения. Известно, что с возрастом кора головного мозга уменьшается в толщине и объеме, она как бы усыхает, теряет воду, ухудшается трофика, тускнеют внимание и память, замедляется речь. Так вот, медитация останавливает эти процессы — все практикующие дзен-медитацию в зрелом или пожилом возрасте не имели возрастных изменений коры, а также продемонстрировали нормальные показатели в тестах на внимание.

Если медитация может так сильно воздействовать на морфологию мозга, значит здесь не обойтись без модификаций в экспрессии генов. В работе исследователей из Всеиндийского института медицинских наук, Нью-Дели, Индия, опубликованной в феврале этого года, были приведены результаты тестов крови 42 людей, как минимум год практикующих дыхательную технику сударшан крия (Sudarshan Kriya), когда человек дышит в разных ритмах. Результаты генного скрининга показали, что те, кто практиковал медитацию, имели более высокий уровень экспрессии таких важных генов, как гены, регулирующие антиоксидатный стресс, иммунный ответ, и гены, регулирующие апоптоз и выживание клеток.

Приведу еще один пример воздействия нетрадиционных оздоровительных практик на регуляцию генома. В 2005 г. ученые из Техасского университета во главе с Цюань-Чжэнь Ли (Quan-Zhen Li) протестировали клетки крови — нейтрофилы, используя ДНК-чипы, у шести азиатов, практикующих как минимум год в течение 1–2 часов в день особую медитационную технику древнего китайского цигун. Результат был впечатляющий — у всех них были сильно активированы гены, усиливающие иммунную систему, снижающие клеточный метаболизм, а также ускоряющие заживление любых воспалительных процессов, ран. Было просканировано более 12 тыс. генов, из них 250 были изменены, 132 — подавлены, 118 — активированы. Самые мощные изменения претерпели гены из убиквитин-зависимой системы элиминации белков, которая участвует в этиологии многих болезней, таких как рак, диабет, повышенное артериальное давление, сепсис, аутоиммунные заболевания, воспаления, и заболевания, связанные со старением. Многие энзимы этой системы, включая сам убиквитин, у практикующих эту технику были подавлены. Также была снижена экспрессия 10 генов из 11 так называемых рибосомальных протеинов, участвующих в синтезе белка. Гены иммунного ответа, интерферон, а также гены, кодирующие антибактериальные и антивирусные пептиды, Defensin-3 и цитокины, были наоборот усилены. Интересно, что снижение потребления калорий — единственный метод на сегодняшний день, который удлиняет жизнь крыс, мышей и приматов, — тоже снижает метаболизм и ингибирует убиквитин-систему элиминации белков во всех клетках.

Голодание меняет все

Существует множество различных современных методик голодания — по Бреггу, Шелтону, Малахову, Войтовичу, сухое, полное, на соках, овощах и т.д., — хотя сам феномен голодания зародился на заре человечества. Наши предки настолько понимали его значение для телесного и духовного здоровья человека, что голодание уже давно используется не только в нетрадиционных медицинах всех народов, но и в обычном укладе жизни целых стран, а чтобы оздоровительный эффект для тела и души был еще больше и имел «национальный» масштаб, различные практики голодания были интегрированы в религии, традиции, культуру и искусство — Великий пост у христиан, Йом Кипур у иудеев, Рамадан у мусульман, йога у индусов, восемь пресептов (правил поведения) и Пратимокша у буддистов.

Сегодня существует только один научно доказанный метод удлинения продолжительности жизни как животных, так и человека — снижение потребления калорий, когда диета обеспечивает всеми необходимыми питательными веществами, витаминами и минералами для здоровой и полноценной жизни, но имеет уменьшенное количество энергии (калорий), заключенной в продуктах. Такое щадящее голодание, как оказалось, отодвигает или полностью блокирует различные патологические изменения, ассоциированные со старением, и увеличивает продолжительность жизни от 30% до 50% у многих животных — от рыб и пауков до грызунов.



Еще в 1934 г. ученые из Корнеллского университета Клайв Маккей (Clive McCay) и Мэри Кроуэлл (Mary Crowell), используя лабораторных крыс, а также Рой Уолфорд (Roy Walford) из Калифорнийского университета, участник проекта «Сферы-2» и пионер целого научного направления в геронтологи, в 1980-х гг., проводя эксперименты на мышах, показали, что щадящее голодание (урезание потребления количества калорий в день на 25–50%) не только удлиняет жизнь грызунам вдвое, но и делает их физически и социально более активными. Другой исследователь, Моррис Росс (Morris Ross), провел эксперимент на крысах, разбив их на три группы, в которых животные потребляли разные количества (10, 25, 40%) протеинов в день, и группу, которая питалась без ограничений. Данное исследование показало, что крысы, которые не отказывали себе ни в чем, взрослели быстрее, достигали половой зрелости в более раннем возрасте и имели больше потомства, но умирали раньше и болели раком и другими болезнями чаще, чем крысы «на диете». Рой Уолфорд так прокомментировал это в одном из интервью журналу Life Extension Magazine: «…похоже, что мы запрограммированы естественным отбором выбирать такой режим питания, чтобы как можно быстрее достигать половой зрелости и производить потомство как можно больше и раньше — это хорошо для выживания и эволюции вида, но это полная катастрофа для выживания индивидуума».

Какие же гены изменяются посредством щадящего голодания или урезания потребления калорий? Ученые из Висконсинского университета, США, используя ДНК-микрочипы и просканировав 6347 генов в коре головного мозга и мозжечке лабораторных мышей, обнаружили, что старые мыши имели завышенные параметры экспрессии более 120 генов воспалительного ответа и оксидативного стресса, что говорит о том, что в «старом» мозге постоянно идут микровоспалительные процессы, по-видимому, по причине повреждений, наносимых свободными радикалами, генерируемыми оксидативным стрессом. Так вот, у мышей, ежедневное потребление калорий у которых было уменьшено на 25%, все эти гены были нормализированы.

В другом эксперименте, проведенном в 2007 г. учеными из Пеннингтонского центра биомедицинских исследований, США, протестировали уже не мышей, а 36 здоровых, но обладающих лишним весом молодых людей, разбив их на три группы: контрольная группа получала 100% необходимого количества энергии в пище, две других были ограничены в калориях в течение шести месяцев — одна получала на 25% меньше «нормы», другая — на 12,5%, но комбинировала диету с физическими упражнениями. Как показал генетический анализ мышечной ткани, взятой у всех участников после эксперимента в виде небольших биопсий, обе группы «на диете» увеличили количество митохондрий и уменьшили количество поврежденной свободными радикалами ДНК в клетках. Ученые также обнаружили, что «диета» послужила мощным стимулом для активации экспрессии множества генов (PPARGC1A, TFAM, eNOS, PARL), кодирующих важные функциональные белки наших энергетических клеточных станций — митохондрий. Интересно, что такая диета также привела в активность особый ген — SIRT1, человеческий аналог гена Sir2, найденного у дрожжей, нематод и дрозофил, активация которого приводит к удлинению жизни за счет улучшения клеточного метаболизма. Похожее исследование было проведено группой ученых из Гарвардской медицинской школы и Национального института здоровья, США, и опубликовано в журнале Cell в 2007 г. Исследователи обнаружили еще два гена из этого же семейства митохондриальных сиртуин-генов (sirtuin) — SIRT3 и SIRT4, которые реагировали на уменьшение калорий активацией через цепочку реакций других важных генов NAMPT и NAD. Все это приводило к тому, что митохондрии становились сильнее и здоровее, производили больше энергии, за счет этого процессы старения клеток сильно замедлялись, специальная «суицидальная» программа самоуничтожения клеток тоже тормозилась. Интересно, что примерно то же самое — активация и оптимизация работы митохондрий — происходит на молекулярном уровне по-сле физических упражнений.



Согласно последним данным, полученным в ряде работ, достаточно соблюдать следующие требования — и можно снизить на 70–90% риск развития таких болезней, как рак толстой кишки и легких, инфаркт миокарда, инсульт, диабет II типа, ожирение и многие другие:

физическая активность, эквивалентная 30 мин. и больше быстрой ходьбы;

как минимум 100 микрограммов фолиевой кислоты в день;

меньше чем три бокала слабого вина в день;

никакого табака в течение жизни;

меньше чем три обеда в неделю, меню которых включает красное мясо;

сниженное потребление насыщенных, трансжиров и сахаров;

достаточное потребление полиненасыщенных жиров, омега-3-жиров и диетических волокон из злаков, побольше зелени, овощей и фруктов.

Вам всего лишь нужно выполнять этот набор очень простых требований — и ваши гены будут счастливы!

---

ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ЛИТЕРАТУРА

Nutritional Genomics: Impact on Health and Disease. By Regina Brigelius-Flohо, Hans-Georg Joost, Wiley-VCH, 2006.

Nutritional Genomics: Discovering the Path to Personalized Nutrition. By Jim Kaput, Raymond L. Rodriguez. Wiley-Interscience, 2006.

Nutrigenetics and Nutrigenomics. By Artemis P. Simopoulos, J. M. Ordovas. Karger Publishers, 2004.

Nutrition and Fitness: Diet, Genes, Physical Activity and Health. By Artemis P. Simopoulos, Konstantinos N. Pavlou. Karger Publishers, 2001.

Nutritional Genomics — A Consumer's Guide to How Your Genes and Ancestry Respond to Food: Tailoring What You Eat to Your DNA. By Anne Hart. iUniverse, 2003.

Personalized Nutrition: Principles and Applications. By Frans Kok, Laura Bouw-man, Frank Desiere. CRC Press, 2007.

Molecular Nutrition: Nutrition and the Evolution of Humankind. By Mark Lucock. Wiley-Liss, 2007.

Phytochemicals: Nutrient-gene Interac-tions. By Mark S. Meskin, Wayne R. Bid-lack, R. Keith Randolph. CRC Press, 2006.

Genetics Primer for Exercise Science and Health. By Stephen M. Roth. Human Kinetics, 2007.

Статья об эпигенетике в GEO: http://www.geo.ru/journalarticle/item/id/93/

МакКонки Э. Геном человека / Пер. с англ. Серия: Мир биологии и медицины. М.: Техносфера, 2008.

Человек и среда его обитания: Хрестоматия. М.: Мир, 2003.

«Теневая» часть генома: за пределами ДНК // ВМН, 2004, № 3.

Правильное питание: спросите у ДНК // ВМН, 2008, № 3.

---

ОБ АВТОРЕ

Олег Сеньков (Oleg Senkov) — нейрофизиолог, получил бакалаврскую и магистерскую научные степени в Санкт-Петербургском государственном университете, защитил докторскую диссертацию в Гамбургском университете (Германия), в данный момент — научный сотрудник Института нейрофизиологии и патофизиологии университетской клиники Эппендорф в Гамбурге. Сфера научных интересов — исследование мозга, в частности, основ работы памяти и обучения на молекулярно-генетическом, клеточном и системном уровнях. Хобби: журналистика, фотографирование и веб-дизайн. Домашняя страница: www.olegsenkov.com
 

http://www.sciam.ru/article/3965 

НАНОТЕХНОЛОГИЯ И ДВОЙНАЯ СПИРАЛЬ

сентябрь 2004
Нанотехнологии

НАНОТЕХНОЛОГИЯ И ДВОЙНАЯ СПИРАЛЬ

Нейдриен Симан

Цепи ДНК осуществляют самосборку в сложную структуру, когда последовательности их азотистых оснований выстроены так, что образуют пары со своими определенными партнерами. Здесь показана стержневая модель усеченного октаэдра, который имеет шесть квадратных и восемь шестиугольных граней. Грани имеют длину около 20 нанометров. Из каждого угла выступает короткая "шпилька для волос" из ДНК. При связывании усеченных октаэдров между собой "шпильки" могут изменяться; при этом формируются правильные трехмерные "строительные леса".

---

ДНК - это больше, чем только тайна жизни, - это также универсальный компонент для создания наноструктури наноустройств.

---

Более 50 лет назад Джеймс Ватсон и Фрэнсис Крик открыли двойную спиральную структуру молекулы ДНК и свели генетику к химии, наметив путь развития биологии на вторую половину двадцатого столетия. Сегодня тысячи исследователей расшифровывают генетические коды, записанные в ДНК.
Используя современные биотехнологические методы, мы можем создавать длинные молекулы ДНК с желаемой последовательностью функциональных блоков, реализуя возможности, не использованные природой в ходе развития жизни. Например, в 1994 г. Леонард Эдлиман (Leonard M. Adleman) из Университета Южной Калифорнии показал, что из ДНК можно сделать вычислительное устройство. Я же предлагаю обсудить другое небиологическое применение ДНК: создание структур и устройств из элементов размером от 1 до 100 нм - одним словом, использование ДНК в нанотехнологии.
Решетки из ДНК могли бы удерживать множество копий больших биологических молекул для определения их структуры методами рентгеновской кристаллографии - важный шаг в разработке лекарств. Кроме того, такие решетки могут служить строительными лесами, заготовками или операционными устройствами при создании наноэлектронных компонентов. Структура материалов, состоящих из ДНК или изготовленных с ее помощью, может быть выверена с молекулярной точностью. Движущиеся механизмы из ДНК могли бы выполнять функции наноскопических датчиков, переключателей, зажимов и других сложных робототехнических приспособлений.
СТРУКТУРА ДНК

ДНК - структура наноразмеров, состоящая из двух базовых цепей, составленных из групп фосфата и молекул сахара-дезоксирибозы, между которыми расположены комплементарные пары оснований (A и T; C и G), связанные слабыми связями (слева). Наиболее обычная конформация ДНК - это B-ДНК (в центре), которая закручена в правостороннюю двойную спираль диаметром около 2 нанометров. Один полный оборот спирали занимает приблизительно 3,5 нанометра, на которых помещается от 10 до 10,5 пар оснований. В особых условиях ДНК может образовывать левостороннюю двойную спираль, называемую Z-ДНК (справа).

---

Разветвленная ДНК

Наномасштаб - это масштаб размеров молекул. Типичная длина связи между двумя атомами составляет приблизительно 0,15 нм. Спираль ДНК диаметром примерно 2 нм делает полный оборот (шаг спирали) за 3,5 нм. На этом расстоянии помещаются приблизительно 10 пар оснований, образующих своеобразные перекладины лестницы ДНК (см. рис. вверху на стр. 25). Взаимодействие фрагмента ДНК с другими веществами зависит от последовательности составляющих его пар оснований. Поэтому отрезки ДНК можно использовать для распознавания некоторых молекул и для каталитического управления составом материалов. В генной инженерии широко применяются так называемые липкие концы ДНК, которые возникают, когда одна цепь спирали выступает на несколько неспаренных оснований за пределы другой (см. рис. внизу на стр. 25). Их липкость обусловлена склонностью выступающей части сцепляться с ответным участком другой цепи, на котором в соответствующем порядке расположены взаимно дополняющие (комплементарные) основания - аденит (A) образует пару с тиамином (T), а инозин (C) связывается с гуанином (G). (О другом применении этого свойства ДНК читайте в статье "Магия микрочипов", "В мире науки", пилотный номер, 2002 г.)

ОБЗОР: ДНК НАНОТЕХНОЛОГИЯ

ДНК - идеальная молекула для создания структур нанометровых размеров.
Создавая цепи с соответствующими комбинациями комплементарных (взаимодополнительных) оснований, которые преимущественно связываются между собой, образуя цепи двойных спиралей, цепи ДНК можно запрограммировать так, чтобы они самособирались в сложные структуры.

"Строительные леса" из ДНК могут удерживать молекулы - гости в регулярной решетке для целей кристаллографии. Они могут также поддерживать электронные устройства молекулярных размеров или использоваться для создания материалов с точно заданными молекулярными конфигурациями.

Машины нанометровых размеров из ДНК могут функционировать на основе того, что части их структуры изменяются при переходе от одной конформации ДНК к другой. Этими движениями можно управлять химическим путем или при помощи специальных цепей ДНК.

Природная ДНК представляет собой линейную цепь, которая годится только для создания нитей или петель, возможно, скрученных или завязанных узлом. Но простая цепочка - не единственная форма, которую может принимать ДНК. В ходе некоторых клеточных процессов ДНК на некоторое время превращается в разветвленную молекулу, например, при копировании в период подготовки к делению клетки и во время рекомбинации, когда соответствующие пары хромосом обмениваются генетическим материалом при формировании сперматозоидов и яйцеклеток.

---

Цепи ДНК взаимодействуют весьма программируемым образом. Их огромная изменчивость обеспечивает широкие возможности для конструирования молекул.

---

Ветви образуются в результате частичного расплетения спирали на две цепи. При дублировании каждая из них дополняется по всей длине соответствующими нуклеотидами и превращается в новую двойную спираль. (Нуклеотид - комбинация азотистого основания и соответствующего отрезка базовой цепи спирали.) Более интересен так называемый кроссовер, возникающий при рекомбинации, когда две части ДНК рвутся и частично расплетаются, а получившиеся четыре цепи соединяются наподобие перекрестка двух дорог.

Там, где во время рекомбинации каждая из четырех цепей переходит от одного партнера к другому, возникает точка разветвления. Она перемещается из-за двойной симметрии примыкающих оснований, благодаря которой каждая цепь может образовывать пару с любой из двух соседок. Когда в 1979 г. мы с Брюсом Робинсоном (Bruce H. Robinson) пытались описать природу этого движения, выяснилось, что синтетические молекулы ДНК, не обладающие такой симметрией, могут образовывать разветвленные молекулы с неподвижной точкой сочленения. Чтобы сконструировать подобный узел, нужно сделать четыре цепи ДНК, в каждой из которых последовательность оснований вдоль половины цепи соответствовала бы половине второй цепи, остальная часть - половине третьей (см. рис. внизу).

---

Самосборка структур ДНК обеспечивается сильной склонностью цепей ДНК с комплементарными последовательностями оснований к слипанию друг с другом и образованию двойной спирали. Так называемые липкие концы (a), короткие отрезки цепей неспаренной ДНК, выступающие на одном конце молекулы ДНК, соединяются со специфическими отрезками другой цепи. Второй важный строительный элемент - ветвление ДНК (b), при котором три или более спиралей соединяются в точке ветвления (узле). В естественно возникающей разветвленной ДНК точка ветвления может перемещаться по кругу (c), потому что последовательности оснований на этих четырех ветвях симметричны. В искусственно созданном ветвлении ДНК, не имеющем этой симметрии, точка ветвления фиксирована (d). Копии ДНК с ветвлением и с комплементарными липкими концами (e) самособираются в структуру решетки.

---

Оптимальная форма ДНК - обычная двойная спираль, открытая Ватсоном и Криком. Устойчивость структуры определяется так называемой свободной энергией, от которой зависит, в каком направлении пойдет химическая реакция - в прямом или в обратном. Ею же определяется конформация - перегибы и сочленения - больших молекул ДНК, РНК и белков. Химическая система всегда стремится к состоянию с наименьшей свободной энергией. Свободная энергия двух взаимно дополняющих цепей нуклеотидов минимальна, когда они образуют двойную спираль.
Четыре цепи, при соединении которых получается неподвижное сочленение, образуют максимальное количество двойных спиралей обычной ДНК только в том случае, если формируется разветвленная молекула. Ветвление невыгодно - оно увеличивает свободную энергию молекулы. Но это компенсируется намного большим энергетическим выигрышем за счет возникновения четырех ветвей из обычной двойной спирали. Сегодня создать устойчивую молекулу ДНК с разветвлением, синтезировав необходимые цепи, легко, но в 1979 г. это была область передовых исследований. Я же в те годы занимался кристаллографией, а не органической химией, и поэтому еще только начинал задумываться о такой системе.

Вдохновение от Эшера

Однажды в конце 1980 г. я рассматривал гравюру голландского художника М. Эшера (M.C. Escher) "Глубина" (см. рис.справа ниже) и представил, что тело каждой рыбы - точка сочленения, а голова, хвост, верхний, нижний, левый и правый плавники - шесть ветвей молекулы ДНК. К тому же рыбы расположены эквидистантно, как молекулы в молекулярном кристалле. И тут меня осенило: если связать разветвленные молекулы с помощью липких концов, то можно получить наноскопический молекулярный аналог стаи эшеровских рыб!

---

Гравюра М. Эшера "Глубина" (слева) вдохновила автора на то, чтобы рассмотреть множество узлов с шестью ветвями, связанных между собой так, что образуется как бы трехмерный молекулярный кристалл (справа). Центр каждой рыбы похож на точку ветвления узла с шестью ветвями. Вместо ветвей от центра рыбы отходят шесть особенностей: голова и хвост, верхний и нижний плавники, левый и правый плавники. Такие молекулярные подмостки могут удерживать другие молекулы в регулярных решетках. Например, ячейки из ДНК, содержащие ориентированные биологические макромолекулы, можно использовать в кристаллографических экспериментах. Подобным же способом наноэлектронные компоненты можно было бы организовать в очень малые устройства памяти.

---

Прежде всего это позволит нам изготавливать вещества из тщательно сконструированных молекул, соединенных определенным образом с нанометровой точностью. В результате мы сможем получать материалы со специфическими свойствами. Например, выстраивая регулярные решетки с точно заданными периодами повторения, можно создавать специальные оптические кристаллы, используемые в фотонике.
Кроме того, хотелось бы использовать ДНК как строительные леса, удерживающие матрицу из молекул, неспособных образовывать правильные кристаллические структуры. Такой подход позволит использовать кристаллографические методы для определения трехмерной структуры больших органических молекул, в том числе многих рецепторов, которые могли бы стать превосходными мишенями для лекарственных средств (см. рис. справа на стр. 26). Аналогичным способом можно было бы расположить и плотно упакованные наноэлектронные ячейки памяти.

Почему же мы используем именно ДНК? Главное, что цепочки ДНК взаимодействуют наиболее предсказуемым и легко программируемым образом. Липкий конец длиной в N оснований представляет собой одну из 4N их возможных последовательностей. Колоссальное разнообразие и склонность липких концов соединяться только со строго согласованной последовательностью оснований обеспечивают возможность конструирования молекул, состоящих из множества цепей ДНК, соединенных друг с другом точно заданным способом. Кроме того, два слипшихся конца образуют жесткий отрезок классической спирали ДНК. Таким образом, мы наверняка знаем, какие цепи связываются друг с другом и какую форму принимают соединенные сегменты. В случае использования в качестве рабочего вещества белков или антител нельзя получить столь подробную информацию. Их разнообразие тоже велико, но определить, какую форму примет белок или как соединятся два белка или антитела, чрезвычайно сложно. Кроме того, для каждого конкретного случая эту трудоемкую задачу придется решать заново.

Другая причина популярности ДНК - простота ее синтеза средствами биотехнологической промышленности. Мы можем управлять ДНК с помощью ферментов расщепления, раскалывающих ДНК в нужных местах, и лигаз, которые катализируют соединение двух молекул ковалентными связями (сильными химическими связями, в которых участвуют пары электронов, принадлежащих разным атомам). Используя эти вещества, можно создавать и изменять как обычную ДНК, так и ее экзотические производные, в состав которых входят основания, отличающиеся от обычных четырех, и дополнительные молекулы, присоединенные к внешней стороне базовой цепи (боковине спиральной лестницы). ДНК прекрасно подходит для создания таких производных, потому что каждый нуклеотид в спирали имеет участки, к которым могут присоединяться другие молекулы.

---

Полиэдры, которые мы строили, были похожи на структуры, сделанные из зубочисток, воткнутых по углам в шарики зефира.

---

Наконец, ДНК может принимать формы, отличные от обычной спирали. Используя переходы от одной структуры ДНК к другой, можно конструировать движущиеся наномеханические устройства, такие как пинцет или вращающийся вал. Главный недостаток ДНК состоит в том, что изделия из нее удается изготавливать только в водном растворе. Впрочем, созданные структуры несложно высушить (например, на слюде) и разглядеть под микроскопом.

Модели из стержней

В 1991 г. мы с Джангхуаем Ченом (Junghuei Chen) синтезировали кубическую молекулу ДНК (см. рис. внизу). Каждое ребро куба - цепь двойной спирали; а каждый угол - сочленение с тремя ветвями. Поскольку любая вершина связана с тремя другими, связность куба равна трем. Специалисты по генной инженерии создали из ДНК множество линейных конструкций, мы же сделали первую молекулу ДНК со связностью больше двух. Куб самособирается из прилипающих друг к другу фрагментов ДНК, концы которых остаются свободными. Лигазы соединяют их, и в результате образуются шесть замкнутых контуров - граней куба. Благодаря спиральной природе ДНК каждый из них скручен с примыкающими контурами, так что куб не разваливается, даже когда разрушаются все связи, соединяющие пары оснований.

---

Куб из стержней, составленный из шести петель ДНК, показывает, что из ДНК можно строить трехмерные структуры. Основа каждой цепи ДНК изображена цветными сферами (для каждой цепи взят другой цвет), а основания обозначены как белые сферы. Каждое ребро куба содержит 20 пар нуклеотидов, или примерно два полных оборота двойной спирали. Каждый угол - узел с тремя ветвями. Упрощенная схема (внизу справа) показывает, как связаны цепи ДНК, но опускает их спиральное закручивание.

---

Вместе с Ювеном Джангом (Yuwen Zhang) мы построили другую фигуру - усеченный октаэдр. Для его создания было решено воспользоваться узлами не с тремя, а с четырьмя ветвями: дополнительную ветвь, выступающую на каждом углу, планировалось задействовать для соединения полученных многогранников в большую структуру. Однако мы изготовили лишь небольшое количество усеченных октаэдров - достаточно, чтобы убедиться в правильности их строения, но слишком мало, чтобы попытаться соединить их между собой. Кроме того, мы достигли предела своих экспериментальных возможностей: дальнейшая работа потребовала бы оптимизации и автоматизации процедуры синтеза наших многогранников. Поэтому мы обратились к более простым компонентам.
Был еще один веский аргумент в пользу изменения направления работ. Выяснилось, что жесткость построенных нами многогранников оставляет желать лучшего. Отрезок ДНК длиной в два-три витка отклоняется от продольной оси не больше, чем кусочек вареного спагетти длиной два-три миллиметра. Поэтому грани наших фигур, несомненно, были жесткими. Но оказалось, что углы при вершинах, к сожалению, не могли похвастать постоянством. Полученные октаэдры были словно сделаны из зубочисток, воткнутых в шарики зефира, расположенные по углам. Разумеется, и им можно найти применение, но кристаллическую решетку лучше выстраивать из твердых кирпичиков, а не из зефира.
Изучая биологические системы с рекомбинацией, мы нашли решение этой проблемы - жесткую молекулу ДНК с двойным кроссовером (DX). Она состоит из двух расположенных рядышком двойных спиралей с цепями, переходящими от одной спирали к другой и соединяющими их между собой (см. рис. ниже). Весьма жесткой оказалась и DX+J-молекула, содержащая еще один маленький участок двойной спирали, выпирающий из нее, - своеобразный маркер.

---

ЖЕСТКИЕ РЕШЕТКИ ИЗ ДНК

Из жестких "кирпичиков" ДНК можно строить двухмерные кристаллы. Кирпичики (a) представляют собой блоки с двойным кроссовером (DX) и с двойным кроссовером плюс узел (DX+J), которые не могут проворачиваться в точках их соединения так, как могут узлы с несколькими ветвями. Каждый кирпичик имеет четыре различных липких конца для соединения кирпичиков между собой. Выступающая зеленая цепь DX+J соединяется вне плоскости. Каждый блок имеет размеры примерно 4 на 16 нанометров. Для простоты DX и DX+J блоки показаны схематически, с геометрическими фигурами на их концах, изображающими липкие концы (b). В растворе липкие концы находят комплементарные себе, и блоки самособираются в двухмерную структуру (c). На изображении кристалла, полученном на атомном силовом микроскопе, видна полосатая структура (d) (образец для микроскопии был нанесен на плоскую поверхность слюды). Яркие полосы, отстоящие примерно на 32 нанометра, - это линии ДНК, выступающих из блоков DX+J. Параллелограммы ДНК также самособираются в двумерные структуры (e, f).

---

Эрик Уинфри (Erik Winfree), Фуронг Лю (Furong Liu) и Лайза Венцлер (Lisa A. Wenzler) использовали комбинации DX- и DX+J-молекул для создания двумерных кристаллов заданной конфигурации. Элементы соединяются липкими концами по обеим сторонам каждой спирали. Столбцы DX-молекул, чередующиеся со столбцами DX+J-молекул, образуют полосы, отстоящие друг от друга на 32 нм. Качество полученной сетки мы проверили с помощью атомного силового микроскопа, нанеся ее на плоскую слюдяную пластину. Чтобы убедиться в том, что достигнутый результат неслучаен, мы изготовили второй кристалл с измененными элементами. В нем три DX-столбца были связаны с одним DX+J столбцом, и поэтому промежуток между полосами был в два раза больше.
Недавно группа Джона Райфа (John H. Reif) из Университета Дьюка продемонстрировала "штриховые коды ДНК", сделанные по этой технологии. С помощью входной цепи ДНК расположение полос было запрограммировано таким образом, чтобы они изображали двоичное число 01101. Аналоги DX- и DX+J блоков самособирались на участках исходной ДНК, соответствующих 0 и 1 соответственно. Несколько таких последовательностей из пяти элементов соединялись параллельно, образуя сочетание полос кода, промежуток между которыми составлял около 15 нм. Анализируя полученный штрих-код с помощью атомного силового микроскопа, мы, по существу, получаем данные, которые были закодированы в исходной цепи ДНК. Подобные визуальные средства чтения последовательности ДНК можно использовать для быстрого составления карт мутаций и считывания результатов вычислений на основе ДНК.

Вместе с Ченгдэ Mao (Chengde Mao) мы синтезировали параллелограммы из ДНК, аналогичные многогранникам из стержней. В результате соединения множества их копий получается двухмерный кристалл. Величину его впадин можно регулировать, изменяя размеры параллелограммов. Хотя точки разветвления характеризуются гибкостью, располагая их в углах параллелограммов, мы получаем подходящие элементы двумерной матрицы.

Функционирование этого устройства было проверено путем соединения ряда его копий в цепь с большими участками ДНК трапецеидальной формы, введенными в качестве маркеров. Когда устройства находятся в состоянии PX (b, внизу), все трапецоиды находятся на одной и той же стороне. Когда все устройства находятся в состоянии JX (c), положения трапецоидов по сторонам чередуются. Атомная силовая микроскопия точно выявляет этот способ поведения (d, e).



Наномашины

И все же самое интересное в нанотехнологии - это механизмы молекулярных размеров. Мы создали из ДНК несколько таких устройств, но мне хотелось бы обратить особое внимание на две конструкции, основанные на структурном изменении молекул ДНК - переходе от одной конформации к другой.

Обычная ДНК называется B-ДНК и имеет вид правосторонней спирали: если подниматься по ней как по лестнице, то левая рука будет на внутренних перилах, а правая - на внешних. Такая структура энергетически наиболее выгодна в типичных условиях водных растворов.

---

Наномеханическое B-Z устройство, которое демонстрирует управляемое движение, сделано из двух блоков DX (синий и оранжевый), соединенных "валом" из 20 пар оснований(фиолетовый). Две цветные окрашенные молекулы (серебряные и золотые сферы) выделяют цветом положения DX-молекул. В состоянии B (сверху) "вал" - это обычная правосторонняя спираль B-ДНК, и обе DX-молекулы находятся по одну сторону "вала". Когда к раствору добавляется гексамин кобальта, "вал" преобразуется в левостороннюю Z-ДНК (см. верхнюю иллюстрацию выше), и DX-блоки поворачиваются на 3,5 оборота относительно друг друга, оказываясь по разные стороны от "вала".

---

Форма ДНК зависит от последовательности оснований в ее цепи и химических соединений, присутствующих в окружающем растворе. В 1979 г. Александр Рич (Alexander Rich) из Массачусетского технологического института открыл Z-ДНК с левосторонней структурой. Чтобы получить ее, необходимо добиться чередования в спирали цитозина и гуанина. В основную цепь ДНК входят отрицательно заряженные фосфатные группы, которые в Z-ДНК сближаются. Энергетически это выгодно только в том случае, если заряды на фосфатах экранированы друг от друга водной средой, содержащей либо соль в высокой концентрации, либо эффекторное соединение, например, гексамин кобальта Co(NH3)63+, выполняющий ту же функцию при намного меньшей концентрации. Подбирая расположение последовательности цитозин - гуанин, мы определяем, в каком месте молекулы будет происходить B-Z-переход, а изменяя свойства окружающей жидкости - инициируем его.
Вместе с коллегами из Нью-Йоркского университета мы создали устройство, состоящее из двух DX-молекул, связанных двойной спиралью ДНК (см. рис. внизу). Ее центр был образован последовательностью из 20 пар оснований, которые в соответствующих условиях принимали Z-форму. В исходном состоянии каждая часть механизма образует B-ДНК, и обе DX-молекулы располагаются по одну сторону от оси. При добавлении к раствору гексамин кобальта центральная часть вала превращается в Z-ДНК, и одна из DX-молекул поворачивается на 3,5 оборота и оказывается на противоположной стороне оси. При удалении гексамин кобальта устройство возвращается в первоначальное состояние.

---

ДНК КАК ПУСКОВОЕ УСТРОЙСТВО

Индивидуально управляемое устройство из ДНК переключается между двумя состояниями (a, шаги 1-8) с помощью добавления и удаления определенных отрезков цепей ДНК, называемых задающими цепями. Голое устройство состоит из четырех двойных спиралей, связанных в середине двумя неспаренными цепями ДНК (1). Когда добавлены светло-синие задающие цепи (2), они связываются с неспаренными цепями таким образом, что вынуждают устройство перейти в "дважды параллельное" (JX) состояние (3). В этом состоянии и верхняя, и нижняя части красной и зеленой спиралей обращены в одну и ту же сторону. При добавлении комплементарных цепей светло-синие цепи отщепляются (4), снова оставляя устройство голым (5). Теперь добавляются пурпурные задающие цепи (6), которые присоединяются другим способом, заставляя устройство перейти в конфигурацию так называемого паранемического кроссовера (PX) (7). При этом нижняя часть устройства поворачивается, помещая красную и зеленую спирали на противоположных сторонах. Цикл механизма можно продолжить, удалив пурпурные задающие цепи (8) и введя снова светло-синие.

---

B-Z-механизм надежен, но у него есть недостаток. Например, у двухмерной решетки из нескольких B-Z-устройств будет всего два состояния: все элементы в положении B и все элементы в положении Z. Поэтому подобные структуры желательно собирать из устройств, которыми можно управлять с помощью самих цепей ДНК, используя для запуска каждого элемента уникальную последовательность оснований.
Мы разработали систему, которая изменяет форму при соединении с разными молекулярными цепочками. Она состоит из двух параллельных двойных спиралей ДНК, каждая из которых в центральной области кроссовера сокращается до одиночной цепи. Область пересечения может находиться в двух различных состояниях - PX (паранемический кроссовер) и JX ("бок о бок") - в зависимости от того, какие молекулярные цепочки были добавлены к раствору, чтобы присоединиться к одноцепочному участку (см. рис. вверху). Когда устройство находится в состоянии PX, две спирали по одну сторону от центрального узла повернуты на полоборота относительно их положений в состоянии JX.

Когда в раствор добавляется специфическая пара задающих цепочек, они связываются с центральной областью без кроссовера и переводят устройство в состояние JX. Чтобы снова переключиться на PX, их нужно удалить. В 2000 г. Бернард Юрке (Bernard Yurke) и его коллеги из фирмы Lucent Technologies показали, что определенную молекулярную цепочку можно извлечь из ДНК, присоединив к ней полностью комплементарную цепь. Для этого задающие цепи должны содержать короткие концы, не спаренные с механизмом. Когда мы добавляем в раствор полностью комплементарную цепь, она присоединяется сначала к неспаренному участку, а затем отделяет от устройства остальную часть задающей цепочки.

После удаления одних задающих цепей мы можем добавить другие. Их присоединение вызывает поворот двух двойных спиралей и переводит устройство в состояние PX. Процесс можно обратить, удаляя вторые задающие цепи и снова добавляя первые. Таким образом, двойную спираль по желанию можно переводить из одной формы в другую. Множество различных PX-JX-устройств можно использовать независимо, добавляя и удаляя задающие цепи, настроенные на их индивидуальные области присоединения.

Чтобы проверить, как работает наше устройство, пришлось воспользоваться атомным силовым микроскопом. К одной стороне механизмов, соединенных в длинную цепь, мы присоединили большой блок ДНК трапецеидальной формы. Когда все устройства находятся в состоянии PX, трапецоиды лежат на одной и той же стороне цепи. При переходе элементов цепочки в состояние JX трапецоиды выстраиваются зигзагом.

В 2000 г. группа под руководством Юрке продемонстрировала наноскопический пинцет, изготовленный из трех цепей ДНК. Задающие цепи (их Юрке называет топливными цепями) открывают и закрывают его. Другие исследователи использовали аналогичные методы для включения активности рибозимов - ферментов, сделанных из РНК. В 1998 г. Майкл Робинсон (Michael P. Robinson) и Эндрю Эллингтон (Andrew D. Ellington) из Техасского университета в Остине продемонстрировали 10 000-кратное повышение активности рибозима при добавлении соответствующей задающей цепи, которая присоединяется к рибозиму и изменяет его конформацию.

Планы на будущее

Главная цель нанотехнологии, основанной на ДНК, состоит в распространении достигнутых в двух измерениях успехах на три измерения. Когда это будет сделано, мы сможем показать способность конструировать твердые материалы, задавая ряд последовательностей ДНК и затем комбинируя их. Если системы высоко упорядочены, то можно будет проводить кристаллографические эксперименты с использованием молекул, удерживаемых внутри регулярно повторяющейся структуры, о которых мы упоминали ранее.

Другая цель состоит в том, чтобы включить устройства на ДНК в структуры. Это было бы первым шагом к наноробототехнике, включающей сложные движения и разнообразие структурных состояний, которые позволят нам строить химические сборочные линии. Используя устройства, подобные описанным выше, мы могли бы с высокой точностью собирать новые материалы. Как опытный образец Джеймс В. Кенэри (James W. Canary) и Филип С. Льюкмен (Philip S. Lukeman) из Нью-Йоркского университета, Ли Джу (Lei Zhu), теперь работающий в Техасском университете в Остине, и я недавно собрали на базовой цепи из нуклеиновых кислот небольшой кусок нейлона. Мы полагаем, что когда-нибудь мы сможем делать новые полимеры с определенными свойствами и топологией (типа витков их базовых цепей).

---

Важнейшая цель для нанотехнологии, основанной на ДНК, состоит в том, чтобы успехи, достигнутые в двух измерениях, распространить на три измерения.

---

Достижение этих целей прежде всего предполагает использование ДНК как программируемого компонента, но ни кристаллография, ни наноэлектроника не могут полагаться на одну ДНК. Например, наноэлектронные компоненты типа металлических наночастиц или углеродных нанотрубок должны будут объединеняться с молекулами ДНК в системах и в жидких растворах, совместимых как с ДНК, так и с другими компонентами. Учитывая разнообразную химическую природу этих молекул, достигнуть этого будет непросто. Кроме того, даже если наноэлектронные устройства можно построить путем самосборки ДНК, наномашины в конечном счете должны взаимодействовать с макроскопическим миром более сложным образом, чем добавление и удаление задающих цепей из раствора. Это, вероятно, будет очень трудная задача.

---

ДНК октаэдр был построен из одной длинной цепи ДНК и пяти коротких вспомогательных цепей. Каждая "распорка" состоит из двух параллельных связанных между собой двойных спиралей. Показанное изображение было реконструировано путем объединения данных от полученных на криоэлектронном микроскопе изображений более чем 600 октаэдров. Цвета изображают относительную электронную плотность: красный - высокую и синий - низкую.

---

Мечта нанотехнологии - машина, которая может осуществлять копирование. Однако в отличие от линейной ДНК, разветвленная ДНК не дает возможности легкого самокопирования. Все же в конце прошлого года Уильям Ши (William M. Shih), Джоэл Квисп (Joel D. Quispe) и Джералд Джойс (Gerald F. Joyce) из Научно-исследовательского института Скриппса в Ла-Хойя (Калифорния), сделали захватывающий первый шаг к самокопирующимся объектам из ДНК. Из одной длинной цепи ДНК (приблизительно 1700 оснований) они построили октаэдр, используя для завершения сборки пять коротких вспомогательных цепей (см. иллюстрацию вверху). Каждое ребро октаэдра состоит из двух связанных между собой двойных спиралей ДНК, составленных из ряда DX и PX молекул. Каждое ребро имело длину около 14 нанометров, или приблизительно четыре оборота двойной спирали. Свернутый октаэдр не может воспроизводиться, но в развернутом состоянии длинную цепь легко можно размножить клонированием хоть миллионы раз, используя стандартный процесс биотехнологии, называемый PCR (цепная реакция полимеразы). Это пока еще далеко от копирования, осуществляемого каждым живым организмом, но к столетию открытия Уотсона и Крика мы, наверное, будем иметь машины на основе ДНК, которые будут делать то же самое.

---

ОБ АВТОРЕ:
Нейдриен C. ("Нед") Симан (Nadrian C. ("Ned") Seeman) - специалист по кристаллографии. Разочаровавшись в экспериментах по кристаллизации макромолекулярных соединений, он выдвинул идею, что объединение цепей ДНК можно использовать для нового подхода к кристаллизации. С тех пор он работает над осуществлением этой концепции и ее применением. В течение последних 16 лет Симан работал на химическом факультете Нью-Йоркского университета.

Когда в середине 1980-х гг. ему сказали, что то, чем он занимается, это нанотехнология, его ответ был похож на реакцию Журдена, персонажа пьесы Мольера "Мещанин во дворянстве", который был восхищен, узнав, что всю свою жизнь он говорил прозой. 

http://www.sciam.ru/article/2328 

ЧТО ДЕЛАЕТ НАС ЛЮДЬМИ?

июль 2009
Эволюция

ЧТО ДЕЛАЕТ НАС ЛЮДЬМИ?

Кэтрин Поллард

При сравнении геномов человека и шимпанзе удалось выявить небольшие участки ДНК, присущие исключительно людям

РАЗЛИЧИЕ В 1%: люди отличаются от шимпанзе во многих отношениях, хотя почти на 99% ДНК у них одна и та же; новые исследования выявляют области генома, делающие наши виды разными

Шесть лет назад я с радостью воспользовалась возможностью присоединиться к международной группе ученых, изучающих последовательности нуклеотидов или "букв", из которых составлена ДНК, в геноме обыкновенного шимпанзе (Pan troglodytes). Поскольку я занимаюсь биологической статистикой и давно интересуюсь происхождением человека, я хотела сравнить ДНК человека с ДНК нашего ближайшего родственника. Результат может показаться для нас унизительным: почти на 99% ДНК человека и шимпанзе оказались идентичными. Другими словами, из 3 млрд букв, составляющих геном человека, лишь 15 млн (менее 1%) изменились за последние 6 млн лет, прошедших с момента расхождения наших эволюционных путей.

Теоретически большая часть изменений вообще никак не повлияла на нашу биологию, однако гдето среди 15 млн нуклеотидов лежат именно те отличия, которые и делают нас людьми. Я набралась решимости их отыскать, и в результате мне удалось добиться значительных успехов.

Первый сюрприз

Несмотря на то что эти несколько миллионов нуклеотидов составляют малую долю человеческого генома, они все равно остаются необозримо обширным полем для исследований. Чтобы ускорить поиск, я написала компьютерную программу, которая ищет в человеческом геноме участки ДНК, изменившиеся сильнее всего с момента разделения родословных человека и шимпанзе. Поскольку большая часть случайных генетических мутаций не приносит организму ни вреда, ни пользы, они накапливаются с постоянной скоростью; по ним можно судить о времени, минувшем с момента обособления двух видов, произошедших от общего предка (скорость накопления таких изменения называют ходом молекулярных часов). Ускорение темпов накопления модификаций в некоторой части генома говорит о положительном давлении естественного отбора, когда мутации, увеличивающие шансы организма на выживание и размножение, передаются потомкам с повышенной вероятностью. Другими словами, части кода, претерпевшие наибольшие изменения со времени разделения человека и шимпанзе, скорее всего и представляют собой как раз те самые последовательности, благодаря которым человек стал человеком.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

• Шимпанзе - самые близкие к нам из числа ныне живущих родственников человека. ДНК человека и шимпанзе оказались идентичными почти на 99%.
  
• Поиск участков генома человека, изменившихся сильнее всего после расхождения наших эволюционных путей с шимпанзе, позволил обнаружить последовательности ДНК, делающие нас людьми.
  
• Эти открытия также позволили понять, почему шимпанзе и люди различаются столь сильно, при том что обладают практически идентичными генетическими программами.

В ноябре 2004 г., потратив месяцы на отладку и оптимизацию программы, мы вместе с моим руководителем Дэвидом Хосслером (David Haussler) запустили ее на огромном кластере вычислительных машин в Калифорнийском университете в Санта-Крузе и получили файл с ранжированным списком быстро изменявшихся последовательностей. Первым номером в списке стояла последовательность из 118 нуклеотидов, которую назвали HAR1 (от human accelerated regions - зоны ускоренного развития у человека). Воспользовавшись базой данных в Калифорнийском университете в Санта-Крузе, я стала искать информацию по HAR1. База данных содержала последовательность HAR1 человека, мыши, крысы и курицы - всех видов позвоночных, геном которых был расшифрован к тому времени. Удалось также выяснить, что в крупномасштабных скрининговых экспериментах активность HAR1 была выявлена в двух образцах клеток мозга человека, хотя данная последовательность еще не получила названия и не была никем исследована. Мы хором воскликнули: "Потрясающе!" - ведь HAR1 могла быть частью гена, активного в мозге и еще не известного науке.

Нам выпала невероятная удача. Известно, что человеческий мозг отличается от мозга шимпанзе по размеру, организации, степени сложности и другим особенностям, однако эмбриологические и эволюционные механизмы, лежащие в основе таких различий, все еще остаются почти неизвестными. HAR1 обещала пролить свет на один из самых загадочных аспектов биологии человека.

Мы потратили год на то, чтобы выяснить как можно больше об эволюционной истории HAR1, сравнивая эту область генома у различных видов, включая еще 12 видов позвоночных, геном которых к тому времени был секвенирован. Оказалось, что до момента появления человека HAR1 эволюционировала чрезвычайномедленно. У кур и шимпанзе (пути которых в эволюции разошлись около 300 млн лет назад) в ней различаются лишь два из 118 нуклеотидов, в то время как человека и шимпанзе, произошедших от одного предка совсем недавно, разделяют целых 18 различий. То, что HAR1 оставалась практически неизменной на протяжении сотен миллионов лет, говорит о том, что она отвечает за нечто чрезвычайно важное; резкое изменение этой последовательности у людей указывает на значительную модификацию ее функции, произошедшую у непосредственных предков человека.

Важные сведения о функции HAR1 в мозге появились в 2005 г., после того как соавтор нашей работы Пьер Вандерхаген (Pierre Vanderhaeghen) из Брюссельского свободного университета получил в нашей лаборатории в Санта-Крузе ампулу с синтезированными HAR1. С их помощью он создал флуоресцентную молекулярную метку, указывавшую на место активации HAR1 в живых клетках - т.е. на транскрипцию информации с ДНК на РНК. Когда в клетке включаются гены, она сначала производит подвижную информационную РНК и затем использует ее в качестве матрицы для синтеза необходимых ей белков. Метка показала, что HAR1 активна в той разновидности нейронов, которая играет важнейшую роль в формировании развивающейся коры больших полушарий (наружного слоя мозга, образующего борозды и извилины). Если с нейронами что-нибудь происходит не так, то возникает тяжелое и часто смертельное врожденное заболевание - лиссэнцефалия (буквально "гладкий мозг"), при котором в коре отсутствует характерная для нее складчатость, а ее площадь значительно снижена. Нарушение работы этих нейронов связывают также с развитием шизофрении.

Таким образом, HAR1, активируясь в нужное время и в нужном месте, обеспечивает правильное формирование коры (имеются указания на то, что она также играет некоторую роль в сперматогенезе). Однако то, как именно данный фрагмент генетического кода влияет на развитие мозга, остается загадкой, которую мы стремимся разгадать.

Помимо интересной эволюционной истории HAR1 имеет еще одну особенность - она не кодирует белок. Десятилетиями исследования в области молекулярной биологии были в основном направлены на изучение генов, кодирующих белки, строительные кирпичики наших клеток. Однако благодаря проекту "Геном человека", в ходе которого было проведено секвенирование нашего собственного генома, ученые обнаружили, что гены, кодирующие протеины, составляют всего лишь 1,5% нашей ДНК. Остальные 98,5% (называемые иногда "бесполезной ДНК") содержат регуляторные последовательности, сообщающие другим генам, когда им следует включаться и выключаться, а также гены, кодирующие РНК, которая не транслируется в белки.

Исходя из структуры последовательности HAR1 мы предсказали, что она кодирует РНК, а в 2006 г. Софи Салама (Sofie Salama), Холлер Айгел (Haller Igel) и Мануэль Арес (Manuel Ares) из Калифорнийского университета в Санта-Крузе подтвердили это лабораторными экспериментами. Оказывается, человеческая HAR1 располагается в двух перекрывающихся генах. Общая для них последовательность HAR1 является представителем совершенно нового структурного типа РНК, обнаруженного сверх шести известных классов генов РНК. Эти шесть важнейших групп охватывают более 1 тыс. различных семейств генов РНК, которые различаются структурой и функцией кодируемой ими РНК. HAR1 также представляет собой первый известный нам пример последовательности, кодирующей РНК, которая подвергалась положительному давлению естественного отбора.

Может показаться удивительным, что никто не обратил внимания на эти 118 нуклеотидов человеческого генома раньше. Однако отсутствие технологии для эффективного сравнения целых геномов не позволяло исследователям заметить, что HAR1 чем-то выделялся на фоне остальной "бесполезной" ДНК.



Полную версию материала Вы найдете
в печатной версии журнала

http://www.sciam.ru/article/4468