Биология

Постаревшие губки, послания из космоса, гибриды Homo и #MeToo

Десять научных прорывов года по версии журнала Science

Howard Hughes Medical Institute/Ricardo Moraes/Reuters/Pexels

Может ли движение #MeToo благотворно повлиять на науку, зачем строить фотоумножители под двухкилометровым антарктическим льдом, из-за чего началось верхнедриасское глобальное похолодание, как клетки определяют свою судьбу, а молекулы внутри них встречают свою, рассказывает Indicator.Ru.

Один за всех и все за одного

Три мушкетера могли постоять друг за друга, а три новые технологии позволяют поэтапно отследить, как из одной клетки получается целый организм и как трудится каждая клетка, включая и выключая гены и синтезируя белки, чтобы такая масштабная затея удалась. Специалисты уверены, что этот подход «трансформирует десятилетие будущих исследований». Одна из упомянутых технологий позволяет извлечь тысячи нетронутых клеток из живого организма, вторая — эффективно прочитать их генетический материал, а третья — пометить клетку или отследить ее судьбу на компьютере.

Извлекая отдельные живые клетки из организма, можно секвенировать (прочитать генетический код) синтезированные в ней молекулы РНК. Поскольку информационная РНК работает как матрица для создания белковых молекул, закодированных в генах, секвенирование РНК дает понять, какие гены активны в клетке в конкретный момент времени. А производимые с этих генов белки определяют, чем эта клетка занимается.

Только недавно ученым удалось показать, что такой эксперимент возможен в больших масштабах: почти одновременно вышли исследования активности генов 8000 клеток эмбриона дрозофилы (Drosophila melanogaster) и 50 000 клеток нематоды (Caenorhabditis elegans). Исследователи выяснили, какие транскрипционные факторы (так называют белки-переключатели активности генов) отвечают за то, какую судьбу выберет клетка и к какому типу будет относится она и ее потомки. Позднее подобные работы провели и на эмбрионах позвоночных: лягушке и рыбке Danio rerio.

Jeffrey Farrell, Schier Lab/Harvard University

Оставалась последняя проблема: как проследить за клеткой дальше, если из организма ее уже извлекли? Эти данные можно сопоставить, если отдельные клетки в другом эмбрионе пометить геном, кодирующим флуоресцентный белок («заразив» ее безобидным вирусом или при помощи CRISPR). На эмбрионе человека провести подобный эксперимент пока нельзя, но узнать роль клеток в развитии болезней, старении и регенерации можно. Этим займется консорциум LifeTime — коллаборация из 53 научных учреждений и 60 компаний Европы.

В далекой-далекой галактике…

...часто происходит что-то интересное, не менее часто на таком расстоянии самого главного глазами не увидишь — и оптическим телескопом тоже. На помощь приходит так называемая многоканальная, или многоволновая, астрофизика (русский перевод multimessenger astrophysics еще не устоялся). Электромагнитное излучение, гравитационные волны и различные элементарные частицы из космоса — все это астрофизики научились улавливать телескопами, чтобы получить данные о ранее недоступных нашему измерению процессах Вселенной. В этом году ученые впервые смогли доказать, что детектор нейтрино зарегистрировал нейтрино из другой галактики.

Поток нейтрино, пойманный крупнейшим в мире нейтринным телескопом IceCube, был выпущен блазаром — активным галактическим ядром. Блазар становится очень ярким источником излучения, так как в центре него находится сверхмассивная черная дыра, которая разогревает вращающийся вокруг нее газ, заставляя его светиться и выбрасывать джеты — вспышки раскаленной плазмы. Ранее IceCube уже улавливал нейтрино, иногда даже не из Млечного Пути, однако раньше не удавалось установить их источник. На этот раз Fermi, космический гамма-телескоп NASA, находящийся на орбите Земли, смог засечь блазар по направлению, с которого прилетели нейтрино.

Jamie Yang and Savannah Guthrie/Icecube/NSF

Первое межгалактическое послание — повод для радости сотрудников обсерватории. Теперь они надеются, что смогут увеличить объем льда для своей установки в десять раз. Интересно, что, хотя IceCube находится на Южном полюсе, он регистрирует события со стороны Северного полушария: только нейтрино могут пройти Землю насквозь, чтобы их воздействие на электроны и нуклоны льда можно было зарегистрировать при помощи фотоумножителей, расположенных подо льдом на глубине от 1450 до 2450 метров.

Песнь льда и пламени о Гайавате

Герой саги Лонгфелло, написанной на размер и по схеме карельской «Калевалы», а сюжетом опирающейся на индейские предания, дал название кратеру под гренландским ледником. 31-километровый кратер Гайавата стал следом столкновения с метеоритом, входящего в число 25 самых крупных из известных на Земле.

NASA Scientific Visualization Studio

В отличие от кратера Чиксулуба, датировка Гайаваты сбивает ученых с толку: за последние 100 000 лет в ледниках Гренландии не сохранилось осколков и обломков-свидетельств падения такого крупного объекта. Однако полученные радаром изображения показывают, что кратер никак не старше этого возраста. Более того, некоторые признаки нарушения структуры льда в глубине кратера указывают на совсем «юный» возраст — 13 000 лет. Если кропотливая и долгая работа с минеральными кристаллами со дна этого кратера даст такой же ответ, то Гайавата может оказаться причиной глобального похолодания в позднем дриасе, которое 12 680 лет назад пришло на смену аллередскому потеплению. Тогда метеоритная теория дриасского похолодания из противоречивой и недоказанной станет общепринятой.

Карусель для молекул и электронный пучок

Вместе эти две составляющие дают способ быстро и точно «разметить» положение атомов в ранее неизвестной молекуле.

3D-структуры и расположение атомов в молекуле можно узнать с помощью рентгеновской кристаллографии (так произошла, например, расшифровка структуры ДНК). Для такого анализа понадобится кристалл, где все молекулы выстроены в одном определенном порядке. Для некоторых субстанций вырастить упорядоченный кристалл размером хотя бы с песчинку может быть невероятно сложно. Другой выход — получить 2D-кристалл, то есть лист из одного слоя молекул, и облучить его потоком электронов. Но что делать с кристаллом толщиной больше одной молекулы, но слишком маленьким для рентгеновской кристаллографии?

В этом году выход был найден: ученые из США, Германии и Швейцарии предложили облучать электронами кристалл на вращающейся подставке, а потом сопоставлять изображение, получившееся с разных углов зрения. Такая техника помогает определить взаимное расположение за считанные минуты, не тратя на эту работу дни или даже месяцы, как раньше.

Gonen Lab

#MeToo в науке

Как бы неожиданно это ни звучало, одним из прорывов года по версии журнала Science стало движение против сексуального насилия. Оказалось, что среди ученых оскорбления и домогательства долгие годы оставались в тени. Но в этом году вышел отчет американских академий наук, инженерии и медицины, который резко привлек внимание к этой проблеме.

По данным отчета, более 50% сотрудниц научных учреждений и от 20 до 50% студенток (в зависимости от области исследований) подвергаются сексуальным домогательствам и унижениям. И самая живучая форма — сексистские стереотипы, из-за которых женщин из-за их пола могут обижать, принимать враждебно и не брать на работу.

Daria Kirpach/Salzmanart

Отчет подтолкнул волну жалоб, в ответ на которые некоторые научные учреждения пошли на увольнения виновных. Однако до победы критикам существующего порядка еще далеко: во многих учреждениях за научные заслуги сотрудникам готовы прощать все. Одна из сторонниц их публичного осуждения, БетЭнн МакЛоглин, нейробиолог из Университета Вандербильдта, даже основала группу #metooSTEM, чтобы поддерживать жертв насилия. По ее словам, к примеру, в Национальных институтах здоровья грантополучателям не грозят даже дисциплинарные взыскания за подобные правонарушения. Каждое свое выступление женщина начинает с 46 секунд молчания — по одной за каждый год, пока Национальные институты здоровья продолжают раздавать гранты тем, кто применяет к студенткам сексуальное насилие.

Дочь денисовца и эмигрантки из Восточной Европы

Кость женщины, чьей матерью была неандерталка, а отцом — денисовский человек, была найдена в сибирской пещере в 2012 году, но анализ ДНК позволил узнать о ее предках только сейчас.

Жившая 50 000 лет назад в той же пещере, где в 2011 году впервые были найдены останки таинственных денисовцев, женщина унаследовала примерно по половине генетических вариантов от них и от неандертальцев. Принадлежащая женщине митохондриальная ДНК, которая преимущественно передается по материнской линии, явно принадлежала неандертальской женщине. Примерно половина ее аллелей (генетических вариантов) гетерозиготны, что позволяет предположить, что она действительно была гибридом первого поколения, родившимся от двух далеких линий рода Homo. Однако в отцовском геноме можно тоже предположить неандертальское родство: возможно, неандертальские гены пришли к ней и с этой стороны, хотя и через много поколений.

Еще один противоречивый вывод — то, что мама-неандерталка этой сибирской женщины оказалась более близкой родственницей неандертальцев из Хорватии, чем найденных ранее неандертальцев из той же пещеры. Почему это произошло и как группы неандертальцев мигрировали на такие расстояния туда и обратно? И если они свободно скрещивались с денисовцами, почему они так и не объединились в один вид? Вопросов пока намного больше, чем ответов.

Thomas Higham/University of Oxford

Выследить по ДНК

Угрозами вычислить по IP уже давно никого не удивишь: сегодня даже давно забытые «глухари» удается раскрыть при помощи анализа ДНК. Причем теперь криминалистам необязательно секвенировать каждого, ведь ДНК-генеалогия позволяет найти преступника по генеалогическим деревьям, основанным на генетических данных его дальних родственников. Так, к примеру, в апреле удалось найти маньяка, орудовавшего в Калифорнии в 1970-80-х годах.

Сегодня по всему миру набирают популярность генетические анализы для установления родства — тесты вроде 23andMe или Ancestry. Полученные данные компании обязаны хранить в неприкосновенности, однако судебное постановление может разрешить полиции использовать их для поиска нарушителей закона. Чтобы упростить работу полицейским, сегодня любой желающий может поделиться данными с онлайн-базой данных GEDMatch, запущенной двумя специалистами по генеалогии из Техаса и Флориды. Именно с ее помощью удалось выследить уже 73-летнего преступника, сопоставив ДНК с мест преступления с ДНК его дальних родственников.

К этой осени троюродные братья или даже более близкие члены семей 60% европеоидных американцев могут найтись в этой базе с миллионом образов. Три миллиона образцов позволят найти 90% белого населения США, даже если они никогда не проходили ДНК-тесты. Ученым только предстоит решить связанные с такими исследованиями этические вопросы, в том числе что делать с возможностью перепутать преступника с кем-то из его близких родственников.

Reuters

Гены, вы имеете право хранить молчание

РНК-интерференция — открытый 20 лет назад способ заставить гены «молчать», то есть не производить белок, при помощи блокировки информационных РНК. Создать на основе этой технологии новый класс лекарств, однако, долго не удавалось: РНК-молекулы, которые должны создавать интерференцию, легко подвержены разрушению, да и направить их адресно в нужную ткань не удавалось.

После десятилетия работы решить эту проблему смогли исследователи из Кебриджа, заключившие РНК в объятия липидных наночастиц, которые помогают найти дорогу в печень и защищают неустойчивую молекулу на протяжении долгого пути. Такое лекарство могло бы спасти пациентов от транстиретинового амилоидоза, блокируя производство неправильно сворачивающегося белка, который повреждает мышцы и нервы.

В этом году исследователям удалось добиться одобрения для своего лекарства — вслед за одобрением нескольких других классов РНК-лекарств двумя годами ранее. Сейчас развивается еще более новый метод доставки: на этот раз защищать и провожать по назначению молекулу РНК смогут специализированные сахара.

Val Altounian/Science

Посмертные записки эдиакарского клуба

Эдиакарские ископаемые — необычная ветвь многоклеточных живых организмов, обитавшая на Земле полмиллиарда лет назад и не оставившая прямых потомков. Ученые уже 70 лет спорят, были ли многие из них растениями, животными или другой ветвью древа жизни, которая не смогла сохраниться до наших дней.

Австралийские ученые исследовали молекулярные органические остатки на ископаемых с Белого моря, которые принадлежали жившим 550 миллионов лет назад организмам. Они обнаружили высокое содержание гопанов, что позволило доказать, что маленькие шарики с Белого моря когда-то представляли собой колонии цианобактерий.

С той же методикой исследователи приступили и к одному из самых знаменитых эдиакарских органимов — овальной полметровой дикинсонии (которой мы решили посвятить подзаголовок этой части). Ее останки, как оказалось, содержали похожие на холестерин молекулы, которые характерны для животной клетки. Эта «молекулярная подпись» намекает на то, что Dickinsonia может оказаться первым известным животным. А чуть позже другая научная группа нашла следы молекул, сегодня производимых только губками. Молекулы появились в слоях породы возрастом 660-635 миллионов лет, и это на 100 миллионов лет старше, чем первые известные ископаемые губки.

D. Grazhdankin

Белково-капельным путем

Как молекулы оказываются в нужное время в нужном месте, чтобы клетка могла выполнить свои функции? Как они пробираются сквозь густой молекулярный «суп» цитоплазмы, чтобы встретить свою пару среди тысяч других? Ответом на этот вопрос могут стать жидкие капельки. Из белка.

С 2009 года ученые начали понимать, что многие белки могут отделиться от цитоплазмы и конденсироваться в концентрированные жидкие капельки, особенно когда клетка отвечает на стресс. Фазовое разделение двух жидкостей, похожее на то, что произойдет с уксусом и маслом в салатной заправке, сегодня становится одной из самых актуальных тем в биологии. В 2017 году роли белковых капелек в функционировании генов в ядрышке клетки посвятили целых две статьи в Nature. В 2018 году три работы в Science показали, что их функции гораздо шире. Оказалось, что белки в форме капелек могут участвовать в переписывании информации с ДНК на РНК.

Некоторые белки с «хвостами», похожими на спагетти, могут запускать такую конденсацию. Однако, если что-то пойдет не так, жидкость может превратиться в гель, а гель затвердеть, что приводит к патологическим последствиям: к образованию амилоидных бляшек и к нейродегенеративным заболеваниям. Поэтому изучение темы белковых капелек может помочь еще и в создании лекарств от таких болезней, как боковой амиотрофический склероз.

E.M. Langdon et al

Понравился материал? Добавьте Indicator.Ru в «Мои источники» Яндекс.Новостей и читайте нас чаще.

Подписывайтесь на Indicator.Ru в соцсетях: Facebook, ВКонтакте, Twitter, Telegram, Одноклассники.