Конъюнктурные гены нашего беспокойного мира
Нобелевские академики, что называется, сызнова попали в струю. Все сегодняшние естественнонаучные лауреаты - граждане США, а химическая премия уже не в начальный раз проходит по ведомству биологии
Первое, что бросается в глаза при знакомстве со списком победителей этого года, - все они американцы. В финальный раз таковая же картина наблюдалась в 1983 году. Наверное, возможно посетовать на некоторую неполиткорректность шведских академиков, не пожелавших разбавить новую научную суперэлиту представителями Европы или, скажем, Японии. Однако, как бы ни относились к такому выбору, запрещено не признать добро популярный всем неангажированным научным специалистам факт: большая наука давнехонько и прочно обосновалась по ту сторону Атлантического океана.
Да, американцам катастрофически не хватает собственных обладающих квалификацией кадров, и они вынуждены ступать на все большую либерализацию иммиграционного законодательства для приманивания "хороших мозгов" (а что прикажете работать с коренным населением, половинка которого, в соответствии исследованию, проведенному в 2002 году Национальным научным фондом США, не знает, что электроны меньше атомов, а динозавры и люди ни при каких обстоятельствах не жили по соседству дружбан с другом на нашей планете?). Но потому что нет отбоя от иноплеменных хороших ученых, желающих сделаться стопроцентными американцами в первом поколении.
Обращает на себя участливость и большая влюбленность Нобелевского комитета к достижениям в области биотеха и скоро почкующихся от него новомодных научных дисциплин. То, что премии в области физиологии и медицины на протяжении многих годков постоянно присуждаются по большей части генетикам, - тенденция полностью закономерная, при всем при том куда интереснее другое: уже в - тот, что раз предметом повышенного внимания академического ареопага, выбирающего лучших химиков, становятся ученые, подвизающиеся на междисциплинарной биохимической ниве.
Ускоренное стирание четких граней между классической триадой, физикой, биологией и химией, - ещё одна заметная примета нового научного времени. Примета, - та, что служит очевидным свидетельством того, что перспектива человеческой науки - в объединении усилий научных работников различных профессий для заключения наиболее сложных проблем. Правда, будут ли они осмеливаться только на территории США - вопросный мотив открытый.
Температурная зыбь бытия
Нобелевскую премию по физике 2006 года получили америкосские астрофизики, внесшие наиболее важный вклад в осуществление одного из ключевых опытов космологии ХХ века - запуска в 1989 году космического аппарата COBE (Cosmic Background Explorer, исследователь космического фона), исследовавшего спектр реликтового излучения и флуктуации его фона.
По сути, как раз благодаря COBE нынешняя космология в конце концов смогла перевести дух свободно, навечно избавившись от обидного эпитета кабинетной науки. Комментируя присуждение физической Нобелевки этого года, америкосский космолог Макс Тегмарк позволил себе следующее сравнение: "Открытие космических микроволновых флуктуаций было до того же революционным для физики, как открытие ДНК для биологии. Эти флуктуации - наша космическая ДНК, кодирующая ранние периоды развития Вселенной".
С энтузиазмом воспринял заключение Нобелевского комитета и стержневой академический работник Государственного астрономического института имени Штернберга МГУ (ГАИШ) лекарь физико-математических наук Артур Чернин, в инфо "Эксперту" отметивший, что "выбор шведской Королевской академии - замечательное событие в истории астрономии, космологии и физики в целом, свидетельствующее о той огромной роли, которую резво будут игрывать определенные исследования, стоящие на стыке различных научных дисциплин и объединяющие науки о безгранично большом и беспредельно малом".
В плане COBE участвовало примерно тысячи научных специалистов и инженеров, но нобелевские лавры достались только двум: Джорджу Смуту, профессору Калифорнийского универа Беркли, и Джону Матеру, ведущему работнику лаборатории наблюдательной космологии Центра космических полетов NASA имени Годдарда.
В чем же содержится первостепенная научная значимость службы двух новоиспеченных лауреатов? Согласно официальной формулировке Нобелевского комитета, Смут и Матер экспериментально обнаружили "соответствие спектра космического микроволнового фонового излучения спектру совершенно черного тела и анизотропию этого фонового излучения".
Говоря больше понятными словами, руководителям двух важнейших экспериментов плана COBE удалось экспериментально удостоверить постулаты модели Большого взрыва. В соответствии с этой моделью реликтовое излучение - сиё электромагнитное излучение ранней Вселенной, равномерно распространяющееся по всему космосу начиная с так называемой эпохи последнего рассеяния (примерно 300-400 тыс. лет позже Большого взрыва). Теоретический каркас модели Большого взрыва был создан в 40-50−х годах ХХ века эмигрировавшим в 1934 году из СССР в США Георгием Гамовым и его молодыми сотрудниками-аспирантами Ральфом Альфером и Робертом Херманом. По Гамову, микроволновое фоновое излучение началось на раннем периоде расширения Вселенной, когда вещество ее было на практике однородным и сильно горячим. Гамов, Альфер и Херман предположили, что ежели концепция ранней горячей Вселенной верна, то теперешняя Вселенная неизбежно должна быть заполнена остатками (реликтами) первобытного жаркого излучения - фотонами узкого спектра. По мере расширения Вселенной температура ее вещества и излучения исподволь снижается, и, соответственно их предварительным расчетам, современная температура этого реликтового излучения должна собирать всего порядка 5-6 K (то есть малость выше -270 С). Позднее выяснилось, что Гамов и его работники кот наплакал ошиблись в своих калькуляциях: данная температура равна приблизительно 3 K.
Реликтовое излучение, долгое время казавшееся большинству коллег Гамова лишь плодом его изощренной фантазии, было экспериментально (и добавим, идеально случайно) обнаружено американскими радиоинженерами корпорации Bell Арно Пензиасом и Робертом Уилсоном в 1964 году. За это в 1978 году они удостоились Нобелевской премии по физике (Гамов так и не дождался официального признания своих научных заслуг).
Теоретики кроме того предполагали, что излучение горячей ранней Вселенной должно обладать спектр, аналогичный известному из теоретической физики спектру излучения стопроцентно черного тела. Убедительное экспериментальное подтверждение этого предположения было получено лишь в январе 1990 года, когда на собрании Американского астрономического общества идеолог и один из научных руководителей проекта NASA СОВЕ Джон Матер и члены его группы представили полученный приборами спутника микроволновый спектр фонового излучения, который с шибко высокой точностью соответствовал излучению стопудово черного тела.
Проект СОВЕ приступил разрабатываться в недрах NASA еще в середке 70−х. Первоначально граждане сша планировали направить зонд для измерения различных параметров реликтового излучения на борту одного из своих шаттлов. Однако после этого катастрофы "Челленджера" в 1986 году и остановки программы запусков космических "челноков" судьбина проекта оказалась под большим вопросом. Выбить финансовые средства у руководства NASA для продолжения финансирования нового опыта и обрести его согласие на выделение под СОВЕ специальной ракеты-носителя Atlas участникам проекта удалось во многом благодаря искусной переговорной деятельности Джона Матера. Спутник был выведен на околоземную орбиту 8 ноября 1989 года.
Основной целью СОВЕ было обнаружение анизотропии реликтового излучения. Анизотропия реликтового излучения - это вариации его средней температуры в разных направлениях на небе, предсказанные мейнстримовской космологической теорией.
В возрасте менее 300 тыс. лет Вселенная представляла собой без малого однородную плазму, периодически содрогавшуюся от звуковых, а точнее, инфразвуковых волн. По расчетам космологов, данные волны сжатия и расширения вещества ещё генерировали в плазме колебания плотности ее излучения, и вследствие этого сегодня они должны обнаруживаться в виде едва-едва заметной "температурной зыби" в практически однородном реликтовом излучении. Соответственно, в настоящее время оно должно прибывать на Землю с разных сторон с несколько различной интенсивностью. Причем вариации этой интенсивности должны быть чертовски малыми: порядка всего 0,00003 К.
Обнаружить эту анизотропию реликтового излучения астрономам никак не удавалось. Теоретики-космологи удерживали астрофизиков-практиков в черном теле на протяжении почти тридцати лет - предсказываемый теорией порядок анизотропии оказывался серьезно ниже порога чувствительности радиотелескопов: агрегаты для измерения микроволнового фона продолжали являть вовсе однородное излучение. И лишь благодаря начавшемуся вторжению в околоземное космическое пространство научно-исследовательских спутников утилитарная космология наконец смогла сообщить о себе в полный голос.
Причем в экспериментальном исследовании крупномасштабной анизотропии реликтового излучения долгое время лидирующее положение в мире занимал Советский Союз. И первой реальной попыткой исследования реликтового излучения с борта космического аппарата (а не при помощи наземных радиотелескопов) стал советских времен опыт "Реликт-1" , осуществленный в отрезок времени с июля 1983−го по февраль 1984 года.
Эксперимент "Реликт-1" был проведен в Институте космических исследований (ИКИ АН СССР) под руководством Игоря Струкова с помощью спутника "Прогноз-9". За полгода спутником была осмотрена почти вся небесная сфера, и все-таки первая черновая обработка сделанной им небесной радиокарты дала негативный результат. И лишь через несколько лет, вслед за тем того как в исследовательскую группу, в состав которой кроме Струкова входили Дмитрий Скулачев и Михаил Сажин, влился Андрей Брюханов из Государственного астрономического института имени Штернберга МГУ, "предложивший свежий точка зрения на полученные результаты" (формулировка Михаила Сажина), пресловутая отличалка температур реликтового излучения все-таки была найдена.
В январе 1992 года инфа об открытии "Реликтом-1" анизотропии была в первый раз официально обнародована на Московском астрофизическом семинаре в ГАИШ. Затем авторы эксперимента отправили надлежащие статьи в два научных журнала - свой ("Письма в Астрономический журнал") и английский Monthly Notices of Royal Astronomical Society. А спустя несколько месяцев, в апреле 1992−го, аналогичное заявление об экспериментальном открытии спутником СОВЕ анизотропии реликтового излучения сделал в Америке глава проекта DMR Джордж Смут. И уже в который раз в истории нынешней физики PR-бомба граждан сша оказалась намного мощнее: о схожих плодах группы Струкова забыли, тогда как достижения Смута и его коллег получили приоритетный статус. Как с сожалением констатировал в этой связи Артур Чернин, "Игорь Струков целиком мог бы быть третьим нобелевским лауреатом этого года, но - увы".
Следует также отметить, что радиометр "Реликта-1" по чувствительности значительно превосходил многочастотные радиометры, - те, что изначально планировалось применять на СОВЕ. И затем проведения советского эксперимента американцам пришлось провести обстоятельный апгрейд готовившейся к полету аппаратуры.
Однако, по признанию одного из разработчиков эксперимента Михаила Сажина, "радиометр "Реликта", настроенный на одну частоту, был самым уязвимым местом с точки зрения астрономии: тогда как многочастотный эксперимент (такой как СОВЕ. - "Эксперт") позволял сию минуту узнать природу анизотропии, эксперименты типа "Реликта" оставляли полно местоположения для спекуляций о природе анизотропии". Иными словами, данные о наличии анизотропии, полученные "Реликтом-1" , более того, потом их грамотной очистки от "шлака", проведенной благодаря доработке исследовательской модели эксперимента Андреем Брюхановым, по большому счету не могли считаться безупречными и требовали новой ревизии на более чувствительной многочастотной аппаратуре.
Новый эксперимент, "Реликт-2" , планировалось приступить в 1993-1994 годах с борта космического аппарата "Либрис". Чувствительность многочастотной измерительной аппаратуры, разрабатываемой в Институте космических исследований РАН для "Реликта-2" , была грубо в 20 раз выше, чем у "Реликта-1". Однако следом распада СССР последующее финансирование проекта зарезали, и "Либрис" так и не был запущен в космос.
Шестой игрок
В этом году Нобелевские премии и по физиологии, и по медицине, и по химии дали, как это уже не раз случалось, по сути, за биологию. Они достались исследователям, изучавшим процессы передачи генетической информации. Премию по физиологии и врачебной науке присудили Эндрю Файру (Стенфордский университет) и Крейгу Меллоу (Университет Массачусетса) за упорядочение потока генетической информации, премию по химии - Роджеру Корнбергу из Стенфордского же вуза - за агрегат считывания этой инфы с ДНК.
Из школьных учебников все знают, как устроен что ни на есть первейший злободневный механизм - образование белков. В ядре каждой клетки находится ДНК, которая содержит всю генетическую инфу об организме, в том числе и ту, что необходима для синтеза белков. Но белки синтезируются не в ядре, а в цитоплазме, поэтому, чтобы запустить ход синтеза, нужен посредник. Эту роль исполняет информационная, или матричная, РНК (мРНК).
Матричная РНК образуется в процессе считывания информации (или транскрипции) с небольшого участка ДНК, как правило, содержащего один ген. Запускает процесс считывания информации фермент - РНК-полимераза , которой помогает перечень молекулярных комплексов. Нынешний химический лауреат Роджер Корнберг более десяти лет методично изучал детали этого сложного процесса. Благодаря его исследованиям и работам других ученых картина все более прояснялась. "Сначала Корнберг охарактеризовал РНК-полимеразу у дрожжей и выявил пять основных факторов, которые наряду с РНК-полимеразой принимают участие в транскрипции, - рассказывает академик Павел Георгиев из Института биологии гена. - Но последующие исследования более сложных организмов показали, что в процессе транскрипции принимает участие еще один игрок". И аккурат он, как полагают ученые, ответствен за специализацию клеток организма. Его воздействие, скорее всего, определяет, какие гены надобно считывать в той или другой ткани - нервной, костной и т. д. Но, как заявил нам Павел Георгиев, каким именно образом это происходит, неясно. И Корнберг в то время как этого также не объяснил.
"Эта служба в отдалении не закончена, - комментирует присуждение премии Корнбергу член-корреспондент РАН заведующий лабораторией Института молекулярной биологии имени Энгельгардта Сергей Кочетков. - Над ней бьется огромное сообщество ученых. Поэтому сообщать о каких-то утилитарных приложениях покуда рано". Можно предположить, что дальнейшие открытия в этой области позволят вмешиваться в механизм транскрипции с тем, чтобы целенаправленно регулировать службу определенных генов. "Но это проблема архисложная, - продолжает Кочетков. - Представьте: если человечка чем-то отравили, необходимо активировать выработку белка, который бы сей отравляющий препарат ликвидировал. Но нам нужно, чтобы механизм заработал не во всем организме, а в надобном месте. А для того, чтобы сладить с предотвращением разрастания опухоли, надо тоже весьма избирательно запустить сотню разных процессов в соответственных клетках. Эти проблемы не решены, но работа Корнберга и других ученых позволяет передвигаться дальше".
Совсем даже не огрызки
Когда матричная РНК выплывает из ядра в цитоплазму для того, чтобы заняться наконец синтезом белков, порой с ней происходят странные вещи. Например, она оказывается заблокированной или порезанной на малые кусочки, почему синтез соответствующего белка становится невозможным. Эти странности были объяснены нынешними нобелевскими лауреатами по физиологии и медицине.
Файр и Меллоу искали способ, как сознательно заблокировать ген мРНК. Для этого они провели ряд экспериментов. Сначала они блокировали мРНК нарочно синтезированной комплементарной РНК, не несущей генетической информации. Получалось, но плохо. Дальнейшие исследования показали, что более эффективным блокатором гена оказывается так называемая микроРНК (на методике показано, как она образуется в организме). Этот механизм назвали РНК-интерференцией.
Пониманию агрегата РНК-интерференции помогали исследования других ученых, которые пытались пояснить роль подобных малых РНК, или микроРНК, которые они то и занятие находили в флоре и некоторых организмах, в частности у мушек-дрозофил. "Впервые малые РНК были замечены в нематоде, но тогда на них не обратили особого внимания, - рассказывает завотделом Института молекулярной генетики РАН академик Владимир Гвоздев. - Затем их стали встречать все чаще, но и после этого длительно полагали, что они способны быть неким мусором, "огрызками" к примеру, больших мРНК".
"Сделанное американцами открытие как самое малое количество открывает новую главу в молекулярной биологии двадцать первого века, - отмечает академик Лев Киселев из Института молекулярной биологии РАН. - Благодаря ему научные работники получили высокоэффективный алгоритм научных исследований, они могут сформировать функциональную карту генома. В будущем также реально дожидаться эффективного выводы задач многих вирусных заболеваний, подбирать ключики к подавлению подъема опухолей".
По словам Владимира Гвоздева, ныне научные специалисты получили крайне ладный инструмент для своих исследований. Они целенаправленно синтезируют самые различные микроРНК, с помощью которых можно "выключать" нужные гены. Большой заинтересованность представляет применение микроРНК в борьбе с раком и вирусными инфекциями. Ведь с их помощью можно сдерживать экспрессию тех генов, которые ответственны за синтез факторов, способствующих безудержному делению опухолевых клеток. Можно воздействовать и на вирусы. Многие из них содержат не ДНК, а РНК. Так вот, когда таковый вирус попадает в хозяйскую клетку, на эту РНК набрасываются хозяйские ферменты и вырезают микроРНК, которая начинает "глушить" гены вируса. Впрочем, ученые заявляют, что для победы над раком или ВИЧ еще нужно провести полно исследований, в том числе фундаментальных.
По словам Владимира Гвоздева, многие эксперименты, касающиеся других заболеваний, уже проводятся, и успешно. В частности, на мышах был испробован подход подавления экспрессии гена, ответственного за фабрика холестерина, с помощью искусственно синтезированной микроРНК. Известно, что уже нарисовались какие-то порошки на основе микроРНК, которые находятся в фазе клинических испытаний. Компания Acuity Pharmaceuticals в Филадельфии испытывает порошок бевазираниб, который блокирует синтез такого белка как момент увеличения сосудистого эндотелия. Препарат предназначен для врачевания макулодистрофии, при которой безудержное разрастание сосудов в задней стене глазного яблока приводит к слепоте. Но сии испытания закончатся в 2009 году. Ученые и фармацевты полагают, что после открытия Файра и Меллоу генная терапия будет рскручиваться более быстрыми темпами.