Человек, как выясняется, вовсе не царь природы, а лишь форма производства генов для вселенской информационной сети.
Российские микробиологи выдвинули революционную теорию пангенома, рассматривающую гены всех живых существ на Земле как один гигантский комплекс, части которого существуют и изменяются в разных условиях, но связаны между собой.
Российские микробиологи выдвинули революционную теорию пангенома, рассматривающую гены всех живых существ на Земле как один гигантский комплекс, части которого существуют и изменяются в разных условиях, но связаны между собой.
И самое интересное - как генетическая информация перераспределяется в живой Вселенной. Ведь если вмешаться в этот процесс, то появится шанс влиять на ход отдельных событий. Например, излечивать рак и даже существенно замедлять скорость старения живых организмов. Один из ведущих российских специалистов в области микробиологии и молекулярной генетики, завкафедрой микробиологии, вирусологии и иммунологии Санкт-Петербургского государственного медицинского университета им. академика И. П. Павлова профессор Виктор Тец и его сын Георгий, специалист в области генетики микроорганизмов, не только разработали теорию пангенома, но и поняли, как именно функционирует система обмена генетической информацией и как ею можно управлять.
Как это работает
В основе теории пангенома лежит постулат, что все организмы рано или поздно погибают, но до того в каждом таком организме по разным причинам умирают отдельные клетки. Фрагменты их ДНК поступают в кровь и циркулируют во внеклеточной жидкости (эту ДНК ученые назвали внеклеточной). В том же организме параллельно живет огромное количество микроорганизмов. А когда организм погибает, внеклеточная ДНК становится добычей микроорганизмов. Более того, некоторые из микробов могут сохранять захваченные гены из внеклеточной ДНК в своих хромосомах, а впоследствии делиться этими генами со сложно устроенными организмами животных и растений. И получается такой круговорот: все живое, уходя из этого мира, постепенно распространяет свои гены в окружающую среду, она, в свою очередь, какие-то возвращает обратно. По теории Виктора Теца, микробы постепенно аккумулируют гены всех живых существ в себе, тиражируют, передают. Эти гены могут сохраняться неопределенно долгое время. Например, есть микробы, которые делятся очень редко - чуть ли не один раз в тысячу лет. Такие найдены в глубинах Земли. Споры вообще сохраняют жизнеспособность миллионы лет. Это самый настоящий банк хранения генов. Внеклеточная ДНК гигатоннами измеряется в осадках океана. И все это генетическая информация. Растерять ее практически невозможно. Она все время меняется и перераспределяется. Все гены всех живых существ - это и есть пангеном, совокупность информации, наработанной за все время в несметном количестве бактерий. Все живое на Земле, по мнению профессора, связано не только в пространстве, но и, самое главное, во времени. А это может означать и то, что гены динозавров или папоротников из кембрийского периода тоже сохранились где-то в микроорганизмах.
Создается впечатление, что все живые существа на нашей планете - оболочки для выработки новых генов, а микроорганизмы - тот "транспорт", с помощью которого гены распространяются. Это и есть система, в которую ученые хотели бы вмешаться, чтобы установить свои правила "дорожного движения".
Непознанный мир
До сих пор мир микроорганизмов представляет для науки темный лес. Из микробов, живущих в человеческом организме, к настоящему времени изучено лишь около пяти процентов. О бактериях и грибах почвы и глубин Земли процент знаний и того меньше. О вирусах, представляющих собой внеклеточную форму жизни, наука вообще, можно сказать, пребывает в полном неведении. Большая часть относящихся к ним так называемых генетических подвижных модулей вроде всевозможных плазмидов обозначена в научных справочниках термином "криптические", что означает: их функции не выяснены. "Однако ничего функционально неактивного не существует, резонно замечает Виктор Тец. Природа не поддерживает то, что ей не требуется. В результате существует мир, который нами не познан, но от которого мы абсолютно зависимы". Если убрать с Земли людей, животных и растения, то жизнь как явление на планете сохранится. Но если убрать микробы, она остановится немедля. Это соображение - тоже в основе теории пангенома.
В ходе эволюции микробы поставили живые существа в полную зависимость от себя. Примерно от 3,5 до 5 килограммов массы нашего тела составляют микробы микрофлоры. Если нормальную микрофлору каким-то образом удалить из организма, человек погибнет через неделю, максимум через десять дней. Но сама по себе микрофлора чрезвычайно устойчива. Все микробы находятся в ней в особых сообществах биопленках, куда почти не проникают лекарства. После 10-дневного лечения антибиотиками микрофлора через три дня восстанавливается сама. "Микрофлору каждый из нас получает от родителей, и она находится с нами всю жизнь, говорит Виктор Тец. У каждого есть генетическая предрасположенность к тому, чтобы в нас жили определенные микробы. То есть наша микрофлора это родовая, генетическая черта".
В то же время полная степень зависимости человека от микробов науке не вполне понятна. С одной стороны, они сами вырабатывают в организме каждого из нас гормоны, витамины, мутагены. С другой стороны, пользуются нашими же гормонами, которые "включают" и "выключают" у них различные гены. Так и существуют параллельно два противоположных процесса - сохранение постоянства и изменчивость.
Обмен генами
Если считать микробы основой функционирования человеческого организма, сразу понятно, почему из поколения в поколение человек не становится сильнее и выносливее, хотя победил многие опасные болезни. Дело в том, что микрофлора должна постоянно подпитываться извне, получая новую генную информацию. Но сегодня эта подпитка слабеет: мы начали пить молоко, которое не скисает полгода. Стали есть пастеризованные продукты, стерильные, консервированные, в которых микробов содержится в десятки раз меньше. В результате у огромного количества людей развилась аллергия явный признак ослабления во внутренних рядах наших микробов. Но это еще не самое удивительное.
Когда мы едим, то употребляем чужие клетки клетки яблока, моркови или картошки. Это нормальная питательная цепочка. Но ровно до тех пор, пока нам попадаются продукты с естественной, природной генной структурой. Ведь если разобраться, в кишечнике происходит самое натуральное перераспределение ДНК. Опыт создания генно-модифицированных растений, которые все чаще попадают на наш стол, не что иное, как опыт направленного воздействия на это перераспределение, ведь ДНК изменено, оно не естественно и не несет информации о реальном мире. Когда мы едим генно-модифицированный огурец, каждая клеточка его содержит один и тот же чужеродный вектор, который, по сути, представляет собой пулю, засланную в пангеном. Вполне может быть, что при катастрофическом накоплении внеклеточной "вредоносной" ДНК возникнет угроза значительного сокращения срока жизни человека.
Практическая польза
Вообще теория пангенома прослеживает связь изменчивости и продолжительности жизни каждого организма. Если считать, что главная биологическая цель любого организма создание новых комбинаций генов, тогда понятно, как бы это ни звучало ужасно, почему распространены онкологические заболевания и почему они чаще всего смертельны. "В раковых клетках, говорит Виктор Тец, есть атипичные гены. То есть организм что-то выработал генетически новое, и с точки зрения пангенома он представляет интерес уже в том смысле, как забрать от него эти гены и попытаться их примерить к другим организмам". В плане поддержания жизни на Земле организм, наработавший новые неизвестные гены, свою биологическую функцию выполнил.
Если одна из основных целей обычной ДНК - сохранение генетической информации, то внеклеточная ДНК словно бы стремится изменить эту информацию. Нарушая этот процесс, можно влиять на лечение болезней человека, а в перспективе даже найти способы продления жизни. "Все болезни у нас вызваны микробами, в том числе атеросклероз, психозы, шизофрения, рак и даже скорость старения. Только возбудитель одного заболевания уже найден, а другого еще нет, - говорит Тец. - Когда мы стали прослеживать изменчивость генов, почти сразу же решили: внеклеточная ДНК у опухолевых больных должна содержать какие-то необычные последовательности. Раз есть сигнальные молекулы, значит, они кому-то что-то сообщают. Просто так ничего не бывает. Мы подумали: если заблокировать этот процесс, то, вероятно, можно приостановить и рост опухоли. Стали искать и нашли уникальные последовательности, не описанные в геноме человека, и в результате сформулировали идею направленного воздействия на внеклеточную ДНК. Вводя в кровь человека, больного раком, специальные агенты (например, ДНК-гидролизующие антитела), разрушающие внеклеточную ДНК, можно затормозить развитие опухоли, образование метастазов и улучшить общее состояние пациента".
Действительно, если пангеном развивает себя в качестве самостоятельной структуры и какие-то ее проявления могут оказаться неблагоприятными для нас, то почему бы не предвосхитить это явление? Правила системы
Наука может развиваться по горизонтали, изучая то, что уже открыто. А может двигаться по вертикали, погружаясь в неизвестное. Теория пангенома - это не более чем концепция, модель. Это нечто похожее на таблицу Менделеева, которая в первоначальном варианте, может, и не оказалась абсолютно правильной, зато стала полезной для последующих изысканий. "До сей поры, - говорит Виктор Тец, - мы не стучались в дверь микромира, а выбивали кирпичи из этой стены. Мы секвенировали геном - это выдающееся достижение. Но, по сути, мы видим сиюминутную информацию. А она динамична и все время меняется. Только среди бактерий каждые 20 минут появляется новый вид!"
Теория пангенома подразумевает, что он существует как саморегулирующаяся, постоянно меняющаяся единая система, в которой есть своя логика развития: сохраняются получившиеся гены, отбираются наилучшие комбинации и становятся достоянием всей сети. Мы привыкли смотреть на мир исходя из идеи эгоцентризма человека. А пангеном подразумевает другой подход: каждый из нас - часть большой генетической сети, в которую встроен каждый из нас. Да, такая теория уничижает человека, сводя его к одной из форм изготовления генов. Но на что мы можем претендовать, если человек с интеллектом существует на планете ничтожно мало - всего-то 40-50 тысяч лет, а микробы появились 4,5 миллиарда лет назад? Откуда они возникли, это уже другой вопрос, на который пока нет ответа. Но зато есть система, которая миллионы лет поддерживает жизнь. Пангеном - лишь условное ее название. Но скорее всего, как считает Виктор Тец, это тотальное явление, планетарное. Это то, что потом, когда Земля развалится на куски, станет частицами комет и в виде генетической информации, наработанной на нашей планете, отправится на другие звездные объекты.
За и против
Михаэль Винк, профессор Института фармацевтической биологии Гейдельбергского университета, Германия:
- Идея пангенома совершенно нова. Несмотря на то что она еще в целом не доказана, все же мне кажется очень интересной. Ведь она может объяснить те вещи, над которыми бьются эволюционисты уже столько лет. Происхождение видов Чарлза Дарвина при рассмотрении через призму эволюции микроорганизмов и их открытых функций по хранению и распространению всех существовавших когда-либо ДНК приобретает новый смысл. С ее помощью можно объяснить и деградацию одних видов, и резкий эволюционный скачок у других. Просто в ком-то прижились "правильные" бактерии, а другим не повезло. Правда, мне кажется, что микроорганизмы человек никогда не сможет подчинить себе. Они, несмотря на свою простоту, слишком сложны для того, чтобы служить людям.
Валерий Гальченко, директор Института микробиологии им. С. Н. Виноградского РАН, член-корреспондент РАН, доктор биологических наук:
- Эта гипотеза очень похожа на "Солярис" Станислава Лема. Только он не претендует на научность, а честно заявляет, что идея насчет эволюции одного отдельного организма - фантазия. Здесь же исследователь использует много правильных научных постулатов, а в целом получается подтасовка. Солярис в реальной жизни невозможен. Океан не может сам эволюционировать. Он делает это через отдельных индивидуумов. Каждый организм имеет свой ген. Сказать, что одна бактерия или их скопище имеет геном всего, - это примитив. Нет никакой общей сети генов. Погибшие организмы не могут освобождать ДНК, а живым их не нужно включать в себя, потому что они все испортят. Вообще идея о том, что бактерии распространяют ДНК, смешна. Распространяют как? Где доказательства явления, что именно спорообразующие микробы и фактически "неживые" вирусы являются аккумуляторами самого длительного хранения генетической информации? Только из бытующего мнения, что они очень длительно хранятся? Вообще-то они не столь длительно хранятся. Лучше всего споры бактерий выдерживают повышенные температуры, и то не беспредельно.
Что касается биологической цели любого организма, которая якобы состоит в постоянном совершенствовании, создании новых комбинаций генов, - это вообще фэнтези. Биологической цели не бывает, организм не может ставить цели. Микробов в борьбе с болезнями человек никогда не победит. Они первые появились и первыми до конца прошли всю биохимическую эволюцию. Жизнь освоила все биохимические реакции в результате эволюции микроорганизмов. Реакций миллионы, но это не значит, что гены объединены в одну сеть. Этого не может быть. То, что гены нами управляют, - это примитивное мышление. На самом деле гены проявляются в организмах только в определенных условиях. Если организм умер, сам ген как таковой ничего не значит. Это просто десяток тысяч букв, записанных в виде информации, а информация нематериальна.
Как это работает
В основе теории пангенома лежит постулат, что все организмы рано или поздно погибают, но до того в каждом таком организме по разным причинам умирают отдельные клетки. Фрагменты их ДНК поступают в кровь и циркулируют во внеклеточной жидкости (эту ДНК ученые назвали внеклеточной). В том же организме параллельно живет огромное количество микроорганизмов. А когда организм погибает, внеклеточная ДНК становится добычей микроорганизмов. Более того, некоторые из микробов могут сохранять захваченные гены из внеклеточной ДНК в своих хромосомах, а впоследствии делиться этими генами со сложно устроенными организмами животных и растений. И получается такой круговорот: все живое, уходя из этого мира, постепенно распространяет свои гены в окружающую среду, она, в свою очередь, какие-то возвращает обратно. По теории Виктора Теца, микробы постепенно аккумулируют гены всех живых существ в себе, тиражируют, передают. Эти гены могут сохраняться неопределенно долгое время. Например, есть микробы, которые делятся очень редко - чуть ли не один раз в тысячу лет. Такие найдены в глубинах Земли. Споры вообще сохраняют жизнеспособность миллионы лет. Это самый настоящий банк хранения генов. Внеклеточная ДНК гигатоннами измеряется в осадках океана. И все это генетическая информация. Растерять ее практически невозможно. Она все время меняется и перераспределяется. Все гены всех живых существ - это и есть пангеном, совокупность информации, наработанной за все время в несметном количестве бактерий. Все живое на Земле, по мнению профессора, связано не только в пространстве, но и, самое главное, во времени. А это может означать и то, что гены динозавров или папоротников из кембрийского периода тоже сохранились где-то в микроорганизмах.
Создается впечатление, что все живые существа на нашей планете - оболочки для выработки новых генов, а микроорганизмы - тот "транспорт", с помощью которого гены распространяются. Это и есть система, в которую ученые хотели бы вмешаться, чтобы установить свои правила "дорожного движения".
Непознанный мир
До сих пор мир микроорганизмов представляет для науки темный лес. Из микробов, живущих в человеческом организме, к настоящему времени изучено лишь около пяти процентов. О бактериях и грибах почвы и глубин Земли процент знаний и того меньше. О вирусах, представляющих собой внеклеточную форму жизни, наука вообще, можно сказать, пребывает в полном неведении. Большая часть относящихся к ним так называемых генетических подвижных модулей вроде всевозможных плазмидов обозначена в научных справочниках термином "криптические", что означает: их функции не выяснены. "Однако ничего функционально неактивного не существует, резонно замечает Виктор Тец. Природа не поддерживает то, что ей не требуется. В результате существует мир, который нами не познан, но от которого мы абсолютно зависимы". Если убрать с Земли людей, животных и растения, то жизнь как явление на планете сохранится. Но если убрать микробы, она остановится немедля. Это соображение - тоже в основе теории пангенома.
В ходе эволюции микробы поставили живые существа в полную зависимость от себя. Примерно от 3,5 до 5 килограммов массы нашего тела составляют микробы микрофлоры. Если нормальную микрофлору каким-то образом удалить из организма, человек погибнет через неделю, максимум через десять дней. Но сама по себе микрофлора чрезвычайно устойчива. Все микробы находятся в ней в особых сообществах биопленках, куда почти не проникают лекарства. После 10-дневного лечения антибиотиками микрофлора через три дня восстанавливается сама. "Микрофлору каждый из нас получает от родителей, и она находится с нами всю жизнь, говорит Виктор Тец. У каждого есть генетическая предрасположенность к тому, чтобы в нас жили определенные микробы. То есть наша микрофлора это родовая, генетическая черта".
В то же время полная степень зависимости человека от микробов науке не вполне понятна. С одной стороны, они сами вырабатывают в организме каждого из нас гормоны, витамины, мутагены. С другой стороны, пользуются нашими же гормонами, которые "включают" и "выключают" у них различные гены. Так и существуют параллельно два противоположных процесса - сохранение постоянства и изменчивость.
Обмен генами
Если считать микробы основой функционирования человеческого организма, сразу понятно, почему из поколения в поколение человек не становится сильнее и выносливее, хотя победил многие опасные болезни. Дело в том, что микрофлора должна постоянно подпитываться извне, получая новую генную информацию. Но сегодня эта подпитка слабеет: мы начали пить молоко, которое не скисает полгода. Стали есть пастеризованные продукты, стерильные, консервированные, в которых микробов содержится в десятки раз меньше. В результате у огромного количества людей развилась аллергия явный признак ослабления во внутренних рядах наших микробов. Но это еще не самое удивительное.
Когда мы едим, то употребляем чужие клетки клетки яблока, моркови или картошки. Это нормальная питательная цепочка. Но ровно до тех пор, пока нам попадаются продукты с естественной, природной генной структурой. Ведь если разобраться, в кишечнике происходит самое натуральное перераспределение ДНК. Опыт создания генно-модифицированных растений, которые все чаще попадают на наш стол, не что иное, как опыт направленного воздействия на это перераспределение, ведь ДНК изменено, оно не естественно и не несет информации о реальном мире. Когда мы едим генно-модифицированный огурец, каждая клеточка его содержит один и тот же чужеродный вектор, который, по сути, представляет собой пулю, засланную в пангеном. Вполне может быть, что при катастрофическом накоплении внеклеточной "вредоносной" ДНК возникнет угроза значительного сокращения срока жизни человека.
Практическая польза
Вообще теория пангенома прослеживает связь изменчивости и продолжительности жизни каждого организма. Если считать, что главная биологическая цель любого организма создание новых комбинаций генов, тогда понятно, как бы это ни звучало ужасно, почему распространены онкологические заболевания и почему они чаще всего смертельны. "В раковых клетках, говорит Виктор Тец, есть атипичные гены. То есть организм что-то выработал генетически новое, и с точки зрения пангенома он представляет интерес уже в том смысле, как забрать от него эти гены и попытаться их примерить к другим организмам". В плане поддержания жизни на Земле организм, наработавший новые неизвестные гены, свою биологическую функцию выполнил.
Если одна из основных целей обычной ДНК - сохранение генетической информации, то внеклеточная ДНК словно бы стремится изменить эту информацию. Нарушая этот процесс, можно влиять на лечение болезней человека, а в перспективе даже найти способы продления жизни. "Все болезни у нас вызваны микробами, в том числе атеросклероз, психозы, шизофрения, рак и даже скорость старения. Только возбудитель одного заболевания уже найден, а другого еще нет, - говорит Тец. - Когда мы стали прослеживать изменчивость генов, почти сразу же решили: внеклеточная ДНК у опухолевых больных должна содержать какие-то необычные последовательности. Раз есть сигнальные молекулы, значит, они кому-то что-то сообщают. Просто так ничего не бывает. Мы подумали: если заблокировать этот процесс, то, вероятно, можно приостановить и рост опухоли. Стали искать и нашли уникальные последовательности, не описанные в геноме человека, и в результате сформулировали идею направленного воздействия на внеклеточную ДНК. Вводя в кровь человека, больного раком, специальные агенты (например, ДНК-гидролизующие антитела), разрушающие внеклеточную ДНК, можно затормозить развитие опухоли, образование метастазов и улучшить общее состояние пациента".
Действительно, если пангеном развивает себя в качестве самостоятельной структуры и какие-то ее проявления могут оказаться неблагоприятными для нас, то почему бы не предвосхитить это явление? Правила системы
Наука может развиваться по горизонтали, изучая то, что уже открыто. А может двигаться по вертикали, погружаясь в неизвестное. Теория пангенома - это не более чем концепция, модель. Это нечто похожее на таблицу Менделеева, которая в первоначальном варианте, может, и не оказалась абсолютно правильной, зато стала полезной для последующих изысканий. "До сей поры, - говорит Виктор Тец, - мы не стучались в дверь микромира, а выбивали кирпичи из этой стены. Мы секвенировали геном - это выдающееся достижение. Но, по сути, мы видим сиюминутную информацию. А она динамична и все время меняется. Только среди бактерий каждые 20 минут появляется новый вид!"
Теория пангенома подразумевает, что он существует как саморегулирующаяся, постоянно меняющаяся единая система, в которой есть своя логика развития: сохраняются получившиеся гены, отбираются наилучшие комбинации и становятся достоянием всей сети. Мы привыкли смотреть на мир исходя из идеи эгоцентризма человека. А пангеном подразумевает другой подход: каждый из нас - часть большой генетической сети, в которую встроен каждый из нас. Да, такая теория уничижает человека, сводя его к одной из форм изготовления генов. Но на что мы можем претендовать, если человек с интеллектом существует на планете ничтожно мало - всего-то 40-50 тысяч лет, а микробы появились 4,5 миллиарда лет назад? Откуда они возникли, это уже другой вопрос, на который пока нет ответа. Но зато есть система, которая миллионы лет поддерживает жизнь. Пангеном - лишь условное ее название. Но скорее всего, как считает Виктор Тец, это тотальное явление, планетарное. Это то, что потом, когда Земля развалится на куски, станет частицами комет и в виде генетической информации, наработанной на нашей планете, отправится на другие звездные объекты.
За и против
Михаэль Винк, профессор Института фармацевтической биологии Гейдельбергского университета, Германия:
- Идея пангенома совершенно нова. Несмотря на то что она еще в целом не доказана, все же мне кажется очень интересной. Ведь она может объяснить те вещи, над которыми бьются эволюционисты уже столько лет. Происхождение видов Чарлза Дарвина при рассмотрении через призму эволюции микроорганизмов и их открытых функций по хранению и распространению всех существовавших когда-либо ДНК приобретает новый смысл. С ее помощью можно объяснить и деградацию одних видов, и резкий эволюционный скачок у других. Просто в ком-то прижились "правильные" бактерии, а другим не повезло. Правда, мне кажется, что микроорганизмы человек никогда не сможет подчинить себе. Они, несмотря на свою простоту, слишком сложны для того, чтобы служить людям.
Валерий Гальченко, директор Института микробиологии им. С. Н. Виноградского РАН, член-корреспондент РАН, доктор биологических наук:
- Эта гипотеза очень похожа на "Солярис" Станислава Лема. Только он не претендует на научность, а честно заявляет, что идея насчет эволюции одного отдельного организма - фантазия. Здесь же исследователь использует много правильных научных постулатов, а в целом получается подтасовка. Солярис в реальной жизни невозможен. Океан не может сам эволюционировать. Он делает это через отдельных индивидуумов. Каждый организм имеет свой ген. Сказать, что одна бактерия или их скопище имеет геном всего, - это примитив. Нет никакой общей сети генов. Погибшие организмы не могут освобождать ДНК, а живым их не нужно включать в себя, потому что они все испортят. Вообще идея о том, что бактерии распространяют ДНК, смешна. Распространяют как? Где доказательства явления, что именно спорообразующие микробы и фактически "неживые" вирусы являются аккумуляторами самого длительного хранения генетической информации? Только из бытующего мнения, что они очень длительно хранятся? Вообще-то они не столь длительно хранятся. Лучше всего споры бактерий выдерживают повышенные температуры, и то не беспредельно.
Что касается биологической цели любого организма, которая якобы состоит в постоянном совершенствовании, создании новых комбинаций генов, - это вообще фэнтези. Биологической цели не бывает, организм не может ставить цели. Микробов в борьбе с болезнями человек никогда не победит. Они первые появились и первыми до конца прошли всю биохимическую эволюцию. Жизнь освоила все биохимические реакции в результате эволюции микроорганизмов. Реакций миллионы, но это не значит, что гены объединены в одну сеть. Этого не может быть. То, что гены нами управляют, - это примитивное мышление. На самом деле гены проявляются в организмах только в определенных условиях. Если организм умер, сам ген как таковой ничего не значит. Это просто десяток тысяч букв, записанных в виде информации, а информация нематериальна.
Обсуждения Генетическая информация