Научно-популярный журнал, издается с 1926 года

Из морозилки – в зоопарк?

Из морозилки – в зоопарк?

Все, что осталось нам от былого разнообразия жизни на Земле – это окаменевшие остатки, ископаемые организмы. Реконструировать их внешнее и внутреннее строение позволяют методы палеонтологии, художественные реконструкции делают работу ученых доступной даже неспециалисту. Чем ближе ископаемое к нашему времени, тем точнее можно реконструировать его внутреннее строение и образ жизни. Связано это с тем, что сообщества живых организмов в недавнем прошлом не сильно отличались от современных, и установить экологическую роль существа, принадлежащего, например, к семейству собачьих, можно по аналогии с экологической ролью его современных представителей. Но чем дальше вглубь времен, тем труднее, хотя основные принципы реконструкции сохраняются. Самое древнее четвероногое – первое земноводное Tiktaalik– имело крупные зубы с коническими вершинами, а значит, питалось кем-то твердым, заключенным в панцирь. Сложнее всего с самыми древними остатками – про представителей докембрийской, вендской фауны вообще сложно сказать, как они выглядели и какой вели образ жизни. Оставшиеся от них следы не позволяют нам реконструировать экосистемы того времени, и мы даже приблизительно не можем себе представить, чем занимались существа, оставившие после себя отпечатки, похожие на картонные коробки для яиц.

Организмы, жившие сравнительно недавно, иногда попадают к нам в руки практически свежими, их даже можно есть. Естественный холодильник – вечная мерзлота – регулярно представляет научной и широкой общественности очередного мамонта, иногда почти неповрежденного. Последняя, вызвавшая широкий резонанс находка, была сделана на Ямале в 2007 году оленеводом Юрием Худи в верхнем течении реки Юрибей. Первоначально мамонтенка назвали Юрой, в честь первооткрывателя, но позднее, когда было обнаружено, что найденный мамонтенок женского пола, находка получила имя жены оленевода. Люба сохранилась практически полностью, не хватает только значительной части шерстного покрова и хвоста. Все внутренние органы детеныша остались неповрежденными, судя по наличию ила в дыхательном тракте и желудке, Люба просто утонула. В момент смерти ей было от 1 до 4 месяцев, она еще питалась материнским молоком. Этот факт внес свою лепту в хорошую сохранность мамонтенка, бактерии, содержавшиеся в молоке, законсервировали ткани, что позволило находке пролежать почти год на поверхности и не подвергнуться разложению. Ученые предполагают, что Люба была вымыта из породы, в которой провела 40 тысяч лет,  в половодье 2006 года, поскольку обнаружена она была в мае 2007, когда ледоход на Ямале еще не начался.

Каждый раз, когда в руки ученых попадает сохранившийся в вечной мерзлоте мамонт, в прессе проходит волна публикаций, в которых звучит сожаление – как жаль, что эти прекрасные животные вымерли. Последние находки, однако, вызвали более оптимистическую дискуссию – может быть, сохранность его настолько хороша, что вымершее животное удастся восстановить? Сама постановка такого вопроса связана, конечно, с рождением в 1996 году первого клонированного животного – овечки Долли. Если удалось получить точную копию овцы, ту же самую процедуру можно попробовать применить и к мамонту – так рассуждали не только журналисты, но и ученые. Японские ученые от слов перешли к делу, но успеха не достигли. Клетки тканей мамонта, помещенные в специальную питательную среду, не росли и не дали материала, необходимого для начала процедуры клонирования. В чем же дело, ведь в клетках мамонта сохранилась ДНК, а значит, вся необходимая для жизни наследственная информация?

Рассказать нам про проблемы и перспективы работы с ДНК вымерших организмов мы попросили Евгения Куликова, имеющего большой опыт работы с таким материалом.

– Евгений, расскажите нам, в чем трудности  работы с древней ДНК?

– Трудность в том, что ДНК после смерти организма имеет только один путь – распад. Причем как под действием ферментов, имеющихся в клетке, так и под воздействием элементов природной среды, таких, например, как кислород и огонь. Кроме того, ДНК является пищей для бактерий, населяющих труп. Поэтому сразу встает вопрос сохранности образца. Способов замедлить разложение ДНК после смерти организма есть всего три. Первый из них – это замораживание. Причем желательно, чтобы объект сразу претерпел глубокую заморозку, в идеале, конечно, до минус 70 градусов. Именно недостаточно глубокая заморозка и последующие возможные оттаивания сильно портят ДНК мамонта. Второй способ – это сохранность в местах, недоступных воздействию элементов – таких как зуб, толща кости. И третий способ – это мумификация, когда отсутствуют процессы бактериального разложения трупа.

Именно из таких образцов можно получать ДНК достаточной длины, хотя бесконечно храниться молекула не может даже в таких условиях. Дело в том, что ДНК имеет химически запрограммированный срок полужизни, причем с течением времени происходит не только распад молекулы на куски, но и утрата самих «букв», составляющих «текст» ДНК, азотистых оснований. Поэтому надежно реконструировать можно только те древние «тексты», которые содержатся в клетке в большом количестве копий. Именно такие участки ДНК используются для решения вопросов установления родственных отношений вымерших и современных организмов. Основной материал, используемый для определения родства – это ДНК, содержащаяся в митохондриях.

В клетке находится огромное количество митохондриальной ДНК, и все ее молекулы одинаковы, в крайнем случае, может быть небольшое количество типов молекул, отличающихся одной – двумя «буквами». Передаются митохондрии только по женской линии, это связано с особенностями процесса оплодотворения.  Митохондрии, обеспечивавшие движение хвоста сперматозоида, вместе с хвостом остаются снаружи яйцеклетки и не проникают внутрь. А все митохондрии взрослого организма оказываются потомками тех митохондрий, которые были в яйцеклетке. Таким образом, все митохондрии нашего организма – это потомки митохондрий нашей матери, ее митохондрии – потомки митохондрий ее матери и так вглубь веков. Как и во всякой ДНК, в митохондриальной ДНК происходят мутации, особенно богат ими участок ДНК, не кодирующий никаких белков – Д-петля. Его разнообразие гораздо больше разнообразия кодирующих участков, поэтому он оказывается самым удобным способом установления родства по женской линии.

Кроме ДНК, передающейся по материнской линии – митохондриальной, существует и ДНК, передающаяся только по отцовской линии. Это Y-хромосома, содержащая участки ДНК, определяющие развитие в зародыше признаков мужского пола. На Y-хромосоме также есть много раз повторяющиеся участки, так называемые короткие тандемные повторы (STR), замены единичных нуклеотидов в них позволяют идентифицировать конкретную Y-хромосому, передающуюся от отца к сыну в данной семье.

И наконец, много раз встречаются в геноме гены рибосомных РНК, их тоже используют для целей систематики.

Нам же, для клонирования мамонта, нужно получить в неповрежденном виде не только многокопийные, но и уникальные участки ДНК, и вот здесь начинаются проблемы. Возможность выделения уникальных участков ДНК зависит от каждого конкретного образца, общих правил мало. ДНК может в образцах находиться, но быть невыделяемой, например, оказаться связанной с денатурировавшими белками, или вместе с ДНК выделяются гуминовые кислоты, содержащиеся в почве. Также ДНК из древних образцов часто фрагментирована и сильно загрязнена бактериальной ДНК, особенно генами бактериальной рибосомной РНК.

Не только ученые отмечают высокий уровень бактериального загрязнения замороженных останков, бактерии из найденных мамонтов представляют собой даже медицинскую проблему. Организм и геном бактерии гораздо проще и поэтому лучше переносит заморозку, чем организм и геном мамонта. Из останков мамонтенка Игоря, найденного в Якутии в 2009 году, в 2010 году в Иркутском противочумном институте были выделены бактерии сибирской язвы, которые не потеряли вирулентность за 42 тысячи лет и успешно заразили экспериментальных животных. Теперь новый мамонтенок, которого даже назвали пока только предварительно, не поедет в Париж на выставку, главный санитарный врач России наложил запрет на вывоз опасного материала из страны. Однако вопрос с бактериальным загрязнением остается, если мы хотим клонировать мамонта, нам нужен такой замороженный мамонт, который при жизни был здоров. Еще было бы очень хорошо, чтобы этот здоровый мамонт замерз быстро и глубоко, сразу охладившись до минус 70 градусов. При такой заморозке клетки не успевают разрушиться, и мы получаем материал, пригодный для получения первичной культуры клеток мамонта.

Конечно, таких мамонтов мы не найдем. Работать приходится с тем материалом, который доступен. Из замороженных останков мамонта нужно попытаться выделить жизнеспособные клетки и получить первичную культуру. Именно на этом этапе работы неудачу потерпели японские исследователи. Неудача эта довольно закономерна, получение первичной культуры тканей представляет собой непростую задачу даже в том случае, когда мы берем ткани у живого животного. Клетки взрослого организма довольно скоро перестают делиться и погибают, именно поэтому так популярны клеточные культуры, полученные из опухолевых или эмбриональных клеток. Иногда бывают счастливые исключения, например, клетки почки собаки, которые могут неограниченно долго делиться и не являются опухолевыми, но это исключение лишь подтверждает правило. Итак, жизнеспособную соматическую клетку мамонта получить очень трудно, но, может быть, есть другой путь к успеху? Согласно данным генетической экспертизы, один из найденных мамонтов был мужского пола. Может быть, сохранились его половые клетки или хотя бы их предшественники? Тогда можно было бы попытаться оплодотворить полученной спермой самку слона, и получить таким образом слономамонта. А потом повторять эту процедуру с каждым новым поколением, постепенно получая потомство со все большей и большей долей мамонтовских генов. К сожалению, жизнеспособных сперматозоидов или хотя бы их клеток-предшественников из мамонта получить пока не удалось. А жаль, если вдруг ученым повезет, понадобится всего 50 лет для получения слономамонта, у которого будет 88% генов мамонта.

Такие большие проблемы с получением жизнеспособных клеток заставляют задуматься о другой возможности. Если удастся расшифровать геном мамонта, можно его просто синтезировать в лаборатории, и все! Черновая расшифровка генома мамонта была сделана в 2008 году командой ученых из Пенсильванского университета под руководством Веба Миллера. Это оказалось возможным после изобретения новой технологии расшифровки ДНК, позволяющей одновременно секвенировать множество фрагментов. Новая технология позволяет преодолеть трудность, связанную с фрагментацией генома мамонта за время, прошедшее с момента его смерти. Мамонт – не единственный прорыв, обеспеченный этой технологией. Расшифровка ядерного генома неандертальца, опубликованная в журнале Science 7мая 2010 года, также обязана своим появлением технологии Solexa.

Оказалось, что в нашем геноме есть гены, надежно принадлежащие именно неандертальцу, ну а геном мамонта очень похож на геном индийского слона, что и неудивительно. Мамонты и слоны произошли от общего предка около 6 миллионов лет назад, примерно тогда же, когда разделились линии человека и шимпанзе, а у нас с этими обезьянами 98% генетического сходства. Дело за малым – синтезировать, и вперед, к реконструкции мамонта!

Легко сказать. Геном должен быть расшифрован очень точно и надежно, чтобы синтезировать именно геном мамонта, а не тех бактерий и грибов, которые населяли его и при жизни, и, особенно, после смерти. Из расшифрованных в 2008 году 4 миллионов пар оснований надежно принадлежат мамонту 3,3 миллиона, остальные могут быть как частью генома мамонта, так и следами грибного и бактериального загрязнения. Так что надо подождать более точных расшифровок, в том числе и опубликования точного генома индийского слона, однако точная полная последовательность генома мамонта – это только инструкция, программа, исполняемая клеткой.

Всякий, кто отдавал или исполнял приказы, понимает, что инструкция – это лишь благое пожелание, многое зависит от исполнителей. Геном высших организмов не просто прикреплен к клеточной стенке, как у бактерий. ДНК эукариот организована в хромосомы, которые должны узнавать друг друга при делении клетки, чтобы в каждую дочернюю клетку попадало одинаковое количество хромосом. Сама по себе последовательность ДНК в хромосому не соберется, нам надо будет придумать, как это обеспечить. До сих пор эта проблема ни разу решена не была, хотя первый искусственный геном живого организма уже синтезирован. Сделано это было в 2008 году в Институте Крейга Вентера, команда ученых под руководством Гамильтона Смита искусственно синтезировала геном микоплазмы. Микроорганизм Mycoplasma mycoides имеет небольшой по сравнению даже с другими бактериями геном, 600 тысяч пар оснований, тем не менее, искусственный синтез ДНК такой длины был ранее невозможен. Синтезированные цепочки начинают самопроизвольно разрушаться примерно на 500 тысячах пар оснований, и чтобы преодолеть это ограничение был применен метод перекрывающихся кассет. Искусственно синтезированные небольшие, по 5-7 тысяч пар оснований участки ДНК были сделаны так, чтобы концы каждого синтезированной кассеты перекрывались со следующей. Всего была синтезирована 101 кассета, соседние кассеты были «сшиты» в пробирке благодаря своим повторяющимся последовательностям и объединены во фрагменты сначала по 1/8 генома, потом по 1/4 генома, и уже получившиеся длинные фрагменты введены в геном дрожжей. Дальше с помощью стандартного метода искусственных бактериальных хромосом полученные фрагменты были наконец объединены, и получен полный геном микоплазмы. При синтезе полного генома гены, отвечающие за патогенность бактерии, были удалены из него, чтобы полученный организм не мог паразитировать на человеке.

Так непросто был синтезирован геном маленького паразитического организма. Методика, отработанная на микоплазме, пригодна для синтеза довольно длинных фрагментов ДНК, но до синтеза искусственных хромосом эукариот остается большая дистанция. Синтез генома организмов, имеющих клеточное ядро, в биологически активной форме в данный момент невозможен – считает Алекс Гринвуд из Американского Музея Естественной Истории в Нью-Йорке. Доктор Гринвуд входит в международную команду исследователей, занимающихся мамонтом. С российской стороны в проекте участвуют Алексей Тихонов из Зоологического Института РАН и Сергей Вартанян, сотрудник заповедника на острове Врангеля.

В настоящий момент невозможен – не означает невозможен принципиально. 20 мая 2010 года Институт Крейга Вентера рапортовал, что искусственно синтезированный геном бактерии микоплазмы Mycoplasma mycoides введен в клетку другого вида микоплазмы, Mycoplasma capricolumи в ней работает. Как пишут в пресс-релизе института, всего 15 лет и несколько технологических изобретений и научных открытий понадобилось для того, чтобы создать живой организм, полностью контролируемый искусственным геномом.

Слон, конечно, сложнее микоплазмы, но прогресс биотехнологии в будущем может привести к преодолению каких угодно трудностей, и перед исследователями, а, впоследствии, и перед обществом, встанет другая проблема. Уже сейчас возникают споры об этичности клонирования мамонта в принципе. Овечка Долли была частью стада Рослинского института, а мамонт, появись он на свет – будет совсем один, в неблагоприятной для него окружающей среде. Частично вопрос будет снят, если попытки воссоздания мамонта пойдут, как предлагает Стефен Шустер, член команды из Пенсильванского университета, расшифровавшей геном мамонта, по пути генетической инженерии слонов. Если заменить в геноме индийского слона все участки, по которым слон и мамонт отличаются, на специфические последовательности мамонта, можно получить трансгенного слона, очень похожего на мамонта. Что он будет делать в современных экосистемах – вот вопрос, ведь основная принятая в нашей стране версия вымирания мамонтов – климатическая. Изменение климата в районах обитания мамонта с холодного и сухого на теплый и влажный привело к неспособности мамонта обеспечить себе питание и поддержание температуры в новых условиях. Даже если мы воссоздадим мамонта – где мы возьмем ему подходящий климат?

В общем, клонирование мамонта очень похоже на пилотируемый полет на Марс по списку вызываемых вопросов. «Как?» «Зачем?» и «На какие деньги?» – все эти вопросы должны получить разумные ответы.

Reset password

Recover your password
A password will be e-mailed to you.
Back to
Закрыть панель