Материал: Нанотехнологии для всех (Рыбалкина), 2005, c.444

ГЛАВА 6. Биотехнологии и наномедицина

Необычный же геном рыбы фугу состоит сплошь из «смысло вых» генов, кодирующих конкретные белки. Эти гены располо жены в геноме фугу в непосредственной близости один к другому и поэтому могут быть легко идентифицированы. Вот почему ге ном фугу служит удобной моделью для генетического анализа.

Протовирусы

При расшифровке ДНК было обнаружено, что помимо собственного генетического материала в геноме человека при сутствует большое число геномов вирусов, которые когда то давно попали в него и там остались. Эти «молекулярные остан ки» были названы протовирусами.

Мы очень мало знаем об их биологической роли, но удиви тельно и крайне интересно то, что у обезьян эндогенных виру сов намного меньше или нет вообще. Получается, что по чуже родным элементам генома человек от обезьян отличается гораз до сильнее, чем по самим генам. Это дало основание одному из известных исследователей генома академику Е. Д. Свердлову высказать мысль о том, что вирусы могли сыграть важную роль в «очеловечивании» обезьяны.

По словам некоторых ученых, эти «спящие» вирусы могут в любую минуту “проснуться” и принести смертоносные эпиде мии. В частности, существует гипотеза, что ВИЧ всегда жил в нас, а потом мутировал и приобрел патогенные свойства, кото рыми изначально не обладал. То же самое, как предполагают некоторые ученые, происходило и с вирусами бубонной чумы, холеры, тифа, гриппа.

Упаковка ДНК в хромосому

Молекулярную основу генома составляет молекула ДНК – знаменитая «нить жизни», состоящая у человека из более чем 3 млрд. пар нуклеотидов, соединенных между собой в длинные нити. Установлено, что длина одной молекулы ДНК в челове ческой клетке составляет около 2 метров. ДНК содержится в хромосоме, а каждая клетка человека содержит 23 пары хромо сом. Если учесть, что тело взрослого человека состоит из при мерно 50 триллионов клеток (5·1013), то общая длина всех моле кул ДНК в организме – около 1011 км, что в тысячи раз превы шает расстояние от Земли до Солнца!

НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ

Каким же образом такие длинные молекулы могут уме щаться в маленьком ядре клетки? Это возможно, во первых, благодаря тому, что поперечные размеры молекулы ДНК сос тавляют всего 2 нм, а во вторых, благодаря удивительно точно му механизму упаковки ДНК.

ДНК в хромосомах чрезвычайно хитроумно уложена в комплексе со специальными ядерными белками, которые на зываются гистонами. На рисунке изображена приблизительная схема упаковки ДНК.

Рис 195. Схема укладки молекул ДНК в хромосомах

Достойна восхищения и плотность записи данных в ДНК: всего в 8 кубических микронах этой удивительной молекулы содержится 750 Мб генетической информации. Возможно, в будущем биомолекулярная память на основе ДНК позволит хранить в объеме современной “флэшки” 250 миллиардов гига байт. Что можно записать в такую память? Ну, например, гено мы всех когда либо живших на Земле людей с 30 часовыми ви деороликами из жизни каждого.

Практическое значение результатов проекта “Геном человека”

Итак, программа “Геном человека” завершена. Теперь, зная последовательность почти трех миллиардов нуклеотидов, ис

314

ГЛАВА 6. Биотехнологии и наномедицина

следователи получили возможность выяснить причины многих заболеваний, имеющих генетическую причину. Только одна часть работы – расшифровка 20 й хромосомы – значительно ускорила исследования в области лечения сахарного диабета, лейкемии и других заболеваний.

В настоящее время описано около 3 тысяч заболеваний, причина которых заключается в поломке генетического аппа рата. Число изученных наследственных болезней год от года растет. Эти сведения помогут разобраться в генетических прог раммах развития и функционирования нашего организма, при чинах возникновения раковых заболеваний и старения.

Появились принципиально новые подходы к диагностике и лечению наследственных заболеваний. К настоящему времени с помощью генотерапии – введения в организм собственных стволовых клеток с исправленными копиями гена – вылечили только 12 детей, больных тяжелым комбинированным иммуно дефицитом, редким врожденным заболеванием, при котором для больного смертельна любая инфекция. Но в различных ла бораториях уже разрабатываются способы лечения сотен моно* генных (вызванных нарушением в единственном гене) болез ней. При дальнейшем развитии науки станет возможным исп равление дефектных генов прямо в зародыше, что позволит из бежать наследственных болезней.

Были созданы международные банки данных, содержащие расшифрованные геномы разных организмов. Теперь любой специалист в мире может воспользоваться собранной там ин формацией.

Наномедицина

С развитием биотехнологии тесно связано качественно но вое направление медицинской науки – молекулярная наноме* дицина. С ней связывают такие уникальные вещи, как:

Лаборатории на чипе;

Адресная доставка лекарств к пораженным клеткам;

Новые бактерицидные и противовирусные средства;

Диагностика заболеваний с помощью квантовых точек;

Нанороботы для ремонта поврежденных клеток;

Нейроэлектронные интерфейсы и многое другое.

НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ

В настоящее время подобные проекты – уже не только плод воображения писателей фантастов, но и реальные средства современной медицины.

Сообщения о новых открытиях в наномедицине появляют ся так часто, а разрабатываемые в ее рамках проекты столь мно гочисленны и разнообразны, что полностью описать их в рам ках данной главы просто невозможно. Однако с некоторыми из них мы познакомимся поближе.

Лаборатория на чипе

Каждый из нас хотя бы раз в жизни сдавал, к примеру, ана лиз крови. При этом результатов анализа, как правило, прихо дилось ждать несколько дней, а то и недель – ведь сначала об разец попадал в лабораторию, дожидался там своей очереди, за тем анализировался на специальном оборудовании, и лишь после этого возвращался (в виде распечатки результатов) к вра чу. Помимо этого нам приходилось еще и здорово раскоше литься, так как в стоимость анализа “включены” оплата труда врача и лаборантов, стоимость транспортировки пробирок, стоимость эксплуатации дорогостоящего оборудования, аренда помещений лаборатории и т.д. А ведь порой скорость, точность и доступность анализа – вопрос жизни и смерти в прямом смысле слова.

И как было бы здорово, если бы врачи или даже сами паци енты могли мгновенно проводить сложнейшие анализы и полу чать результаты в течение нескольких минут! Представьте себе, какой потрясающе компактной и эффективной могла бы быть лаборатория, если б все ее пространство (включая инструмен ты, столы, проходы, клавиатуры, мониторы, и т. д.) можно бы ло бы “сжать” до размеров обыкновенного микрочипа, а все производимые в ней человеческие действия по доставке, пере мещению и анализу образца полностью автоматизировать!

А теперь представьте, что такие лаборатории уже существу ют! Называются они лабораториями на чипе (от англ. lab*on* chip). Один чип размером порядка 4х4 см может заменить це лый комплекс оборудования, необходимого для анализа ДНК/РНК, установления родства, определения генетически модифицированных организмов, ранней диагностики онколо гических заболеваний, изучения эффективности трансфекции

316

ГЛАВА 6. Биотехнологии и наномедицина

клеток, количественного определения белков, определения уровня экспрессии генов и многого другого!

При этом такая кроха лаборатория умеет анализировать одновременно до 12 разных образцов, а время анализа, зани мавшего раньше недели, сокращается до 15 30 минут. Если вы все еще не верите в то, что это возможно, вспомните первые ЭВМ: они занимали огромные комнаты, а их обслуживанием занимался целый коллектив специально обученных инжене ров операторов. А сегодня любой карманный компьютер, нес мотря на свои малые размеры, в тысячи раз превосходит по быстродействию и функциональности самой “продвинутый” компьютер того поколения.

Аналогия с компьютером здесь не случайна, поскольку на первый взгляд лаборатории на чипе очень похожи на своих электронных собратьев: они также создаются на кремниевых подложках, а крохотные ячейки связываются микро или нано ”дорожками”. Отличие заключается в том, что по дорожкам у них не всегда течет ток. По многим из них течет жидкость из кро хотных резервуаров, имплантированных в чип при производстве.

Функционально ячейки тоже отличаются. Если на микрос хеме это могут быть ячейки памяти или логические элементы, то в лаборатории на чипе это клапаны, резервуары и биологи ческие или химические реакторы.

Реальным примером подобной технологии могут служить продукты ведущих в этой области компаний Affymetrix (“GeneChip”) или Agilent (“LabChip”), производящих лаборато рии на чипе для генетических анализов.

В таких чипах ДНК анализируется методом полимеразной цепной реакции (ПЦР). Его суть заключается в последователь ном нагревании и охлаждении раствора, содержащего образец анализируемой ДНК, два праймера (участки ДНК в 20 нуклео тидов, комплементарные участкам анализируемого ДНК), смесь четырех нуклеотидов и фермент ДНК полимераза. При нагревании двунитевые отрезки ДНК расщепляются; при ох лаждении под действием фермента каждая из однонитевых це почек достраивается до двунитевой копии исходного отрезка. Число отрезков молекулы ДНК удваивается при каждом цикле, и из каждой молекулы в исходной пробе через 30 циклов обра зуется 230 – более миллиарда копий.