▎Как часто мы слышим о внеочередном исчезновении того или иного вида животных?
Увы, чаще чем хотелось бы. Вымирание случается в силу разных причин. И если человечество еще как-то пытается спасти тех, кто стоит на грани вымирания, то что делать с теми видами, которые вымерли давно? Можно ли возродить популяцию вида, который, скажем, вымер тысячи лет назад? Давайте разбираться.
ㅤㅤㅤ
ㅤㅤㅤㅤㅤㅤ
Понятно, что для того, чтобы возродить исчезнувший вид, нужен целый ряд соответствующих условий. Это значит, что у древних видов не одинаковые шансы на возрождение. В статье я расскажу о виде, для возрождения которого уже есть предпосылки. И это шерстистый мамонт. Далее поговорим о том, какая база уже существует для такого эксперимента, чего не хватает, насколько это в принципе возможно и реальна ли такая задумка с точки зрения мокрой (лабораторной, экспериментальной) биологии и биоинформатики.
▎Предпосылки и первые попытки «клонирования»
С чего вообще начался сыр-бор? Да. Люди находили мамонтов, а точнее то, что от них осталось, в различные периоды истории. Это позволяло лучше понять их жизнь, ареал обитания и много чего еще. Однако в один прекрасный момент была сделана такая находка, которая позволила не просто узнать что-то новое. Она дала надежду на возрождение. Это хорошо сохранившаяся туша замерзшего мамонта. Именно после этого и появились разговоры о клонировании. Однако, не все так просто….
В чем же такая важность этой находки? Наиболее важна она для молекулярных биологов. Дело в том, что (может быть, для кого-то это секрет) биология уже давно перестала быть описательной наукой, где изучают пестики да тычинки. Биология перешла в разряд сложных наук, где для успеха изучения организма нужно провести комплекс сложных химических процедур и математических вычислений. Да.
| Современная биология — это математические формулы и молекулы. И именно поэтому этот мамонт так важен. Будучи замороженным, он сохранил в целостности многие свои молекулы, которые теперь можно расшифровать (конечно, это не только ДНК). Словом, раздолье для молекулярного анализа и построения филогенетических деревьев. Но следует отметить, что ничто не вечно — ДНК деградирует даже при всевозможных методах заморозки и сохранения. Не всегда полностью, но деградирует. А времени-то сколько прошло! Но, как известно, надежда умирает последней. |
И вот, в 2008 году группа российских генетиков во главе с Евгением Рогалевым смогла расшифровать последовательность ДНК митохондрий, взятой из шерсти мамонта. Что с этим можно делать спросите вы? Уже можно клонировать? К сожалению, пока нет… Для клонирования нужна другая ДНК, а точнее, необходимо ядро клетки с сохранившимися хромосомами. МтДНК, конечно, важна и многое может сказать об эволюции, но она совсем непригодна для клонирования целого организма. Митохондрия, как-никак, достаточно автономный органоид, а ее ДНК не рекомбинирует (нет полового процесса) и передаётся по материнской линии.
Мамонтиха с Малого Ляховского
После расшифровки мтДНК Случилось еще кое-что интересное. Что это было — случайность или, может, госпожа удача, не понятно, тем не менее, ученым попалась новая тушка самки мамонта (Мамонтиха с Малого Ляховского). Ее нашли во время экспедиции сотрудники университета. Более того, впервые (насколько автору известно, то это впервые) в истории среди остатков мамонта была найдена жидкость, напоминавшая кровь. Вот это была новость! Но сами ученые в дальнейшем сказали, что не решились бы утверждать, действительно ли жидкость является кровью (Спойлер: то, что было сначала принято за кровь, — не что иное, как остатки тканевой жидкости). Но зато была сделана ставка на уцелевшие мягкие ткани, где, в теории, можно было бы найти клетки с неповрежденными/слабоповрежденными ядрами (Спойлер: не нашли).
Мамонтёнок Юка
Дальше было интереснее. Нашли мамонтенка Юку. Причем в Якутии. Мамонтёнок Юка был найден в 2010 году. Это один из самых хорошо сохранившихся мамонтов за всю истории палеонтологии. Он сохранился настолько хорошо, что это дало реальные возможности для клонирования (ну, ученым хотелось так думать) Уже в 2012 ученые якутского Института прикладной экологии Севера СВФУ подписали договор о совместных исследованиях в области молекулярной генетики мамонтов с корейским фондом биотехнологических исследований Sooam Biotech. Проект имел такое же вдохновляющее название, как и нынешний проект Чёрча (о котором будет рассказано дальше)— «Возрождение мамонта».
| Стоит сделать оговорку, что главой Sooam Biotech является биотехнолог Хванг Ву Сок. Биотехнолог этот коварный. Он не прочь придумать некоторые результаты. Например он попался на подделке экспериментальных данных. Он смог частично восстановить репутацию, but… Поэтому вопрос успешности проекта вызывает некоторые тревоги. Последнее упоминание о проекте было в 2020 году, что как бы намекает на то, что с его реализацией есть некоторые проблемы. Посмотрим… |
Впрочем, занимательность темы привлекла и других ученых, и проводился еще японско-российский эксперимент в 2019 году, в ходе которого из мышечных клеток Юки извлекли генетическую информацию и пересадили несколько десятков наименее поврежденных ядер в яйцеклетки мышей (не спрашивайте…). Пять из них показали «признаки биологической активности» — в них ученые зафиксировали биохимические реакции, которые обычно происходят в клетках перед делением. До самого деления, правда, дело не дошло. Результаты были опубликованы в журнале Nature. В принципе, уже то, что была замечена «биологическая активность» это уже большая победа. Особенно в виду того, как долго генетический материал был заморожен. Да. Со временем он деградирует. Это является одной из фундаментальных проблем почему мамонта нельзя кло…. Ладно. Продолжим дальше.
Тем не менее, работы продолжаются. И хочется отметить, что сейчас проект по возрождению мамонта находится под руководством гарвардского биолога Джорджа Чёрча (интервью с ним на хабре можно найти тут). Задумку он вынашивал и с предвкушением рассказывал о ней еще 10 лет назад. И вот, уже порядка 4 лет он является главой проекта по возрождению мамонтов. Своими доводами, лекциями и рассказами он привлек не только группу ученых и предпринимателя Бена Лэмма — специалиста по ИИ, но и инвестиции около 90 млн долларов. Звучит грандиозно. Сам проект оценивается уже в 400 млн.
Согласитесь, не каждому фандрайзеру такое по силам. И не каждому научно-исследовательскому институту. Все же он очень талантливый человек. Как ему это удалось?
Дело в том, что Чёрч уже сделал достаточно большой вклад в молекулярную биологию и генетику. В 1984 году он разработал первый метод прямого секвенирования генома, в результате которого была получена первая последовательность генома (патоген человека, H.pylori). Он помог в инициации проекта «Геном человека» в 1984 году и проекта «Личный геном» в 2005-ом.
Джордж изобрел широко применяемые концепции молекулярного мультиплексирования и меток, методы гомологичной рекомбинации и массивные синтезаторы ДНК. Его многочисленные инновации легли в основу ряда компаний, включая Editas (генная терапия), Gen9bio (синтетическая ДНК) и Veritas Genetics (полное секвенирование генома человека). Словом, продуктивный ученый. А еще он хороший бизнесмен, поскольку является основателем нескольких коммерческих проектов и соучредителем 50-ти биотехнологических компаний. Именно поэтому многие поверили в идею реального клонирования мамонта, а не влажных фантазий. После такого и началась работа.
ㅤㅤㅤ
Джордж Чёрч. Задумался о возрождении мамонта. Вдохновил ученых и предпринимателей.
Итак. Мы с вами разобрали, что были сделаны важные находки и проведены исследования. Удалось найти генетический материал, который даже подает какие-то биологические активности. Было запущено несколько международных проектов. Кажется, что это достаточные аргументы для клонирования, ведь нужен только генетический материал. Да? Ну, нет, конечно. Давайте посмотрим, что реально удалось накопать к настоящему времени и что еще нужно сделать.
▎Что у человечества уже есть для клонирования?
• Митохондриальная и геномная ДНК
Известно, что за жизнедеятельность организма и за все его внутренние процессы ответственны гены. Именно гены определяют биохимию, физиологию, внешний вид и много что еще. Именно поэтому, для того, чтобы клонировать новое неизвестное ранее животное (с точки зрения физиологии и биохимии), необходимо собрать максимум информации о генах. Эта информация дальше может быть использована при математическом моделировании свойств будущего организма. Для чтения генетической информации применяют особый метод — секвенирование.
Ученые провели полногеномное секвенирование клеток скелетных мышц и костей Юки. Хотя, есть проблема… Напомню, уцелевших ядер и полного набора генов не нашли, пытались восстановить по тому, что сохранилось суммарно в разных клетках. В итоге в публичном доступе теперь имеются риды (короткие прочтения секвенатора) — какие-то длиннее, какие-то короче. Часть генов удалось картировать, на удивление. Много информации получено об эволюции путем полного секвенирования и расшифровки мтДНК (кстати, вот ее-то восстановили полностью).
• Внешний вид мамонта
Имеется реконструкция внешнего вида на основе мумий и замороженных образцов, математическое моделирование структур некоторых белков и многого другого. Эта информация очень важна для понимания того, как организм растет и развивается, какие требования к обмену веществ. Конечно, только по внешнему виду про все сказать не получится. Но сейчас нам ничего не остается, как собирать информацию по кусочкам в один большой пазл. И понимание внешнего вида для этого очень важно. Допустим, понимание размеров мамонта позволяет косвенно судить о прочности костей, мощности кровеносной системы, проницаемости сосудов, силы и массы мышц. Это только малая часть, которую можно вычленить, зная только внешний вид и размеры животного. И уже по этим характеристикам можно делать выводы о физиологии, биохимии, скорости обмена веществ и всём таком.
• Список отличительных генов мамонта
Проницательный читатель может подумать «А зачем все эти умозаключения о внешнем виде и т. п. если мы знаем, что мамонты очень похожи на слонов и скорее всего многие характеристики у них совпадают». Да, наш дорогой читатель будет совершенно прав. Однако мамонты имеют свои уникальные гены (и их достаточно много). И как раз собирая эти мелкие детали о внешнем виде, физиологии и биохимии ученые могут понять, какие гены как себя проявляют. Сравнить с генами слонов и понять в чем сходства и различия. И вот, по заявлению Чёрча, он уже составил список генов, принципиально отличающих слонов и мамонтов. Это порядка 60 генов. Отличия в генах важны, даже очень. По итогу можно получить полный набор, правильную последовательность и пространственную ориентацию генов с опорой на гены слона. В них же будут вноситься изменения. Некоторые гены уберут, некоторые добавят. Существует ли система, которая позволит это сделать не в мечтах, а в реальной жизни? Да, естественно.
• Генетическая инженерия
Мы много говорим о генах. И у читателя может возникнуть чувство, что ученые словно книгу редактируют, перетаскивая станицы с генетическим кодом с места на место. Но бумажные страницы то можно переставить, а как это сделать с молекулами ДНК? Конечно, есть специальные приемы, которые буквально позволяют «Копировать/вставлять» целые куски кода из одного места в другое. Этот шикарный инструмент для генетической инженерии называется CRISPR/Cas9. Он базируется на защитной системе бактерий и архей.
| Если коротко, у них в ДНК имеется кассета CRISPR, состоящая из лидерной последовательности, повторов и уникальных участков (спейсеров). Имеются также Cas-гены, которые производят одноименные белки. Спейсеры соответствуют участкам ДНК «врагов». СRISPR-кассета и Cas-гены экспрессируются, и в клетке образуется смесь из РНК и белков. По принципу комплементарности, чужеродная ДНК, если она уже проникала в организм, распознается, а Cas-белки (один или несколько, в зависимости от типа) разрезают обе последовательности в строго определенных местах. Если же «враг» встретился впервые, то Cas-белки вырезают из чужака понравившиеся фрагменты. Затем участки встраивают в кассету у лидерной последовательности. Появляется новый спейсер и новый повтор. |
Было показано, что такая система работает в эукариотических клетках, а не только у прокариот. Причем даже у многоклеточных. Можно ввести в клетку вектор, с генами белка Cas9 и с кассетой. После разрезания ДНК в игру вступят системы репарации клетки. Они выберут: просто сшить разрез или же «поставить заплатку» на базе определенной матрицы. Таким образом можно перелатать множество частей генома при большом желании.
ㅤㅤㅤㅤㅤㅤ
ㅤㅤㅤㅤㅤㅤ
• Инвестиции
Что еще нужно, так это огромные суммы на эксперименты. Уже в начале статьи отмечалась примерная стоимость и привлеченные инвестиции. За учеными грамотное распределение бюджета.
• Матка
А еще нужна матка! Да-да. Нужно же где то вырастить этого мамонта. Клонирование — это не тогда, когда из душевой кабины в куче пара и дыма выходит красивая девушка без одежды. При клонировании организм растет как обычный в суррогатной матери. Где нам взять для мамонта суррогатную мать? Слониха не подойдет. Мы уже выяснили, что физиология у нее не та. Не выживет плод. Нужна искусственная матка. И в настоящий момент ученые далеко продвинулись в этом направлении. Уже есть прототипы специальных пакетов, на примере которых была показана возможность выращивания эмбриона ягненка в течение четырех недель. Изначально и сам Чёрч был настроен имплантировать эмбрионы с модифицированными геномами в суррогатных слоних. Но потом отказался от этой идеи. Вместо этого он решил сделать искусственную матку мамонта. Впрочем, пока что искусственная матка мамонта выглядит не менее фантастично, чем вырастить мамонтенка в суррогатной слонихе с искусственно измененным генотипом (для обеспечения физиологической и иммунной совместимости). Хотя… Возможно, Чёрч еще не раз поменяет свой выбор.
▎Дизайн эксперимента
Исследователи планируют провести классическое клонирование, как это было с овечкой Долли. Или почти классическое, с некоторыми изменениями и дополнениями. К слову, как это было с Долли?
| Для ее клонирования использовали яйцеклетку одной овцы, клетки вымени второй и «суррогатную мать» — еще одну овцу. Из яйцеклетки удалялось ядро. Из клетки вымени также удаляли ядро и переносили его в уже «пустую» яйцеклетку. Затем провоцировали деление с помощью электричества. Далее эмбрион переносили в «суррогатную мать». И таких попыток клонирования только Долли было множество. |
Источник: Биомолекула
Не совсем типичный способ у Чёрча по нескольким причинам. Во-первых, планируется сконструировать геном на основе слоновьего. Конечно, ведь уцелевших полностью ядер не сохранилось, равно как и хромосом. По ридам из разных клеток с помощью генома слона планируется воссоздание последовательности генов и их расположение в пространстве биоинформатическим путем. Сколько же будет на предсказаниях последовательностей ДНК и аминокислотных! Причем на предсказаниях не самой высокой точности ввиду недостатка информации. Или же будут перебирать всевозможные более-менее вероятные варианты? Тысячи их… Во-вторых, не факт, что будет суррогатная мать, а не искусственная матка. А если «мамаша» все же и будет, то это модифицированная слониха. Других «матерей» у нас для вас нет.
▎Чего для клонирования не хватает?
• Референс
А не имеется гораздо больше, чем можно подумать, поглядев на то, что подготовлено. Нет референса, по которому бы построили правильное выравнивание. Объясню. Референс — это эталонный геном, это не полногеномное секвенирование одного организма. Для сборки референса нужно отсеквенировать сразу группу особей и далее строить эталонную последовательность (получается геном несуществующего индивида).
| Цель — получение единой системы координат для организма. Важно понимать точную последовательность генов, ввиду того что взаимное расположение влияет на процесс воспроизведения организма, на регуляцию. В статье с Юкой описано выравнивание на референсный геном африканского слона. А это даже не ближайший родственник мамонта. Ближайшим будет азиатский слон. И мамонт не является предком для него. |
• Полностью уцелевший генетический материал
Нет также и уцелевших полностью ядер и хромосом. А для клонирования мало собрать последовательность. Необходимо провести Chromosome Conformation Capture анализ, то есть установить пространственное положение генов в ядре. Нужно определить, как они будут упакованы на определенных стадиях жизни клетки, как будет происходить их взаимодействие, чтобы сконструировать хромосомы в конце концов. Напомню, что при конструировании планируется модифицировать геном слона.
И тут возникает следующая проблема: нужно будет очень сильно переделывать геном. Как минимум добавлением 60 генов из списка Чёрча. А как максимум — проставлением однонуклеотидных и других мутаций, влияющих на фенотип и жизнедеятельность в целом. Это будет и увеличение жировой прослойки, и изменение бивней, и изменение ступней, и многое другое. На этапе изменения/добавления гена вполне вероятна поломка метаболического пути или изменение регуляции других критически важных генов. Придется дополнительно разбираться и вносить изменения в другие гены. Это очень большая и трудоемкая работа. Возможно, при внесении некоторых изменений прольется свет на новые регуляции, и это поможет в других направлениях исследований.
• Идеальный CRISPR
На удивление, и с CRISPR есть проблемы. Не всегда можно точно предсказать мишень ввиду сложного строения хроматина, условий и многого другого. Иногда проявляется нецелевая активность — когда кусок ДНК не полностью комплементарен. Тем не менее это можно «пофиксить», но с временными и денежными затратами. Это достигается за счет биоинформатических предиктов (вновь).
То есть для всей последовательности генома находят более или менее комплементарные участки, возможность их разрезания и состояние хроматина при разных клеточных фазах (да, при очень скрученном состоянии вряд ли удастся разрезать ДНК, ведь она упакована). Отсюда уже делают предсказание, насколько точно получится разрезать ДНК и в каких местах это произойдет, чтобы сильно не рисковать и не повредить чего-то важного.
• Проверенная технология искусственного выращивания
Сложности выращивания в искусственных матках. Это все еще не доработанная технология. Очень большие риски, что какие-то этапы пойдут совсем не по плану. Если же Чёрч вернется к идее суррогатной матери, то, напомню, придется модифицировать слона, чтобы было минимальное количество конфликтов с организмом малыша.
• Природные условия
Основной причиной, погубившей великанов является изменение климата, вызвавшее резкое сокращение пригодных для жизни мамонтов территорий и замыкание вида на ограниченной территории. Где планируется расселение мамонтов? Природа успела достаточно поменяться за последние н тысяч лет. Сложно будет адаптировать тех, кто вымер по причине смены природных условий. Или можно вновь внести необходимые мутации и последовательности. Но тогда у нас тоже «не тру».
• Твари по паре
Дальнейшее размножение. Какое количество особей будет необходимо для успешного размножения? И будут ли они скрещиваться между собой? Вероятнее всего, их размножение все же придется делать искусственно.
▎Итоги и выводы.
Джордж Чёрч и некоторые другие ученые уверены, что мамонты были инженерами экосистемы. Например они выламывали деревья, обеспечивали землю пометом, удаляли мох. И вместо тундрового мха тысячелетия назад были пастбища и раздолье для этих шерстистых гигантов. Тундра сейчас стремительно нагревается, концентрация углекислого газа растет. И, как убежден Чёрч, мамонты помогут решить эту проблему.
В противовес ему стоит Хезер Бушман, философ лондонской школы экономики. Она считает, что при возрождении мамонты получат только страдания от попыток адаптации. Исследователи считают, что возрождение мамонта поднимет огромное количество этических вопросов. Они действительно часто возникают, как, например, с воссозданием мяса мамонта.
Были проведены попытки вернуть совсем недавно вымершие виды. Сохранность ДНК у таких видов очевидно выше, нежели у вымерших тысячелетия назад. Результаты возрождения приведены во множестве статей, и они совсем не радостные Было показано, что такое возрождение попросту невозможно. Невероятно трудно собрать полный геном существующего организма, тем более многоклеточного, ввиду особенностей укладки и регуляции генов. А уж от вымерших тысячи лет назад видов остается не так много генетического материала…
Несмотря на то, что на данном этапе развития человечества возрождение вымерших видов невозможно, хочется верить, что у ребят все получится. Даже если не у них, то у их последователей спустя десятки или сотни лет. Ведь многое из того, что казалось футуристичным в прошлом, сегодня уже можно наблюдать своими глазами. Наука продолжает свое бурное развитие, а до заката ей еще очень и очень далеко. В общем, хочется верить.
| Для отслеживания за изменениями нынешнего проекта Чёрча есть сайт с текущими результатами, последними новостями и, конечно же, рекламой самого проекта. (все любят личные сайты). Все любопытствующие приглашаются! :) |
Автор: Анастасия Новосадская
НЛО прилетело и оставило здесь промокод для читателей нашего блога:
— 15% на заказ любого VDS (кроме тарифа Прогрев) — HABRFIRSTVDS
Автор: Биореактор
