Второе десятилетие (2010-2020 гг.)
Андрей Капаций
Расцвет сравнительной генетики человека. Совершенствование базы данных генетических текстов человека. Изучение механизмов формообразования человеческого организма. Понимание некоторых причинно-следственных связей, определяющих влияние генов на форму и наоборот. Завершение в основном сопоставления отдельных генов и их групп и кодируемых ими признаков. Определение пространственной структуры важнейших белков человека при помощи новых технологий. Трудности при сопоставлении групп генов и кодируемых ими белковых молекул. Методы определения пространственной структуры белковых молекул. Компьютерная цитология. Изучение последовательностей «белок - биохимическая реакция». Первые компьютерные модели клеток человеческого организма. Создание интерактивной компьютерной модели неспециализированной клетки человека. Начало теоретических работ по оптимизации человеческого организма. Первые оптимизированные сельскохозяйственные растения. Трудности нравственного порядка при создании оптимизированных животных. Национальные программы по оптимизации важнейших сельскохозяйственных растений и животных. Новая концепция питания человека. Лечение большинства наследственных заболеваний. Лечение многих форм рака. Широкое использование класса лекарств, нормализующих работу генов. Применение иммунных комплексов для лечебных и профилактических целей. Совершенствование компьютерной модели эталонного генома человека. Компьютерные модели эталонных геномов некоторых животных. Поиск биологически активных веществ, способных взаимодействовать с ДНК человека. Понимание механизмов связывания биологически активных веществ с определенными участками ДНК. Средства целевой доставки препаратов генной терапии. Перспективы применения технологий генного регулирования для человеческого организма. Применение средств генного регулирования для выращивания тканей и органов вне организма человека. Использование в военных целях знаний о генном регулировании. Промышленные селективные технологии на основе специфических белков. Извлечение полезных компонентов из морской воды. Разработка универсального программного обеспечения для сведения воедино существующих научных баз данных. Производство суперкомпьютеров мощностью в один миллион Терафлоп. Совершенствование систем компьютерной визуализации. Единые стандарты на создание трехмерных изображений и компьютерных моделей. Прорыв в понимании процессов запоминания и мышления в человеческом мозгу. Новые способы ввода информации в мозг человека. Технологии каталитических и абсорбционных матриц. Получение первых объемных микросхем методами молекулярной сборки. Производство различных материалов с заданными свойствами. Получение новых видов керамики с улучшенными свойствами. Разработка искусственных фотокатализаторов для получения молекулярного водорода из воды. Разложение воды на водород и кислород низкоэнергетическими фотонами. Изменение структуры сырьевой базы мировой энергетики. Трудности при использовании водородного горючего. Новые технологии хранения водорода. Роботы – домашние помощники и секретари. Производство микророботов.
Второе десятилетие двадцать первого века стало периодом бурного расцвета сравнительной генетики человека. К этому времени были созданы и постоянно совершенствовались интеллектуальные автоматические системы, которые позволяли при незначительном участии специалистов расшифровывать генетические тексты генома человека. В начале десятилетия подобными исследованиями занимались большие коллективы генетиков-аналитиков, насчитывающие в своем составе несколько сот участников. Расшифровка каждого нового генома требовала существенных денежных затрат, участия множества специалистов, тщательного отбора генетического материала и являлась недоступной для подавляющего большинства населения планеты. Вместе с тем, существовал постоянный спрос на расшифровку собственных генетических текстов со стороны богатых людей планеты, желающих из любопытства или по необходимости получить подробную информацию о собственном генетическом строении. Научная ценность такой информации была несколько ниже, чем полученная учеными в плановых исследованиях при выполнении научных программ. Причиной этого являлись ограничения этического, юридического и финансового характера, налагаемые на полученные данные по требованию заказчика исследований. И все же полученная информация существенно помогала развитию сравнительной генетики человека, способствуя нахождению новых обобщений, взаимосвязей и корреляций.
К концу десятилетия процедура расшифровки индивидуального генома значительно удешевилась и стала доступной для среднего класса. Это произошло благодаря появлению полностью автоматических систем расшифровки генетических текстов, оснащенных интеллектуальным программным обеспечением. Расшифровка генома человека перешла в разряд обыкновенных медицинских процедур и исследований. Во многих крупных городах планеты на базе существующих центров генетических исследований стали оказываться новые виды услуг – частичная или полная расшифровка индивидуального генома человека. Удешевление генетических исследований привело сразу к нескольким положительным последствиям. Во-первых, средний класс стал массовым потребителем новых услуг, обеспечивая тем самым финансирование все новых направлений в сравнительной генетике человека. Во-вторых, ученые получили для работы постоянный приток дополнительной и недорогой информации. В-третьих, качество этой информации было заведомо высоким, поскольку расшифровкой собственного генома занимались люди либо с наследственными заболеваниями, либо с выдающимися признаками, как психологическими, так и морфологическими. Необходимость и вера в свою исключительность, категории столь почитаемые человеком, стали теми факторами, которые обеспечивали достаточно представительную и интересную выборку индивидуальных генетических текстов из общего генофонда человечества.
Успешное применение технологий расшифровки индивидуальных генетических текстов на повестку дня выдвинуло вопрос о всеобщей генетической паспортизации человека. У этой идеи, которая вполне могла осуществиться уже в ближайшем будущем, были как сторонники, так и противники. Основным аргументом первых являлась вера в то, что человеку необходимо указывать верный жизненный путь, исходя из его генетических предпосылок и признаков, даже в принудительном порядке. А для этого необходим свободный доступ к полной наследственной информации о человеке. Геном человека, по их мнению, предопределял образ жизни индивидуума, выбор профессиональной деятельности и увлечений, а также выбор партнера для создания семьи и обзаведения потомством. Противники идеи всеобщей генетической паспортизации говорили об опасности дискриминации человека по генетическим признакам, о свободе выбора образа жизни, о тотальном контроле над людьми и т.п. Как всегда в подобных случаях споры то разгорались, то затухали, а колесо прогресса продолжало неумолимо катиться вперед.
Удешевление генетических исследований привело к тому, что в распоряжении ученых появилось большое количество новой информации. Поступающая информация способствовала формированию достаточно полной базы данных генетических текстов человека. Анализ обобщенных данных, полученных на основе расшифровки нескольких тысяч индивидуальных геномов, в том числе и геномов человеческих зародышей, позволил с большой точностью сопоставить большинство генов и групп генов с морфологическими признаками человека и с функциями белков, вырабатываемых в организме человека.
Удалось также определить группу так называемых «архитектурных генов», ответственных за трехмерные параметры человеческого организма (внешний вид, размер, количество и расположение органов). «Архитектурные гены» реализовывали заложенную в них «программу» на этапе формирования из оплодотворенной клетки новорожденного организма, или иными словами регламентировали развитие зародыша. Основной функцией «архитектурных генов» являлось обеспечение правильной пространственной организации растущего организма. Поскольку все гены реализуют свои «программы» посредством синтеза белковых молекул, то параллельно с определением группы «архитектурных генов» также были определены белки, обеспечивающие пространственную организацию развивающегося человеческого организма. С целью систематизации обширной информации были составлены маршрутные карты общего вида «ген – белок – признак». Такие маршрутные карты содержали описание механизмов реализации признаков, а также описание известных взаимосвязей между генами, белками и признаками. Таким образом, была определена укрупненная картина процессов, сопровождающих рост и развитие человеческого организма, во всей своей сложности, включая схему подчиненности генов, временные параметры работы генов, взаимоотношения генов, белков и признаков между собой.
И хотя создание завершенной картины функционирования «архитектурных генов» требовало существенных затрат времени и интеллектуальных титанических усилий, основные принципы и механизмы их работы были уже поняты. Группа «архитектурных генов» насчитывала около шести тысяч генов, которые в своих различных комбинациях кодировали информацию о синтезе нескольких десятков тысяч белков.
Также в основном была определена группа генов, ответственных за процессы метаболизма, как на клеточном уровне, так и на уровне тканей, отдельных органов и всего организма. Такие гены определяли посредством функциональных белков, как правило, единичную биохимическую реакцию, либо несложную последовательность биохимических реакций. Маршрутные карты для генов, определяющих процессы метаболизма, имели вид «ген – белок – биохимическая реакция». Подобных маршрутных карт было составлено около тридцати тысяч, в то время как для полного описания всех существенных метаболических реакций человеческого организма требовалось отследить порядка двухсот тысяч биохимических реакций, которые осуществлялись при участии сотен тысяч белков.
Изучение этой наиболее обширной группы генов сталкивалось с серьезными трудностями. Сотни тысяч белков, которые участвовали в метаболических реакциях внутри различных по своему функциональному назначению клеток, и обеспечивали разнообразные внутриклеточные процессы, с большим трудом поддавались исследованиям. Главными препятствиями для исследователей являлись малые количества белковых молекул в клетке, скоротечность процессов синтеза и разрушения белка в живом организме, необходимость вести наблюдение за поведением молекул непосредственно в живой клетке. Малые размеры исследуемых белковых молекул и постоянное их нахождение среди тысяч других молекул тормозили работы по идентификации белков и сопоставлению их с биохимическими реакциями. К тому же в живой клетке одни из белковых молекул могли быть природными катализаторами или ингибиторами тех биохимических реакций, в которых сами не участвовали. Свойства, проявляемые белком в живой клетке, значительно отличались от свойств этого же белка, определенных в лабораторных условиях. По этим причинам в маршрутных картах «ген – белок – биохимическая реакция» оставалось много неисследованных белых пятен по позиции «белок» и еще больше по позиции «биохимическая реакция». Само собой разумеется, что совершенно неисследованными оставались вопросы взаимодействия белков и биохимических реакций, как между собой, так и друг с другом.
Значительно уменьшилась группа генов с неясными функциями по сравнению с уровнем знаний десятилетней давности. Были выделены участки генома человека, которые отвечали за обслуживание самой молекулы ДНК, в том числе принимающие участие в процессах разворачивания и сворачивания молекулы, служащие маркерами для присоединения ферментов, выполняющие функции количественного и временного учета обслуживающих молекулу ДНК процессов. Еще одна группа генов несла в себе информацию, описывающую фундаментальные принципы функционирования всего генома, и уже зафиксированную в других участках генома, но закодированную иным расположением нуклеотидов. Так было обнаружено резервное изложение фундаментальных принципов функционирования генома, записанное другими символами.
После выделения основных групп генов и выяснения их функций осталось еще достаточное количество генов в геноме не относящихся к любой из вышеперечисленных групп. Это были старые отбракованные в процессе эволюции гены, кодирующие устаревшие признаки, биохимические реакции и просто различные команды и инструкции. Эта накопленная за тысячелетия эволюции информация являлась устаревшей и в настоящее время была невостребованная, однако эволюционные процессы не привели к ее уничтожению, а напротив сохранили ее в неизменном виде. И это был бесценный материал для генного конструирования и оптимизации организма человека.
Следует заметить, что существующие трудности при исследовании структуры белковых молекул были хотя и велики, но принципиально преодолимы. Технические достижения способствовали созданию современного высокоэффективного инструментария для определения пространственной структуры белковых молекул, как в неподвижном состоянии, так и в процессе их участия в биохимических реакциях. Знание свойств белковых молекул и детального расположения атомов в них являлось чрезвычайно важным для генетики, биологии, фармакологии и многих других наук. Поэтому любые достижения в обеспечивающих производственных отраслях, научных и технических дисциплинах, незамедлительно брались на вооружение учеными, если их использование позволяло ускорить исследования человеческого генома.
Используя ультраяркие источники рентгеновского излучения, ученым удалось получить большие серии снимков и зафиксировать кадр за кадром развитие многих биохимических реакций. Этот метод исследований основывался на эффекте неодинакового поглощения рентгеновских лучей химическими элементами с различным атомным весом, на технической возможности создания ультраярких и сверхкоротких рентгеновских импульсов, на использовании сверхмощных компьютеров для расчетов. Для уточнения полученных данных параллельно применялся и традиционный метод, основанный на анализе информации о рассеянии рентгеновских лучей на белковой молекуле. В этом случае на суперкомпьютерах обрабатывалась информация об интенсивности рассеяния, углах рассеяния и о сдвиге фаз рассеянных лучей.
В это же время началось интенсивное использование в биохимии и генетике технологий, основанных на процессах рассеяния нейтронов на протонах. Эти технологии будто специально были созданы для исследования биологических объектов, имеющих в своем составе множество атомов водорода. Технологии нейтронного рассеяния базировалась на физическом эффекте хорошего рассеяния нейтронов на протонах. То, что биологические объекты (структурные части клеток, белковые молекулы, ДНК и другие) были «перенасыщены» водородом, позволяло при воздействии на них пучка нейтронов получать четкие картины распределения атомов водорода в пространстве. Приняв за точку отсчета эти своеобразные маркеры, можно было, в первом приближении, строить модель исследуемой молекулы, либо структурной части клетки. Последующее уточнение строения исследуемого объекта проводилось при помощи ультраярких источников рентгеновского излучения, а также расчетными методами. Технология рассеяния нейтронов на протонах позволила изучать строение белковых молекул с большим молекулярным весом, и даже некоторых внутриклеточных структур.
Не были оставлены в стороне и традиционные методы изучения структуры и строения белковых молекул, такие как криоэлектронная микроскопия, кристаллография с атомным разрешением, ядерный магнитный резонанс и другие.
Применение учеными совокупности известных методов изучения органических соединений при исследованиях структуры и свойств белковых молекул и механизмов реализации биохимических реакций, перевели задачи, поставленные в программе «Белок человека», в разряд успешно решаемых. Накопление полного объема информации по данной проблеме было только вопросом времени. Стартовавшая в прошлом десятилетии глобальная исследовательская программа «Белок человека», участие в которой приняли сотни научных государственных и частных компаний, привела к впечатляющим практическим результатам.
За время реализации этой программы была определена полипептидная структура более пятисот тысяч различных белков человека. Совершенное программное обеспечение для компьютерного моделирования способствовало построению достоверных моделей трехмерной структуры белковых молекул, исходя из их двухмерной полипептидной последовательности. Ситуация чем-то напоминала ситуацию уже имевшую место на рубеже веков, когда при первой расшифровке генома человека накопились гигантские объемы информации, требующие систематизации, сведения в единую общую модель. И если для систематизации расшифрованных последовательностей нуклеотидов человеческого организма и построения единой модели человеческого генома потребовалось более десяти лет, то систематизация знаний о строении сотен тысяч белков человеческого организма требовала большего времени. Сложность программы «Белок человека» была почти на три порядка выше, чем программы расшифровки человеческого генома, выполнение которой еще совсем недавно казалась пределом возможного.
Многочисленные достижения в различных областях науки и техники помогли определить к концу десятилетия полипептидную и пространственную структуру около полумиллиона белков, синтезируемых в организме человека. Однако до получения завершенной картины функционирования белков в человеческом организме было еще далеко. Причиной этого являлись трудности количественного порядка. В геноме человека насчитывалось порядка ста тысяч генов, из которых при синтезе белков использовалось не более половины. В то же время, в клетках человеческого организма для обеспечения нормального функционирования синтезировалось постоянно около миллиона различных белков. Было совершенно очевидным, что за синтез определенного белка отвечает не один ген, а целая группа, которая может состоять из различного количества генов. Таким образом, насущной задачей становилось составление полных маршрутных карт «группа генов – белок – биохимическая реакция», для чего требовалось определить сочетания генов, отвечающие за синтез белковых молекул, общее количество которых приближалось к миллиону.
В то же время миллион различных белков человеческого организма, каждый из которых способен вступать в химические реакции с органическими и неорганическими соединениями, которые во множестве находились в живой клетке, предопределял астрономические количества потенциально возможных химических реакций. Многие из них действительно осуществлялись в функционирующих клетках. Достоверно определить именно те биохимические реакции, которые являлись функциональными для каждой белковой молекулы, и отсечь десятки тысяч других возможных вариантов, которые не являлись важными для человеческого организма, было сверхсложной задачей. Эту задачу необходимо было решать незамедлительно, поскольку без этих базовых знаний невозможно было определить истинную картину функционирования человеческого организма на всех уровнях и, следовательно, двигаться вперед по пути прогресса. Главную роль в сложном и многоаспектном процессе функционирования живого человеческого организма играл, несомненно, белок, как класс химических соединений. Только владение полной информацией о первичной и пространственной структуре всех белков, входящих в состав организма человека, об их свойствах, функциональном назначении, взаимосвязях между собой и о взаимодействии с другими химическими соединениями, могло дать целостную картину устройства человека, как вместилища астрономического числа согласованных химических реакций.
Полное знание о белках человеческого организма являлось тем фактором, который определял темпы движения земной цивилизации вперед и сроки будущих, кажущихся сегодня фантастическими, достижений. И хотя астрономические цифры, характеризующие масштаб необходимых вычислений, были явно не на стороне ученых, человечество, собрав в кулак всю мощь накопленных знаний и умений принялось за разрешение очередного узла проблем. Познание тайны белка человеческого организма было многоаспектной проблемой и требовало параллельного решения еще нескольких трудоемких задач. Одна из них – задача сопоставления групп генов и кодируемых ими белков успешно решалась, и ее выполнение ожидалось в скором будущем. Другая задача, которая заключалась в сопоставлении конкретных белков с конкретными биохимическими реакциями, и должна была дать ответ на вопрос о функциях известных белковых молекул, требовала для своего решения дополнительных усилий и затрат времени.
Изучение функций белка в организме человека не могло оставить в стороне проблему пространственного сворачивания белковых молекул. Суть этой проблемы заключалась в различиях пространственной структуры белковой молекулы на стадии ее синтеза и во время осуществления основной функции в организме человека. Синтез молекулы белка осуществляется путем создания полипептидной последовательности или линейной белковой структуры. Для реализации своей функции белковая молекула сворачивается в пространстве индивидуальным образом. Процесс сворачивания может быть осуществлен многократно, и каждый раз сворачивание белковой молекулы происходит одинаковым образом. При сворачивании белок активизируется, его центральная часть образует индивидуальный
29-04-2015, 01:52