Код життя розшифрований для науки
Вивчення всіх генів різних організмів дасть інформацію про походження життя.
Геном людини містить усі біохімічні вказівки, необхідні для побудови та функціонування людини. Ці інструкції кодуються хімічними групами, які називаються основами, які бувають чотирьох типів: аденин (A), гуанін (G), цитозин (C) і тимін (T).
Еверард Вільямс-молодший.
Коли історики проаналізують кінець ХХ століття, вони виявлять, що одним з головних наукових досягнень того часу було визначення генетичної інформації, відповідальної за життя людини. Проект «Геном людини», метою якого є виявлення всіх генів та аналіз, буква за літерою, повідомлення життя, матиме наслідки у всіх галузях біології. Повна послідовність послідовностей ДНК різних організмів, у тому числі людських, дасть відповіді на основні питання: Як розвивалися організми? Чи зможемо ми одного дня створити живий організм? Як лікувати хвороби?
Проект «Геном людини» вже приніс безпрецедентний урожай результатів у біології. Усі складові людської ДНК, основи, ледве помістилися б у 200 телефонних довідниках, не рахуючи анотацій, які описували б, для чого використовуються ці послідовності ДНК. До весни 2000 року ми повинні були розшифрувати 90 відсотків людської ДНК, а повна послідовність запланована на 2003 рік. Однак тут ми матимемо лише підставу, тому що залишиться знайти незліченні анотації, що надають значення. генетична інформація. Фундаментальна робота принесе плоди лише тоді, коли ми зрозуміємо роль білків, кодованих усіма цими генами.
Багато білків є важливими складовими людського організму; інші - ферменти, які контролюють біохімічні реакції життя. Це ланцюги, ланками яких є амінокислоти; кожна ланцюг складається, приймаючи структуру, яка визначає її функцію. Сукцесія основ в ДНК гена кодує порядок амінокислот білка, утвореного з цього гена. Для виробництва білків потрібні проміжні молекули, рНК, і, як кажуть, гени, що продукують рНК, "самовиражаються".
Проект «Геном людини» має кілька цілей: він хоче виявити всі білки, що виробляються в людині, і зрозуміти механізми регуляції експресії генів, варіацію цих генів залежно від виду та в межах одного виду, а також взаємозв'язок між геном (генотип) та спостережувані ознаки (фенотип). Вся інформація, накопичена з послідовностей ДНК, буде ґрунтом для відкриттів наступного століття: чим більше ми дізнаємося про цю ДНК, тим більше ми зможемо висувати гіпотез і тим краще ми зрозуміємо життя.
Близько 2050 року геноміка, мабуть, дасть відповіді на різні важливі запитання: чи можна передбачити тривимірну структуру білків з їх амінокислотних послідовностей? Чи зможемо ми створити штучні форми життя? Яка точна роль генів розвитку? Чи покращить знання про весь геном профілактику, діагностику та лікування захворювань?
Давайте розглянемо ці питання по черзі.
Шість мільярдів основ людського геному кодують близько 100 000 білків. Хоча амінокислотна послідовність білка перекладається за один етап, з послідовності гена, ми ще не знаємо, як передбачити форму білків, і експериментальне вивчення їх структури залишається складним. Однак білкові структури набагато краще «консервуються» (вони залишаються майже постійними під час еволюції), ніж самі амінокислотні послідовності. Оскільки різні амінокислотні послідовності утворюють молекули з подібними структурами, сподіваємося знайти структуру багатьох білків, детально вивчивши кілька репрезентативних білків.
Будова білків
Нещодавно кілька спеціалістів щодо структури білків розпочали "Ініціативу щодо вивчення структури білка", щоб пришвидшити вирішення цієї проблеми. Вони аналізують конформацію білків або шляхом кристалізації очищених білків та вивчення дифракції цих кристалів на рентгенівських променях, або шляхом аналізу їх за допомогою ядерного магнітного резонансу. Ці аналізи довгі та дорогі. Група хоче оптимізувати вивчення нових структур на основі вже отриманих знань про тісно пов'язані структури та планує згрупувати білки в сім'ї, які мали б однакові архітектурні характеристики. Потім ми вирішимо проаналізувати репрезентативні білки кожної сім’ї найдосконалішими фізичними методами.
Коли каталог відомих структур розшириться, ми зможемо групувати різні білки за загальними структурами, щоб змоделювати структуру білків, які потім будуть виявлені або винайдені. Біологи оцінюють кількість основних методів складання білка приблизно в 1000; вирішення від 3000 до 5000 структур (на додаток до вже відомих), мабуть, було б достатньо, щоб зробити висновок про структуру будь-якого нового білка. Оскільки щороку з’ясовується 1000 білкових структур, із швидкістю, яка, без сумніву, прискорюватиметься, інвентаризація білкових конформацій повинна бути завершена незабаром після закінчення секвенування геному людини.
Штучне життя
Можна сподіватися класифікувати білки за їх структурою завдяки біологічним механізмам еволюції і навіть появі життя на Землі. Ми будемо шукати, чи існує клас білків, загальний для всіх організмів, і які біохімічні реакції мають важливе значення для життя.
Кілька геномів уже повністю секвенсовані (переважно геноми бактерій), і біологи, зацікавлені в походженні життя, почали проводити інвентаризацію генів, збережених серед бактерій.
Через кілька років ми, мабуть, отримаємо репертуар продукту всіх генів (у вигляді РНК або білків), необхідних для життя; тоді ми можемо виробляти організми з послідовностей базових ДНК, які ми можемо уявити собі ланцюгом і які будуть кодувати нові білки, також винайдені. Якщо цей штучний геном потрапить у клітину, яка правильно розмножується, досвід доведе, що біологія розшифрувала елементарні механізми життя. Компанія, очевидно, порушує питання безпеки та етики.
Чи зможемо ми побудувати електронну модель живої клітини, «комп’ютеризовану клітинку»? Клітина, яка враховуватиме всі складові клітини? З усіх біохімічних взаємодій? І хто точно розрахує наслідки застосованого до нього подразника?
Протягом останніх 50 років біологи зосереджували свої дослідження на одному гені або одному білку. Протягом наступних 50 років вони замість цього вивчатимуть функції генів, їх взаємодію та роль середовища у їх експресії.
Звичайно, біологи давно намагаються описати взаємодію різних клітинних складових. Як фактори транскрипції, молекули, які приєднуються до певних сегментів ДНК, контролюють експресію генів? Як інсулін, який зв’язується з рецепторами на поверхні м’язових клітин, викликає в цих клітинах ряд реакцій, які збільшують кількість транспортерів глюкози в клітинній мембрані? Коли секвенування геному буде завершено, такий тип питань буде поставлений перед тисячами генів та складових клітин. Коли всі гени будуть ідентифіковані, коли будуть з’ясовані всі взаємодії та клітинні реакції, фармакологи, які шукають наркотики, та токсикологи, які визначають токсичність нових молекул, безсумнівно, використовуватимуть програми або «клітинні моделі», щоб з’ясувати, чи є молекула має терапевтичні властивості або якщо вона токсична.
Коли ми знаємо, як змоделювати ізольовану клітину, ми, безумовно, будемо прагнути збільшити складність моделей, щоб наблизитись до звичних нам форм життя. Біологи будуть досліджувати, як поводяться гени та їх продукти відповідно до місця та часу, тобто відповідно до їх розташування в організмі та відповідно до віку цього організму. Вже сьогодні ембріологи починають знати послідовність експресії генів під час розвитку; вони сподіваються знайти білки, які були б специфічними для кожної стадії. Вимірюючи концентрацію сотень білків у певний час, вони виявляли, коли гени, що кодують ці білки, експресувались і спостерігали, що інтенсивність цієї експресії змінювалася. За допомогою таких методів можна сподіватися виявити всі гени розвитку та вказати їх послідовність експресії та їх взаємодії.
Деякі організми, такі як дрозофіла (оцтова муха), хробак Caenorhabditis elegans та миша, залишаться важливими елементами для прогресу біології розвитку. Секвенування геному Caenorhabditis elegans закінчено, а у Drosophila майже закінчено; цей геном людини запланований на 2003 рік, а мишачий, ймовірно, буде завершений через чотири-п’ять років. Порівняння геномів різних видів буде простішим і точнішим; він надасть біологам неоціненну інформацію про розвиток живих організмів. Нарешті, по мірі того, як вартість послідовності поступово зменшується, ми будемо декодувати дедалі більшу кількість геномів, що представляють різні гілки еволюційного дерева.
До цього часу ембріологи шукали універсальних сигналів, які керують загальною організацією тварин, тобто у розпорядженні їх членів та їх органів. Коли ця робота прогресує, ми будемо шукати варіації (у послідовності генів і, можливо, в їх регуляції), відповідальні за дивовижне різноманіття живих форм. Порівнюючи види, ми дізнаємося, як змінилися генетичні ланцюги, завдяки чому майже еквівалентні набори генів створюють або крихітні пухнасті лапи у мишей, або руки з протилежними пальцями у людей.
Завдяки молекулярній біології медицина повинна перейти від емпіричної науки до науки дедуктивної, що базується на всебічному розумінні механізмів життя. Медицина вже розвивається, але знання з послідовності геномів прискорять перехід. Протягом 50 років медицина, що базується на геноміці, мала досягти значного прогресу. Вона зрозуміє молекулярне походження хвороб, часто знатиме, як їх запобігти, і розроблятиме цілеспрямовані та індивідуальні методи лікування.
Основні програми дослідження
Протягом десяти років генетичні тести виявлять схильність до деяких захворювань. Завдяки проекту «Геном людини» ми зможемо визначити найчастіші генетичні варіації, і після встановлення цього списку епідеміологічні дослідження виявлять індивідуальну схильність до різних захворювань. Такі дослідження також з'ясують роль генів, які самі по собі мають невеликий ризик спровокувати захворювання, але які стають шкідливими, коли вони взаємодіють з іншими генами або коли на них впливають фактори навколишнього середовища, такі як дієта або деякі патогенні мікроорганізми. До 2010-2020 рр. Генна терапія могла стати класичним лікуванням, принаймні для деяких захворювань.
У наступні 20 років, коли ми розшифруємо молекулярні механізми, що відповідають за такі захворювання, як діабет або високий кров'яний тиск, ми отримаємо нові препарати. Ці препарати, точно націлені, будуть ефективними і без помітних побічних ефектів. Деякі, особливо проти раку, будуть адаптовані до ймовірних реакцій кожного пацієнта. Діагнози, безумовно, будуть більш конкретними та точнішими, ніж сьогодні. Замість того, щоб вказувати лише надмірну концентрацію холестерину в крові, вони вказуватимуть відповідальні гени, наслідки цієї гіперхолестеринемії, яких слід боятися, ліки та дієту, які найкраще підійдуть.
У 2050 році ми зможемо вилікувати хвороби ще до їх появи (однак, далеко не всі матимуть доступ до цього прогресу, і нерівність залишатиметься джерелом напруги). Коли хтось захворіє, генна терапія та препарати будуть вибиратися залежно від їх генетичного складу, тому лікування буде пристосовуватися до кожного випадку окремо. Середня тривалість життя перевищить 90 років, і вивчення генів старіння, безумовно, призведе до подальшого збільшення тривалості життя.
Незважаючи на очевидну різноманітність людського виду, він більш однорідний, ніж багато інших. У людей майже однакові генетичні варіації виявлені у всіх групах популяцій, і лише невелика частка (від 10 до 15 відсотків) цієї варіації відповідає груповим відмінностям. Це спостереження змусило певних популяційних біологів стверджувати, що не так давно людський вид зменшився приблизно до десяти тисяч особин, і що їх розповсюдження на різних континентах є останнім часом. Більшість генетичних варіацій настали б до цього розповсюдження.
Реконструкція основних етапів життя
За останні 20 років, використовуючи методи аналізу ДНК, популяційні генетики відповіли на кілька антропологічних питань. Демографічні події, такі як міграції, зникнення певних груп або розширення інших популяцій, змінюють частоту генів, завдяки чому вони точно вписуються в генетичну спадщину людства. Таким чином, генетика визначила, що сучасна людина з’явилася в Африці 100 000 - 200 000 років тому, перш ніж розповсюдитися по всіх континентах. Антропологи також використовували ДНК для вивчення, наприклад, походження таких груп, як цигани та євреї, міграції різних груп населення на острови південної частини Тихого океану та Америки або розповсюдження популяцій у Європі. Оскільки генетичну інформацію отримувати дедалі легше, буде простіше з’ясувати взаємозв’язки між популяціями, періоди змішування, поділу та міграції. Ми переконані, що буде підтверджено, що расові та етнічні характери є соціально-культурними; буде показано, що між науковими групами не існує науково доведеного кордону.
Близько 2050 року ми будемо знати людські популяції набагато краще, але питання залишається відкритим: які межі цих знань? Схрещування було настільки частим, що, мабуть, не вдасться створити єдине генеалогічне дерево, яке представляло б історію людства. Цю історію повинен описати кущ, наслідки якого будуть перетинатися та переплітатися після періодів розлуки. Через 50 років ми знатимемо хоча б певний момент: ми оцінимо межі історії людства, які ми перепишемо.
Цей тип «горизонтального перенесення генів», здається, був досить поширеним в історії життя, тому порівняння генів між видами не дасть єдиного універсального філогенного дерева. Як і історія людського виду, історія життя була б більше схожа на шпалеру, де розгалуження роз’їжджаються, з’єднуються і зливаються, перш ніж вони знову розділяться.
Через 50 років книга історії життя стане повнішою, хоча загадка появи першого організму, здатного до розмноження, ще не розгадана. Наприклад, ми будемо знати, коли і як утворювались, приймались чи адаптувались різні лінії, наділяючи себе новими метаболічними шляхами або новими тілесними організаціями. Спостереження за життям на генному рівні буде настільки звичним для біологів, що вони будуть говорити вже не про організми чи види, а про гени. Вони визначать гени, які передавались разом, протягом яких періодів та в яких геномах. Тоді ми можемо отримати відповідь на запитання Чарльза Дарвіна, яке сьогодні залишається без відповіді: що відрізняє людину від інших видів?
Звичайно, виникнуть інші питання. Як і в будь-якій плідній науковій галузі, будуть висунуті нові гіпотези на основі зібраних даних. Парадоксально, але, незважаючи на зростаюче значення, геноміка, як чітко визначена сутність, можливо, буде трохи затьмарена, оскільки вона розповсюдиться у всіх областях біології; він може засвоюватися медициною.
Як суспільство відреагує на цей вибух генетичних знань? Сьогодні це питання не має простої відповіді. З розвитком генетики та технологій до різних захворювань слід ставитися краще, а ряд страждань полегшити. Однак із прогресом виникають ризики: наприклад, сьогодні деякі фанатики використовують генетичні аргументи, намагаючись виправдати існування расових та етнічних груп. Існує занепокоєння тим, що деякі роботодавці або страховики можуть використовувати генетичну інформацію для відмови у працевлаштуванні чи страхуванні. Чи зможемо ми використати силу, яку може дати доступність генетичної інформації? Питання залишається відкритим.
Ми сподіваємось, що генетика буде корисною у багатьох сферах, але ми побоюємось, що напруження може зрости між прихильниками наукового прогресу та прихильниками повернення до більш "природного" життя. Компанії повинні забезпечити, щоб геноміка була прийнята громадою та щоб досягнення цієї дисципліни не використовувались у шкідливих цілях.