Биология: клетки. Строение, назначение, функции. Что сложнее компьютер или клетка
Счетная клетка: Бактерия как «компьютер»
Используя цепочки взаимозависимых генов вместо электронной микросхемы, ученые превратили живую клетку в «живой компьютер».
Конечно, использовать такое «счетное устройство» для сложных математических вычислений не получится. Зато у него есть масса других полезных применений. Подобным образом модифицированная клетка способна запоминать происходящие с ней события, так, как будто она обладает памятью — к примеру, число делений, через которые клетка прошла, или последовательность стадий развития. Можно превратить ее и в эффективный биосенсор, чувствительный к различным токсинам и загрязняющим веществам.
О достижении в последних числах мая сообщила группа ученых во главе с профессором Джеймсом Коллинзом (James Collins). «Не думаю, что по своим чисто вычислительным способностям когда-нибудь биологические системы достигнут того уровня, который сегодня демонстрируют обычные компьютеры», — говорит один из авторов работы, студент Тимоти Лу (Timothy Lu). Действительно, контролировать сложную и многообразную жизнь клетки куда сложнее, чем простой кремниевый чип. Да и так ли это необходимо? Она вполне подходит для решения конкретных, небольших псевдо-вычислительных задач, что и продемонстрировали ученые. «Нашей целью, — говорит Тимоти Лу, — было получить простой инструмент для анализа определенных аспектов жизни клетки».
Чтобы продемонстрировать свою разработку в деле, авторы сконструировали из клетки «устройство», способное вести учет трем видам активности, хотя в теории это количество может быть куда большим. Давайте посмотрим, как это работает.
Первый «счетчик», названный RTC (Riboregulated Transcriptional Cascade — «Риборегулируемый транскрипционный каскад»), состоит из набора генов, каждый из которых кодирует белок, который, в свою очередь, активирует следующий ген в цепочке.
Теперь представим, что клетка получила определенный стимул, действующий на первый ген из этого каскада — к примеру, в питательной среде появился сахар. В ответ начинается выработка первого белка из цепочки, РНК-полимеразы, фермента, который ведет синтез РНК и контролирует активность другого гена. Повторный сигнал стимулирует уже имеющуюся РНК-полимеразу, и она запускает синтез следующего белка в цепочке — другого вида РНК-полимеразы. Таким образом, теоретически, число шагов в этой последовательности ограничено только количеством имеющихся в бактериальной клетке видов РНК-полимераз. «В идеале, — говорит Тимоти Лу, — наша цель состоит в том, чтобы использовать весь набор этих генов для создания все более и более длинных каскадов».
Такие «генетические счетчики» работают не моментально и требуют от нескольких минут до часов. Однако этого вполне достаточно для работы со многими входящими «сигналами» — к примеру, для отслеживания процесса клеточного деления в исследованиях процессов старения. При необходимости, его можно «обнулить» и начать все сначала.
Второй «счетчик» DIC (DNA Invertase Cascade, «Каскад ДНК-инвертазы») несколько сложнее и способен хранить даже нечто вроде «битов» информации. Эта система базируется на ферментах-инвертазах, которые в клетке занимаются довольно необычным делом: они узнают нужный фрагмент на двойной спирали ДНК, вырезают его, переворачивают задом наперед и снова встраивают на место.
Счетчик DIC включает серию генов, кодирующих разные ДНК-инвертазы. Когда первый из них активируется, начинается выработка первой ДНК-инвертазы. Она пристраивается к собственному гену и переворачивает его. При этом работа первого гена блокируется, зато становится возможным работа следующего. При следующих стимулах цикл повторяется: каждая ДНК-инвертаза блокирует транскрипцию собственного гена и разблокирует — следующего. В конце цепочки располагается ген, кодирующий не инвертазу, а выходной сигнал — к примеру, зеленый флуоресцентный белок (GFP), который легко обнаружить после нескольких шагов этой операции. В теории, счетчик DIC может включать до 100 шагов (именно столько различных ДНК-инвертаз открыто в клетке кишечной палочки).
Эти «счетчики» легко использовать и для исследований, и в качестве живых сенсоров. Клетку с их помощью можно заставить реагировать на самые разные химические сигналы или освещение, и даже «запрограммировать» ее смерть после определенного числа циклов. Считается, что подобные биосенсоры, реагирующие на присутствие взрывчатых веществ, в будущем станут лучшими помощниками саперов. Для этого уже сегодня созданы генетические модифицированные дрожжи, распознающие ВВ (читайте: «Разминирование пивом»), и даже пчелы, укрепленные на специальном картридже («Это ж-ж-ж неспроста»).
По информации MIT News Office
www.popmech.ru
Клетка как компьютер
Клетка как компьютер
Внутреннее устройство клетки. Скриншот из ролика факультета молекулярной и клеточной биологии Гарвардского университета.
Биологи обнаружили, что между генами и компьютерными сетями гораздо больше сходства, чем считалось ранее. И в том, и в другом случае ключевые элементы систем дублируются. Данное открытие позволит найти уязвимые и отвечающие за развитие болезней гены.
Ученые из университета Карнеги-Меллон в США обратили внимание на особый класс белков под названием "транскрипционные факторы". Эти белки уникальны - они не просто выстраивают тело клетки и даже не выступают в роли обеспечивающих химические реакции ферментов. Транскрипционные факторы выступают в роли переключателей для других генов: они могут запускать или останавливать синтез сразу многих белков.
При поддержке коллег из Израиля и Испании молекулярным биологам удалось разделить молекулярные переключатели на две группы. К некоторым ученым удалось подобрать одну или несколько альтернатив, а другие оказались уникальны и не похожи ни на какие другие.
Далее был проведен эксперимент, который может иметь важные последствия для медицины. В его ходе исследователи показали, что поломка транскрипционных факторов первого типа практически не сказывается на работе других генов. Эти переключатели дублированы своими аналогами, и серьезно затронуть работу клетки может только выход из строя сразу нескольких генов. Такой сценарий крайне маловероятен: генетический материал в клетке надежно защищен несколькими разными системами восстановления поврежденной ДНК.
Но белки, которые регулируют активность многих генов и при этом не имеют аналогов, оказываются критичны для функционирования клетки. Зная точный перечень таких белков, медики смогут сосредоточиться на их детальном изучении, ведь "поломка" кодирующих их генов может вызывать различные заболевания.
Распределенные вычисления Аналогичное распределение функций применяется программистами для создания систем, позволяющих проводить громоздкие расчеты путем их распределения по многим компьютерам. Выход из строя или отключение от сети отдельных узлов (в клетках их роль играют гены-переключатели) не приводит к краху всей системы, а размер сети может быть практически неограничен.Сеть World Community Grid, например, объединяет свыше сотни тысяч компьютеров при помощи специального программного обеспечения. Скачав и установив у себя программу любой пользователь всемирной сети может пожертвовать избытками ресурсов своего процессора для решения различных научных задач. Методом распределенных вычислений на компьютерах добровольцев рассчитывают молекулы, необходимые для лечения ВИЧ-инфекции, последствия глобального потепления и даже изменения белков, которые позволят получить новые, более урожайные, сорта риса.
В свете открытия биологов из университета Карнеги-Меллон и аналогии с вычислительными системами такое дублирование предстает вполне естественным. Такая жизненно важная функция как память, с одной стороны требует многих генов, а с другой стороны регуляторы работы всех этих генов продублированы. Исследование, описывающее то, как транскрипционные факторы дублируют друг друга, было опубликовано в журнале Molecular Systems Biology.
olgabut08.narod.ru
Компьютерный урок по биологии по теме: "Клетка – единица живого"
Разделы: Биология, Информатика
К компьютерным относятся уроки, на которых полностью или частично освоение, закрепление темы учащимися осуществляется посредством компьютера.
Компьютер при этом может использоваться с самыми разными функциями и, следовательно, целями: как способ диагностирования учебных возможностей учащихся, средство обучения, источник информации, тренинговое устройство или средство контроля и оценивания качества обучения. Его можно подключать на любой стадии урока, к решению многих дидактических задач, как в коллективном, так и в индивидуальном режиме.
Здесь возникает принципиально новая ситуация, когда приходится пересматривать свои привычные учительские функции, свое место и роль на уроке, место и роль ученика, производить перегруппировку сил и передавать детям и компьютеру часть своих полномочий. В частности, важно определиться, кто (учитель, ученик или ПК) будет выполнять на разных этапах урока следующие функции:
— источника информации;
— интегратора знаний учащихся;
— контроля обученности и развития учащихся;
— оценки усвоения материала и уровня развития учащихся, достигаемого при этом.
ПК легко встраивается в любую дидактическую систему, сочетается с любой технологией, способен выполнять многие педагогические функции на уроке, реализовывать многие идеи, такие, например, как принципы индивидуализации и дифференциации обучения.
Учащиеся любого возраста любят уроки с применением ПК.
Тесты используемые на уроке составлены учителем информатики.
Тема: Клетка – единица живого
Цель:
формирование целостного представления о клетке как сложнейшей системе, которая является началом всего живого.
Задачи:
- обобщить и систематизировать знания о составе и строении клетки, о взаимосвязи и взаимообусловленности ее компонентов протекающих в ней процессов;
- сравнить строение клетки с устройством государства;
- на основе сравнительной характеристики клетки и структуры государства подвести детей через законы социальной экологии к пониманию необходимости экологического образования как фактора формирования культурного потенциала личности.
Тип урока: урок обобщения и систематизации знаний с использованием ПК
Урок проходит в компьютерном классе.
Оборудование: карты индивидуального учета знаний (Приложение 1), таблицы, плакаты, компьютеры.
Ход урока:
1. Организация класса.
2. Проблемная ситуация:
Учитель: В русских народных сказках часто говорится о “живой” и “ мертвой” воде. Люди давно заметили, что одна вода действует благотворно на живые организмы, а другая их убивает.
В чем дело?
Ответ учащегося.
По наличию изотопов водорода, входящих в состав воды ее можно разделить на легкую и тяжелую. При обычной температуре энергия водородной связи в тяжелой воде больше, чем в воде с легкими изотопами водорода, поэтому ее биологическая активность снижается.
Например:
– расщепление сахара дрожжами в тяжелой воде идет в 9 раз медленнее.
– плоские черви вида планария макулета в тяжелой воде погибают через 2 часа.
Легкая вода – это снеговая, ледниковая, чистая речная. Она полезна для всего живого.
Учитель:
Почему мы начали свой урок с разговора о воде?
Вода – источник жизни.
Фронтальная беседа.
Уч-ся о роли воды как важнейшего химического вещества клетки.
3. Сообщение темы урока.
На доске тема урока: Клетка – единица живого.
На всех компьютерах заставка “Бегущая строка” – “Клетка – единица живого”.
По данной схеме попробуйте сформулировать главную задачу урока. (Приложение 2)
4.
Учитель: Ребята, сформулируйте задачи нашего урока.
Задача:
повторить обобщить и систематизировать знания о клетке, доказать, что клетка – структурная единица живого, в которой все взаимосвязано.
Итак, вода – компонент клетки.
Чтобы вспомнить какие еще вещества входят в состав клетки, поработаем с таблицами, в которых средняя графа пустая. (Приложение 3)
Распределите вещества в правой колонке по группам и занесите только номер вещества в среднюю колонку)
Классы вещества |
№ |
Вещества |
1.белки |
10,16 17,18 |
1. глюкоза 2. жиры 3. рибоза 4. холестерин 5. крахмал 6. ДНК 7. и – РНК 8. витамины 9. АТФ 10. гормоны 11. фосфолипиды 12. т – РНК 13. НАДФ Н 16. ферменты 17. гемоглобин 18. инсулин |
2. углеводы |
1, 3, 5, 14 |
|
3. липиды |
2, 4, 8,11 |
|
4. нуклеиновые кислоты |
6,7,12 |
|
5.биологические аккумуляторы |
9,13,15 |
Проверка (самопроверка) по ключу.
Определите: над чем вам дома нужно еще поработать.
5.
Учитель: функции этих веществ очень разнообразны. Давайте вспомним их.
Учащиеся отвечают:
А. Белки – структурная регуляторная каталитическая защитная транспортная.
Б. Углеводы – энергетическая запасающая узнавания структурная.
В. Липиды – энергетическая запасающая синтез ферментов регуляторная.
Г. Биологический аккумулятор – энергетическая.
6.
Учитель: так или иначе, эти вещества имеют отношения к процессам жизнедеятельности клетки. А какие это процессы?
Учащиеся: фотосинтез, биосинтез белков и гликолиз.
7
.Учитель: А теперь послушайте, о каком процессе пойдет речь?
(Ученик рассказывает о биосинтезе белка, не называя его).
8.
Учащиеся определяют.
9.
Два других процесса повторим в сравнении.
1 группа работает по карточкам (Приложение 4)
Заполните таблицу: 2 и3 графы. Сравните процессы фотосинтеза и гликолиза.
Самопроверка по ключу:
Процессы |
Гликолиз |
Фотосинтез |
1. Необходимые условия |
1.наличие доноров е 2. наличие аккумуляторов е 3 наличие переносчиков е |
1. источник углерода (СО2) 2. хлорофилл 3. свет |
2. исходные вещества |
Органические вещества пищи |
1. углекислый газ 2. вода 3. минеральные соли |
3. источники энергии |
Химические связи |
свет |
4. конечные продукты |
Молочная кислота или СО2 и Н2О |
Органические вещества и кислород |
5. биологическое значение |
Универсальный источник энергии АТФ |
Преобразование солнечной энергии в энергию химических связей |
2 группа работает за компьютерами с тестами: “Фотосинтез.1 вариант” (Приложение 5), “Фотосинтез. 2 вариант” (Приложение 6), “Гликолиз” (Приложение 7), “Кислородное окисление” (Приложение 8).
Смена видов деятельности. Таблица и тесты.
После выполнения теста компьютер сразу показывает оценку и есть возможность посмотреть неправильный ответ. Результат тестирования учащиеся заносят в карточку индивидуального учета знаний. (Приложение 1).
10.
Просмотр органоидов клетки (Приложение 11) (работа с иллюстрациями: определить органоид и дать ему характеристику) и сравнение растительной и животной клеток на компьютере. (Приложение 9 в форме презентации). Проверка по ключу.
11.
Вспомните, какие функции выполняют органоиды клетки.
Сравните клеточные структуры с государственными (беседа и коллективное заполнение таблицы на доске)
органоиды |
функции |
Государственные структуры |
1. клеточная мембрана |
Защитная, проводящая |
Погранвойска, таможня |
2. метахондрии |
Энергетические станции |
ГЭС, АЭС, Газпром, нефтепром |
3. рибосомы |
Синтез органический веществ (белков) |
Пищевая и легкая промышленность |
4. ЭПС, аппарат Гольджи |
Система синтеза и транспорта органических веществ |
Различные виды транспорта |
5. лизосомы |
Расщепление органических веществ с помощью ферментов |
Химическая промышленность |
6. ядро |
Содержит генетическую информацию, руководит процессами клетки |
Телевидение, Интернет, правительство |
– Давайте подробнее остановимся на клеточной (эндоплазматической) мембране и государственной границе. Что произойдет при нарушении их?
– Целостность мембраны – залог нормального функционирования клетки, целостность границ (высокая подготовленность и оснащение пограничных войск и всей армии в целом) – залог существования государства. Поэтому гражданский долг каждого призывника – добросовестная служба в армии.
12.
Учитель: Случайно ли сходство природных и социальных систем? (мнение детей)
Учитель: До сих пор ни одна наука не пыталась выяснить законы, которые отражали бы единство общества и природы.
Сегодня именно социальная экология претендует на установление таких социальных законов.
Открывается доска (Приложение 10)
Американский эколог Б. Коммонер сформулировал их так:
1. Все должно куда-то деваться, (не накапливаться там, где по природе этих веществ не должно быть)
2. Природа знает лучше (без знаний последствий вмешательство человека в природу недопустимо)
3. Ничего не дается даром (все что взято человеком у природы должно быть возмещено)
4. Устойчивое развитие цивилизаций зависит от нравственных качеств и культуры людей.
5. Каждый несет ответственность за свои действия перед будущим.
6. Все связано со всем.
– Этот закон больше всего раскрывает сущность клетки (возврат к целям урока) (краткая беседа)
13
.Учитель: Какие чувства вы пережили, знакомясь с социозаконами? Ответ учащихся.
– Я думаю, что после нашего разговора многие из вас пересмотрят свое отношение к природе, которая началась с клетки и которая не может существовать вне нашей планеты, страдающей от рук человеческих.
Планета Земля просит пощады.
14.
Чтение стихотворения С. Михалкова.
Вращаясь в космосе в плену своей орбиты Не год, не два, а миллиарды лет Я так устала, “плоть моя покрыта Рубцами ран – живого места нет. Терзает сталь мое земное тело, И яды травят воды чистых рек Все то, что я имела и имею Своим добром считает человек. Мне не нужны ракеты и снаряди А ведь на них идет моя руда А как губителен тот полигон Семипалатинский Его подземных взрывов череда Зачем друг друга люди так боятся, что позабыли о самой Земле?! Ведь я могу погибнуть и остаться Обугленной песчинкой в дымной мгле Не по тому ли, загораясь мщеньем, Я против сил безумных восстаю И сотрясаю твердь землетрясеньем На все обиды свой ответ даю. И не случайно грозные вулканы Выплескивает с лавой боль Земли Очнитесь, люди! Призовите страны, Чтобы меня от гибели спасти!
15.
Спасибо за урок, ребята! Вы сегодня поработали хорошо.
Оценку своей работы вы можете дать самостоятельно по картам индивидуального учета знаний.
Поделиться страницей:xn--i1abbnckbmcl9fb.xn--p1ai
Как работает биологический "компьютер"
На протяжении многих лет ученые пытаются превратить живые клетки в компьютеры. Эта цель вполне логична: клетки умеют хранить информацию, данный механизм чем-то напоминает всем известную память. Поведение клеток строго соответствует внутренней программе, которая определяет, каким должен быть ответ на различные стимулы. Кроме того, клетки с поразительной скоростью могут выполнять определенные операции.
Каждая клетка - это достаточно сложная в физическом смысле структура, которая теоретически способна самостоятельно выполнять роль достаточно мощного вычислительного блока. В то же время клетки очень малы, в самые крошечные физические пространства их можно "упаковывать" миллионами. На практике программировать поведение клетки ничуть не сложнее, чем программировать поведение цифрового компьютера.
Ученые из Массачусетского технологического института (MIT) вплотную занялись изучением возможностей, которые таят в себе так называемые "биологические" компьютеры, созданные на основе живых клеток. Следует отметить, что исследований на данную тему было проведено в MIT уже достаточно. В 2013 году эта же группа ученых приступила к исследованиям , которые явились основой для разработки биологической "машины состояний".
Конечный автомат (или машина состояний) является наиболее понятной (хотя и не обязательно простой) формой компьютера или компьютерной модели. Такая машина управляет потоком каких-либо команд. Список команд конечного состояния машины строго определен, переход между состояниями может осуществляться с помощью ввода переменных. Классический пример конечного автомата - это всем известные торговые автоматы.
В своей работе ученые их Массачусетского технологического института используют штамм e.coli. Его немного изменили, чтобы он мог подстраиваться под специальные "последовательности-мишени" по всему геному. Ученые используют определенную комбинацию химических сигналов, старых и добрых методов генной инженерии, применяемых для того, чтобы заставить клетку выпустить конкретную "рекомбиназу" - тип фермента, который может инвертировать ориентацию запрограммированного участка ДНК или полностью его удалить. Рекомбинаторное действие ферментов и их взаимодействие с короткими последовательностями-мишенями как раз и составляет основу "вычислительной" способности биологических клеток.
В качестве переменной служит, вероятно, определенный химический агент. В ответ на ввод этого агента рекомбиназа будет или удалять его, или инвертировать связанную с ним часть генома. А самое главное состоит в том, что часть генома сама содержит цели, которые далее диктуют варианты рекомбинаторных связей. Таким образом, действие любой рекомбиназы меняет окружающие условия, благодаря которым следующая рекомбиназа будет активирована и тоже, в свою очередь, внесет свои изменения при взаимодействии с геномом.
Цепь ответов на введение каждой новой переменной должна быть сохранена в бактериальной последовательности ДНК. Извлечь ее можно себе с помощью секвенирования генома. В своей исследовательской работе ученые используют специально окрашенный флуоресцентный белок. Он наглядно показывает последовательность состояний клетки режиме реального времени. При этом никаких разночтений быть уже не может. В экспериментальной биологической машине состояний задействованы только три флуоресцентных цвета - красный, зеленый и синий. Они легко различимы и позволяют легко дифференцировать состояние клетки.
Клетки изначально поддаются программированию, поэтому в геноме и хранится столь обширная биологическая информация. Создать компьютер на основе клеток позволяют глубокие знания давно использующихся методов исследования внутриклеточных биологических механизмов. Но здесь возникает один вопрос. Что можно делать с программируемой клеткой или, в идеале, с взаимосвязанной группой клеток? Иными словами: у нас уже есть компьютеры. Почему стоит снова "изобретать колесо", но на основе живой клетки?
Экспрессия гена происходит очень быстро, но современные компьютерные процессоры функционируют быстрее. И даже с применением флуоресцентных маркеров процесс считывания информации с клетки никогда не будет столь же эффективным, как передача электрических импульсов проводным способом.
Но в наш век одним из главных преимуществ различных форм жизни над современной техникой является энергоэффективность. На то, чтобы обеспечить функционирование алгоритмов искусственного интеллекта каждый год требуется много гигаватт-часов электроэнергии. Гораздо легче и доступнее решить проблему энергопотребления, если использовать достижения биотехнологии. Возможно, скорость вычислений e.coli будет равна только одной тысячной от того, на что способен дата-центр компании Google. Но электроснабжение каждого суперкомпьютера в этом дата-центре обходится в миллионы долларов каждый год, в то время как биокомпьютер работает всего лишь за счет дешевого естественного процесса метаболизма.
Нужно учитывать, что биологические клетки отличаются от компьютеров. Пока в принципе не известно, что можно сделать на программном уровне с целой сетью миллионов или даже миллиардов простых биологических машин. Даже если каждый компьютер в этой сети будет относительно медленным или ограниченным, технология все равно может предложить эффективные способы их применения. Например, они могут использоваться для маршрутизации миллионов пакетов данных или для надежного шифрования этих данных, которое станет защитным барьером в информационной сети какой-либо державы.
На данный момент никто не знает, будут ли простые биологические машины развиваться дальше, смогут ли они произвести на современные полупроводниковые системы исторически важное воздействие. Возможно, особого технологического переворота не получится, но потенциал на будущее у биологических компьютеров, конечно же, есть.
Открыть счет для торговли акциями высокотехнологичных компаний
Подписывайтесь на United Traders в социальных сетях:
utmagazine.ru
Жизнь — это компьютер
Главный спонсор конкурса — дальновидная компания Генотек.Конкурс поддержан ОАО «РВК».
Обратите внимание!
Эта работа представлена на конкурс научно-популярных статей «био/мол/текст»-2014 в номинации «Биоинформатика и молекулярная эволюция». Учитывая «общественный» стиль, выбранный автором, мы рекомендуем читателям за научными подробностями обращаться к статьям, упомянутым в редакционных комментариях.
Спонсором номинации «Биоинформатика» является Институт биоинформатики. Спонсором приза зрительских симпатий выступила фирма Helicon. Свой приз также вручает Фонд поддержки передовых биотехнологий.
Слушаю лауреата Нобелевской премии Филлипа Шарпа:
— Мы в Массачусетском технологическом институте называем это третьей революцией в биомедицине. Первой революцией было открытие структуры ДНК, второй — «революция генома», то есть расшифровка геномов живых организмов и разработка геномного подхода в целом. Сейчас происходит третья революция — слияние науки о жизни с математикой и информационными технологиями, с инжинирингом и физикой. Эта революция интегрирует науки о жизни на новой, информационной основе. Когда-то физики дали инженерам электрон, и в мире началась IT-революция. Потом биологи дали инженерам ген и вместе они создадут будущее.
В сколковском Гиперкубе на конференции «Терапия будущего» встретились сразу два нобелевских лауреата. Выступает Филлип Шарп, открывший множество новых видов РНК (их десятки, помимо тех, что мы изучали в школе*), создавший РНК-терапию и получивший нобелевку за открытие прерывистой структуры генов — каждый из них записан на ДНК небольшими кусочками, которые перемежаются вроде бы бессмысленными последовательностями символов. Вместе с нами его слушает Синья Яманака, получивший свою нобелевку [2] за то, что научил биологов менять генетическую программу клеток взрослого организма, возвращая их в «детство», а затем превращая эти забывшие о своей специализации юные плюрипотентные клетки в специализированные клетки разных органов и тканей**.
Филипп Шарп, лауреат Нобелевской премии по физиологии и медицине 1993 года.
Помимо блестящей медицинской перспективы их открытий, сдержанного японца и харизматичного американца объединяет то, что оба корифея рассказывают, как передается и обрабатывается информация в живых клетках и между ними, — так, словно биологические системы — это своего рода живые компьютеры, и для их понимания больше всего подходит язык информатики. Наука, занимающаяся изучением биологических «программ» и «компьютеров», называется биоинформатикой.
С точки зрения биоинформатики, ядро каждой клетки — что-то вроде микроскопической флэшки огромной вместимости. Внутри ядра на молекулах ДНК записаны программы — одни и те же для всех клеток организма, но каждый клеточный компьютер выполняет их по-своему в зависимости от внешних сигналов (модификация генетического кода, приводящая к различному выполнению этой программы, называется эпигенетикой*). Если мы сумеем прочитать код и понять принципы работы клеточного компьютера, то сможем управлять программой сами. Может ли быть для ученых перспектива заманчивей этой?
В подтверждении своих слов о слиянии биологических технологий с информационными, Шарп показывает нам карту окрестностей Массачусетского технологического института, окруженного плотным кольцом зданий крупнейших мировых биотехнологических и IT-компаний, стремящихся даже физически быть как можно ближе к лабораториям, в которых делаются открытия.
— Вот поэтому университеты в США — сейчас главные драйверы инноваций и экономики вообще, — учит Шарп, а мы тем временем уводим Яманаку и его японскую свиту на небольшой разговор.
Перепрограммисты
Наверное, каждый видел фотографии зеленых светящихся кроликов и свинок*. Выглядит забавно, а достигается за счет внедрения гена флуоресцентного белка в геном животного. Это примерно то же, как дополнить свой Windows программой от Google. Из той же серии лечение наследственных заболеваний или создание бактерий, производящих топливо и лекарства**.
Но можно не только дополнить «операционную систему» живого организма «приложениями» других производителей. Есть возможность заставить работать по-другому уже имеющуюся программу.
Синья Яманака, лауреат Нобелевской премии по физиологии и медицине 2012 года. Картинка: Gladstone Institutes/Chris Goodfellow.
В 2006 году успехи других «перепрограммистов» живых клеток затмил Синья Яманака. Он взял клетку из кожи мышиного хвоста и превратил ее в плюрипотентную — ту, которая может порождать любые клетки организма. Такие клетки стали называть ИПСК — индуцированными плюрипотентными стволовыми клетками [2–4]. Настоящий рай для медиков. Уже в следующем году Яманака сумел повторить свой успех на человеческой клетке.
— Как происходит перепрограммирование соматической клетки в ИПСК?
— Суть очень проста: мы вводим в ткань из обычных клеток 4 белка. Каждый из них — это сигнал, включающий какие-то гены, запускающий сложный каскад реакций, которые и проводят к тому, что небольшая часть клеток в исходной ткани превращается в плюрипотентные. Это что-то вроде перезагрузки клеточного компьютера, но как именно это происходит, мы вообще говоря мало понимаем, тут еще работать и работать.
— А как же вы поняли, что именно эти 4 белка нужны?
— Можно сказать, методом тыка: у нас были 24 кандидата, которые, судя по тому, как они себя ведут в организме, могли подойти. Мы испытывали разные их сочетания на мышах, пока не нашли то сочетание четырех белков, которое работало.
— А обратный процесс? Как превратить ИПСК в нейрон или клетку крови?
— Мы использовали знания, накопленные эмбриологией, о том как эмбриональные клетки превращаются в клетки мозга или сердца. Мы пока умеем делать только несколько типов клеток — клетки легких, например, не умеем, клетки поджелудочной железы получаются незрелыми. Повторю: мы и десятой доли еще не знаем о том, как работает наше тело. У нас еще все впереди.
— Но если мы так мало знаем, как работают эти клетки... Вдруг они начнут размножаться как раковая опухоль?
— Во время производства ИПСК возникают мутации. Но мы используем новейшие технологии секвенирования, чтобы прочесть их геном, отследить вредные мутации и выбрать только безопасные клетки. Семь лет назад, когда мы начинали, риск таких мутаций был очень высок, но технология быстро совершенствуется, и риск мутаций уже намного меньше. Он еще не нулевой (да так и не бывает), но мы уже вплотную подошли к стадии клинических испытаний.
— Пересадкой ИПСК можно будет лечить болезни, исправлять мутации?
— Много лабораторий в мире работают над этим, но к клиническим испытаниям пока никто не приступил; зато уже были успешные эксперименты над животными. В теории, все должно сработать, но пока все это дойдет до клиник, еще 10 лет испытаний пройдет.
— А пока это единственный метод, позволяющий нам самим создавать нужные клетки?
— Нет, зато самый простой на сегодняшний день. Но все время появляется что-то новое — вероятно, на смену этому методу придут другие. В идеале, нам нужно научиться делать так, чтоб не мы пересаживали такие клетки в организм, а он сам их производил, лечил и омолаживал себя, когда нужно. Я мечтаю об этом.
Геном человека до сих пор не прочитан
Но все-таки огромное большинство людей, связанных с биоинформатикой, занимается не перепрограммированием геномов, а их расшифровкой и анализом. Об этом мы разговорились с Аллой Лапидус, замдиректора Лаборатории алгоритмической биологии Академического университета РАН, созданной в 2011 году в рамках программы мегагрантов.
— Наша задача — создание инструментов, то есть программ, с помощью которых врачи и биологи будут анализировать геном, — рассказывает Алла. — Они сейчас очень нужны, потому что количество производимых данных просто невероятно. Расшифровка только той небольшой части генома человека, которая кодирует белки, дает нам полтерабайта данных. И это только исходные данные, необходимые хоть для какого-то анализа реального пациента, — с ними еще ничего не делали. Представляете, какой нужен объем для хранения данных клиническому центру, в который приходят 3–4 тысячи пациентов?
В результате на сегодняшний день расшифровать ДНК куда дешевле, чем хранить информацию об этом. Не анализировать, а просто хранить! Поэтому IT-люди учатся новым методам сжатия, а главное — сборки информации.
— А сколько места занимает полная расшифровка всего генома?
— Вообще-то полностью геном человека до сих пор не прочитан*. Может быть, есть коммерческие расшифровки, которые не выложены в открытый доступ. В каждой хромосоме есть много идентичных областей. Букв генетического кода всего четыре, поэтому, если брать куски шифра небольшой длины, то просто в силу комбинаторики идентичных кусков будет много. А современные методы расшифровки основаны на чтении маленьких кусочков, с последующей реконструкцией всей хромосомы**. Из-за этого многие участки, там где много повторов, трудно восстановить. Года три назад Национальный институт здравоохранения США выделил три с половиной миллиона долларов на то, чтобы «закрыть дырки» в геноме человека. Я очень хорошо знаю женщину исключительного таланта, которая получила этот грант — если она не сделает, то не сделает никто. И вот пару месяцев назад вышла новая, официальная сборка человеческого генома, которую они выложили. И она все равно с дырками. Например, у хромосомы есть область в серединке, называется центромера, за которую при делении клетки клеточный аппарат «хватается» и растаскивает хромосомы в дочерние клетки. Эту область окружает огромное количество повторов. Очень много повторов и на концах хромосом — если эти концы будут торчать, их начнет съедать специальный фермент, поэтому края заворачиваются для защиты. Этот закрученный край, называющийся теломера***, тоже целиком состоит из повторов. Разобрать эти куски современными методами невозможно, поэтому они не расшифрованы. Постепенно методы позволяют читать разом все более длинные куски ДНК, — с развитием таких методов мы, наконец прочтем весь геном.
— А как вообще расшифровывают генетический код?
— Вы многократно прочитываете, определяете структуру одного и того же куска ДНК* — многократно, чтобы быть уверенным в качестве данных. Для этого есть специальные приборы — секвенаторы. Они реконструируют маленькие кусочки ДНК — их надо собрать, чтобы реконструировать всю хромосому. Чтобы сделать такую сборку правильной последовательности из разных кусков данных, нужны серьезные математические методы. К сожалению, наша страна довольно сильно отстает в этой области, несмотря на то, что математика — это козырь России. Наших математиков очень уважают на международном рынке, считают, что математика у нас в где-то крови. Кстати, математик Павел Певзнер, директор нашей лаборатории и профессор Калифорнийского университета в Сан-Диего, недавно был признан в США человеком года в биоинформатике. Хотя основной массе сотрудников лаборатории нет еще и тридцати лет.
— Какое-то время назад секвенаторы стали стремительно дешеветь, и все кинулись их покупать. Купили, поставили и развели руками: данных слишком много, а что с ними делать — непонятно. Проектов еще мало, народ не очень понимает, с чем это едят. Постепенно учатся, — с помощью биоинформатики появляется возможность что-то с этими данными делать. Сейчас такое же удешевление происходит и в области методов секвенирования белков. Для этого применяют масс-спектромеры — дорогие большие инструменты, которые тоже начали дешеветь, но в клинику не движутся, потому что врачам нечем обрабатывать эти данные. Есть кое-какие программы, созданные в университетах, но ими врачи пользоваться не могут — они слишком сложные и требуют специальных математических знаний. Мне один врач сказал: «ничего из этого я использовать не буду, пока у меня не будет кнопки, на которую я нажму, а в окошке появится идентификационный номер моего пациента и каким лекарством в какой дозировке его лечить».
Геном, транскриптом, протеом
— Анализа ДНК недостаточно, нужны еще и белки?
— Конечно, геномика позволяет узнать изменения и поломки в геноме, а значит, и причины связанных с ними болезней человека. Но отследив лишь изменения в геноме, вы мало что можете узнать. Ну, нашли вы точку в геноме, которая изменилась, но что эта мутация значит, каким образом она меняет работу организма? Подавляет она синтез белка или наоборот, интенсифицирует? Такие вещи нужно смотреть не на уровне ДНК, а на уровне РНК — потому что количество того белка, которое вырабатывается, определяется уровнем РНК. Знаете основную догму биологии — с ДНК считывается РНК, и уже с РНК — белок? Количество молекул РНК, произведенных каждым геном, показывает, насколько активен этот ген, сколько белка он производит. Информация обо всех РНК организма, показывающая, насколько активно работают его гены, называется транскриптомом*, это следующий этап анализа после генома.
— И транскриптом тоже нужен не только ученым, но и врачам?
— На основании данных транскриптомики врач может выписать лекарство, восстанавливающее уровень вещества, если он упал из-за мутации, или наоборот, тормозящее производство того вещества, если ген стал слишком активен, — например щитовидная железа при разных типах нарушений может производить слишком много или слишком мало своего гормона.
А третий этап анализа — это протеом, то есть совокупность всех белков, присутствующих в организме. Нужно посмотреть, где и в каких количествах эти белки находятся — там, где им положено, или в местах, где их никто не ждет и они никому не нужны.
— То есть, помимо данных расшифровки генома, которые и так хранить негде, современным клиникам нужны еще данные о транскриптоме и протеоме?
— Именно. Каждый из этапов дает очень много данных, и нет возможности сложить все эти данные вместе и хранить их. Это сейчас существенно тормозит развитие персонализированной медицины. Нужен комплексный подход в анализе человеческого организма, и нужны компьютерные продукты, которые помогут этот анализ проводить. Поэтому мы, биологи, вступили в естественный альянс с математиками, научились слушать IT-людей, а они — нас*. Для начала мы занялись сборкой геномов микроорганизмов и выпустили программу для их анализа. Этому инструменту два года, и его уже используют тысячи лабораторий по всему миру.
— Для микроорганизмов вроде кишечной палочки?
— Да, для любых бактерий. С кишечной палочкой все просто: сливаете в банку разные полезные для нее вещества, сажаете ее туда и утром у вас нарастает много материала. А многие микроорганизмы, которые живут в нашем теле некультивируемые: их невозможно вырастить в лаборатории. Так вот таких организмов подавляющее большинство — на сегодня мы умеем выращивать не больше 5–6% микроорганизмов. И вот нам надо просеквенировать сразу всю эту кучу живущих внутри нас микроорганизмов — это называется метагеномика, — и возникает задача вычленить каждого «жителя» в этом сообществе. Современные технологии позволяют растащить все эти клетки, оставив одну-единственную. Но в одной клетке очень мало ДНК — нужно ее как-то размножить, сделать так, чтобы ее стало больше, а потом секвенировать и собрать все нужные данные.
— Для чего это делают?
— Допустим, вам сделали операцию, а потом возник воспалительный процесс, или вы неправильно питаетесь, и начинается заболевание из-за изменений микроорганизмов желудочно-кишечного тракта. Или вот есть дети с аутизмом — уже показано, что население их желудочно-кишечного тракта сильно отличается от нормы: у всех аутичных детей есть проблемы с желудком. Изучают, что здесь первично, а что вторично — болезнь вызывает эти изменения или они становятся причиной болезни (например, если какой-то микроорганизм выделяет токсины, влияющие на мозг). Ведь есть болезни, которые вызывает микрофлора, а есть такие, которые приводят к изменениям микрофлоры, и по этим изменениям их можно диагностировать.
—А чем вы занимаетесь сейчас?
— Недавно мы создали инструмент для Лаборатории эволюционной геномики Алексея Кондрашова в МГУ, тоже выигравшей мегагрант. У них возникла задача делать сборку генома для диплоидных грибов, — то есть для таких, у которых в клетках по два ядра и двойной набор хромосом. Им тоже нечем было обрабатывать данные. Недавно мы представляли сделанный для них инструмент на конференции в США.
Думаем и над медицинскими приложениями. Обычно для медицинских целей нам не нужно собирать весь геном человека. Нас интересует какая-то область генома — одной точечной мутации чаще всего не достаточно, чтобы объяснить заболевание. Берутся определенные данные — исходя из области вашего интереса, — и программа осуществляет локальную сборку участков генома.
Все время возникают новые задачи, связанные с необходимостью секвенировать геномы различных организмов — для разных грибов или животных нужны свои подходы. Но в итоге мы хотим сделать универсальный инструмент, подходящий для любых организмов, или близкий к этому.
Клетка вместо атома
Оказывается, в МФТИ, цитадели российской физики, теперь тоже вовсю занимаются биологией: в прошлом году был создан факультет биологической и медицинской физики, заработали геномный центр и центр клеточных технологий, заканчивается строительства корпуса для биофармкластера «Северный», открыт Центр живых систем МФТИ, который будет внедрять достижения физиков практику биологов и медиков. На конференции ФизтехБио-2014, тоже не обошедшейся без пары нобелевских лауреатов, мы встречаем её организатора, руководителя Центра живых систем профессора Андрея Иващенко.
— Вы же Физтех, а не Биотех! Почему именно живые системы оказались сейчас для вас самым важным делом?
— Просто 21 век — это век изучения живых систем, это мировой мегатренд. Посмотрите публикации Массачусетского технологического института, ведущего физического университета мира, — половина будет в области медицины и живых систем. В 20-м веке у людей в основном получалось изучать неживую природу, а в 21 веке наука развилась достаточно для того, чтобы как следует заняться живой природой. Поэтому то место, которое в 20-м веке занимала физика, теперь заняла биология, да и вообще это разделение больше не актуально. Честно говоря, я уже устал объяснять, почему в физтехе занимаются таблетками. «Вот таблеточники, во что вы превращаете физтех! Вы же физики, вы должны делать ракеты и ядерные бомбы!», — говорят нам. Боюсь признаться, что мы еще собираемся заняться аквакультурой и агротехнологиями — там ведь тоже расцвет биотеха. Я думаю, лет через 20 большая часть сельского хозяйства будет в океане — земли же не хватает, а в океане много воды, много планктона, биомассы намного больше, чем на поверхности земли. Любые белки научатся выращивать в океане — это гораздо дешевле, эффективней и экологичней.
— Но мы-то традиционно сильны в физике и математике! Не получится ли как с конверсией при Горбачеве, когда вместо ракет стали выпускать кастрюли?
— Ракеты мы делаем, просто они отошли на второе место. Физика сейчас очень нужна как фундамент, инструмент химии и биологии. Посмотрите, самые прорывные медицинские центры в мире выросли из естественно-научных университетов. Клиника Джона Хопкинса — тот же физтех, который вырастил у себя медицинский центр. И мы на физтехе собираемся сделать университетский исследовательский госпиталь, который будет обеспечивать трансляцию научных достижений в практику. И кстати, лучший ответ на ваш вопрос о том, что делают физики и математики в биологии — это нобелевский лауреат Майкл Левитт, один из отцов биоинформатики. Он физик по образованию, а Нобелевскую премию в прошлом году получил* за работу по моделированию молекул белка, которую Нобелевский комитет долго не мог понять, к чему относить — к химии, биологии или математике.
Биоинформатика в четырехмерном мире
Несмотря на зубодробительные подробности, касающиеся его ученых занятий, Майкл Левитт оказывается очень милым, искренним и расположенным к общению человеком.
— Как получилось, что именно вы получили Нобелевскую премию?
— Ответ на этот вопрос очень простой: мне просто нравилось играться с компьютером. Но в конце 60-х персональных компьютеров не было, и вообще компьютеры были большой редкостью. И я выбрал профессию и лабораторию так, чтобы можно было вволю наиграться.
— И в итоге стали отцом биоинформатики...
— На самом деле, настоящий отец биоинформатики — покойный уже иммунолог Элвин Кабат, который в 70-х написал первые книги о ней.
— А что представляет из себя биоинформатика сегодня?
— Книга жизни написана на языке информатики, и надо заметить, мы пока еще весьма далеки от понимания этой книги. Но сейчас многие ученые вносят свой вклад в её понимание — и как же это интересно! Методы анализа информации в ДНК в общем те же, что и при анализе документов или книг. Вот вы пишите что-нибудь в Ворде, а потом нажимаете кнопку, которая позволяет отследить все внесенные в текст изменения. Ворд запускает алгоритм сравнения нового текста со старым, — тот же алгоритм, который используется для сравнения двух цепочек ДНК. Такие алгоритмы имеют универсальный характер, поэтому можно сказать, что Google, создавая алгоритмы работы с большими данными, больше всех на сегодняшний день сделал для биоинформатики.
Но сейчас количество данных растет даже быстрее, чем способности наших программ обрабатывать их. Это связано с заблуждением многих работающих в этой области людей — о том, что можно просто взять данные и начать их анализировать, не имея никакой модели того объекта или процесса, который породил эти данные. Ну, например, сейчас много разговоров об анализе больших данных в шоппинге — из данных о том, кто что покупает, пытаются делать выводы о том, кто что будет покупать в перспективе. Но тут недостаточно корреляций между цепочками цифр — нужно понять психологию покупателей, построить модель поведения людей. И я думаю, что хороший анализ данных всегда требует создания такой модели поведения изучаемого объекта. Это сложно, и недостаток хороших моделей биологических объектов — очень важная проблема биоинформатики сегодня.
— Биоинформатика — это ведь не только анализ генома?
— Конечно, но сейчас, когда говорят о биоинформатике, чаще всего имеют в виду анализ расшифровки ДНК, то есть длинной одномерной цепочки символов. А я работал совсем в другой области — моделируя большие молекулы, я имел дело с трехмерным пространством, даже с четырехмерным, если учитывать изменения этих молекул во времени*. Это область, кстати, более старая — первые работы в ней появились в начале 50-х, а первая расшифровка ДНК — только к 1985. Последние 15 лет именно здесь происходит взрыв исследований, поэтому она у всех на слуху. Но я думаю, самое интересное в биоинформатике будет связано с моделированием жизни организма как целого — то есть таких процессов как старение или эволюция.
— А область 3D-моделирования чем-то напоминает архитектуру, она очень сложна. Легко сравнивать две цепочки символов, и гораздо труднее — два трехмерных объекта. Отличия часто непросто заметить — они, например, похожи на отличия ваших рук от их изображения в зеркале. Вы ведь понимаете, что предмет и его отражение — разные?
Чтобы измерить сходство двух пространственных объектов, нужно сначала построить физические модели этих объектов. Поэтому многим из тех, кто занимается большими данными, очень не хватает понимания реальных объектов, с которыми они имеют дело. Но мыслить о четырехмерном мире гораздо труднее, чем об одномерном.
Любят ли биологи математиков?
— Вы — один из первых, кто пришел в биологию из физики и математики. Сейчас ведь многие так поступают. Не возникает у них трений или непонимания с биологами?
— Это давно происходит — еще в 50-х люди из физики и математики начали приходить в биологию. Уже Джон фон Нейман, математик, стоявший у истоков информатики, очень серьезно интересовался биологией. Я не вижу никакой напряженности между математиками и биологами, но стиль мышления у них действительно разный.
Математическое мышление опирается на небольшое число исходных принципов, аксиом, а мышление биологов опирается на историю. Биология — это же история того, что случилось с генетической информацией на протяжении последних четырех миллиардов лет. Это делает математический и биологический подходы очень разными. Физикам и в голову не может прийти, что скорость света могла меняться с возрастом вселенной, они привыкли к константам. А биология — это история, здесь все меняется со временем.
И еще здесь велика роль случайности — если вернуться в прошлое на машине времени и все повторить, то эта история станет совсем другой из-за множества случайностей. Мы пока очень мало знаем о вероятностных процессах и случайности... Мне кажется в школах нужно меньше изучать все это сложение дробей и прочую теорию цифр, и намного больше — основы статистики: это гораздо важнее! Сегодня для большинства людей вероятность один на тысячу и один на миллион — это примерно одно и то же. Но ведь разница огромна — это как иметь тысячу долларов или миллион долларов. Мне кажется серьезной проблемой, что люди этого не понимают.
В общем, биологам и математикам есть чему поучиться друг у друга, и это здорово! Мне так нравится, кстати, что сейчас столь легко стало учиться благодаря интернету. Вот недавно я заинтересовался теорией графов — и сначала нашел программы, которые мне всё показали, а потом и специалистов с которыми смог обсудить волновавшие меня вопросы. Так прекрасно понять что-то, чего ты раньше не понимал!..
Майкл Левитт, лауреат Нобелевской премии по химии 2013 года. Фото: Алексей Паевский.
— Мне сказали, что «биология — это физика сегодня» — в смысле центральной и объединяющей роли, которую стала играть биология в науке...
— Биология ведь так прекрасна и полезна! Как мы видим, слышим, думаем, болеем и выздоравливаем — все это биология, и нет науки полезней. И что важно, биология имеет дело с необычайно сложными процессами — допустим, биологические процессы проходят на наноуровне, более мелком, чем тот, с которым имеют дело нано-инженеры. Или вот ученые никак не научатся синтезировать какую-то молекулу, а обычное растение или даже бактерия — умеют! Способности растений к синтезу разных молекул просто поражают меня.
Я тоже думаю, что биология сегодня — это фокус, ключевая область науки. И биология сегодня собирает под своим крылом специалистов из самых разных научных дисциплин. Да и вообще это деление на математику, физику, биологию устарело, — думаю, оно изменится. Оно словно создано ради самозащиты, чтоб отгородиться от остальных — если я математик, то я не должен прислушиваться к химикам. Это же безумие! Это какой-то вид национализма, словно обращать внимание только на высказывания людей с определенным цветом кожи. Специалист в любой области может дать для решения научной проблемы что-то ценное — это как в жизни, каждый в итоге чем-то оказывается полезен. В моей группе работают физики, химики, биологи, математики, компьютерщики — и когда они вместе работают над чем-то, все хотят учиться друг у друга.
— А над чем ваша группа сейчас работает?
— Над несколькими предельно сложными, почти нерешаемыми проблемами — я люблю такие. Например, мы собираем информацию обо всех расшифрованных геномах, всех видах, живущих на планете. Сейчас у нас есть около 20 тысяч геномов. Уже известно около 500 общих для них функций, которые выполняют разные участки этих геномов — и мы пытаемся сравнивать их.
Знаете, эта нобелевская премия — странная штука. Вы вдруг получаете признание не за то, чем занимаетесь, а за то, что делали давным-давно. Поэтому она не приносит так уж много радости — ведь я живу не прошлым, а будущим, и верю, что самое интересное — впереди. Что может быть хуже, чем сказать: «ну все, я закончил, пора и на покой».
Первоначально статья была опубликована в журнале «Русский Репортер» [23].
- Обо всех РНК на свете, больших и малых;
- Нобелевская премия по физиологии и медицине (2012): индуцированные стволовые клетки;
- Была клетка простая, стала стволовая;
- Ствол и ветки: стволовые клетки;
- Развитие и эпигенетика, или история о минотавре;
- Пилюли для эпигенома;
- Флуоресцентные белки: разнообразнее, чем вы думали!;
- Флуоресцирующая Нобелевская премия по химии;
- Бактерии для водородной энергетики;
- Геном человека: как это было и как это будет;
- Код жизни: прочесть не значит понять;
- «Нестареющая» Нобелевская премия: в 2009 году отмечены работы по теломерам и теломеразе;
- 454-секвенирование (высокопроизводительное пиросеквенирование ДНК);
- Технология: 1,000 $ за геном;
- Огурцы-убийцы, или как встретились Джим Уотсон и Гордон Мур;
- Секвенирование единичных клеток (версия — Metazoa);
- «Омики» – эпоха большой биологии;
- Биоинформатика: Большие БД против «большого Р»;
- Вычислительное будущее биологии;
- Я б в биоинформатики пошёл, пусть меня научат!;
- «Виртуальная» Нобелевская премия по химии (2013);
- Молекулярная динамика биомолекул. Часть I. История полувековой давности;
- Русский Репортер: «Жизнь — это компьютер»..
biomolecula.ru
Клеточные компьютеры
Клеточные компьютеры представляют собой самоорганизующиеся колонии различных "умных" микроорганизмов, в геном которых удалось включить некую логическую схему, которая могла бы активизироваться в присутствии определенного вещества. Для этой цели идеально подошли бы бактерии, стакан с которыми и представлял бы собой компьютер. Такие компьютеры очень дешевы в производстве. Им не нужна столь стерильная атмосфера, как при производстве полупроводников.
Главным свойством компьютера такого рода является то, что каждая их клетка представляет собой миниатюрную химическую лабораторию. Если биоорганизм запрограммирован, то он просто производит нужные вещества. Достаточно вырастить одну клетку, обладающую заданными качествами, и можно легко и быстро вырастить тысячи клеток с такой же программой.
Основная проблема, с которой сталкиваются создатели клеточных биокомпьютеров, - организация всех клеток в единую работающую систему. На сегодняшний день практические достижения в области клеточных компьютеров напоминают достижения 20-х годов в области ламповых и полупроводниковых компьютеров. Сейчас в Лаборатории искусственного интеллекта Массачусетского технологического университета создана клетка, способная хранить на генетическом уровне 1 бит информации. Также разрабатываются технологии, позволяющие единичной бактерии отыскивать своих соседей, образовывать с ними упорядоченную структуру и осуществлять массив параллельных операций.
Трансгенные технологии
В 2001 г. американские ученые создали трансгенные микроорганизмы (т. е. микроорганизмы с искусственно измененными генами), клетки которых могут выполнять логические операции «И» и «ИЛИ», возможны сочетания этих операций. Специалисты лаборатории Оук-Ридж, штат Теннесси, использовали способность генов синтезировать тот или иной белок под воздействием определенной группы химических раздражителей. Ученые изменили генетический код бактерий Pseudomonas putida таким образом, что их клетки обрели способность выполнять простые логические операции. Например, при выполнении операции И в клетку подаются два вещества (по сути - входные операнды), под влиянием которых ген вырабатывает определенный белок. Теперь ученые пытаются создать на базе этих клеток более сложные логические элементы, а также подумывают о возможности создания клетки, выполняющей параллельно несколько логических операций.
Потенциал биокомпьютеров очень велик. К достоинствам, выгодно отличающим их от компьютеров, основанных на кремниевых технологиях, относятся:
1) более простая технология изготовления, не требующая для своей реализации столь жестких условий, как при производстве полупроводников 2) использование не бинарного, а тернарного кода (информация кодируется тройками нуклеотидов), что позволит при меньшем количестве шагов перебрать большее число вариантов при анализе сложных систем 3) потенциально исключительно высокая производительность, которая может составлять до 1014 операций в секунду за счет одновременного вступления в реакцию триллионов молекул ДНК 4) возможность хранить данные с плотностью, в триллионы раз превышающей показатели оптических дисков 5) исключительно низкое энергопотребление
Однако, наряду с очевидными достоинствами, биокомпьютеры имеют и существенные недостатки, такие как:
1) сложность со считыванием результатов - современные способы определения кодирующей последовательности не совершенны, сложны, трудоемки и дороги 2) низкая точность вычислений, связанная с возникновением мутаций, прилипанием молекул к стенкам сосудов и т.д. 3) невозможность длительного хранения результатов вычислений в связи с распадом ДНК в течение времени
Хотя до практического использования биокомпьютеров еще очень далеко, и они вряд ли будут рассчитаны на широкие массы пользователей, предполагается, что, они найдут достойное применение в медицине и фармакологии, а также с их помощью станет возможным объединение информационных и биотехнологий.
studfiles.net
Биология: клетки. Строение, назначение, функции
Биология клетки в общих чертах известна каждому из школьной программы. Предлагаем вам вспомнить изученное когда-то, а также открыть для себя что-то новое о ней. Название "клетка" было предложено еще в 1665 году англичанином Р. Гуком. Однако лишь в 19 веке ее начали изучать систематически. Ученых заинтересовала, среди прочего, и роль клетки в организме. Они могут быть в составе множества различных органов и организмов (икринок, бактерий, нервов, эритроцитов) или же быть самостоятельными организмами (простейшими). Несмотря на все их многообразие, в функциях и строении их обнаруживается много общего.
Функции клетки
Все они различны по форме и зачастую по функциям. Могут отличаться довольно сильно и клетки тканей и органов одного организма. Однако биология клетки выделяет функции, которые присущи всем их разновидностям. Именно здесь всегда происходит синтез белков. Этот процесс контролируется генетическим аппаратом. Клетка, которая не синтезирует белки, в сущности мертва. Живая клетка - это та, компоненты которой все время меняются. Однако основные классы веществ при этом остаются неизменными.
Все процессы в клетке осуществляются с использованием энергии. Это питание, дыхание, размножение, обмен веществ. Поэтому живая клетка характеризуется тем, что в ней все время происходит энергетический обмен. Каждая из них обладает общим важнейшим свойством – способностью запасать энергию и тратить ее. Среди других функций можно отметить деление и раздражимость.
Все живые клетки могут реагировать на химические или физические изменения среды, окружающей их. Это свойство называется возбудимостью или раздражимостью. В клетках при возбуждении меняется скорость распада веществ и биосинтеза, температура, потребление кислорода. В таком состоянии они выполняют функции, свойственные им.
Строение клетки
Ее строение довольно сложно, хотя она считается самой простой формой жизни в такой науке, как биология. Клетки расположены в межклеточном веществе. Оно обеспечивает им дыхание, питание и механическую прочность. Ядро и цитоплазма – основные составные части каждой клетки. Каждая из них покрыта мембраной, строительный элемент для которой - молекула. Биология установила, что мембрана состоит из множества молекул. Они расположены в несколько слоев. Благодаря мембране вещества проникают избирательно. В цитоплазме находятся органоиды – мельчайшие структуры. Это эндоплазматическая сеть, митохондрии, рибосомы, клеточный центр, комплекс Гольджи, лизосомы. Вы лучше поймете, как выглядят клетки, изучив рисунки, представленные в этой статье.
Мембрана
При рассмотрении клетки растения в микроскоп (к примеру, корешка лука) можно заметить, что ее окружает довольно толстая оболочка. У кальмара имеется гигантский аксон, оболочка у которого совсем другой природы. Однако не она решает, какие вещества следует или не следует пускать в аксон. Функция оболочки клетки состоит в том, что она является дополнительным средством защиты клеточной мембраны. Мембрану называют "крепостной стеной клетки". Однако это справедливо лишь в том смысле, что она защищает и ограждает ее содержимое.
И мембрана, и внутреннее содержимое каждой клетки состоят обыкновенно из одних и тех же атомов. Речь идет об углероде, водороде, кислороде и азоте. Эти атомы находятся в начале таблицы Менделеева. Мембрана представляет собой молекулярное сито, очень мелкое (толщина ее в 10 тысяч раз меньше толщины волоса). Ее поры напоминают узкие длинные проходы, сделанные в крепостной стене какого-нибудь средневекового города. Их ширина и высота меньше длины в 10 раз. Кроме того, отверстия в этом сите очень редки. У некоторых клеток поры занимают лишь одну миллионную долю от всей площади мембраны.
Ядро
Биология клетки интересна также с точки зрения ядра. Это самый большой органоид, первым привлекший внимание ученых. В 1981 году клеточное ядро было открыто Робертом Брауном, шотландским ученым. Этот органоид является своеобразной кибернетической системой, где происходит хранение, переработка, а затем передача в цитоплазму информации, объем которой очень велик. Ядро очень важно в процессе наследственности, в котором оно играет главную роль. Кроме того, оно выполняет функцию регенерации, то есть способно восстанавливать целостность всего клеточного тела. Этот органоид регулирует все важнейшие отправления клетки. Что касается формы ядра, чаще всего она бывает шарообразной, а также яйцевидной. Хроматин – важнейшая составная часть этого органоида. Это вещество, которое хорошо окрашивается особыми ядерными красками.
Двойная мембрана отделяет ядро от цитоплазмы. Эта мембрана связана с комплексом Гольджи и с эндоплазматической сетью. На ядерной мембране имеются поры, через которые одни вещества легко проходят, а другим это сделать труднее. Таким образом, проницаемость ее избирательна.
Ядерный сок – это внутреннее содержимое ядра. Он заполняет пространство, находящееся между его структурами. Обязательно в ядре присутствуют ядрышки (одно или несколько). В них образуются рибосомы. Имеется прямая связь между размером ядрышек и активностью клетки: ядрышки тем крупнее, чем активнее происходит биосинтез белка; и, напротив, в клетках с ограниченным синтезом они или вовсе отсутствуют, или невелики.
В ядре находятся хромосомы. Это особые нитевидные образования. Кроме половых, в ядре клетки человеческого тела имеется по 46 хромосом. В них записана информация о наследственных задатках организма, которая передается потомству.
У клеток обычно имеется одно ядро, однако есть и многоядерные клетки (в мышцах, в печени и др.). Если удалить ядра, оставшиеся части клетки сделаются нежизнеспособными.
Цитоплазма
Цитоплазма представляет собой бесцветную слизистую полужидкую массу. В ней содержится около 75-85 % воды, примерно 10-12 % аминокислот и белков, 4-6 % углеводов, от 2 до 3 % липидов и жиров, а также 1 % неорганических и некоторых других веществ.
Содержимое клетки, находящееся в цитоплазме, способно двигаться. Благодаря этому органоиды размещаются оптимально, а биохимические реакции протекают лучше, как и процесс выделения продуктов обмена. Разные образования представлены в слое цитоплазмы: поверхностные выросты, жгутики, реснички. Цитоплазму пронизывает сетчатая система (вакуолярная), состоящая из уплощенных мешочков, пузырьков, канальцев, сообщающихся между собой. Они связаны с наружной плазматической мембраной.
Эндоплазматическая сеть
Этот органоид был назван так из-за того, что он находится в центральной части цитоплазмы (с греческого языка слово "эндон" переводится как "внутри"). ЭПС – очень разветвленная система пузырьков, трубочек, канальцев различной формы и величины. Они отграничены от цитоплазмы клетки мембранами.
Различаются два вида ЭПС. Первый – гранулярная, которая состоит из цистерн и канальцев, поверхность которых усеяна гранулами (зернышками). Второй вид ЭПС – агранулярная, то есть гладкая. Гранами являются рибосомы. Любопытно, что в основном гранулярная ЭПС наблюдается в клетках зародышей животных, тогда как у взрослых форм она обычно агранулярная. Как известно, рибосомы являются местом синтеза белка в цитоплазме. Исходя из этого, можно сделать предположение, что гранулярная ЭПС бывает преимущественно в клетках, где происходит активный синтез белка. Агранулярная сеть, как считается, представлена в основном в тех клетках, где протекает активный синтез липидов, то есть жиров и различных жироподобных веществ.
И тот и другой вид ЭПС не просто принимает участие в синтезе органических веществ. Здесь эти вещества накапливаются, а также транспортируются к необходимым местам. ЭПС также регулирует обмен веществ, который происходит между окружающей средой и клеткой.
Рибосомы
Это клеточные немембранные органоиды. Они состоят из белка и рибонуклеиновой кислоты. Эти части клетки до сих пор не до конца изучены с точки зрения внутреннего строения. В электронном микроскопе рибосомы выглядят как грибовидные или округлые гранулы. Каждая из них разделена на маленькую и большую части (субъединицы) с помощью желобка. Несколько рибосом часто объединяются нитью особой РНК (рибонуклеиновой кислоты), называемой и-РНК (информационной). Благодаря этим органоидам из аминокислот синтезируются белковые молекулы.
Комплекс Гольджи
В просветы канальцев и полостей ЭПС поступают продукты биосинтеза. Здесь они концентрируются в особый аппарат, называемый комплексом Гольджи (на рисунке выше обозначен как golgi complex). Этот аппарат находится вблизи ядра. Он принимает участие в переносе продуктов биосинтеза, которые доставляются к поверхности клетки. Также комплекс Гольджи участвует в их выведении из клетки, в образовании лизосом и т. д.
Этот органоид был открыт Камилио Гольджи, итальянским цитологом (годы жизни – 1844-1926). В честь него в 1898 году он был назван аппаратом (комплексом) Гольджи. Выработанные в рибосомах белки поступают в этот органоид. Когда они нужны какому-то другому органоиду, отделяется часть аппарата Гольджи. Таким образом, белок транспортируется в требуемое место.
Лизосомы
Рассказывая о том, как выглядят клетки и какие органоиды входят в их состав, необходимо обязательно упомянуть и о лизосомах. Они имеют овальную форму, их окружает однослойная мембрана. В лизосомах имеется набор ферментов, разрушающих белки, липиды, углеводы. Если лизосомная мембрана повреждена, ферменты расщепляют и разрушают содержимое, находящееся внутри клетки. В результате этого она гибнет.
Клеточный центр
Он имеется в клетках, которые способны делиться. Клеточный центр состоит из двух центриолей (палочковидных телец). Находясь возле комплекса Гольджи и ядра, он участвует в формировании веретена деления, в процессе деления клетки.
Митохондрии
К энергетическим органоидам относятся митохондрии (на фото выше) и хлоропласты. Митохондрии – это своеобразные энергетические станции каждой клетки. Именно в них извлекается энергия из питательных веществ. Митохондрии имеют изменчивую форму, однако чаще всего это гранулы или нити. Число и размеры их непостоянны. Это зависит от того, какова функциональная активность той или иной клетки.
Если рассмотреть электронную микрофотографию, можно заметить, что митохондрии имеют две мембраны: внутреннюю и наружную. Внутренняя образует выросты (кристы), устланные ферментами. Благодаря наличию крист общая поверхность митохондрий увеличивается. Это важно для того, чтобы деятельность ферментов протекала активно.
В митохондриях ученые обнаружили специфические рибосомы и ДНК. Это позволяет этим органоидам самостоятельно размножаться в процессе деления клетки.
Хлоропласты
Что касается хлоропластов, то по форме это диск или шар, имеющий двойную оболочку (внутреннюю и наружную). Внутри этого органоида также имеются рибосомы, ДНК и граны - особые мембранные образования, связанные как с внутренней мембраной, так и между собой. Хлорофилл находится именно в мембранах гран. Благодаря ему энергия солнечного света превращается в химическую энергию аденозинтрифосфат (АТФ). В хлоропластах она используется для синтеза углеводов (образуются из воды и углекислого газа).
Согласитесь, представленную выше информацию нужно знать не только для того, чтобы сдать тест по биологии. Клетка - это строительный материал, из которого состоит наш организм. Да и вся живая природа - сложная совокупность клеток. Как вы видите, в них выделяется множество составных частей. На первый взгляд может показаться, что изучить строение клетки - непростая задача. Однако если разобраться, эта тема не так уж и сложна. Ее необходимо знать, чтобы хорошо разбираться в такой науке, как биология. Состав клетки - одна из основополагающих ее тем.
fb.ru
