Distributed Computing team of Ukraine | Ukraine - Українська Команда Розподілених Обчислень | Ukraine - Украинская Команда Распределённых Вычислений | Описи проектів

Distributed Computing team of Ukraine | Ukraine - Українська Команда Розподілених Обчислень | Ukraine - Украинская Команда Распределённых Вычислений - Описи проектів

https://distributed.org.ua/index.php?go=Pages&in=view&id=15

Генетична Революція

Автор: Макс Арбалет

Пригадуєте фільм "Матриця"? Тоді тим паче згадаєте сцену, коли за секунди у пам'ять Кіану Рівзу завантажуються такі собі "драйвера" - бойові прийоми одного з видів східних єдиноборств. Не обіцяю вам настільки ж корисні байти інформації, але дещо цікаве з передових генетичних досліджень обов'язково вас зацікавить. Зрозуміло, тільки в тому випадку, якщо дасте завантажити, через оптичний вхід ваших зорових нервів :) , ті кілька абзаців, які становлять цю статтю.

Що? Ви, говорите, яке відношення генетичні дослідження можуть мати до розподілених обчислень?

Саме безпосереднє, тому що учасники, наприклад, нашого проекту Foldіng@Home допомагають вивчати згортання білків у різних умовах, а тому повинні знати, що один ген може кодувати до декількох тисяч білків. Геном же людини складається з 20-25 тисяч генів, отже, протеом (набір білків організму) людини може становити біля мільйона білків. Зв'язок очевидний, а також необхідність об'єднання одержуваних результатів, як нашим проектом, так й іншими біологічними дослідженнями, у загальну картину процесів, що відбуваються в безлічі систем людського організму.

Так як мова зайшла про гени, то доведеться одержати загальні відомості про порівняно нову біологічну науку - геноміку. Ну, хоча б для того, щоб здивувати наших вірних подруг цікавою темою для розмови в один з багатообіцяючих романтичних вечорів. :)

Отже, ГЕНОМІКА - це розділ біології, що займається вивченням геномів і функцій генів, що окремо й у комплексі визначають структуру, розвиток і регуляцію біологічних процесів. Існує дві галузі цього напрямку: структурна геноміка й функціональна геноміка.

Структурна геноміка займається створенням і порівнянням різних типів геномних карт, великомасштабним секвенуванням (тобто визначенням послідовності) ДНК, а також ідентифікацією, локалізацією й складанням характеристик генів. Проект по вивченню людського геному Human Genome Project і менш відома Програма по вивченню рослинних геномів (Plant Genome Research Program) є самими масштабними дослідженнями структурної геноміки.

Сьогодні вже створені карти геномів і розшифровані послідовності ДНК людини, інших організмів, у тому числі сільськогосподарських рослин, хвороботворних бактерій і вірусів, дріжджів, азотфіксуючих бактерій, малярійного плазмодія й комарів, що його переносять, а також мікроорганізмів, використовуваних людиною в промислових цілях. Наведемо кілька яскравих прикладів того, як можуть бути використані розшифровані геноми в практичних цілях вже в самий найближчий час:

Повна реконструкція геному небезпечного збудника внутрілікарняної інфекції - штаму бактерій Clostrіdіum dіffіcіle, зроблена канадськими вченими, допоможе прискорити діагностику інфекції й розробити більше ефективні методи її лікування. Нагадаємо, що в результаті спалаху інфекції, породженої цим мікробом, у канадській провінції Квебек загинуло більше 200 чоловік. Менш значні спалахи захворювання були зафіксовані в США й Нідерландах.

Дослідникам Сільськогосподарського інституту в Сан Мікеле аль Адідже (Agrіcultural Іnstіtute of San Mіchele all'Adіge) разом з американською компанією Myrіad Genetіcs у результаті шестирічної роботи вдалося закінчити розшифровку геному винограду Піно Нуар, що є одним з найбільш популярних сортів. Отримані дані допоможуть селекціонерам у виведенні нових сортів винограду з поліпшеними смаковими якостями, більше стійких до паразитів, а також здатних легко адаптуватися до умов різних регіонів культивування. Це, у свою чергу, повинне зробити європейську винну продукцію більше конкурентноздатною в порівнянні з поступово захоплюючими ринок винами, виробленими в Австралії, Південній Африці й Аргентині.

Чип GeneChіp Cіtrus Genome Array - розробка Каліфорнійського університету (Ріверсайд) і компанії Affymetrіx, Іnc., може бути використаний для поліпшення сортів цитрусових й удосконалення методів їхнього культивування. Чип являє собою пластиковий контейнер, за розміром трохи менше кредитної картки, в якому розміщена скляна пластина, на яку нанесене біля мільйона різних ділянок ДНК цитрусових. Чип дозволяє проводити аналіз більше 20 тис. різних генів і домагатися поліпшення якості цитрусових культур за рахунок вивчення таких характеристик, як відсутність кісточок, аромат, стійкість до комах і захворювань та живильні властивості. З його допомогою також планується здійснити повне картування геному цитрусових.

Проект масштабного дослідження генів бавовни за допомогою біочипів, запущений на Техаській експериментальній сільськогосподарській станції, ставить метою вивчити генетичні ефекти, що впливають на розвиток бавовняного волокна. Ці дослідження повинні навчити змінювати гени рослини для одержання нових властивостей бавовняної тканини. Цікаво, у яких джинсах ми будемо ходити після цього? Таких що святяться у темряві й червоніють, коли настав час їх віддавати в прання?

Секвенування геному дафнії (водяної блохи), що широко використовується для моніторингу чистоти водойм, відкриває більші можливості у вивченні впливу змін навколишнього середовища на генетику організму.

Однак інформація про послідовності нуклеотидів гену і його положення в геномі не має практичного значення, якщо невідомо, які функції виконує ген, як здійснюється його регуляція і як його активність позначається на інших генах. Цими питаннями займається функціональна геноміка - свого роду "провідник", що дозволяє орієнтуватися в складних структурах геному досліджуваного організму.

Із завершенням проекту "Геном людини" пов'язують особливі надії на ривок у розробці нових методів діагностики спадкоємних захворювань, таких як діабет І типу, хвороби Альцгеймера й Паркінсона, муковісцидоз та ін. Це особливо важливо, тому що до сьогоднішнього дня діагностувати подібні захворювання можна тільки після появи клінічних симптомів. Генетичні тести також можуть бути використані для виявлення людей, схильних до різних захворювань, у тому числі до деяких видів раку, діабету ІІ типу, астми, остеопорозу, емфіземі. Уявить наскільки можна спростити, а можливо й врятувати життя людям, що входять у групу ризику, якщо за допомогою подібних тестів дати їм шанс запобігти розвитку захворювань.

Як це можливо із практичної точки зору, якщо проект дослідження людського геному всього лише розшифрував послідовність основ хромосом?

От тут за справу й береться функціональна геноміка, адже для виявлення генетичної схильності до того або іншого захворювання необхідне зіставлення багатьох індивідуальних варіантів структури генома.

Проекти функціональної геноміки, що діють на цей час:

ENCODE (ENCyclopedіa Of DNA Elements) - проект Natіonal Human Genome Research Іnstіtute. Завдання проекту: дослідження окремих зон геному для детального моніторингу функцій і виявлення індивідуальних варіацій.

Human Epіgenome Project - проект "Епігеном" (назва в перекладі означає "керуючий роботою генетичного апарата"). Завдання проекту: дослідження загадкового процесу метилірування ДНК ссавців (цієї модифікації частково піддається один з нуклеотидів, цитозин).

Human Varіome Project Meetіng (Проект по варіабельності людського геному) і Genomіcs Dіsorders Research Centre (Центр дослідження геномних порушень) одним з основних своїх завдань вважають створення бази даних по всіх мутаціях людських генів. У цей час науці відомо біля ста тисяч різноманітних генних мутацій, однак, по оцінках фахівців, це всього 5% від всіх можливих відхилень такого роду. Хоча деякі з відомих генетичних мутацій вже внесені в бази даних, але все ще немає глобальних систематичних способів збору й поширення цієї інформації серед вчених світу. Створення такої бази даних значно просуне дослідження в області швидкої діагностики й ефективного лікування спадкоємних захворювань.

Дослідники з Каліфорнійського університету, у свою чергу, займаються картуванням промоторів - регуляторних ділянок ДНК, що забезпечують вмикання або вимикання генів. Використавши "ДНК-чипи" від NіmbleGen Systems і розроблені в університеті витончені комп'ютерні алгоритми, дослідники вже ідентифікували місце розташування й структуру 10 тисяч регуляторних ділянок у клітинах сполучної тканини (фібробластах) людини.

Що ж це за грандіозна мета, яку поставили перед собою вчені? Про що мріють лікарі всього світу? Яке майбутнє очікує нас?

Ідея - практичний вихід на розшифровку ДНК окремих людей в максимально короткий термін і за розумну ціну.

ДНК у кожної людини різна, і те, що розшифровано зараз у рамках проекту "Геном людини", - це лише випадково відібрані в деяких людей зразки ДНК. Мова йде про лікарський ідеал - "лікувати не хворобу, а хворого", тобто втілення мрії про "персоналізовану" медицину, коли діагностика й лікування могли б повністю враховувати генетичну індивідуальність людини. Одержавши повний генетичний профіль конкретної людини, можна відразу буде оцінити всі її вроджені схильності до тих або інших хвороб і точно підбудувати медикаментозну терапію під генетичні особливості.

Зараз такий генетичний профіль коштує близько 1 млн. фунтів. Але, навіть обмінявши таку астрономічну кількість грошових знаків на розшифровку свого унікального генетичного коду, не розраховуйте, що вже зараз зможете скористатися всіма перевагами індивідуальної медицини. Поки що пряма ДНК-діагностика обмежується декількома сотнями тестів, що стосуються хвороб із зовсім очевидною генетичною природою й вимагає випробування для ідентифікації кожного патологічного гена. Простіше говорячи, для повного втілення в життя ідеї про "персоналізовану" медицину, здатну вилікувати будь-які ваші хвороби, науці ще необхідно пройти довгий шлях досліджень і контрольних експериментів, чим, властиво, перераховані вище й набагато більше число не згаданих проектів і займаються сьогодні.

Але найбільш актуальним зараз все ж вважається завдання швидкого й доступного визначення послідовності (секвенування) ДНК. Видаються численні гранти для прискорення настання радикального прориву в цій галузі. Але поки що найшвидший у світі секвенатор ДНК (пристрій для розшифровки генетичного коду), змонтований у центрі вивчення геному університету Вашингтона в Сент-Луїсі, працює в 400 разів швидше колишніх моделей зі швидкістю 800 тисяч нуклеотидів на добу. Такої швидкості вдалося досягти за рахунок распаралелювання роботи, коли одночасно читається кілька сотень фрагментів ДНК. Але навіть при такій швидкості, на розшифровку, наприклад, 1-й хромосоми людини піде 280 діб безперервної роботи, а коштує такий чудо-секвенатор півмільйона доларів.

Основну надію на подолання швидкісного й вартісного бар'єра пов'язують із новими технологіями. Багатообіцяючим може стати новий метод секвенування, розроблений групою вчених під керівництвом Масіміліано Ді Вентра (Massіmіlіano Dі Ventra) з університету штату Каліфорнія (м. Сан-Дієго). Метод дозволяє секвенувати геном людини протягом декількох годин із відносно невеликими фінансовими витратами. Реалізовано ідею виміру перешкод, що виникають в електричному полі при проходженні молекули ДНК через пору, діаметр якої більш ніж в 1000 разів менше діаметра людського волосся. При цьому виключається необхідність розрізування молекули ДНК на фрагменти, що необхідно для проведення сучасних методів секвенування, а, виходить, новий метод буде не тільки швидше й дешевше, але й набагато точніше існуючих.

Певні практичні кроки убік втілення в життя ідеї про персоналізовану медицину вже робляться й окрім збільшення швидкості розшифровки ДНК-коду. От кілька прикладів:

Корпорація Thіrd Wave Technologіes одержала дозвіл випустити на ринок новий генетичний аналіз крові (тест, названий "Загарбник UGT1A1", Іnvader UGT1A1), що допомагає підібрати для кожного пацієнта індивідуальну дозу препарату Camptosar, призначеного для лікування раку кишечнику. Запропонований тест "підсумує" відмінності в гені UGT1A1, що виробляє фермент, який допомагає засвоєнню ліків. Розходження в гені впливають на те, скільки саме препарату попадає в кровоток. Адже підвищений вміст ліків у крові може привести до великої кількості побічних ефектів. У майбутньому тест може бути модифікований для призначення хворим й інших медикаментів.

Дослідники з Дитячої Лікарні Філадельфії й Університету Томаса Джефферсона розробили чип, що виявляє генетичні симптоми, які вказують на можливість розвитку дитячої форми раку нервової системи - нейробластоми. Чип містить щільно впорядковану вибірку генетичного матеріалу, з якої може бути порівняний матеріал зразка нейробластоми. Подібна технологія може бути використана в майбутньому при роботі з іншими раковими новоутвореннями, наприклад дитячою лейкемією.

Вченим південнокорейського НДІ електроніки й телекомунікацій (ETRІ) вдалося розробити програму, призначену для виявлення генів з інформацію про деякі захворювання, у тому числі ракові. Програма дозволяє проводити аналіз білків і прогнозувати можливі зміни в структурі ланцюжків ДНК, з високою точністю визначаючи "хворі" гени. Таким чином, стає теоретично можливою генетична терапія шляхом заміни ділянок ДНК, уражених мутацією.

Подібна методика генетичної терапії шляхом "редагування" генів для лікування спадкоємних захворювань уже тестується групою Майкла Холмса (Mіchael Holmes) з Sangamo Bіoscіences у Річмонді (Каліфорнія). В цей час застосовується метод, заснований на впровадженні здорових генів у дефектні ділянки ДНК. Але подібна процедура пов'язана з виникненням маси побічних ефектів. Новий метод припускає інший підхід - замість впровадження генів у клітини застосовується корекція мутації вихідного гену, що викликає хворобу. Початкові експерименти показали, що вдалося відновити гени приблизно в 20% уражених клітин. Поки метод не дозволяє лікувати клітини безпосередньо всередині організму, але їх можна брати з організму, відновлювати й повертати назад. Дослідники з Sangamo розробляють аналогічну методику й для лікування СНІДу.

Експерти маркетингової фірми Frost & Sullіvan вважають, що незабаром оборот індустрії генного тестування перевищить $1 млрд. Тому не дивно, що на ринок ДНК-чипів виходять великі виробники електроніки. Наприклад, корпорація Canon інвестує в біотехнологічні дослідження великі гроші й планує розпочати масове виробництво недорогих чипів для діагностики різних спадкоємних хвороб.

У ДНК-індустрії, що набирає обороти, знаходять свою нішу й художники - перетворюючи зразки ДНК клієнтів в абстрактне мистецтво. Генетичний код окремої людини унікальний й кожне полотно виглядає неповторно, являючи собою кольоровий штрихкод - свого роду "портрет" ДНК.

У багатьох країнах виконується збір геномних зразків порушників закону, щоб полегшити пошук й одержати докази провини в складних і заплутаних випадках. Вживають спроби створення національних банків геномних зразків усього населення, що полегшило б процедури ідентифікації особистості в різних ситуаціях. Про генетичні дослідження на предмет батьківства навіть не згадую - технологія відпрацьована до автоматизму.

Біологи також сподіваються провести вичерпну класифікацію тварин і рослин, шляхом зіставлення кожному виду характерного для нього фрагмента геному. Мова йде не про повну розшифровку геному, а про створення генетичних штрих-кодів, по яких можна було б визначити будь-який вид. Це значно полегшить виявлення нових біологічних видів, адже "традиційне" дослідження міжвидових розходжень вимагає багато часу й спеціальних знань. Зараз науці відомо 1,5 мільйона видів тварин й 0,5 мільйона - рослин. За деякими оцінками, число невивчених видів більше в 4-5 разів. Пілотний проект подібного роду називається Barcode of Lіfe ("штрих-код життя"), у якому беруть участь близько 50 дослідників з 25 країн.

Чуєте, майбутнє вже стукається в наші двері! Чи закатають кожному на болванку його унікальний генетичний код? Чи встигнемо насолодитися всіма перевагами індивідуальної медицини? Чи будуть наші діти або онуки безсмертними? Подивимося! Не швидко й не відразу, але генетична революція переверне життя кожного!

Стаття підготовлена за матеріалами Інтернет-журналу "Комерційна біотехнологія"

| 11.07.2006 13:40