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

http://distributed.org.ua/index.php?go=Pages&in=view&id=16

Генетическая Революция

Автор: Макс Арбалет

Помните фильм "Матрица"? Тогда тем более вспомните сцену, когда за секунды в память Киану Ривза загружаются такие себе "драйвера" - боевые приемы одного из видов восточных единоборств. Не обещаю вам настолько же полезные байты информации, но кое-что интересное из передовых генетических исследований обязательно вас заинтересует. Разумеется, только в том случае, если дадите загрузить, через оптический вход ваших зрительных нервов :) , те несколько абзацев, которые составляют эту статью.

Что? Вы, говорите, какое отношение генетические исследования могут иметь к распределенным вычислениям?

Самое непосредственное, так как участники, к примеру, нашего проекта Folding@Home помогают изучать сворачивание белков в различных условиях, а поэтому должны знать, что один ген может кодировать до нескольких тысяч белков. Геном же человека состоит из 20-25 тысяч генов, следовательно, протеом (набор белков организма) человека может составлять около миллиона белков. Связь очевидна, а также необходимость объединения получаемых результатов, как нашим проектом, так и другими биологическими исследованиями, в общую картину процессов, происходящих во множестве систем человеческого организма.

Раз уж речь зашла о генах, то придется получить общее представление о сравнительно новой биологической науке - геномике. Ну, хотя бы затем, чтобы поразить наших верных подруг интересной темой для разговора в один из многообещающих романтических вечеров. :)

Итак, ГЕНОМИКА - это раздел биологии, занимающийся изучением геномов и функций составляющих их генов, отдельно и в комплексе определяющих структуру, развитие и регуляцию биологических процессов. Существует две ветви этого направления: структурная геномика и функциональная геномика.

Структурная геномика занимается созданием и сравнением различных типов геномных карт, крупномасштабным секвенированием (т.е. определением последовательности) ДНК, а также идентификацией, локализацией и составлением характеристик генов. Проект по изучению человеческого генома Human Genome Project и менее известная Программа по изучению растительных геномов (Plant Genome Research Program) являются самыми масштабными исследованиями структурной геномики.

Сегодня уже созданы карты геномов и расшифрованы последовательности ДНК человека, других организмов, в том числе сельскохозяйственных растений, болезнетворных бактерий и вирусов, дрожжей, азотфиксирующих бактерий, малярийного плазмодия и переносящих его комаров, а также микроорганизмов, используемых человеком в промышленных целях. Приведем несколько ярких примеров того, как могут быть использованы расшифрованные геномы в практических целях уже в самое ближайшее время:

Полная реконструкция генома опасного возбудителя внутрибольничной инфекции - штамма бактерий Clostridium difficile, произведенная канадскими учеными, поможет ускорить диагностику инфекции и разработать более эффективные методы ее лечения. Напомним, что в результате вспышки инфекции, порожденной этим микробом, в канадской провинции Квебек погибло более 200 человек. Менее значительные вспышки заболевания были зафиксированы в США и Нидерландах.

Исследователям Сельскохозяйственного института в Сан Микеле ал Адидже (Agricultural Institute of San Michele all'Adige) совместно с американской компанией Myriad Genetics в результате шестилетней работы удалось закончить расшифровку генома винограда Пино Нуар, являющегося одним из наиболее популярных сортов. Полученные данные помогут селекционерам в выведении новых сортов винограда с улучшенными вкусовыми качествами, более устойчивых к паразитам, а также способных легко адаптироваться к условиям различных регионов культивирования. Это, в свою очередь, должно сделать европейскую винную продукцию более конкурентоспособной по сравнению с постепенно захватывающими рынок винами, произведенными в Австралии, Южной Африке и Аргентине.

Чип GeneChip Citrus Genome Array - разработка Калифорнийского университета (Риверсайд) и компании Affymetrix, Inc., может быть использован для улучшения сортов цитрусовых и усовершенствования методов их культивирования. Чип представляет собой пластиковый контейнер, по размеру немного меньше кредитной карточки, в который заключена стеклянная пластина, на которую нанесено около миллиона различных участков ДНК цитрусовых. Чип позволяет проводить анализ более 20 тыс. различных генов и добиваться улучшения качества цитрусовых культур за счет изучения таких характеристик, как очищаемость, отсутствие косточек, аромат, устойчивость к насекомым и заболеваниям и питательные свойства. С его помощью также планируется осуществить полное картирование генома цитрусовых.

Проект масштабного исследования генов хлопка с помощью биочипов, запущенный на Техасской экспериментальной сельскохозяйственной станции, ставит целью изучить генетические эффекты, влияющие на развитие хлопкового волокна. Эти исследования должны научить изменять гены растения для получения новых свойств хлопчатобумажной ткани. Интересно, в каких джинсах мы будем ходить после этого? Светящихся в темноте и краснеющих, когда их пора отдавать в стирку?

Секвенирование генома дафнии (водяной блохи), которая широко используется для мониторинга чистоты водоемов, открывает большие возможности в изучении влияния изменений окружающей среды на генетику организма.

Однако информация о последовательности нуклеотидов гена и его положении в геноме не имеет практического значения, если неизвестно, какие функции выполняет ген, как осуществляется его регуляция и как его активность сказывается на других генах. Этими вопросами занимается функциональная геномика - своего рода "проводник", позволяющий ориентироваться в сложных структурах генома изучаемого организма.

С завершением проекта "Геном человека" связывают особые надежды на рывок в разработке новых методов диагностики наследственных заболеваний, таких как диабет I типа, болезни Альцгеймера и Паркинсона, муковисцидоз и др. Это особенно важно, так как до сегодняшнего дня диагностировать подобные заболевания можно только после появления клинических симптомов. Генетические тесты также могут быть использованы для выявления людей, предрасположенных к различным заболеваниям, в том числе к некоторым видам рака, диабету II типа, астме, остеопорозу, эмфиземе. Представьте насколько можно упростить, а возможно и спасти жизнь людям, входящим в группу риска, если с помощью подобных тестов дать им шанс предотвратить развитие заболеваний.

Как это возможно с практической точки зрения, если проект исследования человеческого генома всего лишь расшифровал последовательность оснований хромосом?

Вот тут то за дело и берется функциональная геномика, ведь для выявления генетической предрасположенности к тому или иному заболеванию необходимо сопоставление многих индивидуальных вариантов структуры генома.

Проекты функциональной геномики, действующие в настоящее время:

ENCODE (ENCyclopedia Of DNA Elements) - проект National Human Genome Research Institute. Задачи проекта: исследование отдельных зон генома для детального мониторинга функций и выявления индивидуальных вариаций.

Human Epigenome Project - проект "Эпигеном" (название в переводе означает "управляющий работой генетического аппарата"). Задача проекта: исследование загадочного процесса метилирования ДНК млекопитающих (этой модификации частично подвергается один из нуклеотидов, цитозин).

Human Variome Project Meeting (Проект по вариабельности человеческого генома) и Genomics Disorders Research Centre (Центр исследования геномных нарушений) одной из основных своих задач считают создание базы данных по всем мутациям человеческих генов. В настоящее время науке известно около ста тысяч разнообразных генных мутаций, однако, по оценкам специалистов, это всего 5% от всех возможных отклонений такого рода. Хотя некоторые из известных генетических мутаций уже внесены в базы данных, но все еще нет глобальных систематических способов сбора и распространения этой информации среди ученых мира. Создание такой базы данных значительно продвинет исследования в области быстрой диагностики и эффективного лечения наследственных заболеваний.

Исследователи из Калифорнийского университета, в свою очередь, занимаются картированием промоторов - регуляторных участков ДНК, обеспечивающих включение или выключение генов. Использовав "ДНК-чипы" от NimbleGen Systems и разработанные в университете изощренные компьютерные алгоритмы, исследователи уже идентифицировали местоположение и структуру 10 тысяч регуляторных участков в клетках соединительной ткани (фибробластах) человека.

Что же это за грандиозная цель, которую поставили перед собой ученые? О чем мечтают врачи всего мира? Какое будущее ожидает нас?

Идея - практический выход на возможность расшифровки ДНК отдельных людей в максимально короткие сроки и за разумную цену.

ДНК у каждого человека разная, и то, что расшифровано сейчас в рамках проекта "Геном человека", - это лишь случайно отобранные у некоторых людей образцы ДНК. Речь идет о врачебном идеале - "лечить не болезнь, а больного", т.е. воплощение мечты о "персонализированной" медицине, когда диагностика и лечение могли бы полностью учитывать генетическую индивидуальность человека. Получив полный генетический профиль конкретного человека, можно сразу будет оценить все его врожденные предрасположенности к тем или иным болезням и точно подстроить медикаментозную терапию под генетические особенности.

Сейчас такой генетический профиль стоит около 1 млн. фунтов. Но, даже обменяв такое астрономическое количество дензнаков на расшифровку своего уникального генетического кода, не рассчитывайте, что уже сейчас сможете воспользоваться всеми преимуществами индивидуальной медицины. Пока что прямая ДНК-диагностика ограничивается несколькими сотнями тестов, касающихся болезней с совершенно очевидной генетической предрасположенностью и требует испытания для идентификации каждого патологического гена. Проще говоря, для полного воплощения в жизнь идеи о "персонализированной" медицине, способной вылечить любые ваши болезни, науке еще необходимо пройти длинный путь исследований и контрольных экспериментов, чем, собственно, вышеперечисленные и гораздо большее число не упомянутых проектов и занимаются в настоящее время.

Но наиболее актуальной сейчас все же считается задача быстрого и доступного определения последовательности (секвенирования) ДНК. Выдаются многочисленные гранты для ускорения наступления радикального прорыва в этой области. Но пока что самый быстрый в мире секвенатор ДНК (устройство для расшифровки генетического кода), смонтированный в центре изучения генома университета Джорджа Вашингтона в Сент-Луисе, работает в 400 раз быстрее прежних моделей со скоростью 800 тысяч нуклеотидов в день. Такой скорости удалось достичь за счет распараллеливания работы, когда одновременно читается несколько сотен фрагментов ДНК. Но даже при такой скорости, на расшифровку, к примеру, 1-й хромосомы человека уйдет 280 суток непрерывной работы, а стоит такой чудо-секвенатор полмиллиона долларов.

Основную надежду на преодоление скоростного и стоимостного барьера связывают с новыми технологиями. Многообещающим может стать новый метод секвенирования, разработанный группой ученых под руководством Массимилиано Ди Вентра (Massimiliano Di Ventra) из университета штата Калифорния (г. Сан-Диего). Метод позволяет секвенировать геном человека в течение нескольких часов и с относительно небольшими финансовыми затратами. Реализована идея измерения помех, возникающих в электрическом поле при прохождении молекулы ДНК через пору, диаметр которой более чем в 1000 раз меньше диаметра человеческого волоса. При этом исключается необходимость разрезания молекулы ДНК на фрагменты, что необходимо для проведения современных методов секвенирования, а, значит, новый метод будет не только быстрее и дешевле, но и гораздо точнее существующих.

Определенные практические шаги в сторону воплощения в жизнь идеи о персонализированной медицине уже делаются и помимо увеличения скорости расшифровки ДНК-кода. Вот несколько примеров:

Корпорация Third Wave Technologies получила разрешение выпустить на рынок новый генетический анализ крови (тест, названный "Захватчик UGT1A1", Invader UGT1A1), который помогает подобрать для каждого пациента строго определенную дозу препарата Camptosar, предназначенного для лечения рака кишечника. Предложенный тест "суммирует" отличия в гене UGT1A1, который вырабатывает фермент, помогающий усвоению лекарств. Различия в гене влияют на то, сколько именно препарата попадает в кровоток. Ведь повышенное содержание лекарства в крови может привести к большому количеству побочных эффектов. В будущем тест может быть модифицирован для назначения больным и других медикаментов.

Исследователи из Детской Больницы Филадельфии и Университета Томаса Джефферсона разработали чип, который обнаруживает генетические симптомы, указывающие на возможность развития детской формы рака нервной системы - нейробластомы. Чип содержит плотно упорядоченную выборку генетического материала, с которой может быть сличен материал образца нейробластомы. Подобная технология может быть использована в будущем при работе с другими раковыми новообразованиями, например детской лейкемией.

Ученым южнокорейского НИИ электроники и телекоммуникаций (ETRI) удалось разработать программу, предназначенную для выявления генов, несущих информацию о некоторых заболеваниях, в том числе раковых. Программа позволяет проводить подробный анализ белков и предсказывать возможные изменения в структуре цепочек ДНК, с высокой точностью определяя "больные" гены. Таким образом, становится теоретически возможной генетическая терапия путем замены участков ДНК, пораженных мутацией.

Подобная методика генетической терапии путем "редактирования" генов для лечения наследственных заболеваний уже тестируется группой Майкла Холмса (Michael Holmes) из Sangamo Biosciences в Ричмонде (Калифорния). В настоящее время применяется метод, основанный на внедрении здоровых генов в дефектные участки ДНК. Но подобная процедура связана с возникновением массы побочных дефектов. Новый метод предполагает другой подход - вместо внедрения генов в клетки применяется коррекция мутации исходного, вызывающего болезнь гена. Начальные эксперименты показали, что удалось восстановить гены приблизительно в 20% пораженных клеток. Пока метод не позволяет лечить клетки непосредственно внутри организма, но их можно брать из организма, восстанавливать и возвращать обратно. Исследователи из Sangamo разрабатывают аналогичную методику и для лечения СПИДа.

Эксперты маркетинговой фирмы Frost & Sullivan считают, что вскоре оборот индустрии генного тестирования превысит $1 млрд. Поэтому неудивительно, что на рынок ДНК-чипов выходят крупные производители электроники. Например, корпорация Canon инвестирует в биотехнологические исследования большие деньги и планирует приступить к массовому производству недорогих чипов для диагностики различных наследственных болезней.

В набирающей обороты ДНК-индустрии находит свою нишу и художники - превращая образцы ДНК клиентов в абстрактное искусство. Генетический код отдельного человека уникален и каждый холст выглядит неповторимо, представляя собой цветной штрихкод - своего рода "портрет" ДНК.

Во многих странах производится сбор геномных образцов нарушителей закона, чтобы облегчить поиск и получить доказательства вины в сложных и запутанных случаях. Предпринимаются попытки создания национальных банков геномных образцов всего населения, что облегчило бы процедуры идентификации личности в различных ситуациях. О генетических исследованиях на предмет отцовства даже не упоминаю - технология отработана до автоматизма.

Биологи также надеются выполнить исчерпывающую классификацию животных и растений, путем сопоставления каждому виду характерного для него фрагмента генома. Речь идет не о полной расшифровке генома, а о создании генетических штрих-кодов, по которым можно было бы определить любой вид. Это значительно облегчит выявление новых биологических видов, ведь "традиционное" исследование межвидовых различий требует много времени и специальных знаний. Сейчас науке известно 1,5 миллиона видов животных и 0,5 миллиона - растений. По некоторым оценкам, число неизученных видов больше в 4-5 раз. Пилотный проект подобного рода называется Barcode of Life ("штрих-код жизни"), в котором участвуют около 50 исследователей из 25 стран.

Слышите, будущее уже стучится в наши двери! Закатают ли каждому на болванку его уникальный генетический код? Успеем ли насладиться всеми преимуществами индивидуальной медицины? Будут ли наши дети или внуки бессмертными? Посмотрим! Не скоро и не сразу, но генетическая революция перевернет жизнь каждого!

Статья подготовлена по материалам Интернет-журнала "Коммерческая биотехнология"

| 11.07.2006 13:42