10.2: Дивлячись вперед
- Page ID
- 4290
Ближче до кінця двадцятого століття нові методи стали змінювати обличчя біохімії. Запуск проекту «Геном людини» та розробка більш швидких і дешевих технологій секвенування забезпечили біохімікам цілі послідовності геному не тільки людини, але й численних інших організмів. Були створені величезні бази даних для роботи з обсягом послідовності інформації, що генерується різними проектами геному. Комп'ютерні програми каталогізували та аналізували ці послідовності, маючи сенс у величезній кількості даних.
Білкові кодуючі області геномів можуть бути ідентифіковані та перекладені «in silico», щоб вивести амінокислотну послідовність закодованих поліпептидів. Можна проводити порівняння між послідовностями генів різних організмів. Паралельно з ростом інформації про послідовність визначали все більше білкових структур за допомогою рентгенівської кристалографії та ЯМР-спектроскопії. Ці структури теж були внесені в бази даних, щоб бути доступними для всіх вчених.
Накопичення величезної кількості інформації про послідовність та структуру йшло рука об руку з новими та амбітними цілями біохімії. Сучасні біотехнологічні методики надали інструменти для вивчення біохімії абсолютно новими способами. Старі способи поділу і завоювання для вивчення окремих реакцій зараз доповнюються підходами, які дозволяють дослідникам вивчати клітинну біохімію в повному обсязі.
Ці галузі досліджень, які в сукупності часто називають «-омікою», включають геноміку (вивчення всієї ДНК клітини), протеоміку (вивчення всіх білків клітини), транскриптоміку (вивчення всіх продуктів трансципції клітини) та метаболоміку (вивчення всіх метаболічних реакцій осередок), серед інших. Як приклад розглянемо протеоміку. Область протеоміки стосується всіх білків клітини. Оскільки білки є «робочими конячками» клітин, знання того, які з них виробляються в будь-який момент часу, дає нам огляд всього, що відбувається в клітині за певних умов.
Як проводиться такий аналіз? По-перше, один витягує всі білки з даного типу клітин (печінки, наприклад). Далі білки відокремлюються двоступеневим гелевим методом, де перший етап розчиняє білки на основі їх заряду, а другий відокремлює їх по масі. Продукт цього аналізу - єдиний гель (званий 2-D гелем), на якому були відокремлені всі білки. У ліво-правій орієнтації вони відрізняються оригінальним зарядом і орієнтацією вгору/вниз, відрізняються своїми розмірами.
Використовуючи таку методику, цілих 6000 клітинних білків можна відокремити і візуалізувати у вигляді плям на одному гелі. Роботизовані методи дозволяють висічення окремих плям і аналіз на мас-спектрометрах для виявлення кожного білка, присутнього в оригінальному екстракті.
Чому це корисно? Існує кілька способів, за допомогою яких ця інформація може висвітлюватися. Наприклад, порівнюючи білки в нормальній клітині печінки з тими, що знаходяться в раковій клітині печінки, можна швидко визначити, чи є якісь білки, які виражені або відсутні тільки в ракових клітині. Ці відмінності між нормальними та раковими клітинами можуть дати підказки до механізмів, за допомогою яких рак виник, або запропонувати способи лікування раку. Або ж аналіз може бути зроблений на клітині, щоб дізнатися про наслідки лікування гормоном або наркотиками. Порівняння білків, виявлених у необроблених та оброблених клітині, дасть глобальне уявлення про зміни білка, що виникають в результаті лікування.
Подібні аналізи можуть бути виконані на мРНК клітин, використовуючи пристрої, звані мікромасивами. У цьому випадку всі РНК, які виробляються під час виготовлення клітинного екстракту, можуть бути ідентифіковані за сигналами, що генеруються, коли РНК гібридизуються з олігонуклеотидами, що доповнюють їх послідовність, які іммобілізуються в упорядкованих масивах на поверхні пластини. Положення і сила цих сигналів вказує, які РНК зроблені і в яких кількостях.
Методи протеоміки та транскриптоміки разом з іншими підходами «глобального погляду» молекул, таких як ліпіди, вуглеводи тощо, дозволяють біохімікам вперше мати «загальну картину» уявлення про діяльність клітин. Хоча ці методи вже дали цінні нові уявлення, вони все ще неповні, як опис того, що відбувається в клітині. Це тому, що вони надають нам знімок, який фіксує те, що відбувається в клітині в той момент, коли вони були порушені, щоб зробити витяг. Але клітини не є статичними сутностями. У кожен момент вони адаптують свою діяльність у відповідь на зміну поєднань внутрішніх і зовнішніх умов. Зміни у відповідь на будь-який один сигнал модифікуються і in.uenced будь-якою іншою умовою, всередині і поза клітиною, і зрозуміти ці складні системи як інтегроване ціле - це новий святий Грааль біохімії.
Мета полягає в тому, щоб розробити моделі, які зображують ці динамічні взаємодії всередині клітин, і зрозуміти, як такі взаємодії породжують властивості та поведінку, які ми спостерігаємо. Це мета нової галузі системної біології, яка будує математичні моделі та моделювання на основі великих наборів даних, що генеруються транскриптомними, протеомними та іншими методами широкого діапазону. Системна біологія дійсно міждисциплінарне підприємство, малюючи, як це робить на математиці та інформатиці стільки ж, скільки традиційна «стендова біохімія». Хоча оригінальні лабораторні методи біохімії аж ніяк не застаріли, вони більше не будуть єдиними інструментами, які використовуються для розуміння того, що відбувається всередині клітин.
Ці нові підходи вже призводять до додатків, які мають величезну цінність. Розуміння різниці на рівні системи між нормальними та хворими клітинами може призвести до серйозних змін у способі виявлення, лікування або взагалі запобігання захворювань.
Один недавній тріумф системної біології був у інтригуючому відкритті про те, як працюють антибіотичні препарати. Дослідження на системному рівні багатьох класів антибіотиків показали, що незалежно від того, як ми думаємо, що вони працюють для знищення бактерій, всі препарати, здається, мають загальний ефект - підвищення рівня окислювального пошкодження, що призводить до загибелі клітин. Це спостереження припускало, що потенція антибіотиків може бути посилена шляхом блокування реакцій бактерій, які захищають від пошкодження окисленням. Ця ідея була перевірена шляхом скринінгу великої кількості сполук на здатність пригнічувати шлях, який бактерії використовують для відновлення своєї пошкодженої окисленням ДНК. На цьому екрані вийшло кілька з'єднань, кращі з яких змогли збільшити ефективність препарату гентаміцин приблизно в тисячу разів. Такі сполуки будуть мати все більшу цінність у світі, де резистентність до антибіотиків зростає.
Ще одне застосування системної біології полягає в розробці більш ефективних вакцин. До недавнього часу більшість вакцин були розроблені з невеликим розумінням того, як саме вони стимулюють імунну відповідь. Оскільки підходи до системної біології дають нам краще зрозуміти зміни, які вакцини призводять до опосередкування імунітету, можна буде визначити закономірності, які характеризують сильніші імунні реакції або побічні реакції на вакцини, і навіть передбачити, наскільки добре конкретні вакцини можуть працювати в конкретних популяції або особини. Аналогічним чином, дослідження на системному рівні можуть допомогти визначити, які препарати можуть бути найбільш ефективними, з найменшою кількістю побічних ефектів, для даного пацієнта, що призводить до нової ери персоналізованої медицини.
Пов'язана з системною біологією, і сильно залежить від неї, синтетична біологія, яка має на меті використовувати знання, отримані від перших, для розробки нових біологічних систем і шляхів. Оскільки технологія зараз існує для синтезу надзвичайно довгих шматків ДНК, цілі геноми можуть бути зроблені синтетично і використані для програмування клітин, в які вони вставляються. Це також дозволяє можливість індивідуального проектування організму для створення певних хімічних сполук за допомогою штучно зібраних шляхів.
Ці методи вже були використані для отримання препарату артемізинін, який використовується для лікування малярії. Шляхи виготовлення попередника артемізиніну був створений шляхом об'єднання метаболічного шляху з дріжджів з частиною іншого, отриманого з рослини Artemisia annua, природного джерела артемізиніну. Аналогічні зусилля ведуться для протипухлинних препаратів, нових ліків, сприятливих сполук тощо Однією з основних цілей є створення організмів, запрограмованих на виготовлення біопалива, яке потенційно може замінити нафту.
Успіхи систем та синтетичної біології навіть у зародковому віці обіцяють великий прогрес як у нашому розумінні живих систем, так і в додатках, що виникають з цих знань. Наступні п'ятдесят років в біологічних дослідженнях цілком можуть затьмарити навіть дивовижні досягнення останніх. Практика медицини буде трансформуватися. Регенеративна медицина покращиться, оскільки краще знання стовбурових клітин дозволяє нам ефективніше використовувати їх для заміни серцевого м'яза, втраченого при інфаркті, нейронів, пошкоджених при хворобі Паркінсона або Альцгеймера, або навіть для відновлення кінцівок, втрачених в аваріях або війні. Лікування наших захворювань може бути підібрано, щоб бути оптимальним для кожної людини. Біопаливо може врятувати нас, коли запаси нафти закінчуються, а інженерні організми можуть допомогти очистити забруднену планету. І дослідження довголіття можуть дати нам найкращий подарунок усіх життів, що тривають досить довго, щоб засвідчити ці досягнення та брати участь у створенні нового та кращого світу.