Популярна генетика: про математичні здібності Менделя та супермуху

Популяризація науки серед пересічних українців в останні кілька років стала позитивним трендом. Про те, що наука — це щонайменше цікаво, кожен охочий може переконатися на відкритих лекціях, наукових пікніках, днях науки... Це не лише підвищує інтерес наших співгромадян до проведених в Україні досліджень, а й змушує звернути на них увагу держави, яка виділяє на науку лише 0,3% ВВП (для порівняння: в розвинутих країнах — 2% ВВП, а світова практика показує, що за фінансування нижче 0,5% ВВП наука в країні починає деградувати, розумні люди їдуть, а наукові групи розпадаються).

Ця стаття про генетику — напевно, одну з найбільш цікавих і суперечливих наук, якій була уготована нелегка доля. Свого часу її охрестили буржуазною, а в період культу Сталіна ця наука і зовсім заборонялася й переслідувалася. Досягнення сучасної генетики, як то: трансгенний інсулін, успіхи у збереженні рідкісних тварин і рослин, боротьба з голодом і хворобами — результат довгого й тернистого шляху.

Олександр Коляда — молодий вчений, генетик, науковий співробітник лабораторії епігенетики Інституту геронтології НАМН, який вміє розповісти про те, чим займається, не тільки легко й доступно, але і з гумором. Популяризувати генетику йому з успіхом вдається на особистій сторінці в Facebook, а також на зустрічах із широкою публікою. «Ракурс» побував на одній із таких лекцій, дві години якої пролетіли непомітно, а зацікавлені слухачі довго не відпускали спікера попри пізній час. Отже, читайте в першій частині статті про передісторію генетики, відмінні математичні здібності Менделя і ненудні дослідження на мухах-дрозофілах.

— Люди завжди хотіли знати, чому діти схожі на батьків, особини одного виду більш-менш схожі одне з одним, а різних видів — ні. До середини XIX століття було дві теорії. Згідно з першою, вся будова наших тіл вже закладена в статевих клітинах у вигляді такої собі матрьошки — ця точка зору отримала назву преформізм. В основі преформізму лежали метафізичні уявлення про те, що ніякого розвитку, по суті, немає, а відбувається лише збільшення існуючих частин організму (поява каліцтв пояснювалася тим, що перед заплідненням яйцеклітини між сперматозоїдами відбуваються «бійки» та деякі зародки при цьому позбавляються окремих частин свого тіла. — Ред.)

Треба зауважити, що сперматозоїди стали одним із перших об'єктів для дослідження після винаходу мікроскопа. Під мікроскопом у сперматозоїді «побачили» згорнутих маленьких чоловічків, і після цього років тридцять вважали стандартною істиною, що в чоловічих статевих клітинах (або жіночих — про це теж сперечалися) є якийсь чоловічок, якому тільки потрібен імпульс для розвитку.

Існував ще один погляд, що прийшов зі Стародавньої Греції: кожна частина нашого тіла виділяє якусь речовину, яка проникає у статеві шляхи і там дає основу всього іншого. Схожість із батьками пояснювалася так: якщо ваша печінка працювала погано — у дитини буде маленька печінка, якщо у вас добре розвинений мозок і його елементи потрапили у сперматозоїди — дитина теж буде розвиненою. Ця теорія, яку назвали епігенетичною, для свого часу була прогресивною, оскільки на противагу преформізму просувала ідею розвитку.

Наприкінці XIX століття Чарльз Дарвін, який подорожував світом, помітив одну річ, якою і закінчилася передісторія генетики: види в природі, швидше за все, не стаціонарні. Все, що навколо нас, не було таким завжди, з'явилося з більш примітивних організмів, людина в тому числі. Дарвін дійшов висновку і обґрунтував ідею про те, що всі види живих організмів еволюціонують у часі і походять від спільних предків. Ця ідея на той час була пафосною і неприйнятною — все не просто успадковується, але й видозмінюється. Тобто кожне нове покоління може бути не схоже на попереднє.

В цей час вийшла стаття Грегора Менделя (закони якого знайомі кожному з нас ще зі школи) у вигляді невеличкої брошури під назвою «Досліди над рослинними гібридами», в якій він описував свої досліди з горохом. Дарвін читав цю роботу, робив навіть позначки, однак не зміг її переосмислити, що в подальшому дуже загальмувало розвиток і генетики, і еволюції років на 70.

До речі, про Менделя. Він був трієчником, все життя мріяв стати математиком, проте йому бракувало грошей поступити на математичний факультет. Він пішов на біологічний, звідки його досить швидко виключили. Мендель пішов у ченці, був скарбником монастиря під Брно (Чехія). Напевно, вільного часу він мав удосталь, і, швидше за все, був атеїстом (про це він писав). У дворі монастиря Мендель починає вирощувати горох, над яким проводить експерименти. Горох має різні ознаки: він може бути жовтим або зеленим, гладким або зморшкуватим. Мендель схрещував горох і рахував, що виходило в першому і наступних поколіннях. Не секрет, що подібні експерименти робили неодноразово і до Менделя. Культивація пшениці, наприклад, почалася приблизно в VI столітті до н. е. — єгиптяни знали, що пшениця має різні ознаки, відбирали їх. Однак ніхто до Менделя не додумався порахувати, як це відбувається. Навіть Дарвін, схрещуючи різновиди лев'ячого зіва, відмінні за структурою квітки, отримав у другому поколінні співвідношення форм, близьке до відомого менделівського розщеплення 3:1, але побачив у цьому лише «примхливу гру сил спадковості».

Мендель показав, що деякі спадкові задатки не змішуються, а передаються від батьків до нащадків у вигляді дискретних (відособлених) одиниць. Сформульовані ним закономірності успадкування пізніше отримали назву законів Менделя. Зі школи ми пам'ятаємо перший закон Менделя про одноманітність першого покоління: якщо схрестити горох двох різних кольорів і форми, то в першому поколінні весь горох виходить однієї форми й кольору. Якщо отримати від схрещування першого покоління в другому поколінні, ми отримуємо велику різноманітність фенотипів, тобто приховані гени, які в першому поколінні «зникли», у другому проявляються.

Хочу зауважити, що експеримент Менделя був вдалим з кількох причин. По-перше, йому пощастило з об'єктом. Горох — одна з небагатьох рослин, з якою можна було провести цей експеримент. По-друге, вчений правильно вибрав ознаки. Якби Мендель взяв, наприклад, зріст рослини, особливості коренів, у нього навряд чи щось вийшло б. Ще йому пощастило з математикою. Зараз активно обговорюється питання про те, що частина даних Менделем була сфальсифікована. Є спосіб перевірки математичних даних щодо первинної інформації, і поки вони не сходяться. Є підозра, що Мендель видав бажане за дійсне. Однак ця формула надалі виявилася правильною.

Стаття Менделя «Досліди над рослинними гібридами» вийшла в 1866 році, тоді ж він розіслав свою роботу всім, кому міг. Однак ніхто її не зрозумів, зокрема й Дарвін. Доля відкриття Менделя, коли між самим фактом відкриття і його визнанням минуло доволі багато часу (майже 40 років), є скоріше нормою в науці.

Те, що саме ДНК є носієм генетичної інформації, було доведено в середині ХХ століття, але відкрив «будівельний матеріал життя» ще в 1869 році Фрідріх Мішер. Учений займався дослідженням лейкоцитів і домовився з лікарями в міській лікарні, щоб вони дозволили йому забирати після операцій просочені кров'ю і гноєм бинти. Мішер хотів дослідити протеїни лейкоцитів, їхні функції, але йому ніяк не вдавалося виділити окремі протеїни. Під час дослідів він помітив білий осад, який залишався на дні пробірок. Склад речовини не був схожий на жодну відому на той час хімічну сполуку. Після декількох тижнів копіткої роботи Мішер дійшов висновку, що відкрив нову субстанцію, назвавши її ДНК.

Про значення нової речовини науковий світ довгий час не здогадувався. Колеги Фрідріха Мішера вважали, що одна-єдина субстанція не може відповідати за передачу спадкової інформації у різних живих істот. Тільки в 1944-му американський медик Освальд Евері довів, що ДНК є носієм генетичної інформації.

На якийсь час і про Менделя, і про ДНК всі забули. Однак в 1900 році, після практично одночасної публікації статей трьох ботаніків — Х. Де Фріза, К. Корренса і Е. Чермака-Зейзенегга, які незалежно підтвердили дані Менделя власними дослідами, стався миттєвий вибух і визнання його роботи. 1900 рік вважається роком народження генетики. Те, що Мендель назвав спадковими задатками, пізніше назвали геном. Термін «ген» був введений у 1909-му данським ботаніком Вільгельмом Іогансеном три роки потому після введення Вільямом Бетсоном терміна «генетика».

Важливим внеском у розвиток генетики стала хромосомна теорія спадковості. Американський генетик Томас Морган експериментально довів локалізацію генів у хромосомах, проводячи свої дослідження на плодовій мушці — drosophila melanogaster.

Створити супермуху не проблема для сьогоднішньої генетики

Сьогодні дрозофіла — найбільш досліджуваний об'єкт. Ми знаємо про неї все, на відміну від людини. Геном плодової мухи містить чотири пари хромосом, 12 тис. генів. Дрозофіла — популярний об'єкт для досліджень, оскільки живе близько 60 днів, розмножується дуже швидко, даючи велике потомство (від 50 до 200 нащадків). Вся генетика досі ґрунтується на цьому об'єкті. ГМО, ліки, трансгенний інсулін, лікування дітей з карликовістю — все це завдяки дрозофілі.

Генетика плодової мухи звучить приблизно так: якщо нам потрібна муха з п'ятьма лапами, ми це робимо за тиждень. Створити супермуху для сьогоднішньої генетики не питання. Якщо нам потрібна надшвидкісна муха, яка літає в рази швидше за звичайну, це займе близько двох місяців. Мухи зазвичай літають зі швидкістю 20 см/с. За 100 поколінь при відборі можна отримати дрозофіл, що літають зі швидкістю 170 см/с! Тобто навіть звичайна повільна муха має гени супермухи, але їх комбінація налаштована на досить середньостатистичне життя на низьких швидкостях. Однак перетасуванням заданих генів під умови експерименту вдається витягнути надздібності із найбільш пересічних об'єктів.

Якщо говорити про людину, то у нас близько 20 тис. генів. За кожну нашу ознаку відповідає відразу кілька з них. Кожного гена у нас по дві копії — одна від мами, друга від тата. У теорії вистачить і однієї копії, але у тих, хто розмножується статевим шляхом, — так прийнято, все продубльовано. Велике число генів, що створюють будь-яку ознаку, забезпечує страховку від провалу: без мозку нам народитися ніяк не можна. Без почуття гумору — теж.

Другі копії всіх генів, у свою чергу, забезпечують страховку якості ознакою. Все, що ми маємо на генетичному рівні, — це найкраще і найуспішніше, що збереглося у природі за мільйони років еволюції. Все погане — не розмножилося, було з'їдено, і ми про нього нічого не знаємо.

За рахунок того, що все перестраховано і що наш геном сам вибирає, за яким козирем грати в цій конкретній роздачі (моноалельна експресія), широта потенціалу наших можливостей дуже й дуже велика. Ми дійсно маємо генетичні сили бути ким хочемо і робити що хочемо. Гени простих ознак і генетичних захворювань — рідкісний і неприємний виняток.

Потенційні молекулярні механізми переналаштування своїх генів існують навіть на рівні одного людського життя. Вони мало вивчені, ними займається наука епігенетика. Очевидно, що всі вони засновані тільки на тривалих тренуваннях тіла й мислення. Більше ніяк. Але широту потенціалу можливостей важливо усвідомлювати. Коли-небудь із витягуванням цих суперздатностей і їх пересадкою нам допоможе генна інженерія і терапія. Поки вся надія на нас самих.

Продовження читайте за посиланням.

Підготувала Оксана ШКЛЯРСЬКА