Значимые научные события — это те, что заставляют нас иначе посмотреть на мир

Наука и жизньНаука

Десять значимых событий 2021 года в биологии и медицине

Материал подготовил Кирилл Стасевич

Антитела и иммунные клетки узнают чужеродные белки не целиком, а по определённым участкам. Чтобы создать надёжную вакцину против изменчивых вирусов, надо научить иммунитет распознавать в вирусных белках зоны, которые очень слабо мутируют. Иллюстрация: ru.depositphotos.com/scienceanm

Значимые научные события — это те, что заставляют нас иначе посмотреть на мир, которые ведут к развитию новых технологий, меняющих жизнь. Это итог многолетних трудов множества исследователей, занимающихся фундаментальными научными проблемами. Именно поэтому, как и год назад, в выбранных редакцией значимых научных событиях нет ничего, связанного с коронавирусом. Да, затянувшаяся эпидемия COVID-19 сильнейшим образом повлияла на нас, но она — подчеркнём это вновь — не дала нам никаких принципиально новых знаний ни о вирусах, ни о вызываемых ими болезнях. Лекарства и вакцины, которые используют против COVID-19, были разработаны давно, и пока что мы видим только их модификации, приспособленные к нынешней эпидемии. Впрочем, если говорить о вакцинах, то в минувшем году была опубликована научная работа, которая предлагает новый метод создания противовирусных вакцин — и вполне возможно, что этот метод поможет решить проблему любых вирусных инфекций. С него и начнём.

1Искусственный интеллект проектирует вакцину по лингвистическим правилам

Смысл любой вакцины — показать иммунитету, с чем ему предстоит бороться в будущем. «Действующее вещество» вакцины — это либо обезвреженный возбудитель болезни, либо его фрагменты, то есть молекулярные комплексы, отдельные молекулы или обломки молекул. Иммунитет чувствует чужеродные молекулы не целиком. Если говорить о белках, то и иммунные клетки, и антитела реагируют только на отдельные участки в огромных белковых молекулах. И если мы создаём вакцину против вируса, то она должна показать иммунитету определённый участок какого-либо вирусного белка, по которому иммунитет узнает потом настоящий вирус.

Проблема в том, что некоторые вирусы сильно мутируют. Вирусные белки устроены так, что вирусы могут позволить себе довольно существенные изменения в них, притом что белки будут продолжать работать, как надо. Но для иммунитета это катастрофа: вот только иммунные клетки запомнили, как выглядит тот или иной вирусный белок, какие антитела против него работают, как он уже изменился. Примеры сильно меняющихся вирусов — ВИЧ, против которого до сих пор нет вакцины, и вирус гриппа, вакцину против которого приходится регулярно модифицировать, подгоняя под новый штамм.

Однако даже в очень изменчивых вирусных белках есть зоны, не приспособленные к мутациям: если там что-то изменить, весь белок выйдет из строя. Такие неприкосновенные участки со временем тоже меняются, но очень медленно. Если бы мы умели находить в вирусных белках такие зоны, которые вирусы не способны менять, то можно было бы создать эффективные вакцины даже против очень изменчивых вирусов. Но как их искать? Сотрудники Массачусетского технологического института воспользовались для этого вычислительным методом, применяемым в обработке естественного языка — так называют большое направление искусственного интеллекта и математической лингвистики. Методы обработки естественного языка анализируют, насколько часто те или иные слова стоят рядом друг с другом. Если машина будет знать частоту совместного употребления слов, она сможет более или менее правильно дополнить недописанное предложение. Например, представим, что во фразе «мама мыла раму» нет слова «мыла». Искусственный интеллект, обученный методами обработки естественного языка, подставит туда глагол «красила» или «мыла», или, в конце концов, «ремонтировала» — но там не будет стоять слов «ела», «говорила» или «думала».

Те же принципы использовали при анализе генетических последовательностей, кодирующих вирусные белки. В белке есть зоны, которые могут меняться, но при этом сам белок остаётся «осмысленным», то есть функциональным. И есть зоны, изменения в которых «обессмысливают» молекулу. Машинный алгоритм тренировали искать те участки в вирусных белках, которые способны сильно меняться, для чего использовали 60 тысяч последовательностей от ВИЧ, 45 тысяч последовательностей от вируса гриппа и 4 тысячи коронавирусных последовательностей. (На всякий случай уточним, что это не значит, что у ВИЧ есть 60 тысяч белков, просто один и тот же белок кодируется последовательностью, которая допускает множество мутаций в разных комбинациях.) Смысл обучения был в том, чтобы искусственный интеллект смог потом уже в незнакомом белке отличить неприкосновенные последовательности от свободно мутирующих.

После обучения машине предложили проанализировать три белка от ВИЧ, вируса гриппа и коронавируса SARSCoV-2. В статье в журнале «Science», опубликованной в январе прошлого года, говорится, что в каждом из трёх белков алгоритм нашёл наименее изменчивые части, которые могли бы стать материалом для эффективной долгоиграющей вакцины. Иммунитет, натренированный узнавать малоизменяемые фрагменты вирусных белков, будет уничтожать вирусы вне зависимости от того, какие мутации появились у них в изменяемых частях.

На самом деле такие выгодные мишени в белках вируса гриппа и ВИЧ ищут давно. Результаты машинного поиска вполне согласуются с теми результатами, которые здесь уже есть. Но в данном случае речь о том, чтобы создать метод проектирования вакцин, который работал бы как можно быстрее и с наибольшей эффективностью — не говоря уже о том, что использование приёмов математической лингвистики в биотехнологии само по себе кажется весьма примечательным.

2Альтернативный генетический алфавит и альтернативный генетический код

Генетический алфавит — это буквы А, Т, G, C, обозначающие азотистые основания аденин, тимин, гуанин, цитозин, которые входят в состав ДНК. (В РНК тимин Т заменён на урацил U.) Тройки букв образуют генетические слова — триплеты, или кодоны, соответствующие разным аминокислотам. В двуцепочечной молекуле ДНК буквы двух цепочек связаны друг с другом водородными связями, причём А всегда стоит напротив Т — между ними образуются две водородные связи, а G стоит напротив С — между ними образуются три водородные связи.

У генетических букв могут быть разнообразные химические модификации, но в любом случае число связей в паре остаётся одно и то же. Однако ещё в 1977 году исследователи из Московского государственного университета опубликовали в журнале «Nature» статью, в которой описывали странную ДНК бактериофага S-2L, поражающего цианобактерий. У этого бактериофага в паре с тимином (Т) стоял не аденин (А), а другое азотистое основание под названием 2-аминоаденин, которое для краткости назвали Z. Между Z и Т было не две водородные связи, а три. Не все тимины в ДНК фага были в паре с Z, но большинство. И, учитывая тройную связь между ними, всё выглядело так, как будто вирус использовал альтернативную версию генетического кода.

До поры до времени бактериофаг S-2L считался просто странной аномалией, уникальной в своём роде. Но на самом деле альтернативный алфавит оказался гораздо более распространён, чем могло показаться на первый взгляд. У фага S-2L есть особый фермент, который участвует в синтезе аденина и который создаёт вариант Z. Потом оказалось, что похожий фермент есть у фага, поражающего бактерий рода Vibrio, и в ДНК этого вируса тоже есть нестандартная генетическая буква.

Электронная микрофотография бактериофага SH-Ab 15497, паразитирующего на бактериях рода Acinetobacter. Этот фаг — один из тех, которые используют в генетическом алфавите дополнительную букву Z. Фото: NCBI/Wikimedia Commons/CC

В прошлом году сотрудники Института Пастера (Франция) вместе с коллегами из Германии, Бельгии и США опубликовали в «Science» две статьи: в первой описываются структура и функции фермента из фага бактерий Vibrio, создающего основание Z, во второй — гены альтернативных вирусных ДНК-полимераз. Эти белки нужны для копирования ДНК, они синтезируют новые цепи ДНК на шаблоне старых. Альтернативные ДНК-полимеразы, как можно догадаться, умеют манипулировать не только обычными генетическими буквами, но и нестандартной буквой Z.

Наконец, в третьей статье в «Science» говорится, что белки, необходимые для работы с азотистым основанием Z, есть как минимум у нескольких десятков бактериофагов. Более того, некоторые вирусы перенастраивают бактериальные ферменты, чтобы они помогали синтезировать Z, а специальные вирусные белки понижают уровень «стандартной» буквы А в бактериальной клетке, чтобы она не попала в их геном. Эту статью написали сотрудники Тяньцзиньского университета и других научных центров Китая, США и Сингапура, при участии Ивана Худякова из Всероссийского научно-исследовательского института сельскохозяйственной микробиологии (он был одним из соавторов статьи в «Nature» о необычном геноме фага S-2L).

Зачем вирусам понадобился изменённый генетический алфавит? Дело в том, что у бактерий есть особые ферменты, которые защищают их от вирусного вторжения. Когда в бактериальной клетке появляется фаговая ДНК, эти ферменты её узнают и разрушают. Но если в фаговой ДНК вместо буквы А стоит буква Z, то бактериальные защитные ферменты оказываются бессильны и вирус может спокойно размножаться дальше.

Кроме альтернативного алфавита, может быть и альтернативный код. Напомним, что код — это система триплетов, буквенных троек, кодирующих аминокислоты. Последовательность триплетов в гене соответствует последовательности аминокислот в белке, и когда белоксинтезирующая машина считывает код белка, она считывает его по тройкам. При синтезе белка нужно знать, где начинать и где заканчивать, поэтому кроме кодонов, кодирующих аминокислоты, есть ещё старт- и стоп-кодоны. Старт-кодоны дают сигнал начать синтез белка, одновременно они обозначают аминокислоту метионин. Стоп-кодоны дают сигнал закончить синтез белка и никаких аминокислот не обозначают.

Какое-то время код считался универсальным в том смысле, что у всех живых организмов аминокислоты кодируются одними и теми же кодонами. Но потом выяснилось, что в генетическом коде есть вариации. Особняком стоит код митохондрий (энергетических клеточных органелл, у которых есть своя ДНК). Отклонения от стандартных значений триплетов есть у некоторых архей и бактерий — обычно у них используются альтернативные старт-кодоны, а некоторым стоп-кодонам присвоена какая-нибудь аминокислота (и наоборот — аминокислотный триплет становится стоп-сигналом).

Но есть и более выдающиеся примеры: в ноябрьской статье в журнале «eLife» говорится, что у двенадцати микроорганизмов аминокислотные кодоны сменили значение с одной аминокислоты на другую. Иными словами, если в стандартном коде какому-нибудь триплету соответствует одна аминокислота, например аргинин, то в альтернативном коде тому же триплету соответствует аминокислота триптофан. Очевидно, некоторым бактериям и археям как-то удалось изменить стандартный генетический код, хотя как именно это происходило в эволюции, понять довольно трудно. Может быть, альтернативные версии генетического кода какое-то время развивались вместе со стандартной версией, а может быть, они возникли как модификация стандарта.

Авторизуйтесь, чтобы продолжить чтение. Это быстро и бесплатно.

Регистрируясь, я принимаю условия использования

Рекомендуемые статьи

«Важнейшее из искусств» «Важнейшее из искусств»

Сталин так проникся кинематографом, что начал править историю страны и мира

Дилетант
На российских авиалиниях растет доля пассажиров без багажа На российских авиалиниях растет доля пассажиров без багажа

Все больше пассажиров российских авиакомпаний выбирают перелеты без багажа

Inc.
Рождение и гибель мегаполисов Рождение и гибель мегаполисов

Почему Вавилон пришел в упадок?

Вокруг света
Режиссер Леонид Хейфец. Откровенно о Дорониной, Миронове и Борисове Режиссер Леонид Хейфец. Откровенно о Дорониной, Миронове и Борисове

Когда Ефремов пригласил меня, МХАТ как раз «пилился»

Коллекция. Караван историй
Погружение в Африку Погружение в Африку

Маршрут доктора Дэвида Ливингстона вглубь Африки спустя 160 лет

Вокруг света
Я работаю мамой Я работаю мамой

Валентина Красникова, мама 17 детей, о семье и хобби

Лиза
Наследие Орды в русском языке Наследие Орды в русском языке

Откуда в русском языке огромное количество тюркских слов?

Дилетант
Битва куликова Битва куликова

…Бойцовые собаки, бойцовые петухи, бойцовые кулики. Вы знаете о последних?

Наука и жизнь
Анна и молот Анна и молот

Анна Билецкая стала кузнецом и полностью изменила свою судьбу

Вокруг света
Бактерии совершают самоубийство, чтобы спасти свою колонию от вирусов Бактерии совершают самоубийство, чтобы спасти свою колонию от вирусов

Кишечная палочка использует ранее неизвестную противовирусную систему

ТехИнсайдер
Они идут Они идут

Часы сегодня — средство самовыражения и туристический аттракцион

Вокруг света
Потепление на полтора градуса пойдет на пользу сибирской тайге Потепление на полтора градуса пойдет на пользу сибирской тайге

Как повлияет потепление климата на амазонские леса и сибирскую тайгу?

N+1
Канны-2025: Кафка в замешательстве Канны-2025: Кафка в замешательстве

Фильмы, сквозной темой которых стали неумирающие призраки прошлого

РБК
Над всей Испанией безоблачное небо Над всей Испанией безоблачное небо

Как восемь гигаватт «погасили» электрическую сеть Пиренейского полуострова

Монокль
От ассистентки до инвестора SpaceX: как экс-сотрудница Маска стала успешной в бизнесе От ассистентки до инвестора SpaceX: как экс-сотрудница Маска стала успешной в бизнесе

Как Баттерфилд работала с Маском и какой путь она выбрала, когда ушла из SpaceX

Forbes
5 самых странных (но прикольных) видов велоспорта: вы точно захотите попробовать 5 самых странных (но прикольных) видов велоспорта: вы точно захотите попробовать

Топ-5 самых необычных спортивных дисциплин с велосипедом

ТехИнсайдер
Идем по циклу Идем по циклу

Что в менструальном цикле считается нормой, а когда требуется внимание

Лиза
Великая Отечественная промышленность Великая Отечественная промышленность

Как СССР превзошел Германию в промышленности во время войны

Ведомости
Золото выглядит дорого Золото выглядит дорого

Бурный рост цен на золото создал благоприятные условия для золотодобычи в России

Монокль
Наночастицы пластика могут принести ионы тяжелых металлов в организм человека Наночастицы пластика могут принести ионы тяжелых металлов в организм человека

Пагубное воздействие частиц нанопластика еще больше усиливается

ТехИнсайдер
Представь, что... Представь, что...

Почему стоит довериться роботу и спланировать путешествие с помощью Chat GPT

Новый очаг
Национальность может говорить о потребностях во сне Национальность может говорить о потребностях во сне

Культурные нормы определяют ваши потребности во сне. Так ли это?

ТехИнсайдер
Женщины-фридайверы из Южной Кореи адаптировались для жизни под водой Женщины-фридайверы из Южной Кореи адаптировались для жизни под водой

Чем отличаются женщины общины хэнё от кореянок, живущими на материке

ТехИнсайдер
Художницы с рюкзаками Художницы с рюкзаками

Как в поездках рождаются иллюстрации к детским книгам

Новый очаг
О наследии Стефана Пермского О наследии Стефана Пермского

Кто может считаться первым исследователем истории и культуры коми народа?

Знание – сила
О любви и Дягилеве О любви и Дягилеве

Красота, грация, любовь — что вы увидите в Денисе Родькине и Элеоноре Севенард

Moodboard
«На офисную должность ни за что бы не перешла»: как женщины работают на заводах «На офисную должность ни за что бы не перешла»: как женщины работают на заводах

Женщины на заводе: что привело их на предприятие и с какими мифами они борются

Forbes
Ученые расшифровали, как мы ощущаем вкус сладкого Ученые расшифровали, как мы ощущаем вкус сладкого

Как язык воспринимает сладость, какой рецептор отвечает за влечение к сахару?

ТехИнсайдер
Драйверы от Windows или фирменные: что лучше Драйверы от Windows или фирменные: что лучше

Стоит ли устанавливать фирменные драйверы или можно ограничиться встроенными

CHIP
«Осторожно, двери закрываются»: 90 лет эволюции поездов Московского метро «Осторожно, двери закрываются»: 90 лет эволюции поездов Московского метро

Как поезда столичного метро из утилитарных машин превратились в символ прогресса

ТехИнсайдер
Открыть в приложении