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

БИНТИ БИНТИ

Бюро иностранной научно-технической информации

Наука и жизнь
Андрей Михайлов: «Эволюция людей похожа на одомашнивание самих себя» Андрей Михайлов: «Эволюция людей похожа на одомашнивание самих себя»

Футуролог Андрей Михайлов — о влиянии технологий на человеческие привычки

РБК
Операция «Антропоид» Операция «Антропоид»

Даже среди марок нацистской Германии этот экземпляр отличается своей мрачностью

Дилетант
Хороший тон Хороший тон

Как добиться эффекта идеально гладкой сияющей кожи с помощью тональных средств

Лиза
«Важнейшее из искусств» «Важнейшее из искусств»

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

Дилетант
Что строили на месте терактов и крупных трагедий в России и мире Что строили на месте терактов и крупных трагедий в России и мире

Что раньше строили на месте крупных трагедий в России и мире

СНОБ
Академик Леопольд Лобковский: я не увидел ответа в антропогенной теории потепления Академик Леопольд Лобковский: я не увидел ответа в антропогенной теории потепления

Академик Леопольд Лобковский: человек не виноват в глобальном потеплении

Наука
Дух свободы Дух свободы

Подчеркнуто мужское пространство со своей неповторимой атмосферой и харизмой

SALON-Interior
Каникулы в джунглях Каникулы в джунглях

О странствиях в тропических дебрях, начавшихся при необычных обстоятельствах

Вокруг света
Всего два дня отсутствия здорового сна могут заставить человека чувствовать себя на годы старше Всего два дня отсутствия здорового сна могут заставить человека чувствовать себя на годы старше

Недосып прибавляет к ощущаемому возрасту человека почти 4,5 года

ТехИнсайдер
Берлин, 22 июня… Берлин, 22 июня…

В тот день футбол интересовал немцев больше, чем сообщения о военных действиях

Дилетант
Прокладывая путь: как София Ионеску стала первой в мире женщиной-нейрохирургом Прокладывая путь: как София Ионеску стала первой в мире женщиной-нейрохирургом

София Ионеску — первая женщина-врач, которая провела операцию на головном мозге

Forbes
Что делать, если посудомоечная машина не сливает воду Что делать, если посудомоечная машина не сливает воду

Случаи, почему течет посудомойка, а также способы, как это исправить

CHIP
Кокни пацана Кокни пацана

«Джентльмены»: образцовый Гай Ричи в восьми сериях

Weekend
Сплошная экзотика Сплошная экзотика

Как оформить квартиру в модном этническом стиле

Лиза
Мяу-воспитание Мяу-воспитание

4 привычки, которые стоит привить своему коту

Лиза
«Близкие отказываются помогать с ребенком, ведь они не просили меня рожать»: история читательницы и комментарий психолога «Близкие отказываются помогать с ребенком, ведь они не просили меня рожать»: история читательницы и комментарий психолога

Почему семья может не поддерживать маму с ребенком? История читательницы

Psychologies
ТОП-5 самых известных корейских автобрендов и их первые модели ТОП-5 самых известных корейских автобрендов и их первые модели

На мировом уровне корейский автопром заявил о себе лишь пару десятилетий назад

РБК
2 техники, которые помогут паре договориться о планах на отдых 2 техники, которые помогут паре договориться о планах на отдых

Он хочет на рыбалку, а она — к маме. Как найти общий язык, планируя отдых?

Psychologies
Белых пятен больше нет Белых пятен больше нет

Десять удивительных географических объектов, открытых в XX и XXI веке

Вокруг света
Горничная или кухарка? Определи, какая ты хозяйка! Горничная или кухарка? Определи, какая ты хозяйка!

Сколько существует типов хозяек и чем они отличаются?

VOICE
5 книг, запутанный сюжет которых происходит в замкнутом пространстве 5 книг, запутанный сюжет которых происходит в замкнутом пространстве

Произведения, которые заставят вас понервничать

Maxim
Вместо таблетки Вместо таблетки

10 продуктов, которые лечат не хуже лекарств

Лиза
Свинья Пигкассо, одноухий питбуль Ван Гог и конь Чойя. Животные-художники, которые зарабатывали миллионы долларов Свинья Пигкассо, одноухий питбуль Ван Гог и конь Чойя. Животные-художники, которые зарабатывали миллионы долларов

Почему Пигкассо стала рисовать и какие еще животные заработали миллионы?

СНОБ
«Мы пытаемся найти героя поколения» «Мы пытаемся найти героя поколения»

Сергей Жуков — из тех людей, кого так просто и не представишь

OK!
Букет возможностей: как устроен и как перестраивается цветочный бизнес Букет возможностей: как устроен и как перестраивается цветочный бизнес

Откуда привозят цветы, из чего складывается стоимость букета и другие вопросы

РБК
Искусство запрещать Искусство запрещать

Одна из самых громких сенсаций в новейшей истории арт-рынка

Правила жизни
Сборная Грузии пробилась на Евро-2024. Вспоминаем лучших игроков в истории грузинского футбола Сборная Грузии пробилась на Евро-2024. Вспоминаем лучших игроков в истории грузинского футбола

Величайшие футболисты-грузины — от Месхи до Хвичи

СНОБ
3 причины для измены: анализируем каждую 3 причины для измены: анализируем каждую

Почему партнеры изменяют друг другу? И что делать, если вам изменили?

Psychologies
Отчаявшиеся домохозяйки Отчаявшиеся домохозяйки

«Материнский инстинкт»: психологический детектив с Энн Хэтауэй

Weekend
Открыть в приложении