100kitov.ru

Интересные факты — события, биографии людей, психология
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Обнаружена новая бактерия в дендрарии Гарвардского университета

У бактерий и архей нашли альтернативные версии генетического кода

У нескольких видов микроорганизмов некоторые «слова» генетического кода изменили значение с одного на другое.

Генетический код — это соответствие между аминокислотами, из которых состоят белки, и азотистыми основаниями в нуклеиновых кислотах, ДНК или РНК. Азотистых оснований у нас четыре — аденин (А), тимин (Т), гуанин (G) и цитозин (С) (в РНК вместо тимина стоит урацил — U); их обычно называют генетическими буквами и обозначают буквами. Аминокислоты закодированы тройками букв, эти тройки называются триплетами, или кодонами; можно сказать, что азотистые основания складываются в трёхбуквенные «слова». Некоторым аминокислотам соответствует только по одному триплету, есть аминокислоты, кодируемые двумя, тремя, четырьмя и даже шестью триплетами. Последовательность триплетов в гене соответствует последовательности аминокислот в белке, и когда белок-синтезирующая 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. Понятно, что 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. У бактерий и архей могут быть альтернативные старт-кодоны; у некоторых простейших стоп-кодон прочитывается как аминокислота. У клеточных органелл митохондрий, которые дают клетке энергию, есть своя ДНК, и генетический код митохондрий в некоторых позициях отличается от стандартного кода, причём митохондрии разных организмов могут быть в этом смысле со своими особенностями. Вообще говоря, если не брать в расчёт митохондрии, то обычные отклонения от стандартного кода состоят в том, что какой-то аминокислотный кодон превращается в стоп-кодон, либо стоп-кодон прочитывается как кодирующий аминокислоту.

В статье, опубликованной недавно в журнале eLife, говорится о том, что среди живых существ есть более значительные отклонения от стандартного генетического кода. Сотрудники Гарвардского университета проверили более 250 тысяч геномов бактерий и архей на предмет альтернативности кодирования. Проверяли их, конечно, не вручную, а с помощью специальной программы, которая сопоставляла последовательность ДНК того или иного микроорганизма с последовательностью его белков (конечно, если последовательность ДНК и белков известна и хранится в общедоступной базе данных). Если при таком сравнении у алгоритма появлялось подозрение, что последовательность азотистых оснований в ДНК как-то не очень соответствует последовательности аминокислот в белках, то бактерия или архея становились кандидатами в «альтернативщики». И дальше их изучали на предмет альтернативного кода более подробно.

В итоге удалось найти пять новых видов микроорганизмов с серьёзными отклонениями от обычного кода, и ещё для семи видов подтвердились прежние подозрения, что их код не совсем такой, как у всех остальных. Что значит серьёзные отклонения? Как было сказано выше, обычно альтернативные версии кода касаются стоп-кодонов. А вот у этих двенадцати альтернативные значения были у кодонов, которые в стандартном коде кодируют аминокислоты. Причём альтернативные коды были очень похожи между собой: например, во всех двенадцати случаях изменения в значении касались триплетов AGG, CGA, и CGG, которые в стандартном коде означают аминокислоту аргинин (у некоторых микроорганизмов-«альтернативщиков» аргининовые кодоны отошли к триптофану).

Изменение одного аминокислотного кодона на другой — это намного более впечатляющая встряска для белок-синтезирующего аппарата и для всех белков. Если стоп-кодон принимает аминокислотное значение, он просто добавляется к уже существующему словарю — как если бы мы просто узнали новое слово, если же изменения касаются аминокислотных триплетов, то это всё равно, как для нас слово «кошка» вдруг стало бы обозначать девятиэтажный дом. Тем не менее, 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 на самом деле какое-то время развивались вместе со стандартной версией, может быть, они возникли как модификация стандарта.

Читайте так же:
Факты о ванили: изучаем подробно

Причины опять же могут быть разные: например, весной мы писали об альтернативном генетическом алфавите у некоторых бактериофагов — вирусов, поражающих бактерии. Благодаря альтернативному алфавиту они обманывают защитные противовирусные системы бактерий. То есть вирусы-бактериофаги в принципе могут изменять у себя и генетический алфавит, и генетический словарь. Одна из бактерий, описанная в новом исследовании, страдает от бактериофага, который пользуется тем же альтернативным кодом, что и сама бактерия. Возможно, что сначала бактерия столкнулась с «альтернативным» вирусом, а потом сама изменила свой код, чтобы лучше отбиваться от паразита.

Бактерии помогли сделать эффективнее борьбу против колорадских жуков

ТАСС, 16 ноября. Биологи обнаружили, что популярные вещества для борьбы с колорадскими жуками, в основе которых лежат токсины бактерий Bacillus thuringiensis, можно сделать еще эффективнее, если добавить в них споры этих микробов. Результаты исследования опубликовал научный журнал Toxins, кратко об этом пишет пресс-служба Российского научного фонда.

"При совместном воздействии токсинов со спорами бактерий Bacillus thuringiensis гибель насекомых происходит быстрее, и умирает на 30% больше колорадских жуков. Внедрение подобных средств позволит наполнить рынок отечественными препаратами и уменьшить пестицидную нагрузку на окружающую среду", – рассказал один из авторов работы, сотрудник Новосибирского государственного аграрного университета Иван Дубовский.

Человечество начало широко применять химические инсектициды почти век назад. После первых успехов эффективность этих средств, в том числе ДДТ и хлорофосфорных пестицидов, начинала резко падать, так как выжившие вредители, кровососы и прочие насекомые начали быстро приспосабливаться к ним. Это особенно характерно для колорадских жуков.

Дубовский и его коллеги выяснили, как можно замедлить этот процесс для препаратов, в основе которых лежит токсин Cry3A. Его вырабатывают микробы вида Bacillus thuringiensis. Этот яд широко применяется для защиты посадок картофеля и других сельхозкультур от колорадских жуков, однако пестициды или ГМО-растения на его основе убивают далеко не всех вредителей, в результате чего насекомые быстро к нему привыкают.

Ученые выяснили, что эффективность действия этого препарата можно повысить, если в пестициде будут присутствовать не только молекулы Cry3A, но и живые споры Bacillus thuringiensis. К такому выводу ученые пришли, сравнив действие токсина, спор микробов и их комбинации.

Опыты показали, что комбинация из спор микробов и токсина уничтожала примерно на 30% больше насекомых и действовала на них заметно быстрее, чем оригинальный пестицид. Особенно эффективно подобная комбинация действовала на личинок колорадского жука, вероятность гибели которых вырастала в 2,6 раза.

Ученые предполагают, что повышение эффективности пестицида было связано с тем, что споры Bacillus thuringiensis вырабатывают или содержат вещества, которые подавляют активность микробов иммунной системы кишечника вредителей. Это делает стенки кишечника колорадских жуков уязвимыми для пестицидов, что резко снижает шансы вредителей на выживание.

Подобная модификация пестицидов на базе токсинов микробов, как отмечают Дубовский и его коллеги, заметно повысит их эффективность, долговечность и позволит снизить нагрузку на окружающую среду, связанную с попаданием молекул Cry3A в организм опылителей и других полезных насекомых.

Читайте так же:
Хвойные деревья - Список, виды, названия, описание, где растут, фото и видео

«У этого вируса много секретов»: почему коронавирусы пока что останутся загадкой для ученых?

В 2016 году в отделение скорой помощи больницы Hygeia в Афинах доставили 45-летнюю учительницу. Для человека, который никогда не курил и не имел серьезных проблем со здоровьем, у нее были странные симптомы: сухой кашель, сильная головная боль и температура, превышающая 39,4 ºС. Врач скорой помощи при прослушивании выявил хрипы в нижней части левого легкого пациентки. Рентгеновский снимок грудной клетки подтвердил наличие очагов поражения в легких.

Врачи пришли к выводу, что у пациентки развилась бактериальная пневмония, и назначили ей курс антибиотиков. Но в течение следующих двух дней женщине стало лишь хуже, а лаборатория сообщила, что тест на бактериальную пневмонию дал отрицательный результат. Когда у женщины начались проблемы с дыханием, ее подключили к аппарату искусственной вентиляции легких. Ей также назначили новый курс лекарств и взяли анализы на разнообразные потенциальные возбудители инфекции дыхательных путей — от различных штаммов вируса гриппа до легионелл, палочки коклюша и других патогенов, вызывающих респираторные заболевания. Результаты всех этих тестов тоже оказались отрицательными. Анализы также подтвердили, что это не атипичная пневмония (SARS) и не ближневосточный респираторный синдром (MERS).

Лишь один тест показал положительный результат. Это так удивило врачей, что они провели анализ повторно, однако результат остался неизменным. У пациентки оказалась хорошо знакомая, но все же остающаяся загадочной болезнь — респираторная вирусная инфекция, вызываемая коронавирусом HCoV-229E. За этой комбинацией букв и цифр скрывается первый известный ученым коронавирус, способный передаваться человеку.

В начале 1960-х годов тяжелое состояние греческой учительницы могло бы озадачить исследователей, которые открыли коронавирус HCoV-229E. Это связано с тем, что на самом деле они изначально проводили свое исследование, чтобы найти возбудителя обычной простуды. В то время ученые уже разработали методы выделения некоторых вирусов, но многие штаммы были недостаточно изучены. Примерно у 35% людей простуду вызывали вирусы, которые ученые не могли идентифицировать.

Это стало вызовом для Дороти Хамре из Чикагского университета. Она погрузилась в изучение культур тканей простуженных студентов и в 1965 году обнаружила новый вид вируса, который позднее стал известен под названием HCoV-229E.

В то же самое время в Великобритании группа ученых под руководством доктора Дэвида Тиррелла вела аналогичное исследование с целью более обстоятельно изучить причины возникновения простуды. Им также удалось выделить новый тип вируса. Когда ученые исследовали его под электронным микроскопом, они обнаружили, что он имеет сходство с вирусом, выделенным еще в 1930-х годах из тканей страдающих бронхитом куриц. Это был коронавирус. Ученым впервые удалось доказать, что он может передаваться человеку.

«Вирусы животных всегда были очень важны», — говорит доктор Кен Макинтош из Гарвардской медицинской школы. «У пернатых встречается птичий инфекционный бронхит. Это представляет собой большую угрозу для коммерческого птицеводства. Поэтому вакцины доступны — их наличие очень важно для отрасли», — рассказывает ученый.

В работе ученых Тиррелла особый интерес представляют их методы. Сегодня биологические исследования проводятся в условиях строгой изоляции и при соблюдении всех процедур техники безопасности. Однако более полувека назад все было совсем по-другому. Чтобы убедиться в том, что выделенный ими вирус изначально не присутствовал в тканях, в которых они планировали его культивировать, ученые пошли на необычный шаг. «Они поместили образцы среды в носоглотку 113 подопытным, добровольно согласившимся на участие в эксперименте. В конце концов только один из них заболел простудой. Эксперимент помог внести ясность», — описывал результаты исследований журналист одной из современных газет.

Читайте так же:
Почему в футболе редко используется 12 номер?

Параллельно с Хамре и Тирреллом причины простуды искали научные сотрудники Национального института здоровья США. «Это было независимое исследование», — подчеркивает принимавший в нем участие доктор Кен Макинтош, намекая на то, что к тому времени ни Хамре, ни британцы еще не успели опубликовать результаты своих изысканий. Его команда обнаружила HCoV-OC43 — еще один коронавирус, который может передаваться человеку и до сих пор вызывает у людей респираторные инфекции.

Термин «коронавирус» был придуман лишь в 1968 году. Это название напрямую связано со строением вируса, поскольку под микроскопом его шиповидные отростки напоминают солнечную корону — внешние слои атмосферы Солнца.

Открытие новых коронавирусов типа HCoV-229E и HCoV-OC43 вызвало большой интерес в средствах массовой информации. Автор одной из статей, посвященных этой теме, даже сделал смелое заявление о том, что «науке удалось утроить свои шансы на победу в борьбе с простудой». Тем не менее, доктор Макинтош вспоминает, что научное сообщество не уделяло активного внимания исследованию коронавирусов до тех пор, пока в 2003 году в Китае не началась вспышка атипичной пневмонии, также известной под названием тяжелый острый респираторный синдром. Поскольку у людей, заразившихся коронавирусами HCoV-229E и HCoV-OC43, болезнь протекала относительно легко, врачи лечили их примерно так же, как людей с простудой, вызванной другими вирусами. Они прописывали пациентам жаропонижающие препараты и средства от кашля, а также рекомендовали почаще пить куриный бульон.

Вспышка атипичной пневмонии, которая началась в Китае и в конечном итоге охватила 29 стран, была вызвана уже другим штаммом коронавируса, получившим название SARS-CoV-1. В мире было зафиксировано 8096 подтвержденных случаев заболевания, из них 774 — с летальным исходом. Из-за необычайно высокого уровня смертности ученые решили вновь изучить это семейство вирусов. «Когда началась вспышка SARS-CoV-1, все вдруг вспомнили о коронавирусах. Были обнаружены новые штаммы. Кроме того, их стали изучать гораздо тщательнее, в том числе и с точки зрения структуры», — вспоминает доктор Макинтош.

С тех пор ученые обнаружили еще два штамма коронавируса, которые считают возбудителями простуды. Они получили названия HCoV-NL63 и HCoV-HKU1. Геном коронавируса HCoV-229E был полностью расшифрован только в 2012 году, то есть спустя почти 50 лет после того, как ученые впервые его обнаружили. Исследователи пришли к выводу о том, что у пациентов с ослабленным иммунитетом респираторная инфекция, вызванная HCoV-229E, потенциально может протекать в достаточно тяжелой форме. Тем не менее, они сошлись во мнении о том, что у большинства здоровых людей болезнь проходит в форме обычной простуды.

Несмотря на то, что после вспышки атипичной пневмонии ученые начали активно изучать коронавирусы, они до сих пор не могут сказать, почему болезни, вызванные лишь тремя штаммами (SARS-CoV-1, MERS-CoV и, конечно, SARS-CoV-2, вызвавший пандемию COVID-19), протекают в тяжелой форме и приводят к высокому уровню смертности среди зараженных. В то же время другие четыре вида вызывают болезни, которые протекают гораздо мягче.

Всех их объединяет лишь одно — летучие мыши. Именно их считают первоисточником всех известных коронавирусов, поражающих человека. От летучих мышей вирус, как правило, передается другим животным. Крупные рынки мяса и морепродуктов и открытые продуктовые ларьки — это идеальная среда для распространения подобных вирусов среди животных. В конечном счете коронавирус рано или поздно передается человеку. Так, к примеру, вид HCoV-OC43 передался человеку от крупного рогатого скота. Некоторые ученые предполагают, что он был повсеместно распространен еще с XVIII века. Вирус MERS-CoV, в свою очередь, был передан человеку от верблюдов. Исследователи полагают, что животные так или иначе причастны к передаче человеку всех видов коронавирусов, в том числе и SARS-CoV-2.

Читайте так же:
Как и из чего делают жвачку? Описание, фото и видео

В конечном итоге учительница из Греции оправилась от болезни и, к счастью, никогда больше не нуждалась в аппарате искусственной вентиляции легких. Спустя два года после экстренной госпитализации она сделала компьютерную томографию легких, по результатам которой стало понятно, что структура ее легочной ткани восстановилась, а сами легкие были полностью здоровы. Тем не менее, столь тяжелую реакцию организма на инфекцию, вызванную «обычной простудой», можно назвать одним из самых сложных аспектов борьбы с коронавирусами, которые вызывают широкий набор симптомов и влекут за собой множество последствий для здоровья всего населения.

«Если изучить формы современной коронавирусной инфекции, можно заметить, что у некоторых людей болезнь протекает бессимптомно. В то же время для других людей она становится смертельной», — отмечает Уэйн Мараско, работающий научным сотрудником бостонского Института онкологических исследований Дана–Фарбер и изучающий вспышки атипичной пневмонии, ближневосточного респираторного синдрома и COVID-19.

Доктор Макинтош предполагает, что коронавирусы пока что останутся загадкой для ученых. Во-первых, это связано с широким разнообразием всевозможных подвидов, основательно изучить которые достаточно сложно. Во-вторых, в штаммах коронавирусов постоянно происходит огромное количество изменений на генетическом уровне. Макинтош отмечает, что коронавирусы могут относительно легко рекомбинироваться внутри одной и той же клетки. По мнению ученого, подобные мутации, возможно, привели к возникновению вирусов SARS-CoV-1 и SARS-CoV-2, вызвавших вспышку атипичной пневмонии и пандемию COVID-19.

«У коронавирусов самая длинная РНК-последовательность среди всех вирусов животных. И она таит в себе множество секретов», — добавляет доктор Макинтош.

В Гарварде записали анимацию в ДНК живого организма


Термин «вирусное видео» приобретает новый смысл в связи с экспериментом, который провели учёные Гарвардской медицинской школы. Им удалось записать цифровую информацию не просто в синтезированный генетический материал, а в гены живой бактерии E.coli. Это значит, что живой организм может выступать носителем цифровой информации и хранить файлы непосредственно в ДНК.

Учёные давно экспериментируют с хранением цифровых файлов в ДНК, поскольку этот носитель отлично подходит для цифровой информации. В конце концов, это всего лишь код в четверичной системе счисления: генетическая программа кодируется четырьмя нуклеотидами, которые обозначаются символами A, G, C и T, и она вмещает очень много информации в ограниченном пространстве.

Эксперименты с записью файлов в ДНК были особенно успешными в последние пять лет. В 2012 году гарвардская группа записала в синтезированную макромолекулу ДНК текст книги на 53 000 слов. Абсолютный рекорд был поставлен в марте 2017 года, когда в ДНК записали 200 мегабайт информации. Даже Microsoft подключилась к этим научным опытам: год назад стало известно, что Microsoft заказала у компании Twist Bioscience синтез 10 млн макромолекул ДНК с определённой последовательностью нуклеотидов. Интересно, что производитель изготовил молекулы, не мог прочитать записанную туда информацию, потому что не имел ключа расшифровки.

До настоящего времени все эксперименты происходили преимущественно с синтезированными ДНК, ещё никогда учёным не удавалось записать цифровую информацию в живой организм, а затем успешно прочитать её. Это гораздо более сложный процесс, но исследователи из Гарварда сделали это с помощью техники редактирования генома CRISPR.

Читайте так же:
Подберезовик – описание, как выглядит, где растет, когда собирать, разновидности, фото и видео

CRISPR (clustered, regularly interspaced, short palindromic repeats) базируется на механизме антивирусной защиты в организме. Иммунная система распознаёт чужеродные вирусы, захватывает у них фрагмент ДНК и помещает его в базу сигнатур, которая хранится геноме бактерии. Учёные обманули систему, подсовывая фрагменты своего анимированного файла, кадр за кадром, вместо вирусов. Обманутая иммунная система сама сложила из них нужную последовательность.

Для записи выбрали одно из первых в истории анимированных изображений в истории фотографии — чёрную лошадь, движущуюся на белом фоне, которую записал на своей ферме в Пало Альто (Калифорния) английский и американский фотограф Эдвард Мейбридж в 1877 году. Это был первый в мире успешный опыт хронофотографии. Спустя двадцать лет опыт перенимут братья Люмьер и назовут его кинематографом.


«Лошадь в движении» Мейбриджа

В ДНК был записан анимированный файл с бегущей лошадью размером 36×26 пикселей. Затем с помощью техники секвенирования ДНК исследователи восстановили анимацию с точностью 90%.

Плотность записи информации в ДНК гораздо выше, чем во флеш-памяти или на магнитных носителях. В 1 грамм ДНК можно записать около 1 зеттабайта файлов (10²¹ байт), а вся генетическая программа человека помещается в 1,6 ГБ. По другим оценкам, если посчитать общий объём информации в ДНК всех человеческих клеток, то выходит около 60 ЗБ, а 99,9% этой информации у всех одинаково.

Авторы научной работы говорят что ДНК имеет ценность не только как носитель существующей информации, но и как средство для записи биологических процессов в организме, которые потом можно будет считать и расшифровать, как лог-файлы с сервера. Например, науке неизвестно, как происходит развитие клеток на ранней стадии. Ведь всё разнообразие человеческих клеток развивается из совершенно одинаковых плюрипотентных стволовых клеток. По неведомым причинам некоторые из этих клеток превращаются в клетки мозга, другие — во внутренние органы, в кровяные клетки и т. д. Процесс выбора роли и времени, когда принимается «решение» о превращении в ту или иную клетку, а также о факторах, под воздействием которых принимается это решение, пока до конца не исследованы наукой. Возможно, «цифровые» логи — система записи и хранения информации внутри клеток — дадут хронологическую запись развития клетки и помогут нам разобраться в деталях этого процесса. Но сначала систему проверяют на цифровых данных.

Любопытно, что задолго до развития молекулярной биологии о записи информации в ДНК говорил Ричард Фейнман: «Биология не просто пишет информацию, она нечто делает с ней», — говорил он в лекции 1959 года. Та его лекция подтолкнула д-ра Леонарда Адельмана (один из соавторов алгоритма шифрования RSA, где его фамилию обозначает буква А) к первым экспериментам по записи данных в ДНК. В 1994 году он сообщил, что молекулярные вычисления сумели решить математическую задачу из комбинаторики.

Прогресс в биоинформатике идёт сумасшедшими темпами. Первое секвенирование человеческого генома заняло несколько лет и стоило $3 000 000 000. Самые оптимисты говорили, что спустя 50-60 лет мы сможем снизить стоимость до $1000. На самом деле для этого понадобилось шесть лет.

Научная работа опубликована 12 июля 2017 года в журнале Nature (doi:10.1038/nature23017, pdf).

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию