Первый человек, который проживет 150 лет, уже ходит по планете

На вопрос, почему человек стареет, в мире готовы отвечать только философы и биологи. Именно для последних процесс старения стал не только фундаментальной задачей, но одним из основных направлений множества исследований в научной области. Украинский генетик, геронтолог, cооснователь лаборатории Diagen Александр Коляда поделился с ITC.ua достижениями биологии в области изучения старения. Александр рассказал, почему открытие микробиома стало новой вехой, знаменующей собой будущие великие открытия, как следы ДНК помогут раскрыть преступление и нужно ли улетать на Марс, опасаясь смертельной пандемии.

Основные открытия в биологии в 2021 году: исследования трехмерной структуры белков с помощью искусственного интеллекта, выделение и секвенирование ДНК из грязи, редактирования генов методом CRISPR. Объясните, почему это важно, что это дает в перспективе?

К слову, эти открытия выделил журнал Science. Что это дает в перспективе? Если коротко, то вопрос решения 3D-структуры белков – это вопрос, который был на повестке где-то лет 50. Ученые не могли его решить и за первые шаги в этом получали Нобелевские премии. А сейчас оказалось, что для того, чтобы это сделать, можно применить искусственный интеллект и он создаст 3D-структуры в сотни тысяч раз быстрее.

А можно поподробнее?

Речь идет о том, что в ДНК записана последовательность аминокислот в белке. То есть последовательность «бусинок», которые представляют собой белковую молекулу. Но каждая из этих «бусинок» взаимодействует с соседними «бусинками». Так как это все не в 2D, а 3D, то получается некая пространственная структура. Взаимодействия происходят в трех плоскостях. И представьте себе «бусы» длиной в метр из маленьких «бусинок», каждая из которых сделана из магнитов, и какие-то будут притягиваться, какие-то будут отталкиваться. И вам надо предсказать, какая же будет структура – учесть заряд каждой из бусинок и как он будет соотноситься со всеми другими бусинками. Это такая нетривиальная задача.

То есть это больше математика? Смысл такой, что построить эту трехмерную белковую структуру, а затем, когда нужно, воспроизводить для остальных белков?

Это на стыке математики и химии. Да, не только сделать быстро. Ученые уже воссоздали такие структуры для сотен тысяч белков человека. То есть за полгода мы получили не просто метод, мы получили все эти структуры, о которых большинство ученых не могли и мечтать.

А что это даст?

Когда вы понимаете структуру белков, вы можете эффективнее подбирать к ним лекарства. И, по-видимому, это даст толчок в молекулярном докинге, то есть в подборе лекарств на компьютере, которые могли бы взаимодействовать с этим белком. Вы же хотите создать лекарства, которые будут на что-то действовать. Поэтому надо быть уверенными, что подействует с этой молекулой, а не с другой, необходимо знать структуру белка. Эти структуры были во многом неизвестны.

Так ясно. Тогда немного о выделении и секвенировании ДНК из грязи.

В науке раньше нужны были весомые части организма. То есть нужно было иметь частички плоти, чтобы выделить ДНК. Сейчас же ученые смогли выделять ДНК, что называется, из окружающей среды – из воздуха, из грязи, из воды. Теперь можно узнать, что в определенном месте проходил, присутствовал какой-то биологический организм. Это полезно для археологии, для палеонтологии, для криминалистики.

В фантастических фильмах, кстати, частенько показывали, что на месте преступления по следам ДНК обнаруживали преступника. Что-то подобное, да?

Ну, это и сейчас делается. Можно исследовать волосы, кровь, сперму. А в нашем случае преступник может притронуться к земле, просто держать в руках какую-то грязь, пыль, потом из этой грязи мы можем определить, кто до нее дотрагивался.

Редактирование генов. Я так понимаю, что сейчас основная проблема – это редактирование генов без каких-то последствий, то есть генетических отклонений?

Нет, это не основная проблема. Основная проблема в редактировании генов – вопрос точности этого редактирования и вопрос доставки, то есть два вопроса на повестке. Потому что отредактировать можно много чего, но нельзя доставить эту систему редактирования в клетки, в которые вы хотите. Внедрить в клетку. Второй вопрос – это точность. То есть сейчас эти механизмы точны на 80–90%. Когда речь про растения – это нормально. Когда речь про человека, это маловато.

То есть через какое-то время эту технологию отработают? Поэтому увеличится вероятность предотвращения болезни или лечения?

Есть болезни, которые могут возникнуть у ребенка с вероятностью 100%, и вы можете их предотвратить, когда ребенок будет на стадии нескольких клеток. Так же и взрослому человеку можно исправить ту болезнь, которая у него уже есть.

Микробиом разнообразнее генома. Можно пояснить, почему микробиом – это новое поле для эпохи великих биологических открытый?

В начале 2000-х мы расшифровали геном человека и очень сильно радовались. Потому что нашли целых 23 тыс. генов, которые обеспечивают человеческие функции – какую еду как будем переваривать, какими болезнями будем болеть. А через 10 лет после этого мы нашли сотни тысяч генов микробов, которые тоже что-то делают. Но в отличие от генома, который у нас постоянен, микробы вариативны, они меняются. То есть ими можно заразиться, от них можно избавиться. Их бывает больше, их бывает меньше. Поэтому это все равно, что мы перешли на другой уровень. Получается, что мы снова в начале пути. У нас есть много генов, много разных микробов, и предстоит расшифровать, что они делают, что обозначают, почему их много. Явно мы видим, что они кодируют большую часть наших свойств – от особенностей интеллекта до риска всяких болячек. Это все закодировано в микробах нашего организма в том числе.

То есть получается, что какая-то глобальная система генома каким-то образом функционирует с микробиомом и в каких-то задачах как-то они соприкасаются?

Да, так и есть.

А есть какое-то понимание хоть каких-то вещей по микробиому?

Конечно, какое-то понимание у нас есть. У человека в кишечнике живет 2 кг микробов – 2 тыс. видов микроорганизмов, у каждого из них есть своя жизнь – микроб что-то ест, что-то выделяет. Это что-то как-то взаимодействует с человеком. И каждый из этих микробов сейчас в науке распутывается. Когда-нибудь это сложится в одну большую картину, но до этого еще далеко. Пока мы относимся к этому как к «черному ящику». Мы знаем, что их 2 тыс. видов. Понимаем, что если человека покормить антибиотиками, то все идет плохо. Мы знаем, что, если вырастить мышку вообще стерильную без микробов, она скоро умрет. Мы знаем, что если подсадить микроба молодого здорового человека старому человеку, то ему становится лучше. Мы много чего знаем, но опять-таки это «черный ящик». Мы что-то там тыкаем, что-то получаем на выходе. Как так происходит, в полной мере пока не понимаем.

А помимо кишечника где еще обитают микробы?

Это тоже одно из больших открытий последней десятилетия – мы поняли, что ничего стерильного у нас нет. То есть много микробов на коже, во влагалище, в половых путях, их много во рту, во внутренних органах. Также немного есть в мозге. Есть особые микробы вокруг раковых опухолей, которых оперативно изучают. Потому что вокруг рака живут микробы, но никому не понятно, что они там делают – они с этим раком борются или, наоборот, его вызывают?

Если мы говорим про кишечник, они заселяются во время родов, заселяются с продуктами питания, которые мы употребляем.

То есть микробиом – это приобретенное?

Конечно. Человек рождается почти стерильным. В нем живет с десяток видов микроорганизмов. И все эти тысячи он приобретает за первые годы жизни. То есть мы понимаем, как это происходит. Основное заселение происходит прямо во время родов из влагалища женщины. Отсюда много вопросов про рожденных с помощью кесарева сечения: они не получают большую часть микробов и это сказывается на их здоровье, ведь избегают контакта с лактобактериями.

«Омикрон» – это последняя опасная «модификация» коронавируса? Ели нет, что какие есть еще варианты?

Он может меняться. Эволюция непредсказуема. Поэтому сценариев несколько. Возможно, он пойдет по пути гриппа и будет малолетальным, малоопасным для людей. Или он пойдет по другому пути и станет более опасным, приобретет мутации. Или все будет так, как есть. Три варианта.

А более опасный в чем может быть?

В чем угодно. Будет более заразный, будет больше убивать людей, будет заражать детей, будет приводить к быстрому развитию заболевания.

Считается, что задача вируса – выжить, чтобы находиться в носителе. Сейчас ситуация с «Омикроном» совпадает с этим пониманием.

Это один из сценариев. То есть полиомиелит не пошел таким путем. Полиомиелит – это вирус, который существует сотни тысяч лет, но он никогда не ослабевал. Вот какой он был в начале, такой он и сейчас.

То есть речь в большой выборке в мутации вируса? Огромное количество переболевших, соответственно, большое число эволюционных мутаций. Так это работает?

Размер выборки – это один из факторов, полно других моментов. Еще важно количество людей с низким иммунитетом, которые им заражаются.
В организме человека с подавленным иммунитетом, например при раке или СПИДе, вирус сможет жить в течение года и в нем возникнет множество мутаций. Такой человек может дать начало штамму вируса с новыми свойствами.

Кстати, коронавирус передается животным, периодически в зоопарках бывали случаи, наверняка вы слышали.

До этого он передавался от летучих мышей, верблюдам. Так было с датскими норками, которых заразили животных, а в их организме возникла новая мутация. Пришлось в Дании истребить миллионы норок, потому что если бы он обратно передался людям, то была бы там очередная волна эпидемии.

Какие еще вызовы стоят перед человечеством? Например, все меньше становится сперматозоидов – это означает вымирание?

Я бы не придавал этому большое значение. То есть достаточно пары сперматозоидов, чтобы процесс произошел. То, что их стало не миллион, а полмиллиона, это в принципе никак не отражается на нашей репродуктивной функции.

То есть сценарий фильма «Дитя человеческое», который повествует о том, что люди потеряли способность размножаться, нам не грозит?

По аналогии с другими видами я не знаю ни одного организма, который бы потерял способность размножаться таким путем. Смею предположить, что человечеству это не грозит. Почему активность сперматозоидов уменьшается, никто не знает. Те, кто ратует за экологию, говорят, что дело в токсинах. Те, кто против порнографии, говорят, что дело в порнографии. Поэтому ответа на это у нас нет, к сожалению.

Как раз по поводу долголетия и примера Японии. Почему в 1963 году в Японии было всего 153 человека старше 100 лет. А в 2018 году их уже стало 70 тыс. Это локальный успех или цивилизационный?

Дело может быть как в генетике, так и в образе жизни или в особенностях культуры. Какие-то общие признаки долголетия вырисовываются: мы понимаем, что не надо пить, курить и что попало есть. Обеспечит ли это по всему миру долголетие? Наверное, нет. Но во всех странах срок жизни растет, хотя и с разной скоростью.

А какой сейчас предел для возраста?

Есть две теории. Некоторые говорят, что 120 лет, некоторые говорят, что предела нет.

Можно ли предположить, что через 100 лет это будет 200 лет?

Можно предположить все, что угодно. Известный Обри ди Грей говорит, что первый человек, который проживет 150 лет, уже ходит по этой планете. Почему бы и нет? За последние 100 лет срок жизни вырос на 30 лет. То есть как минимум в следующие 100 лет мы можем рассчитывать на те же 150 лет жизни человека.

По поводу старения. Почему это до сих пор загадка для биологии? Имеется в виду, что не решили проблему старения.

Потому что не до конца понятен механизм. Вопрос в биологии всегда в одном и том же. Когда вы понимаете механизм, вы можете много чего сделать. В старении непонятен механизм – это очень комплексный процесс. Поэтому вопрос остановки старения или его лечения все еще открыт.

Механизм – почему живое существо стареет? Речь об этом?

Почему возникает старение, как развивается, как запускается.

А какие знания у нас сейчас есть? Что мы понимаем из всего этого?

Мы идем по пути отбрасывания неправильных теорий. Понимаем, что у нас нет органа, который бы нас старил, процесс комплексный, происходит во всех клетках организма. Мы понимаем, что стареют не все клетки. Есть старые клетки, есть клетки молодые. Они есть и у пожилых, и у молодых людей, просто пропорция у них разная. Мы знаем, что клетки умеют считать свой возраст и ведут себя в соответствии с тем возрастом, который они насчитали. Мы знаем, что клетку можно состарить или можно омолодить при помощи факторов внешней среды. Ну и так далее.

Клетка знает свой возраст? Как это понимать? Как она себя ведет в зависимости от возраста?

Это значит, что у клетки внутри есть некоторые счетчики, которые знают количество прожитых лет или делений, которые эта клетка прошла. И она может эти счетчики подсчитывать внутри себя. Исходя из этих показателей, ведет себя по-разному.

Это у всех организмов, которые стареют? Имеется в виду животные.

По-видимому, да.

А растения?

Да, но эта тема очень мало изучена. Похожие вещи происходят, но я не могу сказать, что кто-то понимает процессы или много времени этому уделяет.

Вы говорили, что в каждой клетке есть базовые настройки, они могут сбрасываться с рождением нового организма. Как это происходит? Нобелевский лауреат Синья Яманака в середине XX века выяснил, что культуры почти любых «взрослых» клеток тела человека и других живых существ можно превратить в стволовые, если активировать в них четыре ключевых гена. Их назвали факторами Яманаки. Они помогли понять процесс омоложения? Это понимание как-то изменило научное сообщество и что с этим делать?

То, что взрослые люди рождают младенцев, с факторами Яманаки никак не связано. Почему организм взрослого производит на свет организм ребенка – на это ответа нет. Факторы Яманаки – это факторы, при которых в лабораторных условиях из старой дифференцированной клетки можно получить недифференцированную, то есть эмбриональную. Это не относится к целому организму, и эти факторы – искусственная конструкция. То есть в природе они так не работают, как предложил профессор Яманака. Его открытие поясняет, как в лабораторных условиях получить эти клетки, чтобы дальше использовать для каких-то лабораторных или научных нужд. Это большой прорыв. То есть его задачей не было омоложение человечества или что-то подобное. Если честно, ничего такого близкого к практике из этого открытия не произошло, хотя для науки это дало много инструментов.

Продолжим об оценке биовозраста. Зачем вообще это нужно?

Во-первых, ученые это делают, чтобы иметь маркер для измерения меры старения. То есть вы, например, хотите тестировать в эксперименте, как влияет какой-то витамин на темп вашего старения. Но чтобы поставить такой эксперимент, вам нужно кормить кого-то витаминкой 150 лет и ждать, когда эта группа людей умрет, посчитать данные, сравнить с контрольными. Но вы не хотите получить данные в этом году, а не ждать 150 лет. Поэтому вы даете человеку эту витаминку, меряете биологический возраст и смотрите: человек за год состарился на 12 месяцев, на 10 месяцев или на 14 месяцев. И исходя из этого делаете вывод: эта таблетка замедляет старение или ускоряет. Мы же ищем вещества, продлевающие жизнь. Поэтому это самое простое, понятное применение. И это работает не только в фармацевтике. Например, вы хотите узнать, какие физические упражнения, какой вид спорта как действует.

Считается, что эпигенетические модели определения биовозраста эффективны. Почему?

Они показали самую большую точность. То есть это метки, которые есть на ДНК, просты в использовании. Вам не надо собирать литры крови у человека, вам достаточно капли. И на этот момент точность и предсказательная сила генетического возраста самая большая из всех маркеров возраста.

А какая точность?

Есть штук шесть разных показателей точности. Например, наш показатель точности биовозраста составляет 3,5 года. Это значит, что вы ошибаетесь плюс-минус на 3,5 года.

Это считается хорошим показателем, я так понимаю?

Да, это один из лучших.

Я читал недавно исследование, что проявляется больше старческих заболеваний. Почему так? Например, болезнь Альцгеймера до сих пор неразрешенная проблема.

Дело в том, что мы до них доживаем. Характерный возраст для инфаркта, характерный возраст для инсульта, для рака, для болезни Альцгеймера. И если в Украине 60% умирает от инфаркта и всего 10% умирает от рака, то в Америке от рака умирает 40%. Дело не в том, что американцы живут в токсичном регионе, а в том, что они доживают до рака. Потому что сердечно-сосудистые начинаются в 60 лет, рак начинается в 80 лет. То же с болезнью Альцгеймера. Она начинается в среднем с 70 лет.

Почему лекарства от болезни Альцгеймера пока не создали?

Мы пока не понимаем механизм. То есть мы последние 30 лет крутимся вокруг так называемой теории накопления амилоидов, считая, что болезнь Альцгеймера появляется, потому что в мозге накапливается один белок – бета-амилоид. И он токсичен для мозга. Но вот есть все больше и больше подозрений, что мы неправильно это понимаем и причины перепутали со следствиями. Сейчас мы направляем все свои усилия на то, чтобы как-то нейтрализовать этот белок, но почему-то это не заканчивается успехом.

Насчет рака. Это ведь тоже какая-то мутация в клетках? Почему она происходит, понятен принцип?

С раком принцип относительно понятен. Но тут вопрос, наверное, в способе доставки лекарств. Лекарства от рака очень токсичны и убивают не только рак, но и весь организм. Другой вопрос в диагностике: мы слишком поздно распознаем рак, когда он уже во многих местах, и не можем его из-за этого вылечить.

То есть мы сейчас пока не можем конкретно действовать на сами клетки, измененные раком, а действуем на весь организм в надежде, что лекарство подавит и клетки рака?

Нет, так мы не действуем. Во-первых, есть 200 видов рака. Некоторые мы лечим со стопроцентной эффективностью, некоторые – с пятидесятипроцентной, некоторые – с нулевой эффективностью. И в этом главная проблемы рака – он слишком разный. Проблема в том, что мы не можем доставить лекарства туда, куда нужно. Мы слишком поздно диагностируем. Те лекарства, которые есть, слишком системны и действуют не только на рак, но и на другие органы. И там еще куча вопросов.

Если говорить о важных открытиях в биологии за последние 30 лет, что можно назвать?

С 1990 года, получается? Конечно же, расшифровка генома человека на первом месте. Мы расшифровали весь геном, знаем все буквы, которые там записаны. Где-то на первых местах проекты тысячи геномов и массовое сканирование людей. То есть мы узнали, что люди разные и чем отличаются между собой. Почему темнокожие – темнокожие, светлокожие – светлокожие, высокие – высокие, низкие – низкие. Мы видим это разнообразие между ними. Где-то там в топе еще и редактирование этого генома. То есть мы научились эти гены редактировать достаточно эффективно. 40 лет назад это казалось космосом, сейчас у нас это делают студенты. Вы можете взять клетку и заставить какой-то ген работать или не работать. Много успехов в синтетической биологии. Это значит, что несколько раз ученым удалось синтезировать клетку заново. То есть вы просто синтезируете химически молекулу ДНК, помещаете ее в оболочку, и это работает. Потому что 40 лет назад еще были какие-то мысли по поводу того, что мы вроде бы знаем, как все работает, но оставалось место для божественного промысла, души.

Вопрос первой клетки, возникновения?

Нет, это не об этом вопрос. Это вопрос о том, можем ли мы химически создать не первую, но клетку. Потому что до этого мы все понимали биологически. То есть мы могли взять одну клетку, получить делением из нее вторую, третью, и всё. А вот можем ли мы воссоздатьс первоначальных химических компонентов? Это как вы компьютер соберете из запчастей – кардинально новая история. Потому что запчасти – не равно компьютер, а химия – не равно биология. А Крейг Вентер за последние 20 лет взял химию и из химии создал биологию. И биология заработала. То есть это показало, что биология сводится к химии, а химия в свою очередь – к физике. Теперь мы знаем уже достаточно для того, чтобы создавать что-то кардинально новое.

Если ДНК всех людей совпадает на 99,9%, это означает, что у нас был один предок или несколько? И вообще, этот фактор помогает науке? Это доказывает эволюционную теорию, идею инопланетного заселения или божественную?

Это три разных фактора. ДНК всех людей совпадает на 99,9%. Это означает, что у них был один предок или несколько. Это не означает и не опровергает никакую из указанных теорий. ДНК человека и шимпанзе совпадает на 95% между собой. Это тоже ничего не доказывает, кроме родственности человека к шимпанзе. А у человека однозначно был… Тут вопрос с подвохом. Был ли у человека один предок или несколько – этот вопрос еще не решили на самом деле.

Я имею в виду, что все-таки у нас отличия в ДНК есть, соответственно, может, были какие-то разные ветви?

Есть теория полигенетического происхождения, которая гласит, что человек возник в нескольких местах в разное время и потом скрестился между собой. Она до сих пор жива, но у нее очень мало подтверждений. Скорее всего, если такое было, то все остальные ветви человека вымерли, осталась какая-то одна из них, которую мы все с вами представляем.

Почему все-таки ДНК не совпадает у всех людей. То есть это подтверждение первоначальной теории?

ДНК людей отличается так же, как ДНК всех организмов. ДНК березы совпадает с ДНК других берез тоже на 99,9%, плюс-минус процент. Люди не уникальны. Происходит это потому, что при копировании ДНК возникают ошибки, опечатки. У европейцев это опечатки в каждой тысячной букве генома. Это как раз результаты этих накопившихся опечаток. Благодаря им мы все такие разные. То есть эти отличия возникают из-за мутаций.

Это помогает науке? Или, наоборот, это помогает вирусам быстрее распространяться?

И так, и так. Люди разные. Рано или поздно найдется человек, невосприимчивый к вирусам. С другой стороны, то, что люди разные, создает некоторые трудности. То есть некоторые пары не могут иметь детей как раз в силу того, что проценты мутаций не сходятся между собой. Или от пары рождаются дети с аномалиями. Считается, что чем разнообразнее популяция или вид, тем они устойчивее.

Какие основные вызовы в биологии помимо старения в ближайшие сто лет? Что нам нужно еще понять? То, что мы назвали: микробиом, старение… Что еще?

Лечение болезней. Также большой вызов – адаптация организма к космическим полетам. То же заселение Марса.

Есть две теории. Одна говорит, что надо лететь на Марс, чтобы спасать человечество. Другая – что надо здесь выживать, у нас еще целый океан не освоенный. Как вы считаете, какое у нас направление должно быть с точки зрения биологии, выживаемости человека?

Каждый на что может, на то и надеется. Если фантазии какого-то человека хватает, чтобы отправить людей на Марс, пусть он этим занимается, ничего плохого в этом нет. Территории на планете Земля достаточно. Чтобы жить всем еще какое-то время – так точно.

Я так понимаю, что имеется в виду, что произойдет какая-то, условно говоря, эпидемия и люди на Земле все вымрут, а на Марсе останутся. Вероятен такой исход?

С точки зрения эпидемиологии мне трудно представить такую ситуацию. Не может быть такой эпидемии, чтобы все люди вымерли на 100%. По крайней мере мы никогда за миллионы лет таких эпидемий не видели. Потому что все люди разные и хоть кто-нибудь да выживет. Во-вторых, если люди будут летать на Марс, то там заразятся точно так же, как жители Гренландии, например, заразились коронавирусом. Хотя там пароход ходит раз в неделю в Британию. То есть много технических вопросов. Вирусология не понимает, чем Марс поможет нам выжить.

Нобелевскую премию по физиологии 2021 года получили Давид Джулиус и Ардем Патапутян из США за открытие рецепторов температуры и прикосновения. Почему это важно?

Это важно по техническим научным вопросам. Есть рецепторы, которые отвечают за температуру, и они используются учеными для управления другими клетками. Грубо говоря, мы нашли эти рецепторы на клетках, сейчас можем их вырезать и вставить в другие клетки и за счет температуры этими клетками управлять. То есть у вас есть тысяча клеток и вы тепловым лучом на чашке Петри можете подогреть эту клетку и у нее задействуется рецептор, откроются некоторые каналы и будете ее таким образом активировать. Это открытие дало новый инструмент ученым, чтобы лучше изучать клетки. Пока тут нет практического значения, но, безусловно, это открытие удобного инструмента, который ученые могут применять для управления клетками.

Автор: Максим Бутченко Максим Бутченко

Источник: itc.ua