Original Material
"По следам Эскулапа"
Темы передачи: 50-летие открытия структуры ДНК, новые кровоостанавливающие бинты, а также короткие медицинские новости.
Евгений Муслин: Почти все без исключения массовые информационные средства отметили, казалось бы, сугубо научную дату - 50-летие открытия Уотсоном и Криком структуры дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) - хранителя генетической информации. Заголовки некоторых статей, посвященных этому событию, говорят сами за себя: "ДНК изменила мир!". Мы попросили профессора Даниила Голубева напомнить и о самом этом открытии, и рассказать о том, на какие актуальные для нашего времени направления науки и практики оно оказало или продолжает оказывать влияние.
Даниил Голубев: Сначала - немного истории.
1859-й год. Чарльз Дарвин выпускает в свет свою великую книгу "О происхождении видов", в которой обосновывает эволюционную теорию живой материи. Но на вопрос о том, как закрепляются в потомстве изменения в структуре и функциях живых организмов, возникшие в процессе эволюции, Дарвин ответить тогда не смог.
1865-й год. Грегор Мендель на модели гороха впервые установил существование особых "наследственных факторов" (позднее названных "генами"), которые передаются от одного поколения к другому, перенося при этом определенные признаки. Только в 1926-м году русский биолог С.С.Четвериков соединил дарвинизм с менделизмом, показав, что подхваченные естественным отбором при эволюционном процессе (по Дарвину) свойства есть ни что иное как "полезные" изменения (мутации) в генах, открытых Менделем.
Евгений Муслин: Но что же такое сами гены?
Даниил Голубев: В 1869-м году биохимик Джоан Мишер выделил из клеточных ядер неведомое доселе вещество со свойствами слабой кислоты. Позднее (в 1909-м году) химик Фойбус Левин установил, что в состав этой кислоты входит углевод дезоксирибоза, и она стала называться дезоксирибонуклеиновой (ДНК). В 1920-м году тот же Левин идентифицировал в составе ДНК четыре азотистых основания: аденин (А), гуанин (Г), цитозин (Ц) и тимидин (Т), составивших много позднее "генетический алфавит".
Итак, уже в 20-х годах ХХ века знали, из чего состоит ДНК. Эти сведения были существенно дополнены в 1950-м году биохимиком Эрвином Чаргафом, обнаружившим, что в молекуле ДНК количество А равно количеству Т, а количество Г равно количеству С (соотношение - 1:1; "Правило Чаргафа"). Но что касается роли ДНК в хранении и передаче наследственной информации, то к началу 50-х годов по этому поводу имелись только "подозрения".
Евгений Муслин: Слово "подозрения" действительно адекватно отражает отношение к роли ДНК в хранении генетической информации в то время?
Даниил Голубев: Вполне адекватно! Не говоря уже о "лысенковщине", вообще отрицавшей существование каких-либо материальных носителей наследственности, (а именно в это время после сентябрьской сессии Академии сельскохозяйсвенных наук СССР 1948-го года эта лженаука заняла господствующее положение в биологии всех стран так называемого "социалистического лагеря"), даже многие видные западные ученые не верили, что столь малая по молекулярному весу структура может выполнять функции монопольного хранителя генетической информации.
По сути дела, в то время было известно одно прямое доказательство участия ДНК в процессе передачи наследственных свойств. В 1944-м году микробиологи Эвери, МакКарти и МакЛеод впервые передали от одного микроба к другому определенные свойства с помощью некоего вещества, выделенного из первого микроба. Этим веществом оказалась... ДНК.
Но вот 28 февраля 1953-го года два молодых ученых из Кембриджского университета Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик сообщили о своём открытии структуры молекулы ДНК. Согласно их открытию, эта молекула представляет собой спираль, состоящую из двух антипараллельных цепочек. В каждой цепочке, имеющей фосфатно-сахарную основу, содержатся азотистые основания, и водородные связи между А и Т, с одной стороны, и Г и Ц - с другой, определяют устойчивость двуспиральной структуры. Они установили, что последовательность азотистых оснований в структуре двуспиральной ДНК является "кодом" генетической информации, который передается при копировании (удвоении) молекулы. Статья Уотсона и Крика под названием "Молекулярная структура нуклеиновых кислот" была опубликована 25 апреля 1953-го года в журнале "Nature" - "Природа". В этом же номере была напечатана статья сотрудников Лондонского "Кингс Колледжа" Розалин Франклин и Маурици Вилкинса, в которой были описаны результаты рентгеновского исследования молекулы ДНК, показавшего воочию, что эта молекула действительно представляет собой двойную спираль.
Великое открытие свершилось и было признано всем мировым научным сообществом. В 1962-м году Уотсон и Крик за открытие двойной спирали ДНК были удостоены Нобелевской премии. Не оценено и не признано это открытие было только в Советском Союзе, в котором безраздельно господствовало тогда лысенковское мракобесие. Это господство стало разваливаться только в конце 50-х годов, и с этого времени началась регенерация советской биологии, разгромленной Сталиным и Лысенко. А ведь в 20-е и 30-е годы русская биология с ее выдающимися лидерами Вавиловым. Кольцовым, Карпетченко, Дубининым, Рапоппортом занимала одно из ведущих мест в научном мире. Кольцов и Тимофеев-Рессовский еще в те годы высказывали предположение об "авторепродукции" наследственных структур, но этим предположениям, увы, не дано было осуществиться в той стране где они были впервые сформулированы. Советская биология была буквально разгромлена, и последствия этого разгрома не удалось преодолеть до сих пор.
Евгений Муслин: Ну, а как развивались события в научном мире Запада после раскрытия структуры ДНК?
Даниил Голубев: Открытия посыпались одно за другим, как из рога изобилия. В коротком обзоре невозможно их даже перечислить и тем более назвать имена всех ученых, их совершивших. Подавляющее большинство из них стали также Нобелевскими лауреатами. Назову только самые существенные вехи последующих событий, которые в своей совокупности создали современное здание молекулярной биологии и генетики.
1961-й год. Американские биологи Ниренберг и Очоа установили, что отдельные участки ДНК кодируют, то есть определяют структуру совершенно конкретных белковых структур ("три расположенных рядом нуклеотида кодируют одну определенную аминокислоту").
В первой половине 70-х годов впервые получены гибридные молекулы ДНК ("ДНК-ДНК"), способные проникать в клетки различного происхождения и стимулировать там синтез несвойственных этим клеткам белков. Это было рождением новой научной и прикладной дисциплины - генной инженерии, сразу же взятой под правительственный контроль в связи с потенциальной возможностью ее использования для создания биологического оружия.
В 1977-м году был создан первый вариант "машинного" метода определения нуклеотидных последовательностей в молекуле ДНК ("Метод Сэнгера"), что резко увеличило количество раскрытых ("прочитанных") геномных участков и целых генов. С тех пор техника такого прочтения быстро совершенствуется.
В 1982-м году получено первое лечебное средство нового поколения - генно-инженерный инсулин. Он производится бактериальными клетками, в которые вводится ДНК, кодирующая структуру белка инсулина.
В 1983-м году разработан способ увеличения количества молекул ДНК с помощью фермента полимеразы (так называемая реакция ПиСиАр), а в 1985-м - метод индивидуального молекулярного "фингерпринтирования" (то есть своеобразного варианта "снятия отпечатков пальцев") каждой оригинальной пробы ДНК. Это позволило осуществлять сравнение разных проб ДНК между собой для определения их идентичности или, напротив, несхожести. Эти методы сразу же начали применяться в судебной медицине для идентификации биологических "следов преступления", а также для установления отцовства. Кроме того, весь этот новый арсенал методов и приемов нашел широкое применение в палеонтологиии и других разделах научных и прикладных исследований, где необходимо увеличить количество молекул ДНК и сравнивать их структуру между собой.
Евгений Муслин: А когда впервые началась расшифровка структуры генома человека?
Даниил Голубев: Это произошло в начале 90-х годов, и первым директором Проекта "Геном человека" в Национальном Институте Здоровья США стал все тот же Джеймс Уотсон. Именно он объявил в октябре 1990-го года о начале работ по этому беспримерному по своим масштабам научному начинанию стоимостью в 3 миллиарда долларов. Было намечено завершить проект в 2005-м году. Забегая вперед, скажу, что проект этот был выполнен досрочно, фактически в 2000-м году, главным образом, благодаря включению в эту работу частной фирмы "Целера", созданной доктором Крэгом Вентером. Именно Вентера и нового директора Проекта "Геном человека" доктора Фрэнсиса Коллинса, сменившего на этом посту Джеймса Уотсона, принимал в Белом Доме в 2000-м году на торжественной церемонии, посвященной завершению работ по Проекту, тогдашний президент США Билл Клинтон.
Евгений Муслин: Какие наиболее важные новые научные результаты были получены при расшифровке генома человека?
Даниил Голубев: Прежде всего, необходимо заметить, что к началу XXI века полностью расшифрован геном не только человека, но и ряда организмов иного уровня сложности, но занимающих важное положение в "эволюционном ряду". Так, сегодня известны полные характеристики геномов бактерии "Хемофилис Инфлуенца", мухи дрозофилы, "элегантного червя", мыши... И вот сравнение геномов этих организмов с геномом человека явилось подлинной сенсацией.
Во-первых, оказалось, что геном человека состоит не из 100 тысяч генов, как всегда предполагалось, а из, примерно 30 тысяч. И это всего на 14 процентов больше, чем количество генов в геноме...мыши. Но на этом сюрпризы не заканчиваются. Только 1 процент мышиных генов не имеют прямого структурного сходства с генами человека, а 99 процентов таким сходством обладают. Аналогичные неожиданные находки были обнаружены и при сопоставлении генома человека с геномами других изученных организмов.
Евгений Муслин: Как можно интерпретировать эти сведения в свете дарвиновской теории эволюции?
Даниил Голубев: Люди и мыши происходят от одного примитивного предшественника-млекопитающего, появившегося на земле примерно 75 миллионов лет тому назад, в конце эры динозавров. Так что предшественник у людей и мышей один, а они между собой родственники, своего рода "кузены", но не близкие. Все эти десятки миллионов лет их эволюция протекала независимо друг от друга, что не может вызывать никаких сомнений, но, тем не менее, 99 процентов мышиных генов имеют прямое родство и сходство с генами человека, и эти факты имеют огромное и общебиологическое, и сугубо практическое, можно сказать, прикладное медицинское значение.
Что касается эволюции, то совершенно очевидно, что все живое состоит из однотипных "кирпичиков жизни", и природе не надо было каждый раз заново изготовлять новый строительный материал, создавая на протяжении эволюционной истории все более и более сложные живые системы. Вот почему имя Дарвина вновь стало особенно часто упоминаться в связи с современными генетическим исследованиями. Идея эволюции живого стала на мощный молекулярный фундамент. Недаром же оглашение итогов раскрытия человеческого генома было произведено в день рождения Чарльза Дарвина - 12 февраля.
Но давайте вернемся к открытию Уотсона и Крика. Оно, конечно, изменило мир. Другими стали целые сферы человеческой жизни: появилась и все расширяется новая генно-инженерная технология производства лекарств и некоторых пищевых продуктов; изменился облик судебно-медицинской экспертизы, многие арестованные люди вышли на свободу, потому что анализ ДНК опроверг обвинения, считавшиеся в прошлом доказанными; расширяются возможности генной терапии многих заболеваний, считавшихся неизлечимыми. Вот только некоторые, но далеко не все последствия события, которое произошло 50 лет тому назад в Кембриджском университете. Очень отрадно, что оба ученых и по сей день продолжают активную работу: Джеймс Уотсон - в Национальной лаборатории в Колд Спринг Харбор, на Лонг-Айленде, под Нью-Йорком, а Крик - в Биотехнологическом Центре в Сан-Диего, Калифорния.
Лилия Шукаева: Несмотря на весь прогресс американской военной медицины, перевязки для солдатских ран мало изменились более чем за сто последних лет.
"Если мы сравним перевязки, которые делались во время Гражданской войны 60-х годов позапрошлого века с перевязками еще пятилетней давности, - говорит подполковник Энтони Пузатери,- врач из армейского Института хирургических исследований, - мы вряд ли заметим какую-либо существенную разницу".
Но в самое последнее время, говорят армейские медики, появились новые перевязочные средства, способные спасти жизни тысячам солдат, которые могли бы погибнуть от потери крови, ожидая в полевых условиях медицинской помощи. Сейчас испытываются три таких новшества для возможного крупномасштабного применения в боевых условиях.
Первое новшество - это вид перевязки, разрабатывавшейся сотрудниками Красного Креста в течение многих лет. Второе новшество представляет собой гранулированный материал под названием Быстрый Сгусток, который можно насыпать прямо в раны. Третье, возможно, самое многообещающее новшество - это кровоостанавливающий бандаж, одобренный Федеральным управлением по контролю качества пищевых продуктов и лекарственных средств, FDA, в ноябре прошлого года, всего через 18 месяцев после его изобретения. Этот бандаж, изготавливаемый из клеток морских организмов, был разработан Орегонским медицинско-лазерным центром, находящимся в пригороде Портленда.
Доктор Кентон Грегори, возглавляющий этот Центр, химик и врач, специализирующийся на разработке биоматериалов, например, тканей для протезирования, состоящих из натуральных протеинов, а также на использовании лазеров для лечения раковых и сердечных заболеваний. Два года назад ему и его коллегам военные поручили разработать новый перевязочный материал, в котором давно испытывалась большая нужда.
Доктор Грегори и его коллеги первым делом испытали все существующие перевязочные средства, в том числе и разработанные Красным Крестом с использованием протеинов, извлеченных из человеческой крови и способствующих ее свертыванию. Такие перевязки пока еще не одобрены FDA и имеют существенные недостатки: они могут вызвать аллергическую реакцию, требуют для изготовления много крови, которой и так не хватает, и к тому же недостаточно прочны для длительного пользования. Перевязочный материал, разработанный доктором Грегори и его коллегами, по-видимому, успешно решает перечисленные проблемы. Кровотечения - это наиболее частая причина смерти солдат в боевых условиях, и новые бинты с их высокой абсорбирующей способностью могут спасти тысячи жизней.
Новые, так называемые "читозановые" бинты изготовляются из хитина - натурального углевода, содержащегося в экзоскелетах множества морских животных, в частности, в раковинах моллюсков и ракообразных. Читозан, который является самым распространенным после целлюлозы биологическим веществом на нашей планете, также является не протеином, а полисахаридом. И как таковой, он не вызывает аллергических реакций. Имея положительный электрический заряд, читозан притягивает к себе отрицательно заряженные наружные мембраны красных кровяных клеток, что способствует свертывнию крови независимо от обычного процесса свертывания в организме. По словам доктора Грегори, его бинты способны свернуть кровь даже у гемофиликов.
Как бы там ни было, а испытания показали, что читозан останавливает самые тяжелые кровотечения и позволяет пациентам благополучно дождаться серьезной медицинской помощи. Надо сказать, что о свертывающих свойствах читозана было известно давно, но до сих пор никому не удавалось изготовить из него достаточно прочного материала, объясняет непосредственный разработчик новых бинтов доктор Билл Вайсман, возглавлявший в прошлом полевую армейскую медицинскую службу.
"Мы старались создать бинты, которые выдерживали бы 45-градусные арктические морозы и 60-градусную жару, как в Сахаре, и которые обладали бы высокой механической прочностью", - говорит доктор Грегори.
Новые бинты пригодятся не только на поле боя. Кровотечения - главная причина смертности и среди гражданских лиц, оперируемых в связи с тяжелыми травмами. Новые кровоостанавливающие бинты недавно использовал даже один нейрохирург, удалявший клубок спутанных кровеносных сосудов мозга, поскольку такая процедура связана с высоким риском смерти от потери крови.
Доктор Грегори и его коллеги надеются организовать массовое производство своих кровоостанавливающих бинтов к этому лету или осени. Военные уже заказали им бинты на 20 тысяч перевязок. "В американские больницы обращаются за скорой помощью в связи с кровотечениями ежегодно 70 миллионов человек, - говорит доктор Пузатери. - Это огромная проблема. В конце концов, у каждого из нас бывают кровотечения".
Евгений Муслин: И в заключение нашей передачи короткие медицинские новости.
Как заявил представитель британского Министерства здравоохранения, расширенное применение противохолестериновых лекарств, так называемых "статинов", позволяет ежегодно спасать жизнь шести тысячам англичан. К марту 2003-м году такие препараты прописываются почти 19 миллионам человек по сравнению с 11 миллионами три года назад.
Британский руководитель программы борьбы с сердечными болезнями доктор Роджер Бойль заявил, что "болезни коронарных артерий сердца, убивающие в Англии ежегодно 110 тысяч человек, можно предотвращать, и что снижая уровень холестерина у людей, относящихся к группам повышенного кардиологического риска, можно радикально уменьшить опасность инфарктов".
Во всем мире появляется все больше микробов, устойчивых к антибиотикам. В Америке, в частности, наибольшее беспокойство вызывают бактерии Streptococcus pneimoniae, вызывающие менингиты, синуситы и воспаления легких. Ожидается, что к лету 2004-го года 40% этих бактерий будут резистентны к таким распространенным антибиотикам, как пенициллин и эритромицин.
По данным исследователей из Гарвардского университета, пропорция резистентных бактерий повысилась с 1996-го до 1999-го года чуть ли не вдвое. Такая ситуация, поясняет один из исследователей доктор Марк Липшиц, является еще одним веским аргументом против злоупотребления антибиотиками без достаточных на то оснований. Врачи предупреждали об этом давно. Многие больные требуют, например, прописывать им антибиотики при простудах, хотя простуды вызываются вирусами, на которые антибиотики не действуют.
Врачи должны быть уверены, что у больного бактериальная инфекция, а не вирусная, прежде чем прописывать ему антибиотики, говорится в специальной инструкции, выпущенной недавно FDA. По официальным американским данным, в США ежегодно выписывается 100 миллионов рецептов на антибиотики, половина из которых совершенно не нужны. Значительную роль в сокращении потребления антибиотиков может сыграть вакцинация, особенно детей и стариков, этих двух групп населения, наиболее подверженных инфекциям.