Это делает наших жужжащих спутников отличными подопытными организмами для молекулярных биологов. В 1933 году генетик Томас Хант Морган благодаря мушкам даже получил Нобелевскую премию в области медицины. Он первым сумел доказать, что отдельные гены в клетке последовательно распределены по хромосомам. Фундаментальное знание, без которого сегодня сложно представить медицинское исследование. Так что мушки заложили основы современной генетики.
В процессе подготовки диссертации на степень магистра я тоже имел удовольствие целый год работать с плодовыми мушками. Насекомые обитают в небольших бутылочках, наполовину заполненных богатой питательными веществами почвой. В них личинки живут припеваючи и чувствуют себя превосходно. Примерно через девять дней после вылупления они окукливаются и превращаются в замечательных плодовых мушек. Непрерывно наблюдать за животными, кажущимися настолько отличными от нас, людей, в течение длительного периода времени очень увлекательно. Начинаешь замечать многочисленные сходства. Впрочем, спустя какое-то время я сделал то же, что и большинство молекулярных биологов: я вытащил их мозги. Вам когда-нибудь приходилось делать это? Извлекать мозг плодовой мушки? Это чертовски мелкая вещица. Некоторые физики, занимающиеся исследованием элементарных частиц, обзавидуются. Но было бы несправедливо по отношению к мушкам вытворять такое, не имея на то уважительной причины. Хотя созданные для них условия были по возможности приближены к человеческим и мух перед операцией усыпляли. В данной ситуации меня интересовала не столько сама плодовая мушка, сколько совершенно другой заложник человечества: рак.
У плодовых мушек есть ген, носящий название Brain Tumor, или «опухоль головного мозга». Угадайте, что произойдет, если этот ген будет поврежден? Ученые — прагматики до мозга костей, поэтому они часто называют гены по обозначению того, что случится, если ген выйдет из строя. Следовательно, у мушек есть гены и с такими легко запоминающимися названиями, как «инвалид» или «косолапость». К сожалению, политкорректность в выборе слов среди мушек пока что не получила распространение. Если ген опухоли головного мозга дефектный, у мушки, соответственно, развивается опухоль головного мозга. Для мушек это не очень хорошо, но ученому может показаться довольно занимательным. Ген опухоли головного мозга присутствует и у людей, но под менее броским названием TRIM3. В настоящее время известно, что у пациентов с опухолью головного мозга часто встречается мутация в этом гене. Причина развития этого вида онкологического заболевания у мушек и у людей общая. Значит, можно попробовать вылечить опухоль головного мозга у мушки в надежде найти способ лечения для людей. Именно такую цель я преследовал во время нашей с коллегами работы в рамках написания магистерской диссертации на поприще генетики. Другими словами, мы разрушали еще больше генов мушки и смотрели, что будет. Звучит не очень продуманно, но, пожалуй, именно поэтому такой подход пользуется успехом среди исследователей.
У мушек, с которыми я работал, уже был поврежден ген опухоли головного мозга и на стадии личинки развилась опухоль. Мы брали этих мух и у каждой из них дополнительно нарушали другой ген, но у каждой свой. Если в распоряжении есть достаточное количество мух, то в конечном итоге в дополнение к гену опухоли будет поврежден каждый ген из всех, что имеются у мушки. При этом наблюдение ведется также за мушками, у которых опухоль не развивается, но присутствует мутация со склонностью к ее образованию. Второй, добавленный генетический дефект в этом случае компенсировал бы мутацию. Для этого нужно было отыскать ген, действующий на опухоли, но не на здоровые клетки мушки. Такой ген или белок, являющийся производным результатом этого гена, стал бы потенциальным объектом воздействия для будущих лекарств от рака.
Отключение такого большого количества генов кажется ужасно утомительным. В конце концов, у мушки их насчитывается более 15 000. К счастью, существуют библиотеки, которые всегда помогут в работе: мушиные библиотеки. Речь идет не о библиотеках с книгами о плодовых мушках и читальных залах, где насекомые увлеченно листают страницы, устроившись среди пыльных полок. Фактически это коллекция плодовых мушек, имеющих генетические различия. Мушиная библиотека, которой мы пользовались, состоит из мушек с мутациями в разных генах. Если их всех собрать вместе, то практически для каждого существующего гена найдется мушка, у которой соответствующий ген поврежден. Если мушки с поврежденным геном опухоли головного мозга спарятся с насекомыми, имеющими другую мутацию, у некоторых из их потомков оба гена будут повреждены. То есть нужно скрещивать мушек до тех пор, пока каждый ген, имеющийся у плодовой мушки, не будет однажды поврежден наряду с геном опухоли головного мозга. При этом необходимо выбирать здоровых особей, у которых, несмотря на дефект в виде опухоли головного мозга, рак не развивается. Таким образом, дополнительно мутировавший ген предотвращает рост опухоли. Эврика, нам даже удалось обнаружить парочку таких генов!
Получится ли однажды применить это знание для лечения людей? Никто не знает. Но по крайней мере путешествие в мир плодовых мушек определенно меня изменило. Каждый раз, когда во время пробежки по Донауинзель мне в нос залетает мошка, во мне просыпается надежда на прорывные результаты.
Ароматный алкоголь благодаря совместной эволюции
Мушки важны не только для медицины: в работе продуктовых ларьков они играют решающую роль. Во-первых, потому что мух нужно отгонять, тем самым мешая им поедать печеночный паштет, а во-вторых, потому что пиво, которым запивают бутерброды, без мушек было бы совсем невкусным. Когда в следующий раз соберетесь выпить кружечку золотистого Hopfen-Smoothie, подумайте о том, что его сладкий аромат так бесподобен только благодаря тысячелетней совместной эволюции дрожжей и плодовой мушки.
Когда нейроны выстреливают, в их мембранах открываются кальциевые каналы, заставляя кальций проникать в клетки. Японские исследователи изменили гены рыбки таким образом, что в особой области мозга — оптическом тектуме — подавался световой сигнал, как только кальций поступал в клетки мозга.
Оптический тектум отвечает за обработку визуальных сигналов. Генетическая модификация позволяет клеткам головного мозга зажигаться, как только они выстреливают. С помощью функциональной магнитно-резонансной томографии (фМРТ) можно измерять активность мозга в течение продолжительного времени, но при гораздо более низком разрешении, и фМРТ практически не измеряет электрическую активность мозга, а только кровоток. С новым методом ученые стали совсем бессердечными: они размахивали едой перед носом у рыбки. При этом можно было наблюдать, как мозговая активность перемещается в ее голове. Когда еда двигалась слева направо, мозговая деятельность смещалась справа налево. Это уже считается чтением мыслей? Во всяком случае, на тот момент это было самое точное представление в реальном времени того, что происходит внутри мозга. И, скорее всего, никто все равно не захочет слушать мысли рыбы, у которой перед носом держат еду, но не дают съесть. Но, собственно, к чему такая зацикленность на мыслях рыб? Им известны секретные коды ЦРУ? Что, если после многолетних ресурсоемких исследований мы вдруг обнаружим, что они не могут сказать ничего интересного, кроме «бульк»?
В 2013 году Барак Обама запустил исследовательскую инициативу B.R.A.I.N. (Brain Research through Advancing Innovative Neurotechnologies), или «исследование мозга через продвижение инновационных нейротехнологий». Целью проекта является ни больше ни меньше, как составление карты всего человеческого мозга — описание всех наших нервных клеток. Чем же они там занимаются весь день? Мы знаем об этом на удивление мало, потому что наш мозг очень, очень, очень сложный. Это наисложнейшая структура из всех, что мы когда-либо обнаруживали в этой вселенной. Последовательное картирование планировалось проводить, выбирая организмы со все более сложным строением мозга, начиная с нематоды С. elegans (302 нейрона), переходя к плодовым мушкам (250 тысяч нейронов) и личинкам данио-рерио (100 тысяч нейронов), мышам (75 миллионов нейронов), обезьянам (6 миллиардов нейронов у макак) и заканчивая человеком (86 миллиардов нейронов). Более глубокое понимание нашего мозга не только поможет ближе познакомиться с нашими самыми загадочными органами, но и будет способствовать открытию новых методов лечения таких заболеваний, как болезнь Паркинсона, болезнь Альцгеймера, аутизм, шизофрения, депрессия и других. Разумеется, в связи с этим могут возникнуть футуристически-этические дилеммы, от которых даже опытные любители научной фантастики в слезах бросятся искать мамочку.
Робот с мозгом цифрового червя
Представьте себе, что вы невролог и живете в 2030 году. По утрам, когда вы просыпаетесь, робот-дворецкий чистит вам зубы, пока 3D-принтер распечатывает для вас одноразовую одежду на предстоящий день. Вы радостно усаживаетесь в свой беспилотный электромобиль, чтобы отправиться в свою компьютеризированную лабораторию. Сегодня большой день, вы впервые запускаете симуляцию человеческого мозга на суперкомпьютере. Вы включаете машину, загружаете программное обеспечение и нажимаете «Старт». Аплодисменты среди ваших коллег. Эта штука работает! Каждый симулированный нейрон ведет себя именно так, как можно было бы ожидать от настоящего. Шампанское открыто, грандиозные планы построены, оживленно ведутся дискуссии об исцелении всех возможных заболеваний мозга. Поздним вечером большинство ваших коллег уже дома или валяются в углу, напившись сильнее, чем обычно. Вы тоже чувствуете усталость, так что решаете выключить симуляцию и ехать домой. Но, когда вы собираетесь закрыть программу, на экране появляется текстовое сообщение: «Прошу, не выключайте, я слишком молод, чтобы умереть!»
Допустим, что на компьютере удастся смоделировать мозг человека с точностью 1:1, можно ли будет с ним общаться? А вдруг у него даже разовьется самое настоящее сознание? На эти вопросы так сложно ответить, что даже смиренные философы показывают средний палец, когда с ними заговаривают на эту тему.
В качестве посредника в споре должен выступать микроскопический червь-нематода С. elegans. Эти особи всего лишь в один миллиметр длиной бывают мужского пола, а также двуполыми. Их можно встретить практически повсюду. Копаясь в земле в саду, можете быть уверены, что действуете на нервы нескольким С. elegans. Этот червь придает особое значение точному количеству клеток в своем теле. Каждый индивид имеет ровно по 302 нейрона. Количество оставшихся клеток тела также является постоянным — 959 клеточных ядер у гермафродитов и 1031 у самцов. Идеальные предпосылки, чтобы стать первым живым существом, полностью воссозданным на компьютере! Open-Worm-Project, или проект «Открытый червь» — это проект с открытым исходным кодом, предназначенный для симуляции полностью функционального червя С. elegans на компьютере. Животное воссоздают в цифровом виде, клетка за клеткой, надеясь, что виртуальный червь будет вести себя в цифровой среде как настоящий. Самая большая проблема здесь — это мозг животного. Хотя связь между отдельными клетками мозга уже хорошо изучена, но будет ли симулируемый червь вести себя в точности как его реальный прототип? Чтобы это проверить, цифровой мозг червя скормили футуристической высокотехнологичной машине: роботу Lego.