Может ли человек развить в себе такие сверхспособности? А может быть, такие люди уже существуют? Что для этого нужно? И нужно ли? Об этом рассуждает Олег ГУСЕВ,
руководитель научного центра регуляторной геномики Института фундаментальной медицины и биологии Казанского федерального университета, профессор медицинского факультета университета Джунтендо в Японии, кандидат биологических наук.
– Олег, Ваша тема – организмы-экстремофилы. Давайте разберёмся, что это такое. Что мы можем отнести к ним, а что нет?
– Здесь часто имеет место неправильное использование термина. Экстремофил, как видно из названия, это любитель экстремальной среды. Мы сталкиваемся на практике с такими организмами. Это, к примеру, микроорганизмы, живущие в сверхсолёных озёрах, на больших глубинах и при высоких температурах. Эти организмы будут иметь проблемы с выживанием в нормальных для нас условиях, так как их адаптация полностью заточена на экстремальные среды.
То, что мы изучаем, – совершенно другое. Наши супергерои, как я их называю, как раз не хотят жить в постоянной борьбе «со злом», то есть в экстремальных условиях. Это случается только в некоторой кризисной для них ситуации. Мы как раз изучаем такие организмы, суперспособности которых проявляются, когда вокруг них складывается крайне неблагоприятная среда. Но, по сути дела, это организмы, которые просто очень хорошо адаптировались к тем неблагоприятным моментам, которые возникают вокруг них.
– Интересно, а человека нельзя к ним отнести? Ведь он порой вынужден адаптироваться к абсолютно нечеловеческим условиям существования, чтобы выжить.
– Здесь мы переходим в область эволюции социальной и биологической. Действительно, человек как раз тот самый экстремал. Более того, многие странные организмы, например, обитающие на дне Марианской впадины или океанические курильщики, были открыты именно людьми-экстремофилами, которые с помощью технических приспособлений достигали этих совершенно невозможных глубин.
В нашем случае был такой эксперимент, который и сейчас продолжается, под названием «Биориск» Института медико-биологических проблем РАН, когда европейские и российские коллеги проверяли вопрос, состоятельна ли идея панспермии (гипотеза о возможности переноса живых организмов или их зародышей через космическое пространство. – Ред.). Эксперимент собрал коллекцию микроорганизмов, животных и семян растений. Было на практике проверено, что, действительно, земные организмы вполне могут преодолеть межпланетные пространства и несколько лет находиться в условиях космической среды.
– Как это можно проверить?
– Для такого эксперимента наши космонавты во время выхода в открытый космос установили специальную платформу с соответствующими экспонируемыми организмами на внешней стороне станции. Благодаря такой технической экстремофильности, готовности человека к покорению экстремальных сред, эксперимент по поводу состоятельности теории панспермии, возможно, и состоялся.
– Эти организмы выжили в условиях жёсткого космического излучения без всяких скафандров?
– Да, это крайне интересная особенность. Нас часто спрашивали – а стоило ли оно того? Вы представляете себе космические полёты, где очень дорого стоит время космонавтов? Им трудно в открытом космосе работать по шесть часов. И тут биологи говорят: давайте-ка вы ещё наш зоопарк поместите на внешнюю сторону космической станции, а потом будете каждый год забирать по одному из больших цилиндров, в котором находятся живые существа!
Но практика показала, что это, с одной стороны, очень репутационно яркий эксперимент, который привлёк огромное внимание, а во‑вторых, он позволил открыть массу интересных вещей, сделать ряд крайне интересных наблюдений.
– Например?
– Например, подтвердилась так долго обсуждаемая устойчивость организмов, впадающих в криптобиоз, когда жизнь возможна без воды. Всегда считалось, что в таком покоящемся состоянии один из самых главных врагов – это влажность: лучше быть полностью сухим, чем при этом вокруг будет влажно, что частично будет реактивировать «спящие» клетки. Наш космический эксперимент полностью подтвердил это предположение. То есть оказалось, что идеальное хранение для земных криптобиотических организмов – это полный космический вакуум. Вакуум вообще не является для них преградой, они могут десятилетиями в нём путешествовать. Отсутствие окислительного стресса, молекул кислорода – это для них прекрасная форма защиты.
Более того, приборная металлическая платформа, на которую были установлены эти канистры с живыми организмами, подвергалась очень большим перегревам. Интересно, что в этих условиях, будь эти организмы на Земле, они погибли бы. А в условиях космического вакуума отсутствие теплопроводности позволило выжить таким сухим, обезвоженным существам.
– Вы говорите, что в космосе побывали в том числе и животные. О ком речь?
– Это и покоящиеся яйца ракообразных, и, представьте себе, комар-звонец. С тех самых пор мы зовём его чемпионом. Он показал, что потенциал устойчивости к радиационным воздействиям намного больше, чем вся космическая радиация, которая могла иметь место. Десятилетиями идут споры, насколько космическая радиация опасна для человека. Тут нет однозначного ответа, хотя мониторинг влияния космической радиации на космонавтов – это одна из самых длительных программ на борту МКС.
Но практика показывает, что даже с внешней стороны станции, где в сотни раз больше определённого типа излучения, для земных организмов это минимальная проблема. Оказалось, что, возможно, единственное, что защищает нас от вторжения инопланетных существ или, наоборот, заселения Марса земными существами, – это космический ультрафиолет. Его действительно крайне трудно преодолеть живым организмам.
– В том числе вашему комарику?
– У него «кровеносная» система на основе гемоглобина, это очень жёстко. Но если обеспечить минимальную защиту от космического излучения, покрыть тонким слоем песка или поместить внутрь, условно говоря, метеорита, то нет ограничений для земных существ преодолеть и эти условия. В общем, толерантность к условиям космического полёта, в том числе готовность потерять всю воду и не умереть, для наших организмов оказалась вполне осуществимой.
Это был очень необычный эксперимент, но он стал брендовым знаком. Стало понятно, что теория условной панспермии имеет место быть хотя бы потому, что мы показали экспериментально: земные организмы вполне способны при определённых, достаточно суровых условиях пережить многолетний космический полёт и потенциально достичь других планет.
– Вы стали сторонником этой теории?
– Нет, я стал сторонником кросс-панспермии. Мне стало очевидно, что риск заражения других планет нами вполне реален.
– Почему Вы говорите «заражение», а не «заселение»?
– А это на самом деле так. В какой-то момент я стал лауреатом медали имени Я. Б. Зельдовича и комитета исследования космоса COSPAR, в том числе за исследования криобиоза. У COSPAR есть целая комиссия, которая занимается космическим карантином. Сейчас уже очевидно, что сотни тысяч живых микроорганизмов вместе с марсоходами путешествуют по поверхности Красной планеты, и даже если они находятся не в активной своей фазе, то всё равно вполне способны пережидать очень долго.
Когда я выступаю перед школьниками, говорю: на Марсе нет воды, но она была раньше. Это факт. Даже сейчас есть немножко. Если мы не видим сейчас активной жизни, можно ли сказать, что её там вообще нет? Вопрос открытый, потому что даже на Земле оживлённо идёт проращивание семян, которым десятки тысяч лет. Или оживление замёрзших организмов, которым столько же, и наши коллеги из Пущино регулярно показывают, что полная или частичная остановка метаболизма – очень сильное оружие, которое может годами, десятилетиями, даже тысячелетиями сохранять живой организм.
– Когда я училась в школе, нам говорили, что не может быть жизни в жерлах вулканов или на океаническом дне, потому что там высокие давления или температуры. Что уж говорить про высоты за пределами атмосферы! Но с каждым годом находят всё больше живых организмов там, где, казалось бы, жизни быть не может. Есть ли где-то место на Земле, где жизни в самом деле нет и быть не может?
– Судя по всему, нет, но наши знания об адаптивности жизни постоянно расширяются. Например «дьявольские черви» – нематоды Halicephalobus mephisto – найдены на глубине более трёх километров…
Как я уже сказал, мы с удовольствием изучаем группу комаров‑звонцов. Наш чемпион, наш любимый объект исследования – личинка-мотыль, который может жить без воды, как раз относится к виду Polypedilum vanderplanki этой группы насекомых. Комары-звонцы – настоящие чемпионы по заселению экстремальных экотопов. Даже в Антарктиде живут насекомые этой группы (кстати, самые крупные из истинно-сухопутных организмов этого региона), которые, будучи бескрылыми, путешествуют по снегу, по льду. Температура, близкая к нулю, совершенно не препятствует их активности, несмотря на то, что это членистоногие и у них от температуры зависит полный метаболизм. Так что жизнь очень адаптивна. Масса биотехнологических продуктов происходит именно из таких организмов, которые освоили очень жёсткие условия среды.
– То есть, получается, жизнь полностью уничтожить невозможно. Сразу возникает вопрос: а что нужно, чтобы жизнь сформировать?
– Наверное, это не моя область. Мы видим, что идут процессы, очень медленные, очень понятные, эволюционные, которые мы можем изучать. А вопросом зарождения жизни я не настолько заинтересован. Мне гораздо интереснее, как это функционирует и эволюционирует.
Но в последнее время мы наблюдаем очень большой бум в этом вопросе. Было показано рядом экспериментов, что такие предшественники биомолекул могут быть получены в лабораториях. Совсем недавно вышла статья, где было показано, как происходит создание многоклеточности. Мы в рамках своих экспериментов тоже немножко «играем в демиурга».
– Хорошо, ну а как появились сверхспособности?
– Это интересный вопрос. На примере нашего комарика мы видим, что это единичный случай в огромной семье аналогичных насекомых. То есть один из сотен видов взял и научился. Это очень интересный пример для нас, и мы при помощи геномных методов видим, как нужные гены «проникали» в геном и эволюционировали, приобретая новые свойства, внося огромные изменения в физиологию.
– То есть можно, значит, научить отдельно взятый организм каким-то суперспособностям. Но как?
– Есть разные подходы. У нас сейчас бурно развиваются технологии. Мы способны быстро прочитывать геномы, делать массовый скрининг лекарств. Геномная революция всё ещё идёт. У нас в России есть огромная программа «Гентех», где секвенируют массу микроорганизмов из разных странных экстремальных экотопов. И мы тоже накапливаем всё больше и больше знаний о том, какие генетические механизмы в таких организмах помогают переживать неблагоприятные условия.
– Можно ли научить этому человека?
– Получая всё больше информации, мы задаёмся этим вопросом. Как это можно перенести? Как научить человека или отдельно взятую клетку выживать в таких непростых условиях?
Тут есть разные пути. Первый – это брать какой-то самый интересный ген, вставлять его в клетки насекомых и смотреть, что получится. Мы тоже по этому пути шли последние несколько лет при поддержке Российского научного фонда с российско-японской командой, с которой мы, кстати, продолжаем работать вместе, несмотря на все наши турбулентности.
У нас родился очень интересный эксперимент – поиграть в зарождение экстремофильности, или экстремальной толерантности. И мы, не мудрствуя лукаво, решили сделать так – взять все гены из нескольких организмов, которые крайне устойчивы. Наш выбор пал на тихоходок. Благо у нас есть коллеги, которые разводят этих маленьких существ в лаборатории. Конечно, наш неубиваемый комарик. И третий объект, который мы взяли, это африканские рыбы нотобранхиусы из отряда карпозубых, икра которых может при недостатке воды лежать месяцами и ждать, когда лужа снова наполнится водой.
Мы извлекли всю полноразмерную РНК из клеток. По сути, создали полную коллекцию генов трёх организмов. И применили технологию, когда в культуру клеток плодовой мушки-дрозофилы совершенно хаотично, неконтролируемо стали закидывать эти гены из экстремальных организмов. И смотреть, кто из них выживает.
– Что же вы увидели?
– Когда мы видели выжившие без воды или при каком-то большом осмотическом давлении клетки, то уже технологиями секвенирования индивидуальных клеток начали разбираться, какие же гены экстремофила должны туда попасть. Не раскрывая деталей, могу сказать, что первые очень интересные результаты есть. Действительно, можно подучивать обычные клетки становиться более сложными и «крутыми». Конечно, до высушивания кота, собаки или человека нам ещё далеко. Но в принципе перед глазами у нас есть пример, когда можно научить клетки слабых организмов экстремальной устойчивости. Это по природе своей очень нежные существа – как и мы, люди, которые без технологии мало что могут. Мы в достаточно узком диапазоне можем существовать. Хотелось бы его расширить.
– Что всё это означает по отношению к долголетию? Будет ли жизнь у таких организмов дольше и здоровее?
– Почему-то исследователи долголетия иногда апеллируют к криптобиотическим организмам. Они думают, что если тот же комарик обычно живёт месяц, но может пролежать 1000 лет и снова ожить, то, значит, он познал тайну бессмертия.
– Это не так?
– Практика показывает, что вхождение в криптобиоз, состояние обезвоженности, никак не влияет на продолжительность активной жизни. Не уменьшает и не увеличивает, но даёт некоторый бонус, потому что это всегда чётко связано с адаптацией к окружающей среде. В случае нашего африканского комарика это единственный способ выживать в той среде, в которой он находится, единственное конкурентное преимущество. Поэтому в плане защиты биомолекул, каких-то механизмов борьбы с окислительным стрессом – это интересно. Но в плане долголетия – наверное, нет.
Нас больше интересует вопрос отрыва от энергетической зависимости. Вот это очень важно. Я часто привожу пример с тестами на Ковид. Общеизвестно, что лучше их хранить в лаборатории, в специальных холодильниках. Другое дело аэропорты, где создавались мобильные точки, и там тоже можно было такие тестирования проходить. Они основываются как раз на технологиях безводного хранения, без потери активности реагентов, необходимых для ПЦР-реакции. Многое подсмотрено у таких экстремофильных организмов.
– В том числе в биотехнологическом применении?
– Да, это то, к чему мы апеллируем, когда занимаемся клеточными разработками. Человечество делает много рекомбинантных белков для экспериментов, для конкретной практики генерации лекарственных средств и так далее. Одна из больших проблем – клетки-продуценты имеют достаточно узкий спектр того, что они могут выдержать. Это клетки насекомых, эмбрионы куриц и так далее. И если тестовый белок или некий продукт обладает какими-то необычными свойствами, он, генерируясь внутри этих клеток, не может правильно сформироваться, потому что клетка просто не в состоянии выдержать какого-то колебания среды, кислотности, чего-то ещё, что такому белку нужно.
Поэтому вопрос выведения продуцентов из клеточных линий, которые будут более толерантны к разным стрессам и необычным изменениям внутренней и внешней среды, это чисто биотехнологическая задача, очень реальная, очень понятная. В случае нашего комара там и промоутеры для генетических конструкций, и хранение этих ферментов, тестов, и продукция полимераз, которые мы научились делать в этих клетках, которые можно высушивать. Полимераза – напомню, это такие белки, нужные, чтобы делать диагностику, например, ПЦР-реакцию. Это всё очень близко и понятно в практическом применении человека.
– Какая у Вас сейчас цель? Чего Вы хотели бы достичь?
– Мы странная команда. У нас целый зоопарк животных. Там разные организмы: их можно замораживать, размораживать и так далее. Сейчас появляется и активно развивается направление анализа процессов, происходящих в отдельных клетках: генетика и транскриптомика отдельных клеток. Кажется, ряд наших организмов и, в частности, наш любимый неубиваемый сухой комарик, даёт здесь крайне интересную возможность. Наш проект называется Dry Brain, «Сухой мозг». Мы точно знаем, что у наших комариков достаточно развитая нервная система – это, по сути дела, дрозофилы. И вот представьте, что в момент криптобиоза, полной остановки метаболизма, мозг превращается в леденец.
– Как это?
– В буквальном смысле слова! То есть вода замещается на дисахарид трегалозу. И у нас получается мозг-леденец, в котором не то что поставлено на паузу – всё полностью остановлено. А после того как вода снова туда заходит, буквально пять минут – и движение организма возобновляется. Нервная система начинает работать дальше. Эта комбинация крайне интересного феномена и возможности смотреть вглубь индивидуальной клетки – наш самый любимый проект сейчас.
Мы сейчас создаём атлас многообразия клеточных типов в мозге этого уникального организма и пытаемся понять, как можно защитить разные типы клеток. Вообще, как и что там происходит. Может быть, там суперустойчивые клетки, какие-то механизмы идеальной защиты и идеального восстановления, реактивации? Мы пока этого не знаем. Это целый мир. Хотя всего один организм.
И второе направление я люблю сравнивать с фондовым рынком. Каждый новый инвестор должен ответить себе на вопрос: какие активы тебя интересуют? Ты держишь ценную бумагу – и у тебя просто капают дивиденды, либо ты хочешь, чтобы она была акцией роста?
Мне кажется, наука примерно так и устроена. У нас сейчас очень большая задача, которую можно сравнить с выбором «идеальной акции». Это дивидендные акции, которые и растут, и приносят какой-то доход. Как ни странно, мы постепенно двигаемся в эту сторону с нашими экстремофильными организмами. Мы не просто изучаем, как устроен мозг и как работают отдельные клетки. У нас есть чёткий интерес, очень практический. За этот год мы выстроили целую сеть взаимодействия с коллегами из ФМБА, из других российских организаций, с целью найти новые подходы к предотвращению тяжелейших последствий реперфузионного синдрома, возникающего вследствие восстановления кровообращения в ишемизированных тканях, при инсультах и других ишемических повреждениях.
– Казалось бы, где ишемия, а где комар…
– Связь есть. Думаю, Вы прекрасно знаете, что одна из стадий повреждения нервной системы сердца возникает именно после операции, когда и кислород, и вода поступают на тромбозный участок, и там происходит всплеск окислительного стресса. На самом деле это то же самое, что происходит у комарика. Вот он сидел, такой леденец в криптобизе, – и тут его залили водой. Ткани первым делом испытывают резкий взрыв окислительного стресса. А дальше – мистика. Как может мозг превратиться в леденец и потом перезапуститься? А может! И у нас есть чёткая, понятная цель. Мы хотим этот механизм понять и освоить, чтобы защитить наш мозг от повреждения.
– Хотите научиться превращать наш мозг в леденец, а потом обратно?
– Скорее узнать секрет безболезненного путешествия мозга в леденец и обратно. Вообще, сейчас у нас интересная стадия развития научной группы – попробовать сделать «дивидендную акцию научного роста» основной стратегией, комбинируя фундаментальные высокоимпактные исследования с прикладными вопросами. Оказывается, в принципе, это возможно. Один из наших любимых экстремофилов – это яйцо с развивающимся куриным эмбрионом. Известно, что куриный эмбрион в норме в яйце развивается в среднем при 37 градусах, но если несушка с гнезда уйдёт, то эмбриональное развитие такого эмбриона останавливается под действием пониженной температуры.
Это то, что недоступно нам, млекопитающим. Но то, что это распространено у птиц, у рептилий, все знают, например, на птицефабриках. Чуть ли не со Средних веков это знание используется, когда нужно синхронизировать выклев.
Но генетическая программа, лежащая за этим вопросом, вообще не изведана. Хотя это фантастически интересная тема, с одной стороны. С другой стороны, абсолютно технологичная, промышленная тема, которая может дать нам понимание, как можно улучшить процесс.
Эту тему мы разрабатываем с коллегами из Всероссийского института животноводства при поддержке программы развития генетических технологий РФ. Сейчас руководство страны обозначило, что отсутствие селекции и генетических технологий птицеводства – это позор для нашей страны. И тут мы со своими чисто научными интересами. Этот вектор синтеза и получения практических научных результатов в условиях бифуркации, в которой мы живём, – наша основная цель.
– Олег, Вы разобрались, что было раньше: курица или яйцо?
– Пока точно не знаем. Но, видимо, это было яйцо, а из него вылупилась полноценная курица. Какой-то её предок, недокурица, отложила яйцо – и так далее. Но мы больше интересуемся, честно скажу, яйцами. За этой темой, надеюсь, большое будущее.
Беседовала Наталия ЛЕСКОВА
Источник: «НиР» № 10, 2023