Исследуя способность некоторых существ к регенерации, профессор Майкл Левин научился удивительным вещам — например, он может вырастить глаз на хвосте или даже в кишечнике животного. Но важнее другое: он обнаружил, что форма нашего тела и развитие организма задается не только генами. Кроме генетического кода, мы носим в себе еще один — биоэлектрический, расшифровка которого может дать нам ключ к регенерации и лечению многих болезней
За дверью кабинета Майкла Левина, профессора Тафтского университета в Бостоне, красуется фото шестиногой лягушки. Ее можно принять и за головастика — виден хвост, — но лапки уже выросли, и на месте одной правой торчат сразу три. Природа знает и более изощренные фокусы, но эта лягушка особенная. Левин ее создал сам.
Нет, он не работает в корпорации монстров, зато руководит Центром регенеративной биологии в Бостоне. Но к монстрам у него самое трепетное отношение, ведь Левин, в отличие от природы, выращивает их умышленно. И странные фото многоногой лягушки, червя о четырех головах или головастика с добавочным глазом висят на стенах центра не для того, чтобы пугать случайных посетителей. На самом деле каждый такой снимок сообщает о научном открытии. А Левин задумал ни много ни мало решить одну из главных загадок биологии.
Простой детский вопрос, на который пока нет ответа: откуда части тела и органы знают, как они должны выглядеть и когда им пора перестать расти? Даже лапка земноводного представляет собой сложную конструкцию из многих типов тканей, пронизанных кровеносной сетью и нервными окончаниями. Миллионы и миллионы клеток должны оказаться на своем месте в нужное время и в нужных количествах, иначе на боку вместо лапки вырастет проблема. Но проблемы обычно не возникает, и головастик превращается в лягушку, принимая форму лягушки.
У Левина есть мечта — открыть для людей способ обновления частей тела. Ни человек, ни лягушка не способны отрастить новую конечность взамен старой. Таким преимуществом могут похвастаться лишь некоторые хвостатые амфибии и ракообразные, а примитивные черви или губки даже способны восстановить себя из небольшого кусочка. Человеку же даровано совсем немного: у него срастаются сломанные кости, заживают раны и по неизвестной причине регенерирует печень. А вот банальный мизинец, не говоря уж о глазах, отрастить заново не удастся. Впрочем, каждый из нас умел это делать в самом начале жизни, на стадии эмбриона, и если понять, как у нас тогда это получалось, можно подобрать код и запустить программу еще раз. Проблема в том, что никто не знает, где такая программа хранится и как выглядит.
С лягушками проще. Для них стадией эмбриона можно считать головастиков — именно тогда появляются конечности. Биологи давно научились влиять на эмбрионы, и в наши дни дополнительными лапами никого не удивишь. Но Левин делает уникальные вещи. Он переключает программы развития с помощью электричества.
Никто, конечно, не подсоединяет земноводных к розетке. Электричество уже есть в каждом из нас, имеется оно и у лягушек — это еще в XVIII веке доказал Луиджи Гальвани. Левин смотрит, как меняется электрическое напряжение клеточных мембран в том месте, где растет лапа у головастика. А потом приводит в такое же состояние клетки лягушки. Идея странная, но она работает: взрослая лягушка, которой отрезали ногу, отращивает новую.
Как отрастить голову вместо хвоста
Обычно Левин встает в 4 утра и работает дома до тех пор, пока не приходит время отправляться на работу. Входя в лабораторию, он уже знает, чем займется, — очень удобно. В США он попал в девять лет: их семья в конце семидесятых эмигрировала из Советского Союза. Отец учил его программированию и вскоре, уступив просьбам сына, купил одну из первых моделей домашнего компьютера. По тем временам это было дорогое удовольствие. Но когда одиннадцатилетний Миша попросил отца купить игру Pac-Man, тот поступил мудро. Зачем платить деньги, если код игры можно написать самому?
Что ж, сын принял вызов. Долгие вечера Левин проводил возле компьютера, подключенного к черно-белому телевизору. Компьютер не сохранял память после выключения, и на следующий день приходилось заново вводить все написанное ранее. У него ушло полгода, чтобы создать игру, которая вышла сложнее оригинала. Но играть уже было не интересно: через программирование он познал вкус настоящего творчества, и Pac-Man тут не конкурент.
Программы работают и в живых организмах. Только они мало похожи на те, что пишутся людьми, потому их так трудно найти и тем более понять. Когда биологи разгадали генетический код, они подарили человечеству инструмент невиданной силы. Теперь, программируя на языке генов, мы можем не только исправлять ошибки, но и планировать новые свойства растений и животных. Можно повысить урожайность риса и убрать рога у коров, можно создать разлагающие пластик бактерии и вырастить коз, вырабатывающих белок паутины. Генная инженерия набирает ход и неизбежно изменит мир. Поэтому неудивительно, что биологи мыслят на языке генов и на нем же решают загадку регенерации.
Все, кроме Левина. Он работает так, словно гены ничего не знают о форме тела. Он лишь ускоряет и тормозит прокачку заряженных частиц через клеточную оболочку. От этого меняется биоэлектрический потенциал клеток, и тогда происходят странные вещи. Например, у плоского червя вместо отрезанного хвоста вырастает голова.
Вообще, одна голова хорошо, а две лучше — это не про червя. Обе головы норовят уползти в разные стороны, поэтому в природе червь непременно отрастил бы хвост. Но Левин, пользуясь животным электричеством, включает другую программу. Отращивать хвосты заново умеют и головастики, но лишь до определенного возраста. Со временем эта способность у них пропадает. Но в бостонском Центре знают, как ее вернуть: надо на месте разреза изменить трансмембранный потенциал клеток, и отмененный природой хвост начнет расти.
Роль генов и электричества в «живом компьютере» организма Левин объяснил нам просто и наглядно:
— Форма организма возникает благодаря совместному влиянию генов и биоэлектричества. Гены отвечают за химические сигналы и производят белки ионных каналов, которые создают саму возможность передачи электрических сигналов. Все это очень важно, но теперь мы знаем, что биоэлектрические схемы содержат другую важную информацию, которой нет в ДНК. Давайте проведем аналогию с компьютером: ДНК отвечает за создание комплектующих, нужных для компьютерной памяти, а биоэлектричество отвечает за само содержание этой памяти, закодированное в электрическом состоянии клеток.
Никто не скажет, что аппаратная часть компьютера не важна. Само собой, «железо» имеет огромное значение. Точно так же необходима ДНК, поскольку кодирует белки, из которых строятся все клеточные структуры. Тем не менее, изучив устройство компьютера, вы не сумеете сказать, что находится в его памяти, — она может содержать любую информацию. Эта информация хранится в электрических состояниях — что в компьютерной памяти, что в живых клетках. Она может меняться, в то время как ДНК, или аппаратная начинка компьютера, остается прежней. Таким образом, геном содержит часть ответа, а другую часть можно отследить лишь на уровне биоэлектрических состояний
Живое электричество
Научную судьбу Левина предрешила книга, которую он еще юношей купил на выставке Expo’86 в Ванкувере и которая называлась Body Electric. Написал ее хирург-ортопед Роберт Беккер, публиковавшийся ранее в ведущих научных журналах, таких как Nature и Science. Речь в этой работе шла об электромагнетизме в живых тканях, забытых экспериментах начала века и опытах самого Беккера. Были там, впрочем, и откровенно нелепые идеи: например, что электромагнитные поля вызывают разные болезни, от тяжелой пневмонии до СПИДа. Левин постарался отделить идеи от фактов и взять из книги все ценное. Body Electric впечатляла тем, что подтверждала его собственную догадку: электричество настолько удобно для передачи сигналов, что эволюция обязательно нашла бы ему применение в самом важном деле — строительстве организма.
Он получил три научные степени: по информатике и биологии в Университете Тафтса и по генетике в медицинской школе Гарварда. Отличное сочетание, чтобы добиться успеха в самых модных областях биологии, однако он предпочел заброшенную тему, волновавшую его много лет. Ученые смотрели на регенерацию как на взаимодействие стволовых клеток, генов и сигнальных молекул. Предполагалось, что достаточно найти эти гены и эти молекулы, заставить стволовые клетки делиться в нужном месте, и тогда рука, глаз или почка вырастут снова. Биологов занимала химия живого. И почти никого не интересовала физика. Левин стал исключением.
— Моя цель была в том, чтобы понять, как создать устройства, которые умеют оправляться от повреждений и на ходу менять свою конфигурацию, — объясняет он. — Хороший способ добиться этого — изучить, как эмбрионы организуют себя в сложную форму и как некоторые животные регенерируют свои органы. Тогда мы смогли бы имитировать эти способности в наших роботах и компьютерах.
Кроме того, в ходе эмбриогенеза и регенерации живые ткани производят немалые вычисления. Я ведь по первому образованию компьютерщик, и мне было очень любопытно, как вычислительные процессы проходят в живых системах. Казалось очевидным, что, помимо биохимии, здесь должны участвовать и физические силы — подобно тому, как они используются в мозге и компьютерной технике, — и их нужно исследовать. Этим занимались очень немногие, и я понял, что тут уникальное, неизведанное и очень интересное направление.
Как программист по духу, он смотрел на многие проблемы иначе, чем большинство биологов. Насколько мог, он изучил все, что было известно о роли электричества в живых организмах. Его собственные опыты лишь укрепляли подозрение, что ток ионов внутрь и вовне клеток связан с тем, какую роль эти клетки будут играть в строящемся органе или части тела. А главное — изменение тока начиналось еще до включения генов, занятых в строительстве.
С помощью специальных красителей он мог видеть, как по растущему организму прокатываются медленные волны — это клетки меняли напряжение своих мембран. Его сотрудники даже сняли на видео, как внутри икринки на бесформенном эмбрионе сперва появляется «электрическое лицо» головастика и лишь следом проявляются настоящие глаза, нос и рот. Получалось, что развитию структур предшествует электрическая разметка. Она словно сообщает скоплениям клеток координаты и план работ: приготовьтесь, вот здесь нужно вырастить глаз. И те приходят в движение, начинают делиться и строить, что положено.
— Это система похожа на нейронную сеть, хранящую целостный образ с помощью узлов, взаимодействующих электрически, — поясняет Левин. — Щелевые контакты между обычными клетками выполняют роль нейронных соединений — синапсов, так что я думаю, это довольно похоже на то, что происходит в мозге. Ткани всех органов могут быть вычислительными системами наподобие примитивного сознания: они сохраняют память о своей форме и принимают решения для регенерации и роста.
Он научился выращивать глаза в любой части тела головастика, даже на хвосте и стенке кишечника. Для этого не требовалось включать гены или подсаживать стволовые клетки — организм все делал сам в ответ на изменение электрического потенциала. Результат не зависел от конкретных РНК, поэтому напряжением мембран можно было управлять с помощью разных способов. Такая работа сильно отличалась от поиска особых молекул — обычного занятия прочих исследователей. И если на первых порах ученые коллеги считали Левина странным парнем, всякий раз предрекая неудачу его «безумным» проектам, то теперь так никто не делает. Его публикуют в уважаемых научных журналах.
Биоэлектрический код
После многих лет экспериментов Левин уверен, что нашел новую роль биоэлектричества. Он считает, что напряжения на поверхности клеток образуют систему сигналов по всему организму, подсказывая, как ему расти. Эти сигналы так же важны, как и гены, и по аналогии он называет их биоэлектрическим кодом.
Если в нем разобраться, можно творить чудеса — восстанавливать инвалидам их собственные руки и ноги, возвращать зрение слепым, исправлять дефекты развития, заменять больные органы и убирать следы ожогов. Можно будет замедлить старение и даже повернуть биологическое время вспять. Но для этого нужно понять электрический язык, на котором разговаривают клетки.
— Мы знаем только первые несколько букв в этом языке, — признается Левин. — Если овладеть им в совершенстве, можно вырастить что угодно, хоть лягушек треугольной формы с пропеллером на голове.
Левин не уточняет, кому может понадобиться такая лягушка. Но его серьезность не оставляет сомнений — как только станет возможно, он ее сделает. И не ради забавы — полный контроль над ростом и формой нужен нам для замены органов или, например, для того, чтобы победить рак. С точки зрения Левина, эта болезнь выглядит как потеря клетками ориентации в пространстве. Они словно забывают, какую часть тела должны строить, и начинают неограниченно делиться, образуя бесформенную массу.
Профессор считает, что клетки при этом перестают слышать сигнал о разметке организма. А следовательно, регенерация и рак — две стороны одной медали. Здесь он снова идет не в ногу с теми, кто ищет решения на уровне отдельных генов и молекул. Если все дело в генах, говорит Левин, то у нас с вами плохие новости — запуская деление клеток для регенерации, мы повышаем риск образования опухолей. Его подход дает обратное предсказание: чем лучше организм регенерирует, тем дальше он от рака. Потому что правильный рост идет по разметке, а рак возникает вследствие ее потери.
— Такой взгляд разделяют немногие, но постепенно он набирает популярность, — говорит Левин. — Появляется все больше данных о том, что некоторые формы рака возникают не тогда, когда клетки серьезно повреждены, а тогда, когда они не принимают сигналы правильного роста. Как только сигналы начинают доходить до места, процесс поворачивается вспять. Чтобы этого добиться, достаточно привести клетки в нужное биоэлектрическое состояние.
Левин выяснил, что у опухолевых клеток снижено напряжение мембран, причем отклонения начинаются еще до развития опухоли. Так он открыл способ обнаружить рак на самой ранней стадии. Напрашивался следующий шаг — вернуть раковым клеткам напряжение и посмотреть, что с ними станет. Тут Левину вновь пригодились головастики — с помощью онкогенов у них вызывали развитие опухолей. Он отобрал группу головастиков, которые вместе с онкогенами получали РНК, усиливающие ток заряженных частиц через клеточную мембрану. Это сдерживало деполяризацию клеток. И рак у этой группы животных почти не развивался.
Тайна регенерации
Может показаться, что опыты Левина — не более чем хитрый, искусно выполненный трюк. В них нет генов-регуляторов или сигнальных молекул, а есть лишь воздействие на ток, текущий через стенки клеток. Нужный, как считалось, просто для поддержания клеточного хозяйства. Однако никакого подвоха нет, все происходит в соответствии с забытыми теориями и опытами, о которых Левин когда-то читал в Body Electric. К сожалению, электричеству в эмбриологии не повезло: его не изучали так же тщательно, как систему химических сигналов, которую исследуют вдоль и поперек. И если биоэлектрический код существует, отсутствие научного прогресса в области регенерации вполне объяснимо. Ученые не учитывают важный слой информации, связывающий клетки в единое целое.
Сегодня, когда люди создают все более умных роботов и открывают бозон Хиггса, они по-прежнему не знают, как повторить то, что умеет любая саламандра. Загадка регенерации оказалась слишком сложной, и наука нуждается в смелых идеях. Но их мало высказать — они получат шанс на признание только после многих лет проверочных опытов, работы над ошибками и убедительных результатов. Чтобы рискнуть всей карьерой и пойти по нехоженой тропе, руководствуясь интуицией, нужно либо быть неисправимым романтиком, либо обладать особой проницательностью, позволяющей видеть новые грани в привычных вещах.
— Полагаю, мы столкнулись с очень трудной задачей, — вздыхает Левин. — Она требует понимания крайне сложной системы. Думаю, физика здорово обогнала биологию именно потому, что физики в первую очередь мудро выбирают простые проблемы. Шутка про «сферического коня в вакууме» отражает обычный подход физика. Но биологические системы гораздо сложнее сугубо физических. Элементарные частицы одинаковы, у них нет истории. Биология же принципиально историческая наука, так как свойства любой живой системы вытекают из ее эволюционного прошлого. Вообще говоря, я бы назвал вопрос обработки информации в ходе развития живых структур в эмбриогенезе и при регенерации одной из основных проблем науки, уступающей разве что вопросам о природе разума и сознания.
Левин старается проникнуть в неизведанные области кода, чтобы научиться программировать вслед за природой. Почти как в детстве, когда он заново написал игру. Недавно он начал эксперименты по регенерации конечностей у млекопитающих. Если они пройдут удачно, на стене Центра в Бостоне наверняка появится новая фотография — например, восьминогой крысы с дополнительными глазами на обоих хвостах.
Комментариев нет:
Отправить комментарий