Вопрос 64. Революционные изменения в неклассическом и постнеклассическом естествознании. Модуль 1. Генетическая революция в биологии и синтетическая теория эволюции

За относительно короткий срок (с 1980 г.) в молекулярной биологии и генетике произошли революционные изменения, повлиявшие на весь "ландшафт" биологии и связанных с нею областей знаний. Исходным событием явилась осуществленная в 1953 г. Уотсоном и Криком расшифровка структуры двойной спирали ДНК. За этим последовало создание методов расшифровки пространственной структуры белков с помощью рентгено-структурного анализа; методов расшифровки (чтения) аминокислотных и нуклеотидных последовательностей; создание методов генетической инженерии; трансгенез, клонирование. Началась эпоха массовой расшифровки геномов, увенчавшаяся таким выдающимся достижением как расшифровка генома человека. Были разработаны эффективные методические подходы, гарантирующие получение фундаментальных знаний о молекулярно-генетическом, клеточном, организменном, экосистемном уровнях организации жизни и трансформации этих знаний для нужд прикладных отраслей и общества в целом.

Революция в современной биологии может быть представлена следующим образом:

Расшифровка структуры двойной спирали ДНК

Рентгено-структурные методы расшифровка пространственной структуры белков

Методы расшифровки аминокислотных последовательностей

Методы расшифровки нуклеотидных последовательностей

Генетическая инженерия

Генодиагностика

Трансгенез

Клонирование

Молекулярные биотехнологии

ДНК-микрочипы

Расшифровка генома человека

Молекулярная медицина, генотерапия

Конструирование молекулярно-генетических систем с заданными свойствами

За последние годы получен огромный объем экспериментальных данных:

– расшифрованы структуры геномной ДНК тысяч вирусов, десятков бактерий, геномы дрожжей, дрозофилы, ряда животных и растений;

– расшифрованы аминокислотные последовательности миллионов белков и более 15 тысяч пространственных структур белков;

– технология ДНК-чипов позволяет количественно измерять экспрессию десятков тысяч генов одновременно в отдельной клетке;

– разворачиваются исследования по протеомике, направленные на расшифровку первичной и пространственной структур всех белков человека и бактерий (миллионы молекул);

– накапливаются огромные экспериментальные данные при изучении разнообразия геномов человека и животных;

– не менее мощные массивы экспериментальных данных накапливаются в таких классических направлениях биологии, как зоология, ботаника, систематика, экология.

Глобальные проблемы, стоящие перед человечеством в 21 веке, решение которых связано с революционными достижениями биологии:

– обеспечение стремительно растущего населения Земли продуктами питания на основе современных генетических технологий – клонирования организмов и трансгенеза;

– создание индустриальных технологий нового поколения на основе методов промышленной микробиологии, ориентированных на энергосбережение;

– разработка стратегий сохранения и восстановления биосферы, разрушенной в результате техногенной деятельностью человечества;

– создание медицины нового поколения, способной решить проблему раковых заболеваний; обуздать угрожающие глобальные пандемии (вирус СПИДА, новые высокоагрессивные формы туберкулеза и т.д.); выработать стратегии лечения наследственных и мультифакториальных заболеваний за счет направленного воздействия на молекулярно-генетические механизмы организма человека;

– cохранение естественного генетического разнообразия человечества в условиях разрушения естественной среды его обитания;

– сохранение и восстановление естественного биоразнообразия (микробного, растительного и животного мира) в условиях стремительно растущего населения планеты и увеличивающегося техногенного давления на естественную среду обитания;

– создание эффективной системы биобезопасности для распознавания и противодействия различным видам биологического (генетического) оружия.

За последние 20 лет, хронологически совпадая с революцией в биологии, в результате автоматической расшифровки нуклеотидных последовательностей в молекулярной биологии и генетике произошел информационный взрыв. Подавляющее большинство революционных достижений биологии последних десятилетий было бы невозможно без использования информационных технологий. Сегодня суммарные объемы первичных экспериментальных данных только по молекулярно-генетическому уровню организации жизни превышают сотни терробайт. Современная биология стала производителем беспрецедентно огромных объемов экспериментальных данных, осмысливание которых невозможно без привлечения информационных технологий, эффективных математических методов анализа данных и моделирования биологических систем и процессов. В ответ на эту острую потребность возникает новая наука – информационная биология.

Информационная биология относится к числу высоких технологий современной биологии и обеспечивает информационно-компьютерные и теоретические основы генетики и селекции, молекулярной генетики и биологии, генетической и белковой инженерии, биотехнологии, медицинской генетики, генодиагностики, генотерапии, экологии – тех наук, благодаря выдающимся достижениям которых биология превратилась в одну из лидирующих наук грядущего столетия. Объектами исследований информационной биологии являются генетические макромолекулы – ДНК, РНК, белки, фундаментальные генетические процессы – репликация, транскрипция, трансляция, генетические сети, функционирование которых обеспечивает выполнение всех функций организмов.

Информационная биология занимает в современной науке ключевую, исключительно важную позицию. Предметом информационной биологии является исследование биологических систем на трех уровнях их организации: 1) молекулярно-генетическом; 2) организменном; 3) популяционном и экосистемном.

К числу наиболее актуальных задач информационной биологии относятся:

– создание компьютерных баз данных для хранения экспериментальной информации о структуре и функции биологических объектов на всех уровнях их иерархии, начиная с молекулярно-генетического, включая организменный и заканчивая популяционным;

– разработка алгоритмов и пакетов программ для анализа информации, накапливаемой в перечисленных выше базах данных;

– разработка теоретических и компьютерных методов анализа геномов и изучение их информационного содержания;

– изучение механизмов хранения, реализации и передачи наследственной информации, закодированной в геномах;

– создание компьютерных технологий моделирования молекулярно-генетических систем и процессов, в том числе фундаментальных: репликации, транскрипции и т.д.;

– моделирование структурной организации и функции генетических макромолекул, молекулярных взаимодействий между ними;

– изучение закономерностей эволюции генетических макромолекул и молекулярно-генетических систем;

– разработка теоретических и информационно-компьютерных основ моделирования молекулярно-генетических систем-продуцентов с заданными свойствами;

– создание математических моделей функционирования клеток и целых организмов на основе информации, записанной в их геномах;

– создание математических моделей воспроизведения, функционирования и эволюции популяций и экосистем;

– разработка теоретических основ фармакологии, биотехнологии и агробиологии нового поколения.

Для решения этих задач в Институте цитологии и генетики РАН в течение 20 лет проводятся крупномасштабные исследования в области информационной биологии. Их результаты интегрированы в рамках сверхбольшой компьютерной системы ГЕНЭКСПРЕСС, содержащей десятки оригинальных баз данных, баз знаний и комплексов программ для анализа и моделирования генетических макромолекул и фундаментальных генетических систем и процессов. ГЕНЭКСПРЕСС не имеет аналогов и является первой в мировой науке компьютерной системой, интегрирующей информационные и программные ресурсы по регуляции функции генов. В результате использования системы ГЕНЭКСПРЕСС была разработана теория генных сетей.

Генная сеть – группа координированно функционирующих генов, контролирующих физиологические, биохимические и молекулярные функции организмов. В настоящее время в научной литературе опубликованы десятки тысяч статей, содержащих информацию о структурно-функциональной организации генных сетей. Однако до настоящего времени она не описывалась и не систематизировалась в компьютерных базах данных. Институтом цитологии и генетики РАН разработана компьютерная система GeneNet, база данных которой содержит описание десятков генных сетей человека, животных, растений и микроорганизмов и не имеет аналогов в мировой науке.

Локальные генные сети иерархически объединяются в глобальную генную сеть организма. В геноме человека имеется до 35 тысяч генов. Можно представить, насколько огромно количество взаимодействий между генами глобальной генной сети, а также уровень ее сложности, который принципиально не может быть понят без применения методов математического анализа и моделирования. Парадигма генетики начала века основывалась на том, что один ген кодирует один признак. В настоящее время идет становление новой парадигмы, утверждающей, что фенотипический признак организма – это продукт функционирования определенной генной сети. Теория генных сетей позволяет изучать функциональные взаимосвязи между генами в норме и при мутациях, оценивать действие фармакологических препаратов, выбирать стратегии коррекции нарушений генной сети при заболеваниях. Это направление является одной из горячих точек информационной биологии.

Моделирование влияния мутаций. В настоящее время у человека выявлено огромное число мутаций в регуляторных районах генов, сопровождающихся выраженными патологическими проявлениями. Так, ген Duffy кодирует поверхностный рецептор, взаимодействие с которым необходимо для проникновения малярийного плазмодия в клетку. Белые европейцы восприимчивы к малярии, потому что у них нормально работает этот ген. В то же время в черных популяциях Африки в регуляторном районе этого гена фиксировалась мутация, повреждающая сайт связывания фактора GATA, необходимый для транскрипции гена Duffy. В результате этого африканцы не имеют антигена Duffy, что обеспечивает устойчивость аборигенов Африки к малярийному плазмодию.

Индустриально развитые страны расходуют десятки миллиардов долларов на фундаментальные и прикладные исследования в области высоких технологий современной биологии и значительно большие средства на их практическое использование в промышленности, здравоохранении, социальной и демографической сферах, охране окружающей среды, производстве продуктов питания и т.д. О значимости и масштабах исследований в области информационной биологии свидетельствует тот факт, что только в ближайшие 4 года в индустриально развитых странах мира в информационные технологии, ориентированные на молекулярную биологию, генетику, биотехнологию, медицину, агробиологию, будет инвестировано более 30 миллиардов долларов. Расходы на биологические исследования в США составляют в настоящее время до 50% всех инвестиций в науку. Это определяется тем, что национальная безопасность любой страны зависит от владения высокими технологиями современной биологии и их практического использования в промышленности, здравоохранении, социальной и демографической сферах, охране окружающей среды, производстве продуктов питания и т.д. При этом критически важную роль в современной биологии играет именно информационная биология.