Уроки выживания без воды от комаров

Российские ученые рассказали про поиск генов, которые позволяют личинке комара-звонца выдерживать экстремальное обезвоживание. Теперь они собираются научить этому и клетки человека, правда, не в живом организме, а в культуре. В этом международном проекте самая высокотехнологическая часть была выполнена российскими исследователями.

Российские ученые со своими коллегами из Японии и США изучили генетические приспособления организма к обезвоживанию.
Некоторые виды могут существовать в условиях такого сильного обезвоживания, которое для остальных совершенно несовместимо с жизнью, при этом их тело теряет более 97% содержащейся в нем воды.
Биологи нашли, какие гены и как делают это невозможное возможным, свои результаты они опубликовали в журнале Nature Communications.
С российской стороны в работе участвовали специалисты Института фундаментальной биологии и медицины Казанского федерального университета, факультета биоинженерии и биоинформатики, биологического факультета и Института физико-химической биологии им. Белозерского МГУ, а также Научно-исследовательского института физико-химической медицины.
Приспособление к обезвоживанию дает организмам способность выживать в, казалось бы, совсем не годящейся для жизни среде: в температурном диапазоне от -270 до +102 градусов, в вакууме, при экстремально высокой дозе радиации и пр. Такая способность может также радикально продлить срок жизни, позволяя переживать в высушенном состоянии десятки и даже тысяч лет перед тем, как вновь насытиться водой и вернуться к активной жизнедеятельности.
У многоклеточных животных такая способность встречается редко. Самый большой и сложно устроенный представитель фауны, который это умеет, относится к насекомым, причем это единственный пример в мире беспозвоночных членистоногих. Это личинка комара-звонца Polypedilum vanderplanki. Комары-звонцы — мелкие летающие над водой насекомые, человека они не кусают, а их личинки знакомы всем любителям аквариумных рыбок под названием мотыль.
Ученые сравнили геномы двух видов комаров-звонцов: P. vanderplanki, который способен переносить обезвоживание, и P. nubifer, который этим качеством не обладает.
Цель состояла в том, чтобы сравнить их и найти то, что на генном уровне обеспечивает устойчивость к дегидратации.
О том, как раскрывали секрет комара, рассказал первый автор статьи, ведущий научный сотрудник и руководитель лаборатории «Экстремальная биология» Института фундаментальной медицины и биологии Казанского федерального университета Олег Гусев.
— Почему именно комары-звонцы?
— Я со студенческого возраста занимался экстремальными адаптациями, и мой научный руководитель в Японии сказал мне: выбирай чемпионов, таких животных, аналогов которым нет. Личинки комара — это очень интересный пример того, как на пустом месте за довольно непродолжительный срок может появиться суперустойчивость.
Это такой аналог людей Х, где одна или несколько мутаций давали суперспособность живым существам.
Комары-звонцы — это огромная группа, но почему-то среди 350 видов, живущих по всему миру, появился один, который выработал у себя способность переживать полное обезвоживание (это называется криптобиоз).
Он может выживать даже в вакууме, в открытом космосе. Это очень интересный биологический феномен — возникновение с нуля идеальной защиты. И это привлекательная модель для сравнительной геномики, чтобы понять, что должно было измениться, чтобы появилась такая устойчивость. Кроме того, этот вид — самый сложный из криптобионтов, животных, которые могут переживать экстремальное обезвоживание.
P. vanderplanki обитает в Африке, в Нигерии, где десять месяцев засухи в году. Другой вид, P. nubifer, — это типичный представитель комаров-звонцов. Эти виды очень похожи, но, если сушить личинок тех и других, в одном случае это будет смерть, в другом — выживание.
Геномы у них маленькие и очень схожи друг с другом. Но при обезвоживании у нигерийского комара активировались особые группы генов, они в его геноме размножились и обеспечили синтез белков, которые давали молекулярную защиту. Они направлены на то, чтобы не хранить воду внутри, а отдавать ее наружу и замещать другими молекулами в качестве молекулярного щита.
— А что это за гены?
— Мы считаем, сундучок с сокровищами только приоткрылся: куда ни взгляни, в этом организме нам открываются удивительные вещи. Первое — у него появляются белки, которые при дегидратации замещают воду. Они называются LEA-белками, эти белки обычно накапливаются в семенах растений, благодаря чему семена устойчивы к высушиванию. И оказалось, что у животных, способных к криптобиозу, эти белки тоже появились. Скорее всего, эти гены были перенесены в их геном бактериями. И мы нашли этому подтверждение.
Вторая группа — это гены антиоксидантов. При высушивании в клетках накапливается большое количество свободных радикалов. С ними борется система антиоксидантной защиты, но ее одной недостаточно. Комары в дополнение к классическому набору антиоксидантов развили у себя в геноме дополнительный набор антиоксидантов, которые при этом активируются.
Третья группа — это группа ферментов, которые предотвращают старение белков. С возрастом некоторые аминокислоты повреждаются, поэтому белки стареют, клетка стареет и умирает. Но есть фермент, который умеет частично восстанавливать поврежденные аминокислоты.
А у комара помимо одного такого гена есть еще 13 дополнительных генов.
Кроме того, комары-звонцы — единственные насекомые, у которых есть гемоглобин, используемый для дыхания. Их личинки — это мотыль, они красные. И у них есть гены гемоглобина, которые при обезвоживании активизируются.
Наконец, один из важнейших компонентов устойчивости — сахар трегалоза. Вода в теле личинки при обезвоживании замещается на комбинацию белков и сахар-трегалозу. И гены фермента, который делает этот сахар, тоже активизируются.
— Имеет ли ваше исследование какое-то практическое применение?
— При подаче на одну из грантовых программ один рецензент написал: «Ну это же у вас комары, как вы можете перенести их на людей? Одно дело комаров сушить, другое — людей…». Но этот комментарий неверен. Комары — это пример для подражания, биомиметики, когда мы пытаемся использовать способности другого вида на пользу человеку.
Мы планируем и уже ведем несколько постгеномных направлений исследований. Первое касается нового подхода в биотехнологии. С использованием ДНК комара мы получили генные конструкции для переноса нужного гена и уже готовимся их патентовать для синтеза целевых белков в культуре клеток комара.
Второе — мы пытаемся научить клетки животных (например, ооциты) и человека обходиться без воды. Теперь мы знаем, какие компоненты для этого нужны. В составе международной группы на базе Казанского университета мы работаем над этим. Особенно приятно, что сейчас эти наши исследования, их различные направления получили поддержку сразу из нескольких российских источников, включая Министерство образования, Российский научный фонд и Российский фонд фундаментальных исследований.
— А где это может пригодиться?
— Сейчас огромное значение приобретают биобанки для длительного хранения биоматериала, например банки пуповинной крови. На сегодня они очень зависимы от электроэнергии. Мы занимаемся возможностями сохранения в жизнеспособном состоянии клеток без воды (а значит, в перспективе и холодильники не нужны). Представьте, какие возможности открываются для, например, военных технологий: в полевых условиях можно высушенные клетки крови залить водой, а потом использовать.
— Расскажите, как вы сотрудничали с зарубежными учеными и какая часть исследований делалась в России.
— Вся история про комара очень международная. Он живет в единственном месте в Нигерии. И 20 лет назад один японский ученый раскопал статьи и организовал группу, занимающуюся криптобиозом. Я после получения PhD какое-то время работал в этой группе, и у нас возникла идея объединенного проекта.
Но так сложилось, что основная часть секвенирования и значительная часть генетического анализа данных была сделана в России, в группе Марии Логачевой и Алексея Кондрашова.
Это достаточно уникальный случай, когда самая высокотехнологическая, приборная часть осуществилась в России.
Сформированная на средства мегагранта лаборатория, по сути дела, вытянула на себе весь генетический проект. Наша группа в Казанском университете проводила аннотацию геномов, сравнение данных и часть секвенирования и анализа отдельных групп генов делались в Японии.
Но одним из локомотивов этой работы были российские ученые, и я считаю, что это очень хорошо.