Генетика и стволовые клетки: открытия в регенеративной медицине

Одним из важнейших государственных заказов было исследование Байкала. Нужно было определить, насколько пригодна для питья вода, поднятая из глубин озера. Оказалось, что её чистота обеспечивается особой культурой фильтрующих микроорганизмов. К сожалению, распространить её на другие водоёмы не удалось — ей требуется строго определённый уровень насыщения кислородом. Тогда же учёный начал работать с планарией и познакомился с тканевой инженерией в медицине. 

Воссоздание живого организма

Зорин утверждает, что уже существует технология лечения стволовыми клетками в стоматологии. Собственные фибробласты десны могут останавливать процесс рецессии и даже обращать его вспять. Но при этом важно правильно выбрать место забора биоптата. Ошибки приводят к появлению многоядерных мышечных клеток, совершенно непохожих на мягкие ткани ротовой полости. 

Учёный также работает над лечением буллёзного эпидермолиза — болезни, при которой в коже появляются пузыри, лопающиеся с течением времени. Здесь помогает применение клеточных технологий — пациенту пересаживают кожу, восполняя при этом нехватку определённого гена. Теоретически, это может делать специальный принтер. Однако сейчас медики умеют «печатать» только несложные ткани. Автоматически воссоздавать целые органы и сосудистые структуры пока невозможно. 

Настоящее и перспективы

Спикер рассказывает о прорывах в исследованиях генной инженерии. В 2012 году учёные Яманако и Гордон показали возможность превращения фибробластов в эмбриональные стволовые клетки. Фактически, это означает восстановление организма за счёт внутренних резервов. Ещё одно достижение принадлежит Дудна и Шарпентье, которые научились редактировать геном живого существа при помощи молекулярного инструмента CRISPR. 

Зорин также показывает исследовательно-производственный комплекс. Фибробластовые культуры выращиваются в специальных «матрасиках». Они установлены внутри ламинарных боксов с гиперфильтрами и сложной системой поддержания микроклимата. Из них получают коллаген, эластин и гиалуроновую кислоту. При необходимости культуры можно замораживать в сосудах Дьюара. Жидкий азот охлаждает их до -176°, увеличивая срок хранения почти до бесконечности.

В дополнение к теме

Генетика как наука

Какие признаки одного поколения передаются по наследству следующему? Какие новые признаки может приобрести очередное поколение? Можно ли управлять генами и собирать их в разные комбинации, как детальки детского конструктора? На эти вопросы может дать ответ генетика. 

Поговорим немного об основных понятиях этой науки. Геном называют участок молекулы ДНК, последовательность аминокислот которого сохраняет информацию, позволяющую создавать определенный вид белка. Одна молекула ДНК содержит миллионы генов. ДНК можно обнаружить во всех клетках человеческого тела – в коже, в волосах, в мышцах. Однако в каждой клетке активны свои белки, потому и клетки отличаются друг от друга строением, внешним видом и функционалом.

Гены бывают доминантными и рецессивными. Доминантный ген – «главный». Признак, за который он отвечает, передается дальше по наследству, вытесняя рецессивный. Рецессивный признак может появиться у потомства, только если оба родителя – носители рецессивного гена. Например, доминантным в организме человека является ген, отвечающий за карий цвет глаз, а рецессивным – за голубой.

Современные ученые умеют редактировать клетки. Для этого из них сначала выделяют необходимые гены, клонируют и вводят в новую среду. Пока ученые умеют редактировать и клонировать далеко не все типы тканей, но исследования в этой области продолжаются. Клеточная инженерия продвинулась очень далеко, но нынешним достижениям предшествовали годы исследований и десятки значимых открытий.

История развития генетики

Термин «генетика» появился в 1905 году, это название придумал английский биолог Уильям Бэтсон. Однако изыскания в упомянутой области начались намного раньше. Еще в 1856 году чешский монах-августинец Грегор Мендель исследовал ростки гороха. На их примере он изучал, как отдельные внешние признаки передаются по наследству. И сделал вывод, что наследственные признаки не являются единым целым, а передаются по отдельности, и на появление каждого признака влияют определенные факторы. В 1909 году датский ученый Вильгельм Людвиг Иогансен дал название этим факторам – гены. В том же году Томас Хант Морган доказал, что передача генов по наследству напрямую связана с устройством особых структур, содержащихся в клетке, – хромосом.

Со временем на основе генетики родилась новая наука – селекция. Ее задача – улучшить существующие сорта растений и животных и вывести на их основе новые. В результате можно увеличить урожайность, сделать породы устойчивее к суровым условиям и болезням, увеличить количество мяса и меха, помочь восстановить исчезающие виды животных и т. д. В развитие селекции внесли огромный вклад советские ученые – Мичурин, Вавилов, Кольцов и другие.

В 1953 году Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик совершили революционное открытие. Они расшифровали структуру молекулы ДНК и представили публике ее модель – двойную спираль. Каждый генетик задал себе вопрос: если структура известна, то можно ли в нее вмешаться? Например, подкорректировать гены так, чтобы исключить возникновение тяжелых наследственных болезней? Как оказалось, вполне возможно.

Со времен Уотсона и Крика были разработаны самые разные методы клеточной инженерии. Именно благодаря достижениям инженеров-генетиков мы способны изготовлять инсулин в промышленных масштабах, очищать сточные воды и даже выделять из морской воды ценные металлы. Сейчас генетики умеют скрещивать клетки, принадлежащие разным биологическим видам.

Однако использование генно-модифицированных организмов (ГМО) сопряжено с рядом проблем, причем не только технологических, но и нравственных. До сих пор многие спорят об этичности редактирования генома человека. Возможность скрещивания человеческих генов с генами других видов хоть и доказана, но все эмбрионы таких гибридов уничтожаются на ранних стадиях развития.

Организмы с доработанным геномом нужно очень осторожно выпускать в окружающую среду, ведь порой довольно трудно предсказать, как они будут взаимодействовать с обычными организмами и что из этого выйдет. Многие ученые предупреждают, что ГМО могут создать угрозу не только отдельным видам, но и целым экосистемам.

Но даже с учетом всех имеющихся проблем и спорных моментов генетика не стоит на месте. В наши дни одной из самых перспективных отраслей является исследование стволовых клеток. Это не до конца сформировавшиеся структуры, из которых, путем воздействия на определенные гены, можно выращивать практически любую ткань. Этой технологией интересуются врачи и косметологи всего мира. Уже сейчас некоторые клиники могут выращивать из стволовых клеток сетчатку глаза и сосуды. Но, по словам врача-биофизика Владимира Зорина, это далеко не предел.