Новая форма органической материи

Так и наномутагены, возможно, распутывают генетические клубки. У картины Морица Эшера «Узы единства». Фото Reuters

Достаточно изобрести одно новое слово, и это слово становится творцом.

Анри Пуанкаре

...два-три новых термина двигают науку вперед.

Дмитрий Сергеевич Лихачев

Стремительное развитие нанотехнологий в ближайшее время оформит третий этап в экспериментальных исследованиях наследственной мутационной изменчивости. Этот этап будет связан с появлением нового специального направления в генетической науке – нанокорпускулярного мутагенеза: процесс возникновения наследственных изменений под влиянием наночастиц и/или наноструктурированных материалов. По значению, интенсивности действия, разнообразию и широте спектра вызываемых мутаций нанокорпускулярный мутагенез, наверное, не будет уступать химическому и радиационному мутагенезам, с помощью которых вот уже на протяжении многих десятков лет успешно решаются многие проблемы современной генетики.

Настоящая статья посвящена 120-летию со дня утверждения теории гена. Именно в 1900 году тремя европейскими учеными – Гуго де Фризом, Эрихом Чермаком и Карлом Корренсом – независимо друг от друга были переоткрыты мендел евские закономерности. Таким образом, 1900 год – официальная дата рождения генетики как науки о дискретной наследственности и изменчивости.

Излучение и химия

Основоположником радиационного мутагенеза был американский ученый, член-корреспондент АН СССР, лауреат Нобелевской премии (1946) Герман Меллер, а химического мутагенеза – член-корреспондент АН СССР, лауреат Ленинской премии, Герой Социалистического Труда, номинант на Нобелевскую премию (1962) Иосиф Рапопорт.

Объем материала по генетическим эффектам высокоэнергетических квантов и элементарных частиц, химических мутагенов и супермутагенов огромен. Методология искусственного, экспериментального мутагенеза – мощное средство воздействия на живые системы. Во многих случаях использование этой методологии может приводить к положительным результатам. Значение результатов, полученных в области мутационной генетики, для теоретической биологии, эволюционного учения, селекции и медицины трудно переоценить.

При этом надо заметить, что очень часто в работах по мутационной генетике предпочтение отдается химическим соединениям, наделенным сильным мутагенным комплексом. Согласно многочисленным опытам Иосифа Абрамовича Рапопорта, химические мутагены и супермутагены могут повышать частоту мутаций на два-три порядка у растений и на четыре-пять порядков у микроорганизмов по сравнению с уровнем спонтанного мутагенеза. Они также радикально воздействуют на опухоли.

С помощью химических мутагенов можно изменять ход метаболических и генетических процессов и тем самым ускорять формообразовательные и селекционные процессы, мобилизовать скрытые генетические ресурсы. С другой стороны, хорошо известно, что многие химические мутагены не только созидают, но и разрушают, вызывая вредные мутации и злокачественные новообразования, обнаруживая повышенную токсичность.

И еще одна из неразрешенных до сих пор проблем экспериментального мутагенеза. Трудно предсказать – в силу случайности мутационного процесса (события), – в каком конкретно гене произойдет очередная мутация и будет ли она положительной, адаптивной или отрицательной, губительной.

Наномутагены

Очень может быть, что создаваемые на основе манипуляций с отдельными атомами или молекулами генетически активные соединения, так называемые нанохемомутагены, будут иметь более упорядоченные конфигурации. Их действие более мягко, «без агрессивности». Все это позволяет предположить, что, возможно, мы обнаружим такие специфические их свойства, которые ранее не были известны для радиационных и химических мутагенов.

В идеале можно ожидать, что, с одной стороны, нанохемомутагены будут легко, без больших энергетических затрат преодолевать поверхностные и внутриклеточные барьеры и, сводя к минимуму общую токсичность, прицельно поражать конструкцию вредных, смертоносных генов. С другой стороны, они смогут актуализировать созидательные потенциалы немых генов и псевдогенов. Это позволило бы преодолеть некоторые эволюционные запреты и, в частности, заглянуть в палеонтологическое прошлое.

Наномутагены могут стать важным инструментом открытия совершенно новых механизмов перемен в структуре генетического материала, способствовать установлению новых генетических закономерностей и, как следствие, развитию общей теории мутагенеза, а также решению ряда специальных и общебиологических задач, в том числе экономически важных. Применение наномутагенов в практике мутационной селекции, возможно, откроет новые генетические резервы и дополнительные возможности для создания новых уникальных и ценных сортов культурных растений, более гибких, жизнестойких и продуктивных.

Также можно надеяться на то, что, например, металлические наночастицы справятся с теми задачами, с которыми пока еще не справляются современные противоопухолевые и противовирусные агенты. Недавно осторожно было выдвинуто предположение о том, что, к примеру, ультрамалые наночастицы золота могут блокировать экспрессию раковых и вирусных генов или даже полностью разрушить геном раковых клеток и вирусов.

Однако нельзя исключить, что нанотехнологии, располагающие огромными активными ресурсами, действуя синергетически, например, совместно с химией органического синтеза, очень быстро создадут благоприятные условия для нового крупного эволюционного скачка – к новой форме органической материи. И этот скачок из старого в новое может оказаться катастрофическим. Я имею в виду, что может возникнуть новая фундаментальная организация, вероятно, с другим онтологическим содержанием, другим материальным аппаратом наследственности и изменчивости.

Золото корпускул

Вместе с тем широкое внедрение продуктов нанотехнологий в реальную практику – промышленное производство, биотехнологии и медицину – непременно поставит перед современной мутационной генетикой (нанокорпускулярной генетикой) дополнительную задачу. Ее можно сформулировать так – изучение механизма генетического действия наночастиц, оценка генетических рисков искусственно создаваемых нановеществ, и в первую очередь лекарственных препаратов и средств их доставки. Пока же мы не знаем, какую степень сродства проявят вновь создаваемые органические и неорганические наночастицы с генами и хромосомами. Еще только предстоит выяснить, как они будут действовать на такие ключевые генетические процессы, как репликация, транскрипция, репарация.

Правда, в литературе уже можно найти данные, указывающие на способность некоторых разновидностей наночастиц возмущать молекулу ДНК, нарушать ее пространственную упаковку, вызывать поломки хромосом и точечные генные мутации, а также наследуемые в поколениях морфологические аномалии. Так, в 2012 году итальянскими учеными в опытах на дрозофиле были получены первые в мире наномутанты: у потомства фруктовых мушек, обработанных наночастицами золота, были выявлены разнообразные изменения в структуре глаз, крыльев и груди.

В свое время Иосиф Рапопорт постулировал, что нет ни одного случая, когда бы найденный в химическом опыте с дрозофилой мутаген не был бы активен для очень многих организмов. Недаром в молекулярной биологии есть такое крылатое выражение: «Что верно для кишечной палочки, то верно и для слона». Действительно, наши поисковые опыты, выполненные на мышах, впервые показали, что, например, ультрамалые наночастицы золота в зависимости от выбранных условий эксперимента могут выступать в трех ипостасях: как мутаген, антимутаген и комутаген. Другими словами, эти благородные нанокорпускулы проявили генетическую активность.

В то же время на модели мутантных мышей линии 129, дефектных по гену ДНК-полимеразы йота, практически во всех вариантах мутагенного эксперимента наночастицы золота вызывали слабое, статистически недостоверное увеличение частоты встречаемости генетически аномальных половых клеток. Значительное увеличение частоты встречаемости хромосомных аномалий было выявлено нами также в кроветворных клетках рыб, подвергшихся воздействию ультрамалых наночастиц золота. В литературе можно найти данные, свидетельствующие о том, что, к примеру, фуллерены могут «пролезать» в молекулу ДНК, искривлять и даже «расплетать» ее.

Все эти пока еще немногочисленные факты должны учитываться специалистами, занимающимися разработками в области нанотехнологий.

ДНК вступает в игру

Решение проблемы генетической безопасности материалов, создаваемых на базе методов нанотехнологического синтеза, скорее всего потребует многолетних и трудоемких исследований. В современных условиях только так можно будет поставить барьер для попадания генетически опасных нановеществ в окружающую природную среду.

Результаты исследований структурно-функциональных последствий действия наноматериалов на гены, хромосомы, белки, ферменты и органеллы в клетке, а также интерпретация и теоретический анализ этих результатов откроют новую страницу в биологии и генетике. Это станет самостоятельным тематическим разделом в нанонауке, разделом очень важным и интересным.

По аналогии с радио- и химиомутациями все основные мутации – хромосомные и геномные, – индуцированные наночастицами и/или наноматериалами, я предлагаю называть наномутациями.

Очень возможно, что наночастицы, приготовленные из благородных металлов, попадая в поле действия молекулы ДНК, генов или хромосом, сами могут стать объектом перепрограммирования – изменения всего спектра их химико-физических свойств, перенормировки энергетических характеристик. Иначе говоря, взаимодействие наночастиц с генетическими матрицами гипотетически можно рассматривать как своеобразный обмен информацией, как специфический рекомбинационный процесс.

И в связи с этим нельзя не вспомнить одну из недавних работ, в которой было показано, что нити ДНК определяют форму наночастиц золота. Как отмечали авторы этой работы, им было интересно узнать, могут ли различные участки ДНК стать своеобразным «генетическим кодом», который будет задавать направление синтеза наночастиц, как это происходит при синтезе белка.

Можно надеяться, что развитие методологии индуцированного нанокорпускулярного мутагенеза со временем окажет большие услуги биологии, медицине, сельскохозяйственной экономике.