Конкурс «био/мол/текст»-2017

Эта работа опубликована в номинации «Свободная тема» конкурса «био/мол/текст»-2017.

---

Генеральный спонсор конкурса — компания «Диаэм»: крупнейший поставщик оборудования, реагентов и расходных материалов для биологических исследований и производств.

---

Спонсором приза зрительских симпатий и партнером номинации «Биомедицина сегодня и завтра» выступила фирма «Инвитро».

---

«Книжный» спонсор конкурса — «Альпина нон-фикшн»

Вступительное слово

«Иисус же сказал ученикам Своим: „Истинно говорю вам, что трудно богатому войти в Царство Небесное; и еще говорю вам: удобнее верблюду пройти сквозь игольные уши, нежели богатому войти в Царство Божие“» (Мф 19:24).

Как бы ни было сложно верблюду пролезть через игольные уши, намного паршивее придется пытливому наблюдателю, которому по каким-то таинственным причинам придет в голову зафиксировать этот момент сомнительной верблюжьей славы. Но это хотя бы можно представить: темная ночь, неугомонное кряканье цикады, одинокий человек в белом халате дремлет, уткнувшись глазами в дула микроскопа. А по ту сторону отполированных стеклышек дуплетом в поле возвышается одинокая серая тростинка швейной иглы, сквозь дырявый набалдашник которой медленно проползает двугорбая тень. Если вы задаетесь вопросом «через что придется пройти верблюду, чтобы в рай попал король Мадагаскара?», то знайте: по нашим расчетам животное должно просочиться через сердцевину АТФ-синтазы. Это кажется нелепым, ведь АТФ-синтазу нельзя даже разглядеть в световой микроскоп или монокль — чего уж говорить о таком масштабном эксперименте! К счастью, для решения подобных задач и используется метод, о котором вы узнаете, прочитав эту статью.

Вопросов не будет больше,
Они оловянными сгустками
Растают под жалом паяльника.
Узри: ПиЭлЭй — это проще
Устройства струи водоспуска
Алюминиевого умывальника!

Гвоздь программы

Предположим, вы попали на территорию Секретного Подмосковного Завода по Переработке Казенного Дворничьего Инвентаря. А это вам не шутки! В Москве только за 2013 год успели поработать более двадцати тысяч дворников (к несчастью, более свежей статистики по этому вопросу найти не удалось — журнал «Кровь и веник» закрыли как раз четыре года назад после скандального репортажа о несанкционированном катании по желобу снегоуборочной машины). В том же номере опубликованы достоверные данные о том, что один дворник в год в среднем ломает пятнадцать метелок, два с половиной черенка от лопат для уборки снега и одиннадцать соломенных веников.

Сложно представить себе масштабы оборота инвентаря российских дворников! Именно поэтому Секретный Подмосковный Завод по Переработке Казенного Дворничьего Инвентаря (СПЗаПерКДИ) — это не какой-нибудь сарай. СПЗаПерКДИ — это почти десять гектаров идеально подметенного асфальта с десятком цехов и одной большой трубой (рис. 1).

Так вот, раз уж мы разобрались с этим, предположим, что вы оказались прямо в здании Цеха по Сортировке Палочкообразных Отходов и решили забраться на вершину гигантской кучи ошметков от всяких швабр. Это величественное изваяние, посвященное нелегкому человеческому труду, имеет форму гигантского конуса с диаметром основания 136 метров. В такой куче хаотично располагаются щепки и палочки, накопившиеся с 70-х годов, общим числом 10²⁰. Ё-мое, это же больше, чем миллиард миллиардов! Вы забирались на вершину битый час, ваши ладони покрылись ссадинами и занозами, но вид на стены чудесного цеха, который вы получили в подарок за свое упорство — это то, ради чего можно жить и нужно умирать. То, что открывается взору с вершины, стоит каждого стона, вырвавшегося при подъеме из ваших растопыренных для увеличения потока форсированного выдоха ноздрей. Многоуровневые ступени из жестяных листов, слегка присыпанные солью и щебнем, застыли на вашей сетчатке, просочились по волокнам зрительных нервов и навсегда отпечатались в толщине миокарда. Краем глаза вы замечаете, что в куче палочек поселилось несколько десятков выводков среднего размера палочников. Эти насекомые, похоже, живут здесь с незапамятных времен — поколение за поколением палочники размножались и увеличивали свою популяцию, попутно перестраивая этот кучеподобный мир под себя. В конце концов, им удалось настолько органично вписаться в окружающую среду, что изяществу этого сокрытого присутствия позавидовали бы даже ядра гелия-4 в пищевом тракте Марии Кюри. Всё это чудесное разнообразие, подведенное под общий знаменатель, влилось в вашу голову мощным потоком и заставило мозг от счастья болтаться в черепной коробке, как шарик со счастливым номером в бочке с надписью «бинго».

И вот вы стоите на вершине конуса феноменальных размеров, дышите этим видом, пожираете его своими жадными глазами — казалось бы, ничто не может разочаровать вас в эту минуту. Но, как говорится: «Лошадь сдохла — слезь». Сбитые ступни — не единственная цена, которую пришлось заплатить ради десяти минут трансцендентального счастья. Вы потеряли большой железнодорожный гвоздь, который дорог вам как память! А этот гвоздь как раз-таки очень напоминает по форме, цвету и органолептическим пробам весь тот секстиллион палочек, на куче из которых вы стоите! Да еще и эти палочники стрекочут, и, судя по интонациям, что-то скрывают. Мерзавцы!

Белки и кошки

Если вы все еще не поняли, что здесь собственно происходит, поясним: задача, которую мы будем сегодня с вами решать, имеет примерно такой вид: «Как найти любимый и единственный в своем роде гвоздь в бесконечном хаосе палочкообразных предметов?»

Дело в том, что в современной биологии частенько приходится заниматься чем-то вроде поиска какого-нибудь абсурдного, но очень важного объекта, затерянного в куче себе подобных. Консерваторы называют это «иголкой в стоге сена», бесстыдники — «китайцем в толпе вьетнамцев», а бородатые ученые умы, как обычно, бросаются своими научными званиями и пьют чай.

В этой статье мы опишем один современный метод поиска белковых молекул — таких маленьких зараз, из которых состоит все живое. Клетки обвешаны белками как гирляндами. Внутри клеток — белковая феерия. И все они отличаются — выполняют разные функции, имеют всяческие причудливые формы. Поиск белка конкретного типа важен, потому что бóльшая часть процессов, которые делают нас из неподвижных гниющих мешков с мясом и костями двигающимися упругими, размножающимися и не разлагающимися до определенного момента телами, опосредованы именно белками. И если мы хотим вылечить или угробить кого-нибудь на молекулярном уровне, нам надо разобраться во всей этой какофонии.

Одна из многих проблем современной биологии — это то, что белки очень маленькие. Были бы они размером с кошку, биологи бы вооружались сачками и мисками с молоком, а не всеми этими невероятными методами, которыми учат владеть в институтах, университетах и на каналах Youtube (рис. 2). Если бы белки не были бы такими микроскопическими, не было бы этой статьи, но в остальном, мир стал бы лучше.

Человечество придумало немало способов орудовать в том пространстве, в которое нельзя засунуть свой любопытный палец или хотя бы подсмотреть одним глазком на происходящее [1–4]. Некоторые из них похожи на неопрятную работу коновала, другие же потрясают своей остроумностью. Про один из последних мы и расскажем! Будьте готовы ко всему, держите свой гвоздь в кармане, и все пройдет как по маслу, но если вы сделаете хоть шаг в обратном направлении, да будет проклято все ваше древо до девятого колена!

Как хотел сказать (перед тем как понял, что забыл слова) на своей лекции один пьяный в дрова техасский профессор: «Эта история посвящается широко применяемому в США исследовательскому приему, грозе всего низкоконцентрированного и сложноопределяемого, кровожадному палачу белок—белковых взаимодействий, так тщательно скрывавшихся в сырых подвалах клеточных компартментов — методу близкого лигирования, или PLA (proximity ligation assay)».

Сказки тетушки Курыни

Если бы вы оказались на вершине палочной горы с дыркой вместо памятного гвоздя в кармане, вы бы поняли, что у вас проблема. Точнее, даже две неприятные трудности:

Трудность № 1. Железнодорожный гвоздь очень непросто отличить от шваберной щепки-палочки или половозрелой особи палочника, если только по счастливой случайности у вас нет чего-нибудь очень специфического, что могло бы, скажем, прикрепляться только к гвоздям.

Трудность № 2. Даже если в вашем кармане имеется такое нечто, будет очень обидно, когда оно приклеится к потерянному предмету где-то в недрах практически бесконечной кучи, а вы об этом даже не узнаете — тогда придется петь панихиду по ним обоим!

Как бы с этим справиться в духе современной биологии?

Давайте рассмотрим другую ситуацию для наглядности. Она про животных, что нам на руку. Представьте, вам очень захотелось запечь курицу по единственному в своем роде бабушкиному рецепту. К несчастью, бабуля уже сто лет как пляшет канкан на облаке (при жизни она была танцовщицей!), а единственная, кто может выбрать подходящую тушку на птицефабрике — ваша болтливая тетушка. Она полгода как ушла на заслуженную пенсию после тридцати лет благородной медсестринской работы с парализованными людьми и лишилась тем самым единственных своих собеседников, которым от изнуряющих разговоров о рассаде проростков патиссонов уйти было не так-то просто. Шесть долгих месяцев после этого она консервировалась в своей квартире и стала взрывоопасна, как двухкилограммовый кусок калия, спущенный в деревянной бочке с вершины Ниагарского водопада.

Вы с ней договорились о том, что как только она схватит нужную тушку, сразу позвонит, чтобы вы начинали готовить ароматный горчичный маринад. К несчастью вы совершенно при этом забыли, что тетушка у вас в телефоне, как и у остальных людей, хоть раз с ней встречавшихся, внесена в черный список. Это значит, что как только дорогая родственница сделает свой гастрономический выбор, она абсолютно точно не дозвонится вам и тут же заведет болтовню с первым встречным. Похоже, и курица, и тетушка останутся на проклятой птицефабрике на веки вечные.

Слава всем кулинарным богам — в этом примере у вас в распоряжении нет проблем с тем, чтобы найти то, что нужно, но трудность № 2 все еще остается актуальной! Говоря научным языком, у вас тетушка обладает высокой специфичностью к определенным курицам, но она еще пока не является детектором как таковым, потому что не способна передать вам сигнал в результате произошедшего события — в данном случае, обнаружения тушки бройлера, обладающей нужными характеристиками.

Тело — Антитело — Синтез

В репертуаре биологов есть кое-что, очень напоминающее вашу тетю. Это антитела.

Антитела, в частности те, которые используются в медико-биологических исследованиях для обнаружения белков (иммуноглобулины класса G, или сокращенно IgG), — это белки, которые вырабатываются плазматическими клетками иммунной системы и вообще в организме выполняют защитную роль [5]. Например, они нужны для того, чтобы облепить со всех сторон какую-нибудь бактерию, попавшую в организм. Вот проникает мерзкая бацилла в кровь какому-нибудь, предположим, кассиру магазина «Пятерочка». Ну, или не в кровь, а просто уютно поселяется между его адипоцитов, как Хан Соло во внутренностях тонтона. Думает: «Сейчас я размножусь!». А плазматическая клетка в ответ на такое хамство возьмет и навыделяет антител, которые специфичны к конкретному участку этой отдельно взятой бактерии — как правило, к какому-нибудь бактериальному белку. Антитела залепят микробу все лицо и тело, и ноги, и между пальцев рук образуют липкую массу (рис. 3). И не поразмножаешься тут — такое ощущение беспомощности для микроорганизмов фатально [6].

Как антитела находят среди миллиардов клеток нужную? Все потому, что каждое отдельно взятое антитело специфично к какому-нибудь одному, характерному только ему (или его клонам) антигену. Другими словами, антиген — это молекула, к которой есть или теоретически может существовать антитело. Более того, каждое отдельное антитело пытается прикрепиться только к конкретному участку конкретного антигена! Такой участок называется эпитопом. Вспомните историю про птицефабрику: здесь тетушка — это антитело, нужная куриная тушка — это антиген, а распространенность подкожного жира, на которую обращает внимание ваша родственница, чтобы выбрать из тысячи куриных тушек нужную — это эпитоп данной курочки. Такая связь антиген—антитело священна — как любовь с первого взгляда, или как неперевариваемость лактозы. Человечество, благодаря своей научной дерзости, доросло до такого уровня развития, что может синтезировать антитела практически к каждому эпитопу любого белка.

Отлично — кажется, для трудности № 1 мы нашли какое-никакое решение! Не единственное, конечно, и не то чтобы новаторское (антитела для медикобиологических исследований используют еще с середины 20-го века, см. реакцию Оухтерлони, тест Элека и прочую иммунодиффузию [7]), но очень важное для понимания метода близкого лигирования.

Имплантат для национального героя

Теперь про то, как бы визуализировать наше отважное антитело. Как уже говорилось, эти бравые парни по своей природе — белки, а значит маленькие и для глаза среднестатистического человека незаметные. Про них не рисуют гигантских героических триптихов и не сочиняют эпических поэм амфибрахием. А было бы здорово:

Родился в печи перестройки
Иммунный бесстрашный герой
В крови ядовитой и горькой
С микробом ведет мордобой.

И общественный боевой настрой против социально-значимых болезней разросся бы как патиссоновые поля по весне.

Самое очевидное — это прикрепить к антителу какую-нибудь метку, которую мы сможем опознать одним из наших природных чувств — например, зрением. Как насчет антител, соединенных с флуоресцентной молекулой (очень маленьким фонариком) — добавим этот комплекс к смеси белков, а потом в полной темноте посмотрим на все это дело через микроскоп [8]?

По светящимся пятнам будет ясно, есть там наш искомый белок или нет. Да запросто! Честно говоря, это как сбивать сосульки ломами — каменный век. Подобные антитела называются конъюгированными с флуорофорами, используются давно и широко: начиная от анализов на ВИЧ-инфекцию и заканчивая высокохудожественными разноцветными фотографиями клеток.

Как бы то ни было, такой метод не сработает, когда количество искомого белка крайне мало — согласитесь, если ваш далекий родственник, оказавшийся после авиакатастрофы на одном из необитаемых островов Микронезии, разведет большой береговой костер, это не сильно вам поможет его обнаружить, если вы смотрите на него с гребня лунных Апеннин. Совсем другое дело, если в знак поддержки каждый человек на Земле в сознательном возрасте разведет по костру прямо там, где он сейчас находится — так сказать, in situ. Вот это будет перформанс на всю солнечную систему!

Так как же быть? Готовы поспорить, у многих возникла целая куча всяких невероятных идей — типа там приделать к антителу маленький радиоактивный излучатель, или не знаю... специальную молекулу, вытащенную из корня любимого хрена вашей бабули, который она собственными силами растила на веранде, и чтоб молекула эта могла окрашивать ваши белковые смеси в случае положительного результата. Это все не прокатит! Так наука не делается, знаете ли!

Для наших целей нужно что-то очень выраженное и яркое. То, что в случае удачного связывания антитела с мишенью, даст такой сигнал, что вы, даже зажмурившись, его почувствуете на собственной шкуре.

И биологи придумали!

— А что если... — сказали они. — А что если мы совместим чувствительность ПЦР и специфичность реакции антиген-антитело? Вот это будет бомба!

Полимеразная цепная реакция (ПЦР) — это еще один столп размером со ствол баобаба, на котором зиждется современная биология [9]. По сути своей, это метод, который позволяет откопировать кусок последовательности молекулы ДНК так, что его количество увеличится в миллиарды раз, после чего обнаружить такую последовательность не составит большого труда.

Так что за продукт доктора Франкенштейна получится в результате совмещения этих методов? Поясним на очередном жизненном примере.

Иммуно-ПЦР спасает мир и войну

Предположим, вы основатель и модератор самой большой в мире русскоязычной интернет-библиотеки. В последнее время на ваше детище стали совершать набеги жестокие безбашенные хулиганы, которые пишут в случайном месте случайного литературного произведения нехорошие слова, что доводит читателей до состояния шока и полного исступления души и тела. Уже с несколькими интеллигентными старушками, не привыкшими к подобным грубостям на просторах интернета, случился неожиданный кондратий. Вам повезло: из достоверных источников вы узнали, что следующий удар будет нанесен по «Войне и миру» — в неизвестное время хулиганьё в случайном месте текста напишет слово «задница».

Вы, стирая рукавом льющийся семью ручьями пот, на протяжении четырех часов пишете программу, которая просматривает каждое слово в тексте и, в случае обнаружения «задницы» подсвечивает ее буквы флуоресцентным зеленым цветом. Вот она, последняя строчка кода. Вы облегченно вздыхаете и собираетесь уже пойти пить травяной чай, но внезапно что-то очень неприятное приходит вам в голову. С ужасом вы понимаете, что такой алгоритм никак не поможет! Ведь все равно вам придется пролистывать весь текст в поисках зеленых пятен, которые неизвестно когда проявятся. На это уйдет сотни лет! Святые угодники, за что?! В висках пульсирует кровь, воздуха катастрофически не хватает, за грудиной что-то начинает тикать — как будто ржавый часовой механизм. Это ваш кардиопротез. Времени осталось мало — где-то в своей хрущевке бывшая танцовщица решает в тридцать четвертый раз проштудировать толстовскую сцену оставления Смоленска.

И тут будто целый караван пустынных верблюдов, груженный гигантскими тюками вдохновения, прошел через ваши уши и приступил к разгрузке товара на самом лобном месте островка головного мозга.

— Что если в случае обнаружения искомого слова, я просто заставлю машину копировать пятьсот тысяч раз подряд слово «задница»? — еле шевеля пересохшим языком прошептали вы. — Тогда я бы искал не иголку в стоге сена, а полмиллиона задниц в «Войне и мире»! А это уже совсем плевое дело.

Отличная идея! Еще полдня вы пишете программу с кодовым названием «Последний канкан v0.1», запускаете ее и с наступлением темноты засыпаете сладким сном. Вам снится умиротворенный пейзаж с пальмами и сиреневым закатом. К счастью, вам неизвестно, что на следующий день в новостях выйдет статья о коварном ночном нападении невиданного масштаба на сцену со Смоленском из «Войны и мира», в которой описан дерзкий поступок неизвестных лиц — пятьсот тысяч раз написали они слово «задница» в произведении великого классика. Есть жертвы.

Примерно так и работает метод иммуно-ПЦР, совмещающий в себе поисковую машину антитела и копирующую систему ПЦР, которая используется здесь для проявления положительного сигнала [9], [10]. В последнем примере про «Войну и мир» аналог антитела — это та часть программы, которая ищет заданное слово, а ПЦР — это алгоритм, копирующий его много раз подряд (рис. 4).

Но и это еще пока не тот самый метод близкого лигирования, про который мы обещали рассказать. До него остался еще всего один шаг. Если вы озадачились вопросом: «На кой черт нам нужно делать еще один шаг, если, вроде как, и последний метод был неплохой идеей? От добра добра не ищут! Нам и так хорошо, а вы идите в жопу со своими шагами, очкарики проклятые!», — то скажем вот что. Метод иммуно-ПЦР, благодаря своей феноменальной чувствительности, породил одну проблему — обилие ложноположительных результатов [11].

Представьте, что вы ищете белок Х в крови пациента Н методом иммуно-ПЦР. Вы добавляете в пробирку с кровью антитела, соединенные с кусочком ДНК, участвующим в реакции ПЦР. Но по каким-то неведомым и случайным причинам, всего лишь одно антитело «застревает» в образце крови, но не потому, что связалось с белком Х, а просто так (не специфически). Не знаю, примагнитилось к стенке пробирки из-за того, что лаборант пробирку эту натер шелковым платком. Результат в этом эксперименте будет ложноположительным, а это очень неприятно! Таких вещей хотелось бы избежать, и именно поэтому метод пришлось модернизировать.

Последний канкан. PLAтиновое издание

Этот метод очень похож на иммуно-ПЦР, но с тем лишь отличием, что в PLA используют два антитела к двум соседним эпитопам в общем случае (про особое приложение метода см. ниже) одного антигена. Весь трюк в том, что по-отдельности каждое из этих антител, а точнее, каждый из участков одноцепочечной ДНК, приделанный к этому антителу, не может участвовать в реакции ПЦР. Другими словами, в разрозненном состоянии они инертны и не дают никакого сигнала. Но стоит им найти искомый антиген — как они соединяются в свою активную форму (рис. 5). Таким образом, даже оставшиеся в пробирке по случайности антитела не запустят никакой реакции копирования — отличная система предохранения!

Продемонстрируем это еще раз на примере «Войны и мира». Все то же самое, что и в описанном выше примере, но задача усложняется тем, что ваш компьютер работает на ламповых процессорах и не может искать слова длиннее трех букв. Вы было написали программу «Последний канкан v0.5» по аналогии с описанной выше, но для слова «зад» («ница» не вместилась), тем самым чуть было не заставив Льва Николаевича пробурить Землю насквозь. Программа нашла множество совпадений в таких словах как «задние», «задавить», «задумчиво» и так далее, попутно отклонировав каждое из них по полумиллиону раз. Больше вы на эти грабли не наступали!

Последняя версия алгоритма называлась «Последний канкан. PLAтиновое издание» и являло собой настоящее чудо технической мысли. Вам пришло в голову заставить машину находить только «ниц» идущее следом за «зад» и только в таких случаях запускать процесс многократного копирования. Та-дааам! Грянули фанфары, и вы со спокойной совестью отправились смотреть на закат в объятиях Морфея. (Жертвы были все равно.)

Вот так и работает метод близкого лигирования!

Метод PLA можно применить и для решения другой задачи — он вам поможет, если вы хотите узнать, взаимодействуют ли какие-нибудь два клеточных белка между собой, или они совершенно друг к другу инертны, как Сцилла и Харибда. Еще одна коротенькая история, чтобы это продемонстрировать — честное слово, последняя на сегодня.

Представьте, вы очень ревнивый тип. Предположим, вы жутко ревнивы и влюблены в одну даму Н., которая про это не знает. Но за ней приударяет некий Х., который бесит вас самим своим существованием. Его веткообразное астеническое тельце и этот закругленный нос — так и хочется оторвать его и выкинуть к чертовой матери! Вы, как и Н. с Х. — это палочники, которые располагаются в случайных местах гигантской кучи из палочек в Цехе по Сортировке Палочкообразных Отходов на территории Секретного Подмосковного Завода по Переработке Казенного Дворничьего Инвентаря.

Как вам, жуку с кипящей от страсти эндолимфой, доказать, что Н. и Х. имеют свидание где-то в недрах горы без вашего ведома? Действуйте так же, используйте PLA! Только одно антитело возьмите специфичное для Н., а другое — для Х.! Когда они порознь — никакого эффекта не будет. Но как только они окажутся в объятиях друг друга, как только начнут лобызаться — тут-то и запустится реакция ПЦР, и вы, удовлетворенные эффектом, воскликнете: «Я так и знал!».

Вот так поступают с белками, если хотят доказать факт их взаимодействия или обнаружить их наличие в малых концентрациях. Есть, конечно, и другие способы, но этот настолько красив и изыскан, что глаза от восхищения наливаются сизым соком, как спелые сливы. Так же, как и практически все современные биологические методы, поставить PLA примерно вдвое проще, чем запечь курицу в горчичном соусе. Не знаете, как запекать курицу? Спросите у своей бабули!

Литература

1. Крупные подробности микроскопического мира: Нобелевская премия по химии 2017;
2. 12 методов в картинках: микроскопия;
3. 12 методов в картинках: структурная биология;
4. Атомно-силовая микроскопия: увидеть, прикоснувшись;
5. 12 методов в картинках: иммунологические технологии;
6. Arturo Casadevall, Liise-anne Pirofski. (2012). Immunoglobulins in Defense, Pathogenesis, and Therapy of Fungal Diseases. Cell Host & Microbe. 11, 447-456;
7. Основы ветеринарной иммунологии. Сайт НГАУ;
8. Флуоресцентные репортеры и их молекулярные репортажи;
9. 12 методов в картинках: полимеразная цепная реакция;
10. Gautam Rishi, Emily M. Crampton, Daniel F. Wallace, V. Nathan Subramaniam. (2013). In Situ Proximity Ligation Assays Indicate That Hemochromatosis Proteins Hfe and Transferrin Receptor 2 (Tfr2) Do Not Interact. PLoS ONE. 8, e77267;
11. Christina Greenwood, David Ruff, Sara Kirvell, Gemma Johnson, Harvinder S. Dhillon, Stephen A. Bustin. (2015). Proximity assays for sensitive quantification of proteins. Biomolecular Detection and Quantification. 4, 10-16.