«Время живых машин. Биологическая революция в технологиях»

Новые технологии, объединившие последние достижения биологии и инженерии, будто сошли со страниц фантастических романов. Вирусы формируют электрические цепи, наночастицы отыскивают и уничтожают раковые клетки, а компьютерные системы повышают урожайность сельскохозяйственных культур. В книге экс-президента и профессора нейронаук MIT Сьюзан Хокфилд «Время живых машин. Биологическая революция в технологиях» (издательство «Альпина нон-фикшн»), переведенной на русский язык Викторией Краснянской, рассказывается о некоторых из наиболее интересных разработок, которые могут помочь людям справиться с глобальными медицинскими, гуманитарными и экологическими проблемами. N + 1 предлагает своим читателям ознакомиться с отрывком, посвященным обнаружению аквапоринов — внутренних белков, открывающих новые возможности для очистки воды.
Книга опубликована в рамках издательской программы Политехнического музея и входит в серию «Книги Политеха».

Мы не можем жить без воды. Содержание воды в организме составляет более 50%, и мы используем имеющиеся на планете запасы для питья, сельского хозяйства, транспорта, производства т. д. Вода есть везде — около 1364 миллиардов миллиардов (1364 × 10¹⁸) литров покрывают примерно 70% поверхности Земли. Но почти весь этот объем — примерно 95% — соленая вода океанов, которую мы не можем ни пить, ни использовать для полива или каких-либо еще наших нужд.

Для того чтобы жить, нам нужна пресная вода, но она составляет менее 5% от общего объема воды на Земле. И бóльшая часть ее находится в ледниковых пластах, почве и атмосфере. Для использования доступен только 1% запасов пресной воды на планете, и этого уже недостаточно, чтобы жизнь оставалась такой, к какой мы привыкли. Более 1 млрд человек сегодня нуждаются в питьевой воде, а засуха поражает как развивающиеся, так и развитые страны. Нам нужно больше пресной воды; самые очевидные способы ее получения — это опреснение и очищение загрязненной соленой воды, которая существует вокруг нас в огромных количествах.

Очищение воды уже очень давно стало необходимым для выживания человечества. Еще в древнеегипетских рисунках, датируемых 1500 г. до н.э., отражена очистка воды с помощью фильтрации, а Аристотель описал процесс дистилляции. Хотя с тех пор мы достигли больших успехов в этом деле, человечество по-прежнему в основном полагается на эти две основные технологии. И даже спустя 4000 лет усовершенствований очистка воды с помощью дистилляции и фильтрации остается слишком медленной, слишком дорогой и слишком неэффективной с точки зрения энергозатрат, чтобы соответствовать нашим всевозрастающим требованиям. Нам нужны совершенно новые подходы к очищению воды. И открытие, сделанное Питером Агре в 1992 г., обеспечило абсолютно новую, очень соблазнительную возможность, пусть даже автор и не подозревал о ней в то время. Как оказалось, ответ на все наши проблемы с водой может лежать внутри наших тел, в таинственном белке, обнаруженном Агре.

В 1988 г. Агре опубликовал статью, где сообщалось о новом белке красных кровяных телец. В ней автор признался, что роль белка остается “неопределенной”, — достаточно унизительное заявление для любого ученого. Агре был озадачен тем, что может делать таинственный белок, но нисколько не продвинулся в решении этой загадки, пока они с семьей не отправились в путешествие в 1991 г.

Агре и его родные обожали выезды на природу и часто проводили каникулы с палатками в национальных парках. В тот год, когда они с женой спросили детей, в какой парк они хотят отправиться, те мгновенно и единодушно дали ответ — Диснейуорлд! Поэтому в тот год семья отправилась во Флориду. Вместо того чтобы потакать желаниям своих детей, Агре и его жена, как и все хорошие родители, сделали по-другому: они решили остановиться в национальном парке Эверглейд. Все же мнение детей они приняли к сведению и долгий обратный путь разнообразили остановкой в Диснейуорлде, встав лагерем в парке Йеллоустон. После этого, уже на пути в Балтимор, семья заехала в Университет Северной Каролины в Чапел-Хилл, чтобы встретиться со старым другом и наставником Агре доктором Джоном Паркером. Это решение оказалось судьбоносным.

Паркер, клинический врач, гематолог и онколог, был наставником Агре во время клинической подготовки. Как часто случается, Джон Паркер по-прежнему давал советы Питеру. Именно он порекомендовал молодому исследователю заняться изучением мембран красных кровяных телец. Во время своего визита к Паркеру после Диснейуорлда Агре продолжал думать над лабораторной загадкой и поделился с наставником своими сомнительными результатами. Он рассказал, как таинственный белок незаметно преследовал белок Rh во время тщательно проработанных, требующих большого количества времени процедур очистки и как он в больших количествах был обнаружен в почках, где нет белка Rh. Как Агре ни старался, он не мог понять, что это за загадочный белок. Паркеру не потребовалось много времени, чтобы найти решение. Поняв, что и клетки почек, и красные кровяные тельца пропускают через свои мембраны много воды, Джон Паркер пришел к выводу, что Агре мог открыть водный канал, который долгое время являлся предметом поиска, но все время ускользал от исследователей. Таинственный белок Агре мог дать ответ на вопрос, который долгое время занимал умы ученых: как вода проходит через клеточные мембраны?

Ученые давно осознали важность этого вопроса. Каждая из примерно 37,2 трлн клеток, составляющих наши тела, тщательно отслеживает и регулирует, сколько воды проходит через ее мембраны. Некоторые исследователи в теории предполагали, что должен существовать уникальный канальный белок, но, несмотря на огромные усилия, проводящий воду белок не был обнаружен. У гематологов был особый интерес к тому, как достигается нужный водный баланс внутри клетки и вне ее, потому что красные кровяные тельца нужны для того, чтобы поддерживать правильное количество воды внутри организма, чтобы выполнять свою работу по переносу кислорода от легких к другим тканям тела, а затем возвращать в легкие углекислый газ. Только наполнившись водой, эритроциты могут нести свой жизненно важный груз. Поэтому если такие канальные белки, пропускающие воду, и существуют, то можно ожидать, что в красных кровяных тельцах они будут обнаружены в изобилии.

Понимая важность регулирования воды в организме для жизнеспособности клеток, многие ученые пытались обнаружить канальные белки. В процессе осмоса вода пассивно протекает в клетку и вытекает из нее, причем направление потока определяется концентрацией того, что растворено в воде с каждой стороны клеточной мембраны. Осмос уравновешивает концентрацию растворов по обе стороны мембраны или фильтра. Проще говоря, если водопроницаемый фильтр разделяет чистую и соленую воду, то чистая вода будет течь через фильтр, пока не разбавит соленую до такой степени, чтобы концентрация раствора по обе стороны фильтра была одинаковой.

Но как вода проходит через клеточную мембрану? Когда Агре и Паркер встречались в 1991 г., большинство ученых считали, что воде не нужны специальные поры или каналы, чтобы попадать внутрь клеток и вытекать из них. Общепринятой была модель, гласящая, что вода естественным образом проходит через клеточные мембраны так, как она протекает через фильтры.

Несмотря на эту общепринятую модель транспорта воды, неканоническая идея Паркера о том, что существует таинственный белок, проводящий воду, заинтриговала Агре. Но он задался вопросом, стоит ли игра свеч. Сможет ли он действительно опровергнуть признанную научную модель, изучив белок, в существование которого большинство людей не верит? Он знал, что все усилия могли оказаться напрасной затеей, как это было со многими учеными, которые бесплодно искали водные каналы. И это занятие, несомненно, отвлекло бы Агре от его исследований белка Rh. Мудрым решением было бы отказаться от этой идеи. Но Питер решил продолжить свою сумасбродную затею.

Поиски таинственного белка требовали, чтобы Агре изменил направление работы своей лаборатории. Чтобы доказать, что этот белок действительно является водным каналом, он решил проверить его функцию в клетках различного типа, тех, которые обычно не пропускают воду через свою мембрану. Агре и его коллеги определили последовательность ДНК, кодирующую таинственный белок, и скопировали ее в РНК. РНК, помещенная в другую клетку, заставила бы ее производить таинственный белок. Агре планировал получить этот белок из тестовой клетки, чтобы определить, будет ли он, как предполагал Паркер, создавать водные каналы и транспортировать воду через клеточные мембраны.

Для проверки идеи Паркера Агре использовал икру лягушек. Почему именно ее? Потому что знал, что икра, погруженная в пресноводный пруд, остается круглой и наполненной всеми веществами, необходимыми для питания развивающегося головастика, в течение многих дней. Даже при очень высокой концентрации солей и белков лягушачья икра казалась непроницаемой для воды, что позволяло предположить: окружающая ее мягкая мембрана не имеет механизма для транспортировки воды внутрь и вовне.

Агре разработал незамысловатый тест. Во-первых, он поместил РНК таинственного белка в часть лягушачьей икры, а в другую, контрольную группу впрыснул воду. Ученый рассудил, что введенная в икринки РНК должна заставить их производить таинственный белок. После нескольких дней, проведенных в физиологическом растворе, обе группы выглядели одинаково. Но тут пришло время самого теста: Агре погрузил их в чистую воду. Контрольная группа вела себя как обычная лягушачья икра — с ней ничего не произошло. Но икринки с таинственным белком, как с восторгом рассказывал мне Питер, “взорвались, как попкорн”.

В чем же была разница? Агре смог прийти только к одному выводу: РНК таинственного белка создала белок водных каналов, который пронизал мембраны икринок. Когда содержание соли внутри икринок и вне их находилось в равновесии, обе группы икры выглядели одинаково. Но когда их поместили в чистую воду, водные каналы в икринках, куда была впрыснута РНК, пропустили воду в клетки, доведя их до точки взрыва.

Доказательство! С помощью счастливого случая и великолепной “розыскной деятельности” Агре нашел тот самый неуловимый водный канал. Он назвал его “аквапорин”. Вскоре стало ясно, что ученый открыл только первый белок из, как нам известно сегодня, целого семейства аквапоринов, которые обнаружили буквально во всех организмах на Земле: в животных и растениях, в бактериях и грибах.

Подробнее читайте:
Хокфилд С. Время живых машин. Биологическая революция в технологиях / Сьюзан Хокфилд; Пер. с англ. Виктории Краснянской. — М.: Альпина нон-фикшн, 2021. — 240 с.