Веревка вокруг Земли и другие сюрпризы науки - Карл Саббаг

Клетки печени в сформировавшемся организме весьма существенно отличаются от мозговых клеток, а клетки желудка — от клеток крови, но все они происходят от одного и того же типа клеток, известных как стволовые — имеется в виду ствол воображаемого «растения», на котором они все растут. Ядро стволовой клетки содержит всю информацию, необходимую для формирования клеток любого типа, которые впоследствии понадобятся организму. Это похоже на библиотеку, где много разных залов, а в каждом зале куча стеллажей. В одном зале хранятся практические пособия, описывающие, как сформировать мышцы и управлять ими; в другом содержатся схемы нервных клеток и информация, как создавать и передавать электрические импульсы; в третьем находятся все инструкции, нужные для того, чтобы образовать целый реестр клеток, связанных с кровеносной системой, включая клетки, отвечающие за иммунитет, и красные кровяные тельца.

На ранних стадиях развития эмбриона стволовые клетки просто самовоспроизводятся и множатся. Одна «библиотека» порождает другую, с точно таким же набором стеллажей и пособий. Но на определенном этапе стволовые клетки начинают воспроизводить более специализированные клетки, которые объединяются в блоки идентичных клеточных структур и дают начало телу с узнаваемой формой и функциями.

Когда стволовая клетка превращается в другой тип — это как если бы кто-то пришел в библиотеку и запер все двери, ведущие во все залы, кроме одного — например, с инструкциями по изготовлению клеток печени. С этого момента библиотека самовоспроизводится все так же, с запертыми дверями, и это продолжается в течение всей жизни организма. Хотя библиотека по-прежнему содержит инструкции, относящиеся ко всем типам клеток, потомки этой клетки будут иметь доступ лишь к весьма ограниченному количеству полок — тех, где хранится информация по изготовлению клеток печени.

Такой механизм может показаться неудобным и громоздким. Почему бы просто не избавиться от генов, отвечающих за все остальные функции, чтобы будущие клетки печени обладали только той информацией, которая необходима им для работы? Во-первых, потому, что клетки на разных стадиях своего существования выполняют разные задачи, поэтому они должны обладать способностью время от времени открывать некоторые запертые залы и консультироваться с хранящимися там пособиями — особенно на тех стадиях, когда организм претерпевает изменения: переход от младенчества к детству, от детства к юности, от юности к зрелости и так далее. Во-вторых, оказывается, даже специализированным клеткам в процессе жизнедеятельности может понадобиться доступ к другой информации.

А может быть, дело еще и в том, что проще разработать и запустить один стандартный механизм деления клеток, копирующий все от и до, но приложить к нему другие механизмы, которые позже помогут определить, какие гены надо активировать.

Ученые надеются использовать феномен стволовых клеток для лечения заболеваний двумя способами.

Первый путь такой. Можно взять здоровые зародышевые стволовые клетки с их способностью образовывать клетки любого типа и придумать, как имплантировать их людям, в чьих телах имеются дефектные клетки, вызывающие хронические заболевания, например болезнь Паркинсона. Эта болезнь связана с наличием в мозгу некоего типа дефектных нервных клеток. Если стволовая клетка сможет превратиться в здоровую копию клетки того же типа, то болезнь можно победить. Нужно только добиться, чтобы стволовые клетки открыли те «залы», где хранятся пособия, описывающие необходимый тип мозговых клеток, — в этом случае, когда их пересадят, они обеспечат поставку недостающего ингредиента, необходимого для исцеления пациента.

Есть также другой тип стволовых клеток, имеющийся у взрослых. В нем заперты некоторые, но не все «залы», поэтому клетка знает, как произвести на свет новые клетки взамен тех, что износились или уничтожены в результате травмы; среди доступных вариантов — клетки сердца, кровеносных сосудов, костей и хрящей. Поскольку этот тип клеток тоже содержит в памяти инструкции по изготовлению всех остальных типов клеток, ученые надеются со временем научиться перепрограммировать их, чтобы отпереть закрытые «залы» и воспроизводить и другие типы клеток.

В заключение хотелось бы отметить, что каждая клетка на самом деле снабжена инструкциями по изготовлению любой другой клетки, но, в отличие от стволовых клеток, пока не найдено ни единого способа отпереть эти инструкции. Как если бы замки на дверях залов проржавели насмерть или залиты суперклеем. Однако наверняка придет день, когда даже это препятствие будет преодолено, и тогда стволовые клетки выполнят свою задачу и положат начало целому ряду операций с клетками, в результате которых можно будет взять абсолютно любую клетку и превратить ее в любую другую.

Сопротивление бесполезно

Новые достижения в медицине — это не всегда размеренные шаги на пути к некоему конечному состоянию безупречного здоровья. Некоторые изобретения — например, талидомид[56] или лечение недоношенных младенцев кислородом — не только решают проблемы, но и создают новые. Одно из главных медицинских достижений XX столетия привело к едва ли не крупнейшему провалу в медицине XXI века, и все из-за «сообразительности» бактерий, которые идут на шаг впереди даже самых сообразительных ученых-медиков.

Открытие антибиотиков изменило существовавшие прежде методы борьбы с инфекциями. Два типа бактерий, повинных в значительной части всех человеческих инфекционных заболеваний: стафилококки и стрептококки, — были практически в одночасье взяты под контроль благодаря изобретению и началу производства пенициллина, а вскоре и других антибиотиков. В конце 1940-х и в течение 1950-х годов были изобретены сульфаниламиды, стрептомицин, левомицетин, тетрациклин — названия этих лекарств, созданных для уничтожения целого ряда болезнетворных организмов, более или менее знакомы любому современному человеку.

Но уже на первых порах ученые начали замечать, что некоторые штаммы бактерий, которые вроде были обречены на гибель новыми препаратами, не только выжили, но еще и процветают. Вскоре после того, как антибиотики вошли в медицинский обиход, стало казаться, что болезнетворные микроорганизмы способны выработать защиту против любого лекарства, которое было создано специально, чтобы их уничтожить.

Что бы вы сказали, если бы появление огнестрельного оружия всего за одно поколение привело к формированию у людей иммунитета к смерти от выстрела? Но ведь именно это и происходит с некоторыми бактериями. По мере разработки все новых лекарств, направленных против устойчивых штаммов, бактерии создают все новые способы защиты. Началось настоящее соревнование между бактериями и учеными, и к концу XX века бактерии стали одерживать верх.

На данный момент около 70 % бактерий, вызывающих инфекции среди пациентов больниц, устойчивы как минимум к одному из широко распространенных антибиотиков. Едва ли не самая неприятная и проблемная бактерия — это разновидность стафилококка, которая успешно противостоит нескольким разным антибиотикам. Она называется «метициллин-устойчивый золотистый стафилококк» и способна распространяться по помещениям больницы, заражая особо восприимчивых и уязвимых пациентов.

Но что означает слово «устойчивость» по отношению к бактериям и как она возникает?

Способы, найденные бактериями, чтобы успешно противостоять усилиям производителей лекарств, обязаны своим возникновением изобретательности эволюции. Поскольку бактерии размножаются очень быстро, то и эволюционный процесс у них протекает в ускоренной форме. В лабораторных условиях бактерия типа стафилококка может делиться и производить на свет очередное поколение каждые два часа, тогда как для появления нового поколения людей требуется около тридцати лет. Если миллионы этих бактерий столкнутся с новым лекарством и хотя бы у одной из них при делении клетки возникнет мутация, дающая устойчивость к этому препарату, то остальные бактерии погибнут, а потомки этой продолжат жить и процветать, и вскоре данный тип станет доминирующим, а то и единственным оставшимся штаммом. На этом этапе лекарство становится бесполезным.

Но опять же, что такое в данном случае «устойчивость»? Что происходит при мутации?

Есть как минимум три способа защиты, к которым могут прибегнуть только что мутировавшие бактерии. Давайте вернемся к аналогии с людьми, обладающими «иммунитетом к пулям».

Если бы у людей развилась устойчивость к огнестрельному оружию, сходная с устойчивостью бактерий к антибиотикам, это могло бы произойти как минимум тремя путями. Во-первых, у нас могли бы появиться некоторые биологические приспособления, блуждающие прямо под кожей, которые перехватывали бы пулю при соприкосновении ее с телом и дробили бы ее на множество безвредных кусочков. Во-вторых, похожий механизм мог бы быстро развернуть пулю и отослать ее в обратном направлении — она просто отскочила бы от тела. В-третьих, мы могли бы обзавестись кожей нового, пуленепробиваемого типа. Эти три способа аналогичны тому, как бактерии справляются с антибиотиками, прежде чем те успеют причинить им вред.