Европейские ученые намерены раскрыть секрет биологического хронометра Любая, даже самая тоненькая книга об исчислении времени расскажет вам, что величайшим часовщиком в истории был Джон Харрисон. Более двух веков прошло с тех пор, как он соединил в одном часовом механизме детали из железного дерева, меди, бронзы и стали, чтобы компенсировать перепады температуры и давления, и изготовил хронометр необычайной точности. Но природа, как всегда, опередила человека.
Она изобрела свои часы миллиарды лет назад, и потомки этих часов все еще отбивают ритм в клетках нашего тела. Приспособиться к переменам, связанным с течением времени, живым организмам помогает биологический эквивалент механизма Харрисона, в котором чередование железных и медных валиков компенсировало процессы расширения и сжатия вещества во время путешествий владельца прибора из тропиков в холодные края и обратно.
Теперь дело Харрисона продолжaт участники европейского проекта Euclock, объединившего ученых 11 стран. Цель проекта стоимостью 8 млн. фунтов - разгадать принцип действия природного хронометра и воссоздать его в лабораторных условиях. Этот искусственный биохронометр поможет раскрыть тайны множества природных часов, окружающих нас повсюду: посмотрите, как распускаются и закрываются цветы, прислушайтесь, как бьется сердце, и обратите внимание на то, что нашествия цикад случаются каждые 17 лет.
Живое - это сложное соединение химических веществ. Используя так называемую реакцию Белоусова-Жаботинского, люди уже научились создавать простые химические часы - «коктейли» из нескольких веществ, меняющие цвет при каждом «тиканье». Но химические часы, заключенные в нашем теле, отличаются от них в двух отношениях: они относительно нечувствительны к перепадам температур и их "стрелки" легко передвинуть в соответствии с циклом день - ночь, подобно тому как обычный хронометр сверяют с атомными часами.
Впрочем, хотя мы и говорим о «часах, заключенных в нашем теле», какого-то локального хронометра в нем нет: вероятно, часовые механизмы присутствуют в каждой клетке нашего организма. Они немного неточны - доверься им, и в сутках окажется не 24, а 25 часов, - но различные раздражители, самый важный из которых - свет, помогают корректировать их ход. Раздражение поступает в участок головного мозга под названием Nucleus suprachiasmaticus (SCN), расположенный рядом с местом пересечения зрительных нервов. SCN синхронизирует все периферийные часы, хотя как именно это происходит, пока не вполне ясно. Возможно, в этом процессе участвуют гормоны вроде мелатонина. Так или иначе, благодаря SCN все периферийные часы показывают одно и то же время.
В рамках нового европейского проекта профессор университета Эдинбургской школы биологических наук Эндрю Миллар намерен изучить действие клеточных биологических часов, «ход» которых связан с активностью протеинов. Эти белковые «шестеренки» присутствуют в клетках многих животных, начиная с мышей и плодовых мушек. Правильное понимание принципов действия биологических часов крайне важно для здоровья нашего общества, живущего по 24-часовому циклу. В обнаружении генов, ответственных за действие биологических часов, наука достигла существенного прогресса, но ученым еще предстоит узнать, как взаимодействуют эти гены. Об этом свидетельствует недавно опубликованная работа Дэниэла Форджера из Мичиганского университета, который обнаружил, что один из протеинов функционирует совсем не так, как считалось прежде.
Значимость биологических часов, которые «тикают» во всех живых организмах, не подлежит сомнению. Например, растения-мутанты с измененными биологическими часами растут вдвое медленнее обычных, поскольку процесс фотосинтеза протекает по заторможенному временному циклу. Это открытие профессора Миллара, сделанное в сотрудничестве с доктором Алексом Веббом из Кембриджского университета, в частности, означает, что на космических станциях - и, возможно, на Марсе - астронавтам придется придерживаться 24-часового цикла не только ради собственного здоровья, но и для того, чтобы обеспечить воспроизводство ряда продуктов питания.
В то время как некоторые участники проекта Euclock будут изучать генетические различия, делающие одних людей «жаворонками», а других - «совами», Миллар намерен создать генетические часы на основе дрожжевых грибков, которые в обычных условиях не подчиняются законам 24-часового ритма. «Используя имеющуюся генетическую информацию, мы попробуем поместить синтетический «часовой механизм» на «чистый лист», которым станут для нас дрожжевые грибки», - говорит Миллар.
Ученые из группы Миллара разработают компоненты новых часов, а сборкой их прототипа займется профессор Ференк Нейджи и его коллеги из венгерского города Сегед. Поместив ключевые протеины - своего рода валики и шестеренки наших внутренних часов - в дрожжевую среду, ученые проследят за тем, будут ли эти протеины вызывать в ней ритмические сигналы. При этом ход искусственных часов (так же, как и ход естественных биологических часов в теле человека) должен определяться световыми раздражителями. У этих часов не будет циферблата, но они будут излучать зеленое свечение - благодаря генам, которые ученые собираются позаимствовать у медуз.
Понимание принципов работы подобного часового механизма открывает множество возможностей для игр со временем. Мы сумеем изменять сроки цветения и плодоношения растений и, вероятно, наконец поймем, почему люди спят ночью и бодрствуют днем, как можно изменить эту модель и что вызывает бессонницу.
Фармацевтические компании уже потратили миллиарды на разработку препаратов, призванных помочь больным с нарушениями сна. Это и наследственные заболевания - такие как синдром раннего наступления фазы сна, вызванный неправильной работой гена (страдающие им обычно встают очень рано, скажем, в четыре утра, но хотят спать уже в семь вечера), - и нарушения, связанные со сменой часовых поясов или ночным графиком работы, которые приводят к сердечным болезням и нарушают обмен веществ.
Одну из причин негативного воздействия ночной работы на организм недавно обнаружил доктор Мик Хастингс из лаборатории молекулярной биологии Совета по медицинским исследованиям в Кембридже: от правильности суточного цикла зависит способность печени препятствовать проникновению токсинов в организм. «Мы обнаружили, что примерно пятая часть ферментов печени работает в соответствии с циркадным ритмом (его еще называют околосуточным). Это означает, что метаболические возможности печени днем и ночью существенно разнятся, так как последовательно «включаются» и «выключаются» различные группы белков и ферментов», - говорит Хастингс. Когда эта последовательность нарушается - как у людей с генетическими расстройствами сна или работающих посменно, - естественная длительность метаболических циклов меняется, что приводит к серьезным хроническим заболеваниям.
Создание синтетических часов может пролить свет и на проблему старения. Доктор Марина Энточ и ее коллеги из Лернерского исследовательского института в Кливленде, штат Огайо, установили связь между циркадическими ритмами и продолжительностью жизни мышей. Грызуны, у которых отсутствовал ген Bmal1, главный ген биологических часов, слишком быстро старели. В возрасте 4--7 месяцев эти мыши страдали от потери веса, деформации внутренних органов, катаракты, воспаления роговицы и умирали довольно молодыми.
Синтетические часы могли бы ответить и на некоторые фундаментальные вопросы. Профессор Миллар хочет использовать свою дрожжевую закваску для изучения воздействия биологических ритмов на эволюцию жизни на Земле. Ученый планирует в лабораторных условиях имитировать процесс эволюции, чтобы проверить правильность существующих теорий. Эволюционировали ли биологические часы, для того чтобы синхронизировать обмен веществ в нашем организме с суточным циклом и тем самым заставить нас наиболее эффективно расходовать энергию? Или целью этой эволюции было спрятать деликатный процесс репликации ДНК под покровом ночи - подальше от губительных ультрафиолетовых лучей?
Ответить на эти вопросы может зеленоватое сияние искусственных биологических часов.