Для чего созданы мыши
Мешки из клеток Зачем ученые создали гибрид свиньи и человека, а затем его умертвили
Международной группе ученых под руководством испанца Хуана Бальмонте, известного своими работами в области стволовых клеток, удалось создать эмбрионы химер человека и свиньи, которые в будущем могут стать источником донорских органов. Другая команда исследователей вылечила врожденную глухоту у мышей с помощью вирусов. «Лента.ру» рассказывает об успехах генной инженерии, связанных с медициной.
Создание генетически модифицированных организмов — не единственное, чем может порадовать человечество генная инженерия. Биотехнологии позволяют не только менять гены для улучшения сельскохозяйственных растений и животных, но и лечить ранее неизлечимые заболевания. По иронии судьбы, для этого ученые используют вечных врагов человека — вирусов. Последние применяются для создания векторов, доставляющих ДНК в нужные клетки. Еще одно направление, которое может напугать не слишком сведущих в науке людей, — создание эмбрионов химер, сочетающих в себе клетки человека и других организмов. Однако то, что поначалу кажется зловещим, на самом деле окажется удобным способом создания органов.
Почки или легкие, которые были получены с помощью выращивания химерных эмбрионов, будут подходить для трансплантации нуждающимся в них людям. Те же, кто боится восстания мутантов, должны подумать, что реальная польза от этой технологии превосходит смутные опасения фантастов-пессимистов.
Слева направо: обычная мышь, мышь с клетками крысы, крыса с клетками мыши, обычная крыса
Изображение: Nakauchi et al. / The University of Tokyo
Чтобы развеять страхи, нужно понять, что и как делают ученые, создающие химер. Основной материал, с которым работают исследователи, — стволовые клетки, которые обладают плюрипотентностью — способностью превращаться в другие клетки организма (нервные, жировые, мышечные и так далее) за исключением плаценты и желточного мешка. Их внедряют в зародыши других организмов, после чего эмбрион развивается дальше.
Свинолюди
Именно таким образом международной группе ученых из США, Испании и Японии удалось создать химеры свинья-человек, крыса-мышь и корова-человек. Они сообщили об этом в статье, опубликованной в журнале Cell и ставшей первым документом, подтверждающей успешную «химеризацию» далеких в родственном отношении видов.
Основной проблемой является то, что мало внести плюрипотентные клетки в эмбрион и ждать, что получится что-то путное. Вместо этого может получиться организм с катастрофическими нарушениями в развитии, включая образование тератом. Нужно выключить гены в зародышах-реципиентах таким образом, чтобы они не смогли сформировать специфические ткани. В этом случае внедренные стволовые клетки берут на себя задачу по выращиванию недостающего органа.
Сначала ученые ввели стволовые клетки крыс в мышиные эмбрионы на стадии бластоцисты, когда плод представляет собой шар из нескольких десятков клеток. Этот метод называется комплементацией эмбриона (embryo complementation). Целью эксперимента было выяснить, какие факторы играют ведущую роль в межвидовом химеризме. Зародыши были перенесены в тело самок мыши, после чего развились в живых химер, одна из которых дожила до двухлетнего возраста.
Гены в эмбрионах выключались с помощью технологии CRISPR/Cas9, которая вносит разрывы в специфичные участки ДНК. Например, исследователи при тестировании используемого ими подхода блокировали активность гена, который играет важную роль в формировании поджелудочной железы. Родившиеся мыши в результате умирали, однако при внедрении плюрипотентных клеток крыс в эмбрионы недостающий орган развивался. Также ученые отключали ген Nkx2.5, без которого эмбрионы страдали от серьезных пороков развития сердца и оказывались недоразвитыми. Химеризация помогла зародышам достичь нормального роста, однако получить живых химер так и не удалось.
Фото: Juan Carlos Izpisua Belmonte / Salk Institute for Biological Studies
Исследование полученных крыс-мышей показало, что различные мышиные ткани содержали разную долю клеток крыс. Когда ученые попытались внести крысиные клетки в бластоцисты свиней, а затем провели генетический анализ четырехнедельных эмбрионов, они не обнаружили ДНК грызунов. Это говорит о том, что не все животные подходят для химеризации друг с другом, и успешное прививание стволовых клеток одних эмбрионам других может зависеть от генетических, морфологических или анатомических факторов.
Главной же целью ученых было создание химеры человека и свиньи, чтобы проследить, как человеческие ткани будут развиваться внутри зародыша нежвачного парнокопытного животного. Они использовали бластоцисты свиньи и с помощью лазерного луча проделали микроскопические отверстия для последующей инъекции различных групп плюрипотентных клеток, которые выращивались в различных условиях. Затем эмбрионы пересаживались в свиноматок, где успешно развивались. Отслеживание динамики человеческого материала проводилось при помощи флуоресцентного белка, на производство которого были запрограммированы человеческие стволовые клетки.
В итоге в свином эмбрионе были сформированы клетки, являющиеся предшественниками различного вида тканей, в том числе сердца, печени и нервной системы. Гибридам свиньи и человека позволили развиваться в течение трех-четырех недель, после чего уничтожили их по этическим соображениям.
Глухие мыши
Американские ученые из Бостона недавно смогли вернуть слух мышам, страдающим от редкого генетического расстройства функций внутреннего уха. Для этого они использовали биологическую систему доставки генов (вектор) на основе обезвреженных вирусов. Исследователи модифицировали аденоассоциированный вирус, который заражает людей, однако не вызывает заболеваний.
Инфекционный агент способен проникать в волосковые клетки — рецепторы слуховой системы и вестибулярного аппарата у животных. Биотехнологи использовали вектор для ремонта дефектного гена Ush1c в клетках только что родившихся живых мышей. Эта мутация вызывает глухоту, слепоту и нарушения равновесия. В результате у животных улучшился слух, что позволило им различать даже тихие звуки.
Генная инженерия, таким образом, — не способ создания угрожающих человечеству мутантов. Это постоянно улучшающийся набор методов и средств по улучшению жизни и здоровья людей, особенно тех, кто сильно в этом нуждается. Поскольку создание химер и генная терапия не так просты в осуществлении и порой требуют хитроумных решений, развитие биотехнологий происходит не так быстро, как хотелось бы. Однако ежегодно публикуются десятки научных работ, которые углубляют и обогащают наши знания и умения.
День рождения компьютерной «мышки»: эволюция и история появления
В современном мире компьютерную мышь ежедневно держат в руках больше миллиарда человек на нашей планете, а некоторые проводят с ней больше времени, чем с собственными детьми, домашними животными, друзьями или даже просто другими людьми. Сегодня без «мышки» не обходится ни одно рабочее место, где есть персональный компьютер. Ассортимент этого манипулятора просто впечатляет: проводные и беспроводные, лазерные и оптические, игровые и обычные, самых разнообразных дизайнов, цветов и форм, женские и мужские. Другими словами, современная компьютерная мышь способна удовлетворить запросы и требования по поводу удобства и функциональности даже самых придирчивых владельцев.
Однако, не многие знают или когда-либо интересовались, какая же она была, первая компьютерная мышь, и кто является ее создателем. Впервые это устройство предстало перед общественностью ровно 46 лет назад, 9 декабря 1968 года на конференции по вычислительной технике в Сан-Франциско. Его дебют состоялся благодаря ученому-изобретателю из Стэнфордского исследовательского института Дугласу Энгельбарту. И это не удивительно, ведь работы по созданию мыши проводилась в самом сердце «Силиконовой долины», неподалеку от калифорнийского городка Пало-Альто, известного как месторождение большинства достижений вычислительной техники. Здесь обитает один из сооснователей технологической корпорации Apple и «первопроходец» эры IT-технологий Стив Джобс.
По-моему, идеально-подходящее место для рождения первого в мире компьютерного манипулятора. Кстати, за свое изобретение новатор получил в 1989 году премию в размере 10 тысяч долларов, которую сразу же потратил на первый взнос за загородный дом.
Сам Дуглас Энгельбарт вспоминает, что идея создания компьютерной мыши к нему пришла во время одной из очередных научных конференций. Длительный процесс демонстрации разнообразных графических элементов был очень утомительным, поэтому ему показалось, что его можно сделать более интерактивным. Он тут же отметил в своем блокнотике, который всегда носил при себе, что очень важной и полезной могла бы оказаться возможность чем-то водить по экрану и указывать конкретные изображения. С этого момента до выпуска первого настоящего экземпляра прошло семь лет. Только представьте, сколько времени и сил понадобилось для создания лишь маленькой крупицы сегодняшнего нашего с вами комфорта в использовании компьютера. Патент на выпуск компьютерной мыши Энгельсу удалось получить в 1970 году. Внешне первая мышка мало напоминала современные гаджеты, она была выполнена в форме деревянного куба с просто-таки огромного размера колесиками и всего одной кнопкой. Внутри устройства команда разработчиков поместила два металлических диска, имеющих функции передвижения курсора вперед-назад и вправо-влево. Само название «мышь» появилось благодаря проводу, с помощью которого она подключалась к компьютеру.
Немного позже, в 1970 году, сотрудники компании Xerox видоизменили дизайн манипулятора: он получил три кнопки, а металлические диски сменились шариком и роликами. Его ценник в то время достигал 400 долларов, что приравнивалось к небывало дорогущей непозволительной вещи. Интересно, что из-за того, что шарики часто терялись, появился еще один вид манипулятора – трекбол. Это устройство, представляющее собой ту же мышь, только перевернутую вверх дном. Его не нужно было водить по столу, а наоборот, катать по нему ладонь или палец. Для мобильных компьютеров этот вариант на продолжительное время стал заменой первым мышкам, однако удобство последних в итоге полностью вытеснило конкурента с рынка.
Компания Apple выпустила свою компьютерную мышку в 1983 году, она использовалась вместе с компьютерами марки Lisa. Стоимость этой оргтехники снизилась до 25 долларов. Именно с того времени привычная нам компьютерная мышь начала набирать популярность, с каждым годом появляются новые модели и дизайн становится все более привычным. Постепенно появлялись инновационные дорогие модели, типа индукционных и гироскопических мышей. Индукционная мышь – это коврик, подключённый через USB и работающий за счет индукционной энергии, а гироскопическая – средство, способное работать прямо в воздухе. В конце 1990-хх появилась первая лазерная мышка, отличающаяся пониженным энергопотреблением и более высокой точностью, чем у предшественников. Их массовое производство стартовало с 2004 года, эти манипуляторы завоевали особую любовь, доверие и расположение пользователей по всему миру.
Всего за годы эволюции сменились четыре поколения компьютерных мышек – от механических и механико-оптических к полностью оптическим и, наконец, лазерным. Все они имеют свои особенности и разный принцип устройства. Однако, уже сегодня намечается тенденция к полному их исчезновению, технологический прогресс не стоит на месте, вместе с развитием вычислительной техники естественность, мобильность и удобство становятся на первый план. Ноутбуки приучают пользователей к тачпаду, планшеты с сенсорными экранами обучают взаимодействию с интерфейсом пальцами, и это не может не радовать.
Мы одной крови. Почему крысы – идеальные помощники учёных
Своим появлением в научных лабораториях крысы обязаны нескольким учёным, которые почти одновременно в начале XX века стали использовать этих животных в разных экспериментах.
Одним из них был американец Джон Бродес Уотсон, которого они заинтересовали как объекты психологии. В 1903 году он защитил докторскую диссертацию о влиянии уровня развития центральной нервной системы на поведение белых крыс.
Учёные выбирают крыс в качестве объектов исследований за максимальное сходство состава их крови с человеческой. Также у мышиных и людей 90 % общих генов. Кроме того, крыса – животное, умеющее мыслить, обладающее логикой и способное к обучению.
Они двигаются
В 1962 году журнал Science опубликовал статью американского профессора Жозефа Олтмана о формировании нейронов взамен разрушенных. Учёный ввёл радиоактивное вещество в участок крысиного мозга. Через несколько месяцев радиоактивные нейроны распространились в мозге, подтвердив образование новых нервных клеток в зрелой центральной нервной системе у взрослых млекопитающих.
Открытие легло в основу нейробиологии, которая активно развивается с 1990-х годов и изучает в том числе возможности образования новых нейронов из стволовых клеток мозга и крови.
Накормить и вылечить
В конце 70-х прошлого века стали проводить опыты по внедрению чужеродных генов к мышам и крысам. После того как ввели ген роста крысы в оплодотворённую яйцеклетку мыши, получили мышь-великана, которая развивалась быстрее сородичей. Исследования трансгенных организмов сегодня ведутся для решения практических задач (например, борьбы с голодом) и фундаментальных, в том числе природы порождающих рак генов.
Шоколадная таблетка
В 2001 году японские учёные пришли к выводу, что кариес можно остановить, если добавлять в еду шелуху какао-бобов. Этот вывод родился после того, как крысам стали давать сладкую воду с экстрактом шелухи. Оказалось, что она содержит бактерии, которые противостоят разрушению зубов. К слову, крыс очень часто используют в стоматологических разработках разных препаратов, поскольку состав соединительных тканей у грызуна и человека похож.
Управляя мозгом
Открытие метода оптогенетики в 2005 году позволило продвинуться в борьбе с нарушениями нервной деятельности человека. Он базируется на точечном управлении повреждёнными участками мозга с помощью света. Управлять нейронами учились, вживив в мозг мыши специальные датчики. Данная разработка помогла также сделать серьёзные технологические шаги в генной инженерии.
Злые и толстые
В 2007 году сразу несколько российских научных центров заявили о рисках использования ГМО, в том числе генно-модифицированной сои. Её пять месяцев вводили мышам в одной из лабораторий, после чего у животных на 18 % увеличилась масса тела, селезёнка уменьшилась на 39 % и увеличилась печень на 18,5 %, а в крови снизилась активность некоторых ферментов. Модифицированная мука повысила и агрессивность, тревожность родителей-крыс и их потомства. У самок нарушался материнский инстинкт.
Не навреди
Биологи МГУ выясняли, как гепарин (вещество, предотвращающее свёртывание крови) влияет на психическое состояние больного: не навредит ли он одним органам, помогая другим. Крысам вводили гепарин и одновременно наблюдали за их поведением. В результате заметили, что лекарство положительно сказывалось на самочувствии, обучаемости и ориентации крыс. Открытие оказалось ценным в том числе для неврологии.
Вождение против стресса
В прошлом году в университете Ричмонда биологи учили крыс управлять крошечными машинами. Выяснили, что занятия положительно воздействовали на психическое состояние животных из‑за выброса дегидроэпиандростерона – гормона, противодействующего стрессу. Учёные надеются, что эксперименты помогут в поиске новых инструментов борьбы с его последствиями.
Унюхали
Учёные сельхозуниверситета Танзании доказали, что, обладая острым обонянием, крысы могут по запаху мокроты установить наличие у человека туберкулёза даже в тех случаях, когда сложные анализы не определяют наличие туберкулёзной палочки. Открытие особенно ценно для выявления болезни на ранних стадиях.
Особая тренировка
С помощью крыс учёные нашли способ восстанавливать людей, страдающих синдромом посттравматического стрессового расстройства (ПТСР), который плохо лечится медикаментозно. Помещая животных, переживших стресс, в барокамеры со сниженным содержанием кислорода, с ними проводили умеренные тренировки. Выяснилось, что такие занятия активизируют защитные резервы организма и в лечении болезни наблюдается положительная динамика.
Спасатель ЧС
Американские исследователи вживили в мозг крысы электроды, чтобы управлять её передвижениями с расстояния до 500 метров. Посылая импульсы в центр удовольствия её мозга, они заставили животное подчиняться сигналам и двигаться в нужном человеку направлении. Это стало незаменимым средством в поиске людей после землетрясений, когда крыс посылают под завалы, снабдив их мини-камерами.
Рая не будет
Этот социально-психологический эксперимент с крысами под названием «Вселенная‑25», проведённый в 1972 году американским учёным Джоном Кэлхуном, вызвал огромный резонанс в обществе.
Экспериментатор создал для четырёх пар мышей идеальные условия жизни в ограниченном пространстве. Достаточное количество еды, отсутствие врагов и болезней привели к быстрому росту популяции, которая удваивалась каждые 55 дней.
Когда мышей стало больше 600, в их среде сформировалась определённая иерархия с молодыми отверженными мышами – постоянными жертвами чужой агрессии, которым не было места среди сильных взрослых особей.
На следующем этапе появились «красивые» самцы, равнодушные к продолжению рода, и агрессивные матери, взявшие на себя мужскую роль по защите потомства. Затем самки и вовсе стали избегать спаривания, прирост особей полностью прекратился, в «раю» практиковались гомосексуализм, каннибализм и девиантное поведение. При этом продолжительность жизни мышей выросла на 200 дней от нормы.
Учёные привязали результаты этого опыта к человеческой реальности, пояснив, что без борьбы, необходимости выживать и биться за продолжение рода, люди просто деградируют. Отказ от деятельной жизни сначала ведёт к «первой смерти» – смерти духа отдельных индивидуумов, а за ней распадаются все социальные связи и живой род прекращает существование.
Сегодня миллионы крыс и мышей по всему миру помогают в разработке сложнейших проблем медицины, психологии, сельского хозяйства, космоса и т. д. Например, в лабораториях БелГу около 400 крыс и 150 мышей задействованы в апробации новых лекарственных препаратов для лечения сердечно-сосудистых заболеваний, болезни Паркинсона, цирроза печени, диабета и многих других. Они же помогают в исследованиях стволовых клеток, генетической предрасположенности к заболеваниям.
В благодарность за вклад этих животных в спасение здоровья и жизни человека в музее фармакологии вуза хранят бронзовую скульптурку лабораторной крысе.
Что же в этом грызуне особенного?
Отличная интуиция
Необъяснимо, но факт: крысы чувствуют опасность. Про крыс, бегущих с тонущего корабля, слышал каждый. Прошедшие войну моряки свидетельствовали, что они убегали не только с тонущих судов, но и с тех, которые на следующий день подвергались торпедной атаке.
Яд на завтрак
Не помыли ягоды и схватили расстройство желудка? Как бы посмеялись над вами крысы, которым не страшны многие яды. Когда они находят еду, в безопасности которой не уверены, то сначала чуть-чуть её пробуют. Если что не так, то никогда больше к ней не прикасаются, каким‑то образом предупреждая об этом своих сородичей. На некоторые яды крысы вырабатывают иммунитет. Они массово гибнут от травли новыми ядохимикатами, но не все. Выживают «обнадёживающие уроды» (есть такой научный термин) – их организмы из‑за генных мутаций сами вырабатывают противоядие. И дозы радиации, опасные для человека, этим хвостатым нипочём.
Без преград
Пока вы безрезультатно пытаетесь втиснуться в переполненный автобус, крысы пробираются в крошечные отверстия диаметром не больше четверти обхвата их самих. Если в щель пролазит голова крысы, значит, в неё протиснется и остальное тело.
В наши жилища они легко проникают по канализационным трубам. Во‑первых, им вполне хватает их диаметра. Во‑вторых, они могут надолго задерживать в воде дыхание и отлично плавать. Немного усилий – и непрошеные гости уже у вас.
Живу где хочу
Без стоматолога
Пока вы клянёте себя за то, что решили расколоть во рту орех и теперь надо копить на новые зубы, крысы прогрызают кирпич, свинец, цемент и толстое стекло. Природа наградила их невероятно сильными челюстями. Давление их резцов – до 540 кг на 1 кв. см. Растут резцы всю жизнь, поэтому их надо постоянно стачивать. И почему бы для этого не сделать дырку в железной трубе?
Лабораторные мыши на службе у человека
Любые научные эксперименты — от тестирования косметики до испытания препаратов для лечения рака — чаще всего (примерно 80% опытов) проводятся на лабораторных мышах и крысах.
Использование грызунов сыграло огромную роль при разработке методов лечения полиомиелита, жёлтой лихорадки, ВИЧ/СПИД, при открытии пенициллина. В 2013-м году в Новосибирске открылся памятник лабораторной мышке — как знак благодарности от человечества.
Памятник лабораторным мышам в Новосибирске. «Мышь, вяжущая ДНК»
Точно неизвестно, сколько грызунов подвергаются экспериментам — далеко не все лаборатории ведут их учёт. Согласно приблизительным данным около 24 миллионов мышей и крыс ежегодно подвергаются экспериментам в странах Евросоюза и США.
Так чем же грызуны провинились перед человечеством, что именно они в большинстве случаев становятся подопытными животными?
Почему опыты проводятся на мышах и крысах?
Нет, грызуны ни в чём не виноваты. Просто они имеют ряд особенностей, которые делают их идеальными испытуемыми.
Подопытные мыши и крысы живут в вивариях со специальными условиями проживания. В лабораториях прописываются специальные нормы содержания: еда, подстилки, частота кормления и уборки, уровень влажности. Крысы и мыши не могут находиться в одном помещении: крысы удручают мышей, и те начинают умирать.
Виварий с лабораторными мышами
Существуют и специальные автоматические виварии, где поддерживаются идеальные стерильные условия, т.к. есть эксперименты, для которых нужны мыши и крысы без иммунной системы. Можно сказать, что у животных в клетке чище, чем где-либо ещё.
Аргументы против экспериментов на животных
Практически всегда по окончанию эксперимента животные погибают. В редких случаях, когда они выживают, кто-то забирает их себе домой, но всё же обычно их ждёт умерщвление под анестезией и утилизация.
Зоозащитники много лет выступают против проведения экспериментов над животными. Их доводы:
Можно ли обойтись без опытов на грызунах?
Успешное лечение искусственно вызванных симптомов у животных не всегда приводит к успеху у людей. К примеру, учёные научились побеждать все виды рака у мышей, но это не относится к человеку. То же самое касается и безопасности: во время тестирования препарат может зарекомендовать себя положительно, а вот человеческий организм может его не принять.
Пока что учёные не могут полностью отказаться от испытаний на животных, поскольку альтернативные методы (использование искусственно выращенных органов — лёгких, почки, печени) слишком дороги, пока что не оправданы, да и далеки от настоящего организма.
Единственная реальная альтернатива на сегодняшний день — это сокращение количества подопытных, когда это не вредит достоверности полученных результатов. К примеру, раньше учёным приходилось умерщвлять сотни грызунов на разных этапах развития опухоли, теперь же они наблюдают за развитием болезни на примере одного животного при помощи флуоресцирующего красителя.