4. НАУКИ О ЖИЗНИ

В Новосибирском институте биоорганической химии разработаны новые принципы конструирования ген-направленных биологически активных веществ на основе олигонуклеотидов (рис. 4.1). К олигонуклеотидам, способным образовывать комплексы с определенными РНК, предложено присоединять химические группы, имитирующие активный центр фермента рибонуклеазы, каталитически разрушающие РНК. В Институте синтезированы искусственные катализаторы расщепления РНК, превосходящие по эффективности все известные синтетические соединения, создававшиеся для аналогичных целей ранее, и разработаны методы присоединения их к олигонуклеотидам.

Рис. 4.1. Ген-направленные биологически активные вещества. Присоединение химической реакционноспособной группы к олигонуклеотиду превращает его в препарат направленного действия. За счет олигонуклеотидной части структуры он избирательно связывается с заданной нуклеиновой кислотой – вирусной РНК или матричной РНК, кодирующей белки, вызывающие злокачественное перерождение клеток. При этом его химическая группа, в зависимости от ее природы, может разрушить эту нуклеиновую кислоту или внести в нее химическое изменение.

Синтезирован широкий спектр реакционно способных производных олигонуклеотидов, способных взаимодействовать с ДНК и с белками, узнающими нуклеиновые кислоты. За исследования, проведенные в этой области, в 1999 г. коллектив сотрудников Института был награжден Государственной премией Российской Федерации в области науки и техники.

В развитие этих работ в том же Институте предложен и успешно апробирован принцип создания нетоксичных высокоизбирательных препаратов для направленного воздействия на РНК и ДНК, основанный на использовании бинарных систем олигонуклеотидных конъюгатов. В соответствии с этим принципом к двум олигонуклеотидам, образующим комплексы со сближенными последовательностями в составе целевой нуклеиновой кислоты, присоединяются две малоактивные химические группы, которые при сближении способны образовывать активную структуру, химически воздейству ющую на нуклеиновую кислоту. Таким образом, каждый из олигонуклеотидов неактивен, а активная форма препарата образуется непосредственно на целевой молекуле при связывании на ней компонентов бинарной системы. Эти оригинальные исследования ведутся в рамках интеграционного проекта СО РАН.

Предложенные принципы открывают принципиально новые возможности для создания противовирусных и противоопухолевых препаратов, обладающих повышенной избирательностью действия на целевые биополимеры и не оказывающих токсического действия на организм.

Рис. 4.2. Пример описания генетических сетей в компьютерной системе GeneNetWorks. Фрагмент генетической сети биосинтеза холестерина в клетке: центральный большой круг – ядро, периферийный круг – цитоплазма; гены обозначены прямоугольниками, кодируемые ими белки – малыми кругами, метаболиты – прямоугольниками в цитоплазме, биохимические реакции и регуляторные события – стрелками.

В Институте цитологии и генетики создана сверхбольшая интегрированная компьютерная система GeneNetWorks, содержащая: уникальные базы данных по регуляции экспрессии генов; методы анализа и моделирования функции генов, предсказания уровня их активности; методы исследования структурно-функциональной организации геномов; методы описания и моделирования генных сетей – ансамблей координированно функционирующих генов, обеспечивающих выполнение жизненно важных функций организмов (рис. 4.2). В системе GeneNetWorks описаны десятки генных сетей человека, животных и растений. Она создает информационно-компьютерные основы для решения широкого круга задач генетической инженерии и биотехнологии при конструировании генетических систем с заданными свойствами, изучении функциональных взаимосвязей между генами в норме и при патологиях, разработке фармакологических стратегий нового поколения для коррекции нарушений генных сетей при наследственных и соматических заболеваниях. Данные исследования поддержаны интеграционным грантом СОРАН, а также грантами РФФИ и российской программой "Геном человека".

Исследованиями ученых того же Института создано современное представление о структурно-функциональной организации политенных (интерфазных) хромосом, в основе которого лежит предложенная авторами модель динамической организации хромосом. В процессе разработки этой модели впервые были получены фундаментальные данные о генетической активности межхромомерных участков, состоящих из деконденсированного хроматина, и о полигенности районов компактного хроматина – хромомеров. В результате обширного цикла работ внесен большой вклад в теорию гормональной регуляции генной активности: получены первые генетические доказательства триггерного механизма в распространени и эффектов стероидного гормона на гены в процессе развития дрозофилы; выявлен сложный генетический локус, контролирующий эти события на уровне ДНК-белковых взаимодействий (рис. 4.3). Сформулировано и активно распространяется представление об интеркалярном гетерохроматине как глубоко репрессированном генетическом материале. За цикл работ "Молекулярно-генетическая организация политенных хромосом" группе сотрудников присуждена в 2000 г. премия имени Н.К. Кольцова.

В Сибирском институте физиологии и биохимии растений (СИФИБР) выполнен большой цикл работ по генной инженерии растений: разработаны генетические конструкции, способные к экспрессии при введении в трансформируемые растения; изготовлена генная пушка новой конструкции, позволяющая избежать акустического и ударного шока трансформируемых объектов. Получено более 30 форм трансгенных растений с новыми хозяйственно ценными свойствами: пшеницы, томата, огурца, картофеля, осины и др. (рис. 4.4).

Рис. 4.4. Конструкция генной пушки, разработанной в СИФИБР, и трансгенные томаты, в которые введен ген ugt, выделенный из кукурузы и обусловливающий ускорение роста и повышение урожайности.

В рамках интеграционного проекта СО РАН в Институте биофизики проведены комплексные исследования закономерностей хемобиосинтеза водородокисляющими бактериями природных полиэфиров – полигидроксиалканоатов (PHAs) и на этой основе разработана технология получения экологически чистых и разрушаемых биопластиков нового поколения (рис. 4.5). Выявлены управляющие факторы, позволяющие влиять на химический состав и структуру PHAs. Синтезировано семейство полимеров различного состава, изучены коррелятивные связи между составом мономеров PHA, молекулярной структурой и их базовыми свойствами (молекулярным весом, кристалличностью, диэлектрической проницаемостью, температурными характеристиками и разрушаемостью). Показана возможность синтеза полимеров с заданными значениями ряда параметров и получения из них специальных изделий (гибких пленок, волокон, композитов, включая системы "PHA-наноматериалы"). На основе изученных микроорганизмов, обладающих уникальным свойством – СО-резистентностью, впервые показана применимость для получения PHAs продуктов переработки бурых углей КАТЭКа (СО+СО₂+Н₂ ). Полимеры перспективны для применения в фармакологии, медицине, радиоэлектронике и других сферах.

Рис. 4.5. Нативный полимер (А), шовный материал (Б); возможные изомерные конформации (I, II, III) и структурная формула полиоксибутирата – одного из представителей РНАs; внизу – прецизионная регистрация отдельных линий спектра.

Способность здоровых животных избегать прямых контактов с зараженными сородичами является важным фактором, лимитирующим распространение паразитов в популяциях хозяев. Институтом систематики и экологии животных получены приоритетные результаты по расшифровке иммунофизиологических механизмов популяционной защиты от инфекций. В экспериментах на лабораторных мышах и джунгарских хомячках показано, что замена инфекционных агентов нереплицируемыми антигенами (эритроциты барана) воспроизводит изменения запаха и поведения подопытных животных, которые обычно наблюдаются при реальном заражении. Эти изменения воспринимаются контрольными особями как сигнал к ограничению контактов с антигенсти мулированными животными (рис. 4.6). Таким образом, впервые получены прямые доказательства участия иммунной системы в формировании поведенческих барьеров, снижающих вероятность заражения здоровых животных в их сообществах.

Рис. 4.6. Участие иммунных механизмов распознавания чужеродных антигенов в формировании поведенческих и ольфакторных сигналов инфицированного животного. А – возможные пути модификации сигналов при заражении. Б – половозрелых самок больше привлекает запах подстилки, взятой из клетки самца до введения нереплицирумых антигенов (эритроциты барана), чем после введения. Опыты на джунгарских хомячках. В – агрессивность контрольных самцов, доминирующих в тесте попарного ссаживания, зависит от физиологического состояния соперника. Они реже атакуют антигенстимулированных подчиненных по сравнению с контрольными подчиненными. Опыты на лабораторных мышах.

Существенный вклад в анализ проблемы глобального изменения климата внесли дендрохронологи Института леса им. В.Н. Сукачева СО РАН и Института экологии растении и животных УрО РАН. В содружестве с ведущими дендрохроноло гическими лабораториями США и восьми стран Европы созданы сверхдлительные древесно-кольцевые хронологии для территории Севера Европы и России, охватывающие период голоцена (протяженностью 10 тыс. лет). Реконструкция температуры по древесно-кольцевым хронологиям хорошо согласуется с другой информацией – о колебании климата Северного полушария. Обнаружена наилучшая (r = 0,84) из зарегистрированных в мировой литературе (r = 0,70) связь радиального прироста с изменением летних температур при анализе живых (возрастом до 1104 лет) и остатков стволов мертвых деревьев (1100 лет) лиственницы Каяндера из высокогорного древостоя в низовьях р.Индигирки (Якутия), обладающих рекордным для бореальной зоны Северного полушария возрастом. Построены абсолютно датированные древесно-кольцевые хронологии длительностью более 2,5 тыс. лет (рис. 4.7). Старые деревья являются самыми лучшими природными термографами в Северном полушарии и свидетелями последнего средневекового потепления. Наибольшая зависимость прироста от летних температур обусловлена характерным для региона сухим климатом и связанным с ним незначительным снежным покровом, мощность которого в этих широтах регулирует наступление вегетации древесных растений.

Рис. 4.7. Реконструкция по древесно-кольцевым хронологиям длительных изменений летних температур Северного полушария за последние 2 тыс. лет.

Учеными Лимнологического института создано новое молекулярно-биологическое направление в исследовании экосистемы Байкала. Расшифрованы последовательности нуклеотидов фрагментов генов различных групп байкальских организмов (коттоидных рыб, ракообразных, моллюсков, микроорганизмов, водорослей – всего около 300 видов). Методом "молекулярных часов" оценены временные характеристики появления тех или иных видов в экосистеме древнейшего озера планеты и начато сопоставление этих дат с датами крупных геологических событий (рис. 4.8).

		Рис. 4.8. Эволюция некоторых "букетов" видов байкальских организмов по данным сравнения последовательностей генов цитохромов и палеонтологической летописи смены видов диатомовых водорослей.

Центральным сибирским ботаническим садом полностью завершено издание 14-томной сводки "Флора Сибири". Этот фундаментальный труд подводит итог двухвекового флористического исследования сосудистых растений Сибири. Изучением охвачен огромный регион Азиатского континента от Урала до Дальнего Востока. Уникальная сводка содержит сведения о более чем 4 тыс. видов высших растений (рис. 4.9).

Большим достижением сибирских ботаников и зоологов являются издания: "Красная книга Новосибирской области. Растения", "Красная книга Республики Тыва. Растения" (Центральный сибирский ботанический сад), "Красная книга Республики Саха (Якутия). Растения" (Институт биологических проблем криолитозоны), "Красная книга Бурятии. Растения, животные" (Институт общей и экспериментальной биологии), "Красная книга Новосибирской области. Животные" (Институт систематики и экологии животных), "Красная книга Читинской области и Агинского Бурятского автономного округа. Животные" (Читинский институт природных ресурсов), в которых описаны реликтовые, эндемичные или редкие виды, находящиеся на границе экологических ареалов и испытывающие усиленную антропогенную нагрузку. В монографической сводке "Зеленая книга Сибири" (Центральный сибирский ботанический сад) разработана система критериев для выделения редких и нуждающихся в охране растительных сообществ Сибири, выявлены 194 сообщества, требующие первоочередной охраны.

Интенсивно пополняется коллекция Зоологического музея Института систематики и экологии животных, которая является одной из лучших зоологических коллекций России и содержит в настоящее время более 13 млн ед. хранения по 600 семействам и 25 тыс. видов животных. В рамках интеграционного проекта СО РАН по биоразнооб разию в Институте систематики и экологии животных эффективно развивается уникальный компьютерный банк данных коллективного пользования по 20 млн показателей, характеризующих численность и распределение на территории бывшего СССР 710 видов наземных позвоночных, а также электронные базы данных Центрального сибирского ботанического сада "Флора Сибири" и "Растительные сообщества Сибири".

Институтом биологических проблем криолитозоны совместно с Аляскинским центром национальной биологической службы обобщены результаты по численности и экологии очковой гаги – редкого вида мировой фауны. Методом имплантации птицам спутниковых радиопередатчиков установлены пути летне-осенних миграций самцов к местам зимовок в Беринговом море. Этим же Институтом совместно с Германским отделением Всемирного фонда дикой природы завершены работы по экологическому обоснованию организации в Яно-Индигирской тундре ресурсного резервата "Кыталык", вошедшего в Международную сеть охраняемых местообитаний редких птиц Северо-Востока Азии.

В Институте общей и экспериментальной биологии впервые проведено исследование структуры и геохимической деятельности бактериальных сообществ донных отложений и микробных матов озера Байкал, содовых озер Забайкалья и термальных источников Прибайкалья (рис. 4.10). Высокие скорости процесса окисления метана (до 1,18мл СН₄/кг сут) и легкие значения изотопного состава углерода биомассы бентосных организмов (до v68, 30/00) показывают, что метанотрофные бактерии являются основой трофической цепи биологического сообщества в районах метановых вент и газогидратов озера Байкал. Количественная оценка скоростей микробных процессов продукции и деструкции органического вещества показывает, что основная часть органического вещества на термальных этапах микробной деструкции в содовых озерах и термальных источниках используется для бактериального восстановления сульфатов. Получены чистые культуры экстремофильных бактерий, которые могут быть использованы в биотехнологичес ких процессах при высоких температурах и щелочных значениях рН.

Рис. 4.10. Циано-бактериальные (1) и серные (2) микробные маты из термального источника Уро (Баргузинская долина) при температуре 62,9 °С.

Изучение баланса парниковых газов на территории России крайне необходимо в связи с заключением рамочной конвенции ООН по климату (Рио-де-Жанейро, 1992), которая предусматривает создание национального реестра их резервуаров, источников и стоков, ограничение антропогенных выбросов и усиление аккумулирования атмосферного углерода. Особую значимость приобрело изучение цикла углерода после подписания Киотского протокола конвенции по климату (Япония, 1997), нацеленного на поддержание источников депонирования и хранилищ парниковых газов и формирование глобального рынка купли-продажи квот на эмиссию углерода. Основное внимание должно уделяться изучению парниковых газов антропогенного происхождения с учетом реально существующих их природных источников и стоков. При этом важная роль отводится оценке баланса углерода в бореальных лесах, которые в силу медленной и сезонно-подавленной деструкции органического вещества являются накопителями углекислоты. С учетом масштабов продуцирования фитомассы и аккумулирования в ней углерода леса признаются наиболее эффективной природной системой, способной стабилизировать газовый состав атмосферы и предотвратить возникновение глобального экологического кризиса.

В Институте леса им. В.Н. Сукачева определены запасы углерода в лесах России (187,6 млрд т). Запасы углерода рассчитаны по администра тивным и лесорастительным районам с учетом возрастной структуры лесов, взаимосвязи запасов древесины основных лесообразующих пород с фракционной структурой фитомассы. В лесных почвах они составляют 46 %, в болотах – 29, в растительности – 16, в мертвой растительной массе (опаде, сухостое)– 9%. В годичном приросте аккумулируется 143 млн т, или 0,8 % от общего запаса углерода в лесных территориях Сибири.

В Институте почвоведения и агрохимии совместно с японскими учеными выполнены исследования углеродного цикла в болотах южной тайги. Впервые проведены сопряженное изучение запасов и структуры растительного вещества, а также оценки чистой первичной продукции и эмиссии двуокиси углерода и метана – парниковых газов, содержание которых в атмосфере определяет изменения климата.

Оценки чистой первичной продукции (7,0–8,5т/га в год сух. вещ-ва) в 2 раза превысили полученные ранее, что заставляет пересмотреть привычные представления о низкой продуктивности болот Сибири. Эмиссия газов из торфяной болотной почвы оценена в 140–200 г С/м² в сут. Баланс показал, что болота служат поглотителем СО₂ и источником метана. Впервые для болот Сибири определена доля метана в общем потоке углерода в атмосферу: от 1 до 2 %.

В этом же Институте выполнен проект "Изменение параметров биологического круговорота углерода на юге Западной Сибири за последние 150 лет". Для расчета изменения основных пулов и потоков углерода созданы базы данных "Запасы С в растительности Сибири", "Запасы С_орг в почвах Сибири" и составлена карта современного растительного покрова Западной Сибири. Установлено, что Западная Сибирь является одним из немногих регионов Земли, где антропогенные потери углерода из биомассы (440 · 10⁶ т) и почв (1120 · 10⁶ т) скомпенсированы его аккумуляцией в виде торфа в болотах.

При содействии ряда международных организаций в Институте биологических проблем криолитозоны создана уникальная научная комплексная система для регионального и глобального экологического мониторинга FLUX NETWORK, входящая в мировые сети наблюдений Европы (EUROFLUX) и Азии (ASIAFLUX). Комплексная система включает сеть 30-метровых вышек, оснащенных автоматизированными приборами для получения данных по трехмерным потокам энергии, воды и углекислого газа (рис. 4.11).

Рис. 4.11. Научно-исследовательские комплексы ИБПК в Центральной Якутии по изучению миграции, трансформации и концентрации углерода.

На основании 7-летних наблюдений сформулировано заключение о двойственной роли мерзлотных экосистем в глобальном балансе парниковых газов: в летний период – в качестве стока, в осенне-зимний и весенний периоды – в качестве источника. Это явление связывается с интенсивным выделением СО₂ почвой в летне-осенний и зимний периоды, когда местные древесно-кустарниковые растения находятся в состоянии органического и вынужденного покоя (углекислый газ практически не поглощается). Вхождение в покой и замедление физиологических процессов у древесных растений на Севере начинается с конца июля. В сентябре в среднем за час с одного гектара лесной почвы выделяется 6 кг СО₂. Большое количество углекислого газа выбрасывается в атмосферу в период слияния сезонной и многолетней мерзлоты по морозобойным трещинам (декабрь–январь).

В оглавление

Далее