«Так многое в прогрессе зависит от взаимодействия методов, открытий и новых идей, вероятно, именно в таком нисходящем порядке». Когда лауреат Нобелевской премии Сидней Бреннер сделал это замечание в марте 1980 г. на симпозиуме, организованном Институтом Фридриха Мишера в Базеле, Швейцария, он с нетерпением ждал следующего десятилетия в биологии[42]. Как предсказывал Бреннер, развитие виртуального человека было обусловлено новыми технологиями и продолжает зависеть от большего количества новых данных. Когда дело доходит до структур тела, целый ряд методов раскрывает беспрецедентные детали.

Рисунок 4. Портрет Везалия из его книги De Humani Corporis Fabrica (1543) (автор Ян ван Калькар)

Перечислять их можно бесконечно, за века появилось множество замечательных способов рассмотрения тела. Одним из примеров является публикация в 1543 г. De Humani Corporis Fabrica («О строении человеческого тела») Андреаса Везалия – выдающегося 700-страничного труда (1514–1564), в котором представлено более 200 гравюр на дереве, основанных на вскрытиях человеческого тела.

Чтобы расширить знания о диссекции и традиционной анатомии, был разработан широкий спектр методов. «Микрография», первая важная работа по микроскопии, была опубликована в 1665 г. В этом новаторском научном бестселлере Роберт Гук (1635–1703) раскрыл микроскопическую структуру пробки. Он показал стенки, окружающие пустые пространства, и назвал эти структуры клетками. Сегодня с помощью технологий микроскопии можно рассмотреть детали клеток вплоть до атомного масштаба[43].

Нам больше не нужно изучать тело только с помощью видимого света. В 1895 г. немецкий физик Вильгельм Рентген (1845–1923) открыл невидимый вид лучей, названный рентгеновским излучением или рентгеновскими лучами. В то Рождество он написал 10-страничную статью, в которой описал, как рентгеновские лучи могут сделать кости видимыми. Эти раскрывающие лучи также позволят изучить молекулярный механизм клеток с помощью метода, называемого дифракцией рентгеновских лучей. Сегодня существует множество других методов, позволяющих заглянуть внутрь живого тела: от терагерцового излучения до ультразвука. Мы даже можем использовать антивещество в виде позитронов (антиэлектронов) для изучения метаболизма.

В организме есть электрическая система, и о ней тоже нам нужны данные. В то время как по проводам электричество движется со скоростью около 1 мм/с (хотя связанная с ним электромагнитная волна распространяется примерно со скоростью света, 300 000 км/с), сигналы в нашем теле движутся со скоростью 0,08 км/с, или около 290 км/ч. Внутри нас электричество переносится более крупными и сложными ионами, а не проворными электронами (заряженными субатомными частицами), которые питают наши дома.

Исследования того, как импульсы распространяются по нервам, восходят к разработке метода «зажима напряжения» в 1930-х и 1940-х гг. биофизиком Кеннетом Коулом (1900–1984) из США вместе с Аланом Ходжкином (1914–1998) и Эндрю Хаксли (1917–2012) из Великобритании, которые нашли способ проводить измерения, продевая электроды в гигантский аксон – нервную клетку – кальмара.

Рисунок 5. Клеточная структура пробки, представленная Робертом Гуком, «Микрография» (1665)

Еще лучшее понимание «проводки» тела стало возможным благодаря технике, которая позволяет регистрировать мизерные электрические токи силой около пикоампера (миллионная миллионной доли ампера), которые проходят через одиночный ионный канал, одну молекулу или комплекс молекул, позволяющий ионам проникать через мембрану клетки. В 1976 г. немецкие клеточные физиологи Эрвин Неер и Берт Закман сообщили, как это сделать с помощью крошечного, но простого устройства, называемого локально-изолирующим электродом.

Они использовали кончик чрезвычайно тонкой стеклянной пипетки, чтобы прикоснуться к крошечному участку внешней мембраны клетки, который, по счастливой случайности, содержал единственный ионный канал. Небольшое всасывание обеспечивало герметичное уплотнение, так что ионы могли течь только из канала в пипетку. Используя чувствительный электрод, они смогли зафиксировать крошечные изменения тока, когда ионы проходили через зажатый канал. За это замечательное открытие в 1991 г. Неер и Закман получили Нобелевскую премию.

Но данные, которые привлекли наибольшее внимание в последние годы, связаны с чтением генетического кода человека. За это мы можем поблагодарить британца Фредерика Сэнгера (1918–2013), одного из величайших новаторов в молекулярной биологии: «Из трех основных видов деятельности, связанных с научными исследованиями – мышлением, разговорами и действиями, я предпочитаю последний и, вероятно, именно он у меня лучше всего получается»[44]. Он был прав. Став первым, кто раскрыл структуру белка (это оказался инсулин), Сэнгер в середине 1970-х разработал методы секвенирования ДНК, за что во второй раз стал лауреатом Нобелевской премии.

Со времени новаторской работы Сэнгера стоимость секвенирования человеческого генома (генетического кода в ДНК человека) резко упала – с миллиардов долларов до сотен. Одной из причин является появление секвенирования «следующего поколения» – прорыва, который сравнивают с переходом от самолета братьев Райт к современному Боингу.

В 1997 г. химики Кембриджского университета Шанкар Баласубраманиан и Дэвид Кленерман начали разрабатывать свой метод, согласно которому образец ДНК делится на фрагменты, которые иммобилизуются на поверхности чипа и локально амплифицируются. Затем каждый фрагмент декодируется, вплоть до «буквы» генетического кода (нуклеотида – подробнее позже), с использованием флуоресцентно окрашенных букв, добавленных ферментом. Обнаружив цветные буквы, включенные в каждую позицию чипа, и повторив этот цикл сотни раз, можно прочитать последовательность каждого фрагмента ДНК[45].

Рисунок 6. Метод локальной фиксации потенциала. Адаптировано из книги Александра Д. Рейеса «Прорывной метод, который стал жизненно важным для нейробиологии» (A Breakthrough Method that Became Vital to neuroscience). (Nature, 2019)

Еще одно достижение в области секвенирования нового поколения относится к 1970-м гг., когда Стив Хладки и Денис Хейдон из Кембриджа зафиксировали поток тока через одиночный ионный канал в искусственной мембране. Поскольку ДНК является заряженной молекулой, она также может пройти через этот открытый канал и при прохождении вызывает колебания тока, соответствующие генетической последовательности. Последующее развитие коммерческого «нанопорового секвенирования» компанией Oxford Nanopore Technologies (в частности, ее основателем Хэганом Бэйли) можно проследить до исследований 1980-х гг., когда впервые было обнаружено движение ДНК через поровые белки[46].

Используя новую технологию секвенирования, можно считывать значительно более длинные участки ДНК, чем ранее, поэтому в 2021 г. международная группа из 30 учреждений – Консорциум Telomere-to-Telomere (T2T) – опубликовала первый «длинно читаемый» геном[47]. Это было важное открытие, поскольку исторический проект последовательностей человеческой ДНК, опубликованный в июне 2000 г., пропускал целых 15 % генома: более ранние технологии секвенирования параллельно считывали код миллионов фрагментов ДНК, каждый из которых был относительно небольшим и содержал до 300 букв кода. В результате они не могли справиться с повторяющимися участками кода ДНК, скрывающимися в геноме, особенно с центромерами – защемленными частями хромосом, которые играют ключевую роль в делении клеток. Сквозная последовательность 2021 г., основанная на длинном чтении от 10 000 до 100 000 букв, выявила 115 новых генов, кодирующих белки, и, вероятно, содержит множество областей, которые играют роль в регуляции генов и других функциях.

Рисунок 7. Как ДНК, проходящая через канал нанопоры, генерирует сигнал (дизайн – Ёритака Харазоно. TogoTV. cc BY 4.0)