Как фундаментальная наука меняет мир⁠⁠

Добрый день, дорогие читатели!

Я частенько сталкиваюсь с тем, что обывателям, далеким от науки, не совсем понятна роль фундаментальных исследований в нашем мире. Фундаментальную науку я здесь специально противопоставляю прикладной. Ну, вы поняли - когда ученые в лаборатории Danone ломают головы над тем, как продлить срок хранения йогурта - это прикладная наука. А фундаментальная - эта та, которая не имеет целью принести непосредственную ежеминутную пользу. Разделение фиговое и местами трещит по швам, но для этого поста подойдет. И речь сейчас не о каких-нибудь "крутых" исследованиях, типа чуваков в ЦЕРНе, которые вот-вот изобретут телепорт (шутка) или биологах, которые буквально у нас на глазах улучшают прогноз больных раком. Нет - речь о тех самых условных "Дуремарах", которые сидят себе в пыльном кабинете и изучают что-то только им одним интересное, типа строения ножки жука (да простят меня энтомологи). Казалось бы - ну сидит себе человек, занимается любимым делом - но миру он вряд ли этим как-то поможет...

Но реальность, как всегда, гораздо интереснее. Порой в самых неожиданных случаях из сугубо фундаментальных исследований выходит такая практическая польза, что даже сложно себе представить мир без этого изобретения. В этом посте я приведу три примера такого рода из родной мне биологии. Поехали!

Горячие источники и ПЦР

Радужная лужица в Йеллоустоуне поменяла мир. Источник - Википедия

Еще в начале второй половины 20го века биологам стало понятно, что ДНК надо чертовски срочно исследовать, потому что это просто дохрена важная молекула. Одиозный гений Кэри Муллис придумал ПЦР - метод, позволяющий многократно копировать целевой участок цепи ДНК, увеличивая его концентрацию с виртуально даже пары копий до триллионов - количества, с которым можно нормально работать. Кто совсем не помнит, о чем речь - добро пожаловать в один из моих прошлых постов. Так вот, все круто, метод есть, но остался один нюанс - в ходе реакции образец многкратно (около 30 раз) нагревается почти до кипения, и при этом ключевой фермент, используемый в ПЦР - полимераза - тупо сваривается. После каждого такого нагрева несчастному лаборанту нужно было вручную добавлять полимеразу заново - а это мало того что куча времени, так еще и деньги, потому что фермент это дорогой (особенно в те времена). И вот тут пригодились те самые фундаментальщики, которые всю свою жизнь сидели на берегу горячих источников в Йеллоустоунском заповеднике и собирали там цветастую жижу... А в жиже этой живут термофильные (т.е. любящие высокие температуры) микроорганизмы, в том числе некая бактерия Thermus aquaticus. И ведь не лень было этим ученым копаться в вонючей грязи, потом выращивать культуры в лаборатории, разбивать на штаммы... Казалось бы - ну зачем? А некто Alice Chien взяла да и выделила из штамма YT-1 полимеразу, которая мало того что не варится при 95 градусах, так и работать может нормально только при 72х! Не будет преувеличением сказать, что этот последний кирпичик окончательно вознес ПЦР в короли молекулярной биологии, а оттуда и до диагностики в медицине недалеко. Готов поспорить, что большинство из вас хоть раз в жизни сдавали пробу на ПЦР - ну а с приходом нашего любомого друга SARS-CoV-2 это вообще стало актуально как никогда. ПЦР революционировала научный мир и как никакой другой метод способствовала стремительному накоплению знаний во всех биологических областях. Вот тебе и лужица с микробами в парке...

Мечехвосты и эндотоксины

Несчастные мечехвосты спасают миллионы жизней. Источник

Определение бактерий в производстве продуктов питания и особенно в лекарствах - очень важный этап производственного процесса. Нам, обывателям, это не заметно - пришел в аптеку и купил. Но за каждым (нормальным) лекарством стоят тысячи часов тестов на чистоту. Бактерии имеют нахальное свойство вырабатывать т.н. эндотоксины - вещества, от которых всем вокруг, кроме этих бактерий, становится очень плохо. А учитывая, что большинство рекомбинантных лекарств (инсулин, например) производят бактерии - очень важно убедиться, что в финальном продукте нет коварных примесей, от которых пациенту станет отнюдь не лучше! Да и в еде или напитке желательно без них обойтись. Как проверять? Берешь кролика, колешь ему исследуемый препарат, а потом смотришь не сдох ли измеряешь ему температуру и делаешь выводы. Долго, дорого и неточно... Фундаментальщики, спасайте! Пока одни ученые самозабвенно копались в термальных источниках, других тянуло в морские пучины. Вы вот слышали о мечехвостах? Это такие безобидные членистоногие, называемые Limulus polyphemus, пережитки прошлой эпохи, мирно себе плавающие в прибрежных водах. Я до сих пор не могу понять, что заставило Фреда Бэнга в 1953м проверить, как голубая кровь мечехвостов реагирует на наличие бактерий. Может, его необычный цвет крови привлек... так или иначе, выяснилось, что их кровь при наличии даже мельчайших бактериальных примесей (даже кусков мертвых бактерий) превращается в гель, что позволяет быстро и легко определять наличие микробов или их производных в чем угодно - даже на стенках МКС. В итоге в 1977м FDA (такой очень важный американский контролирующий орган) предписала проверять с помощью экстракта из крови мечехвостов вообще все препараты, а также продукты, контактирующие с кровью человека. Тест этот называется LAL (Limulus amebocyte lysate) и применяется и по сей день, в том числе при разработке вакцин от коронавируса. Крабов жалко, многие гибнут в процессе сборки крови, поэтому тест пытаются где возможно заменить на более этичные (и более дорогие) альтернативы.

Медузы и молекулярная биология

Медуза даже представить себе не может, что у нее внутри. Источник

Некоторые биологи очень любят смотреть в микроскоп. С появлением более крутых методов микроскопии, а также развитием клеточной биологии ученым открылись удивительные процессы, происходящие на микроуровне наших тел. Но в у любого метода есть свой предел возможностей. Например, я хочу увидеть, как какой-нибудь конкретный белок двигается по клетке. А там этих белков тысячи... Это как искать одного человека в толпе на стадионе. Надо было что-то придумывать... Помните, как зубы девушки, белая футболка и ваша перхоть светятся под ультрафиолетовой лампой в клубе? Вот бы также с нашим белком сделать, подумали ученые и придумали флуоресцентную микроскопию. Берем флуорофор - это такая молекула, которая светится при определенных условиях - и пришпиливаем его к нашему белку, прям как отражатель к велику. Или к клетке - да и вообще к чему угодно, что надо увидеть. И вуаля - наш объект изучения светится как семафор в ночи. Но вот загвоздка: поиск хороших флуорофоров - еще та задачка. То они жутко дорогие, то для их свечения нужны безумные танцы с бубном, то само наличие флуорофора в клетке мигом убивает ее нахрен. И тут нам на помощь приходят плавающие в океане желешки под названием Aequorea victoria. Троица ученых - Мартин Чалфи, Осаму Шимомура и Роджер Тсиен - решили докопаться до ответа на вопрос, почему эти медузы так приколько мигают зеленым, и в семидесятых выделили из них - потребовалось около 10000 особей - белок GFP (Green Fluorescent Protein). Этот дешевый и очень эффективный способ окраски полсужил мощным толчком в развитии техники флуоресцентной микроскопии, без которой сегодня сложно представить обычную цитологическую лабораторию. Без преувеличения можно сказать, что с помощью этой технологии сегодня проводится подавляющее большинство исследований в области клеточной физиологии. Кстати, не обошла эта волна и фармакологию - все разрабатываемые препараты и вещества, являющиеся кандидатами в лекарства, тестируются на клеточных культурах - и визуализируются, как правило, все той же флуоресцентной микроскопией. Более того, обнаруженный в медузе механизм передачи флуоресцентной энергии с одного белка на другой (FRET) удалось перенести в лабораторию, и сейчас он активно применяется в диагностической ПЦР - об этом в моем прошлом посте. Ну а трём ребятам дали Нобелевку в 2008 - спасибо, медузки!

Меня тянет рассказать еще про много чего - креветок и генную инженерию, пищеварительные ферменты и стиральный порошок... Но, надеюсь, посыл ясен: без фундаментальных исследований у пирамиды человеческих знаний просто нет основания. Причем мы не можем заранее предугадать, в какой области надо копать - важно может быть все. И пускай только малая толика из исследованного когда-то понадобится - пренебрегать нельзя ничем. Учитесь и исследуйте, друзья!

Мутантная GFP-свинка не понимает, почему ты не светишься от счастья