CC BY
92
НОВОСТИ НАУКИ
ПОПАСТЬ
6 _
I I
' ■ I
Бозон Хиггса -последний аккорд физики элементарных частиц?
Наблюдаемые уже сейчас в отдельных реакциях распадов бозона Хиггса значительные отклонения от четких предсказаний Стандартной модели, возможно, позволят заглянуть за край современного понимания физики фундаментальных частиц
В июле 2012 г. в Европейском центре ядерных исследований (ЦЕРН) две независимые группы исследователей, ведущие эксперименты на детекторах ATLAS и CMS на Большом адронном коллайдере (БАК), сообщили об обнаружении новой «частицы, похожей на бозон Хиггса». Эта частица играет ключевую роль в современной физике элементарных частиц, ее существование необходимо для непротиворечивого замыкания так называемой Стандартной модели - теории, которая
ШИЛЬЦЕВ Владимир Дмитриевич -
директор Центра ускорительной физики лаборатории
Fermilab (Accelerator Physics Center), Чикаго, США.
Пять лет руководил крупнейшим в мире ускорителем Tevatron (США, 2001—2005). Изобретатель метода «электронных линз» для коллайдеров. Почетный член Американского физического общества.
Член Координационного совета Международной ассоциации русскоговорящих ученых RASA (Russian American Scientists Association). Организатор Ломоносовских чтений в Вашингтоне (США, ноябрь 2011 г.).
Лауреат Европейской премии по ускорителям EPS-AG (2004). Автор более 200 научных работ
В ДЕСЯТКУ
В конце 2012 г. авторитетные научные и информационные журналы по сложившейся традиции подвели итоги года, составив списки наиболее важных научных достижений. Эксперты Science - одного из самых известных и старейших изданий - также озвучили десятку наиболее важных научных прорывов прошедшего года. Все они являются яркими примерами того, что наука нашего времени из удела гениальных одиночек во многом превратилась в эффективное производство знаний, в котором участвуют сложное дорогое оборудование, выстроенная инфраструктура и интернациональные исследовательские коллективы.
По нашей просьбе известные ученые прокомментировали некоторые из открытий, вошедших в «горячую десятку» журнала «Science». Выбор как научных результатов, так и авторов комментариев - специалистов в соответствующих областях знания - преследовал цель показать состояние и оценить значение и перспективы открытий для мировой и отечественной науки по самым актуальным направлениям современных исследований.
в настоящее время дает наиболее глубокое и полное описание происходящих в микромире процессов.
Обнаружение новой частицы - кванта поля Хиггса, приводящее к появлению массы у всех частиц, вызвало широкий резонанс не только потому, что стало выходом на одно из фундаментальнейших свойств материи
Распад частицы, предположительно, бозона Хиггса с массой 124,5—124,6 ГэВ на четыре электрона. Событие было зарегистрировано детектором ATLAS 18 мая 2012 г. Треки мюонов и электронных пар изображены красным и синим. © CERN
Одно из событий, в котором предположительно наблюдается распад бозона Хиггса на четыре мюона (красные линии) с высокими энергиями.
© 2012 CERN.
Ключевые слова: бозон Хиггса, Большой адронный коллайдер, Cтандартная модель Key words: Higgs boson, Large Hadron Collider, the Standard Model
© В. Д. Шильцев, 2013
7
а НОВОСТИ НАУКИ
и Вселенной, но и благодаря невиданному размаху вложений (около 10 млрд долларов) и огромным усилиям. БАК и детекторы строили, что называется, всем миром *, а в исследованиях принимают участие более 6000 научных сотрудников, из них - более 300 из России. Кроме того, этот проект сопровождало невиданно широкое освещение в средствах массовой информации - подобного внимания удостоилось лишь открытие кварков 40 лет назад.
Что обычно остается «за скобками» в освещении этого исторического события?
Во-первых, то, что этот завершающий аккорд Стандартной модели может привести к тому, что не останется больше открытий в пределах досягаемости современных инструментов - в частности, БАКа. Остается только надеяться, что наблюдаемые уже сейчас в отдельных реакциях распадов обнаруженной частицы значительные отклонения от весьма четких предсказаний Стандартной модели окажутся правдой, и это позволит нам заглянуть за край современного понимания физики фундаментальных частиц и понять, что кроется за неожиданной сложностью самой модели. Эти исследования вполне могут занять еще лет 8—10 работы БАКа.
* Тихонов Ю. А. В поисках начала всех начал // «НАУКА из первых рук». 2012. № 3(45)
Во-вторых, то, как долго физики шли к этому открытию - начиная с пионерных теоретических работ почти 50-летней давности, через попытки экспериментального обнаружения новой частицы на ускорителях LEP в ЦЕРНе в 1990-х годах, и Теватрон в Фермилабе (США) в 2001—2011 гг., где исследователи ясно «увидели» эту же частицу, но со статистической значимостью «всего лишь» 99,7 %, т. н. «3 сигма», что было недостаточно для объявления об открытии, требующем статистической значимости в «5 сигма» или лучше.
И в-третьих, следует признать, что современная физика фундаментальных взаимодействий и частиц переживает естественный конец периода экстенсивного роста. Если 100 лет назад первые опыты Резерфорда по обнаружению атомного ядра стоили, условно говоря, 1000 долларов, то ускорители, на которых обнаружили кварки - уже десятки миллионов. Строительство и работа Теватрона обошлись в более чем 1 миллиард, а БАК, как упоминалось выше, уже в 10 миллиардов (при этом как минимум треть или даже половину этой
Зарегистрированный детектором CMS распад бозона Хиггса на два фотона с высокими энергиями (красные линии). Желтые линии - треки других частиц, возникших в результате столкновения. Голубой цилиндр изображает кристаллический калориметр детектора CMS.
© 2012 CERN
8
В список авторов открытия вошли заместитель директора ИЯФ Юрий Тихонов, научные сотрудники Сергей Пелеганчук, Алексей Масленников, Алексей Талышев и Кирилл Сков-пень
Траектории частиц, родившихся в результате столкновения двух протонов с суммарной энергией 8 ТэВ, зарегистрированные детектором CMS. Характеристики этого события позволяют предполагать что в нем наблюдается распад бозона Хиггса на два фотона (прерывистые желтые линии, переходящие в зеленые столбики). © 2012 CERN
Питер Хиггс во время посещения детектора ATLAS.
© 2012 CERN
9
а НОВОСТИ НАУКИ
Мюонный Кристаллический Калориметр
детектор калориметр на жидком аргоне
Ч
Тороидальные Соленоиды Полупроводниковый Пиксельный Детектор магниты детектор детектор переходного
излучения
суммы придется потратить в последующие 10 лет работы).
Простое увеличение размера и стоимости физических установок такого типа невозможно из-за финансовых ограничений, что находится в явном противоречии с желаниями физиков иметь доступ к энергиям как минимум в 10—100 раз большим, чем у БАКа. Так что следующие два-три десятилетия вполне могут пройти в поисках либо новых экономичных методов ускорения, либо новых неортодоксальных способов проведения фундаментальных исследований. Ввиду этой неопределенности, вполне понятен заключительный комментарий соответсвующей статьи декабрьского выпуска журнала Science - «Будет ли физика частиц когда-либо в состоянии сделать еще одно открытие, сравнимое с бозоном Хиггса?»
Поперечное сечение раскрытого детектора CMS. Видны блоки чувствительных элементов детекторов и магниты
Схема детектора ATLAS -он состоит из нескольких систем обнаружения элементарных частиц и измерения их энергии в которых используются разные физические принципы.
© 2012 CERN
Схема расположение детекторов ATLAS и CMS на кольце Большого адронного коллайдера. © CERN
Распад частицы,
предположительно бозона Хиггса, с массой122,6-123,9 ГэВ на два электрона и два мюона. Событие зарегистрировано детектором ATLAS 18 июня 2012 г. Треки мюонов изображены красным, треки электронов - зеленым.
© CERN
11
а НОВОСТИ НАУКИ
12
Два детектора антинейтрино в первом зале Дайя-Бей. Впоследствии камера, в которой расположены детекторы, будет заполнена сверхчистой водой.
Courtesy of Roy Kaltschmidt, Lawrence Berkeley National Laboratory
Ключевые слова: осцилляция нейтрино, антиматерия, детекторы нейтрино.
Key words: neutrino oscillation, antimatter, neutrino detector
Китайский ключ к разгадке антиматерии
Шесть 80-тонных детекторов электронных антинейтрино и четыре крупнейших в мире атомных реакторов понадобилось, чтобы доказать возможность квантового перехода одного типа нейтрино в другой
Многие слышали о том, что по количеству научных статей - около 400 тыс. в год - Китай уступает лишь США и, похоже, в ближайшие 3—5 лет эта ситуация изменится в пользу Китая. Но мало кто знает, что в 2013 г. во всем мире будут работать только пять коллайдеров (показатель принадлежности к «клубу избранных») - RHIC в США, LHC в Швейцарии, ВЭПП-4М и ВЭПП-2000 в России (г. Новосибирск), и (внимание!) BEPC-II в Китае.
Об эксперименте на реакторе Дайя-Бей (Daya Bay) на юге Китая (в 50 км от Гонконга), в котором измерен последний неизвестный параметр, необходимый для понимания того, как три разных типа нейтрино превращаются друг в друга - знают лишь специалисты в физике элементарных частиц, но результаты этого эксперимента поистине мирового класса, о чем и свидетельствует их попадание в «десятку Science».
Ряды похожих на мыльные пузыри радужных капель на стенах нейтринного детектора Дайя-Бей на самом деле являются выходами трубок фотоумножителей. Трубки имеют специально разработанную форму для лучшего усиления и регистрации слабых световых импульсов, возникающих при взаимодействии нейтрино и антинейтрино.
Courtesy of Roy Kaltschmidt, Lawrence Berkeley National Laboratory
13
а НОВОСТИ НАУКИ
В эксперименте участвовало шесть 80-тонных детекторов электронных антинейтрино, построенных на расстоянии 360—2 000 м от четырех крупнейших в мире атомных реакторов, каждый из которых производит около 3 ГВт электроэнергии и, как сопутствующий продукт ядерных реакций, около 1 021 антинейтрино в секунду. Эти детекторы были созданы благодаря коллаборации 280 исследователей из научно-исследовательских учреждений шести стран, в том числе из российского Объединенного института ядерных исследований (Дубна) и Института атомной энергии им. И. В. Курчатова (Москва), а также из 21 научного института Китая.
Детекторы установлены в трехкилометровых тоннелях, прорытых в близлежащих горах. Обработка данных, собранных лишь за первые девять недель работы эксперимента, показала, что в наиболее удаленные детекторы приходит на 7 % меньше антинейтрино, чем ожидалось. Причина этого явления - квантовый переход (осцилляция) одного типа нейтрино в другой. Столь большая величина эффекта указывает на возможную разницу в свойствах вещества и антивещества и может помочь объяснить, почему во Вселенной практически нет антиматерии.
Подобные результаты мирового класса показывают, что наука в КНР давно прошла период становления и в настоящее время выходит на самые передовые рубежи мировой науки.
Детектор антинейтрино в процессе сборки -видны два внутренних цилиндра, а также трубки фотоумножителей вдоль внутреней стенки внешней обшивки.
Crerdit: Kam-Biu Luk
http://neutrino.physics.berkeley.edu/news/
News-20120307.html
© В Д Шильцев 2013 Общий вид Дайя-Бей - здесь расположены четыре ’ крупнейших в Китае атомных реактора.
Credit: the Daya-Bay Nuclear Power Plant
http://www.lbl.gov/LBL-Programs/physics/research/quark/
dayabay.html
14
Русские корни рентгеновского лазера
В 2012 г. на первом рентгеновском лазере LCLS (Стэнфорд, США) было проведено первое определение структуры белка. Несмотря на всю важность самого белка, имеющего отношение к «африканской сонной болезни», ключевое слово в этом открытии - «первый рентгеновский лазер».
Сам метд определения структуры кристаллов с помощью рентгеновского излучения (фотонов высокой энергии) известен уже более 100 лет. На современных синхротронах определяются структуры почти десяти тысяч белков в год, но рентгеновский «лазер на свободных электронах» (ЛСЭ) - таково его полное название - это действительно новое слово в науке, так как яркость (мощность) излучения в нем превосходит все другие источники в миллиард (!) раз.
Сложность таких лазеров в том, что рентгеновское излучение невозможно заставить путешествовать много раз туда и обратно, как это происходит в оптическом резонаторе обычных лазеров - зеркал для рентгена не существует. Поэтому требуется очень быстро усилить излучение за один единственный пролет фотонов через активную среду (в данном случае - пучок электронов высокой энергии).
Метод был предложен сотрудниками Института ядерной физики СО АН СССР (Новосибирск) Анатолием Кондратенко и Евгением Салдиным еще в 1980 г. Однако сначала это революционное предложение не нашло никакого отклика в России, а потом грянула «перестройка».
В результате один из создателей метода, д.ф.н. А. М. Кондратенко, занялся прикладными исследованиями: в настоящее время он руководит новосибирским предприятием ГОО «Заряд», а его соавтор Е. Л. Салдин уехал в Германию, где убедил руководство большой национальной лаборатории DESY (Гамбург) построить ускоритель-прототип для экспериментального подтверждения этой идеи. Что и было сделано: в феврале 2000 г. установка заработала!
Эффект от этого открытия был колоссальным: два мировых лидера в области ускорителей, лаборатории DESY и SLAC, переключились с физики элементарных частиц на строительство лазера на свободных электронах нового типа. Стэнфорд в результате преуспел первым, и в этом же году заработал второй подобный лазер в Японии. Запуск же самого мощного 6-километрового рентгеновского ЛСЭ в Гамбурге планируется осуществить в 2014 г. Вот такой получился еще один «телевизор Зворыкина»...
© В. Д. Шильцев, 2013
С помощью лазера на свободных электронах была расшифрована структура белка, отвечающего за «африканскую сонную болезнь». Credit: Greg Stewart / SLAC National Accelerator Laboratory
Данные, полученные с помощью рентгеновского лазера, позволяют восстановить трехмерную структуру белков и других сложных органических молекул. Credit: Karol Nass/ CFEL
Ключевые слова: лазер на свободных электронах, расшифровка структуры белков.
Key words: free-electron laser, proteins structure decoding
15
а НОВОСТИ НАУКИ
От субмиллиметрового -к рентгеновскому
Как известно, в ТОП-список журнала «Science» вошли две работы, выполненные на установках mega-science: открытие бозона Хиггса на коллайдере LHC и исследование в области структурной биологии, проведенное с помощью первого в мире рентгеновского лазера на свободных электронах (LCLS). На создание таких мега-установок, от идеи до первых результатов, потребовалось несколько десятков лет и миллиардные финансовые вложения (на создание коллайдера LHC - около 10 млрд долл., LCLS - около 1 млрд долл., без учета стоимости готового линейного ускорителя SLAC).
Приятно отметить, что сама идея такого лазера родилась в Институте ядерной физики СО РАН им. Г.И. Будкера: именно здесь более 30 лет назад А.М. Кондратенко и Е.Л. Салдин предложили метод генерации лазерного рентгеновского излучения.
Экспериментальное подтверждение возможности безрезонаторного рентгеновского ЛСЭ было сделано в начале двухтысячных годов в США (с участием Н.А. Винокурова и бывших сотрудников ИЯФ Э. М. Трахтенберга, И.Б. Вассермана) и в Германии (Е. Салдин, М. Юрков). В создании и запуске LCLS в 2009 г. приняли участие сотрудники пяти государственных лабораторий США, среди которых было более десяти бывших сотрудников ИЯФ им. Г. И. Будкера СО РАН.
Здесь будет уместно упомянуть, что вопрос об использовании в лазерной технике миллиметровых и субмиллиметровых областей спектра электромагнитных волн, не говоря уже о рентгеновской, долгое время оставался открытым. Хотя задолго до изобретения лазеров исследованием перспективного субмиллиметрового диапазона занимались российские ученые, нобелевские лауреаты А. М. Прохоров и В. Л. Гинзбург. В результате еще в конце 1940-х гг. был изобретен ондулятор - устройство, заставляющее электронный пучок «колебаться» определенным образом. Именно ондулятор и стал впоследствии главной частью всех лазеров на свободных электронах (ЛСЭ).
В отличие от обычного лазера, в ЛСЭ источником электромагнитного излучения служит движущийся в ондуляторе пучок электронов, параметры которого можно менять и таким образом «корректировать» длину волны излучения в широких пределах. Еще одно отличие лазера на свободных электронах - его огромные, по сравнению с обычными лазерами, размеры и, соответственно, уже упомянутая выше высокая стоимость.
В ИЯФ СО РАН еще в 1990-х г. под руководством д. ф.-м. н. Н. Винокурова было начато, а в 2000-ых г. успешно закончено строительство ЛСЭ - источника излучения в субмиллиметровом (от 5 до 200 мкм) диапазоне. Этот участок спектра был выбран в то время в основном из экономических соображений: в отличие от рентгеновского ЛСЭ, он обошелся «только» в 30 млн долл. К тому же этот самый мощный в мире терагерцовый ЛСЭ был создан практически без государственной поддержки, на средства, заработанные самим институтом.
Рентгеновский лазер на свободных электронах, как и Большой адронный коллайдер, безусловно, станет в ближайшее десятилетие мощной «фабрикой» многих прекрасных работ и Нобелевских премий. В настоящее вре-
КУЛИПАНОВ Геннадий Николаевич -академик РАН, заместитель директора Института ядерной физики СО РАН, один из организаторов и директор Сибирского центра синхротронного излучения
мя Россия является второй после Германии страной (среди 14-ти участников) по объему инвестиций в строительство рентгеновского лазера на свободных электронах XFEL длиной 3,4 км в крупнейшем синхротронном центре DESY (Гамбург, Германия). Однако если наша страна планирует выйти на передовой уровень в инновационных исследованиях в области физики, химии, материаловедения, биомедицине и других научно-прикладных дисциплин, абсолютно необходимо уже на государственном уровне планировать создание отечественного источника рентгеновского синхротронного излучения четвертого поколения на базе накопителя электронов нового поколения, либо ускорителя - рекуператора.
© Г. Н. Кулипанов, 2013
В помощь
структурному биологу
Рентгеноструктурный анализ прочно вошел в жизнь биологов с середины прошлого века. Именно тогда Дж. Кендрю из знаменитой лаборатории молекулярной биологии в Кембридже удалось после многолетней работы впервые установить структуру белка, которым стал миоглобин кашалота, который помогает киту запасать в мышцах кислород при нырянии. А его коллега М. Перуц, с которым Кендрю вскоре разделил Нобелевскую премию, в те же годы определил структуру всем известного белка гемоглобина, переносящего кислород в крови. Добавим, что Перуц, начавший эту работу в возрасте 25 лет, завершил ее только через 22 года!!
На сегодня рентгеноструктурный анализ является одним из двух методов, позволяющих с атомарной точностью определить строение таких сложнейших молекул, как белки (второй метод - спектроскопия ядерного магнитного резонанса). В идеальном случае с его помощью можно получить координаты каждого атома в молекуле, кроме атомов водорода.
Метод отличается исключительной трудоемкостью, хотя и метод ЯМР в этом смысле ему не уступает. Даже после всех усовершенствований, сделанных со времен Перуца и Кендрю, существует три узких места, ограничивающих его «пропускную способность». Во-первых, для рентгеноструктурного анализа необходим белковый кристалл достаточно больших размеров, который позволит получить качественную картину дифракции рентгеновских лучей на атомах белковых молекул, упорядоченных в кристалл. Сама же кристаллизация белков во многом сродни черной магии - осуществить ее удается далеко не для всех белков, да и получившийся дифракционный узор не всегда бывает четким.
ЖАРКОВ Дмитрий Олегович -доктор биологических наук, заведующий группой взаимодействий биополимеров Института химической биологии и фундаментальной медицины СО РАН (Новосибирск). Победитель конкурса Фонда содействия отечественной науке «Лучшие ученые РАН» 2004—2005 гг. Автор 69 научных публикаций и 1 патента
Ондулятор состоит из 33 магнитов, отклоняющих проходящий электронный пучок. Возникающее при этом излучение формирует лазерный импульс рентгеновского излучения.
Credit SLAC National Accelerator Laboratory
© Д. О. Жарков, 2013
17
а НОВОСТИ НАУКИ
Вид вдоль линии электронного пучка. Квадрупольный магнит, изображенный слева, один изподобных магнитов, позволяющих фокусировать пучок электронов, перед тем как он попадает в ондулятор, в котором генерируется рентгеновское излучение.
SLAC National Accelerator Laboratory
Во-вторых, даже в случае хорошего кристалла для его анализа требуется достаточно яркий (т. е. мощный) пучок рентгеновского излучения. В наши дни пучки получают на больших синхротронах при помощи специальной аппаратуры, и очередь на работу на таких станциях расписана на месяцы и даже на годы вперед.
Третий ограничитель - время, необходимое на расшифровку белковой структуры по дифракционной картине расшифровать структуру - с повышением вычислительных мощностей и усовершенствованием алгоритмов стал менее актуальным, но первые два до недавнего времени оставались серьезными препятствиями. Награда же за их преодоление дорога: например, зная структуру белка, вовлеченного в патологические процессы, можно создавать лекарства, которые принесут миллиардные прибыли. Недаром представители фармацевтических компаний буквально днюют и ночуют на установках при синхротронах, платя за это немалые деньги.
Долгое время совершенствование рентгеноструктурного анализа проходило под девизом «Меньше, ярче, быстрее»: кристалл меньших размеров легче вырастить, а более яркие источники излучения позволяют быстрее получать данные. И прорыв года, о котором сообщено в журнале «Science», поднял планку в этих соревнованиях очень высоко.
Сверхмощный рентгеновский лазер на линейном ускорителе SLAC в Калифорнии «стреляет» импульсами продолжительностью в 40 фемтосекунд (т. е. 40 квад-риллионных долей секунды - свет за такое время пройдет расстояние всего в 12 мкм!). Яркость излучения такова, что позволяет использовать кристаллы размером в 10-100 раз меньше, чем обычно требуется. Импульс лазера буквально испаряет кристалл, но при этом дифракционная картина успевает зафиксироваться. Несколько сотен тысяч таких «моментальных фотографий» дают картину, не уступающую по качеству обычной, но получаются они за время, измеряемое миллиардными долями секунды.
Пока что на счету уникального лазера только одна определенная структура белка. Этим белком стал катеп-син D, важный компонент клеток паразита трипаносомы (Trypanosoma brucei) - возбудителя сонной болезни. Структурные же биологи задумываются: имеют ли рентгеновские лазеры будущее в этой области? Ведь несмотря на поразительные результаты, такая установка гораздо сложнее и дороже, чем привычные станции на синхротронах, которых в мире уже не один десяток.
Но есть надежда, что именно рентгеновский лазер позволит осуществить давнюю мечту биологов - получить дифракционную картину с отдельных молекул белка, вообще не прибегая к его кристаллизации. Это откроет перед исследователями такие перспективы, которые сейчас даже трудно представить.
Эта структура белка катепсина D трипаносомы была установлена при помощи рентгеновского лазера. Сбор самих данных занял несколько наносекунд, построение модели - несколько недель. Красным цветом обозначены элементы вторичной структуры, обозначаемые как а-спирали, желтым - как р-складки.
Рисунок выполнен Д. Жарковым при помощи программы PyMol на основании структуры 4HWY, депонированной в базе данных «Protein Data Bank» (Redecke et a.l, 2012)
При помощи сверхкоротких импульсов жесткого рентгеновского излучения большой мощности лазер на свободных электронах может создавать голографическое трехмерное изображение отдельных молекул. SLAC National Accelerator Laboratory
19
а НОВОСТИ НАУКИ
Геномные снайперы
В 2012 г. инструментарий генной инженерии пополнился новой белковой системой, позволяющей со снайперской точностью модифицировать ДНК более высокоорганизованных, чем бактерии, организмов: от дрожжей до людей. С помощью технологии TALEN ученым удалось изменить целевые гены у различных высших животных, от рыбки данио до миниатюрной свиньи
Когда в 1970-х гг. зарождалась совершенно новая область науки - генная инженерия, оптимистам казалось, что до всеобщего благоденствия уже рукой подать. Что в недалеком будущем по полям будут бродить специально сконструированные коровы, дающие в день по цистерне молока и бифштексы со вкусом шоколада, а врачи вылечат все наследственные болезни, заменив больные гены здоровыми. Пессимисты, в свою очередь, вещали о скором выведении разнообразных кровожадных монстров и особых пород модифицированных людей, низведенных до состояния рабочего скота.
Нужно сказать, что все эти ожидания почти оправдались - по крайней мере, для микроорганизмов: сегодня по желанию действительно можно «собрать» почти любой бактериальный геном, были бы необходимые средства. Но вот с высшими организмами (эукариотами*) все оказалось гораздо сложнее...
Одна из основных причин такого отставания заключается в том, что манипулировать большим геномом таких организмов гораздо труднее, чем геномом бактерий. Относительно маленькие бактериальные генетические последовательности достаточно легко разрезать в особых точках при помощи давно известных ферментов-рестриктаз, а потом собрать заново в нужном порядке. А вот экспериментальных «инструментов», пригодных на то, чтобы прицельно вырезать из ДНК человека (или коровы) какой-то участок и заменить его на другой, до недавних пор просто не существовало.
Все существующие на сегодня трансгенные животные и растения были получены с помощью очень ограниченного числа методов, которые, к тому же, являются малоэффективными (обычно удается генетически трансформировать лишь одну клетку из тысячи) и ла-дают невысокой точностью (чужеродный генетический
материал часто встраивается не в то место, куда планировалось). В результате ученым удавалось получать далеко не каждое запланированное изменение свойств организма.
Однако за последние годы, с ростом понимания действия ферментов, специфично узнающих и изменяющих участки ДНК, инструментарий генетической инженерии начал стремительно расширяться: появились несколько ферментных систем, позволяющих прямо-таки со снайперской точностью разрезать и модифицировать ДНК эукариот.
Даже сами названия их звучат загадочно для человека непосвященного: TALEN, CRISPR, нуклеазы с цинковыми пальцами, мегануклеазы. Как правило, все эти конструкции состоят из двух частей: одна расщепляет молекулу ДНК, а другая связывается с определенной нуклеотидной последовательностью, тем самым определяя специфичность расщепления. Казалось бы, все просто, но на расшифровку кода соответствия между последовательностями ДНК и узнающих их белков потребовались многие годы работы научных коллективов.
Теперь исследователи могут вводить нужные белки (или кодирующие их генетические последовательности) в клетку и модифицировать геном непосредственно в ней. Например, в 2012 г. с помощью TALEN-нуклеаз американские исследователи из Миннесотского университета с очень высокой эффективностью модифицировали геном свиней, изменив один из генов, отвечающих за регуляцию уровня холестерина в крови. Затем из таких мутантных клеток были клонированы поросята, положившие начало линии животных, которую можно использовать в исследованиях сердечно-сосудистых заболеваний.
А ученые уже говорят о том, что с помощью таких искусственных нуклеаз в недалеком будущем станет возможным заменять мутантные гены на нормальные в раковых клетках, или удалять из генома больных СПИДом укоренившийся там вирус иммундефицита человека. Вот так геномные снайперы становятся геномными редакторами.
© Д. О. Жарков, 2013
21
* Эукариоты - более сложно организованные (по сравнению с бактериями) одноклеточные и многоклеточные организмы с хорошо оформленным клеточным ядром
Ключевые слова: генная инженерия,
технология TALEN
Key words: gene engineering, TALEN
technology
На картине «Ферма»,созданной в 2000 г., американский художник Алексис Рокман отразил свои представления о будущем сельского хозяйства, основанном на продуктах генной инженерии.
Courtesy Alexis Rockman
The Farm 2000, 96x120" Oil and Acrylic
on Wood Collection JGS Inc, New York
а НОВОСТИ НАУКИ
Древняя ДНК:
от неандертальца до колбасы
В 2012 г. эксперты журнала «Science» отметили работу молодого немецкого ученого Матиаса Мейера, который усовершенствовал способ подготовки для анализа ископаемой ДНК
5’-конец
Фосфатная
группа
Нуклеотиды
З’-конец
HO
(^L_0
OH
Фосфатная 1~идр°ксильная
группа группа
Еще совсем недавно никто серьезно и не предполагал, что мы узнаем о животных и растениях, исчезнувших с лица нашей планеты, больше того, что могут сообщить ископаемые останки. Конечно, палеонтология дает много сведений о строении тела и даже образе жизни вымерших существ, но самые мощные, молекулярногенетические методы исследования эволюционного родства, биохимии и физиологии в этом случае казались неприменимыми.
Анализ древней ДНК - область биологии, возникшая буквально на наших глазах за последние два десятка лет, для многих увлеченных наукой людей похож на чудесное осуществление волшебной мечты. Но хотя в живой природе ДНК и используется в качестве основного носителя генетической информации, ее химическая стабильность ограничена: она может повреждаться в результате окисления, гидролиза, спонтанной утери нуклеотидных оснований и т. п. При жизни организма повреждению ДНК противостоят особые системы ее репарации («ремонта»), однако после его смерти в ДНК накапливаются необратимые изменения. В 1993 г. английский биохимик Т Линдал опубликовал одну из самых часто цитируемых биологических статей, в которой показал, что ДНК не может сохраняться даже в самых благоприятных условиях (в отсутствие кислорода и в вечной мерзлоте) дольше миллиона лет. Если же мертвые ткани подвергаются действию высокой температуры или агрессивной химической среды, этот срок будет намного короче.
Однако, технологии анализа исчезающе малых количеств ДНК, основанные на использовании ПЦР (полимеразной цепной реакции) и массовом параллельном секвенировании, тоже не стояли на месте. С помощью
Ключевые слова: древняя ДНК, неандерталец, денисовец Key words: ancient DNA, Neanderthaler, Denisovan
ДНК обычно состоит из двух цепей, каждая из которых составлена из отдельных звеньев -нуклеотидов, соединенных фосфатной группой. Существует четыре вида нуклеотидов; нуклеотиды разных цепей связываются между собой по принципу комплементарности (как ключ и замок). Концы линейной цепочки ДНК химически разные, один называется 5’-концом, а другой - 3’-концом.
Как русский текст принято читать слева направо, так и последовательность ДНК принято «читать» от 5’-конца к 3’-концу
МЕТОД МЕЙЕРА
До недавних пор для приготовления образцов ДНК из ископаемого материала применяли два метода, основанные на «вытягивании» из древних останков фрагментов двуцепочечной ДНК. И поскольку ДНК в таких образцах сильно разрушена, ее фрагменты обычно представляют собой обломки, у которых на концах могут находиться выступающие группы одноцепочечных нуклеотидов. Но такие куски пока не умеют секвенировать, т.е. определять их нуклеотидную последовательность.
Поэтому оба традиционных метода начинаются с обработки обломка ДНК ферментом ДНК-полимеразой, который, с одной стороны, «достраивает» из кирпичиков-нуклеотидов недостающую ДНК на выступающих 5’-концах, используя их как матрицу, а также «съедает» выступающие З’-концы. Фермент прекращает работу, когда все нуклеотиды окажутся «спаренными» (такие концы ДНК на жаргоне молекулярных биологов называют тупыми).
Далее два традиционных метода немного расходятся, но суть их обоих состоит в том, что к двуцепочечному фрагменту древней ДНК с двух концов присоединяются адапторы - небольшие синтетические двуцепочечные ДНК с известной структурой. После всех манипуляций получа-
Фрагмент ископаемой ДНК
Формирование «полноценной» двуцепочечной ДНК
Адаптор
Адаптор
Биотин
С
Существует два традиционных метода приготовления секвенирования образцов («библиотек») ДНК из ископаемого материала.
Первый был разработан компанией «454 Life Sciences» (А), второй - компанией «Illumina» (Б). М. Мейер из Института эволюционной антропологии общества Макса Планка (Лейпциг, Германия) предложил новый, более эффективный метод (С), который и был применен к ископаемой ДНК человека из Денисовой пещеры.
По: (Meyer et al., 2012)
ется двуцепочечная ДНК неизвестной последовательности, окруженная адапторами - множество таких фрагментов называют библиотекой ДНК, которую и используют для секвенирования.
Основная проблема, связанная с использованием двуцепочечных фрагментов для построения библиотек древней ДНК, связана с тем, что исходная ДНК зачастую разрушена очень сильно. И если в одной цепи ДНК по соседству имеется несколько разрывов, то она просто развалится на куски и в библиотеку не попадет. То же самое будет и в том случае, если в ДНК есть повреждения, препятствующие работе ДНК-полимеразы. Из-за всего этого точность прочтения древней ДНК оказвается невысока. При секвенировании современных образцов для исключения случайных ошибок каждая позиция в геноме независимо прочитывается с разных копий ДНК несколько десятков раз (так называемое покрытие генома). А вот опубликованный геном денисовца имеет покрытие всего 1,9, а геном неандертальца - 1,3, что означает большую вероятность ошибки в любом месте последовательности.
Согласно методу, разработанному М. Мейером, у исследуемой ДНК удаляют фосфатную группу с 5’-конца, а затем
ДНК нагревают, чтобы цепи разделились. К З’-концу такой одноцепочечной ДНК присоединяют одноцепочечный адаптор, молекулу вещества биотина. Биотин, более известный как витамин H или витамин B7, играет здесь роль своеобразного якоря: он способен очень тесно связываться с бактериальным белком стрептавидином, что дает возможность осадить такую ДНК на микроскопические шарики, покрытые этим белком. После этого добавляется цепочка, комплементарная адаптору, и фермент ДНК-полимераза достраивает фрагмент древней ДНК по имеющейся матрице. В результате получается двухцепочечный фрагмент, к которому присоединяется еще одна пара адапторов. Главное преимущество нового метода в том, что теперь каждый фрагмент ДНК имеет не один, а два шанса попасть в библиотеку. А учитывая то, что разрывы и другие повреждения практически не мешают адапторам присоединяться к исследуемой ДНК, представительность библиотеки, сделанной этим методом, возрастает не вдвое, а гораздо больше. Геном денисовского человека, прочитанный с помощью метода Мейера, имел 30-кратное покрытие - лучше, чем у первого генома современного человека, секвениро-ванного лишь немногим более десяти лет назад.
а НОВОСТИ НАУКИ
24
Африка
Европа
Азия
Океания
30 тыс. лет 40 тыс. лет
80 тыс. лет
200 тыс. лет
600 тыс. лет
800 тыс. лет
1.800 тыс. лет
Палеогенетические данные позволили по-новому взглянуть на родословную человечества. Это эволюционное дерево, отражающее предположительные «родственные» взаимосвязи между современными людьми, неандертальцами и денисовцоми помещены, построено на основе результатов расшифровки геномов. Красными стрелками отмечены доказанные пути притока генов в результате скрещивания между древними человеческими популяциями, черными - возможные дополнительные пути.
По: (Lalueza-Fox and Gilbert, 2011)
этих методов сейчас возможно практически полностью определить последовательность ДНК из единственной живой клетки, а добыть достаточное для анализа количество материала из музейных или ископаемых образцов не очень древнего возраста считается у специалистов делом тривиальным.
Поэтому и радуют нас ученые сообщениями то о расшифровке генома неандертальцев, которая дает возможность судить об их цвете волос, группе крови и даже эмоциях, то о возможности восстановления таких вроде бы безвозвратно исчезнувших видов, как мамонт, дронт или сумчатый волк. Прочитать геном сегодня стало делом техники, полностью же синтезировать его станет вполне возможным уже в ближайшем будущем - это вопрос времени и цены. Останется лишь найти способ внедрить его в клетку и вырастить эмбрион.
Неудивительно поэтому, что в число достижений года журнал «Science» включил работу М. Мейера, которая, на первый взгляд, не раскрывает фундаментальных научных проблем. Однако эксперты журнала посчитали, что методика Мейера значительно продвигает исследования в расшифровке древней ДНК, к тому же первым приложением нового метода стало достаточно подробное прочтение генома денисовского человека - загадочной эволюционной ветви наших предков, открытой на Алтае археологами из новосибирского Института археологии и этнографии СО РАН.
Отечественные ученые не остаются в стороне от мировых тенденций. Так, в изучении денисовцев и остатков ископаемых животных из той же Денисовой пещеры принимают участие специалисты из разных научных центров СО РАН. А в Институте химической биологии
В Национальном музее естественной истории (Вашингтон, США) стоит забавный автомат, где любой желающий может получить свою фотографию, которую компьютер модифицирует, используя реконструкции лиц неандертальцев, сделанных на основе изучения ископаемых останков и палеогенетических исследований.
Вот так автор публикации выглядел бы около 40 тыс. лет назад, будучи неандертальцем.
Фото из архива автора
и фундаментальной медицины СО РАН (Новосибирск) эксперты в области репарации пцытаются приспособить соответствующие ферменты для исправления перед анализом повреждений в древней ДНК.
Кстати сказать, сходные проблемы имеются и в практических областях: в медицине (как изучить геном раковой опухоли, давно удаленной у пациента и законсервированной в формалине?), в криминалистике (как проанализировать ДНК из куска обгоревшей кости?) и даже в пищевой промышленности (как определить после всех стадий глубокой переработки сырье, из которого сделана колбаса?).
Это ли не волшебная мечта - создать технологию, которая позволит и определить цвет глаз неандертальца, и поймать преступника?
Редакция благодарит д. и. н. М. В. Шунькова
(Институт археологии и этнографии СО РАН, Новосибирск)
за помощь в подготовке публикации
© Д. О. Жарков, 2013
