Scientific Problems

Профессор MIT Роберт Лэнгер о способах формирования новых тканей, полимерных каркасах и использовании компьютерных технологий в биологии

ПостНаука в партнерстве с Российской венчурной компанией и Serious Science публикует для вас на русском языке лекции ведущих западных ученых, рассказывающих о главных направлениях исследований мировой науки.

Тканевая инженерия во многом началась с исследований, проведенных много лет назад мной и Хавьером Конте, возглавляющим сейчас отделение детской хирургии в госпитале Массачусетса. Помимо нас в нем участвовало еще много людей. Основная идея тканевой инженерии заключается в комбинировании материалов и клеток млекопитающих, в том числе стволовых, чтобы сформировать новую ткань или орган. Существует несколько стратегий, над которыми мы работаем вместе с другими учёными.

Одна из стратегий, возможно, способная помочь в борьбе с диабетом, заключается в следующем: вы берете, скажем, инсулярные клетки и помещаете их в капсулу из специального материала, предотвращая тем самым иммунное отторжение. Итак, для данного способа вам потребуется специальный материал, например альгинат, или что-то другое. Вы берете клетки этого материала, помещаете в воду и потом при помощи шприца впрыскиваете в кальциевую ванну, то есть ванну с ионами определенного типа. Это приводит к гелификации. Таким путем вы получаете что-то вроде бусин, каждая размером с пору. Клетки находятся внутри этих бусин, и происходит следующее (я покажу это на примере диабета): инсулин проходит через одни поры, а глюкоза — через другие, в то время как антитела и иммунные клетки не могут проникнуть внутрь капсулы из-за своего большого размера, так что внутренность бусины защищена от них. Таким образом, можно поместить маленькую искусственную поджелудочную железу в микрокапсулу, и это здорово, не так ли?

Однако с этим методом могут возникнуть сложности: в некоторых случаях вокруг микрокапсул образуется фиброзная оболочка, препятствующая прохождению инсулина и глюкозы. Посему мы с Дэном Андерсоном сделали одним из основных направлений работы нашей лаборатории создание супербиосовместимых материалов, как я их называю, которые не будут заключены в капсулу. Сейчас мы, совместно с Фондом исследований в области сахарного диабета у подростков, проводим эксперименты над приматами, чтобы протестировать результаты. Это был пример уже существующего и применяемого материала.

Следующее направление в тканевой инженерии — это полимерные каркасы, которым можно придать любую форму. На них можно помещать клетки, и как только они оказываются там, они самоорганизуются, образуя новую ткань или орган. Это может быть хрящ, кость, новая кожа для пострадавших от ожогов или пациентов с диабетическими язвами. Для этого необходимо сделать следующие вещи: первое — это создание материалов, к которым можно прикрепить клетки, и второе — это создание конструкции подходящей формы и структуры. Например, при создании хряща можно придать ему форму носа или уха, в зависимости от ваших целей. Или Вы можете также придать полимеру определенные свойства, такие как эластичность. И тогда клетки помещаются на полимерные каркасы, выращиваются и превращаются в ткань. Уже сейчас эта технология используется для создания кожи взамен обожженной, создания объектов разных клинических испытаний, в числе которых хрящи, роговицы, и даже, возможно, для восстановления спинного мозга. Однако это сфера имеет очень широкое применение.

Вопрос материалов остро встает во многих из этих областей, и с точки зрения химии, и с точки зрения производства. Говоря о химии, я просто перечислю ряд потенциально полезных материалов, которые мы — и ещё целый ряд ученых — пытаемся создать. Первый: биосовместимый материал, способный к соединению при помощи ионных связей — для решения проблемы диабета. Второе: материалы с определенными аминокислотами, обращенными вовне. Они пригодятся для присоединения некоторых видов клеток, например нейронов. Третье: материалы с требуемой эластичностью, необходимые для некоторых частей нашего тела, таких как кровеносные сосуды, которые очень эластичны. Четвёртое: материалы, позволяющие клеткам, в том числе стволовым, дифференцироваться, то есть превращаться в любой нужный тип клеток. Есть еще ряд других химических проблем, связанных с материалами.
Существуют также проблемы производства: как придать нужную форму, нужную структуру. Для решения некоторых из них используется целый ряд техник.

Например, в последнее время большое внимание получила 3D печать, поскольку она позволяет создавать очень сложные конструкции, но ей дело не ограничивается.

Есть много других способов создания структур, волокон и наноструктурных систем. Так что есть ещё много нерешенных задач и проблем по части материалов — как химических, так и производственных.

Одна из самых важных таких проблем- это вопрос безопасности материала, но при работе с инновационными химическими решениями её можно подтвердить только путем тестирования. Во-вторых, материалы должны хорошо взаимодействовать с клетками и делать это так, как вы того хотите. В-третьих, во многих случаях материалы должны разлагаться естественным путём, поскольку нам не нужны вечные материалы — мы хотим, чтобы они сделали свою работу и потом исчезли. И, конечно, когда вы совмещаете материалы с клетками, их взаимодействие также может привести ко всевозможным последствиям — например реакции тканей или другим нежелательным вещам. 

Я бы сказал, тканевая инженерия в этом плане наука больше экспериментальная, чем теоретическая. То есть, конечно, есть теоритические работы, но нет еще полного понимания, как вырастить ткань или орган, поэтому ставится много экспериментов с различными материалами, типами клеток, способами их выращивания, эксперименты на животных, иногда — на людях. Мне кажется, мы не может обойтись уже существующим объемом теоретических знаний в этой области, поэтому приходится столько экспериментировать. Возьмем иммунное отторжение или почему образуется фиброзная оболочка. Мы просто многого не знаем, или недостаточно много знаем о причинах и механизмах таких явлений. Да, я бы сказал, к сожалению, наши знания скудны. А если так, то нам приходится полагаться на эмпирическое познание.
По-моему, чтобы продуктивно использовать компьютерные технологии в биологии, нужна теоритическая база. Так, например, они помогли в расшифровке генома человека, потому что удалось сконструировать ДНК-секвенсоры и развить достаточное понимание того, что надо делать. А когда речь идёт о не до конца понятом биологическом процессе, пользоваться компьютерами очень сложно, поскольку вы просто не можете его запрограммировать. Так что я бы сказал, целый ряд ученых — включая нас — в настоящее время работает над созданием новых тканей, уже сейчас мы можем создать кожу (хотя мы могли бы работать эффективнее, если бы лучше понимали необходимые вещи) для пересадки пациентам с диабетическими язвами и пострадавшим от ожогов. Мы также тестируем возможность создания хрящей, кишечника, голосовых связок, спинного мозга. Думаю, существует ещё много серьёзных задач, которые предстоит решить. Мы — и целый ряд других ученых — работаем над ними.

Давайте рассмотрим инкапсуляцию клеток поджелудочной железы. Главная проблема с ними состоит в том, что если заключить клетки в полимерную оболочку, то возникнет реакция тканей, а это серьёзная проблема, поскольку она препятствует прохождение молекул в капсулу и из нее. Так что даже если инсулин будет производиться, он останется в капсуле. Так что нам нужен материал, который обладает высокой биологической совместимостью (и не вызывает реакции тканей), либо каким-то образом предотвратить образование фиброзной оболочки. Специалисты, работающие над проблемами тканевой инженерии, приходят из разных областей: это и химики-инженеры, и биологи, и материаловеды, и хирурги, и цитологи. Область очень междисциплинарная. И я считаю, что это прекрасно, ведь они учатся друг у друга: химик-инженер учится чему-то у биолога, и наоборот, биолог учится у химика.

Тканевая инженерия — многообещающая область исследования, есть огромное количество болезней, не поддающихся медикаментозному лечению, и если получится помочь людям с заболеваниями печени или диабетом, или восстановить их спинной мозг, это будет настоящий прорыв. На мой взгляд, то, что сейчас происходит в науке, по-настоящему инновационно и захватывающе, к примеру, отличные биологические исследования, исследования стволовых клеток, прекрасные исследования материалов. В общем, тканевая инженерия — очень перспективная область и для науки, и для медицины.

9 лекций микробиолога Константина Северинова о функциях генов, современных исследованиях и геномной медицине

Все живое, включая нас самих, является в конечном счете продуктом работы генов. А гены — это своеобразный рецепт, записанный в виде последовательностей ДНК. Гены «работают», или экспрессируются, и закодированные в них продукты, белки, выполняют множественные функции как внутри клетки, так вне ее. В клетке находятся миллиарды белков, кодируемые десятками тысяч генов. Белки специфически взаимодействуют друг с другом за счет своих физико-химических свойств и трехмерной формы. Эти взаимодействия обеспечивают способность клетки осуществлять сложнейшие процессы, такие как дыхание, гликолиз, направленное движение и многое другое.
Хотя большинство взаимодействий генетически детерминировано, большую роль играет случай. Иногда сама случайность взаимодействий белковых молекул «используется» клеткой для решения той или иной задачи и для повышения приспособленности к условиям окружающей среды. Изменения последовательности ДНК, мутации, приводят к изменениям кодируемых данной последовательностью белков, что может отражаться на их способности взаимодействовать друг с другом, нарушать сложные цепочки внутри- и внеклеточных процессов и приводить к различным нарушениям и болезням, таким, в частности, как рак. Понимание того, как работают гены, позволяет приблизиться к «геномной медицине», которая даст возможность редактировать и исправлять последовательности ДНК определенных генов и восстанавливать белковые взаимодействия, нарушенные мутациями.

Транскрипция гена

Микробиолог Константин Северинов о причинах развития разных типов тканей, функциях РНК-полимеразы и распределении активности генов

РНК-полимераза не может узнать ген, потому что там уже «сидит» кто-то другой, связаться с ним она не может. Если такая ситуация есть, то ген можно активировать, убрав репрессор. Если РНК-полимераза по какой-то причине плохо узнает ген, то можно активировать транскрипцию, каким-то образом найти способ, как привлечь РНК-полимеразу к этому гену. Для этого существуют специальные белки-активаторы.

Генетический шум

Микробиолог Константин Северинов об эпигенетике, механизме деления клеток и флуоресцентных белках

Явление генетического шума возникает, причем возникает с необходимостью, по следующей причине: когда мы рассматриваем процесс деления клетки, мы всегда думаем, что после того, как клетка разделилась, возникли две идентичные копии. И действительно, по крайней мере в случае наследственной информации ДНК есть специальные механизмы, которые очень точно обеспечивают равномерное распределение полного набора генов как одной «дочери», так и другой при делении материнской клетки.

Фолдинг белка

Микробиолог Константин Северинов о структурной биологии, методах предсказания структуры белка и краудсорсинге в науке

Сама по себе последовательность белка не достаточна, чтобы определить его функцию. Для того чтобы белок заработал, он должен свернуться — найти в трехмерном пространстве некоторую специальную форму или структуру, которая обеспечит его биологическую функцию. Белки знают, как это делать, потому что белок с определенной последовательностью в определенных биологически релевантных условиях всегда свернется как надо. Они знают, как им свернуться, а мы — нет. И это, как ни странно, по-видимому, одна из основных проблем современной биологии.

Взаимодействие макромолекул

Микробиолог Константин Северинов о принципе комплементарности, форме биологических молекул и стабильности белка

Мы с вами состоим из специальных молекул, которые называются макромолекулами, потому что они очень большие (например, белки или нуклеиновые кислоты). Взаимодействие этих молекул друг с другом в значительной степени обуславливает наше поведение и поведение наших клеток. Если мы действительно хотим добраться до сути вещей, мы должны перейти на этот уровень взаимодействующих молекул и понять, что там происходит.

Аддиктивные гены бактерий

Микробиолог Константин Северинов о молекулярной зависимости клеток, токсин-антитоксиновых системах и экспонировании действия антибиотиков

Про наркоманию, или аддикцию, или зависимость, не слышал, наверное, только ленивый. И, наверное, многие считают, что это сугубо человеческое свойство. Интересно то, что у клеток тоже бывают зависимости. Это молекулярная зависимость. И там, в отличие от настоящей наркомании, если такая есть, механизмы очень четко известны. В англоязычной литературе это называется addiction models. Это некие интересные белковые молекулы, которые, как правило, заставляют бактериальную клетку все время поддерживать их в себе. Потому что, если клетка вдруг потеряет такого рода молекулу, она умрет. Это самая настоящая зависимость.

Передача биологических сигналов

Микробиолог Константин Северинов о проблеме биологических решений, взаимодействии гормонов и рецепторов и регуляции работы генов

Если у нас где-то на поверхности клетки возник сигнал, который привел к каскадной передаче измененных макромолекулярных взаимодействий между молекулами, можно представить, что этот сигнал дойдет куда надо. А надо, чтобы он дошел именно до репрессора, и какое-то дополнительное взаимодействие с репрессором приведет к следующему: изменится уже структура репрессора так, что он больше не будет комплементарен молекуле ДНК, где он находился до сих пор. Значит, если он оттуда уйдет, ген окажется открытым, с него может пойти транскрипция, он заработает.

Технология клонирования животных

Микробиолог Константин Северинов о генной инженерии, невозможности клонирования мамонта и проблемах сохранности палео-ДНК

Для того чтобы клонировать мамонта, нужно найти такое ядро клетки, а ядро само по себе — это очень сложная структура, это некая внутриклеточная органелла, в которой находится не только ДНК, но и масса белков, организующих эту ДНК так, чтобы она экспрессировала, чтобы гены работали так, как надо. И проблема в том, что в течение очень небольшого времени ДНК распадается на фрагменты длиной 200, 300, 400 буковок, очень короткие фрагменты. Представьте себе, что вы взяли книгу и пропустили ее через шредер — вроде как книга вся осталась, но собрать ее вместе очень-очень сложно, и палео-ДНК, то есть ДНК древних животных, к сожалению или, может быть, к счастью, находится ровно в таком состоянии.

Генотерапия

Микробиолог Константин Северинов о причинах заболеваний, методах лечения и борьбе бактерий с вирусами

Геном любого человека состоит из 3 миллиардов нуклеотидов ДНК, которые можно представить в виде букв. Это та генетическая информация, которая приводит к возникновению человека. Но иногда возникают опечатки. На протяжении последних 10 лет ученые пытались найти способ добраться до нужного места в ДНК и изменить опечатку. В начале 2013 года совершился прорыв. Оказалось, что у бактерий есть система иммунитета, с помощью которой они борются с вирусами.

Геномная медицина

Микробиолог Константин Северинов о природе генных болезней, технологии редактирования генома CRISPR/Cas9 и репарации ДНК

На сегодняшний момент медицина прекрасно знает, какие именно изменения в каких генах ответственны за простые, или так называемые моногенные, болезни, которые реально определяются изменением только одного гена. В большинстве случаев это приговор — в том смысле, что мало что можно в таком случае предпринять: это не бактерия, которая вас поразила, и в этом смысле ни антибиотик, ничто другое ваше физиологическое состояние изменить не может. Подход, который в таком случае хотелось бы применить, называется геномной медициной, и чисто концептуально понятно, что нужно плохую копию гена, неудавшуюся, неудачную последовательность ДНК, изменить, с тем чтобы она пришла в норму, стала такая же, как у нормальных людей, что бы это ни значило.

Источник: http://postnauka.ru/courses/50079

Отрывок из книги «Сумма биотехнологии» биолога Александра Панчина о негативных последствиях селекций, в результате которых получаются «натуральные» продукты

Натуральное и искусственное

Думаю, что все видели современные магазины «органических продуктов», ставшие в последнее время очень популярными и в России, но особенно в США и в Европе. Обычно они характеризуются двумя особенностями: кругленькими суммами на ценниках и широким разнообразием зеленых этикеток на товаре: «натуральный продукт», «сертифицированный органик», «не содержит ГМО», «100% БИО», «ЗДОРОВЬЕ», «эко- продукт» и так далее. Журналист Леонид Каганов однажды описал, как боязнь новых технологий должна была выглядеть в прошлом.

Поморская артель «Ломоносовъ». Только кони! Мы доставляем рыбу
в столицу, не используя паровозъ!

В основе многих мифов о еде лежит тезис, что все натуральное, существующее в природе, по определению полезно, а все «искусственное», созданное человеком, несет потенциальную угрозу здоровью. Эту логическую ошибку апелляции к природе, или так называемую натуралистическую ошибку, достаточно легко продемонстрировать.

В Соединенных Штатах Америки ежегодно возникает более 40 миллионов случаев пищевых отравлений, из-за которых более ста тысяч людей попадают в больницу и более трех тысяч погибают. Думаю, что в России с количеством пищевых отравлений на душу населения дела обстоят не лучше, хотя надежной статистики я не нашел. В подавляющем большинстве случаев отравления связаны с совершенно натуральными болезнетворными вирусами и микроорганизмами, которые попадают в наш желудочнокишечный тракт вместе с немытыми овощами, зеленью, сырой рыбой или мясом. Давайте назовем некоторых «друзей», которых можно подцепить из еды.

Клостридии, вырабатывающие альфа-токсин и ботулотоксин, патогенные штаммы (болезнетворные разновидности) кишечной палочки, сальмонелла, листерия, шигелла, устойчивый ко многим антибиотикам золотистый стафилококк, вирус гепатита, А, норовирусы, энтеровирусы, ротавирусы, патогенные амебы, аскариды и другие круглые черви, а также паразитические плоские черви. Это далеко не полный список совершенно натуральных, встречающихся в природе патогенных организмов, «не содержащих ГМО». Натуральная сальмонелла обнаруживается в натуральных подгнивших продуктах и вызывает натуральный понос, а иногда и натуральную смерть. С другой стороны, «искусственные» консерванты — вещества, угнетающие рост микроорганизмов, предохраняют продукт от плесени и образования токсинов микробного происхождения.

Компания Odwalla, производившая непастеризованные натуральные соки, оказалась в центре скандала, когда в 1996 году ее продукцией отравилось 67 человек, один из которых умер. Яблочный сок содержал патогенный штамм кишечной палочки. Но отказ от пастеризации (одноразового нагревания жидкости с целью убить микробов) использовался как маркетинговый ход, направленный на любителей «натуральной пищи».

В 2011 году в Германии случилась вспышка пищевых отравлений, вызванных патогенным штаммом кишечной палочки. Тогда 3950 человек отравились, 53 человека погибли. Расследование показало, что источником инфекции послужила органическая ферма. Патогенный штамм обнаружили в ростках пажитника, который используется для приготовления многих блюд индийской кухни в качестве приправы. Эпидемиологическое исследование показало, что у тех, кто употреблял этот натуральный продукт, многократно повышался риск кровавого поноса. Мы видим, что органические продукты в данной истории оказались, мягко говоря, небезопасными.

У этого инцидента были достаточно серьезные экономические последствия. Изначально немцы ошибочно подозревали, что источником инфекции являются огурцы, импортированные из Испании, и лишь эти подозрения, впоследствии оказавшиеся ложными, обходились испанским экспортерам, согласно заявлению президента Испанской федерации экспорта фруктов и овощей, в 200 миллионов долларов в неделю. Позже Испания даже отказалась от компенсации в 150 миллионов евро, предложенной Еврокомиссией, заявив, что такая компенсация слишком мала. Отреагировала на эту историю и Россия, которая с июня по июль 2011 года запретила импорт свежих овощей из Европейского Союза.

Анализ ДНК патогенного штамма кишечной палочки показал, что у этой бактерии есть два гена, делающих ее опасной для человека. Благодаря одному гену кишечная палочка вызывает длительный, но не смертельный понос. Другой ген кодирует так называемый токсин Шиги, который вызывает кровавый понос и гемолитико-уремический синдром, характеризующийся болью в животе, рвотой, острой почечной недостаточностью, лихорадкой, а также сонливостью, судорогами и другими признаками повреждений нервной системы. Отравление токсином Шиги смертельно опасно для человека.

Оказывается, что некоторые штаммы кишечной палочки, производящие токсин Шиги, живут в коровах. Коровы, как правило, не чувствительны к токсину, но бактерии, несущие опасные гены, кодирующие токсин, оказываются в навозе. Эти гены могут перенестись в другие виды бактерий, в том числе заражающие людей. Такому переносу генов способствуют вирусы бактерий — бактериофаги. Навоз особенно часто используется на органических фермах в качестве натурального удобрения. Видимо, на органической ферме случилось смешение генов двух бактерий, и получился весьма неприятный для человека патогенный штамм.

Конечно же этот пример не доказывает, что органическая еда, созданная в рамках традиционного сельского хозяйства, опаснее обычной. Такая история могла случиться и на обычной ферме. Я лишь подчеркиваю, что «натуральное» не является синонимом «полезного» или «безопасного». Мы обращаем так много внимания на всякие странные вещи: содержит ли продукт ГМО, красители и консерванты, натурален ли он, — но при этом забываем о самом главном.

Можем ли мы отравиться? От ГМО не умер никто, а от пищевых инфекций умирают тысячи людей в развитых странах. Причем предотвратить заражение в большинстве случаев можно, соблюдая банальные правила гигиены и санитарии, правильно готовя пищу, тщательно промывая фрукты и овощи. Увы, СМИ не спешат пропагандировать полезные идеи, предпочитая просветительским наставлениям надуманные ужастики о «вреде ГМО».
Производители «органических продуктов» хвастаются тем, что при выращивании продуктов питания предпочтение отдается традиционным удобрениям, которые противопоставляются вредным «химическим» удобрениям. Забавно, что маркировать свои продукты этикеткой «получено с использованием навоза» такие производители не спешат. Навоз, в отличие от химических удобрений, по определению богат различными микроорганизмами, а значит, растения, выращенные методами органического земледелия, могут тоже отличаться разнообразием микро-организмов.

В 2010 году в журнале Food Microbiology был опубликован сравнительный анализ микробного состава на поверхности салата, который произрастает на обычных и органических фермах в Испании. Оказалось, что по разнообразию и количеству микроорганизмов салат с органических ферм отличается от салата с обычных ферм: в среднем в нем больше энтеробактерий (группа, в которую попадают кишечная палочка, сальмонелла, шигелла и даже чумная палочка Yersinia pestis), псевдомонад и некоторых других бактерий. В еще одной работе, опубликованной в Canadian Journal of Microbiology, было показано повышенное разнообразие микробов в листьях базилика, выращенного органическими методами. Авторы обращают внимание на то, что листья базилика часто употребляются сырыми, без мытья и готовки, чтобы не помять хрупкое растение, а значит, могут нести риск пищевых отравлений.

Согласитесь, из этого могла бы получиться отличная страшилка. Представьте заголовок в какой-нибудь популярной желтой газете: «Ученые обнаружили в органических продуктах родственницу чумной палочки!» В статье можно привести правдивые и одновременно наводящие панику и вводящие в заблуждение утверждения: «Как высокое разнообразие микробов в органических продуктах питания скажется на здоровье потребителя, до конца не изучено, и это нужно проверить на нескольких поколениях!» Но попробуем сохранить объективность.

Во-первых, если растения мыть, разницы в составе микрофлоры вы, скорее всего, уже не обнаружите. В упомянутых исследованиях специально сравнивали немытые растения. Во-вторых, кто сказал, что повышенное разнообразие микробов — это обязательно плохо? Есть продукты, качество которых улучшается определенными микроорганизмами: например, качество вина зависит от используемых одноклеточных грибов — дрожжей, перерабатывающих сахар в алкоголь, а кефир получают из молока при помощи молочнокислых и уксуснокислых бактерий и все тех же дрожжей. Значит, с каждым продуктом нужно разбираться отдельно. Что касается энтеробактерий, среди них хватает вполне безобидных представителей, а саму чумную палочку никто конечно же на исследованных фермах не находил. Стоит ли употреблять органические продукты — личное дело каждого, но если вы думаете, что они полезнее исключительно в силу своей натуральности и потому за них стоит платить вдвое, а то и втрое больше, то, увы, вас ввели в заблуждение.

Иллюстрации натуралистической ошибки не ограничиваются опасностью натуральных пищевых патогенов. Натуральная бледная поганка содержит более десятка различных натуральных ядовитых соединений, среди которых наиболее опасным считается альфа-аманитин, приводящий к массовой гибели клеток. Смерть при отравлении бледной поганкой часто бывает долгой и мучительной. При этом постепенно отключаются почки, печень, легкие. Тем немногим, кому все-таки удается выжить после употребления данного гриба, обычно приходится делать пересадку жизненно важных органов.

Натуральная рыба фугу ядовита, если не приготовить ее особенным способом. При готовке из нее вынимают все внутренности, а мясо тщательно промывают, но не стоит пробовать сделать это дома: одной маленькой рыбы фугу, которая умещается на ладони, достаточно, чтобы отравить несколько человек. Японские повара, желающие готовить эту рыбу, должны пройти экзамен, в том числе съесть собственноручно приготовленное блюдо из фугу, а в древности повар, по ошибке отравивший клиента, должен был совершить ритуальное самоубийство.

Кожа золотой ядовитой лягушки покрыта натуральным нейротоксином (ядом, поражающим нервную систему), который называется батрахотоксин. Смертельная доза этого яда составляет лишь около 1–2 микрограммов на килограмм массы тела. Этот токсин предотвращает передачу импульсов по нервным волокнам, парализуя мускулатуру организма. Кроме того, он нарушает работу сердца, в конечном итоге приводя к его остановке.
Самая ядовитая змея — жестокая змея (пустынный тайпан). Взрослая особь имеет достаточно яда, чтобы убить сотню человек или 250 тысяч мышей. Яд этой змеи примерно в 180 раз сильнее яда кобры и содержит сразу несколько разных нейротоксинов, а также гемотоксины, разрушающие клетки крови, миотоксины, нарушающие работу мышц, и массу других ядов. Змеиный яд, конечно, тоже натурален.

После похода на природу, куда-нибудь в лес, особенно в Сибири, проверьте, не прицепился ли к вам клещ. Эти кровососущие существа могут поджидать вас, сидя на дереве или на высокой травинке. Некоторые из них распространяют вирус клещевого энцефалита, некоторые — бактерии рода Borrelia, возбудителей боррелиоза (болезни Лайма). Все это — совершенно натуральные заболевания, поражающие центральную нервную систему, которые в ряде случаев приводят к смерти.

Механизмы защиты от врагов отличаются у растений и животных. Если животные могут попробовать убежать или защититься с помощью рогов или клыков, то растения такой возможности не имеют. Поэтому они специализируются на других приспособлениях — на колючках, а также химическом и биологическом оружии. Самая обычная картошка или соя может содержать вещества, нарушающие работу (ингибиторы) трипсина — важного пищеварительного фермента. Трипсин производится поджелудочной железой и попадает в кишечник, где он расщепляет белки, поэтому его ингибиторы нарушают переваривание пищи.

Долгое время среди органических фермеров пользовался популярностью ротенон — сложное органическое соединение, которое можно получать из корней некоторых растений семейства бобовых. Ротенон — натуральный пестицид, чрезвычайно ядовитый для насекомых и рыб. Оказалось, что ротенон индуцирует болезнь Паркинсона у млекопитающих, разрушая нервные клетки. Кроме того, это вещество токсично для клеток плазмы крови человека, причем бывали случаи, когда в продуктах содержание ротенона превышало предельно допустимые значения. Сейчас многие страны начали отказываться от этого натурального пестицида.

В действительности по весу более 99% пестицидов, употребляемых нами в пищу, имеют абсолютно натуральное происхождение — производятся растениями для защиты от вредителей в естественной среде обитания. Некоторые из этих пестицидов безопасны в небольших количествах (и даже используются в кулинарии), другие — сильно ядовиты. Алкалоид капсаицин, придающий перцу остроту, — эффективный инсектицид. В листьях, плодах, стеблях и клубнях картофеля и других пасленовых часто содержится соланин и другие токсичные алкалоиды.

Соланин вызывает разложение эритроцитов, тошноту, головную боль, понос, повышение температуры, а в тяжелых случаях судороги, делирий (помраченное сознание) и кому. К счастью, человечество освоило искусственные методы, позволяющие сделать картофель безопасным, — термическую обработку. Любопытно, что содержание соланина в картофеле зависит от условий выращивания и хранения, причем последние факторы нередко играют большую роль, чем гены растения. Например, если клубни картофеля оставить на солнечном свете, они зеленеют и в них накапливается больше соланина, то есть один и тот же сорт картофеля может оказывать разное воздействие на организм.

В 1968 году методами классической селекции была выведена картошка «Ленапе» (Lenape), но спустя пару лет после успешного выхода этого сорта на рынок оказалось, что в нем сильно повышено содержание соланина, поэтому его коммерческое выращивание прекратили. В конце XX века история повторилась со шведским сортом «Магнум Бонум» (Magnum Bonum). При создании гибридов двух разных сортов картофеля непредсказуемым образом может меняться не только количество алкалоидов, но и их состав. Могут появляться и совсем новые алкалоиды. Это лишь несколько примеров возможных негативных последствий обычной селекции, в результате которой получаются продукты, считающиеся «натуральными» и (ошибочно) безопасными.

Некоторые полагают, что природа «мудра» и не терпит вмешательства, однако именно эта «мудрость» породила описанные выше угрозы для человеческой жизни и нежелательные изменения растительных геномов. У природы нет никакого «плана», который мы могли бы нарушить. Порой (и временами заслуженно) она хочет нас убить, а мы защищаемся как умеем — с помощью интеллекта, технологий и изобретений. Жители глухих африканских деревень на своем горьком опыте знают, насколько «хорошо» людям живется в условиях, приближенных к естественной среде обитания человека: рядом с натуральным малярийным комаром, вирусом Эбола и ВИЧ. Интеллект — наша главная адаптация к меняющимся и нередко враждебным условиям окружающей среды. Интеллект позволяет нам производить средства защиты от вредных микроорганизмов: так, искусственная вакцина от оспы спасала нас от оспы натуральной. Интеллект позволяет нам производить растения более высокого качества. Благодаря достижениям научно-технического прогресса, которые многие так пренебрежительно характеризуют термином «искусственное», продолжительность жизни человека выросла в развитых странах с тридцати до семидесяти — восьмидесяти лет.

Сам термин «натуральность» мы используем неправильно. Человек и его творения как бы противопоставляются природе, хотя человек тоже является ее частью, продуктом биологической эволюции. Почему продукты, произведенные человеком, не натуральны, а продукты, произведенные пчелами и более нигде в природе не встречающиеся, например мед, — натуральны? Почему, когда люди занимаются генной инженерией — это плохо, но когда ею занимаются бактерии, живущие в почве и переносящие свои гены в растения, или вирусы, встраивающие свои генетические последовательности в геномы всевозможных живых организмов, — это считается естественным и безопасным?
Современных «натуральных» продуктов не существовало бы, если бы человек не вмешивался в эволюционные процессы и не направлял их. Кукуруза, капуста, арбуз, дыня — все это результаты селекции, искусственного отбора, который на протяжении многих поколений менял растения и их наследственную информацию, чтобы те могли стать растениями культурными. На самом деле генетически модифицированные организмы — такие же натуральные, как селекционные сорта растений. Это не повод считать их абсолютно безопасными, ведь и натуральное может представлять угрозу для здоровья, но это повод относиться к ним так же, как к обычным организмам, без двойных стандартов. Почему ГМО натуральны, станет понятно по мере ознакомления с основами работы генетического аппарата клеток в последующих главах книги.