Секвенатор за Полярным кругом

Несмотря на усилия молекулярных биологов, которые из одного вида делают пять, налицо кризис биоразнообразия...

Из студенческой стенгазеты

Бесконечный покой белой воды, в которой отражается белое небо. Романтика бессонных ночей. Каждый, кто побывал на Беломорской биостанции (ББС) МГУ, непременно хочет сюда вернуться. Но сегодня не только это влечет биологов на север — здесь появились новые возможности для исследования природы. На берег Белого моря пришли высокотехнологичные молекулярные методы, без которых немыслима современная биология.

Секвенировать все сущее

Методы приблизились к объектам исследования — морской и прибрежной флоре и фауне. Биоразнообразие было одной из причин, по которой в 1938 году это место на берегу пролива Великая Салма выбрали для строительства биостанции. Судьба ББС сложилась очень непросто. Времена, когда на учебно-научной базе МГУ не было не только научных приборов и компьютеров, но даже бани и электричества (столбы ЛЭП разрушились от времени, а провода растащили), она пережила совсем недавно. Однако даже тогда не прекращались студенческие полевые практики, без которых нельзя вырастить настоящих биологов. На помощь биостанции пришли бывшие стройотрядовцы, которые когда-то здесь пилили бревна и клали кирпичи, и бывшие студенты. И началось возрождение. Сменилось руководство. Появился Благотворительный фонд ББС МГУ, координирующий помощь. И пришли специалисты, которые вдохнули жизнь в пустующие помещения лабораторий. Постепенно биостанция обретает новое лицо — становится современным учебно-научным центром морской биологии, где студенты осваивают сложные методы исследования, а сотрудники приезжают решать разнообразные научные задачи.

В молекулярно-биологической лаборатории забываешь о том, что находишься за Полярным кругом. Ламинары, центрифуги, амплификаторы, приборы для электрофореза — работает все оборудование, необходимое для выделения ДНК из морских организмов, проведения полимеразной цепной реакции (ПЦР), электрофореза и анализа ДНК — в этом сезоне на ББС появился даже секвенатор. Теперь студенты, специализирующиеся на зоологии беспозвоночных, своими руками докапываются до генетической сущности червя или рачка, которые еще сегодня плавали в море. У них опытные учителя. Татьяна Владимировна Неретина — молекулярный биолог, пришла на биостанцию из лаборатории Института биоорганической химии (ИБХ), Николай Сергеевич Мюге — сотрудник Института биологии развития РАН и Всероссийского научно-исследовательского института рыбного хозяйства и океанографии (ВНИРО), ведущий специалист по молекулярной генетике морских и пресноводных животных.

ђ

Морской многощетинковый червь нереис

Работа не прекращается ни днем, ни ночью: здесь ни у кого нет понятия нормированного рабочего дня. Время уже за полночь, но светло, как днем. Татьяна варит для всех очередную порцию кофе — и вновь за работу. Поставить ПЦР, проверить результаты реакции на форезе, заложить пробирки в секвенатор. В низкотемпературном холодильнике лежат и ждут своей очереди следующие образцы. А утром придут студенты-зоологи, которых надо обучать методам...

Голожаберный моллюск

Молекулярно-биологическими методами в зоологии и ботанике сегодня решается множество задач. Большинство их лежит в области систематики (см. несерьезный эпиграф к статье). Действительно, зачастую удается показать, что, например, эти две популяции, живущие в разных условиях, уже образовали два вида, а те виды-близнецы, неразличимые внешне, различаются генетически. Молекулярные биологи перетряхивают основы линнеевской систематики. А построенные ими филогенетические деревья отражают истинное родство видов между собой. 

Штрихкод жизни

В этом году сотрудники ББС МГУ стали участвовать в Международном проекте «International Barcode of Life Project» (IBOL). Идея «баркодинга» состоит в том, чтобы каждому виду присвоить подобие штрихкода. Для этого надо изучить максимально возможное число живущих на планете видов по какому-то одному гену, который есть у всех, но чем-то отличается. В качестве такого универсального маркера биологи выбрали небольшой участок гена (около семисот нуклеотидов) одной из субъединиц цитохромоксидазы — фермента, который участвует в работе дыхательной цепи митохондрий. По строению этого участка можно довольно точно определить видовую принадлежность животного.

Флот биостанции

Лабораторный корпус биостанции

Участвующие в проекте научные коллективы по всему миру пополняют международную базу данных. Когда она будет собрана, то, поймав неизвестную зверушку в любом месте планеты, можно будет достаточно просто и быстро «просканировать» ее по данному генетическому маркеру, определить «штрихкод», как на товаре в супермаркете, и сравнить его с базой. И узнать, к какому виду зверушка принадлежит.

Для этого надо провести огромную работу: сотрудникам ББС МГУ до конца года нужно обработать 1000 экземпляров, относящихся к 200 видам, по пять особей каждого вида.

«Будем секвенировать все сущее», — говорила Татьяна Неретина, готовясь к работе. Ну и, в общем, так оно и происходит. Одних животных водолазы доставали со дна моря, других биологи собирали на литорали, третьих вынимали из трала во время рейсов. Результаты «баркодинга» отправляют в международный центр сбора данных, а сам объект — в коллекцию для долгого хранения.

Так рождается музей

«Реорганизация музейного дела в нашей стране совершенно необходима, — убежден директор ББС МГУ, доктор биологических наук Александр Борисович Цетлин. — В музейных коллекциях должны храниться ваучерные экземпляры видов, и каждая коллекция должна сопровождаться электронными таблицами, которые были бы открыты для доступа специалистам в любой стране. Биостанция и Зоологический музей МГУ приняли на себя обязательства собирать и хранить такие ваучерные экземпляры. На биостанции мы создаем филиал Зоомузея, куда, по мере сбора данных для «баркодинга», поступают экземпляры животных или образцы их тканей.

Анна Барминцева, сотрудник ВНИРО, выделяет ДНК из колюшки

Образцы ДНК отправляются на анализ

Таким образом, создается база данных по каким-то группам видов, обитающих на окружающей территории. Это будет национальный коллекционный центр».

Такой музей, предназначенный не для экспозиции, а для научной работы, не занимает много места. Сейчас для него достаточно большого холодильника на -75^о.

А.Б.Цетлин говорит о том, что биостанция постепенно становится «центром коллективного пользования». Современное оборудование, приблизившееся к объектам исследования, смогут использовать не только сотрудники ББС, но и другие ученые, которые приезжают решать свои задачи на беломорских животных и растениях.

Поиск разнообразия

Научный интерес Алексея Симоновича Кондрашева, профессора Мичиганского университета, состоит в изучении эволюции геномов. Это благодаря полученному им «мегагранту», с которым он пришел в МГУ, на ББС были куплены секвенатор, мощная центрифуга, амплификатор для проведения ПЦР в реальном времени, корабль для морских исследований. А лабораторное оборудование в ближайшем будущем пополнится конфокальным микроскопом.

А.С.Кондрашев ставит задачу найти наиболее генетически вариабельные виды, принадлежащие к которым организмы максимально различаются между собой. Два таких вида уже известны биологам: это морское беспозвоночное асцидия (Ciona saviguyi) и гриб шизофиллум (Schizophyllum commune). У них материнский и отцовский геномы различаются на 8% (у человека они различаются по одной «букве» из 1000, то есть на 0,1%). «Есть предположение, что такие виды можно найти именно в море — в нем достаточно места и более стабильные условия существования, чем на суше, — продолжает А.С.Кондрашев. — Я надеюсь, что можно найти виды с 20%-ной изменчивостью». А затем интересно изучить, какие признаки вида коррелируют с уровнем изменчивости.

Для этой цели биологи помимо гена цитохромоксидазы секвенируют у разных видов гены гистонов (белки, на которые намотана ДНК в ядре). «Пять тварей каждого вида — это уже материал, на котором можно оценить генетическое разнообразие», — говорит А.С.Кондрашев.

Татьяна Неретина готовит секвенатор к работе

Как возникают виды и чьи это дети

Н.С.Мюге, помимо обучения студентов-зоологов молекулярным методам, исследует на Белом море генетику трехиглой колюшки (Gasterosteus aculeatus). Исходно это мелкая морская рыбешка, которая, как правило, заходит нереститься в пресноводные озера. Однако некоторые вылупившиеся мальки не возвращаются в море и остаются в жить в озере. Постепенно формируются пресноводные популяции. В одних озерах пресноводные рыбки скрещиваются с приходящими ежегодно на нерест морскими, в других — не скрещиваются, там уже произошла репродуктивная изоляция между двумя формами колюшки. Биологи пытаются на молекулярном уровне, путем секвенирования ДНК и микросателлитного анализа, изучить, как именно она происходит. Одновременно стараются понять, какие генетические изменения позволяют колюшке приспособиться к постоянной жизни в пресной воде. Есть и еще одна задача. Тридцать лет назад колюшку расселили по нескольким прудам и карьерам на побережье. Эти «прудовые» популяции оказались в репродуктивной изоляции, и естественный отбор пошел в них в разных направлениях. Теперь интересно сравнить, насколько они между собой различаются генетически.

Высокоскоростная центрифуга работает постоянно. Аспирант Ольга Коновалова.

И еще немало самых разнообразных задач морской биологии помогают решить молекулярные методы. Например, отгадать загадку «где чьи дети?». В море плавает великое множество личинок, совсем непохожих на взрослую стадию этого же животного. Как определить, где чья личинка? Только по геному.

Зоологов также давно интересует, почему некоторые виды в Белом море намного меньше по размеру, чем в Баренцевом, с которым оно соединено проливом — Горлом. Они пытаются понять, как возникла «карликовость» беломорских беспозвоночных и до какого уровня дошли различия. Возможно, некоторых беломорских животных уже можно считать отдельными видами.

Работа на биостанции продолжается. Она бесконечна, как бесконечен процесс познания природы (и как неиссякаем ежегодный поток студентов, добавляет А.Б.Цетлин). Но каждый, даже небольшой, шаг — это ступенька к лучшему пониманию разнообразия жизни.

Фото: А.Семенов, А.Андрианов, Н.Маркина