Биолог Андрей Козлов рассказал о том, как работает "биологический Google"

- Почему вы называете опухоль поисковиком? - Многие онкологи считают, что опухоль - это карикатура нормального развития. Что это означает? В ней могут быть какие-то совершенно необычные комбинации. В тератоме, например, растут зубы, волосы, на них смотреть-то ужасно, на эти опухоли. Складывается впечатление, что опухоль чего-то ищет, значит она является поисковиком. Это что-то вроде "биологического Google". - Что же она ищет? - Она перебирает разные возможные варианты образования белков в своем "пространстве возможностей". - "Пространство возможностей" для Google понятно. Это разные сайты в интернете, цифровые словари, энциклопедии. А что является "пространством возможностей" для опухоли? - Карл Поппер - крупнейший философ XX века – в своей книге "A World of Propensities" разработал представление о пространстве возможностей. Согласно Попперу, Вселенная представляет собой пространство возможностей, которое все время растет, ненулевые вероятности со временем реализуются. В своей теории эволюционной роли опухолей (carcino-evo-devo) я ввел понятие о "пространстве биологических возможностей", которые описываются омиксными технологиями, основанными на достижениях геномики, транскриптомики, протеомики, метаболомики - то есть на больших данных. Это и есть описание биологических возможностей для опухоли. - Поиск ведь происходит с какой-то целью. Какая цель у опухоли? - Увеличение сложности многоклеточного организма. Это тенденция, мировой закон. Из атомов простых возникают огромные атомы типа урана. Молекулы тоже все время усложняются. Есть простые молекулы типа H2O, а есть уже макромолекулы, и они происходят в химических синтезах, а потом и в биологических. И мы знаем, что жизнь произошла в результате химической эволюции - это современная концепция происхождения жизни. - Подождите, вы хотите сказать, что упрощения в ходе эволюции происходить не может? - Может. И процессы химического распада тоже существуют. Но упрощение меня не интересует, я занимаюсь усложнением. - Как происходит увеличение биологической сложности? - После происхождения генетического кода увеличение биологической сложности определяется эволюцией ДНК, то есть эволюцией геномов. Получается, что кодирование новых структур может начинаться еще до возникновения самих структур. Другими словами, информация о еще не существующих структурах может вычисляться на уровне ДНК. Этот процесс можно описать на примере того, как работает иммуноглобулиновый локус у млекопитающих. Это некая структура, которая высчитывает все разнообразие возможных антител на чужеродные антигены (антиген - это любое вещество, которое организм рассматривает как чужеродное или потенциально опасное и против которого организм обычно начинает вырабатывать собственные антитела), с которыми позвоночные могут встретиться. Иммуноглобулины - это антитела, а иммуноглобулиновый локус - это гены, которые контролируют антитела. По сути, это такая "рекомбинантная машинка", которая может генерировать до 1011 разнообразных антител. Думаю, это пример работы биологического компьютера. - Биологический компьютер работает, в частности, и в опухолях? - Да, опухоли - это "пространство возможностей" для возникновения новых сочетаний генов и вариантов тканей. - А можно ли ответить на вопрос: большое ли это "пространство возможностей"? - Приблизительно можно. Давайте посчитаем. Экспериментально иммуноглобулинов найдено почти 1010, а теоретически их может быть 1011. Как вы думаете, а сколько морфологических признаков у позвоночных? Около 500. А типов клеток сколько? Немногим больше 400. Если один иммуноглобулиновый локус может рассчитать все разнообразие антител, то весь геном позвоночных, очевидно, сможет справиться с задачей вычисления всего разнообразия морфологических признаков позвоночных. - Как это происходит на уровне отдельного человеческого организма? - В организме человека опухоли возникают, наверно, каждый день, но иммунитет не дает им развиваться. У млекопитающих до 80% опухолей являются доброкачественными, и вообще непонятно, зачем они возникают. Моя теория дает ответ на этот вопрос. Внутри опухоли идет перебор вариантов, и какие-то варианты на эволюционной шкале оказываются полезными (несмотря на то, что опухоли в целом являются патологическими для человека процессами). Таким образом формируются новые клеточные массы, потом новые типы клеток, новые ткани, органы и новые более прогрессивные виды организмов. - Как же новые клеточные массы передаются по наследству? - Мы говорим о наследуемых опухолях, которых, как оказалось, значительный процент - намного выше в сравнении с классическими генетическими болезнями. Мне все время задают вопрос: как это наследуется? Я отвечаю: это наследуется точно так же, как все предыдущие клеточные типы, а у нас их более 400. Эволюционно новые гены возникают в зародышевой плазме, а не в соматических клетках (это клетки, не принимающие участия в половом размножении). Поэтому они наследуются. - Правильно ли я понимаю, что пример с антителами, которые организм вынужден всегда высчитывать заново, так как он встречает все новые патогены, вы привели чтобы доказать само существование "биологического компьютера"? - Все верно. И тут интересным оказалось следующее. Важно было понять: по каким признакам биологический компьютер отбирает новые структуры, для того, чтобы идти по пути увеличения сложности. Я эту проблему решил в одной из первых своих теоретических статей, которую опубликовал в 1979 году в Journal of Theoretical Biology, когда был постдоком в Америке. Ответ на этот вопрос такой: отбор идет на совместимые признаки. Совместимость высчитывает биологический компьютер. Сложность растет, возникают новые гены. Для того, чтобы молекулы усложнялись, клетки усложнялись, организмы усложнялись, биологический компьютер работает путем перебора новых структур (признаков) из пространства биологических возможностей. У него нет другого способа, кроме как искать признаки, совместимые с предыдущими. Это приводит к росту цепей совместимых генов, к усложнению онтогенеза, появлению новых морфологических признаков и так далее. Поиском такой совместимости занимаются опухоли. - А если в опухоли находятся признаки, несовместимые с предыдущими? - Это приводит к смерти организма. - Это и есть злокачественная опухоль? - Именно так. - Получается, что организмы, в том числе и человек, не остановились в своем развитии, они все время куда-то дальше идут. Какой же новый орган появился у человека недавно? - В 2015 году у человека обнаружили новую ткань, которая сумела зарастить центральный канал спинного мозга. Оказалось, что у этой ткани признаки эпендимомы. - Подождите, это же опухоль? - Да, опухоль центральной нервной системы, которая развивается из клеток эпендимы желудочков мозга и центрального канала спинного мозга. Ранее не было известно, что канал спинного мозга у человека зарастает эпендимоподобной тканью. Также мы открываем эволюционно новые гены, которые у человека возникли de novo, и их функции еще не совсем понятны. Это одно из основных предсказаний нашей теории. А одно из основных открытий - это гены TSEEN (tumor specifically expressed, evolutionarily new). Зачем они возникают, если новых задач у человеческого организма нет? - А какие сравнительно новые органы существуют у нас в организме? - Это плацента, молочная железа, простата, жировой орган. Заметьте, что в молочной железе, простате часто возникают опухоли, а ожирение вообще можно назвать опухолеполедобным процессом. Возможно, эти органы еще дорабатываются эволюцией. Но это предмет для отдельного разговора.