VI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2014

Биология — наука многогранная. Она нуждается в систематизированных и разносторонних методах изучения. Выполнение медико-биологических исследований требует организации различных доклинических испытаний и тестирований, основанных на моделировании.

В качестве модельных объектов в биологии могут выступать организмы любых систематических групп, начиная с вирусов и фагов и заканчивая позвоночными. В данной статье речь пойдет о представителе подцарства Простейшие - пресноводной инфузории тетрахимене, нередко использующейся в качестве модельного объекта в молекулярной генетике.

Модельные виды tetrahymena termophila(открыты французским генетиком, лауреатом Нобелевской премии 1965 г. Андрё Львоффом в 1923 г.) очень легко выращивать в лабораторных условиях, что делает ее отличным объектом для биохимического анализа ферментов и выделения компонентов клетки. Не менее интересен этот представитель простейших и для генетиков, поскольку обладает большим количеством преимуществ по сравнению с другими живыми организмами. Возможность модифицировать ДНК, удаляя и встраивая гены путем гомологической рекомбинации, индуцировать и репрессировать экспрессию генов, наблюдая воздействие подобных мутаций на клетку, сделала тетрахимену идеальным объектом для изучения функций генов in vivo.

Секвенирование генома макронуклеуса tetrahymena thermophila привело к удивительным открытиям. В сентябре 2006 года большая группа биологов из США и Канады опубликовала результаты анализа прочтенного ими генома инфузории. На основании этих исследований было выявлено, что число генов этого одноклеточного организма совпадает с числом генов человека. Однако генетический код несколько отличается от других организмов: все три стоп-кодона могут использоваться для кодирования аминокислот. Более того, инфузории способны избавляться от повторяющихся и чужеродных фрагментов из рабочих копий своего генома, но потомство всегда получает в наследство исходный вариант генома.

Как и у всех инфузорий, у тетрахимены есть два клеточных ядра: микронуклеус (половое, малое), содержащий 5 пар хромосом — 2 копии генома и макронуклеус (соматическое, большое) с многократно дуплицированным геномом.

Несмотря на то, что инфузории, как и другие простейшие, размножаются делением надвое, такой процесс не может быть вечным — периодически между инфузориями происходит процесс обмена генетическим материалом, и здесь был выявлен довольно интересный факт: оказалось, этот удивительный микроорганизм имеет семь полов. До настоящего времени их механизм наследования не изучен, однако ученые Калифорнийского университета все-таки смогли установить, какие пары генов специфичны для каждого пола tetrahymena thermophila. В целом, в ходе изучения генома пресноводной инфузории, учеными было сделано несколько интересных выводов* [Alfred M. Elliott Biology of Tetrahymena. — 1973].

Во-первых, речь идет о размере генома - не только о длине (105 миллионов пар оснований), но и о числе генов (свыше 27 тысяч генов), что еще раз подтвердило отсутствие взаимной корреляции между сложностью организма и количеством генов в геноме.

Во-вторых, о низком проценте повторяемости нуклеотидных последовательностей (около 2%), хотя в последнее время появилось мнение, что эти участки генов отнюдь не бесполезны. Существуют мнения, что некоторые из этих последовательностей важны для регуляции экспрессии генов, или же многочисленные повторы и мобильные элементы придают геному пластичность и повышают вероятность различных геномных перестроек.

Третья особенность заключается в том, что в геноме тетрахимены используется один стоп-кодон, роль которого выполняет последовательность нуклеотидов УГА. Тетрахимена — единственный из изученных на сегодняшний день организмов, у которого могут транслироваться все 64 триплета.

Итак, несмотря на то, что масштабные исследования по изучению тетрахимен стали проводиться относительно недавно и многие свойства этих одноклеточных еще не выявлены, абсолютно ясно, что за подобными исследованиями стоит большое будущее науки, а настоящее демонстрирует нам ряд замечательных открытий, сделанных учеными с помощью изучения тетрахимен: открыты механизмы контроля клеточного цикла; выделены и очищены первые двигательные белки цитоскелета, например, динеин, и определена его двигательная активность; исследованы детали работы лизосом и пероксисом; сделаны ранние молекулярные описания перестройки соматических генов; открыты молекулярные структуры теломер, фермента теломеразы, участвующей в поддержании структуры хромосом; обнаружены каталитические РНК (рибозимы); открыто ацетилирование гистонов; показана роль формирования гетерохроматина по механизму, подобному РНК-интерференции; показана роль посттрансляционной модификации (гликолизирование и ацетилирование) тубулинов и идентификация ферментов модификации (глутаминирования).

В последнее время биотехнология* ярко демонстрирует свои возможности. Появляются новые, совершенствуются старые методы исследования, которые помогаю решать проблемы, встающие перед человеком. [профессор Лавина С.А.- «Применение биотестирования для оценки безопасности объектов ветеринарно-санитарного и экологического контроля.»]

Одним из важнейших направлений биотехнологии является разработка биологических методов оценки состояния различных объектов внешней среды, которые в настоящее время максимально подвержены комплексному загрязнению токсинами и другими веществами различной природы. Эти методы позволяют обнаружить и диагностировать более или менее полный спектр токсикологических параметров тех или иных веществ. Соединения нетоксичных веществ при комбинированном действии имеют более высокое патологическое влияние. Поэтому для оценки разных характеристик токсичности, начиная от сточных вод и заканчивая внутренними средами человека и животных, используются тесты на различных организмах. Биотестирование дает более полное и развернутое знание и возможность определения степени токсичности объекта исследования.

Метод биотестирования является наиболее надежным, продуктивным, универсальным и обладает малой себестоимостью, прост в проведении, поддается различным методикам анализа. Конкретно биотестирование на инфузориях позволяет прогнозировать и диагностировать воздействие изучаемого объекта на живой организм, так как результаты реакции биотестов зависят не только от отдельных токсичных соединений, содержащихся в тест-организме, но и от их взаимодействия между собой, от взаимодействия с компонентами внутренней среды живого организма или другими веществами. В настоящее время в науке отсутствует единая концепция, описывающая процесс биотестирования, но несмотря на это, ученые смогли накопить богатый опыт в данной области.

Среди организмов, на которых проводят биотестирование, присутствуют простейшие – например, пресноводная инфузория (tetrahymena thermophilia)* [Collins, K. and Gorovsky, M. A. (2005). Tetrahymena thermophila].

Возвращаясь к тетрахименам, надо сказать, что работа с нимметодологических пои затруднена в том плане, что культура инфузорий еще не до конца изучена. Также отсутствуют единые критерии отбора тест-организма, единая система подготовки проб и культуры в целом.

Из-за такого подхода результаты не всегда гарантируют достоверность проводимой работы, что влечет за собой различного рода проблемы в реализации методик диагностики. Так как тест-организмы зачастую подбираются без учета биологических особенностей, культивация тетрахимен на нестандартных средах и в разных лабораторных условиях затруднена, во многих методиках какая-либо подготовка к тест-анализу отсутствует. Отсюда и соответствующий результат. По этим причинам в данное время разрабатывается единая концепция методологических подходов к биотестированию. Необходим глубокий теоретический анализ имеющихся сведений и методов. Систематизирование, дифференциация и упорядочивание методов биотестирования должно быть направлено на развитие новых, совершенных методик проведения анализа и дополнение уже разработанных. Исследования в данной области являются весьма актуальными и имеют важное значение для диагностики в области токсикологии в разных заинтересованных сферах.

Список литературы:

1. David J. Asai and James D. Forney.Methods in Cell Biology //Volume 62: Tetrahymena thermophila, - 2000. By Academic PressISBN 0-12-544164-9.

2. «Применение биотестирования для оценки безопасности объектов ветеринарно-санитарного и экологического контроля.» Долгов В.А. – д. в. н., профессор, Лавина С.А. – д. б. н., Самохин И.В. – аспирант ГНУ Всероссийский научно-исследовательский институт ветеринарной санитарии, гигиены и экологии, г. Москва.

Код для цитирования: Скопировать