Биологический институт: Биологический Институт

Содержание

Институт сильноточной электроники СО РАН

Институт сильноточной электроники Сибирского отделения РАН организован в 1977 г. для проведения фундаментальных и прикладных научных исследований в области сильноточной электроники — нового научного направления, объединившего в себе разработку методов генерирования мощных электрических импульсов, эмиссию интенсивных потоков корпускулярного и электромагнитного излучения, а также исследования по воздействию мощных потоков энергии на вещество.

За три десятилетия существования Института тематика научных исследований Института не претерпела коренных изменений, но заметно расширилась. Основными итогами деятельности ИСЭ стали следующие

  • Разработаны методы получения импульсов электрической энергии сверхвысокой мощности (до нескольких тераватт), созданы генераторы таких импульсов, развита их элементная база.
  • Разработаны физические основы получения сверхмощных (сильноточных) импульсных электронных потоков, созданы сильноточные ускорители электронов с мощностями вплоть до тераваттных.
  • Исследованы механизмы и реализованы методы эффективного импульсного вложения энергии в вещество, в том числе основанные на использовании его электродинамического сжатия сверхсильными магнитными полями импульсных токов. Реализованы состояния вещества, близкие по локальным характеристикам к условиям ядерного взрыва и приближающиеся к ожидаемым пороговым характеристикам инерциального термояда.
  • Определены физические механизмы, лежащие в основе получения сверхмощных импульсов оптического (лазерного), СВЧ и рентгеновского излучения, развиты практические методы получения таких импульсов, созданы источники излучений.
  • Реализованы приложения названных выше источников излучений в испытаниях на радиационную устойчивость, радиолокации, технологиях.
  • Разработаны эффективные методы получения низкотемпературной плазмы со строго контролируемыми параметрами.
  • Исследованы основные закономерности взаимодействия мощных потоков частиц, плазмы и излучений с поверхностью.
    На этой основе развиты основы технологий электронно-плазменной модификации поверхности материалов и изделий.

Полученные результаты соответствуют мировому уровню, а по некоторым позициям его превышают.

В период до 1990-х гг. фундаментальные научные исследования в Институте сильноточной электроники пользовались значительным вниманием государства и находили достаточно обширное и быстрое применение в промышленности и оборонной отрасти. В 1990-е годы, несмотря на сложную экономическую ситуацию в стране, темпы и качество проводимых в ИСЭ научных исследований не снизились, а тематика исследований заметно расширилась. Институту удалось сохранить стабильность за счет активного самостоятельного поиска партнеров и заказчиков научных исследований — в значительной мере, за рубежом.

За период с начала 1990-х гг. в ИСЭ СО РАН накоплен большой объем новых фундаментальных научных результатов, доведенных до стадии НИОКР и готовых к практическому внедрению в России.

ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ НАУЧНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ ИСЭ СО РАН

Основные направления научной деятельности Учреждения Российской академии наук Института сильноточной электроники Сибирского отделения РАН, утвержденные Президиумом РАН (Постановление от 20 мая 2008 г. № 357):

  1. Фундаментальные проблемы физической электроники, в том числе сильноточной электроники и разработка на их основе новых приборов, устройств и технологий;
  2. Современные проблемы физики плазмы, включая физику низкотемпературной плазмы и основы ее применения в технологических процессах.

ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПРИКЛАДНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ НА БЛИЖАЙШЕЕ ДЕСЯТИЛЕТИЕ

В области физических наук
  • Опережающие фундаментальные исследования в области импульсной энергетики, предполагающие строительство новых крупных импульсных (гигаваттного и тераваттного уровня мощности) электрофизических установок для фундаментальных исследований и технологических применений.
  • Развитие физических основ получения мощных импульсных потоков заряженных частиц, сверхвысокочастотного, оптического (в том числе, фемтосекундных лазерных импульсов петаваттной мощности) и рентгеновского излучений.
    Разработка на этой основе новых приборов, устройств и технологий.
  • Развитие физических основ получения низкотемпературной плазмы с заданными и контролируемыми параметрами и ее применения в технологических процессах. Разработка на этой основе нового электронно-ионно-плазменного лабораторного и технологического оборудования.
В области нанотехнологий
  • Разработка физических основ электронно-ионно-плазменных технологий получения наноструктурированных поверхностных слоев и покрытий на материалах и изделиях с целью улучшения их физико-химических и функциональных характеристик при применении в промышленности, биологии, медицине

Биологический факультет — Пермский государственный национальный исследовательский университет

Предприятие/УчреждениеСферы деятельности
Институт экологии и генетики микроорганизмов Уральского отделения Российской академии наук (ИЭГМ УрО РАН)Научно-исследовательская, научно-практическая, образовательная
ФБУН «ФНЦ медико-профилактических технологий управления рисками здоровью населения»Научно-исследовательская, здравоохранение, образовательная
Научно-исследовательский Зоологический музей Московского государственного университета имени М.В. ЛомоносоваНаучно-исследовательская, образовательная и просветительская
ФГБУН «Институт систематики и экологии животных Сибирского отделения Российской академии наук»Научно-исследовательская, образовательная и просветительская
ФГБУН «Институт биологических проблем севера Дальневосточного отделения Российской академии наук»Научно-исследовательская, образовательная и просветительская
ФГБУН «Институт экологии растений и животных Уральского отделения Российской академии наук»Научно-исследовательская, образовательная и просветительская
ФГБУН «Институт проблем экологии и эволюции им. А.Н. Северцова Российской академии наук»Научно-исследовательская, образовательная и просветительская
ФГБУН «Зоологический институт Российской академии наук»Научно-исследовательская, образовательная и просветительская
ФГБУ «Висимский государственный природный биосферный заповедник»Природоохранная, научно-исследовательская и эколого-просветительская
ФГБУ «Объединенная дирекция Мордовского государственного природного заповедника имени П.Г. Смидовича и национального парка «Смольный»Природоохранная, научно-исследовательская и эколого-просветительская
ФГБУ «Объединенная дирекция государственных природных заповедников «Оренбургский» и «Шайтан-Тау»Природоохранная, научно-исследовательская и эколого-просветительская
ОГУ «Особо охраняемые природные территории Челябинской области»Природоохранная, научно-исследовательская и эколого-просветительская
ФБУЗ «Центр гигиены и эпидемиологии в Пермском крае»Здравоохранение, научно-исследовательская
ФГБУ «Государственный природный заповедник «Малая Сосьва»Природоохранная, научно-исследовательская и эколого-просветительская
ФГБУ «Государственный природный заповедник «Костомукшский»Природоохранная, научно-исследовательская и эколого-просветительская
ФГБУ «Ростовский государственный природный биосферный заповедник»Природоохранная, научно-исследовательская и эколого-просветительская
МКУ «Пермское городское лесничество»Лесное хозяйство
Кафедра биологии Пермского военного института войск национальной гвардии Российской ФедерацииОбразовательная, научно-исследовательская
Кафедра биологии и географии Пермского государственного гумантитарно-педагогического университетаОбразовательная, научно-исследовательская
Кафедра экологии Пермского государственного аграрно-технологического университета им. АК. Д.Н. ПрянишниковаОбразовательная, научно-исследовательская
МОУ «Средняя школа №9» с углубленным изучением предметов физико-математического циклаОбразовательная, научно-исследовательская
ПФИЦ УрО РАН НИИ Сельского хозяйства «Пермский»Научно-исследовательская
ФГБУН Тобольская комплексная научая станция УрО РАННаучно-исследовательская

Институт биологии и биотехнологии — Алтайский государственный университет

Биология – наука о жизни во всех ее проявлениях. Ее истоки можно найти в Древней Греции, Риме, Индии и Китае. Аристотель в IV до н.э. впервые попытался упорядочить знания о природе, выделив в ней 4 ступени: неорганический мир, растения, животных и человека.

Сегодня практические разработки биологов применяются во многих областях – медицине, сельском хозяйстве, промышленности и охране окружающей среды.

Современный биолог занимается исследованиями растительного и животного мира Земли. Он изучает все аспекты жизни живых организмов, их структуру, рост, развитие, происхождение, эволюцию и распределение по планете. Он классифицирует и описывает живые существа, изучает взаимодействие видов друг с другом.

Рабочий день биолога может проходить как в помещении: в лаборатории, клинике, на производстве, так и в природных условиях: командировки в места произрастания определенных видов растений и обитания животных, в том числе и на особо охраняемые территории. Порой это могут быть труднодоступные места с непривычными условиями.

В трудовые обязанности биолога входит разработка и проведение лабораторных экспериментов, опытов и исследований. Для успешного эксперимента биолог разрабатывает его план, готовит материалы и оборудование. Наблюдая за ходом исследования, ученый регистрирует показания приборов, вносит необходимые изменения. После он проводит анализ полученных данных, пишет отчет.

Профессия биолога – интеллектуальная и творческая. Биологи обязательно должны иметь яркое воображение, образное мышление, гибкость чувств и специальные способности, также важны и коммуникативные навыки. Знания иностранного языка являются обязательными для профессии биолога для обмена опытом с зарубежными коллегами, знакомства с научными исследованиями и публикациями.

В Институте биологии и биотехнологии работают опытные и квалифицированные преподаватели и ученые: профессора, доценты, которые обучают около 500 студентов дневного и вечернего отделений на ботаники, экологии, биотехнологии и биохимии, зоологии и физиологии.

Студенты Института биологии и биотехнологии постоянно участвуют во всероссийских и международных олимпиадах и побеждают, занимая призовые места. Их достижения – это наша гордость!

В АлтГУ имеются 4 базы учебных практик – БУП «Озеро Красилово» (Косихинский р-н Алтайского края), УПБП «Южно-Сибирский ботанический сад» (УПБП ЮСБС, г. Барнаул), БУП «Голубой утес» (Чарышский район) и БУП «Чемал» (Чемальский район, республика Алтай). На этих базах студенты знакомятся с флорой и фауной Алтайского края. Кроме того, студенты-биологи проходят учебную практику на базе Барнаульского зоопарка «Лесная сказка», где проводят наблюдения за редкими и исчезающими видами животных, знакомятся с возможностями их сохранения.

Структурные подразделения института

Базовые кафедры

Лаборатории

Центры

  • учебный центр ИББ.

Институт биологии и биотехнологии

Биологический факультет МГУ

Декан — академик РАН Кирпичников Михаил Петрович

Биологический факультет с отделениями зоологии, ботаники и почвенно-географическим был организован в 1930 г. на базе биологического отделения физико-математического факультета МГУ. В настоящее время факультет является крупным научным центром и уникальным учебным заведением, готовящем специалистов по всем основным направлениям биологии. В его составе 27 кафедр, три проблемные лаборатории (космической биологии, химии ферментов, по изучению рыбопродуктивности водных экосистем), более 50 кафедральных научно-исследовательских лабораторий, 10 межкафедральных лабораторий, гербарий, четыре общефакультетские лаборатории (электронной микроскопии, экспериментальных животных, седиментационного анализа и клеточной биологии старения), центр генетики и генетических технологий, две биологические станции — на Белом море и в Подмосковье, Зоологический музей, Ботанический сад на Ленинских горах и его филиал на проспекте Мира. На базе факультета в Чашникове создан учебно-научный центр по реабилитации диких животных.

Основные направления научно-исследовательской работы на факультете связаны с изучением фундаментальных проблем биологии, медицины и сельского хозяйства, решением важных прикладных задач. Физико-биохимические основы организации биологических систем; физиология и биохимия фототрофных и хемотрофных микроорганизмов; особенности структуры, синтеза и функционирования белков и нуклеиновых кислот; генная инженерия в приложении как к про-, так и к эукариотическим организмам; гистогенез клеток соединительных тканей; структура и функции биологических мембран; энергетические процессы фотосинтеза; физиология сердечно-сосудистой системы, крови и висцеральных систем; генетика; эволюционная и экологическая физиология; теоретические основы моделирования биологических систем — эти и многие другие проблемы решаются учеными биологического факультета. Плодотворно и интенсивно проводятся исследования закономерностей развития органического мира, многообразия живых существ нашей планеты, их эволюции, различных аспектов использования и сохранения ресурсов биосферы и их воспроизведения. Изучаются фауна и флора разных природных зон, продуктивность биоценозов, взаимоотношения между паразитом и хозяином, популяционная структура видов растений и животных, поведение животных, генетика популяций человека, происхождение и состав этнических групп и народов.

С 2016 г. обучение на факультете осуществляется по двум направлениям подготовки: «Биология» и «Экология и природопользование».

Обучение в бакалавриате по направлению «Биология» предусматривает широкую общебиологическую и общеобразовательную подготовку и на ее основе — подготовку специалиста в конкретной области биологии, которую студент может избрать в качестве своей специализации (профиля). Общебиологическое образование студенты получают на основе изучения курсов зоологии, ботаники, микробиологии, теории эволюции, биохимии, молекулярной биологии, генетики, физиологии человека и животных, физиологии растений, антропологии, клеточной биологии и гистологии и др. В рамках общебиологической подготовки для студентов 1 и 2 курсов бакалавриата на базе биостанций (Беломорская биологическая станция имени Н.А. Перцова, Звенигородская биологическая станция имени С.Н. Скадовского) факультета проводятся летние практики по зоологии и ботанике, которые не только знакомят студентов с многообразием живого мира, но и помогают сделать первые самостоятельные научные работы. Вся общетеоретическая подготовка студентов в основном заканчивается на первых трех курсах. Специализация проходит на 3–4 курсах и осуществляется на кафедрах факультета. Обучение на кафедрах общебиологического профиля предполагает фундаментальную подготовку в области зоологии, ботаники, антропологии. Студентам, специализирующимся в этом направлении, читают курсы гистологии, эмбриологии, экологии животных и растений, зоогеографии и географии растений, прикладной энтомологии, генетики и геносистематики, антропогенеза и этнической антропологии и ряд других специальных курсов. Студентам, специализирующимся в области физиологии, читаются специальные курсы по морфологии мозга, эндокринологии, физиологии кровообращения, обмена веществ и энергии, общей нейрофизиологии, физиологии анализаторов, нейрохимии, биологии опухолевых клеток, биологии размножения, они осваивают физико-химические методы исследований и др.

Студенты, выбравшие кафедры молекулярно-биохимического профиля, получают углубленную подготовку по молекулярной биологии, микробиологии, биохимии, вирусологии, биоорганической химии, иммунологии, физиологии растений. Им преподают современные методы экспериментальной работы, молекулярную генетику, энзимологию, биотехнологию. Студенты, обучающиеся на кафедрах клеточной биологии и гистологии, эмбриологии и генетики, изучают современные методы цитологии и цитогенетики, биологию развития, генетику животных и растений, гистогенез и морфогенез. Специализация по биоинженерии и биотехнологии предусматривает углубленную подготовку по молекулярной биофизике, биоинформатике, физической химии, компьютерным методам молекулярного дизайна, математическому моделированию биологических процессов, квантовой биофизике, биофизике клеточных процессов, белковой инженерии и клеточной инженерии.

После окончания бакалавриата студенты могут продолжить свое обучение по тому же профилю в магистратуре или сменить специализацию. На все программы магистратуры открыт прием и для выпускников бакалавриата других вузов.

Учебный план по направлению подготовки «Экология и природопользование» предполагает сочетание изучения современной экологии, охраны природы, биоразнообразия, геоэкологии с углубленной биологической подготовкой. Обучение студентов-экологов на факультете направлено на подготовку высококвалифицированных специалистов, решающих задачи именно биологической направленности. Обучение ведется по межкафедральному принципу. Производственная и преддипломная практики студентов обоих направлений подготовки проходят в экспедициях, биотехнологических производствах, опытных станциях, в научно-исследовательских институтах и лабораториях, заповедниках.

Обучение в магистратуре ведется (направление подготовки «Биология») по нескольким образовательным программам:

  • программа «Биология», ориентированная на выпускников бакалавриата биологического факультета, чей учебный план является продолжением учебного плана бакалавриата; обучение ведется на кафедрах антропологии, биоинженерии, биологической эволюции, биоорганической химии, биофизики, биохимии, вирусологии, высшей нервной деятельности, высших растений, генетики, экологии и географии растений, общей экологии и гидробиологии, зоологии беспозвоночных, зоологии позвоночных, иммунологии, ихтиологии, клеточной биологии и гистологии, микологии и альгологии, микробиологии, молекулярной биологии, физиологии растений, физиологии человека и животных, эмбриологии и энтомологии.
  • программа «Фундаментальная и прикладная биология», ориентированная на выпускников бакалавриата других вузов; обучение по этим двум программам ведется по кафедральному принципу.
  • программа «Биоинженерия, биотехнология, биоэкономика» открыта совместно с экономическим факультетом МГУ для подготовки кадров среднего и высшего управленческих звеньев и исследователей, обладающих управленческими компетенциями, в сфере биотехнологии и биофармацевтики для работы в корпоративном секторе, инновационных компаниях, научно-исследовательских центрах и госструктурах.
  • программа «Фундаментальная и системная экология», реализуемая на английском языке, направлена на подготовку высококвалифицированных специалистов с глубокими знаниями и опытом практической работы в области общей и прикладной экологии. 
  • программа «Нанобиотехнологии» реализуется на английском языке, как и предыдущая программа, и ориентирована на создание специалистов с глубокими знаниями в области современной биофизики, молекулярной биологии, нанобиотехнологии и протеомики, а также принципов функционирования рынков биотехнологий.
  • программа «Структурная биология и биотехнология», созданная под научным руководством лауреата Нобелевской премии Курта Вютриха, реализуется на базе биологического факультета МГУ, Института биоорганической химии, Центра национальной технологической инициативы ИБХ РАН, ФИЦ Биотехнологии РАН и ряда других ведущих научных институтов

С 2020 г. факультет начинает прием в магистратуру по направлению подготовки «Экология и природопользование».

Биологический факультет является активных участником динамично развивающегося проекта совместного университета МГУ-ППИ в Шэньчжэне, реализует там программы бакалавриата, магистратуры и совместной аспирантуры.

После окончания биологического факультета его выпускники могут работать в научно-исследовательских институтах и заводских лабораториях, на опытных станциях и в заповедниках, в лабораториях охраны природы и других научно-исследовательских учреждениях — практически во всех отраслях экономики.

Срок обучения в бакалавриате 4 года, в магистратуре — 2 года.

Подробнее о факультете

Поступающим

Институт естественных наук



Приветственное слово абитуриентам

Дорогие наши абитуриенты!

Институт естественных наук приглашает Вас на обучение по направлениям бакалавриата и магистратуры – Химия, Биология, Экология и природопользование, Биотехнология, Педагогическое образование.

Знания в области естественных наук позволяют разумно использовать природные ресурсы и сохранить окружающую нас среду для последующих поколений. Наши выпускники – специалисты-естественники очень востребованы как в России, так и за рубежом.

На востребованность тех или иных специалистов на рынке труда влияют многие факторы. Но сегодня, как выяснилось, свои коррективы может вносить и эпидемиологическая обстановка в стране. Так, министр здравоохранения РФ Михаил Альбертович Мурашко считает, что из приоритетных направлений именно химия и биология выйдут в ближайшее время на первый план.

Президент Российской Федерации Владимир Владимирович Путин видит приоритеты в развитии таких естественных наук, как генетика и биотехнология.

А преподаватели-естественники нужны в каждом образовательном учреждении и с 2020 года запущен Российский проект – «Земский учитель».

Став студентом института Вы приобретете теоретические знания, практические навыки и профессиональные компетенции в области естественных наук, необходимые как в повседневной жизни, так и для становления высококвалифицированным специалистом в выбранной Вами отрасли.

Выпускники института хорошо трудоустраиваются и востребованы в образовательной, научной и производственной сферах народного хозяйства Республики Коми и за её пределами.

Всегда рады Вас видеть на территории новых возможностей.

Директор института,
кандидат биологических наук
И.Н. Юранёва

Нейлоназа: Двигайтесь дальше, здесь нечего смотреть, говорит теистический эволюционист

Энн Гогер

Предполагаемое внезапное появление фермента нейлоназы было главной темой для разговоров о силе эволюции в течение многих лет, и это было неоднократно появлялась в серии публикаций Денниса Венемы «Письма герцогине» на веб-сайте теистических эволюционистов BioLogos.Вот как Венема, научный сотрудник биологии, описал это в прошлогоднем посте:

Интеллектуальный дизайн и бактерии, поедающие нейлон

[Нейлоназа] возникла с нуля как вставочная мутация в кодирующую последовательность другого гена. Эта вставка одновременно сформировала «стоп-кодон» на ранней стадии исходного гена (кодон, который сообщает рибосоме о прекращении добавления аминокислот к белку) и сформировала совершенно новый «стартовый» кодон в другой рамке считывания. Новая рамка считывания содержала 392 аминокислоты перед первым «стоп-кодоном», производя большой новый белок.Как и в нашем примере выше, этот новый белок был основан на других кодонах из-за сдвига рамки считывания. Это было действительно de novo — новая последовательность.

Почему это должно было быть важно? Продолжение Венемы:

Для того, чтобы белки функционировали, они должны складываться в стабильные формы — «белковые складки». Мейер утверждает, основываясь на работе своего коллеги Дугласа Экс, что стабильные белковые складки исчезающе редки — порядка одной из 10 в 77-й степени. Таким образом, утверждает Мейер, эволюция не может найти иголку (функциональный белок) в стоге сена (огромное количество бесполезных возможностей) … Все это, конечно же, зависит от того, насколько точна оценка Axe: действительно ли функциональные белки так редки? ?…

Итак, если нейлоназа возникла в результате мутации сдвига рамки считывания, путем вставки одного основания, создавая новую последовательность и стабильную функциональную складку, оказалось бы, что функциональные, стабильные свернутые белки не редкость. Венема сказала:

… этот совершенно новый протеин [нейлоназа] свернулся в стабильную форму и действовал как слабая нейлоназа. Более поздние дупликации, мутации и отбор сделали бы нейлоназу очень эффективной с этой отправной точки. Кроме того, трехмерная структура белка была решена с помощью рентгеновской кристаллографии, метода, который дает нам точную форму белка с высоким разрешением. Нейлоназа изобилует белковыми складками — именно такие складки, по утверждению Мейера, должны быть результатом замысла, потому что эволюция не могла произвести их даже за все время, прошедшее с момента возникновения жизни.

Другими словами, если функционирует только один из 10–77-го белка, не должно быть никаких шансов, чтобы подобное могло произойти за миллиарды и миллиарды лет, не говоря уже о 40. Либо это была огромная случайность (и колоссальная недостаточно сильное слово), или эволюция на самом деле способна генерировать информацию, необходимую для формирования новых белковых складок.

И если это может произойти за 40 лет, что могут произвести миллионы лет эволюции? [Курсив добавлен.]

Венема просто повторяла старую историю, которая давно циркулировала на многих веб-сайтах по борьбе с идентификацией.Это восходит к 1984 году, когда Сусуму Оно впервые предложил мутацию сдвига рамки считывания как причину появления нового фермента нейлоназы.

Венема сделал нейлоназу ключевым элементом в своем аргументе против разумного замысла. Он повторил эту историю в другом посте в январе этого года («Биологическая информация и интеллектуальный дизайн: эволюция новых белковых складок») и в своей недавней книге «Адам и геном», где он сказал:

… что действительно решит проблему представляет собой конкретный пример возникновения «по-настоящему нового» гена — того, который не является дубликатом уже существующей белковой последовательности — который, тем не менее, имеет новую функцию и новые белковые складки.Если бы ученые могли наблюдать такое событие, это указывало бы на то, что математические расчеты Axe (и их использование Мейером) не являются надежной оценкой распространенности функциональных белковых складок.

А вот и я. Мне казалось крайне маловероятным, что стабильная функциональная белковая складка могла возникнуть в результате мутации со сдвигом рамки считывания, если последовательность не была спроектирована таким образом. В среде генетиков мутации сдвига рамки считывания называют «бессмысленными» мутациями, потому что они обычно приводят к зашифрованному нефункциональному коду.Фактически, этот взгляд на мутации со сдвигом рамки считывания был довольно универсальным, пока мы не начали сталкиваться с тем, что выглядело как сдвиг рамки считывания в секвенированных геномах.

Вот и начал копаться в литературе. То, что я обнаружил, было основным препятствием на пути к старой истории о нейлоназе. Чтобы получить полную картину, я предлагаю прочитать этот пост, который я написал «История нейлоназы: когда воображение и факты сталкиваются» еще в мае. Он основан на статье Negoro et al. описание структуры нейлоназы. В статье ясно, что нейлоназа была вариантом уже существующей β-лактамазной складки, а не новой белковой складкой.Фактически, среди различных видов β-лактамаз нейлоназа больше всего напоминает карбоксилэстеразы. Затем было обнаружено, что нейлоназа ранее не определяла активность карбоксилэстеразы.

Другими словами, нейлоназа зародилась как карбоксилэстераза, а затем приобрела способность разрушать побочные продукты нейлона. Название статьи и ее реферат должны сделать истину очевидной:

Рентгеновский кристаллографический анализ 6-аминогексаноат-димергидролазы: молекулярная основа для рождения фермента, разрушающего олигомер нейлона.

Здесь мы предполагаем, что замены аминокислот в каталитической щели ранее существовавшей эстеразы с β-лактамазной складкой привели к развитию гидролазы нейлонового олигомера [нейлоназы].

Нейлоназа не имела новой белковой складки со сдвигом рамки считывания. Это была уже существующая складка с активностью, характерной для ее типа складки. Никакой новой белковой складки не возникло. И для производства нейлоназы не потребовалось никакой мутации сдвига рамки считывания. Процитирую мой пост:

Откуда появилась способность поедать нейлон? Карбоксилэстеразы — это ферменты с широкой субстратной специфичностью; они могут проводить самые разные реакции.Их переплетный карман большой и может вместить множество различных подложек. Другими словами, это «беспорядочные» ферменты. Кроме того, реакция карбоксилэстеразы гидролизует химическую связь, подобную той, которая гидролизуется нейлоназой.

Из Като и др. (1991):

«Наши исследования показали, что среди 47 аминокислот, измененных между белками EII и EII ‘, одна аминокислотная замена в положении 181 была существенной для активности 6-аминогексаноат-димергидролазы [найлоназы] и замены в позиции 266 усиливается эффект.”

Так. Это не история невероятного сдвига рамки считывания, производящего новый функциональный фермент. Это история о существовавшем ранее ферменте с низким уровнем беспорядочной нейлоназной активности, который улучшил свою активность по отношению к нейлону сначала одной, а затем другой селективной мутацией. Другими словами, это вполне правдоподобный случай дупликации, мутации и отбора генов, действующих на уже существующий фермент, чтобы улучшить уже существующую низкоуровневую активность, именно такое событие, которое Мейер и Акс специально признают как возможность, с учетом имеющихся временных и вероятностных ресурсов.Действительно, происхождение нейлоназы на самом деле является прекрасным примером оптимизации функции уже существующей складки, а не инновации или создания новой складки.

Данные, описанные в Negoro et al. и Като и др. газеты возводят кирпичную стену прямо на пути аргументов Венемы. И, к сожалению, это препятствие существовало раньше, чем посты Венемы. Если бы он внимательно присмотрелся, то увидел бы это.

Как вы думаете, как отреагировала Венема на это столкновение воображения и фактов? В ответ он сказал, по сути, «Давай, здесь не на что смотреть. «Сочетание выборочного пересказа, ловкости рук, перенаправления и снижения важности истории о нейлоназе были его основными приемами. Давайте рассмотрим последний пост Венемы о нейлоназе, чтобы увидеть, как он это сделал. Датированный 18 мая 2017 года, он имеет заголовок:

Биологическая информация и интеллектуальный дизайн: новые функции повсюду

Он начинает с канонической истории, просто переформулированной. Никаких упоминаний об обратном.

В предыдущих статьях этой серии мы исследовали заявление движения «Интеллектуальный дизайн» (ID) о том, что эволюционные механизмы не способны генерировать богатые информацией последовательности в генах.Одним из примеров, который мы исследовали, является нейлоназа — фермент, который позволяет бактериям, у которых он есть, переваривать химический нейлон, созданный руками человека, и использовать его в качестве источника пищи. Как мы видели, нейлоназа является хорошим примером гена de novo — гена, который возник внезапно и попал под естественный отбор из-за своей новой полезной функции. Поскольку нейлоназа представляет собой свернутый белок с очевидной функцией, согласно ID, эволюция не может его продуцировать.

Но Венема заметила, что я пишу на эту тему.Я полагаю, он прочитал то, что я написал.

Значение нейлоназы для аргументов ID очевидна, и они привлекли внимание нескольких сторонников ID. В последние недели на сайтах ID появилось несколько сообщений на эту тему. Биолог-ID Anne [sic] Gauger, например, пишет серию сообщений в попытке опровергнуть доказательства того, что нейлоназа на самом деле является геном de novo. Ее мотивация для этой работы очевидна. [Курсив добавлен.]

Но здесь, как ни странно, вместо того, чтобы описать и опровергнуть мои аргументы, он меняет тему.Остальную часть поста он посвящает обсуждению новой статьи, в которой рассматриваются другие данные о том, с какой легкостью случайные последовательности помогают бактериям. Он упоминает нейлоназу только в заключительных абзацах.

Как мы видим, проблема заключается не столько в специфическом происхождении нейлоназы, сколько в относительной легкости возникновения новых функциональных белков. Если их легко развить, защитники ID ошибаются. Если новые функции белков исчезающе редки и недоступны для эволюции, ID будет решительно поддержан.С нейлоназой мы имеем дело с событиями, которые произошли в прошлом, поэтому наши выводы ограничиваются работой с доказательствами, которые мы имеем в настоящем.

Итак, мы видим, что проблема с нейлоназой — это что-то вроде отвлечения внимания — отсутствие леса для того, чтобы сосредоточиться на одном конкретном дереве. Даже если этот конкретный пример может иметь альтернативное объяснение, как утверждает Гогер, проблемы с идентификацией никуда не денутся. [Курсив мой.]

Это классическая тактика. Когда показано, что Венема ошибается в отношении нейлоназы, она меняет тему.«Нейлоназа — это то, что происходило в прошлом, — говорит он, — подразумевая, что мы не можем делать достоверные выводы об этом. Он даже говорит, что нейлоназа — это «отвлекающий маневр», несмотря на то, что он сам неоднократно использовал историю о нейлоназе, пытаясь спорить со Стивеном Мейером и Дугом Аксом.

Чтобы подтвердить то, о чем говорила Венема, я предлагаю несколько комментариев по проблеме функциональных случайных последовательностей. Венема описала результаты недавнего исследования, в котором сообщалось, что очень удивительное количество случайных последовательностей дает преимущество в пригодности для клеток, экспрессирующих их.У меня есть сомнения по поводу этих результатов, и я обращусь к ним в другой раз. Но не только я должен сомневаться. Что бы ни делали эти белки или РНК, вряд ли это будет через стабильную функциональную складку.

Франсуа Жакоб написал знаменитое эссе «Эволюция и мастерство», в котором он сказал, говоря о времени, когда появились первые примитивные клетки:

Новые функции развивались по мере появления новых белков. Но это были лишь вариации на предыдущие темы.Последовательность из тысячи нуклеотидов кодирует белок среднего размера. Вероятность того, что функциональный белок появится de novo в результате случайной ассоциации аминокислот, практически равна нулю. В таких сложных и интегрированных организмах, как те, которые уже существовали давным-давно, создание совершенно новых нуклеотидных последовательностей не могло иметь никакого значения для получения новой информации. [Курсив добавлен.]

Я не отрицаю существование генов de novo — например, гены ORFan неоспоримы.Мы с Дугом Аксом, Стивеном Мейером и я утверждаем, что вероятность появления функциональных белковых складок de novo в результате случайной ассоциации аминокислот практически равна нулю.

(Источник: youtube.com)

История Nylonase: информационная загадка

Ann Gauger

Примечание редактора. Нейлон — это современный синтетический продукт, который обычно используется в производстве женских чулок, а также ряда других товаров, от веревок до парашютов и автомобильных шин.Нейлоназа — популярный символ эволюции, которым, в частности, размахивает теист-эволюционист Деннис Венема. В серии из трех постов, из которых это третья, биолог Института открытий Энн Гогер рассматривает ее поближе. Посмотрите здесь первый и второй посты.

Возвращаясь к истории гена нейлоназы и проблеме происхождения новой информации, я хотел бы отметить, что есть причина, по которой молекулярный генетик и эволюционный биолог Сусуму Оно выдвинул свою гипотезу о сдвиге рамок. продуцируя нейлоназу.Оно известен своей гипотезой о том, что дупликация и рекрутирование генов являются главными средствами, с помощью которых создаются «новые» белки — он написал об этом известную книгу.

Но он также знал, что копирования и переделки недостаточно, что должен быть способ генерировать подлинную информацию de novo, совершенно новую кодирующую последовательность для действительно новых белков, чтобы учесть все разнообразие информации, которая должна были необходимы, поскольку жизнь стала более сложной. Новые белки должны были откуда-то появиться.

Оно пришло в голову. Он думал, что кодирующие последовательности, состоящие из олигомерных повторов, могут позволить использовать несколько альтернативных способов чтения одной и той же последовательности. Для объяснения альтернативных рамок чтения см. Мой предыдущий пост «История о нейлоназе: насколько это необычно?»

В качестве потенциального примера Оно предложил nylB, ген нейлоназы. Этот ген имеет определенные характеристики, которые делают вероятным, что сдвиг рамки считывания мог произойти, характеристики, которые я описал во втором посте этой серии, такие как последовательность nylB, богатая GC и дефицитная по TAs.Эти две характеристики снижают вероятность наличия стоп-кодонов в любом кадре.

Оно, таким образом, предположил, что нейлоназа возникла после мутации сдвига рамки считывания в возможно нефункциональной, предшествующей кодирующей последовательности, что привело к совершенно новой кодирующей последовательности с нейлоназной активностью. Единственная причина, по которой Оно мог сделать это предложение, заключалась в том, что nylB, ген, кодирующий нейлоназу, имеет по крайней мере две потенциальные открытые рамки считывания в прямом направлении — гипотетическую «оригинальную» рамку, предложенную Оно до того, как имела место какая-либо гипотетическая вставка Т, и тот, который сейчас кодирует нейлоназу.

Оно опубликовал свою статью в 1984 году. В 1992 году Йомо и др. заметил, что один кадр в антисмысловом направлении нейлоназы также не имеет стоп-кодонов. Однако у него также отсутствует стартовый кодон, поэтому Yomo et al. назвал это безостановочной рамкой (NSF) вместо открытой рамки считывания (ORF). Вероятность обнаружения последовательности ДНК с ORF на смысловой цепи и полным NSF на антисмысловой цепи мала. Но удивительно, что nylB не только имеет NSF на антисмысловой стойке, но и nylB имеет еще один полностью перекрывающийся NSF в прямом направлении.Это два NSF плюс фактическая ORF для нейлоназы (я не считаю гипотетическую «оригинальную» ORF со сдвигом кадра, поскольку у этого кадра на самом деле есть несколько промежуточных остановок (см. «История нейлоназы: когда факты и воображение сталкиваются»). означает, что nylB не имеет стоп-кодонов в трех из шести кадров.

Шансы избежать стоп-кодона в трех из шести кадров очень низки. Наше моделирование (описанное в предыдущем посте) показало, что вероятность действительно очень мала. Для нуклеотидов ORF длиной 900, чтобы иметь два NSF при 70 процентах GC — это 9 из 28 603 или.0003. (Подробности см. Там.) Если эти цифры переделать, чтобы включить общее количество случайных испытаний, необходимых для получения ORF надлежащей длины и содержания GC, в первую очередь, а затем с двумя NSF, то вероятность будет равна девять из десяти миллионов испытаний, или 0,0000009. Ни один организм не имеет десяти миллионов генов (у нас их всего около двадцати тысяч), а у Flavobacterium их точно нет. Но вполне вероятно, что такие последовательности могут где-то существовать по чистой случайности. В конце концов, nylB делает.Но учтите следующее.

Кроме того, помимо первого появления такой последовательности, также должен быть какой-то способ предотвратить случайную мутацию от введения каких-либо стоп-кодонов в течение эволюционного времени в любой из трех открытых рамок. В таком случае обычно используется очищающий отбор. Организмы, у которых развиваются вредные мутации в генах, кодирующих функциональные генные продукты — вещи, которые важны для выживания организма — менее успешны при воспроизводстве, и поэтому организмы, несущие вредные мутации, как правило, исчезают из популяции (они больны или мертвы).Однако очищающий отбор по определению не влияет на нефункциональные последовательности. Тот факт, что стопы не могут накапливаться в NSF nylB, означает, что все три фрейма являются функциональными. Однако о функциях NSF не сообщалось. У них поблизости нет ATG, и поэтому они могут быть некодирующими (хотя следует признать, что поблизости есть альтернативные стартовые кодоны). Кроме того, сообщалось, что плазмида pOAD2, на которой расположен nylB, несущественна. Его можно очистить от своего хозяина без каких-либо эффектов, за исключением потери способности разрушать нейлон.

Одна из возможностей состоит в том, что nylB имеет вторичную ДНК или основанную на РНК функцию, которая требует, чтобы его последовательность была почти полностью консервативной. Однако это должно быть очень конкретное требование к последовательности, чтобы предотвратить накопление стоп-кодонов в трех кадрах. Мы получаем подсказку, что причина не в специфичности последовательности, потому что гены nylB и nylB ‘Flavobacterium различаются на 47 аминокислот, а ген nylB Pseudomonas, согласно отчетам, имеет только около 35% идентичности, но все три не ограничивают -смысловые кадры в дополнение к их кодирующей последовательности (на основе доступной информации о последовательности).

Yomo et al., Которые впервые сообщили об антисмысловых NSF в nylB, были поражены и озадачены существованием антисмысловых NSF в генах nylB у многих видов.

Вероятность присутствия этих NSF на антисмысловой цепи гена очень мала (0,0001-0,0018) [мы наблюдали 0,0001]. Кроме того, было обнаружено, что другой ген деградации олигомера нейлона [Pseudomonas nylB] имеет NSF на своей антисмысловой цепи, и этот ген филогенетически независим от генов [Flavobacterium] nylB.Следовательно, присутствие этих NSF очень редко и маловероятно. Даже если общий предковый ген семейства nylB изначально был наделен NSF на своей антисмысловой цепи, вероятность того, что этот оригинальный NSF сохранится в одном из его сегодняшних потомков, составляет всего 0,007. Если бы NSF не поддерживала неизвестная сила, она бы быстро исчезла из-за случайных появлений терминаторов цепи. Следовательно, присутствие таких редких NSF на всех трех антисмысловых цепях [трехчленного] генного семейства nylB предполагает, что существует некий особый механизм защиты этих NSF от мутаций, которые генерируют стоп-кодоны.Такой механизм может позволить NSF эволюционировать в новые функциональные гены и, следовательно, кажется основным механизмом для рождения новых ферментов. [выделение добавлено.]

Позже они продолжаются:

… время жизни несущественного NSF очень коротко, и такой NSF не может существовать в течение длительного периода эволюции. Следовательно, мы настоятельно предполагаем, что наличие NSF на всех трех антисмысловых цепях семейства генов nylB указывает на неизвестную силу, которая сохраняет эти несущественные NSF; , иначе они бы быстро исчезли из-за случайного появления терминаторов цепи.

Оно сам знал об этой работе и в некотором смысле поддерживал ее. Он был тем, кто сообщил это в Proceedings of the National Academy of Sciences. Что он с этим сделал, я не знаю.

Выделенное предложение в приведенных выше цитатах на первый взгляд противоречит материалистическому мировоззрению. Какая сила может сохранить явно нефункциональные NSF? Конечно, механизм сохранения нефункциональных последовательностей, чтобы они могли когда-нибудь превратиться в функциональные гены, больше наводит на размышления о замысле, чем об эволюции.Со стороны эволюции, как вы думаете, потребовалось бы изрядное предвидение, чтобы разработать механизм, не позволяющий стоп-кодонам прерывать нефункциональные NSF, и все это для некоторой возможной будущей выгоды?

Все это говорит о происхождении и сохранении потенциальной информации, такой информации, которую Он искал, но с помощью иных средств, чем он предполагал. Мы вернулись на круги своя. Для объяснения нейлоназы не требуется сдвиг рамки считывания, как я показал в первом посте, тем не менее, ген нейлоназы представляет собой необычную последовательность.Получение перекрывающегося кода в трех кадрах может произойти в очень редких случаях, но сохранение NSF открытыми при очевидном отсутствии выбора для их поддержки представляется крайне, очень маловероятным. Таким образом, у нас огромная редкость складывается вместо редкости. Также следует иметь в виду, что какими бы ни были специфические характеристики последовательности гена nylB, она также должна кодировать функциональный, стабильно свернутый фермент, что является еще одним ограничением.

Почему я постоянно говорю о нейлоназе? Это связано с проблемой происхождения новизны. Являются ли сдвиги кадров возможным источником новой функциональной информации? Может ли последовательность с чередующимися кадрами оставаться открытой случайно или быть создана случайно в течение эволюционного времени? Это маловероятное событие, но, полагаю, не исключение. Могут ли альтернативные рамки когда-нибудь стать материалом для новых белков со сдвигом рамки считывания, если они останутся открытыми? Теоретически они могут быть резервуаром для будущих белков, но, учитывая то, что мы знаем о редкости таких последовательностей и редкости белковых складок в пространстве последовательностей, возможность создания полностью новой белковой складки из сдвига рамки считывания чрезвычайно, чрезвычайно, чрезвычайно мала, и будет зависеть от весьма необычной исходной последовательности, заранее адаптированной для конкретной функциональной специфичности.Другими словами, его нужно будет спроектировать.

Кроме того, даже если такая последовательность существует, она не сможет долго сохраняться перед лицом нейтральной эволюции. Согласно неодарвинизму, не существует волшебного молекулярного вышибалы, который выбрасывает инактивирующие мутации, прежде чем они смогут нанести вред потенциальному гену. Или, используя другую метафору, эволюция не хранит потенциально полезных последовательностей для будущего использования. Для этого потребовалось бы предвидение, идея противоположная эволюционной теории.Таким образом, любые предполагаемые последовательности со сдвигом кадра, которые, как было показано, играют функциональную роль, лучше объясняются дизайном, чем случайностью и необходимостью.

Если кто-то не согласен с моим аргументом, приведенным выше, я хотел бы указать, что долгое время среди биологов-эволюционистов (и генетиков) существовало стандартное убеждение, что случайная последовательность не может генерировать функциональный белок. Белки со смещенной рамкой почти всегда разрушаются стоп-кодонами (если только они не имеют NSF или двух, таких как nylB).И даже если они не прерываются, новая последовательность вряд ли свернется в стабильный белок, учитывая редкость функциональных складок в пространстве последовательностей (см. Первый пост).

Кроме того, как один из любопытных фактов истории, разрушительные свойства мутаций со сдвигом рамки считывания были использованы для открытия триплетной природы генетического кода. Говорит сэр F.H.C. Крик в лекции о генетическом коде, которую он прочитал в 1964 году:

Эта [способность комбинировать мутации] позволила нам ответить на вопрос: действительно ли группа из трех человек составляет кодон? Основная идея заключается в следующем.Мы можем подобрать мутанты, которые, по нашему мнению (исходя из их поведения в различных контекстах), не являются просто заменой одной базы на другую, но представляют собой либо добавление, либо удаление базы или оснований. Что происходит, когда у вас есть генетическое сообщение и вы добавляете дополнительную базу? Чтение начинается с самого начала, пока не дойдет до этой точки, и с этого момента все сообщение читается неправильно, потому что оно читается не в фазе. Фактически, мы обнаруживаем, что эти мутанты [смещения рамки] полностью неактивны — это одно из наших доказательств того, что они такие, какими мы их называем.Вы можете собрать несколько таких мутантов и генетическими методами объединить их в один ген. Например, вы можете соединить два из них. Такой ген будет считываться правильно, пока не дойдет до первого добавления, а затем он будет не в фазе. Когда дойдет до второго добавления, оно снова [будет] прочитано не в фазе, и поэтому все остальное сообщение будет прочитано неправильно. Так случилось, что левый конец этого гена не так уж и важен для его функции.Мы действительно можем удалить его, и ген будет работать как-то по-своему. В этой области мы сконструировали генетическими методами тройного мутанта, используя три мутанта одного типа, и мы обнаружили, что ген, тем не менее, будет функционировать довольно нормально.

Результат действительно поразительный. Каждый из трех разных дефектов, используемый по отдельности, выбивает ген. Вы можете соединить их попарно в любой комбинации, но тогда ген все равно будет совершенно неактивен. Поместите все три в один и тот же ген, и функция вернется.Нам удалось сделать это с помощью ряда различных комбинаций трех мутантов (Crick et al., 1961).

Крик и другие обнаружили, что когда три одиночные мутации сдвига рамки считывания конкретного гена, каждая из которых полностью разрушает сама по себе, были объединены в один и тот же ген, три вставки вместе восстанавливали рамку, достаточную для того, чтобы белок снова функционировал! Следовательно, код должен быть основан на тройках.

Абсолютная невероятность получения функционального фермента из случайной последовательности со сдвигом рамки считывания долгое время была общепринятой точкой зрения.Лишь недавно, в эпоху больших данных о геноме, стало принято считать, что новые белки иногда возникают в результате мутации со сдвигом рамки считывания. Причина? Это потому, что мы находим в геноме примеры, которые кажутся продуктами таких событий, основываясь на сравнении последовательностей.

Белки, на которые очевидно влияют такие сдвиги рамки считывания в геноме, часто являются факторами транскрипции или мембранными белками, участвующими в регуляции генов. Очевидный сдвиг рамки часто влияет на альтернативный сплайсинг и изменяет кодирующую последовательность по экзону или около того; альтернативно, сдвиг рамки влияет на конец белка, что приводит к его усечению.Тот факт, что такая мутация находится рядом с концом белка, снижает степень нарушения этого белка. Однако документально подтверждено, что многие такие мутации вызывают заболевание. Для демонстрации просто используйте Google Scholar для поиска «сдвиг кадров».

Здесь главный вопрос, который должен быть у каждого, таков: «Может ли эволюция неодарвинистскими методами производить новую функциональную информацию из последовательности со сдвигом кадра? Или другие объяснения более вероятны? »

Все сводится к следующему.Говорим ли мы, что функциональные белки со сдвигом рамки считывания легко генерировать, потому что, в конце концов, они существуют? Или мы признаем, что такие белки нелегко создать и поэтому они могут служить доказательством их дизайна?

Повторюсь, раньше считалось, что мутации со сдвигом рамки считывания всегда плохи. Подрывной. Так, например:

Более радикальные мутационные события, такие как вставки и делеции, которые изменяют рамку считывания — мутации со сдвигом рамки считывания — обычно считаются вредными (например,грамм. вызывая нефункциональные транскрипты и / или белки через преждевременные стоп-кодоны) и не имеют большого эволюционного значения, потому что они серьезно изменяют последовательность и структуру белка.

Но теперь стало популярным предлагать сдвиг рамки как быстрый способ получить новизну. Я почти уверен, что все началось с Оно, который сказал:

Недавно мне пришло в голову, что ген, начинающийся с олигомерных повторов на определенной стадии вырождения (диверсификация базовой последовательности) [nylB] может определять действительно уникальный белок из его альтернативная открытая рамка считывания.

Теперь мем распространился. Из аннотации к статье, документирующей «Частое появление новых кодирующих белок последовательностей путем трансляции со сдвигом рамки считывания», мы слышим, что «основные новшества потенциально могут быть внесены с помощью мутаций со сдвигом рамки считывания, и эта идея может объяснить создание новых белков». И как они защищают возможность функционального сдвига рамки? «Сообщалось о некоторых случаях недавней эволюции новых генов посредством сдвига рамки считывания. Например, у бактерий внезапное рождение фермента, разрушающего искусственные олигомеры нейлона, было объяснено трансляцией со сдвигом рамки считывания ранее существовавшей кодирующей последовательности.”

Вздох. Запись требует исправления. (См. Мой первый пост «История о нейлоназе: где встречаются факты и воображение».)

В заключение рассмотрим характер аргументов относительно предлагаемых сдвигов кадра. Фактом, касающимся таких предлагаемых сдвигов рамки считывания, является то, что существует сходство последовательностей между двумя участками ДНК, где одна часть кажется сдвинутой относительно другой.

Обратите внимание на то, что аргумент, используемый для объяснения появления новых генов с помощью сдвига рамки считывания, использует форму вывода, известную как абдукция, когда рассуждают от нынешних эффектов к прошлым причинам.

  • Наблюдается удивительный факт А.
  • Если бы B было правдой, то A было бы само собой разумеющимся.
  • Следовательно, есть основания предполагать, что B верно. 1

Другими словами:

  • Наблюдается удивительный факт появления новых генов, очевидно, возникающих в результате сдвига рамки считывания.
  • Если легко получить новые функции из случайной последовательности, то, разумеется, сдвиг рамки может производить функциональные белки.
  • Следовательно, легко получить новые функциональные белки из случайных последовательностей

Абдуктивные аргументы очень слабы.Проблема в том, что может быть несколько конкурирующих причин, объясняющих наблюдаемые эффекты. Единственный способ усилить аргумент — исключить все другие конкурирующие причины. А дизайн — особенно сильная конкурирующая гипотеза. Мы знаем, что дизайн — это причина, способная вызвать рассматриваемый эффект, а именно создание новых функциональных белков путем добавления кода со сдвигом рамки. Фактически, учитывая то, что мы знаем о редкости функциональных белков в пространстве последовательностей, как показано экспериментально здесь, здесь, здесь и теоретически здесь, дизайн — лучшее объяснение, чем неодарвиновское.

Пока кто-нибудь экспериментально не продемонстрирует в реальном времени, что мутация со сдвигом рамки считывания может генерировать новый функциональный белок (а не только потерю функции) посредством ненаправленных процессов, вывод о том, что это легко сделать, является необоснованным. И нейлоназа — не такая демонстрация. 2

Ссылки:

(1) Стивен К. Мейер, «О загадках и причинах: методологическая интерпретация исследований происхождения жизни». Докторская диссертация (Кембридж: Кембриджский университет, 1990).
Чарльз С.Пирс, «Абдукция и индукция», В «Философии Пирса» под редакцией Дж. Бухлера (Лондон: Routledge, 1956), 150–154. Чарльз С. Пирс, Сборник статей, под редакцией Чарльза Хартшорна и П. Вайса. 6 томов. (Кембридж, Массачусетс: издательство Гарвардского университета, 1931–1935).

(2) В одном из будущих постов я расскажу об экспериментах, которые пытаются продемонстрировать, что случайная последовательность может выполнять простые функции.

Фото: нейлоновая веревка © dallaspaparazzo — stock.adobe.com.

История о нейлоназе: насколько это необычно?

Ann Gauger

Примечание редактора : Нейлон — это современный синтетический продукт, используемый в производстве женских чулок, а также ряда других товаров, от веревок до парашютов и автомобильных шин. Нейлоназа — популярная икона эволюции, которую, в частности, размахивает теистический эволюционист Деннис Венема. В серии из трех постов, из которых это вторая, биолог Института открытий Энн Гогер рассматривает ее поближе.

Вчера в статье «История нейлоназы: когда воображение и факты сталкиваются» я описал, как некоторые биологи утверждают, что фермент нейлоназа демонстрирует, что легко получить новые функциональные белки. Было высказано предположение, что нейлоназа является результатом мутации сдвига рамки считывания, которая произвела совершенно новую кодирующую последовательность из альтернативной рамки считывания.Я показал, почему такое утверждение ложно. Теперь я объясню, что это означает, и кое-что о необычных свойствах гена nylB , которые привлекли внимание молекулярного генетика и эволюционного биолога Сусуму Оно.

Что такое альтернативные рамки считывания ? Чтобы ответить на этот вопрос, мне сначала нужно предоставить некоторую справочную информацию. Я начну с определения некоторых терминов, которые я использовал во вчерашнем сообщении. ДНК состоит из двух антипараллельных цепей нуклеотидов. Порядок нуклеотидов в каждой цепи определяет информацию, которую несет ДНК.Две нити, называемые смысловой и антисмысловой, идут в противоположных направлениях. Несмотря на то, что их последовательности комплементарны, причем A всегда соединяется с T, а C с G, каждая нить несет различную потенциальную информацию.

ATG GCA TGC ACC GGC ATT AG → sense
TAC CGT ACG TGG CCG TAA TC ← антисмысловой

Прежде чем можно будет использовать информацию в ДНК, ее необходимо скопировать в то, что мы называем messenger RNA . Последовательность одной цепи ДНК, обычно смысловой цепи, копируется с использованием той же комплементарности оснований: G соединяется с C и A с U (U используется вместо T в РНК).Мы называем это копированием транскрипцией . Сообщение, которое было транскрибировано из ДНК в эту последовательность РНК, теперь готово для перевода в белок.

Обратите внимание на язык информации во всех этих процессах. Названия этим процессам дали люди, полностью приверженные натуралистическому мировоззрению, такие как Фрэнсис Крик и Сидней Бреннер. Действительно, все они были материалистами. Тем не менее они увидели параллели между этими процессами и человеческими манипуляциями с текстом (языком) или кодом (другой формой языка).Генетический код — это каркас, который определяет взаимосвязь между группами нуклеотидов ( кодонов) и аминокислотами, которые они определяют . Код указывает, как перевести , мессенджер РНК, , который был скопирован, или транскрибировал из ДНК, чтобы можно было перевести на новый язык, язык белков. Ниже приведена иллюстрация стандартного генетического кода (источник здесь, используется с разрешения):

Обратите внимание, что информация в ДНК читается группами по три нуклеотида (каждая группа называется кодоном), и каждый кодон определяет конкретную аминокислоту. .Иногда более одного кодона могут указывать на одну и ту же аминокислоту. Например, таблица в верхнем левом углу показывает, что UUU и UUC определяют аминокислоту фенилаланин.

Природа кода такова, что имеет значение, где начинается первый кодон — первый считываемый кодон определяет группировку кодонов в будущем. В таблице выше «стартовый» кодон — это AUG (он также определяет аминокислоту метионин). Последовательность кодонов «считывается» клеточной машиной, называемой рибосомой, которая начинает считывать сообщение РНК в AUG, а затем обрабатывает три нуклеотида за раз для преобразования сообщения в аминокислоты.В приведенной ниже последовательности, например, первым считываемым кодоном будет AUG, и этот кодон определяет рамку, в которой считываются все остальные кодоны.

AUG GCA UGC ACC GGC AUU AGU

А теперь самое интересное. Потенциально ДНК можно сгруппировать в разные кодоны или рамки, в зависимости от того, где рибосома начинает считывать. См. Иллюстрацию ниже. Например, последовательность потенциально может быть прочитана с помощью группировок, показанных в первом кадре (ATG GCA и т. Д.) Или втором кадре (TGG CAT и т. Д.)., если где-то выше по течению существует соответствующий ATG), что в конечном итоге приводит к разным аминокислотным последовательностям для каждого. Фактически существует шесть возможных способов сгруппировать ДНК в кодоны — три рамки на смысловой цепи, идущие слева направо (обозначены 1-3), и три рамки на антисмысловой цепи (обозначены 4-6), идущие справа налево. Ниже я выложил шесть возможных кадров для последовательности, с которой мы начали, но с альтернативными кадрами, расположенными в шахматном порядке, и альтернативными кодонами, разделенными пробелами. Обратите внимание, что последовательность остается прежней — единственное, что меняется от кадра к кадру, — это то, как сгруппированы нуклеотиды.Это одна и та же последовательность, но ее можно читать и переводить по-разному в каждом кадре. Это потому, что каждый кодон определяет конкретную аминокислоту. Таким образом, каждый кадр дает совершенно другую строку аминокислот.

кадр 1 ATG GCA TGC ACC GGC ATT AG
кадр 2 TGG CAT GCA CCG GCA TTA G
кадр 3 GGC ATG CAC CGG CAT TAG

кадр 4 TAC CGT ACG TGG CCG TAA TC
кадр 5 ACC GTA CGT AGC C
кадр 6 CCG TAC GTG GCC GTA ATC

Кодоны TAA, TAG и TGA являются стоп-кодонами — они определяют, где заканчивается ген и останавливается трансляция белка.(Для дополнительной благодарности, можете ли вы найти какие-либо кодоны ATG или стоп-кодоны в вышеуказанных кадрах? Они присутствуют как в прямом, так и в обратном направлении. Для большего удобства вы можете использовать таблицу кодов для преобразования различных кадров и продемонстрировать, что каждый кадр кодирует другой белок?)

Итак, когда Венема и другие говорят, что нейлоназа возникла в результате мутации сдвига рамки считывания, которая произвела новый белок длиной 392 аминокислоты, они заявляют, что совершенно новая кодирующая последовательность со сдвигом рамки считывания кодонов может генерировать функциональный белок .Насколько это вероятно? Не очень, учитывая редкость функциональных белков в пространстве последовательностей (см. Мой первый пост). И, как я уже показал в своем первом посте, в такой маловероятной гипотезе нет необходимости. Ген nylB , по-видимому, является продуктом простой дупликации гена с последующими двумя пошаговыми мутациями для повышения активности нейлоназы.

Там — это что-то особенное в последовательности гена нейлоназы, что-то очень странное. nylB имеет несколько больших перекрывающихся (альтернативных) открытых рамок, в которых отсутствуют стоп-кодоны.

Насколько сложно получить ген с несколькими рамками считывания ?

Позвольте мне объяснить. Примерно один из двадцати кодонов — стоп-кодоны. Случайная последовательность ДНК будет иметь стоп-кодоны примерно каждые шестьдесят оснований и может иметь или не иметь стартовый кодон. Обычно альтернативные рамки последовательностей ДНК прерываются стоп-кодонами. Только рамка, которая фактически определяет правильный ген, вообще не будет иметь стоп-кодонов на значительной длине. Эта система на самом деле очень гениальна.Один кадр, который необходимо прочитать и преобразовать, идентифицируется ATG. В других фреймах обычно отсутствует ATG и / или будет несколько стоп-кодонов, которые прерывают их трансляцию, что предотвращает трату энергии клеткой на бессмысленные транскрипты.

Согласно истории с нейлоназой, рассказанной Оно и Венема и многими другими, новый стартовый кодон ATG был сформирован путем вставки T между A и G, таким образом создавая новый стартовый кодон после исходного ATG, который сместил рамку считывания для этой последовательности на ту, что определен новым ATG, и создал совершенно другую кодирующую последовательность и, таким образом, новый белок.Давайте представим этот сценарий для аргументации. Обычно такой сдвиг дает новую кодирующую последовательность, которая прерывается стоп-кодонами, поэтому новый белок со сдвигом рамки считывания будет усечен. Таким образом, единственная причина, по которой эта гипотеза сдвига рамки считывания для нейлоназы хотя бы отдаленно возможна, состоит в том, что последовательность, кодирующая нейлоназу, является наиболее необычной и содержит не один, не два, а три открытых рамки Хотя мутации сдвига рамки считывания обычно считаются весьма разрушительными, по крайней мере , в этом случае предполагаемая новая последовательность белка не завершится раньше из-за стоп-кодонов.

Моя точка зрения? Первый шаг к получению нового функционального белка любой длины при сдвиге рамки считывания — избегать стоп-кодонов. Шансы случайной кодовой последовательности, имеющей открытый альтернативный кадр без остановок, невелики. Как следствие, если у белка есть открытая рамка в дополнение к его кодирующей последовательности, на это стоит обратить внимание. И так уж получилось, что у нейлоназы есть более одного открытого каркаса. Приведенная выше последовательность ДНК иллюстрирует шесть кадров, пронумеровав их от 1 до 6. Используя это соглашение, кадры 1 и 3 считываются из смысловой цепи. Оба не имеют стоп-кодонов по длине гена в смысловом направлении. Рамка 4 в антисмысловом направлении также не имеет стоп-кодонов. Рамка 1 представляет собой кодирующую рамку, которая определяет белок нейлоназу, иначе известную как открытая рамка считывания (ORF). Он определяется наличием как стартового, так и стоп-кодона. Два других фрейма не имеют стартовых или стоп-кодонов, поэтому я назову их безостановочными фреймами (NSF). Это кадры 3 и 4.

Вероятность наличия последовательности ДНК с ORF на смысловой цепи и 2 NSF очень мала. Точно насколько малы шансы избежать стоп-кодона в трех из шести кадров? Мы решили определить это, выполнив численное моделирование с использованием псевдослучайных чисел для генерации последовательностей на различных уровнях содержания GC. (Под «мы» я подразумеваю, что мой муж, Патрик Эчи, который является актуарием, выполнял программирование, а я определял параметры.) Мы решили варьировать содержание GC, потому что последовательности с более высоким содержанием GC имеют меньше стоп-кодонов.Помните, что стоп-кодон всегда имеет A и T (TAA, TAG и TGA являются стоп-кодонами), поэтому наличие последовательности с более низким процентом содержания AT снизит частоту стоп-кодонов. Напротив, более высокое содержание GC значительно увеличивает шансы избежать стоп-кодонов и получить более длинные ORF, что также увеличивает шансы NSF. Геномы бактерий различаются по содержанию GC от менее 20 до 75 процентов, хотя причина неизвестна. Один вид Flavobacterium имеет геном примерно с 32% GC и 2400 генов — точные значения зависят от штамма.Плазмида, на которой находится nylB , очень отличается. Он содержит 65 процентов GC. Ген, кодирующий нейлоназу, имеет еще более высокое содержание GC в 70 процентов, что близко к наблюдаемому бактериальному максимуму в 75 процентов.

Мы решили использовать целевой размер ORF в 900 нуклеотидов (или 300 аминокислот), потому что это средний размер для функционального белка. Нейлоназа состоит из 392 аминокислот; небольшой домен бета-лактамазы, фермента, который изучал мой коллега Дуг Акс, имеет длину около 150 аминокислот.Средняя длина белка E. coli составляет 278 аминокислот; для человека средняя длина составляет 375.

Как и ожидалось, моделирование показало, что чем выше содержание GC, тем выше вероятность существования ORF длиной 900+ нуклеотидов. При 50% GC средняя длина ORF, которую мы получили, составляла около 60 нуклеотидов; большинство ORF оканчиваются намного раньше, чем 900 нуклеотидов. Действительно, в нашем моделировании только две из миллиона случайных последовательностей дожили до 900 нуклеотидов, прежде чем встретили стоп-кодон.В результате мы не смогли определить редкость NSF при 50-процентном GC — нам, вероятно, пришлось бы запустить симуляцию для более чем миллиарда испытаний, чтобы вообще получить сколько-нибудь значительное количество NSF.

Последовательности при 60% GC дали 57 ORF длиной не менее 900 нуклеотидов из миллиона испытаний, в то время как последовательности при 65% GC дали 404 из миллиона, одна из которых также имела NSF.

NSF были гораздо более вероятными для последовательностей, которые на 70% были GC, например nylB .В нашем моделировании 3021 из миллиона испытаний имели ORF длиной не менее 900 нуклеотидов. Это частота 0,3 процента. Из этих 3021 ORF у 86 был 1 NSF, и ни у одного не было 2 NSF. Нам пришлось провести 10 миллионов испытаний с 70-процентным GC, чтобы увидеть любые ORF с 2 NSF. Из этих 10 миллионов случайно сгенерированных последовательностей мы получили 28 603 ORF; 903 имели 1 NSF и только 9 имели 2 NSF.

Интересно, что при 80% GC мы получили несколько последовательностей с 4 NSF; но я не знаю ни одной бактерии с таким высоким содержанием GC.

Наше моделирование показывает, что несколько NSF очень редки. Вероятность того, что нуклеотиды ORF длиной 900 с 70-процентным содержанием GC будут иметь два NSF, составляет 9 из 28 603, или 0,0003. Если эти цифры пересчитать, чтобы включить общее число испытаний , необходимое для получения ORF такой длины, и содержание GC и с 2 NSF, вероятность составит 9 из 10 000 000 испытаний.

Последовательность, подобная nylB , встречается очень редко. Фактически, я подозреваю, что во всех случаях, когда существуют перекрывающиеся гены, другими словами, когда альтернативные рамки из одной и той же последовательности могут кодировать разные белки, обязательно будет обнаружена необычная последовательность.Скорее всего, это будет высокое содержание GC. Могли ли такие редкие эпизоды быть случайными? Я думаю, что если мы сравним ожидаемое количество альтернативных или перекрывающихся NSF на ORF, с фактическим количеством, мы обнаружим, что этих альтернативных открытых рамок считывания больше, чем можно было бы спрогнозировать случайно.

Из другого исследования перекрывающихся генов:

Таким образом, бактериальные геномы содержат большее количество длинных теневых ORF [ORF на альтернативных кадрах], чем ожидалось на основании статистического анализа.Случайный мутационный дрейф уже давно устранил бы этот сигнал, если бы никакое давление отбора не стабилизировало теневые ORF. Отклонения между статистической моделью и бактериальными геномами напрямую требуют функционального объяснения, поскольку отбор — единственная известная сила, стабилизирующая истощение стоп-кодонов. Большинство теневых генов ускользнуло от обнаружения, поскольку в большинстве программ аннотации генома они отклоняются как ложные срабатывания. Это резко контрастирует со многими встроенными перекрывающимися генами, обнаруженными в бактериофагах.Поскольку фаги находятся в долгосрочном эволюционном равновесии с бактериальным геномом-хозяином, мы предполагаем, что игнорируемые теневые гены также существуют в бактериальных геномах.

Действительно, исследование плазмиды pOAD2, из которой произошло nylB , показывает, что в этой плазмиде потенциально много перекрывающихся генов. nylB ‘, например, гомологичный ген в той же плазмиде, который отличается на 47 аминокислот от nylB , также имеет 2 NSF. Эти необычные и неожиданные особенности ДНК влияют на то, как мы думаем о происхождении информации в последовательностях ДНК, о чем я расскажу в следующем посте.

Понедельник: «История о нейлоназе: информационная загадка».

Фото: Нейлоновая шина, 1967 AMC Marlin, Кристофер Зимнович (собственная работа) [CC BY-SA 2.5, общественное достояние или CC BY-SA 2.5], через Wikimedia Commons.

История о нейлоназе: когда воображение и факты сталкиваются

anngauger:

Примечание редактора: нейлон — это современный синтетический продукт, используемый в производстве женских чулок, а также ряда других товаров, от веревок до парашютов и автомобильных шин.Нейлоназа — популярный символ эволюции, которым, в частности, размахивает теист-эволюционист Деннис Венема. В серии из трех публикаций биолог Института открытий Энн Гогер рассматривает это поближе.

Существенной проблемой для неодарвиновской истории является происхождение новой биологической информации. Очевидно, что с течением времени количество информации увеличивалось — появлялись новые формы жизни, требующие новых генов, белков и другой функциональной информации. Вопрос в том, как это произошло? Это центральный вопрос о происхождении живых существ.

Стивен Мейер и Дуглас Акс сделали это убедительное заявление:

[T] Неодарвинистский механизм, основанный на случайном мутационном поиске для генерации новых последовательностей генов, не является адекватным механизмом для получения информации, необходимой для даже единственная новая белковая складка, не говоря уже о новой животной форме, в доступное эволюционное глубокое время.

Их утверждение основано на экспериментальном открытии Дуга Экс, что функциональные белковые складки чрезвычайно редки, порядка от 1 из 10 до 77-й степени, что означает, что все существа Земли, ищущие возраст Земли, случайная мутация не смогла найти ни одной белковой складки среднего размера.

Напротив, Деннис Венема, профессор биологии в Западном университете Тринити, утверждает в своей книге Адам и геном и в сообщениях на веб-сайте BioLogos, что получить новую информацию — это , а не . В своей книге он приводит несколько примеров, которые, по его мнению, демонстрируют появление новой информации — например, очевидную эволюцию новых сайтов связывания с белками. Но лучший способ раскрыть глупость Эксора и Мейера, думает он (и говорит об этом в своей книге и посте на BioLogos), — это показать, что действительно «новый» белок может развиваться .

… [E] еще более убедительно… было бы реальным примером функционального белка, возникшего с нуля — улавливания нового белка, образующегося «в процессе», так сказать. Нам известен такой пример — образование фермента, расщепляющего химическое вещество, созданное руками человека.

В 1970-х годах ученые сделали удивительное открытие: бактерия, способная переваривать нейлон, синтетическое химическое вещество, не встречающееся в природе. Эти бактерии обитали в прудах со сточными водами химических заводов, и они могли использовать нейлон в качестве единственного источника пищи.Однако нейлону в то время было всего около 40 лет — как эти бактерии так быстро приспособились к этому новому химическому веществу в своей среде? Заинтригованные, ученые начали расследование. Они обнаружили, что у бактерий есть фермент (который они назвали «нейлоназа»), который эффективно переваривает химическое вещество. Интересно, что этот фермент возник с нуля как инсерционная мутация в кодирующую последовательность другого гена. Эта вставка одновременно сформировала «стоп-кодон» на ранней стадии исходного гена (кодон, который сообщает рибосоме о прекращении добавления аминокислот к белку) и сформировала совершенно новый «стартовый» кодон в другой рамке считывания. Новая рамка считывания содержала 392 аминокислоты перед первым «стоп-кодоном», производя большой новый белок. Как и в нашем примере выше, этот новый белок был основан на других кодонах из-за сдвига рамки считывания. Это было действительно de novo — новая последовательность.

Венема права. Если бы фермент нейлоназа действительно произошел из белка со сдвигом рамки считывания, это действительно было бы демонстрацией того, что новые белки легко эволюционировать. Было бы несомненным доказательством того, что сторонники разумного замысла ошибаются, что нетрудно получить новый белок из случайной последовательности.Но эту историю стоит пересмотреть. Действительно ли новый белок является продуктом сдвига рамки считывания или он существовал до появления нейлона в окружающей среде? Что именно мы знаем об этом ферменте? Подтверждают ли доказательства утверждения Венемы и других или приводят к другим выводам?

Сначала немного истории. В 1970-х годах японские ученые обнаружили, что некоторые бактерии развили способность разрушать синтетический полимерный нейлон. Окада и др. идентифицировали три фермента, ответственных за разложение нейлона, и назвали их EI, EII и EIII.Кодирующие их гены были названы nylA , nylB и nylC . Они секвенировали плазмиду, на которой были обнаружены гены, и обнаружили, что в той же плазмиде есть еще один ген, который очень похож на nylB ; они назвали его nylB ′. (Мы сосредоточимся на истории с nylB и nylB ′, потому что они имеют отношение к истории Венемы.)

Пока что все, что я вам сообщил, — это факты. А теперь интерпретация этих фактов.Некоторые утверждали, что так называемый фермент нейлоназа возник через некоторое время после того, как люди начали производить нейлон (в 1930-х годах). Это казалось правдоподобным, потому что нейлоназа не могла разрушать естественные амидные связи — она ​​могла разрушать только амидные связи в нейлоне — и поэтому считалось, что раньше не существовало. Популярный вывод заключался в том, что активность нейлоназы эволюционировала в ответ на присутствие нейлона в окружающей среде, и, таким образом, ей было всего сорок лет. И вот большой толковательный скачок: должно быть нетрудно получить новые ферменты, если новый может развиться в течение сорока лет.

Okada et al. секвенировали гены, кодирующие nylB и nylB ‘. Они пришли к выводу, что активность нейлоназы была результатом дупликации гена с последующими несколькими мутациями гена nylB . Но тут Сусуму Оно, выдающийся молекулярный генетик и биолог-эволюционист, заметил нечто необычное в последовательности гена nylB (Оно, 1984). Оно придерживалось теории, согласно которой ДНК с повторами правильного типа может кодировать белок в нескольких кадрах без прерывающих стоп-кодонов и, таким образом, может быть источником «новых» белков.(Если вы не знакомы с терминами, которые я только что использовал, я приглашаю вас взглянуть на мой пост завтра, где я объясню необходимые концепции. Для тех, кто уже знаком, я представляю некоторые соответствующие данные, касающиеся редкости последовательностей, которые могут быть со сдвигом рамки.)

Оно заметил, что nylB , ген нейлоназы, мог изначально кодировать что-то еще, если был удален определенный T. Ген нейлоназы в том виде, в котором он существует сейчас, состоит из 1179 оснований, которые кодируют белок из 392 аминокислот.Однако без конкретного Т, встроенного в стартовый кодон ATG, последовательность могла бы указывать гипотетический исходный ген с более длинной открытой рамкой считывания (ORF) из 427 аминокислот в другой рамке. Таким образом, Оно предположил, что «новый» белок с новой функцией, действующий на новый субстрат, родился, когда T вставлен между конкретными A и G в ДНК, создавая новый стартовый кодон ATG и сдвигая рамку для кодирования нового белок, белок, который мы теперь называем нейлоназой.

Гениально. Согласно Оно, нейлоназа могла быть новым ферментом , внезапно появившимся без каких-либо известных предшественников из-за внезапного сдвига рамки считывания. (Обратите внимание, что все это предполагает, что новые белковые складки легко получить. . ) Оно опубликовало эту гипотезу в Proceedings of the National Academy of Sciences. Однако, как показывает внимательное прочтение его статьи, это была всего лишь гипотеза. Один заголовок, например:

R-IIA Coding Sequence [ nylB ] для 6-AHA LOH [найлоназа] воплощает альтернативную, более длинную открытую рамку считывания, которая может быть исходной кодирующей последовательностью [выделение добавлено.]

, а в тексте говорится:

I предполагает , что последовательность оснований RS-IIA [ nylB ] изначально была кодирующей последовательностью для богатой аргинином полипептидной цепи из 427 или около того остатков большой длины и что кодирующая последовательность для одной из двух изоферментных форм 6-ALA LOH [найлоназа] возникла из ее альтернативной открытой рамки считывания. [Курсив добавлен.]

Оно представил аргументы в пользу того, почему его предположение было правдоподобным, но не представил доказательств того, что «оригинальный» ген когда-либо существовал или использовался (на самом деле он говорит, что он вряд ли будет полезен на основе его аминокислоты композиция), или что вставка когда-либо произошла.Тем не менее, гипотеза о сдвиге рамки считывания происхождения нейлоназы была широко провозглашена фактом (хотя, в частности, не Окада и др., Которые выполнили большую часть работы).

Если бы история с нейлоназой, описанная выше, была правдой, а именно, что мутация сдвига рамки считывания привела к генерации de novo новой белковой складки с новой функцией, это действительно составило бы существенное опровержение утверждения Мейера и Axe. Если мутация со сдвигом рамки считывания может создать новую случайную открытую рамку считывания в реальном, наблюдаемом времени и дать начало новому функциональному ферменту, то создание новых функциональных белковых складок должно быть не так уж и сложно. Другими словами, функциональные белковые складки не должны быть редкими в пространстве последовательностей. И поэтому аргументы Стивена Мейера о сложности получения достаточного количества новой биологической информации для образования новой складки также должны быть ошибочными. Венема категорически утверждает:

Если гены, кодирующие белки de novo, такие как нейлоназа, могут возникнуть как бы с нуля, то очевидно, что новые белковые складки могут быть без труда образованы эволюционными механизмами… [I] Если бы Мейер понимал формирование гена de novo — как мы видели, он ошибочно думал, что это необъяснимый процесс — он бы знал, что новые белковые складки действительно могут быть легко созданы эволюционными процессами.

Слэм данк, верно?

Было бы разумно принять эту историю без веских доказательств с осторожностью. В генетике нас учат, что мутации со сдвигом рамки считывания чрезвычайно разрушительны, полностью меняют кодирующую последовательность и приводят к усеченной чепухе. Фактически, один термин для мутации сдвига рамки считывания — «бессмысленная мутация». Основная интуиция биолога должна заключаться в том, что смещение рамок вряд ли приведет к чему-то полезному. Единственными причинами широкого признания гипотезы Оно, которые я могу придумать, являются необычный характер самой последовательности, репутация Оно как блестящего ученого (которым он и был) и исполнение желаний со стороны некоторых биологов-эволюционистов.

К счастью, наука идет вперед, и доказательства продолжают накапливаться. Та же группа японских ученых продолжила изучение генов нейлоназы. nylB оказался результатом дупликации гена nylB ‘, которая произошла некоторое время назад. EII ‘(фермент, кодируемый nylB ‘) имел очень низкую активность нейлоназы, в то время как EII (фермент, кодируемый nylB ) был примерно в 1000 раз выше по активности. Два фермента различались аминокислотной последовательностью в 47 положениях из 392.После некоторой кропотливой работы японцы определили, что всего двух мутаций достаточно для преобразования EII ‘в уровень активности EII.

Затем они получили трехмерную структуру гибридного белка EII-EII ‘. И с этими результатами все изменилось — или должно было измениться.

Вот что Венема берет из статьи и интерпретирует доказательства:

… трехмерная структура белка была решена с помощью рентгеновской кристаллографии, метода, который дает нам точную форму белка с высоким разрешением.Нейлоназа — это , набитое белковыми складками, — именно такие складки, как утверждает Мейер, должны быть результатом замысла, потому что эволюция не могла произвести их даже за все время, прошедшее с момента возникновения жизни. [Курсив мой.]

К сожалению, у Венемы нет точной информации. Нейлоназа имеет особую складку, особую трехмерную стабильную форму. Большинство белков имеют четкую складку — на сегодняшний день известно несколько тысяч видов складок, каждая из которых имеет свою топологию и структуру.Складки обычно состоят из небольших вторичных структур, называемых альфа-спиралями и бета-цепями, которые помогают собрать третичную структуру — складку в целом. Венема кажется неясной в отношении того, что такое белковая складка, и различия между вторичными и третичными структурами. Нейлоназа — это , а не , «набитая складками». Ни один структурный биолог не назвал бы нейлоназу «набитой белковыми складками». В самом деле, ни один белок не является «набитым складками». Возможно, Венема имела в виду меньшие единицы вторичной структуры, о которых я упоминал выше, альфа-спирали или бета-цепи.Но, похоже, он не знает, что такое белковая складка.

Может быть, это объясняет, почему Венема упустила важный момент статьи, описывающей структуру нейлоназы. Кристаллическая структура EII-EII ’(гибрид нейлоназы, необходимого для кристаллизации белка) показала, что это не новый тип складки , а член семейства бета-лактамазных складок. Более конкретно, он напоминает карбоксилэстеразы, подгруппу этого семейства . Кроме того, когда ученые проверили EII ‘и EII, они обнаружили, что оба фермента ранее не определяли активность карбоксилэстеразы. Другими словами, ферменты EII ’и EII были карбоксилэстеразами. Если он выглядит как утка и крякает как утка, это — это утка.

Таким образом, EII ‘и EII , а не , имели новые складки со сдвигом рамки. У них были уже существующие складки с активностью, характерной для их типа складок. Нового протеина не было. Никакой новой белковой складки не возникло. И для производства нейлоназы не потребовалось никакой мутации сдвига рамки считывания.

Откуда пришла способность поедания нейлона ? Карбоксилэстеразы — это ферменты с широкой субстратной специфичностью; они могут проводить самые разные реакции.Их переплетный карман большой и может вместить множество различных подложек. Другими словами, это «беспорядочные» ферменты. Кроме того, реакция карбоксилэстеразы гидролизует химическую связь, подобную той, которая гидролизуется нейлоназой. Тесты показали, что ферменты EII и EII ‘обладают карбоксилэстеразной и нейлоназной активностью . Они могут гидролизовать оба субстрата. Фактически возможно, что оба имели активность карбоксилэстеразы и с низким уровнем нейлоназной активности с самого начала, даже до появления нейлона.

nylB ‘ может быть исходным геном, из которого произошло nylB . Очевидно, когда-то в прошлом происходила дупликация гена. Похоже, что с тех пор эти два гена приобрели мутации — они отличаются на 47 аминокислот из 392. Время этой дупликации неизвестно, но не недавнее, потому что для накопления такого количества мутаций требуется время. Однако по крайней мере некоторые из этих мутаций должны придавать высокий уровень нейлоназной активности EII, ферменту, вырабатываемому nylB. Фермент EII ’, полученный с помощью nylB’, имеет лишь низкую способность разлагать нейлон, тогда как EII разлагает нейлон в 1000 раз лучше.Таким образом, одно или несколько из этих 47 аминокислотных различий должны быть причиной высокого уровня активности нейлоназы в EII. Благодаря кропотливой работе японские рабочие Kato et al. определили, какие аминокислотные изменения были ответственны за повышенную активность нейлоназы. Всего две ступенчатые мутации, присутствующие в EII, при введении в EII ’могут преобразовать слабый фермент EII’ в полную активность нейлоназы.

Из Като и др. (1991):

Наши исследования показали, что среди 47 аминокислот, измененных между белками EII и EII ‘, одна аминокислотная замена в положении 181 была существенной для активности 6-аминогексаноат-димергидролазы [найлоназы] и замены в позиции 266 усиливается эффект.

Т. Это не история невероятного сдвига рамки считывания, производящего новый функциональный фермент. Это история о существовавшем ранее ферменте с низким уровнем беспорядочной нейлоназной активности, который улучшил свою активность по отношению к нейлону сначала одной, а затем другой селективной мутацией. Другими словами, это вполне правдоподобный случай дупликации, мутации и отбора генов, действующих на уже существующий фермент, чтобы улучшить уже существующую низкоуровневую активность, именно такое событие, которое Мейер и Акс специально признают как возможность, с учетом имеющихся временных и вероятностных ресурсов.Действительно, происхождение нейлоназы на самом деле является прекрасным примером оптимизации уже существующей функции складки, а не инновации или создания новой складки.

Как отмечают сами ученые, которые проводили структурное определение нейлоназы:

Здесь мы предполагаем, что замены аминокислот в каталитической щели существовавшей ранее эстеразы с бета-лактамазной складкой привели к эволюции олигомера нейлона. гидролаза. [Курсив добавлен]

Давайте оставим в покое легенду о том, что гидролаза нейлонового олигомера EII, в просторечии известная как нейлоназа, возникла в результате мутации со сдвигом рамки считывания, что привело к созданию новой функциональной белковой складки. Нет абсолютно никакой необходимости постулировать такое маловероятное событие и никаких оправданий для этого экстравагантного утверждения. Вместо этого существует гораздо более экономное объяснение: нейлоназа возникла в результате дублирования гена некоторое время назад, за которым последовала серия из двух мутаций, произошедших после введения нейлона в окружающую среду, которые увеличили активность гидролазы нейлонового олигомера в организме человека. продукт гена nylB до текущего уровня.Может ли эта череда событий произойти через сорок лет? Несомненно. Вероятно, за гораздо меньшее время. Фактически, это происходило в лаборатории при правильных условиях отбора. И, безусловно, эволюция нейлоназы не требует создания новой белковой складки, и она не возникла. Фолд EII является частью семейства фолдов карбоксилэстеразы. Карбоксилэстеразы выполняют множество функций и существуют уже более сорока лет.

Дуглас Акс и Стивен Мейер с готовностью признают, что такого рода эволюционная адаптация происходит легко.Белок, который уже имеет низкий уровень активности по отношению к конкретному субстрату, может быть мутирован, чтобы способствовать этой побочной реакции по сравнению с исходной, часто всего за несколько шагов. В литературе есть много примеров этого. Акс и Мейер утверждают, что создание совершенно новой белковой складки посредством мутации и отбора в высшей степени неправдоподобно. Ничто в истории о нейлоназе, которую рассказывает Деннис Венема, не свидетельствует об обратном.

Завтра: «История о нейлоназе: насколько это необычно?»

Фото: нейлоновый парашют, сделанный младшим капралом Брайаном Д.Джонс, Корпус морской пехоты США [общественное достояние], через Wikimedia Commons.

Первоначально опубликовано на https://evolutionnews.org/2017/05/the-nylonase-story-when-imagination-and-facts-collide/

Биологический институт

bi010gic:

Существует целая школа исследований, нацеленных на то, чтобы показать, что мы не так уж отделены от шимпанзе, и даже что они уже начали расти. В недавней статье BBC Колина Барраса основное внимание было уделено использованию каменных орудий и смелому утверждению, что шимпанзе и некоторые обезьяны уже находятся в каменном веке из-за того, что они используют камни в качестве инструментов.

Некоторые отчеты об использовании камня кажутся действительными. Капуцины и шимпанзе, как известно, используют камни для взламывания открытой пищи, и эта техника, похоже, насчитывает тысячи лет. Но ведь никто не оспаривает, что некоторые животные используют простые инструменты. Даже выдры используют камни, чтобы вскрыть раковины моллюсков.

Тогда есть социальная сторона. Другая статья BBC, написанная Мелиссой Хогенбум, описывает способы, которыми шимпанзе проявляют сочувствие и социальную осведомленность, способность читать выражения лица, скрывать вещи от других и делиться ими. Но тогда эти вещи не так уж уникальны — любой, кто жил с собаками, знает, насколько они остро чувствительны к социальным сигналам и выражениям лица, и как они, кажется, проявляют вину за плохое поведение. Они могут даже делиться — или быть жадными, в зависимости от темперамента собаки.

И, конечно же, она описывает, как шимпанзе обладают способностями к языку. Перевод: шимпанзе, которые жили и тренировались вместе с людьми, могут иметь словарный запас до 500 слов и могут понимать еще тысячи.

Но разве это знак того, что они на пути к тому, чтобы стать такими, как мы?

В следующей статье BBC Хогенбум излагает аргумент против идеи о том, что между нами и шимпанзе мало различий. Она цитирует Яна Татерсалла, палеоантрополога из Американского музея естественной истории в Нью-Йорке: «Очевидно, у нас есть сходства.У нас есть сходство со всем остальным в природе; было бы удивительно, если бы мы этого не сделали. Но нам нужно посмотреть на различия », — пишет

Хогенбум:

Когда вы объединяете наши беспрецедентные языковые навыки, нашу способность делать выводы о ментальном состоянии других и наш инстинкт сотрудничества, вы получаете нечто беспрецедентное. Нас.

«Просто посмотрите вокруг, — говорит Томаселло [из Института эволюционной антропологии Макса Планка в Лейпциге, Германия], — мы болтаем и даем интервью, а они (шимпанзе) — нет.’

Мы должны благодарить за это наши продвинутые языковые навыки. Мы можем видеть доказательства основных языковых способностей у шимпанзе, но записываем вещи только мы.

Мы рассказываем истории, мы мечтаем, мы воображаем вещи о себе и других, и мы проводим много времени, размышляя о будущем и анализируя прошлое.


Не говоря уже о Бранденбургских концертах . Исчисление. Гамлет . Теорема Пифагора. Открытие таблицы Менделеева.Теория относительности Эйнштейна. Все гениальные работы.

В своей первой статье я думаю, что Хогенбум преувеличивает сходство между шимпанзе и людьми, точно так же, как Баррас преувеличивает их способности создавать инструменты. Однако оба автора принимают стандартную дарвиновскую точку зрения. Возможно, это объясняет их потребность в истории глубинного сходства.

В своей второй статье г-жа Хогенбум приписывает все это нашему большому мозгу. Она признает, что никто не знает, как наш мозг стал большим.Также ни у кого нет убедительного объяснения того, как возникли анатомические, возрастные и физиологические различия между нами и шимпанзе.

По крайней мере, мисс Хогенбум признает, что могут возникнуть трудности с объяснением вещей.

Изображение Томаса Лерша (собственная работа) [GFDL, CC-BY-SA-3.0 или CC BY 2.5, через Wikimedia Commons.

(Источник: bi010gic)

Углубляясь в биологию: «Если присмотреться повнимательнее, все становится еще сложнее»

Энн Гогер

«Как часто бывает в биологии, — заметил ученый и художник Дэвид Гудселл, — когда вы присмотритесь, все становится еще сложнее. «И это правда.

Вчера начался обычный вторник. Затем я решил прочитать недавнюю статью, опубликованную в журнале Cell , «Ядерная локализация ферментов митохондриального цикла TCA как критический этап активации зиготического генома млекопитающих», написанная Р. Нагараджем и др. Он сообщил о чем-то довольно странном, что привлекло мое внимание. Очень ранние эмбрионы (на двух- или четырехклеточной стадии у мыши или человека соответственно) претерпевают критический переход: они должны перейти от использования РНК и белков, загруженных в яйцеклетку до оплодотворения матерью, к созданию собственной РНК и белок.

Это явление называется активацией эмбрионального генома. Чтобы активировать свои геномы, эмбрионы должны удалить материнские и отцовские эпигенетические модификации и создать новые, соответствующие эмбриональному геному.

Остановись и подумай. Это замечательно — эти эпигенетические изменения сообщают геному изрядное количество информации, и мы мало знаем о том, как это происходит. По словам авторов, мы знаем, что для крупного перепрограммирования генома

[s] необходимы метаболиты, такие как α-кетоглутарат, необходимый для деметилирования белков и ДНК, ацетил-КоА, необходимый для ацетилирования белка, [и] АТФ для фосфорилирования субстратов.

Обычно эти метаболиты производятся специализированными ферментами, которые являются частью цикла трикарбоновых кислот (TCA). Цикл TCA происходит в митохондриях, специализированных органеллах, которые производят энергию для клетки. Митохондрии поглощают соединение, называемое пируватом, который затем превращается в ацетил-КоА ферментом пируватдегидрогеназой (ПДГ), и образующийся ацетил-КоА входит в цикл TCA, чтобы произвести другие метаболиты и АТФ.

Однако эти зародыши на ранних стадиях метаболически неактивны по сравнению с более поздними стадиями.Их митохондрии конденсированы, и активность ферментов незначительна. Так откуда берутся метаболиты? Пируват абсолютно необходим для продолжения разработки. Он может поступать из жидкости в яйцеводе — он может быть занесен эмбрионом. PDH также абсолютно необходим для разработки. Но где активность фермента ПДГ, как не в митохондриях? А как насчет ферментов цикла ТСА?

Вот что привлекло мое внимание. На этой ранней стадии развития ферменты локализованы в ядре, где метаболиты необходимы для перепрограммирования генома, а не митохондрий.Это было бы достаточно неожиданно — ферменты, которые изучает каждый студент-биолог, находящийся в митохондриях, обнаруживаются в ядре на ранней стадии развития. Это замечательно. И теперь они участвуют в активации эмбрионального генома. Но потом я копнул глубже.

Мне пришло в голову задуматься о том, насколько сложно будет ввести эти ферменты в ядро, поэтому я поискал пируватдегидрогеназу и, к своему удивлению, обнаружил, что это не один фермент, а огромный комплекс трех различных ферментативных активностей, сгруппированных вместе на ядро кубической формы из 24 единиц или, альтернативно, додекаэдрическое ядро ​​из 60 единиц.Ферменты работают вместе, превращая пируват в ацетил-КоА в трехступенчатом процессе, передаваясь друг другу по мере протекания реакции. Посмотрите здесь, чтобы увидеть пируватдегидрогеназу, описанную Дэвидом Гудселлом.

Подчеркну: это основная ферментативная активность. Цикл TCA важен для процесса, с помощью которого клетки производят АТФ, энергетическую валюту клетки. ПДГ — это звено, которое связывает гликолиз, расщепление сахаров, с циклом ТЦА. Без него клетки получали бы гораздо меньше энергии от расщепления сахаров.Но это также важно для эмбрионального развития после стадии от двух до четырех клеток (у мышей, людей и, предположительно, других млекопитающих).

Он также важен для таких бактерий, как E. coli , где он имеет аналогичную структуру и трехступенчатую реакцию. Это древний ферментный комплекс, но очень сложный.

Как могли ранние клетки собрать такую ​​структуру, объединив отдельные ферментные активности для совместной работы? Заставить ферменты собраться в многосубъединичные структуры нетривиально, требуя множественных взаимодействий боковых цепей и трехмерной подгонки. Более того, гены, кодирующие эти ферментативные активности комплекса PDH, сгруппированы вместе в один оперон в E. coli . Они соседи, бок о бок в геноме E. coli , и совместно экспрессируются. Конечно, именно так поступил бы умный дизайнер. Какая польза от части комплекса? Соберите ферменты вместе и соберите из них фабрику по превращению пирувата в ацетил-КоА — это намного эффективнее.

Я начал день с размышлений об эпигенетике и обнаружил некоторые замечательные вещи — перепрограммирование геномов, очевидно мобильные ферментные комплексы и опероны.Информация, сложность и порядок. Это был не совсем обычный вторник.

Обновление : С тех пор, как я написал эту статью, я обнаружил, что, согласно учебнику биохимии Воэта и Воэта, комплекс PDH выполняет пять ферментативных активностей для производства ацетил-КоА, а не три, и они заявляют, что комплекс PDH является самым большим известен комплекс эукариотических ферментов.

Изображение: © Monkey Business — stock.adobe.com.

Институт биологии рака | Йельский Западный кампус

Йельский институт биологии рака (YCBI) объединяет ученых со всего Йеля для изучения общих основных причин рака, где бы он ни появлялся.Традиционные исследования рака по-прежнему сосредоточены на жизненно важных вопросах лечения и ухода за конкретными типами рака. В дополнение к этой работе, сегодняшнее исследование также направлено на понимание основных клеточных и молекулярных связей между несколькими видами рака. Целью Института биологии рака является изучение этой основной биологии.

YCBI был разработан директором-основателем Джозефом Шлессингером, доктором философии, профессором Уильяма Х. Прусоффа и заведующим кафедрой фармакологии Йельской школы медицины. Теперь к нам присоединился Марк А.Леммона, доктора философии, профессора фармакологии Дэвида А. Саклера и содиректора института, Институт будет создан с нуля, и в течение следующих 5 лет каждый год будут вводиться в действие 2–3 новых лаборатории.

Drs. Шлессинджер и Леммон намерены построить институт в долгосрочной перспективе, уделяя особое внимание тому, чтобы их исследования учитывались при лечении рака. Совместно с Йельским онкологическим центром институт стремится стать движущей силой фундаментальной науки за счет возможностей, открывающихся благодаря клиническим исследованиям, уже проведенным в Йельском университете.

Консультативный комитет факультета:

  • Марк Леммон (фармакология), содиректор
  • Джозеф Шлессингер (фармакология), содиректор
  • Маркус Бозенберг (дерматология и патология)
  • Барбара Бертнесс (Медицинская онкология)
  • Дэвид Колдервуд (фармакология и клеточная биология)
  • Дон Энгельман (Молекулярная биофизика и биохимия)
  • Чарли Фукс (онкология, директор Йельского онкологического центра)
  • Рой Хербст (фармакология, медицина / медицинская онкология)
  • Валери Хорсли (молекулярная, клеточная биология, биология развития и дерматология)
  • Билл Йоргенсен (химия)
  • Кэтрин Миллер-Дженсен (биомедицинская инженерия)
  • Дэвид Стерн (Патология)
  • Скотт Штробель (по должности) (Молекулярная биофизика и биохимия)

Институт биологических систем (ISB)

Директор

Дотт.ssa GIOVANNA MANCINI

Электронная почта: giovanna.mancini@cnr.it
Телефон: +39 06

111

Информация

c / o Area della Ricerca di Roma1 — Montelibretti
Via Salaria Km 29,300 — 00015 Монтеротондо (RM)
Телефон: 06

111 — 06641
Факс: 06519
Электронная почта: isb@isb.cnr.it
URL: http: // www.isb.cnr.it

Миссия

Миссия Института химических методологий — разработка устойчивых химических процессов и технологий, направленных на улучшение качества жизни человечества. Фактически, опираясь на консолидированные навыки и компетенции, которые охватывают большинство химических дисциплин и некоторых гуманитарных наук, персонал IMC задействован в трех стратегических тематических областях, т.е. продовольствие и сельское хозяйство, здравоохранение, окружающая среда и культурное наследие, причем все они сосредотачиваются на общих и разделяют их. цель благополучия человечества.
IMC был основан в 2002 году объединением Института хроматографии, Института ядерной химии и Службы ядерного магнитного резонанса. Через год к IMC присоединился даже бывший Центр изучения механизмов реагирования.
Объединение этих четырех бывших органов CNR основало IMC как уникальную реальность с мультидисциплинарными навыками в диапазоне от радиационной химии до науки о разделении, до неорганической химии, органической химии, аналитической химии, физической химии, супрамолекулярной химии и коллоидной химии, физики и биологии.
В дополнение к научной традиции, основанной на большом количестве химических дисциплин, здесь присутствуют исследователи и технологи с гуманитарным образованием.Таким образом, IMC может оптимально решать основные междисциплинарные задачи, обозначенные Национальной исследовательской программой и Европейской исследовательской программой Horizon 2020, в трех тематических областях, в которых он работает (Продовольствие и сельское хозяйство, Здоровье, Окружающая среда и Культурное наследие).
В этих областях персонал IMC, принимая во внимание три приоритета, таких как i) стратегическая ценность решаемых вопросов, ii) научное превосходство в области химической науки и iii) устойчивость разработанных процессов и продуктов, создает знания, передать их в приложения и сформировать молодое поколение.

Дополнительные места

Институт исследования биологических ресурсов имени Александра фон Гумбольдта (IAHV)

Институт фон Гумбольдта — это гражданская некоммерческая организация, связанная с Министерством окружающей среды, жилищного строительства и территориального развития Колумбии (MADS), основанная в 1993 году для исследования биоразнообразия Национальной экологической системы (SINA). Институт работает в основном в Колумбии, но также является членом международных партнерств, таких как Ибероамериканское реставрационное общество (SIACRE).

Институт имеет опыт реставрации благодаря своему опыту в местных, региональных и национальных инициативах по реставрации. Институт фон Гумбольдта активно поддерживал разработку MADS Национального плана восстановления Колумбии. Кроме того, помимо реализации проектов восстановления ландшафтов в Антиокии и Валле-дель-Каука, Институт также участвует в совместном планировании с местными сообществами, чтобы осуществить восстановление в некоторых регионах Колумбии.

В рамках Инициативы 20×20 Институт нацелен на предоставление научной информации и поддержку принятия решений в области экологии восстановления, ландшафтного планирования, реализации полевых проектов восстановления и мониторинга в стратегических экосистемах (e.грамм. водоразделы, сухие леса, парамосы, влажные леса).

Страна

Колумбия

Институт фон Гумбольдта — это гражданская некоммерческая организация, связанная с Министерством окружающей среды, жилищного строительства и территориального развития Колумбии (MADS), основанная в 1993 году для исследования биоразнообразия Национальной экологической системы (SINA).Институт работает в основном в Колумбии, но также является членом международных партнерств, таких как Ибероамериканское реставрационное общество (SIACRE).

Институт имеет опыт реставрации благодаря своему опыту в местных, региональных и национальных инициативах по реставрации. Институт фон Гумбольдта активно поддерживал разработку MADS Национального плана восстановления Колумбии. Кроме того, помимо реализации проектов восстановления ландшафтов в Антиокии и Валле-дель-Каука, Институт также участвует в совместном планировании с местными сообществами, чтобы осуществить восстановление в некоторых регионах Колумбии.

В рамках Инициативы 20×20 Институт стремится предоставлять научную информацию и поддерживать принятие решений в области экологии восстановления, ландшафтного планирования, реализации полевых проектов восстановления и мониторинга в стратегических экосистемах (например, водосборные бассейны, засушливые леса, парамосы, влажные леса).

Страна

Колумбия

Биология и возможные терапевтические эффекты каннабидиола

Слушания на совещании по наркотикам о препятствиях на пути исследований каннабидиола (Совещание Сената США по международному контролю над наркотиками)

«Каннабидиол: препятствия для исследований и потенциальные медицинские преимущества»

Мистер.Председатель, г-жа председатель и члены Сенатского совета по наркотикам, благодарю вас за приглашение Национального института по борьбе со злоупотреблением наркотиками (NIDA), входящего в состав Национальных институтов здравоохранения (NIH), принять участие в этом слушании, чтобы поделиться тем, что нам известно. о биологии и потенциальных терапевтических эффектах каннабидиола (CBD), одного из основных активных химических соединений, обнаруженных в марихуане. В свете быстро растущего интереса к потенциальному использованию марихуаны и ее производных соединений в медицинских целях, важно подвести итоги того, что мы знаем и не знаем о терапевтическом потенциале CBD.

Задний план

На сегодняшний день 23 штата и округ Колумбия приняли законы, разрешающие употребление марихуаны при различных заболеваниях. Еще пятнадцать штатов приняли законы, разрешающие доступ к маслу CBD и / или штаммам марихуаны с высоким содержанием CBD. Интерес к потенциальным терапевтическим эффектам CBD быстро растет, частично в ответ на внимание средств массовой информации, окружающее использование масла CBD у маленьких детей с трудноизлечимыми приступами, включая синдром Драве и синдром Леннокса-Гасто.Хотя есть многообещающие предварительные данные, научной литературы в настоящее время недостаточно, чтобы доказать или опровергнуть эффективность и безопасность CBD у пациентов с эпилепсией. i и требуется дальнейшая клиническая оценка. Помимо эпилепсии, терапевтический потенциал CBD в настоящее время исследуется по ряду показаний, включая тревожные расстройства, расстройства, связанные с употреблением психоактивных веществ, шизофрению, рак, боль, воспалительные заболевания и другие. Мое свидетельство предоставит обзор того, что наука говорит нам о терапевтическом потенциале CBD, и о текущих исследованиях, поддерживаемых NIH в этой области.

CBD Биология и терапевтическое обоснование

CBD является одним из более чем 80 активных каннабиноидных химических веществ в растении марихуаны. ii В отличие от основного психоактивного каннабиноида в марихуане, тетрагидроканнабинола (THC), CBD не вызывает эйфории или интоксикации. iii, iv, v Каннабиноиды действуют в основном за счет взаимодействия со специфическими рецепторами на клетках мозга и тела: рецептором CB1, обнаруженным на нейронах и глиальных клетках в различных частях мозга, и рецептором CB2, обнаруженным в основном в иммунная система организма.Эйфорический эффект ТГК вызван активацией рецепторов CB1. CBD имеет очень низкое сродство к этим рецепторам (в 100 раз меньше, чем THC), и когда он связывается, он практически не оказывает никакого эффекта. Также появляется все больше свидетельств того, что CBD действует на другие сигнальные системы мозга, и что эти действия могут вносить важный вклад в его терапевтические эффекты. II

Доклинические и клинические доказательства

По-прежнему необходимы строгие клинические исследования для оценки клинического потенциала CBD при определенных состояниях. i Однако доклинические исследования (включая культуру клеток и модели на животных) показали, что CBD обладает рядом эффектов, которые могут быть терапевтически полезными, в том числе противосудорожным, антиоксидантным, нейропротекторным, противовоспалительным, анальгетическим, противовоспалительным. опухолевые, антипсихотические и успокаивающие свойства.

Противосудорожные эффекты

В ряде исследований за последние два или более десятилетия сообщалось, что CBD обладает противосудорожной активностью, снижая тяжесть приступов на животных моделях. vi, vii Кроме того, был проведен ряд тематических исследований и анекдотических отчетов, предполагающих, что CBD может быть эффективным при лечении детей с лекарственно-устойчивой эпилепсией. viii, ix, x Однако было проведено лишь несколько небольших рандомизированных клинических испытаний, изучающих эффективность CBD в качестве лечения эпилепсии; общее количество субъектов, включенных в эти исследования, составляло 48. Три из четырех исследований сообщили о положительных результатах, включая снижение частоты приступов. Однако исследования страдали существенными недостатками дизайна, включая невозможность полностью количественно оценить исходную частоту приступов, неадекватный статистический анализ и отсутствие достаточных деталей для адекватной оценки и интерпретации результатов. viii Таким образом, имеющейся в настоящее время информации недостаточно, чтобы сделать твердые выводы относительно эффективности CBD в качестве лечения эпилепсии; В недавнем Кокрановском обзоре сделан вывод, что существует потребность в «серии правильно спланированных, высококачественных и достаточно мощных испытаний». xi

NIDA в настоящее время сотрудничает с Национальным институтом неврологических расстройств и инсульта для оценки CBD на животных моделях эпилепсии, чтобы понять основные механизмы и оптимизировать условия, при которых CBD может лечить судорожные расстройства, а также определить, работает ли он синергетически с другими анти- изъять лекарства. Кроме того, в настоящее время GW Pharmaceuticals проводит клинические испытания, в которых проверяется эффективность Epidiolex, очищенного экстракта CBD, для лечения детской эпилепсии.

Нейропротекторное и противовоспалительное действие

CBD также обладает нейропротекторными свойствами в клеточных культурах, а также на животных моделях нескольких нейродегенеративных заболеваний, включая болезнь Альцгеймера, xii, xiii, xiv инсульт, xv токсичность глутамата, xvi рассеянный склероз (MS), xvii болезнь Паркинсона, xviii и нейродегенерация, вызванная злоупотреблением алкоголем. xix Набиксимолы (торговое название Sativex), которые содержат примерно равные пропорции THC и CBD, были одобрены в большинстве стран Европы и в ряде других стран для лечения спастичности, связанной с рассеянным склерозом. Он не был одобрен в Соединенных Штатах, но клинические испытания продолжаются, и два недавних исследования показали, что набиксимол снижает тяжесть спастичности у пациентов с РС. xx, xxi Было проведено ограниченное количество клинических испытаний для оценки потенциальной эффективности CBD по другим указанным показаниям; однако недавнее небольшое двойное слепое исследование с участием пациентов с болезнью Паркинсона показало, что CBD улучшает показатели качества жизни. xxii

Обезболивающие эффекты

Было проведено множество клинических испытаний, демонстрирующих эффективность набиксимолов при центральной и периферической нейропатической боли, ревматоидном артрите и боли при раке. xxiii Кроме того, набиксимолы в настоящее время одобрены в Канаде для лечения центральной невропатической боли при РС и боли при раке, не поддающейся лечению опиоидами. Однако текущие данные свидетельствуют о том, что обезболивание опосредуется ТГК, и неясно, способствует ли CBD терапевтическому эффекту. xxiv ТГК сам по себе снижает боль; xxv, xxvi нам неизвестны клинические исследования, в которых изучалась эффективность только CBD при боли. Однако можно предположить, что противовоспалительные свойства CBD (обсуждаемые выше) будут играть роль в обезболивающих эффектах набиксимолов. Недавние исследования также показали, что каннабиноиды и опиоиды обладают разными механизмами уменьшения боли и что их эффекты могут быть аддитивными, что позволяет предположить, что могут быть разработаны комбинированные методы лечения, которые могут снизить риски по сравнению с текущими методами лечения опиоидами.Однако эта работа очень предварительная. xxvii

Противоопухолевые эффекты

В дополнение к исследованиям использования каннабиноидов в паллиативном лечении рака — уменьшении боли и тошноты и повышении аппетита — есть также несколько доклинических отчетов, показывающих противоопухолевые эффекты CBD в культуре клеток и на животных моделях. xxviii Эти исследования обнаружили снижение жизнеспособности клеток, повышенную гибель раковых клеток, снижение роста опухоли и подавление метастазирования (обзор в McAllister et al, 2015). xxix Эти эффекты могут быть связаны с антиоксидантными и противовоспалительными эффектами CBD; xxx однако эти результаты еще не были исследованы на людях. В настоящее время проводится несколько клинических испытаний, спонсируемых промышленностью, чтобы начать тестирование эффективности CBD у больных раком человека.

Антипсихотические эффекты

Марихуана может вызывать острые психотические эпизоды в высоких дозах, и несколько исследований связали употребление марихуаны с повышенным риском хронического психоза у людей с определенными генетическими факторами риска.Исследования показывают, что эти эффекты опосредованы THC, и было высказано предположение, что CBD может смягчить эти эффекты. xxxi Было проведено несколько небольших клинических испытаний, в которых пациенты с психотическими симптомами лечились с помощью CBD, включая отчеты о случаях пациентов с шизофренией, которые сообщили о противоречивых результатах; небольшое исследование пациентов с болезнью Паркинсона, страдающих психозом, которое показало положительные результаты; и одно небольшое рандомизированное клиническое исследование, в котором сообщается о клиническом улучшении у пациентов с шизофренией, получавших CBD. xxxii Потребуются крупные рандомизированные клинические испытания, чтобы полностью оценить терапевтический потенциал CBD для пациентов с шизофренией и другими формами психоза.

Анти-тревожные эффекты

CBD продемонстрировал терапевтическую эффективность в ряде моделей тревоги и стресса на животных, снижая как поведенческие, так и физиологические (например, частоту сердечных сокращений) показатели стресса и беспокойства. xxxiii, xxxiv Кроме того, CBD продемонстрировал эффективность в небольших лабораторных и клинических испытаниях на людях.CBD снижает тревожность у пациентов с социальной тревожностью, подвергшихся стрессовой задаче публичных выступлений. xxxv В лабораторном протоколе, разработанном для моделирования посттравматических стрессовых расстройств, CBD улучшила «консолидацию вымирающего обучения», другими словами, забыв о травматических воспоминаниях. xxxvi Эффекты CBD, снижающие тревожность, по-видимому, опосредуются изменениями в передаче сигналов серотонинового рецептора 1a, хотя точный механизм еще предстоит выяснить, и необходимы дополнительные исследования. xxxvii

Эффективность лечения расстройств, связанных с употреблением психоактивных веществ

Ранние доклинические данные также предполагают, что CBD может иметь терапевтическую ценность для лечения расстройств, связанных с употреблением психоактивных веществ. CBD уменьшил положительные эффекты морфина xxxviii и уменьшил вызванный подсказкой поиск героина xxxix в моделях на животных. В нескольких небольших клинических испытаниях изучались CBD и / или набиксимолы (THC / CBD) для лечения расстройств, связанных с употреблением психоактивных веществ; однако имеющихся данных недостаточно для того, чтобы делать выводы.NIDA поддерживает многочисленные текущие клинические испытания в этой области.

Безопасность CBD

По причинам, обсуждавшимся ранее, несмотря на его молекулярное сходство с THC, CBD слабо взаимодействует с каннабиноидными рецепторами только при очень высоких дозах (в 100 раз больше, чем THC), xl , а изменения мышления и восприятия, вызванные THC, не наблюдаются с CBD. iii.iv, v Различные фармакологические свойства CBD придают ему профиль безопасности, отличный от THC.

Обзор 25 исследований безопасности и эффективности CBD не выявил значительных побочных эффектов в широком диапазоне доз, включая режимы острых и хронических доз, с использованием различных способов введения. xli CBD присутствует в набиксимолах, которые, как отмечалось ранее, одобрены в большинстве стран Европы и других странах. Из-за этого имеется обширная информация о его метаболизме, токсикологии и безопасности. Однако может потребоваться дополнительное тестирование безопасности среди конкретных групп пациентов, если будет подана заявка в Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов.

Возможности и проблемы исследования

Это критическая область для новых исследований. Хотя есть предварительные доказательства того, что CBD может иметь терапевтическую ценность для ряда состояний, нам нужно быть осторожными, чтобы не опередить доказательства. Девяносто пять процентов лекарств, которые переходят от многообещающих доклинических исследований к клиническим исследованиям, не попадают на рынок. Недавно объявленное прекращение обзора PHS протоколов исследований, связанных с марихуаной, не финансируемых из федерального бюджета, является важным первым шагом к расширению проведения исследований марихуаны и ее компонентов, таких как CBD.Тем не менее, важно попытаться понять причины отсутствия хорошо контролируемых клинических испытаний CBD, включая: нормативные требования, связанные с проведением исследований с веществами из Списка I, включая требование продемонстрировать одобрение институционального наблюдательного совета; и отсутствие CBD, который был произведен под руководством Current Good Manufacturing Processes (cGMP) — необходимого для тестирования в клинических испытаниях на людях — доступного для исследователей. Кроме того, возможность сбора важной информации о клинических исходах посредством практических (нерандомизированных) испытаний для пациентов, использующих продукты CBD, доступные в государственных диспансерах марихуаны, осложняется разным качеством и чистотой CBD из этих источников.

Текущее исследование CBD

NIH признает необходимость дополнительных исследований терапевтических эффектов CBD и других каннабиноидов и поддерживает текущие усилия по уменьшению препятствий для исследований в этой области. В настоящее время NIH поддерживает ряд исследований терапевтических эффектов, а также рисков для здоровья каннабиноидов. К ним относятся исследования терапевтической ценности CBD для:

  • Лечение расстройств, связанных с употреблением психоактивных веществ (опиоиды, алкоголь, каннабис, метамфетамин)
  • Ослабление когнитивного дефицита, вызванного ТГК
  • Невропатическая боль из-за травмы спинного мозга
  • Снижение воздействия употребления каннабиса на риск шизофрении
  • Изучение потенциала CBD в качестве противоэпилептического лечения

Важно отметить, что миссия NIDA сосредоточена на злоупотреблении наркотиками; Исследования, связанные с терапевтическими эффектами CBD в других областях, будут финансироваться Институтом или Центром, ответственным за эту программную область.Например, исследования, связанные с эпилепсией, вероятно, будут финансироваться Национальным институтом неврологических расстройств и инсульта или Национальным институтом здоровья детей и развития человека Юнис Кеннеди Шрайвер, в то время как исследования, связанные с шизофренией, скорее всего, будут финансироваться Национальным институтом психических расстройств. Здоровье.

Заключение

Существуют значительные предварительные исследования, подтверждающие потенциальную терапевтическую ценность CBD, и, хотя этого еще недостаточно для подтверждения одобрения лекарства, оно подчеркивает необходимость тщательных клинических исследований в этой области.Существуют препятствия, которые необходимо устранить, чтобы способствовать дальнейшим исследованиям в этой области. Мы ценим возможность свидетельствовать о потенциальном использовании CBD в терапевтических целях. Еще раз спасибо за то, что пригласили меня сюда сегодня, и я с нетерпением жду любых вопросов, которые могут у вас возникнуть.

Рекомендации

  • i Welty et al. Каннабидиол: перспективы и подводные камни. Epilepsy Curr. 14 (5): 250-2. (2014).
  • ii Borgelt et al. Фармакологические и клинические эффекты медицинского каннабиса.Фармакотерапия (обзор) 33 (2): 195–209 (2013).
  • iii Martin-Santos et al. Острые эффекты от приема однократной пероральной дозы d9-тетрагидроканнабинола (THC) и каннабидиола (CBD) у здоровых добровольцев. Curr Pharm Des. 2012; 18 (32): 4966-79.
  • iv Fusar-Poli et al. Различное влияние Δ9-тетрагидроканнабинола и каннабидиола на нервную активацию во время эмоциональной обработки. Arch Gen Psychiatry. 2009; 66 (1): 95-105.
  • v Winton-Brown et al.Модуляция слуховой и визуальной обработки дельта-9-тетрагидроканнабинолом и каннабидиолом: исследование фМРТ. Нейропсихофармакология. 2011 июн; 36 (7): 1340-8.
  • vi Jones et al. Каннабидиол оказывает противосудорожное действие на животных моделях височной доли и парциальных припадков. Захват. 2012 июн; 21 (5): 344-52.
  • vii Consroe P и Wolkin A. Каннабидиол — сравнение противоэпилептических препаратов и взаимодействие при экспериментально вызванных судорогах у крыс.J Pharmacol Exp Ther. 1977 Апрель; 201 (1): 26-32.
  • viii Портер Б.Е. и Якобсон С. Отчет об исследовании родителей использования каннабидиола каннабиса при лечении устойчивой к лечению детей эпилепсии. Эпилепсия и поведение 29 (2013) 574–577.
  • ix Press et al. Сообщения родителей об ответе на пероральные экстракты каннабиса для лечения рефрактерной эпилепсии. Эпилепсия и поведение 45 (2015) 49–52.
  • x Hussain et al. Предполагаемая эффективность экстрактов конопли, обогащенных каннабидиолом, для лечения детской эпилепсии: потенциальная роль в развитии детских спазмов и синдрома Леннокса-Гасто.Эпилепсия. 2015 апр 29. pii: S1525-5050 (15) 00157-2.
  • xi Глосс и Викри Б. Каннабиноиды при эпилепсии. Кокрановская база данных Syst Rev.3: CD009270. (2014).
  • xii Esposito G et al. Компонент марихуаны каннабидиол ингибирует индуцированное бета-амилоидом гиперфосфорилирование тау-белка за счет восстановления пути Wnt / бета-катенин в клетках PC12. J Mol Med (Берл). 84 (3): 253-8. (2006).
  • xiii Мартин-Морено и др. Каннабидиол и другие каннабиноиды снижают активацию микроглии in vitro и in vivo: отношение к болезни Альцгеймера.Молекулярная фармакология. 79 (6): 964-973. (2011).
  • xiv Iuvone et al. Нейропротективный эффект каннабидиола, непсихоактивного компонента Cannabis sativa, на токсичность, вызванную бета-амилоидом, в клетках PC12. J Neurochem. 89 (1): 134-41. (2004).
  • xv Pazos et al. Механизмы нейропротекции каннабидиола у новорожденных свиней с гипоксически-ишемией: роль рецепторов 5HT (1A) и CB2. Нейрофармакология. 71: 282-91. (2013).
  • xvi Hampson et al.Каннабидиол и (-) дельта-9-тетрагидроканнабинол являются нейрозащитными антиоксидантами. Proc Natl AcadSci U S A.95 (14): 8268-73. (1998).
  • xvii Pryce et al. Нейропротекция при экспериментальном аутоиммунном энцефаломиелите и прогрессирующем рассеянном склерозе каннабиноидами на основе каннабиса. J Neuroimmune Pharmacol. 2014, 24 декабря [EPub перед печатью]
  • xviii García-Arencibia et al. Оценка нейропротекторного эффекта каннабиноидов на крысиной модели болезни Паркинсона: важность антиоксидантных и независимых свойств каннабиноидных рецепторов.Brain Res. 1134 (1): 162-70. (2007).
  • xix Hamelink et al. Сравнение каннабидиола, антиоксидантов и диуретиков в устранении нейротоксичности, вызванной перееданием этанолом. J Pharmacol Exp Ther. 2005 август; 314 (2): 780-8.
  • xx Ди Марцо и Чентонце. Эффекты плацебо в клиническом испытании, обогащенном спастичностью рассеянного склероза, с применением каннабиноидного спрея для слизистой оболочки рта (THC / CBD): размер и возможные причины. CNS Neurosci Ther. 21 (3): 215-21. (2015).
  • xxi Flachenecker et al.Набиксимолы (спрей для слизистой оболочки полости рта THC / CBD, Sativex®) в клинической практике — результаты многоцентрового неинтервенционного исследования (MOVE 2) у пациентов со спастичностью рассеянного склероза. Eur Neurol.71 (5-6): 271-9. (2014)
  • xxii Chagas et al. Эффекты каннабидиола при лечении пациентов с болезнью Паркинсона: исследовательское двойное слепое исследование. J Psychopharmacol. 28 (11): 1088-98. (2014).
  • xxiii Руссо Е.Б. Каннабиноиды в лечении трудноизлечимой боли.Терапия и управление клиническими рисками. 4 (1): 245-259. (2008).
  • xxiv Искеджян и др. Метаанализ лечения невропатической боли и боли, связанной с рассеянным склерозом на основе каннабиса. Curr Med Res Opin. 23 (1): 17-24. (2007).
  • xxv Svendsen et al. Уменьшает ли каннабиноид дронабинол центральную боль при рассеянном склерозе? Рандомизированное двойное слепое плацебо-контролируемое перекрестное исследование. BMJ. 31 июля 2004 г .; 329 (7460): 253.
  • xxvi Portenoy et al.Набиксимол для пациентов с раком, принимающих опиоиды, с плохо контролируемой хронической болью: рандомизированное плацебо-контролируемое исследование с дифференцированными дозами. J Pain. 2012 Май; 13 (5): 438-49.
  • xxvii Neelakantan et al. Четкое взаимодействие каннабидиола и морфина в трех моделях ноцицептивного поведения у мышей. Behav Pharmacol. 26 (3): 304-14. (2015).
  • xxviii McAllister et al. Противоопухолевая активность непсихоактивных каннабиноидов растительного происхождения. J Neuroimmune Pharmacol.2015 28 апреля. [Epub перед печатью]
  • xxix McAllister et al. Противоопухолевая активность непсихоактивных каннабиноидов растительного происхождения. J Neuroimmune Pharmacol. 2015 28 апреля. [Epub перед печатью].
  • xxx Massi et al. 5-липоксигеназа и анандамидгидролаза (FAAH) опосредуют противоопухолевую активность каннабидиола, непсихоактивного каннабиноида. J Neurochem. Февраль 2008; 104 (4): 1091-100.
  • xxxi Wilkinson et al. Влияние употребления каннабиса на развитие психотических расстройств.Curr Addict Rep., 1 июня 2014 г .; 1 (2): 115-128.
  • xxxii Изегер и Боссонг. Систематический обзор антипсихотических свойств каннабидиола у людей. Schizophr Res. 162 (1-3): 153-61. (2015).
  • xxxiii Guimaraes et al. Антивозрастной эффект каннабидиола в приподнятом крестообразном лабиринте. Психофармакология (Берл) 100: 558–559 (1990).
  • xxxiv Lemos et al. Вовлечение прелимбической префронтальной коры в индуцированное каннабидиолом ослабление контекстуального условного страха у крыс.Behav Brain Res 207: 105–111 (2010).
  • xxxv Bergamaschi et al. Каннабидиол снижает тревогу, вызванную симуляцией публичных выступлений, у пациентов с социальной фобией, не получавших лечения. Нейропсихофармакология 2011; 36: 1219–1226.
  • xxxvi Das et al. Каннабидиол способствует усилению явного исчезновения страха у людей. Психофармакология (Берл). 2013 Апрель; 226 (4): 781-92.
  • xxxvii Campos et al. Участие серотонин-опосредованной нейротрансмиссии в дорсальном периакведуктальном сером веществе на хронические эффекты каннабидиола в панических реакциях у крыс.Психофармакология (Берл). 2013 Март; 226 (1): 13-24.
  • xxxviii Katsidoni et al. Каннабидиол подавляет стимулирующий эффект морфина: вовлечение рецепторов 5-HT1A в дорсальное ядро ​​шва. Addict Biol. 2013. 18 (2): 286–96.
  • xxxix Ren et al. Каннабидиол, непсихотропный компонент каннабиса, подавляет поиск героина, вызванный сигналом, и нормализует дискретные мезолимбические нейрональные нарушения. J Neurosci. 2009. 29 (47): 14764–9.
  • xl Pertwee RG.Разнообразная фармакология рецепторов CB1 и CB2 трех растительных каннабиноидов: Δ9-тетрагидроканнабинола, каннабидиола и Δ9-тетрагидроканнабиварина.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.