Экспонаты Зоомузея МГУ заговорили на языке генов

ДНК, выде­лен­ная из экс­по­на­тов Зоо­ло­ги­че­ско­го музея МГУ, помо­га­ет био­ло­гам нахо­дить отве­ты на загад­ки систе­ма­ти­ки и эво­лю­ции живот­но­го мира.

Кол­лек­ции живот­ных и рас­те­ний есте­ствен­но­на­уч­ных музеев зна­ко­мят посе­ти­те­лей с бес­ко­неч­ным раз­но­об­ра­зи­ем живо­го мира, а для нау­ки хра­нят это раз­но­об­ра­зие экзем­пля­ров, собран­ных нату­ра­ли­ста­ми в тече­ние веков. При­чем в музей­ных экс­по­на­тах, заспир­то­ван­ных, зафор­ма­ли­нен­ных и высу­шен­ных в виде тушек и чучел, сохра­нен не толь­ко внеш­ний облик живу­щих или уже не живу­щих на пла­не­те существ. В них закон­сер­ви­ро­ва­на инфор­ма­ция, кото­рая может рас­ска­зать о род­ствен­ных свя­зях с дру­ги­ми орга­низ­ма­ми и, сле­до­ва­тель­но, об их эво­лю­ции. Носи­тель этой инфор­ма­ции — ДНК. Нуж­но толь­ко уметь ее про­чи­тать. Сего­дня, когда моле­ку­ляр­но-гене­ти­че­ские мето­ды проч­но вошли в прак­ти­ку поле­вых зоо­ло­гов, они исполь­зу­ют­ся и в музе­ях. При всех круп­ных музе­ях есте­ствен­ной исто­рии в мире име­ют­ся лабо­ра­то­рии гене­ти­че­ско­го ана­ли­за, и в них иссле­ду­ет­ся бога­тей­ший мате­ри­ал, за кото­рым и ходить-то нику­да не надо — вот он, под рукой. С помо­щью моле­ку­ляр­ной гене­ти­ки музей­ные экс­по­на­ты в инфор­ма­ци­он­ном смыс­ле «ожи­ва­ют». И музеи выхо­дят на новый уро­вень науч­ных иссле­до­ва­ний — воз­мож­ность обра­ще­ния к гене­ти­ке ради­каль­но рас­ши­ря­ет исполь­зо­ва­ние их кол­лек­ций как источ­ни­ка полу­че­ния новых зна­ний.

Такая лабо­ра­то­рия теперь есть и в Зоо­ло­ги­че­ском музее МГУ на Боль­шой Никит­ской. Она нача­ла рабо­тать в 2016 году, когда музей отме­тил свое 225-летие. Назы­ва­ет­ся она Лабо­ра­то­ри­ей исто­ри­че­ской ДНК. Сло­во «исто­ри­че­ской» не долж­но вво­дить в заблуж­де­ние — здесь рабо­та­ют с ДНК живот­ных, жив­ших в исто­ри­че­ский пери­од, образ­цы кото­рых собра­ны спе­ци­а­ли­ста­ми. Это назва­ние под­чер­ки­ва­ет воз­раст музей­ных экс­по­на­тов — им от десят­ков до пары сотен лет, но не тыся­чи лет (тогда речь идет уже о пале­оДНК, или древ­ней ДНК). Но из образ­цов «исто­ри­че­ско­го» воз­рас­та выде­лить ДНК гораз­до труд­нее, чем из све­жих. Преж­де все­го нуж­но обес­пе­чить высо­кую сте­пень сте­риль­но­сти, что­бы избе­жать кон­та­ми­на­ции, про­ще гово­ря— загряз­не­ния.

Евгения Соловьёва
Евге­ния Соло­вьё­ва

— Гото­вить лабо­ра­то­рию мы нача­ли еще в 2014 году, — рас­ска­зы­ва­ет канд. биол. наук Евге­ния Соло­вьё­ва, кото­рая руко­во­дит лабо­ра­то­ри­ей и рабо­та­ет в ней прак­ти­че­ски в оди­ноч­ку (рис. 1). — Было непро­сто выбрать под­хо­дя­щее поме­ще­ние в ста­ром зда­нии музея, потом надо было сде­лать ремонт, покрыть сте­ны спе­ци­аль­ной крас­кой, на кото­рой не осе­да­ет пыль, уста­но­вить спе­ци­аль­ную вен­ти­ля­цию с филь­тра­ми.

Лабо­ра­то­рию надо было осна­стить обо­ру­до­ва­ни­ем, и тут, очень кста­ти, МГУ полу­чил боль­шой грант на раз­ра­бот­ку науч­ных основ созда­ния биобанка–депозитария живых систем. Одна из глав­ных задач про­ек­та состо­я­ла в том, что­бы про­ве­сти инвен­та­ри­за­цию, оциф­ров­ку и вве­де­ние в науч­ный обо­рот мно­го­чис­лен­ных и раз­но­об­раз­ных кол­лек­ций, хра­ня­щих­ся в МГУ. На сред­ства про­ек­та сотруд­ни­ки Зоому­зея смог­ли заку­пить всё необ­хо­ди­мое для рабо­ты — лами­нар­ные бок­сы (рис. 2), тер­мо­ста­ты, цен­три­фу­ги, ампли­фи­ка­тор и пр. Навы­кам рабо­ты с древ­ней ДНК Евге­ния обу­ча­лась на ста­жи­ров­ке в Музее есте­ствен­ной исто­рии Сток­голь­ма, в лабо­ра­то­рии, где иссле­ду­ют ДНК мамон­тов, шер­сти­стых носо­ро­гов и дру­гих живот­ных, исчез­нув­ших с нашей пла­не­ты отно­си­тель­но недав­но.

Рис 1. Евгения Соловьёва в лаборатории.
Рис 1. Евге­ния Соло­вьё­ва в лабо­ра­то­рии.
Рис. 2. Ламинарный бокс для выделения ДНК
Рис. 2. Лами­нар­ный бокс для выде­ле­ния ДНК

С 2016 года лабо­ра­то­рия в Зоому­зее нача­ла про­во­дить иссле­до­ва­ния и решать био­ло­ги­че­ские зада­чи, кото­рых у зоо­ло­гов нако­пи­лось изряд­но.

— В основ­ном мы рабо­та­ем по запро­сам кол­лег, кото­рые зани­ма­ют­ся раз­ны­ми груп­па­ми живот­ных, — рас­ска­зы­ва­ет Евге­ния Соло­вьё­ва, — это и пти­цы, и бес­по­зво­ноч­ные, и пре­смы­ка­ю­щи­е­ся, и мле­ко­пи­та­ю­щие. Кол­ле­ги при­хо­дят ко мне с раз­ны­ми зада­ча­ми. Напри­мер, нуж­но срав­нить дан­ные по све­жим сбо­рам с типо­вым экзем­пля­ром того же вида в музей­ной кол­лек­ции. Ино­гда по дан­но­му виду есть толь­ко музей­ные образ­цы, и надо срав­нить экзем­пля­ры, собран­ные в раз­ных гео­гра­фи­че­ских точ­ках. Я выде­ляю ДНК из мате­ри­а­лов раз­но­го типа: это могут быть спир­то­вые про­бы, кости, фраг­мен­ты тушек.

По пути в лабо­ра­то­рию мы с Евге­ни­ей пере­се­ка­ем исто­ри­че­ские инте­рье­ры экс­по­зи­ци­он­ных залов музея с колон­на­ми, гале­ре­я­ми и мости­ка­ми под потол­ком, мину­ем застыв­ших в вит­ри­нах зве­рей, птиц и про­чих тва­рей, неко­то­рые из кото­рых ждут сво­ей оче­ре­ди на гене­ти­че­ское тести­ро­ва­ние. Поме­ще­ние лабо­ра­то­рии, очень малень­кое, состо­ит из трех отсе­ков. В пер­вом мы пере­оде­ва­ем­ся в сте­риль­ные ком­плек­ты одно­ра­зо­вой одеж­ды: ком­би­не­зон, шлем, бахи­лы, пер­чат­ки, мас­ка. Систе­ма вен­ти­ля­ции устро­е­на так, что воз­дух через филь­тры пода­ет­ся под неболь­шим дав­ле­ни­ем в самый чистый отсек, а отту­да посту­па­ет в менее чистые отсе­ки. Таким обра­зом, ток воз­ду­ха воз­мо­жен толь­ко в одном направ­ле­нии. В про­ме­жу­точ­ном отсе­ке нахо­дят­ся спе­ци­аль­ные устрой­ства для обра­бот­ки кост­но­го мате­ри­а­ла — виб­ра­ци­он­ная мель­ни­ца и бокс, в кото­ром из кости высвер­ли­ва­ет­ся нуж­ный фраг­мент (обя­за­тель­но из ее глу­бо­ких сло­ев). В самом чистом отсе­ке раз­ме­ща­ет­ся лами­нар­ный бокс и всё необ­хо­ди­мое для выде­ле­ния ДНК. Это самая ответ­ствен­ная часть рабо­ты, имен­но на этом эта­пе нуж­но исклю­чить загряз­не­ние. Здесь воз­ни­ка­ют опре­де­лен­ные слож­но­сти.

— Ино­гда в музей­ных образ­цах ДНК сохра­ня­ет­ся даже хуже, чем в тру­пах мамон­тов из веч­ной мерз­ло­ты, — гово­рит Евге­ния. — Экс­по­на­ты дол­гое вре­мя под­вер­га­лись воз­дей­ствию све­та, тем­пе­ра­ту­ры. Боль­шая про­бле­ма — рабо­та с фор­ма­лин­ны­ми образ­ца­ми. ДНК в них про­хо­дит хими­че­скую моди­фи­ка­цию и силь­но раз­ру­ша­ет­ся. В мире уже есть рабо­ты, в кото­рых ДНК успеш­но выде­ля­ли из фор­ма­лин­ных образ­цов, хотя их очень мало. Я попро­бо­ва­ла два мето­да, но пока они не при­ве­ли к успе­ху, надо про­бо­вать дру­гие.

После выде­ле­ния ДНК в ней надо иссле­до­вать опре­де­лен­ный уча­сток, а для это­го его ампли­фи­ци­ру­ют (мно­го­крат­но умно­жа­ют) мето­дом поли­ме­раз­ной цеп­ной реак­ции.

— В нашем слу­чае, — уточ­ня­ет Евге­ния, — посколь­ку ДНК потен­ци­аль­но силь­но фраг­мен­ти­ро­ва­на, ампли­фи­ци­ру­ют корот­кие пере­кры­ва­ю­щи­е­ся фраг­мен­ты ДНК (дли­ной око­ло 100–200 пар осно­ва­ний), исполь­зуя спе­ци­фи­че­ские прай­ме­ры (корот­кие цепоч­ки нук­лео­ти­дов, обо­зна­ча­ю­щие нача­ло и конец фраг­мен­та). Эти фраг­мен­ты затем соби­ра­ют в еди­ную после­до­ва­тель­ность изу­ча­е­мо­го гена (или генов).

Какой имен­но уча­сток ДНК инте­ре­су­ет иссле­до­ва­те­лей, зави­сит от зада­чи. Чаще все­го для ее реше­ния нуж­но посмот­реть после­до­ва­тель­но­сти одно­го-двух, ино­гда боль­ше­го чис­ла генов. Начи­на­ют обыч­но с генов мито­хон­дри­аль­ной ДНК, при необ­хо­ди­мо­сти пере­хо­дят на ядер­ные гены. Для секве­ни­ро­ва­ния (опре­де­ле­ния после­до­ва­тель­но­сти ДНК) мате­ри­ал отправ­ля­ют в дру­гую лабо­ра­то­рию — «Евро­ген» в Инсти­ту­те био­ор­га­ни­че­ской химии РАН. Полу­чен­ный резуль­тат срав­ни­ва­ют с откры­той онлай­но­вой базой — Ген­бан­ком (GenBank).

— По мито­хон­дри­аль­ной ДНК мы чаще все­го рабо­та­ем с геном пер­вой субъ­еди­ни­цы цито­хро­мок­си­да­зы (COI) — он исполь­зу­ет­ся для «бар­ко­дин­га» (гене­ти­че­ский «штрих-код», спе­ци­фич­ный для каж­до­го вида), и по нему в Ген­бан­ке накоп­лен боль­шой объ­ем инфор­ма­ции, — объ­яс­ня­ет Соло­вьё­ва. — Для неко­то­рых видов мы выби­ра­ем гены, исхо­дя из того, по каким из них име­ет­ся боль­ше все­го дан­ных для срав­не­ния.

Ана­ли­зи­руя полу­чен­ные резуль­та­ты, иссле­до­ва­те­ли ищут отве­ты на постав­лен­ные вопро­сы о род­ствен­ных отно­ше­ни­ях изу­ча­е­мых живот­ных. Для это­го срав­ни­ва­ют после­до­ва­тель­но­сти ДНК этих живот­ных и близ­ко­род­ствен­ных так­со­нов и стро­ят фило­ге­не­ти­че­ские дере­вья — гра­фи­че­ское отоб­ра­же­ние эво­лю­ци­он­ных свя­зей меж­ду вида­ми (под­ви­да­ми, осо­бя­ми и т. п.).

Каж­дая био­ло­ги­че­ская зада­ча, реша­е­мая в лабо­ра­то­рии, — это осно­ва для отдель­но­го про­ек­та. За два года в рабо­те было 13 про­ек­тов, из кото­рых пять завер­ше­ны, а резуль­та­ты четы­рех уже опуб­ли­ко­ва­ны в науч­ных ста­тьях.

Напри­мер, в одном из про­ек­тов иссле­до­ва­ли лету­чую мышь — нето­пы­ря, хра­нив­ше­го­ся в музее в един­ствен­ном экзем­пля­ре, для кото­ро­го не была ясна при­над­леж­ность к какой-либо груп­пе.

— Ана­лиз фраг­мен­тов двух мито­хон­дри­аль­ных и одно­го ядер­но­го гена пока­зал, что он отно­сит­ся к груп­пе восточ­ных нето­пы­рей, бли­же к яван­ско­му нето­пы­рю, — гово­рит Евге­ния. — Мы ана­ли­зи­ро­ва­ли и дру­гие близ­кие роды из этой три­бы, и нам уда­лось под­твер­дить, что нето­пы­ри рас­па­да­ют­ся на груп­пу восточ­ных и груп­пу запад­ных видов, при этом наи­бо­лее близ­кой вет­вью к восточ­ным ока­зал­ся отдель­ный род — тол­сто­па­лые нето­пы­ри. А по музей­но­му экзем­пля­ру нето­пы­ря мы опи­са­ли новый под­род.

Самый пер­вый про­ект, как рас­ска­зы­ва­ет Евге­ния, был непо­сред­ствен­но свя­зан с ее спе­ци­аль­но­стью — она гер­пе­то­лог и дис­сер­та­цию защи­ща­ла по фило­ге­нии круг­ло­го­ло­вок. На фило­ге­не­ти­че­ском дере­ве не хва­та­ло хен­та­ун­ской круг­ло­го­лов­ки — это яще­ри­ца, оби­та­ю­щая в Турк­ме­нии (рис. 3). Орга­ни­зо­вать экс­пе­ди­цию в Турк­ме­нию для ее поис­ков сей­час прак­ти­че­ски невоз­мож­но. Но экзем­пляр высу­шен­ной шкур­ки круг­ло­го­лов­ки хра­нил­ся в музее. Из него уда­лось полу­чить дан­ные по трем генам, что поз­во­ли­ло допол­нить фило­ге­не­ти­че­ское дере­во круг­ло­го­ло­вок.

Рис. 3. Хентаунская круглоголовка (фото Е. А. Дунаева)
Рис. 3. Хен­та­ун­ская круг­ло­го­лов­ка (фото Е. А. Дуна­е­ва)

Еще один про­ект, пока не закон­чен­ный, — ана­лиз ДНК чека­на Прже­валь­ско­го. Эти малень­кие птич­ки живут в Китае, в труд­но­до­ступ­ных гор­ных реги­о­нах. В лабо­ра­то­рии уда­лось выде­лить ДНК из тушек, кото­рые были собра­ны 130–150 лет назад — на сего­дня это самый ста­рый из ана­ли­зи­ру­е­мых образ­цов (рис. 4). Резуль­та­ты по мито­хон­дри­аль­но­му гену ND2 срав­ни­ли с дан­ны­ми Ген­бан­ка и дан­ны­ми дру­гих кол­лег. И ока­за­лось, что гене­ти­ка в дан­ном слу­чае про­ти­во­ре­чит мор­фо­ло­гии и био­аку­сти­ке: пти­цы, кото­рые отли­ча­ют­ся по внеш­не­му виду и песне, обла­да­ют оди­на­ко­вой мито­хон­дри­аль­ной ДНК. Теперь перед уче­ны­ми сто­ит зада­ча про­ве­рить мар­ке­ры ядер­ной ДНК, что­бы понять, как такое мог­ло полу­чить­ся. Воз­мож­но, меж­ду близ­ки­ми вида­ми чека­нов про­изо­шла гибри­ди­за­ция, в ходе кото­рой один вид поза­им­ство­вал мито­хон­дри­аль­ный геном у дру­го­го вида.

Рис. 4. Музейные образцы чекана Пржевальского
Рис. 4. Музей­ные образ­цы чека­на Прже­валь­ско­го

А тем вре­ме­нем появ­ля­ют­ся новые зада­чи и новые про­ек­ты. Уче­ные нача­ли рабо­тать с тар­па­ном — вымер­шим видом дикой лоша­ди. В ­Зоому­зее хра­нит­ся череп тар­па­на (рис. 5), ему око­ло 100 лет, веро­ят­но, это был послед­ний тар­пан, встре­чен­ный в при­ро­де. ДНК тар­па­на спе­ци­а­ли­сты пла­ни­ру­ют отдать на секве­ни­ро­ва­ние пол­но­го гено­ма.

Рис. 5. Череп тарпана в боксе для высверливания фрагмента кости
Рис. 5. Череп тар­па­на в бок­се для высвер­ли­ва­ния фраг­мен­та кости

— По тар­па­ну пока нет ника­ких моле­ку­ляр­ных дан­ных, — гово­рит Соло­вьё­ва. — Мы хотим узнать, насколь­ко он отли­ча­ет­ся от дру­гих лоша­дей и с каки­ми их вида­ми нахо­дит­ся в наи­бо­лее близ­ком род­стве.

Моле­ку­ляр­но-гене­ти­че­ская лабо­ра­то­рия для рабо­ты с музей­ны­ми образ­ца­ми живот­ных пока един­ствен­ная в нашей стране. Прав­да, гене­ти­ки рабо­та­ют с древ­ней ДНК в Москве и Ново­си­бир­ске, но у них несколь­ко иные зада­чи. Такой лабо­ра­то­рии, кото­рая была бы наце­ле­на имен­но на рабо­ту с музей­ны­ми образ­ца­ми и на реше­ние с их помо­щью раз­лич­ных био­ло­ги­че­ских задач, в Рос­сии боль­ше нет.

Михаил Калякин
Миха­ил Каля­кин

— В кол­лек­ции Зоо­ло­ги­че­ско­го музея МГУ око­ло 10 млн экзем­пля­ров, — рас­ска­зы­ва­ет дирек­тор музея, докт. биол. наук ­Миха­ил Каля­кин. — Эта оцен­ка очень при­бли­зи­тель­ная, так как точ­но под­счи­тать мел­ких бес­по­зво­ноч­ных живот­ных невоз­мож­но. У нас есть планк­тон­ные про­бы, про­бы бен­то­са, в каж­дой из кото­рых тыся­чи орга­низ­мов, — как их посчи­тать? Мы попро­бо­ва­ли оце­нить нашу кол­лек­цию жуков, гру­бо при­ки­нув чис­ло экзем­пля­ров в ящи­ках и ящи­ков в шка­фах, полу­чи­лось поряд­ка 5 млн. Исто­рия музея вос­хо­дит к 1759 году. Но за 260 лет его гигант­ская кол­лек­ция нико­гда не была в такой сте­пе­ни вос­тре­бо­ва­на, как сей­час. Сего­дня мы можем, исполь­зуя образ­цы из кол­лек­ции, пере­про­ве­рить дан­ные, выявить ошиб­ки и иссле­до­вать дан­ные на новом уровне совре­мен­ных тех­но­ло­гий. В Лабо­ра­то­рии исто­ри­че­ской ДНК мы пыта­ем­ся решить сокро­вен­ные вопро­сы систе­ма­ти­ки, най­ти отве­ты на загад­ки, кото­рые зоо­ло­ги мно­го лет не мог­ли раз­га­дать. Бла­го­да­ря появ­ле­нию у нас этой лабо­ра­то­рии зна­чи­тель­ная часть музей­ной кол­лек­ции ста­ла доступ­на для гене­ти­че­ско­го ана­ли­за. Пока речь идёт о точеч­ном исполь­зо­ва­нии наи­бо­лее важ­ных и инте­рес­ных экзем­пля­ров, но тех­но­ло­гии раз­ви­ва­ют­ся, и пер­спек­ти­вы исполь­зо­ва­ния музей­ных кол­лек­ций рас­ши­ря­ют­ся.

Надеж­да Мар­ки­на

От редак­ции ТрВ-Нау­ка: Искренне жела­ем сотруд­ни­кам музея уда­чи и энер­гии в этом тита­ни­че­ском тру­де!

Если вы нашли ошиб­ку, пожа­луй­ста, выде­ли­те фраг­мент тек­ста и нажми­те Ctrl+Enter.

Связанные статьи

avatar
  Подписаться  
Уведомление о
Оценить: 
Звёзд: 1Звёзд: 2Звёзд: 3Звёзд: 4Звёзд: 5 (4 оценок, среднее: 4,00 из 5)
Загрузка...
 
 
 

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: