О том, как меняется классическая биология, о неочевидной функции метаболизма и его роли при иммунном ответе рассказал Максим Артемов, профессор Университета Вашингтона в Сент-Луисе, США.
От классической биологии к системной
«Биология превращается из описательной науки в науку количественную. Это связано с разработкой технологических методов. Биология, наконец, поняла, что работает с очень сложными объектами. И сложны в этом процессе не только объекты, но и факт их регулирования», — рассказывает спикер.
Мы знаем, что изучаемые биологией объекты сами по себе интересны и уникальны, но человеку хочется научиться по-настоящему манипулировать ими. Например, в контексте генной инженерии это значит научиться изменять клетки таким образом, чтобы они делали что-то полезное для человека. Сейчас, по словам ученого, мы являемся свидетелями перехода от классической формы биологии к системной. Использование методов последней означает, что у нас появилась возможность получать огромное количество информации из относительно простых экспериментов. Рассмотрим подробнее, о чем идет речь.
Как работает клетка? Knock-out experiment
Давайте рассмотрим, как работает клетка, представив, что она — радио. Мы смотрим сверху на устройство радио таким образом, что нашему глазу доступны все его внутренние элементы (объект в разрезе). На языке биологии у каждого такого радио есть свой фенотип — определенная функция, которую оно выполняет. Наша задача узнать, как с помощью наших действий по отношению к элементам радио, этот фенотип будет меняться. Для этого мы будем убирать или добавлять отдельные элементы радио из общей цепи взаимодействия. Вскоре мы увидим, что нарушается та или иная функция (звук, уровень шума и т. д.), и, исходя из этого, сделаем вывод, насколько сильно нарушена вся функция радио. В биологии эксперимент, позволяющий ученым изымать детали из общей цепи взаимодействия, получил название Knock-out experiment. Все, казалось бы, просто, но мы забыли, что радио можно вскрыть, а клетка закрыта, поэтому долгое время ученые не могли распознать «соседей» того или иного элемента внутри клетки для того, чтобы понять, какие именно элементы следует убирать из цепи.
Сфотографировать клетку
В 2000-е впервые был секвенирован человеческий геном (секвенирование — это общее название методов, которые позволяют установить последовательность нуклеотидов в молекуле ДНК — прим. редакции). Люди, опираясь на знание человеческого генома, научились использовать различные подходы в секвенировании и делать фото клеток. Теперь, когда геном секвенирован, мы знаем, какие запчасти находятся внутри радио. На фотографии клетка представляет собой набор чисел — от 20 до 50 тысяч. В этом проявляется подход системной биологии: мы получили большой объем обсчитываемых данных с помощью технологий. Биологи смотрят на работу клетки так: смотрим на радио (клетку) во включенном состоянии и выключенном, то есть делаем фото и сравниваем числовые таблицы до и после. Так познается архитектура клетки, ее строение.
На языке искусства
Изменение методов в биологии профессор предложил рассмотреть на примере картины позднего Рембрандта. На одной из работ художника мы следим за взглядами изображенных на картине людей и понимаем, что действие, приковывающие взгляд участников, происходит вне изображаемой части картины. Мы можем вычислить, где конкретно происходит действие. То, чем мы занимаемся, в науке называется «нелинейное моделирование». Это действие и есть анализ и изменение методов в биологии. Метод системной биологии отличается еще и тем, что, когда ты знаешь, куда смотреть, то концептуально понятно, как именно это можно исследовать.
Во второй части выступления профессор рассказал о значении понятия «метаболизм» (обмен веществ) в искусстве.
«Метаболизм — это история не о взаимодействии, а о трансформации. Сравним метаболизм с электрическим током, который перетекает из одного участка в другой. Это процесс постоянного изменения», — рассказывает Максим Артемов.
По словам спикера, значимость метаболизма во все времена была высока. Люди искусства начали развивать и исследовать концепцию метаболизма еще до того, как она была сформулирована в научной среде. Например, смысл картины Эдварда Мунка «Метаболизм», написанной в 1899 г., заключается в том, что корни растущего дерева берут начало от того, что уже умерло. Вся жизнь представлена в виде трансформации. После того, как люди творчества стали заниматься концепцией метаболизма с точки зрения искусства, ученый Отто Варбург начал исследовать метаболизм с точки зрения клеточной биологии и физиологии.
Почему истории интересен Отто Варбург и Ганс Кребс?
Отто Варбург стал тем человеком, который рассказал, как клетки извлекают энергию из глюкозы и что при этом процессе необходимо потребление кислорода. Люди впервые узнали, что клетки для извлечения энергии потребляют кислород и превращают его в углекислый газ. Ученый создал специальные инструменты для вычисления давления кислорода и углекислого газа. Отто Варбурга можно назвать первым системным биологом, так как он использовал новейшие технологии для получения огромных обсчитываемых массивов данных.
Ганс Кребс, ученик Отто Варбурга, продолжил работу ученого и узнал, как конкретно кислород превращается в углекислый газ с отдачей энергии. Интересно и другое: 200 лет назад граница между органическими веществами и неорганическими в химии определялась по принципу принадлежности к живым существам и неживым предметам. На перекрестке миров стояла мочевина. Мочевина — это органическое вещество, которое Фридриху Велеру, немецкому химику, удалось синтезировать из двух неорганических веществ. Ученый открыл Цикл мочевины в 1932 г. (Цикл Кребса-Гензелейта — последовательность биохимических реакций млекопитающих и некоторых рыб, в результате которой азотсодержащие продукты распада преобразуются в мочевину, которая в свою очередь выделяется почками — прим. редакции). Другими словами, ученый открыл путь трансформации, в котором используется мочевина в живых организмах и клетках, и показал это экспериментально.
Метаболизм-регулятор?
По словам профессора, интерес к метаболизму в 50−60-е годы прошлого века стал заметно падать. Льюис Кэнтли, американский ученый, снова привлек всеобщее внимание к этому процессу, заявив, что метаболизм нужен не только для получения энергии, но и для того, чтобы регулировать остальные процессы в клетке.
Представьте, что вы марафонец. С точки зрения всего организма для него есть три источника энергии: глюкоза, жиры и гликоген. Ваш мозг работает только на глюкозе, он не использует ни жиры, ни гликоген. Вы бежите, а уровень сахара в организме тем временем снижается. Мозг это чувствует и начинает сигнализировать о том, что пора подкрепиться сладким. Так метаболизм регулирует внутренние процессы.
«Метаболизм — история не про взаимодействие отдельных частиц. Он про то, что одна частица трансформируется в другую. Еще очень важно, что у метаболизма огромный регуляторный потенциал. Эти две идеи — регуляторную и трансформационную — люди исследовали в контексте науки и искусства. И они стали очень важными философскими концепциями», - объясняет спикер.
В заключительной части выступления ученый рассказал слушателям о своей научной работе.
«Наша лаборатория занимается системной иммунологией, и одна из тем, на которых мы фокусируемся, — изучение клеток-макрофагов», - говорит Максим Артемов.
Клетки-макрофаги — это клетки врожденной иммунной системы. Макрофаги — один из самых важных видов клеток, они есть у нас абсолютно во всех участках организма. Они — стражники, которые борются с бактериями, попадающими нам под кожу, поглощая их. Так макрофаги сигнализируют врожденной иммунной системе, что происходит вторжение. Макрофаги интересны и с точки зрения искусства. Эти клетки «заглатывают» не только бактерии, но и все посторонние объекты, которые проникают под кожу. Так, когда мы видим татуировки на теле, на самом деле мы видим, как макрофаги захватили чернила. Важно здесь то, как меняется метаболизм при активации макрофагов: производится витаклиническая кислота, которая является регуляторным метаболитом, разбивающим цикл Кребса.
Второй спикер, выступивший в рамках пятого семинара Art&Science, — человек-легенда Орон Кэттс. Художник и дизайнер, который первым соединил тканевую инженерию и художественное искусство, рассказал слушателям о том, как эволюционирует концепт «жизнь» в связи с научными достижениями и внедрениями их в современные художественные практики.
Выступление художник начал с заявления о том, что у человека сегодня нет культурного языка, который бы позволил в достаточной степени описать, какие изменения претерпевает наша жизнь.
«Мы живем в то время, когда машины становятся похожими на что-то живое, и в каком-то смысле жизнь становится похожей на технологию. И когда мы даем технологиям больше автономии, мы пытаемся создать контроль над уже существующими системами», — говорит художник.
Вычеркнуть из истории
В конце XIX века впервые прозвучала идея о том, что биология должна стать инженерной наукой, и тогда жизнь могла бы стать сырьем для инженеров. Одним из ученых, которые серьезно рассуждали на эту тему, стал Алексис Каррель — фигура, выброшенная на задворки истории. Алексис Каррель был первым, кто начал систематически работать с фрагментами жизни и стал думать о том, как можно сохранить части сложных живых систем за пределами тела. Культурная амнезия произошла с ученым из-за написанных им трудов, посвященных вопросам бессмертия. Алексис Каррель написал книгу о целом классе людей, которые возвышаются над остальными и управляют миром. Роль сверхлюдей в произведении отводилась ученым. В этой же работе звучит идея использования газовых камер для сокращения населения. Надо заметить, что на тот момент уже было известно, что можно контролировать тело и фрагментировать его, используя новые технологии…
Ни в сказке сказать, ни пером описать
Сегодня же в лаборатории Орона Кэттса, существующей при факультете биологии Университета Западной Австралии, ученые и художники работают над «вопросами жизни» и создают совершенно новый тип тела — технологический.
«У нас нет языка, который мог бы описать эти процессы, поэтому, когда все идеи материализуются, могут происходить странные вещи», — объясняет дизайнер.
Сюрреалистическая мечта, созданная рукой ученого
В середине 90-х научным сообществом миру было явлено чудо — мышь с выращенным человеческим ухом на спине. Этика подобного проекта весьма сомнительна, однако это был настоящий прорыв.
«Это сюрреалистическая мечта, которая стала реальностью благодаря работе ученых, а не художников. Это живая скульптура, это нечто, что нас тревожит, возбуждает, раздражает, говорит о будущем. Это побудило меня начать работу по исследованию новых технологий», — говорит Орон Кэттс.
В лаборатории дизайнера работа формулируется следующим образом:
«У нас меняется отношение к жизни, это дает возможность художникам лаборатории участвовать в манипуляции жизнью. Художник получает определенную подготовку в сфере биологии, которая интересна для его исследования. Мы определяем, какие материалы нужны для художественной манипуляции. Также мы изучаем разные философские вопросы, которые связаны с восприятием жизни», — рассказывает художник.
Вдохновение работники лаборатории черпают в научной литературе. По словам Орона Кэттса, миссия лаборатории — изучать сложные связи с жизнью.
«Жизнь действительно становится сырьем. Инженеры дают нам новую палитру художественных возможностей. Это может быть проблематично, но в большинстве случаев мы сталкиваемся с ситуациями, когда или субъект, или объект манипуляции — сама жизнь», - делится спикер.
Сложность заключается в том, чтобы понять, как можно встроить в научный контекст живую художественную систему. Давайте представим, что Эрмитаж — это место вечной смерти. Вещи здесь остаются мертвыми навсегда. Работа Орона Кэттса заключается в том, чтобы поместить некоторые живые экспонаты в такие культурные некрополи, где зачастую этому сопротивляются.
Проекты Отто Кэттса, связанные с тканевой инженерией
В 1996 г. начали думать о живых биологических продуктах и их использовании в сфере дизайна. Возможности тканевой инженерии поражали уже на тот момент.
Орон Кэттс и его коллеги использовали машины и аппараты, которые постепенно могли заменить человеку различные части тела. Затем тело стало площадкой для регенерации, и ученые стали использовать регенеративные возможности тела для выращивания запасных частей.
В это же время ученые задались вопросом, можно ли использовать живую биологическую ткань для выращивания живых скульптур? В одной из лабораторий дизайнер увидел, как из мертвых голов кроликов в течение 24 часов получали живые клетки. Тогда для этого явления ввели термин «частично живые», то есть частично живые системы, полученные от мертвых кроликов. После этого дизайнер начал выращивать скульптуры.
Гватемальские куколки
В 2000-е годы в Линце художник и его коллеги показали выращенных гватемальских куколок, которых обычно дают детям для снятия тревог. В лаборатории создали галерею, где стояло оборудование для поддержания жизни тканевых фигурок. Для того, чтобы поддерживать жизнь скульптур, их каждый день кормили питательным раствором. Люди отражали свои тревоги на компьютерах, которые транслировали эти данные куколкам. Изучалось также влияние голоса людей на рост ткани (люди говорили в микрофон). В конце, по словам дизайнера, куколок пришлось убивать.
«Мы приглашали посетителей убивать наши экспонаты, прикасаясь к ним. Это еще один способ доказать, что они были живыми», — рассказывает Орон Кэттс.
Крылья из ткани свиней
Сотрудники лаборатории Орона Кэттса спроектировали объекты — крылья, которые впоследствии выращивались с помощью биореактора.
«Люди ожидали увидеть летающих свиней или хотя бы большие крылья, которые смогут поднять животных. Однако испытали лишь разочарование, поскольку крылья были очень маленькими. Такое разочарование тоже важно: оно позволяет оставить фантазии и осознать реальность», — рассуждает Орон Кэттс.
Мясо из пробирки
Затем последовала целая серия проектов, связанная с «безжертвенной утопией». Исследователи поставили себе цель — избежать появления жертв. Одной из таких работ стало выращивание мяса в лабораторных условиях. Мясо выращивалось из мышцы цыпленка. Клетки помещались в питательную среду, мышечная ткань поступала в биореактор. Постоянное вращение в нем позволяло избежать плоской формы искусственного мяса. В итоге получился крохотный кусочек, и в 2003 году человек впервые смог попробовать искусственно выращенное мясо.
Кожа без жертвы
Эту серию работ пополнил проект выращивания кожи в лаборатории. Был создан маленький пиджак, который посредством технологий постепенно превращался в живой. В работе использовались стволовые клетки мыши. Объект был показан в рамках выставки Музея Современного Искусства в Нью-Йорке. Среди всех экспонатов это была единственная живая работа, которая ставила вопрос: что произойдет, если ученые и художники будут работать вместе?
Экспонат умер до срока: стволовые клетки, использованные при его создании, росли слишком быстро, вскоре они покинули пиджак, и систему пришлось отключить. Другой такой пиджак, выставленный в Токио, погиб по причине грибкового заражения, несмотря на то, что Орон Кэттс несколько дней «лечил» экспонат.
