Комар под микроскопом: зачем ученые ТГУ исследуют генетику кровососущих
Материалы публикуются в рамках информационного сотрудничества «В Томске» и газеты ТГУ «Проект Alma Mater»
Почему мы так мало знаем об одном из древнейших животных на Земле и не можем победить малярию
Сотни ученых по всему свету исследуют комаров. Кто-то изучает биологию насекомого, кто-то — повадки, а Глеб Артемов из Научно-исследовательского института биологии и биофизики ТГУ — генетику. Вместе с коллегами он составляет хромосомные карты малярийных комаров — то есть «схему» того, как расположены гены в хромосоме. Как это делается и главное для чего — читайте в материале «Проекта Alma Mater».
Хромосома в полтора миллиметра
В корпусе Научно-исследовательского института биологии и биофизики ТГУ обитает три вида малярийных комаров: два из Европы, а один — из Средней Азии. Их разводят колониями в специальных коробах, обтянутых москитной сеткой, а личинки — в чашках с водой. Взрослых особей и личинок ученые используют для того, чтобы составлять карты геномов комаров — то есть схемы относительного расположения генов в каждой хромосоме.
В слюнных железах личинки комара развиваются гигантские, или как говорят ученые, политенные хромосомы. Если в «обычной» хромосоме одна нить ДНК, в политенной — тысячи. А размер ее до 1,5 миллиметра!
Ученым удобно работать с большими хромосомами, разделять их на районы и составлять карты.
Такие исследования — картирование геномов — могут проводиться для любых живых организмов на планете. Карта генома человека, например, была составлена в 1990-2003 годах в результате большого международного проекта «Геном человека». Сейчас благодаря этому исследованию ученые могут диагностировать наследственные заболевания.
На Земле по разным оценкам обитает от 5 до 35 миллионов живых существ, из них описано только 2 миллиона. А карты геномов составлены всего лишь для нескольких десятков: мух-дрозофил, комаров, тараканов, некоторых грибов и микроорганизмов.
На то, чтобы картировать геном одного вида, может потребоваться несколько лет. У ученых ТГУ на составление карты генома малярийного комара Anopheles albimanus ушло, например, три года.
Как комар завоевывал планету
Малярийный комар появился на Земле еще 100 миллионов лет назад. Тогда на планете уже образовались современные материки, но они находились гораздо ближе друг к другу, чем сегодня. Ученые предполагают, что на юге южноамериканского континента впервые появились малярийные комары, которые отделились от других комаров. Со временем материки расходились все дальше, но каким образом происходило распространение комаров — это ученым неизвестно до сих пор.
Решить эту задачу исследователи смогут, сравнив геномы комаров из разных частей света. Чем больше сходства в порядке расположения генов на хромосомах будут иметь два вида, тем ближе в «родословной» они находятся. Таким образом можно будет найти «родственников» из западного побережья Америки и Европы, Китая и Африки и проследить «путь» распространения насекомого.
— Мы пытаемся выяснить, как распространились малярийные комары из северо-американского континента в Евразию, и какие именно виды могли мигрировать через Гренландию, на запад, а какие — через Берингов пролив, на восток, — говорит генетик Глеб Артемов.
Но работу осложняет то, что сейчас у ученых есть в руках геномные карты только четырех видов малярийных комаров. А всего их — около сотни.
— В процессе эволюции целые куски хромосом могут подвергаться перестройкам, и если у двух видов из трех общих перестроек больше по сравнению с третьим, то эти два вида более близки друг другу, чем третий вид, — говорит Глеб Артемов. — Если посмотреть на всю массу видов, можно реконструировать генеалогическое древо малярийного комара. Но для этого нужны хромосомные карты, нужны собранные геномы. А пока эта картина заполнена очень скудно.
Генетики против малярии
Изучать малярийных комаров Глеб Артемов начал еще в студенчестве. В лаборатории эволюционной цитогенетики этим занимаются уже около 50 лет под руководством профессора Владимира Стегния. В СССР малярия была большой проблемой, причем не только в южных республиках, но и в Сибири. Например, у Глеба в детстве эту болезнь перенесла бабушка, жившая в Кемеровской области.
Для того чтобы победить малярию, на территории СССР в середине XX века активно осушали болота. К 1960 году было объявлено, что этой болезни в советских республиках больше нет.
Но для стран Африки и Азии эта проблема остается актуальной до сих пор. По данным Всемирной организации здравоохранения, во всем мире в 2015 году от малярии умерло 429 тысяч человек, а заразилось — 212 миллионов. Причем 70 % пострадавших — дети.
Ученые считают, что картирование генома малярийного комара поможет найти эффективный способ борьбы с малярией.
«Болотную лихорадку» вызывает малярийный плазмодий — микроорганизм. Его переносят определенные виды комаров — от одного заболевшего человека к другому. Малярийные комары распространены по всему земному шару, тогда как малярийный плазмодий встречается не везде. Поэтому вовсе не обязательно, что при укусе малярийного комара вы тут же заболеете малярией — если в регионе нет малярийного плазмодия, значит, и укус малярийного комара не опасен.
В России сейчас обитает около десятка видов малярийных комаров. Потенциально они могут переносить малярию, но пока на территории страны нет плазмодия, можно не опасаться заражения. Однако с изменением климата, отмечают ученые, возможно, что вспышки малярии вернутся — на север с юга продвигаются более теплолюбивые виды и приносят с собой плазмодий.
Пока самый действенный способ уничтожения вспышек малярии — это уничтожение переносчика заболевания — малярийных комаров. Одним из современных методов борьбы являются подход с применением генетической инженерии. Например, в геном самцов вводится ген, который останавливает развитие потомства: оно погибает, прежде чем достигнет репродуктивного возраста. В 2009-2010 годах почти три миллиона таких насекомых были выпущены у Каймановых островов, что вызвало снижение численности комаров на 96 %.
Но этот способ не безопасный для всей природы — каждый вид животного на Земле имеет уникальное значение. Уничтожение комаров приведет к нарушению экологического равновесия. Самое очевидное, к чему это может привести, говорят ученые, — сокращение массы корма для хищных насекомых, птиц, пресноводных рыб.
Однако более эффективного метода борьбы с малярией пока не существует. И связано это в том числе с тем, что генетики до сих пор не имеют полного представления о то, что такое малярийный комар.
— Значение нашей работы зачастую сложно понять обывателю, — вздыхает Глеб Артемов. — Потому что она не дает непосредственного практического результата. Мы не разрабатываем, например, новый препарат для уничтожения насекомых. Однако создаем фундаментальные ресурсы, которые будут использовать другие ученые по всему миру, в том числе и те, кто разрабатывает новые подходы для борьбы с малярией.
