Во время экскурсии по Морской биологической лаборатории в Вудс-Холе, штат Массачусетс, Кори Аллард заметил нечто странное: рыба использовала шесть похожих на ноги придатков, чтобы «ходить» по дну своего аквариума.
Алларда заинтриговала мысль, что учёные подозревают: эти придатки являются органами чувств, которые помогают рыбе — так называемым морским петухам — прощупывать песок в поисках добычи. Его интерес усилился, когда он обнаружил, что почти ничего не известно о морских петухах, кроме пары статей 1970-х годов.
Вскоре он начал изучать эту причудливую рыбу.
Встреча, положившая начало исследовательскому пути
Эта встреча положила начало исследовательскому пути Алларда, который завершился назначением на должность доцента клеточной биологии в Институте Блаватника при Гарвардской медицинской школе.
Аллард, открывший свою лабораторию прошлой осенью, изучает различные виды, руководствуясь любопытством, стремясь раскрыть основные биологические принципы, некоторые из которых могут в конечном итоге найти применение в медицине или промышленности.
В беседе с Harvard Medicine News Аллард рассказал о ценности сосредоточения на необычных организмах, о том, почему он рад присоединиться к преподавательскому составу медицинской школы, и о том, что может потерять область, поскольку федеральное финансирование исследований, которое является источником поддержки его исследований, становится всё более неопределённым.
Изучение необычных организмов
Мы изучаем виды, которые имеют какие-то необычные черты или поведение — что-то, что заставляет нас задуматься, как именно это работает. Что-то, что бросает вызов нашим представлениям о биологии. Затем мы пытаемся узнать у этого вида, часто с точки зрения молекул и клеток. Мы задаём вопросы, например, как у вида развилась эта черта или поведение и как оно функционирует. Таким образом, мы можем ответить на более серьёзные вопросы, связанные с неврологией, эволюцией и сравнительной биологией. Долгосрочная цель — углубить наши знания в области фундаментальной биологии, чтобы помочь нам понять болезни и разработать новые методы лечения.
Известный физиолог Август Крог разработал принцип, согласно которому для любого конкретного научного вопроса существует организм, идеально подходящий для его изучения. Мы переворачиваем принцип Крога с ног на голову, утверждая, что большинство необычных организмов могут научить нас чему-то важному.
Мы изучили множество необычных видов, включая головоногих, морских петухов и, совсем недавно, удивительную линию морских слизней. В каждом случае мы выявляли вид, который, по нашему мнению, полезен для постановки вопроса, который невозможно было бы задать с помощью более традиционных исследовательских организмов, таких как мыши или рыбки данио.
Необычные организмы и их значение для науки
Я всегда был очарован животными и тем, как они устроены, но не осознавал, что изучение животных может стать карьерой, пока не поступил в колледж. Будучи студентом, я работал волонтёром в лаборатории, которая изучала антарктических ледяных рыб, у которых нет красных кровяных телец — по сути, у них эволюционировала анемия. Мы использовали рыбу для выявления генов, участвующих в формировании красных кровяных телец. Благодаря этому исследованию я заинтересовался стратегией сравнительной биологии и использования видов с необычными чертами для понимания биологии и медицины — в основном, изучения крайностей или исключений.
Существует множество таких видов. Например, будучи постдоком в лаборатории Николаса Беллоно в Гарвардском университете, я изучал организацию и функцию нервной системы у осьминогов и кальмаров. У этих организмов сложные нервные системы, которые поддерживают сложное поведение, но организованы радикально иначе, чем у других видов, включая людей, и таким образом бросают вызов нашему пониманию того, как работают нервные системы.
Мы сосредоточились на сенсорных системах, в частности на присосках, которые есть у осьминогов и кальмаров на их руках и щупальцах. Люди давно знают о присосках, но никто не понимал, как они работают с точки зрения сенсорной функции. Мы задавали основные вопросы, например, какие сенсорные рецепторы находятся в присосках? Как эти клетки связаны с нервной системой? Как присоски опосредуют поведение, уникальное для головоногих?
Использование головоногих для изучения основных функций нервной системы соответствует нашей основной цели: открыть фундаментальные принципы, которые можно широко применять ко многим видам. Сравнивая виды, мы можем обнаружить основные принципы, действующие в разных системах. Именно такая информация может быть переведена в медицину или промышленность.
Морские петухи как пример эволюционно новой черты
Морские петухи — отличный пример нового признака в эволюции. Происхождение новых признаков уже давно является важным вопросом в биологии, но его трудно изучать, потому что не так много хороших примеров, особенно у позвоночных. Морские петухи оказались отличным видом для решения этого вопроса.
Мы хотим понять всё, что можно узнать о «ногах» морского петуха, включая то, что они собой представляют, как они функционируют как органы чувств, как они развиваются и как они эволюционировали. Как только вид эволюционирует с новым сенсорным органом, большой загадкой становится то, как этот орган интегрирован в нервную систему и контролируется. Мы выяснили, что у морских петухов есть дополнительные области в мозге и спинном мозге, которые предназначены для контроля и обработки сенсорной информации от их ног.
Это отличный пример исследования, которое можно было провести только с конкретным видом. Нам пришлось изучить морских петухов, чтобы выяснить, как эволюционировал новый сенсорный орган.
Методы исследования
Мы не используем какой-то один метод. Наше любопытство часто ведёт нас в необычных направлениях, и мы должны адаптироваться, поэтому мы стараемся использовать любой метод, который требуется, будь то секвенирование РНК, биоинформатика, гистология, микроскопия или электрофизиология. Кроме того, поскольку наши виды не являются модельными организмами, у них нет обширных наборов инструментов, поэтому нам приходится разрабатывать свои собственные. Всегда есть какой-нибудь инструмент, который нам нужно изучить, или мы работаем с коллегами. Фактически, практически каждый проект, который мы делаем, в какой-то степени является совместным.
Например, мы сотрудничаем с лабораторией Рэйчел Вольфсон в нашем отделе над проектом по изучению морских петухов. Моя лаборатория обнаружила, что у морских петухов есть массивные спинномозговые ганглии — скопления сенсорных нейронов — которые простираются до их ног. Мы думаем, что эти спинномозговые ганглии являются одной из особых частей их нервной системы. Лаборатория Рэйчел изучает аналогичные вопросы внутреннего восприятия у мышей, поэтому мы вместе работаем над пониманием функции и эволюции сенсорных клеток — почему рыба может быть такой, а мышь — другой.
Заключение
В целом, я, наверное, необычно вписываюсь в медицинскую школу. Суть в том, что нас интересуют основные функции клеток и молекул в самых разных контекстах. Когда я начал думать о типах учёных, которых хочу видеть прямо по коридору, я был в восторге от возможности быть рядом с людьми, которые глубоко размышляют об этих темах и которые являются экспертами в молекулах, клетках и мощных методах, таких как протеомика, которые мы можем использовать для их изучения.
С этой точки зрения, хотя мы думаем об этих вопросах по-разному, у людей в моей лаборатории много общего с другими людьми в HMS и на кафедре клеточной биологии.
Один из моих основных проектов сейчас посвящён двум удивительным линиям морских слизней. Оба воруют клеточные части у других видов и используют их в своём теле. Один слизень питается определёнными водорослями и крадёт хлоропласты водорослей — органеллы, которые зелёные растения используют для производства пищи посредством фотосинтеза. Затем, вместо того чтобы переваривать хлоропласты, слизень помещает их в свои клетки и использует для фотосинтеза.
Другой слизень питается морскими анемонами и крадёт органеллы, отвечающие за жаление. Слизь включает стрекающие органеллы в свои клетки, что даёт ей возможность жалить.
Мы хотим понять основную биологию того, как слизни воруют, поддерживают и используют органеллы от других видов. Также, если мы сможем научиться инженерить другие типы клеток, чтобы они могли делать это в лаборатории, могут быть медицинские или промышленные применения.
Именно такими вещами я и воодушевляюсь. У нас есть и другие проекты, которые являются вариациями на тему изучения новых черт и поведения, но пока ещё рано, так что мы не знаем, как они себя покажут. Ещё многое предстоит сделать.
Я часто слышу, что если бы наша наука была важна, мы могли бы заставить компанию платить за неё, что основано на идее, что все важные исследования напрямую связаны с разработкой чего-то, что будет прибыльным в краткосрочной перспективе, например, нового лекарства. Но мы снова и снова видели, что многие из крупнейших прорывов в науке произошли благодаря тому, что люди занимались фундаментальными исследованиями, которые изначально не имели чёткого непосредственного применения.
Такие исследования, как в моей лаборатории, требуют федеральной поддержки. Это тот тип исследований, который нам крайне необходим, и который, я боюсь, мы потеряем, если федеральное финансирование исчезнет.
Предоставлено Гарвардской медицинской школой