Победа над старением — давняя мечта человека. Однако у ученых, несмотря на многочисленные исследования, до сих пор нет полного понимания, почему с возрастом функции организма постепенно нарушаются, а органы выходят из строя. Мы рассказываем о новой работе, которая объясняет невозможность вечной молодости в современной реальности.
Одно из самых важных открытий в области биологии старения человека было сделано более 50 лет назад. В 1961 году профессор анатомии Калифорнийского университета Леонард Хейфлик обнаружил, что клетки человека умирают примерно после 50 делений, а по мере приближения к этой точке демонстрируют признаки старения. Это явление связали с укорочением теломер — концевых участков хромосом, которые защищают жизненно важную часть ДНК от повреждений. Когда теломеры полностью исчезают, клетка запускает механизм самоуничтожения.
Хотя некоторые активисты борьбы со старением до сих пор считают укорочение теломер основной причиной медленного угасания функций организма и последующей смерти, учеными были предложены и другие теории. Например, постепенное накопление мутаций в ДНК, эволюционное программирование или влияние свободных радикалов. Несмотря на то что с открытия предела Хейфлика прошло почти полвека, до сих пор нет полного понимания, что именно заставляет живые организмы стареть.
Геронтолог Бретт Ауксбургер (Brett Augsburger) из Обернского университета в США разработал новый подход для выяснения причин старения. В своей статье, препринт которой опубликован в репозитории bioRxiv.org, он предположил, что ключом к решению проблемы может быть неравновесная термодинамика, которая описывает системы, не находящиеся в состоянии термодинамического равновесия. По мнению ученого, продолжительность жизни зависит от скорости разрушения биологических молекул и неизбежной потери информации. Становится понятным, почему победа над старением невозможна в ближайшем будущем: фундаментальные физические законы делают износ организма неизбежным.
Новый подход объясняет некоторые парадоксы, возникающие в рамках других моделей старения, а также раскрывает фундаментальные недостатки в теории одноразовой сомы, которая была предложена в 1977 году английским биологом Томасом Кирквудом (Thomas Kirkwood).
Теория одноразовой сомы исходит из того, что организм должен располагать определенным количеством энергии для поддержания метаболизма, размножения, восстановления и других функций. Так как количество еды всегда ограничено, приходится идти на компромисс. Поскольку механизмы, отвечающие за регенерацию, не получают энергию в достаточном количестве, тело начинает стареть. Некоторые специалисты считают, что лимитирующим ресурсом является время, а вовсе не энергия. Согласно этой точке зрения, для каждого организма существует оптимальная продолжительность беременности, когда потомство будет наиболее жизнеспособным. Однако она ограничивает время, которое можно посвятить росту и развитию. Таким образом, скорость развития и период беременности оказываются под влиянием естественного отбора. Ускорение беременности ограничивает время, отведенное на ремонт клеточных повреждений. Это, в свою очередь, приводит к накоплению дефектов и уменьшению продолжительности жизни по сравнению с организмами с длительным сроком вынашивания плода.
Хромосомы с теломерами
© U.S. Department of Energy Human Genome Program
Второй закон термодинамики предполагает, что любые формы энергии склонны переходить в менее упорядоченное состояние — иными словами, рассеиваться в пространстве. Любая неравновесная система, в том числе и живые организмы, будут преобразовывать таким образом энергию, пока не достигнут точки равновесия — в данном случае состояния смерти. Многие существа способны противостоять переходу в состояние равновесия достаточно долго, чтобы развиваться и размножаться. Для разных видов это время занимает от нескольких часов до десятилетий.
В живом организме, далеком от состояния термодинамического равновесия, свободная энергия сконцентрирована в химических связях крупных биомолекул. Это дает возможность протекать различным процессам, от разворачивания белков и распутывания ДНК до гидролиза, окисления и метилирования. Ауксбургер смоделировал систему, которая продемонстрировала, что биомолекулы должны неизбежно деградировать, в результате чего энергия рассеивается. Более того, любые процессы, происходящие в организме, способствуют приближению к состоянию равновесия, включая генерацию электрических импульсов.
Автор работы пришел к выводу, что механизмы восстановления молекул не гарантируют того, что информация, содержащаяся в ДНК, сохранится в отдельных клетках, поэтому она неизбежно должна уменьшаться. В результате жизнеспособность организма также снижается. Если учесть, что на клетки воздействует своего рода естественный отбор, то из-за мутаций в ДНК может возникнуть ситуация, когда отдельные клетки (делящиеся в результате митоза) получают преимущества перед другими клетками, что не обязательно полезно для человека в целом. Их удаление может отсрочить негативные последствия, однако со временем все больше клеток будут становиться дефектными. Поэтому если организм живет достаточно долго, он не только неизбежно стареет, но рано или поздно его поражает раковое заболевание.
Голые землекопы, как и многие животные, болеют раком
© Roman Klementschitz / Wikipedia
Считается, что некоторые виды животных — например, голые землекопы (Heterocephalus glaber) — не страдают раком. Однако это мнение ошибочно, поскольку для появления злокачественной опухоли необходимо время. Недавно была опубликована статья, в которой ученые описали первый случай рака у H.glaber.
Поиск генов долголетия является бесполезным в том смысле, что их редактирование с помощью методов генной инженерии не позволит значительно продлить жизнь таких сложных организмов, как человек. Более того, подобные манипуляции могут нанести вред, поэтому автор советует отойти от подхода, который фокусируется на установлении связей между генами и определенными признаками старения. В лучшем случае гены представляют собой далеко не полный набор факторов долголетия.
Каким же может быть способ победить старение? Очень сложным и выходящим за пределы возможностей современных биотехнологий. Так как возрастные процессы являются следствием фундаментальных законов, устранить причины, лежащие в основе старения, пока нереально. Эффективным подходом в таком случае может быть создание библиотек ДНК, в которых хранится информация о неповрежденных генах. На их основе можно синтезировать молодые стволовые клетки для пересаживания в старый организм. По словам Ауксбургера, такие методы более эффективны, чем существующие на данный момент.
