«Вирусы не прилетели к нам с Марса». Михаил Гельфанд — о микромире внутри нас и его сходствах с криптографией

Что мы знаем о вирусах и бактериях? Все ли они вредоносные или люди просто любят сочинять страшные истории? Как работают вакцины против реальных вредителей? И есть ли что-то общее между живыми вирусами и компьютерными? На днях в Музее криптографии прошла лекция «Иммунитет как инженерная проблема» доктора биологических наук, профессора, вице-президента Сколтеха по биомедицинским исследованиям Михаила Гельфанда. Чтобы не потерять ценную информацию, закрепляем ее в нашей беседе с Михаилом Сергеевичем.

В организме человека живет большое количество «чужаков» в виде вирусов и микробов. Откуда они берутся, многие ли из них опасны?

В вопросе — неправильная предпосылка, потому что в нем есть слово «чужаки». На самом деле в нас, как и в организмах других живых существ, обитает больше бактериальных клеток, чем наших собственных. Вирусы у нас живут в носоглотке и в кишечнике всю жизнь, и мы их не замечаем. Некоторые из их родственников патогенные, но большинство вирусов в наших клетках потихонечку размножаются и нас не мучают. И они были всегда — не прилетели к нам с Марса или с Венеры.

Все живые существа имеют микроскопических симбионтов. Это могут быть нейтральные сожители, как золотистый стафилококк, который живет у нас на коже. Если есть какая-нибудь «плохая» царапина, он может начать вызывать болезненные явления, но в норме он есть почти у всех и никому не мешает. Многие из симбионтов даже полезны. Кишечные бактерии участвуют в нашем собственном метаболизме. Они разрушают вещества, которые мы сами расщеплять не можем. И у всех такое есть и было: у нашего общего предка с шимпанзе, и у нашего с шимпанзе общего предка с орангутаном, и у нашего с обезьянами общего предка с мышами, и у нашего с мышами общего предка с лягушкой. У всех есть какой-то микробиом, который эволюционирует параллельно с хозяином. Более того, даже у одноклеточных живых существ бывают симбиотические отношения с другими одноклеточными. Так что вирусы и бактерии ниоткуда не берутся, они всегда были.

Как вакцина борется с вирусами?

Вакцина готовит иммунную систему хозяина к встрече с вирусом, чтобы иммунной системе не надо было учиться распознавать этот вирус, а она обнаруживала его сразу. Так экономится время на иммунный ответ, соответственно, инфекция не развивается. А вот как компоненты иммунной системы находят вирус после того, как они уже обучились? Это хороший, интересный вопрос. Для ответа на него надо прочитать краткий курс иммунологии. Способ номер один — непосредственное узнавание. Есть какие-то белки на поверхности вируса, которые компонентами клеток нашей иммунной системы опознаются и, соответственно, запускается иммунный ответ.

Способ номер два более интересный. Распознаются клетки, в которые уже попал вирус. Тут полезно понимать, что бактерия — самостоятельная клетка, она самостоятельно живет и самостоятельно делится. А вирус самостоятельно ничего делать не может. Размножается вирус, попадая в нашу клетку и заставляя ее производить новых вирусов. Есть ветка иммунитета по-другому устроенная, которая как раз распознает собственные клетки, зараженные вирусом, и убивает их вместе с вирусом. Это устроено так: каждая клетка нашего организма все время показывает на своей поверхности белки, которые она делает, а иммунная система проверяет, не появилось ли среди этих белков чего-то лишнего. Если клетка показывает нормальные человеческие белки, то иммунная система ее не распознает в качестве чужеродной и принимает, а если клетка заражена вирусом и начала продуцировать вирусные белки, то она автоматически показывает их на своей поверхности, иммунная система вирусные белки идентифицирует и убивает такие клетки.

Информация о вирусах всегда звучит тревожно. Но, может, все же они приносят нам какую-то пользу?

Большая часть информации о вирусах звучит нейтрально и публикуется в научных журналах. Нагнетать ужасы любят журналисты. Вирусы вызывают болезни, это правда. Бактерии тоже вызывают болезни. Почему-то про бактерии такие ужасы меньше рассказывают. Если говорить про пользу, то подавляющее большинство вирусов, даже те, которые живут с нами и в нас не несут ни пользы, ни вреда. Есть ли польза от вирусов непосредственная? Пожалуй, я такой не знаю. Но если посмотреть на вопрос через призму эволюции, плацента возникла, потому что в однажды неплацентарное млекопитающее заразилось вирусом. Этот вирус сделал так, что разные клетки слились в одну гигантскую клетку с большим количеством ядер, — по такому принципу устроена плацента. И белок, который работает в ней, вирусного происхождения.

Одним из вариантов пользы могло бы стать использование вирусов, которые заражают насекомых-вредителей. Его можно применять в народном хозяйстве для борьбы с этими насекомыми. По-моему, такие опыты ведутся.

Еще одна польза очень давно обсуждается, люди хотят ее внедрить, но пока не получается. Это вирусы, которые заражают бактерии, так называемые «бактериофаги» или просто — «фаги». Бактерии довольно быстро приспосабливаются к антибиотикам и становятся устойчивыми к ним. Предлагается заменить прием антибиотиков на лечение фагами, которые будут заражать наши бактерии.

Есть ли что-то общее в системе вирусов и криптографии?

Поверхностных аналогий можно придумать много. Например, компьютерные вирусы назвали вирусами, потому что они заражают устройства и передаются, как инфекционные болезни. Раньше они распространялись через дискеты, потом через флешки, а далее — с помощью Интернета. Компьютерные вирусы обмениваются кодом, как вирусы и бактерии фрагментами своих геномов. Эпидемиологии компьютерных и природных вирусов тоже имеют общие черты.

В следующем примере не будет вирусной специфики, но у всех живых существ есть системы перекодировки из одного алфавита в другой. ДНК — это нуклеиновая кислота, там алфавит состоит из четырех символов, а белки состоят из 20 основных аминокислот. Существует таблица перекодирования из ДНК в белки.

Но в биологии из правил всегда бывают исключения, поэтому кроме универсальной таблицы генетического кода, есть несколько десятков альтернативных кодов, немного отличающихся. Есть пустые символы — комбинации нуклеотидов, которые у одних организмов что-то означают, а у других не значат ничего и никогда не используются.

Я бы считал, что глубоких содержательных аналогий, скорее, нет. Ситуации, в которой биоинформатик поговорил бы с криптографом, и оба ушли просветленные, поняв, что надо делать, я, пожалуй, не предвижу. Криптография — это искусственная система, в ней очень хорошая математика, но аналогии с биологией нет.