Білки в нашому організмі потребують постійного оновлення. З часом вони можуть втрачати стабільність, зазнавати пошкоджень чи набувати неправильної 1, тому потребують заміни на нові. Водночас існують білки, які майже не оновлюються або зберігаються протягом усього життя людини. До них, наприклад, належить кристалін, білок кришталика ока, який залишається незмінним із народження2. Кришталик ока побудований з концентричних шарів клітин, де нові клітини нашаровуються зверху на вже наявні. Старі клітини формують ядро ока. Вони метаболічно інертні та не мають органел, тому не оновлюють білки, що були синтезовані при їхньому утворенні. Іншим прикладом білків-довгожителів є колаген, найбільш поширений білок нашого організму, який може зберігатися у сухожиллях і хрящах десятиліттями. Проте білки-довгожителі є повсюди у нашому тілі. Їх виявлено у судинах, кістках, волоссі, зубах, ооцитах, легенях, м’язах і навіть у нашому мозку3.
Білки-довгожителі не захищені від впливу середовища, тому з часом можуть зазнавати хімічних змін та деградувати. Нездатність клітини замінити ці білки робить їх вразливими. Такі молекули накопичують пошкодження і можуть призводити до хвороб, пов’язаних зі старінням. Видозміни у кристаліні призводять до катаракти, а в колагені — до ущільнення суглобів і навантаженні на кістки, що веде до . Ба більше, коли білок видозмінюється, він може сприйматися нашим організмом як чужорідний і викликати автоімунну реакцію. У пацієнтів з ревматоїдним артритом часто виявляють антитіла до таких видозмінених білків, зокрема колагену3.
Визначення віку людських білків — доволі складне завдання. У лабораторних гризунів це можливо зробити, промаркувавши білки радіоактивними ізотопами, що неможливо зробити з людським організмом. У 2005 році шведська дослідниця Кірсті Спалдінґ першою застосувала природну радіоактивну мітку для визначення віку людських клітин4. Ця мітка це слід ядерної епохи, який залишився у наших біомолекулах.
Ядерна епоха тривала протягом 1950‒1960-х років, коли було проведено понад дві тисячі випробувань ядерних бомб. Це привезло до змін у навколишньому середовищі. Кожне тестування ядерної бомби спричиняло викид нейтронів, які взаємодіяли з найбільш поширеним хімічним елементом в атмосфері — нітрогеном. Ядро нітрогену складається із семи протонів і семи нейтронів. Поглинувши ще один нейтрон, атом нітрогену переходить у збуджений стан і витісняє один протон. Так утворюється атом із шістьма протонами і вісьмома нейтронами, ізотоп вуглецю — карбон-14, або радіоактивний карбон.
До 1963 року рівень радіоактивного карбону в атмосфері зростав пропорційно до кількості ядерних випробувань, проведених США та СРСР. Найвищу позначку його зростання називають «бомбовим піком» (bomb peak)5. Того року було підписано договір, що забороняв наземні, повітряні та космічні випробування ядерної зброї, після чого концентрація радіоактивного карбону в атмосфері щорічно знижувалася. Зараз його рівень повернувся до показників доядерної ери. Цікаво, що швидкість цього спаду виявилася вищою, ніж передбачали науковці6. Це пов’язано із забрудненням атмосфери вуглекислим газом, який містить стабільний карбон-12 внаслідок інтенсивного спалювання палива транспортом і промисловістю. Як наслідок, карбон-14 був «розбавлений» стабільним ізотопом.
Підвищена концентрація карбону-14 протягом десятиліття призвела до того, що всі живі організми, які обмінювалися вуглецем з довкіллям у вигляді їжі чи повітря, отримали і частку радіоактивного карбону. Тобто всі, хто народився у будь-який час після 1963 року, були «промарковані» цим ізотопом. Саме цю особливість і використала лабораторія Спалдінґ у визначенні віку клітин і білків. Так можна простежити за білками-довгожителями, адже вони стали «знімком» часу і мають ту концентрацію радіоактивного карбону, яка була у день їхнього синтезу. Оскільки щорічні рівні карбону-14 відомі, це дозволяє визначити рік, коли білок був синтезований.
Цікаво, але радіоактивний карбон знайшов своє застосування ще до ядерних випробувань. У 1960 році американський науковець Віллард Ліббі отримав Нобелівську премію з хімії «за свій метод використання карбону-14 для визначення віку в археології, геології, геофізиці та інших гілках науки»7. В атмосфері за стабільних умов під дією космічного випромінювання з нітрогену утворюється карбон-14 за тим самим механізмом, що й після ядерного вибуху, проте у значно менших кількостях. Тому організми при обміні карбоном з навколишнім середовищем отримують і невелику частку його радіоактивного ізотопу. Після смерті вуглецевий обмін припиняється, а накопичена частка карбону-14 починає розпадатися. Швидкість цього розпаду відома і дозволяє визначити, як давно організм помер. Ці знання широко застосовують в археології для датування розкопок. Проте калібрувальна крива природного вмісту карбону-14 змінюється дуже повільно, тому вона не така чутлива як різкий «бомбовий пік».
У 2012 році науковці поєднали обидва підходи для дослідження віку ґренландських акул8. Цей вид акул є найбільшим серед риб арктичних вод і досягає близько 400‒500 сантиметрів. Оскільки за рік вони можуть виростати лише до одного сантиметра, вчені припустили, що ці акули можуть мати виняткову тривалість життя. Аналізуючи білки-довгожителі кристаліни, науковці змогли точно визначити вік тих особин, які народилися після «бомбового піку» через високий вміст карбону-14. Для старших акул використовували порівняння за калібрувальною шкалою створеною на основі природного вмісту карбону-14 у поверхневих водах Північної Атлантики. Однак через низьку змінність доядерного радіоактивного вуглецю точність таких вимірювань була значно нижчою, і похибка могла сягати більше сотні років. Водночас це дозволило визначити, що серед вибірки була ґренландська акула віком близько 400 (±120) років — найстаріший відомий хребетний.
Ядерні випробування поклали новий відлік часу для біологічних систем, змінивши склад нашої атмосфери і нас самих. Багато дослідників визначає саме цей момент як початок нової геологічної ери — антропоцену. Цей час дозволив нам дізнатися багато про людство. Визначення віку наших клітин і білків стало, мабуть, одним із насправді позитивних наслідків ядерних випробувань. Білки-довгожителі відкрили нову перспективну гілку науки про старіння. Однак як захистити їх від вразливості, нам доведеться ще дізнатися.
