Научно-технологическое развитие Российской Федерации

Инструмент для починки генома из Курчатовского института

Инструмент для починки генома из Курчатовского института

Огромное количество людей сейчас обеспокоено вопросами, болели ли они COVID-19 и выработались ли у них антитела. Или, скажем, заболело горло, поднялась температура — это «оно» или просто легкая простуда, при которой не нужно вызывать врача и бить тревогу? Все эти вопросы нередко становятся причиной панических настроений, поскольку все тесты оказываются неточными, а результата ПЦР-диагностики порой приходится ждать неделю и больше. Об этом и многом другом — наш разговор с Максимом Владимировичем Патрушевым, заместителем руководителя Курчатовского комплекса НБИКС-природоподобных технологий НИЦ «Курчатовский институт», кандидатом биологических наук.

— Максим Владимирович, в Курчатовском геномном центре впервые в России проведено глубокое секвенирование отечественного сорта пшеницы «Саратовская». Расскажите, что это за исследование, чем оно интересно и почему важно.

— Хотел бы начать с того, что в России до начала XXI в. не существовало современных возможностей для полной расшифровки генома. Президент НИЦ «Курчатовский институт» М.В. Ковальчук и академик К.Г. Скрябин создали в Курчатовском геномном центре генетическое подразделение, где впервые в нашей стране было проведено полномасштабное секвенирование генома человека. Россия стала восьмой страной в мире, которая сумела это сделать. Эти работы дали мощный толчок развитию технологий геномного секвенирования у нас в стране, создали базу для развития генетических исследований на новом уровне. Тут можно провести аналогию с событиями 1950-х гг., когда И.В. Курчатов и А.П. Александров по сути спасли отечественную генетику, создав в нашем институте генетический отдел. Сегодня в Курчатовский геномный центр входят восемь ведущих научных организаций России, и в целом его программа направлена на развитие генетических исследований в области промышленных биотехнологий и сельского хозяйства. Что такое генетические технологии в сельском хозяйстве? Это прежде всего создание новых сортов сельскохозяйственных растений и животных. Сейчас мы ­сосредоточены на растениях. Пшеница, как известно, относится к стратегическим культурам, поэтому знания о структурно-функциональных характеристиках генома пшеницы чрезвычайно важны.

— А для чего нужны такие знания?

— Они нужны для того, чтобы понимать, как и на что мы можем целенаправленно воздействовать, чтобы получать более ценные хозяйственные признаки у этого растения. Например, повышенная сахаристость или какие-то другие признаки, которые позволят использовать пшеницу в промышленных биотехнологиях. Ведь пшеница важна не только и даже не столько как пищевой продукт для людей и корм для животных — это один из главных видов сырья для биотехнологической промышленности. Поэтому принято решение, что совместно с Институтом цитологии и генетики в Новосибирске и Институтом сельскохозяйственных биотехнологий мы будем заниматься получением этих знаний о структуре генома отечественных сортов пшеницы.

— Но почему именно «Саратовская»? Она какая-то особенная?

— Мы работаем с рядом отечественных сортов, которые представляют наибольший интерес с точки зрения ценных признаков. Например, «Саратовская-29» — это сорт, который лежит в основе многих других отечественных сортов пшеницы, успешно применяемых в ряде регионов России. Именно поэтому и было принято решение начать с нее: ее гены присутствуют в других сортах. Первый этап — это секвенирование, то есть получение последовательностей ДНК этого сорта. Уже разрабатываются технологии, с помощью которых мы сможем направленно редактировать эту пшеницу для внесения определенных признаков. Но на первом этапе мы должны прочитать ее геном, чтобы точно знать, куда именно в геноме вносить изменения.

— Речь идет не о трансгенной модификации, а именно о редактировании генома?

— Да, и это надо особо подчеркнуть. Это не трансгенная мутация. Никакие гены извне не привносятся, будут производиться манипуляции с собственным геномом пшеницы для улучшения тех признаков, которые выберут селекционеры.

— Я слышала, что пшеница с генетической точки зрения — очень сложно устроенный организм. Это действительно так?

— Да, с точки зрения организации генома это один из самых сложных организмов. Вообще, растительные геномы часто преподносят нам сюрпризы по части и размеров, и организации. Сложность заключается в том, что у пшеницы полиплоидный геном, то есть очень много повторяющихся хромосом. С точки зрения секвенирования и так называемых мокрых лабораторных процедур разницы между ней и другими растениями нет, а с точки зрения последующей биоинформатической обработки появляется масса задач, которые непросто решать. Надо сказать, что пшеница и картофель, если мы говорим о сельскохозяйственных культурах, — наверное, одни из самых сложных природных объектов. В свое время даже был создан международный консорциум по расшифровке генома пшеницы, где многие страны бились над этой задачей.

— Учеными из вашего геномного центра было обнаружено девять нуклеаз, часть из которых уже получена лабораторными методами, и проводятся испытания их активности. Расскажите, пожалуйста, что это такое.

— Курчатовский геномный центр в рамках своей деятельности исследует различные организмы для того, чтобы мы не только обладали знаниями, но и находили новые молекулярные инструменты, с помощью которых можно производить манипуляции с геномом. Так называемые РНК-направляемые нуклеазы, на основе которых создаются системы для редактирования геномов, — один из таких инструментов. Самая ­известная из нуклеаз — CRISPR/Cas9. О ней написано и сказано много, но на самом деле нуклеаз, аналогичных Cas9, которые могут с помощью РНК узнавать какой-то участок на геноме и участвовать в его редактировании, на сегодня достаточно много. И каждая из них обладает определенными характеристиками, которые могут быть в одних случаях полезны, в других — не очень. По сути, нуклеазы — это разнообразные инструменты для редактирования. И чем больше мы таких нуклеаз найдем, тем больший простор для действий у нас появится. Разработка инструментов для редактирования генома, придания живым организмам тех функций, которые им не всегда свойственны, — одно из приоритетных направлений работы Курчатовского геномного центра.

— В чем уникальность этих девяти открытых вами нуклеаз?

— Функциональная уникальность только исследуется, но примечательно то, что раньше в этих микроорганизмах таких ферментов не находили. В их изучении мы сейчас находимся на стадии исследований, поэтому, думаю, нас ждет еще немало сюрпризов. Если у них окажутся функции, которых не было у других нуклеаз, это будет важное открытие.

— А где вы берете все эти молекулярные инструменты? Ведь они, как я понимаю, могут находиться где угодно.

— Интересный вопрос. Действительно, мы научились находить все это в природе, выделять в отдельную систему и использовать вне природного носителя. Сегодня у нас есть возможность осуществлять поиск в различных экосистемах. В рамках своей работы мы исследуем и бактерии, которые живут во льдах Арктики, в горячих источниках и других уникальных экосистемах. Хотя в обычной почве в любом московском дворе тоже можно найти очень много интересных бактерий, в которых обнаружатся какие-то важные инструменты.

— У вас есть какой-то пополняемый банк таких микроорганизмов?

— Один из источников для исследований у нас — биоресурсный центр или, проще говоря, огромная коллекция (порядка 25 тыс. штаммов микроорганизмов) НИЦ «Курчатовский институт» — ГосНИИгенетики. В основном это промышленные микроорганизмы, но от этого они не менее интересны с точки зрения своего внутреннего содержания. Одно из направлений нашей работы — оцифровка этой коллекции, то есть мы секвенируем ее объекты. К концу года у нас будет отсеквенировано уже более тысячи штаммов. Таким образом мы получаем информацию о структуре геномов микроорганизмов, в которых осуществляем поиск каких-либо молекулярных инструментов, в том числе нуклеаз. Недавно мы обнаружили одну из таких нуклеаз, которая обитает в микрофлоре человеческого кишечника, в бактерии рода Ruminococcus. Мы предполагаем, что она подобна Cpf1. В первом приближении она функционирует так же. Так что с таким материалом, как микробиота человека, мы тоже работаем, и очень плотно. Ведь мы знаем, что масса организмов живут у нас в кишечнике, на коже, и все они тоже представляют собой очень интересные объекты, отдельные экосистемы. В таком ракурсе каждый из нас — особая планета. А если говорить об информации, которую можно таким образом получить, то это не менее богатый кладезь ферментов, чем какая-нибудь экзотическая почва.

— Каким образом вы нашли эту кишечную бактерию?

— В большинстве случаев биоинформатики используют различные методы анализа гомологий, когда с помощью определенных математических алгоритмов мы можем найти нечто общее — то, что может оказаться геномом нуклеазы. Но мы предположили, что не всегда гены, которые кодируют те или иные ферменты с похожими функциями, могут быть одинаковы. Мы не первые задались этим вопросом. Следующий вопрос — как искать? Мы нашли некую закономерность: если организм производит нуклеазы, то в нем обычно присутствуют определенные гены, которые к этой нуклеазе прямого отношения не имеют. То есть вначале мы находили эти «сторонние» гены, а затем, решая обратную задачу, искали нуклеазы. Именно таким хитрым путем мы обнаружили этот фермент в геноме бактерии, которая до нас была уже хорошо исследована, но этот фермент в ней не находили.

— Какое прикладное значение может иметь открытие, связанное с этой нуклеазой?

— В зависимости от того, какие функции у этого фермента обнаружатся, у нас в руках будет еще один инструмент, важный для практической работы. Тут возможностей море — надо лишь определить задачи. Вы ведь не можете забить гвоздь без молотка, правильно? Сейчас для того, чтобы что-то отредактировать даже в экспериментальных целях, мы, как правило, покупаем ферменты за границей, нам их привозят в виде наборов, где все отлажено. А теперь у нас появляется отечественый «молоток», с помощью которого мы можем забивать именно те «гвозди», которые нам нужны. Этот «молоток» может обладать также целым набором дополнительных функций. Применительно к системам редактирования геномов все это нужно для того, чтобы создавать новые штаммы-продуценты. В основном это микроорганизмы, представляющие собой своеобразные биохимические фабрики. Теоретически такую фабрику можно настроить на производство любого субстрата. В наши же задачи входит создание штаммов для производства, например аминокислот — едва ли не самого главного кормового компонента для животноводства.

— А ведь сегодня основную часть аминокислот мы тоже закупаем, поскольку отечественная промышленность по их производству была разрушена. Вы занимаетесь ее возрождением?

— В Советском Союзе на базе того самого генетического отдела Института атомной энергии им. И.В. Курчатова, преобразованного в 1968 г. в крупнейший генетический центр ГосНИИгенетика, была создана одна из самых современных на тот момент биотехнологическая промышленность. Эта отрасль почти полностью покрывала внутренние запросы страны, производя продукцию для фармацевтики, сельского хозяйства и т.д. Но в результате событий 1990-х гг. эта отрасль практически прекратила свое существование. Сегодня ясно, что нам снова нужны собственные современные технологии. А сырья, той же пшеницы, у нас даже переизбыток. Часть этого сырья продается, часть используется в хлебопекарной промышленности, в кормах, а часть просто не перерабатывается, потому что нет технологий и мощностей. Вот для этого мы ищем новые инструменты редактирования, чтобы создавать в том числе продуцент соединений, которые важны для сельского хозяйства.

— Одна из самых актуальных тем вашего геномного центра — производство тестов, с помощью которых можно определять вирусы без лабораторного оборудования. Чем эти тесты отличаются от всех тех, которыми сегодня переполнен рынок?

— Эта тема, как вы понимаете, связана с нынешней пандемией, от которой мы не могли оставаться в стороне. На сегодня Россия — один из лидеров по количеству тестов на COVID-19. Но сегодня практически все тесты проводятся двумя методами. Первый метод — полимеразная цепная реакция (ПЦР), при помощи которой мы непосредственно обнаруживаем РНК вируса в биологическом материале. Второй — иммуноферментный анализ. В этом случае мы можем обнаружить и сами белки вируса, но обычно обнаруживаем антитела к вирусу и таким образом судим о состоянии человека. Проблема в том, что для острой диагностики годится только метод ПЦР, потому что он прямо обнаруживает наличие вируса в биологическом материале. Метод прекрасен, давно используется, широко себя зарекомендовал. Но один из его недостатков — необходимость наличия лабораторий. Хотя, казалось бы, в XXI в. технологии должны быть такими, чтобы мы могли производить подобный анализ вне лаборатории, а, скажем, прямо у вас дома, когда пришел по вызову врач, или в поликлинике, где нет специализированного оборудования.

— Соответственно, и ждать результата несколько дней не надо.

— Совершенно верно. Сегодня врач приходит, забирает материал, едет в лабораторию и в лучшем случае через два-три дня пациент получает информацию о наличии или отсутствии у себя вируса. С чем связан недостаток такой ПЦР-диагностики? Всего лишь с тем, что нужно нагревать пробирку, потому что те ферменты, которые используются для полимеразной цепной реакции, работают при высоких температурах. Понятно, что носить с собой печку ни один врач не хочет. А эта печка еще должна быть очень точной. Смысл нашей разработки сводится к тому, что мы собираем смесь из определенных ферментов, которые по сути делают то же самое, что и обычный тест на основе ПЦР, но без нагрева. Подобные технологии в мире есть, мы здесь не первооткрыватели. Но, во-первых, их мало, во-вторых, их еще никто не использовал для диагностики. Попытки есть и в России, но на основе зарубежных ферментативных смесей. Мы же пошли прямым и простым путем — создать саму технологию, чтобы она была у нас в руках, а не где-то на Западе или Востоке ее покупали. Мы хотим наладить выпуск ферментов. Наша задача как национального исследовательского центра — решить эту проблему и отладить саму технологию изотермической амплификации, а также закрыть ее «компонентную базу», то есть отладить технологию производства необходимых ферментов. Как раз сейчас мы этим и занимаемся.

— Когда ждать готовых тестов?

— Ожидаемый выпуск прототипа такого теста планируется на осень. Конечно, тут нельзя обойтись без вопросов: зачем они будут нужны, если пандемия к этому моменту уже закончится? Здесь я, как правило, отвечаю следующее: во-первых, сегодня на рынок зачастую выходят абсолютно сырые тесты, не готовые к использованию, в результате чего мы наблюдаем так много ложноположительных и ложноотрицательных результатов. Во-вторых, наша задача — это преодоление технологического барьера. Мы не производители тестов, но можем обеспечить технологическую платформу, чтобы производители тестов имели больше возможностей, большую достоверность, пользовались отечественными компонентами и могли с помощью этой платформы оперативно отреагировать на появление любой новой вирусной опасности. Сегодня как раз такое время, когда надо формировать ответ на этот технологический вызов, который обозначен в стратегии научно-технологического развития нашей страны.

— Ваши тесты могут быть использованы только для диагностики COVID-19?

— Конечно нет. Абсолютно для любого инфекционного заболевания: грипп, гепатит, ВИЧ — что угодно.

— В таком случае упреки в том, что вы слишком поздно это делаете, абсолютно несостоятельны, потому что инфекционные болезни будут с нами всегда.

— Вы правы. Пандемии будут и в дальнейшем, это неизбежно, ведь количество людей на Земле растет, а каждый человек — это резервуар для размножения вирусов. Есть очень много факторов, которые способствуют тому, чтобы появлялись новые инфекционные агенты. К этому надо быть готовыми. Хотя, что греха таить, инфекционными заболеваниями в мире занимаются мало, удельный вес исследований этой тематики был очень низок до последнего времени. Однако надо отметить, что в СССР эти работы велись очень эффективно и широко. Вспомним хотя бы вакцину против полиомиелита в 1950-х гг. Думаю, что именно созданный тогда задел в вирусологии, эпидемиологии позволил России с наименьшими по сравнению с целым рядом других стран потерями выйти из нынешней пандемии.

— Можно ли сказать, что ожидаемые биотехнологические прорывы — один из плюсов пандемии?

— Да, это правда. Сегодня огромные силы мобилизованы в ответ на этот вызов. Даже те лаборатории, которые никогда в жизни не занимались вирусами, на них переключились. Безусловно, мы получим важные результаты, хотя на это требуется какое-то время. Новые лекарства, вакцины, технологии — все это не делается за несколько недель и даже месяцев.

— Как вы думаете, наступят ли времена, когда мы сможем пойти в аптеку, приобрести ваш тест за небольшие деньги и в домашних условиях выяснить, чем больны?

— Я не вижу препятствий, чтобы все это и многое другое стало доступно каждому из нас. Думаю, это перспектива примерно пяти лет. По крайней мере, современный Курчатовский институт как головная организация программы генетических исследований в стране делает для этого все необходимое.

Беседовала Наталия Лескова

Подписка на новости и события
Введите ваш email