Sergejus Medvedevas: Kai buvau vaikas ir jaunas vyras, prisimenu, kaip laikraščiai nuolat trimitavo: kažkas nutinka, kai iššifruojamas žmogaus genomas, kai paaiškėja visi šie blokai ir plytos … O dabar iššifruotas žmogaus genomas - kas toliau? Atsiranda mokslas, vadinamas „bioinformatika“. Kas tai yra? Ar iššifruotas žmogaus genomas yra tam tikras konstruktorius Lego, iš kurio kuriamas žmogaus gyvenimas? Mūsų svečias yra Michail Gelfand, bioinformatikas, „Skoltech“biotechnologijų magistro programos vadovas, Rusijos mokslų akademijos informacijos perdavimo problemų instituto direktoriaus pavaduotojas.
Michailas Gelfandas: Aš taip pat esu profesorius Aukštosios ekonomikos mokyklos Kompiuterijos fakultete ir Maskvos valstybinio universiteto Bioinžinerijos ir bioinformatikos fakultete.
- „Salik.biz“
Kaip suprantu, genome yra trys milijardai raidžių. Mes žinome kodą - ką mes galime padaryti su šiuo kodu? Tai yra tam tikros gyvenimo knygos, ar mes dabar galime iš žmogaus mėgintuvėlio iškepti žmogų, homunculus?
- Tai yra gyvenimo kulinarinė knyga ta prasme, kad gyvenimas gali daugintis pats pagal šioje knygoje pateiktus receptus. Nežinome kaip, šia prasme esame blogi virėjai.
Apskritai ši metafora su genomo iššifravimu ir skaitymu nėra labai sėkminga, nes iššifruoti reikia supratimo, ir kol kas mes suprantame gana prastai. Mes išmokome atkurti DNR paveldimumo molekulę, esančią gyvoje ląstelėje, o tada mėgintuvėlyje, kompiuteryje, mes žinome, kokia tvarka šios raidės sujungiamos šioje molekulėje. Tačiau suprasti prasmę yra šiek tiek kitoks dalykas.
Bioinformatika atsirado kaip savarankiškas mokslas būtent tada, kai biologija pamažu pradėjo virsti iš mokslo, kuris dirba su atskirais objektais, į mokslą, kuriame yra daug duomenų. Šiuo metu reikia saugoti, suvokti, analizuoti šiuos duomenis ir ką nors su jais daryti.
Tai apie kokius metus?
- 1977 m. Mes sukūrėme DNR sekos nustatymo metodus (aš konkrečiai sakau: ne „iššifruoti“, bet „nustatyti seką“). Bioinformatika pradėjo ryškėti, matyt, 80-ųjų pradžioje. Man be galo pasisekė: kai 1985 m. Baigiau universitetą, buvo toks nuostabus laukas, kuriame nereikėjo nieko mokytis, jis prasidėjo nuo nulio, galėjai tiesiog imti ir daryti. Tai labai reta istorija.
Reklaminis vaizdo įrašas:
Ar joje naudojami daugiau matematiniai metodai?
- Metodai jame yra matematiniai šia prasme: jūs turite galvoti. Kai kuriose vietose yra gražūs algoritmai, graži statistika, bet iš esmės ten esanti matematika yra gana nereikšminga, nėra jokių matematikos magijos lazdelių. Jums reikia įgūdžių nepamiršti daugybės dalykų ir bandyti juos paaiškinti skirtingais būdais, o antrasis įgūdis yra užduoti paprastus klausimus. Šia prasme matematikos mokymas buvo labai naudingas man, ne tiek, kiek galbūt, išsilavinimo, kaip bendravimas su mano seneliu Izrail Moiseevich Gelfand, kuris buvo matematikas ir daug dirbo eksperimentinėje biologijoje.
Dabar yra užfiksuotas genomas, nustatyta seka - ką mes galime iš to padaryti? Girdėjau, kad yra nauja technologija: mes galime paimti kažkokią genų grandinę ir ją sutvarkyti, vietoje jos įterpti gerą. Tai yra, ar mes galime operuoti šiomis raidėmis?
- CRISPR yra genų inžinerijos technika, viena iš pažangiausių, labai modernių technologijų, leidžianti atlikti labai tikslias ir specifines manipuliacijas.
Žmonės tiesiog gavo daugiau galimybių. Iš esmės žmonės anksčiau žinojo, kaip įterpti ir pašalinti genus, eksperimentuoti buvo tiesiog sunkiau, o jokios manipuliacijos nebuvo techniškai įmanomos. Dabar priemonių rinkinys išsiplėtė. Namus buvo galima statyti, kaip Sparta, tik su kirviu, o dabar čia taip pat yra pjūklas ir net pjūklas, galite iškirpti keletą gražių plokščių. Šia prasme technologinė pažanga yra labai didelė, tačiau iki šiol nėra labai prasminga. Mes suprantame kai kuriuos dalykus: kad yra paprasta monogeninė liga, kurios metu yra sulūžęs vienas genas - akivaizdu, kad jei ją ištaisysite, turėsite normalų embrioną.
Ir tai jau gydoma?
- Ne, jis neišgydomas, negalima manipuliuoti žmogaus embrionais - tai tiesiog draudžia įstatymai.
Bet, kaip suprantu, tai juda. Anglijoje jie leido - su embrionais iki 11 dienų …
- Kinijoje jie net niekam to neprašys. Negalite sulėtinti ledo aikštės, pastatydami po juo vėžlius: jums gaila vėžlių, bet ledo aikštė bus tuščia. Šia prasme, žinoma, ji judės, bet žmonija turi tai suvokti. Tai tikrai rimtas dalykas, kurį reikia apmąstyti.
Ji ne pirmoji. Kai genetikos inžinerija buvo pradėta dar tik aštuntojo dešimtmečio viduryje, kai tapo aišku, kad genomais galima manipuliuoti (tada dar buvo bakteriniai), jau iškilo rimta problema: pavyzdžiui, jie bijojo, kad netyčia padarys kokį nors superbugą ir tai suvalgys visi. Buvo specialios konferencijos, kuriose buvo kuriamos taisyklės, ką mes darome ir ko nedarome. Bet koks naujas priemonių rinkinys praplečia galimybes, padidina atsakomybę, ir tai turi būti suprantama.
kelia etinius klausimus …
- Ir jei mes kalbėsime apie bioinformatiką, grįždami prie to, ko paprašėte, tada yra šiek tiek kita istorija. Yra du aspektai. Paaiškėjo, kad į daugelį klasikinių biologinių klausimų galime atsakyti tiesiog kompiuteriu.
Aš darau daug bakterijų genomikos. Jų gyvenime yra daugybė bakterijų, su kuriomis buvo atliktas vienas eksperimentas, būtent, buvo nustatyta genomo seka. Mes apie juos žinome gana daug: ką jie valgo, ko negali valgyti, kaip kvėpuoja, ką jiems reikia pridėti prie aplinkos, be kurio jie neišgyventų, bet patys to negalėtų padaryti ir pan.
Kiek paprastesnis yra bakterijos genomas, palyginti su žmogaus genomu?
- Tai nėra taip kritiška. Su E. coli mes dalijamės 30% genų. Pagal genų skaičių tipiška bakterija yra tūkstančiai, o žmogus - 25 tūkstančiai.
Ar jūs visiškai žinote, kuris genas yra atsakingas už ką bakterijose?
- Ne visai, bet mes daug žinome.
Daug daugiau nei žmogus?
- Kaip procentas - žinoma.
Antras dalykas, kuris pasirodė (ir tai vėlgi yra susijęs su technologine plėtra eksperimentinėje biologijoje) ir kurį reikia suprasti bioinformatikoje, yra tai, kad galime pažvelgti į visą ląstelę. Klasikinis dalykas: abiturientas tiria tam tikrą baltymą, jis žino šio baltymo partnerius, žino, kaip šis baltymas sąveikauja su DNR, jei jis sąveikauja su juo, žino, kada įjungiamas šio baltymo genas ir kada jis yra išjungtas. Tai tokia visavertė disertacija, keli moksliniai straipsniai apie vieną baltymą. Ir tada pasirodo metodai, kurie leidžia atsakyti į tuos pačius klausimus visiems baltymams vienu metu. Pirmą kartą turime integruotą langelio veikimo vaizdą; dabar ji yra labai netobula.
Yra baltymų, kurie jums nepažįstami, tačiau galite nuspėti, pažiūrėję į jo genomą …
- Tai yra du skirtingi klausimai. Mes galime numatyti baltymų funkcijas, neatlikdami su jais jokių eksperimentų. Tai yra nuostabi bioinformatika, pagrįsta visokiais evoliuciniais sumetimais.
Remdamasi jo genų profiliu?
- Baltymas yra tai, kas užkoduota gene, todėl geriau kalbėti apie geną: atsižvelgiant į tai, su kuo šis genas yra, iš ko šis baltymas atrodo bent iš mažai kam žinomas, kaip jis reguliuojamas įjungus ir išsijungia.
Tą patį tikriausiai galima padaryti ir su žmogumi?
- Tai sunkiau. Techniškai galite.
Pažvelkite į žmogaus genomą embriono lygiu ir pasakykite: augs genijus arba augs Down
- Tai pasakojimas apie tai, kad baltymo funkcija paprastai nežinoma, apie jį išvis nieko nebuvo žinoma, ir mes galime jį numatyti. Tai, apie ką jūs kalbate, yra gerai žinomas baltymų rinkinys, tačiau su tam tikrais variacijomis - tai šiek tiek kitokia istorija.
Žmogus susideda iš žinomų baltymų
- Iš dalies žinoma, iš dalies ne. Paaiškėjo, kad turime daug nevienalytės informacijos apie tai, kaip ląstelė veikia. Informacija yra labai netobula, kiekvienas mažas faktas gali lengvai pasirodyti neteisingas, tačiau visumoje jie vis tiek yra teisingi. Iš to galima bandyti apibūdinti ląstelę kaip visumą.
Molekulinė biologija ilgą laiką buvo įskaityta filosofų, kad yra redukcionizmo mokslas. Čia jūs žiūrite į dramblį dalimis: kažkas tyrinėja koją, kažkas - uodegą, kažkas - bagažinę, o visas vaizdas nepridedamas. Dabar ji pradeda formuotis pirmą kartą. Vienas iš paradoksalių to rezultatų yra tas, kad mūsų žinios ir supratimas absoliučiąja prasme labai greitai auga. Biologijos pažanga yra nuostabi: mes žinome daug daugiau, nei žinojome prieš 10 ar 20 metų, net ne daug kartų, bet pagal dydį daugiau.
Tačiau neišmanymo sritis auga dar sparčiau. Tai reiškia, kad, palyginti su mūsų žiniomis, mano nuomone, iš tikrųjų mažėja, nes tampa aišku, kad yra tokių atvirų erdvių, apie kurias prieš dešimt metų mums tiesiog neatsitiko, kad taip nutiko. Ir dabar mes matome, kad taip yra, bet nežinome, ką su tuo daryti. Tai yra nepaprastai šaunu.
Aišku, kas bus Daunas: papildoma chromosoma. Bet kas bus ir kas nebus genijus, mes nežinome, kaip nuspėti, ir dėkoti Dievui. Net gerai prognozuojame augimą.
Ši informacija nėra kaupiama?
- Žinoma.
Ar galima, pavyzdžiui, palyginti žmogaus elgesį, jo profilį socialiniuose tinkluose su jo genetiniu profiliu?
„Aš to nežinau, bet psichologinius bruožus iš dalies lemia genomas, ir juos galima šiek tiek nuspėti.
Iš dalies pagal genomą, iš dalies visuomenės
- Visuomenė, kai kurios gyvenimo aplinkybės … Genetikoje tai yra išvystytas dalykas, galite kiekybiškai įvertinti genetinių veiksnių indėlį į tam tikrą bruožą. Paimkime vieną - mane. Aš turiu vienodus genomus visose ląstelėse, bet mano ląstelės skiriasi.
Tai yra, tam tikru metu genomai supranta, kurioje ląstelėje vystytis?
- Tam tikru metu ląstelė supranta, kad ji turi tapti epitelio ar nervų sistemos, arba kepenų, ar dar kažko pirmtaku. Po pirmojo padalijimo visos ląstelės yra vienodos, juose esantys genai veikia vienodai, o tada jie pradeda veikti skirtingais būdais. Svarbiausia yra ne patys genai: aš ir šimpanzės turi 50% baltymų vienodai, o tie, kurie skiriasi, skiriasi viena raide.
Tai yra, klausimas yra, kur ta programa, kuri tam tikru momentu nurodo ląstelei, kad ji turėtų išsivystyti į žmogų ar šimpanzę, o asmenyje - į smegenis ar kepenis
- Tai toje pačioje vietoje, genuose, bet svarbiausia ne patys genai, o tai, kaip jie įsijungia ir išsijungia. Ir tai yra įdomiausias dalykas, kuris dabar vyksta biologijoje.
Ar yra programa, kuri įjungiama ir išjungiama?
- Tikrai. Tai gerai žinoma vaisinėse muselėse. Drosophila yra paprasta, jos embrionas taip pat yra paprastas … Ne, Drosophila yra sudėtingas, tačiau ankstyvieji jos vystymosi etapai yra labai gerai aprašyti tiksliai kiekybiškai modelių lygmeniu. Pavyzdžiui, galite nuspėti mutacijų rezultatus. Yra mutacijų, kai vaisinės musės augina koją, o ne anteną. Tuo pačiu metu yra žinoma, kokio geno mutacija yra sulaužyta, ir tai galima modeliuoti - kaip progenitorinės ląstelės daro klaidas.
Ar tai galima pataisyti naudojant naujas technologijas?
- Galima, bet tik embrione. Kai užauga koja ar papildoma sparnų pora, jos pritvirtinti negalite.
Ką tai gali atnešti praktine prasme? Sakykime, kad tai, kas visiems įdomu, yra kova su vėžiu … Panašu, kad naudojant šią nuostabią CRISPR technologiją kinai bando kovoti su plaučių vėžiu. Kaip suprantu, šioje technologijoje bakterija, matydama suskaidytos DNR fragmentą, paima gabalėlį iš sveikos bakterijos ir sugedusią grandinę pakeičia sveika
- Taip, tiesiog įdomus klausimas, kas nutinka su sveika bakterija … Ne, ne taip. CRISPR / Cas sistemos yra bakterinis imunitetas, šiek tiek kitoks dalykas. Kai virusas užkrečia bakteriją, jei ji neturi laiko jos nužudyti, joje prasideda karas, virusas perjungia kai kurias bakterijų sistemas, sulaužo bakterijų genetinę programą ir perkelia bakteriją į naujų virusų gamybą. Tiesą sakant, tai daro visi virusai: bakteriniai, žmogaus ir bet kokie. Yra sistema, leidžianti bakterijoms, jei virusas neturėjo laiko jos nužudyti pačioje pradžioje, iškirpti viruso DNR gabalėlį ir panaudoti jį kaip pavyzdį kitam to paties viruso užpuolimui.
Bakterija įsiskverbia į šį virusą
- Tam tikra prasme taip. Ir tada paaiškėjo, kad yra baltymas, kuris sugeba supjaustyti gabalą ir tikslingai jį kažkur įterpti, ir jūs galite naudoti tą patį fermentą genetinės inžinerijos tikslams.
Aš nelabai suprantu apie tokią vėžio terapiją: kai turite milijardus ląstelių, kaip jūs sukursite teisingą sistemą kiekvienoje iš jų? Aš nesuprantu, kaip tai techniškai padaryti. Tai gali būti padaryta siekiant gydyti genetinius embriono stadijos defektus, kai yra viena ląstelė.
Su vėžiu istorija yra šiek tiek kitokia, tikrai yra labai didelė pažanga. Tapo aišku, kad tai, ko ėmėmės dėl tos pačios ligos, iš tikrųjų yra molekuliniame lygmenyje - skirtingos ligos, o terapijos tikslai taip pat turėtų būti skirtingi. Vėžys iš pradžių buvo klasifikuojamas tiesiog pagal vietą: tai buvo plaučių vėžys, skrandžio vėžys, odos vėžys. Tada prasidėjo histologija. Pradėjus domėtis naviko struktūra, iš kokių ląstelių jis susideda, prasidėjo „mažų ląstelių plaučių vėžio“tipo diagnozės. Tuomet prasidėjo biochemija, jie ėmė dairytis į kai kuriuos žymenis, tai dar labiau subyrėjo.
Ir dabar mes galime pamatyti, kokios mutacijos iš tikrųjų įvyko. Paimate mėginio iš vėžinio naviko ir mėginio iš to paties normalaus audinio ir matote, kaip jie skiriasi. Jie labai skirtingi, nes sergant vėžiu viskas nutrūksta, klaidos pradeda kauptis labai greitai. Yra specialūs terminai - „vairuotojai“ir „keleiviai“: kai kurios iš šių klaidų yra keleiviai, jos įvyko atsitiktinai, o kai kurios buvo vairuotojų, ir tai iš tikrųjų lėmė atgimimą.
Yra visiškai praktinių dalykų, nes, pavyzdžiui, akivaizdu, kad kai kurie vėžiai, kurie buvo laikomi viena liga, turi būti gydomi skirtingai. Ir atvirkščiai, jei sergate išoriškai skirtingais vėžiais, tačiau jie turi vienodą molekulinį skilimą, tuomet galite pabandyti vartoti vaistą, kuris veiksmingas vienas prieš kitą.
Ar tai yra genetinis lygmuo, ar yra genų išmuštas?
- Arba išmušė, arba, atvirkščiai, pradėjo dirbti per daug intensyviai. Tipiškas vėžio požymis yra tada, kai genai, dirbantys embriono stadijose, pradeda veikti suaugusiųjų audiniuose. Šios ląstelės pradeda nekontroliuojamai dalintis. Nemažai vėžių iš tikrųjų yra atgimimas, skilimas laiku.
Iš karto noriu pabrėžti: nesu gydytoja, apie tai žinau kaip biologė ir asmenybė, kuri skaito mažai apžvalgų. Aš tiesiog visada bijau nuvilti žmones. Visada yra pusiausvyra tarp sėkmės moksle ir praktinio klausimo - tiems, kurie rytoj eis gydytis. Tai yra eksperimentiniai dalykai. Yra vienas pavyzdys, kai tai suveikė. Tačiau akivaizdu, kad viskas įvyks šia linkme.
- Jei pažvelgtumėte į medicinos pritaikymą, ar pastebėtumėte, kad genų inžinerija, genų terapija jau vyksta? Dabar, kiek supratau, atskiros autoimuninės ligos rodo, kad sugadintas vienas genas.
- Tai, atvirkščiai, yra imuninės sistemos defektas, išmušta imuninė sistema. Jie bando tai gydyti.
Imuniteto trūkumas genų lygyje?
- Taip yra dėl imuninės sistemos specifikos. Ten ląstelės visą laiką dalijasi, visą laiką atsiranda nauji klonai. Net jei turite visko su trūkumais, bet pagaminote nedidelį kiekį pataisytų progenitorinių ląstelių, jos gali pakeisti visą imuninę sistemą, ją iš naujo generuoti. Taip yra būtent dėl to, kaip apskritai veikia imuninė sistema. Šia prasme ji yra nuostabiai plastinė.
Ar bakterija sukūrė savotišką skiepijimą, imunitetą?
- Taip, bet tai šiek tiek kitaip. Vėlgi, kai kalbama apie imunodeficitą, tai reiškia, kad ląstelių klasių išvis nėra, nes genas, kuris turėtų veikti, kai šios ląstelės subręsta, yra suskaidytas. Jei pataisysite šį geną kai kuriems pirmtakams, jie subręs į šias ląsteles ir sukels visą šią didelę imuninę nuotrauką.
Taip pat yra, kaip suprantu, skaičiavimo evoliucijos biologija. Ar galite grįžti atgal ir pamatyti senovės žmogaus geną?
- Tai beveik įdomiausia. Bioinformatika nėra mokslas ta pačia prasme, kad elektronų mikroskopija nėra - tai yra metodų rinkinys. Mokslinė bioinformatikos dalis yra, pirma, tai, kas siejama su raidos biologija, antra, tai yra molekulinė evoliucija, ir ten jūs galite padaryti įvairius nuostabius dalykus.
Daug geriau suprantame, kaip tai atsitiko. Mūsų skirtumai nuo pelės prasideda pirmaisiais embriono etapais, o paskui viskas ištaisoma. Tie patys genai veikė šiek tiek skirtingais deriniais. Ši svajonė aprašyti gyvūnų įvairovę suprantant, kaip jie atsirado, grįžta prie Haeckelio. Haeckelis daug žongliruoja, dėl ko jis yra kritikuojamas, tačiau pati idėja yra labai teisinga. Norint suprasti skirtumą tarp žmogaus ir pelės, reikia žiūrėti ne į suaugusį žmogų ir suaugusią pelę, o į embrionus pirmaisiais etapais. Dabar tai tampa realu.
Antras dalykas: mes suprantame, kas su kuo susijęs, paprasčiausiai palygindami genomus. Aišku: kuo mažiau skirtumų, tuo glaudesni santykiai. Tai labai paprasta idėja, ją galima algoritminti. Mūsų idėjos apie gyvų daiktų evoliuciją gana pasikeitė. Tradiciškai grybai visada buvo tiriami žemesnių augalų skyriuje, tačiau iš tikrųjų grybai yra ne žemesni augalai, o artimiausi mūsų giminaičiai. Gėlės su grybais mums yra pusbroliai. Iš to išplaukia, kad daugialypumas daug kartų iškilo savarankiškai, ir tai jau yra labai svarbus klausimas. Kai tu ir aš mokėmės mokykloje, buvo bakterijų, tada buvo pirmuonys, o tada pirmuonys pradėjo klijuoti ir pasirodė daugialąsčiai, o tada daugialąsčiai buvo suskirstyti į augalus ir gyvūnus. Buvo keletas žemesnių augalų, grybų ir aukštesnių augalų - rožių ir drugelių. Bet iš tikrųjų ne taip:buvo daug skirtingų vienaląsčių organizmų, ir šiose skirtingose vienaląsčių organizmų linijose daugialąsčiai atsirado kelis kartus nepriklausomai.
Žmogus kaip aukščiausia daugialąsčio forma?
- Nežinau, kokia prasme aukščiausia. Jei pažvelgsite į audinių įvairovę, tada visi žinduoliai yra vienoda kaina. Jei pažvelgsite į nervų sistemos sudėtingumą, tada mes turime būti lyginami su aštuonkojais. Bet jei kam nors malonu būti antropocentriškam, tai dėl sveikatos, aš neprieštarauju.
Mūsų supratimas apie žmogaus kilmę dramatiškai pasikeitė. Kiekviename iš mūsų 2% yra neandertaliečiai, taip pat buvo Denisovans (Denisovans), apie kuriuos niekas nė neįtarė. Tiesą sakant, Eurazijoje prieš 40 tūkstančių metų buvo trys nepriklausomos žmonijos atšakos, jos kirto visais deriniais, ir mes matome šių perėjimų likučius genome.
Ar jūs visi perimate tai, kas liko automobilių stovėjimo aikštelėse?
„Tai sena DNR ir šiuolaikinių skirtingų žmonių DNR analizė. Manau, kad tai labai šaunu. Tai labai iškreipia mano pasaulio vaizdą.
Michailai, tu mus sugluminai. 2% neandertaliečių, tačiau daug yra bendro su grybais, su gėlėmis … Iš tiesų, čia mes kalbame apie kubelius, iš kurių susideda gyvenimas. Dabar, kaip suprantu, jūs sujungiate šiuos kubus kita tvarka, matote, kokie požymiai atsirado tiek ontogenezėje, tiek filogenezėje, kaip vystėsi atskiro žmogaus embrionas, kaip apskritai vystėsi gyvenimas Žemėje
- Taip. Mes tai darome kompiuteriu, o eksperimentatoriai tai daro ląstelėse.
Mes gyvename puikų laiką! Tikėkimės, kad šie eksperimentai paskatins vaistų nuo vėžio ir AIDS sukūrimą
- Tiesą sakant, vėžys yra jau sukurtas.
Aš turiu omenyje veikimo mechanizmų supratimą
- O žmonės, kuriems diagnozuota AIDS, gyvena ir gyvena iš šiuolaikinių vaistų.
Klausimas yra ne apie vaistus, o apie tai, kaip jį gydyti genų lygiu. Tai dar vienas noras
Sergejus Medvedevas