Sergejs Medvedevs: Kad es biju bērns un jauns vīrietis, es atceros, kā laikraksti nemitīgi trīcēja: kaut kas notiek, kad tiek atšifrēts cilvēka genoms, kad visi šie bloki un ķieģeļi kļūst skaidri … Un tagad cilvēka genoms ir atšifrēts - kas tālāk? Parādās zinātne ar nosaukumu “bioinformātika”. Kas tas ir? Vai dekodētais cilvēka genoms ir sava veida konstruktors Lego, no kura tiek veidota cilvēka dzīvība? Mūsu viesis ir Mihails Gelfands, bioinformatists, Skoltech maģistra programmas Biotehnoloģijas vadītājs, Krievijas Zinātņu akadēmijas Informācijas pārraides problēmu institūta direktora vietnieks.
Mihails Gelfands: Esmu arī profesors Ekonomikas augstskolas Datorikas fakultātē un Maskavas Valsts universitātes Bioinženierijas un bioinformātikas fakultātē.
Kā es saprotu, genomā ir trīs miljardi burtu. Mēs zinām kodu - ko mēs varam darīt ar šo kodu? Šī ir sava veida dzīves pavārgrāmata. Vai mēs tagad varam pagatavot no mēģenes cilvēku, homunculus?
- Šī ir dzīves pavārgrāmata tādā nozīmē, ka dzīve var sevi reproducēt saskaņā ar šajā grāmatā iekļautajām receptēm. Mēs nezinām, kā, šajā ziņā mēs esam slikti pavāri.
Kopumā šī metafora ar genoma atšifrēšanu un lasīšanu nav ļoti veiksmīga, jo atšifrēšana prasa izpratni, un līdz šim mēs to saprotam diezgan vāji. Mēs esam iemācījušies reproducēt DNS iedzimtības molekulu, kas atradās dzīvā šūnā un pēc tam testa mēģenē datorā, mēs zinām, kādā secībā šie burti tiek kombinēti šajā molekulā. Bet jēgas izpratne ir nedaudz atšķirīga lieta.
Bioinformātika parādījās kā neatkarīga zinātne tieši tad, kad bioloģija pakāpeniski sāka pārveidoties no zinātnes, kas darbojas ar atsevišķiem objektiem, par zinātni, kurā ir daudz datu. Šobrīd ir nepieciešams šos datus glabāt, saprast, analizēt un kaut ko ar tiem darīt.
Tas ir par kādiem gadiem?
- 1977. gadā mēs izstrādājām metodes DNS secības noteikšanai (es īpaši saku: nevis "dekodēšana", bet gan "secības noteikšana"). Bioinformātika sāka parādīties acīmredzot 80. gadu sākumā. Man ļoti šausmīgi paveicās: kad 1985. gadā pabeidzu universitāti, bija tik brīnišķīgs lauks, kurā nevajadzēja neko mācīties, tas sākās no nulles, jūs vienkārši varat to paņemt un izdarīt. Tas vēsturē ir ļoti reti.
Reklāmas video:
Vai tajā tiek izmantotas vairāk matemātiskas metodes?
- Metodes tajā ir matemātiskas šādā nozīmē: jums ir jādomā. Tur dažās vietās ir skaisti algoritmi, skaista statistika, bet principā tur matemātika ir diezgan triviāla, tur nav matemātisko maģisko nūju. Jums ir vajadzīga prasme paturēt prātā daudzas lietas un mēģināt to izskaidrot dažādos veidos, un otrā prasme ir uzdot vienkāršus jautājumus. Šajā ziņā matemātikas izglītība man bija ļoti noderīga, ne tik daudz, iespējams, izglītība, kā komunikācija ar manu vectēvu Izrailu Moisejeviču Gelfandu, kurš bija matemātiķis un daudz strādāja eksperimentālajā bioloģijā.
Tagad genoms ir reģistrēts, secība ir noteikta - ko mēs no tā varam izdarīt? Es dzirdēju, ka ir jauna tehnoloģija: mēs varam paņemt kādu gēna ķēdi un salabot, tā vietā ievietot labu. Tas ir, vai mēs varam darboties ar šīm burtiem?
- CRISPR ir gēnu inženierijas tehnika, viena no ļoti modernām, ļoti modernām tehnoloģijām, kas ļauj veikt ļoti precīzas un specifiskas manipulācijas.
Cilvēki vienkārši ieguva vairāk iespēju. Principā cilvēki jau iepriekš zināja, kā ievietot un noņemt gēnus, tas bija vienkārši grūtāk eksperimentāli, nekādas manipulācijas nebija tehniski iespējamas. Tagad rīku komplekts ir paplašinājies. Bija iespējams būvēt mājas, tāpat kā Spartā, tikai ar cirvi, un tagad tur ir arī zāģis un pat finierzāģis, jūs varat izgriezt dažas skaistas platbandes. Šajā ziņā tehnoloģiskais progress ir ļoti liels, bet līdz šim nav ļoti nozīmīgs. Mēs saprotam dažas lietas: ka pastāv vienkārša monogēna slimība, kurā ir sadalīts viens gēns, ir skaidrs, ka, ja jūs to salabosit, jums būs normāls embrijs.
Un tas jau tiek ārstēts?
- Nē, tas nav izārstēts, jūs nevarat manipulēt ar cilvēka embrijiem - to vienkārši aizliedz likums.
Bet, kā es to saprotu, tas virzās. Anglijā viņi atļāva - ar embrijiem līdz 11 dienām …
- Ķīnā viņi pat nevienam neko neprasīs. Ledus laukumu nevar palēnināt, novietojot zem tā bruņurupučus: jums ir žēl bruņurupuču, taču ledus laukums būs tukšs. Šajā ziņā tas, protams, pārcelsies, bet cilvēcei tas ir jāsaprot. Šī ir patiešām nopietna lieta, kas jāapsver.
Viņa nav pirmā. Kad gēnu inženierija bija sākusies tikai 70. gadu vidū, kad kļuva skaidrs, ka ar genomiem var manipulēt (pēc tam joprojām bija baktēriju), jau radās nopietna problēma: piemēram, viņi baidījās, ka viņi nejauši izdarīs kādu superbug un tas apēdīs visus. Bija īpašas konferences, kurās tika izstrādāti noteikumi tam, ko mēs darām un ko nedarām. Jebkurš jauns rīku komplekts paplašina iespējas, palielina atbildību, un tas ir jāsaprot.
rada ētiskus jautājumus …
- Un, ja mēs runājam par bioinformātiku, atgriežoties pie jūsu lūgtā, tad ir nedaudz atšķirīgs stāsts. Tam ir divi aspekti. Izrādījās, ka uz diezgan daudziem klasiskiem bioloģiskiem jautājumiem mēs varam atbildēt vienkārši datorā.
Es veicu daudz baktēriju genomiku. Viņu dzīvē ir ļoti daudz baktēriju, ar kurām tika veikts viens eksperiments, proti, tika noteikta genoma secība. Mēs par viņiem zinām diezgan daudz: ko viņi ēd, ko nevar ēst, kā elpo, kas jāpieskaita videi, bez kura viņi nevar izdzīvot, bet paši to nevar izdarīt utt.
Cik daudz vienkāršāks ir baktēriju genoms, salīdzinot ar cilvēka genomu?
- Tas nav tik kritiski. Mēs dalām 30% gēnu ar E. coli. Gēnu skaita ziņā tipiska baktērija ir tūkstošiem, bet cilvēks - 25 tūkstoši.
Vai jūs pilnībā zināt, kurš gēns ir atbildīgs par to, kas atrodas baktērijās?
- Ne pilnībā, bet mēs zinām daudz.
Daudz vairāk nekā cilvēks?
- Procentuāli - protams.
Otrā parādītā lieta (un tas atkal ir saistīts ar tehnoloģisko attīstību eksperimentālajā bioloģijā), kurai nepieciešama izpratne bioinformātikā, ir tas, ka mēs varam apskatīt visu šūnu. Klasiska lieta: maģistrants studē noteiktu olbaltumvielu, viņš zina šī proteīna partnerus, zina, kā šis proteīns mijiedarbojas ar DNS, ja tas mijiedarbojas ar to, zina, kad šī proteīna gēns ir ieslēgts un kad tas ir izslēgts. Šī ir tik pilnvērtīga disertācija, vairāki zinātniskie raksti par vienu olbaltumvielu. Un tad parādās metodes, kas ļauj vienlaicīgi atbildēt uz vieniem un tiem pašiem jautājumiem attiecībā uz visām olbaltumvielām. Pirmo reizi mums ir neatņemama aina, kā šūna darbojas; viņa tagad ir ļoti nepilnīga.
Ir proteīns, kas jums nav svešs, bet jūs varat paredzēt, apskatot tā genomu …
- Tie ir divi dažādi jautājumi. Mēs spējam paredzēt olbaltumvielu funkcijas, neveicot nekādus eksperimentus ar tām. Šī ir skaista bioinformātika, kuras pamatā ir visu veidu evolūcijas apsvērumi.
Balstoties uz viņa gēna profilu?
- Olbaltumvielas ir tas, kas kodēts gēnā, tāpēc labāk ir runāt par gēnu: pamatojoties uz to, kam šis gēns ir blakus, kam šis proteīns izskatās vismaz no mazpazīstamiem, kā tas tiek regulēts, kad tas tiek ieslēgts un izslēdzas.
To pašu droši vien var darīt arī ar cilvēku?
- Tas ir grūtāk. Tehniski jūs varat.
Apskatiet cilvēka genomu embrija līmenī un sakiet: pieaugs ģēnijs vai augs Down
- Šis ir stāsts par faktu, ka proteīna funkcija parasti nav zināma, par to nekas nebija zināms, un mēs to varam paredzēt. Un tas, par ko jūs runājat, ir labi zināms olbaltumvielu komplekts, bet ar dažām variācijām - tas ir nedaudz atšķirīgs stāsts.
Cilvēks sastāv no zināmiem proteīniem
- Daļēji zināms, daļēji ne. Izrādījās, ka mums ir daudz neviendabīgas informācijas par šūnas darbību. Informācija ir ļoti nepilnīga, katrs neliels fakts var viegli izrādīties nepareizs, taču kopumā tie joprojām ir pareizi. Un no tā var mēģināt aprakstīt šūnu kopumā.
Molekulārā bioloģija filozofiem jau sen ir likusies par redukcionistu zinātni. Šeit jūs skatāties ziloni pa daļām: kāds pēta kāju, kāds - asti, kāds - stumbru, un nav pievienots pilnīgs attēls. Tagad tas sāk veidoties pirmo reizi. Viens no paradoksālajiem rezultātiem ir tāds, ka mūsu zināšanas un izpratne absolūtā nozīmē ļoti strauji palielinās. Bioloģijas sasniegumi ir pārsteidzoši: mēs zinām daudz vairāk, nekā zinājām pirms 10 vai 20 gadiem, pat ne daudzas reizes, bet gan par lielumu vairāk.
Bet neziņas zona pieaug vēl straujāk. Tas ir, mūsu relatīvās zināšanas, manuprāt, faktiski samazinās, jo kļūst skaidrs, ka ir tik atvērtas telpas, par kurām pirms desmit gadiem mums vienkārši neradās, ka tas varētu notikt. Un tagad mēs redzam, ka tas tā ir, bet mēs nezinām, ko ar to darīt. Tas ir šausmīgi forši.
Ir skaidrs, kurš būs Dauns: papildu hromosoma. Bet kurš gribēs un kurš nebūs ģēnijs, mēs nezinām, kā paredzēt, un pateikties Dievam. Mums pat nav labi prognozēt izaugsmi.
Šī informācija netiek uzkrāta?
- Protams.
Vai ir iespējams, piemēram, salīdzināt cilvēka uzvedību, viņa profilu sociālajos tīklos ar viņa ģenētisko profilu?
“Es par to nezinu, bet psiholoģiskās iezīmes daļēji nosaka genoms, un tās var nedaudz paredzēt.
Daļēji pēc genoma, daļēji no sabiedrības puses
- Sabiedrība, daži dzīves apstākļi … Ģenētikā šī ir attīstīta lieta, jūs varat kvantitatīvi noteikt ģenētisko faktoru ieguldījumu noteiktā īpašībā. Ņemsim vienu - mani. Man visās šūnās ir vienādi genomi, bet manas šūnas ir atšķirīgas.
Tas ir, kādā brīdī genomi saprot, kurā šūnā attīstīties?
- Kādā brīdī šūna saprot, ka tai jākļūst par epitēlija vai nervu sistēmas, vai aknu, vai kaut ko citu priekšteci. Pēc pirmās dalīšanas visas šūnas ir vienādas, tajās esošie gēni darbojas vienādi, un tad viņi sāk darboties dažādos veidos. Galvenais nav īsti paši gēni: man un šimpanzēm 50% olbaltumvielu ir vienādas, un atšķirīgās olbaltumvielas atšķiras ar vienu burtu.
Tas ir, jautājums ir, kur ir tā programma, kas kādā brīdī šūnai saka, ka tai jāattīstās cilvēkam vai šimpanzei, bet cilvēkam - smadzenēm vai aknām
- Tas atrodas tajā pašā vietā, gēnos, bet galvenais ir nevis paši gēni, bet gan tas, kā tie ieslēdzas un izslēdzas. Un tas ir visinteresantākais, kas šobrīd notiek bioloģijā.
Vai ir kāda programma, kas ieslēdzas un izslēdzas?
- Protams. Tas ir labi zināms augļu mušām. Drosofila ir vienkārša, tās embrijs ir arī vienkāršs … Nē, Drosofila ir sarežģīta, taču agrīnie attīstības posmi ir ļoti labi precīzi aprakstīti kvantitatīvi modeļu līmenī. Piemēram, jūs varat paredzēt mutāciju rezultātus. Pastāv mutācijas, kad augļu mušas antenas vietā audzē kāju. Tajā pašā laikā ir zināms, kurā gēnā mutācija ir salauzta, un to var modelēt - kā cilmes šūnas pieļauj kļūdas.
Vai to var labot ar jaunām tehnoloģijām?
- Tas ir iespējams, bet tikai embrijā. Kad ir izaugusi kāja vai papildu spārnu pāris, to nevar salabot.
Ko tas var dot praktiskā nozīmē? Teiksim tā, ka ikviens, kas interesējas, cīnās ar vēzi … Šķiet, ka ar šo apbrīnojamo CRISPR tehnoloģiju ķīnieši mēģina cīnīties ar plaušu vēzi. Kā es to saprotu, šajā tehnoloģijā baktērija, ieraugot šķelto DNS fragmentu, ņem gabalu no veselīgas baktērijas un salauzto ķēdi aizstāj ar veselo
- Jā, tikai interesants jautājums, kas notiek ar veselīgu baktēriju … Nē, ne tā. CRISPR / Cas sistēmas ir baktēriju imunitāte, nedaudz atšķirīga lieta. Kad vīruss inficē baktēriju, ja tam nav laika to nogalināt, tur sākas karš, vīruss pārslēdz dažas baktēriju sistēmas, pārtrauc baktēriju ģenētisko programmu un pāriet baktēriju uz jaunu vīrusu ražošanu. Faktiski to dara visi vīrusi: baktēriju, cilvēku un neatkarīgi no tā. Pastāv sistēma, kas ļauj baktērijām, ja vīrusam nebija laika to nogalināt pašā sākumā, izgriezt vīrusa DNS gabalu un izmantot to kā paraugu nākamajam tā paša vīrusa uzbrukumam.
Baktērija sevi inokulē ar šo vīrusu
- Savā ziņā jā. Un tad izrādījās, ka ir olbaltumviela, kas spēj sagriezt gabalu un mērķtiecīgi to kaut kur ievietot, un jūs varat izmantot šo pašu fermentu gēnu inženierijas mērķiem.
Es īsti nesaprotu par šādu vēža terapiju: ja jums ir miljardiem šūnu, kā jūs katrā no tām veidosit pareizo sistēmu? Es nesaprotu, kā to tehniski izdarīt. To var izdarīt, lai ārstētu ģenētiskos defektus embrionālā stadijā, kad ir viena šūna.
Ar vēzi stāsts ir nedaudz atšķirīgs, tur tiešām ir ļoti ievērojams progress. Kļuva skaidrs, ka tas, ko mēs pieņēmām par vienu un to pašu slimību, faktiski ir molekulārā līmenī - dažādas slimības, un arī terapijas mērķiem jābūt atšķirīgiem. Vēzis sākotnēji tika klasificēts vienkārši pēc vietas: tas bija plaušu vēzis, kuņģa vēzis, ādas vēzis. Tad sākās histoloģija. Kad viņi sāka aplūkot audzēja struktūru, kādās šūnās tas sastāv, sākās "sīkšūnu plaušu vēža" tipa diagnozes. Tad sākās bioķīmija, viņi sāka aplūkot dažus marķierus, tas satricināja vēl vairāk.
Un tagad mēs varam redzēt, kādas mutācijas faktiski notika. Jūs ņemat paraugu no vēža audzēja un paraugu no tiem pašiem normālajiem audiem un redzat, kā tie atšķiras. Tās ir ļoti atšķirīgas, jo ar vēzi viss sabojājas, kļūdas sāk uzkrāties ļoti ātri. Ir īpaši termini - "autovadītāji" un "pasažieri": dažas no šīm kļūdām ir pasažieri, tās notika nejauši, bet daži bija autovadītāji, un tie faktiski izraisīja atdzimšanu.
Ir pilnīgi praktiskas lietas, jo, piemēram, ir skaidrs, ka daži vēži, kas tika uzskatīti par vienu slimību, jāārstē atšķirīgi. Un otrādi, ja jums ir ārēji dažādi vēzis, bet tiem ir vienāds molekulārais sadalījums, tad varat mēģināt lietot zāles, kas ir efektīvas viena pret otru.
Vai tas ir sadalījums ģenētiskajā līmenī, vai tiek izsvītrots kāds gēns?
- Vai nu pieklauvēja, vai, tieši otrādi, sāka strādāt pārāk intensīvi. Tipiska vēža pazīme ir tad, kad gēni, kas darbojas embrionālās stadijās, sāk darboties pieaugušo audos. Šīs šūnas sāk nekontrolējami dalīties. Diezgan daudz vēža gadījumu ir atdzimšana, degradācija atpakaļ laikā.
Es gribu uzreiz uzsvērt: es neesmu ārsts, es par to zinu kā biologs un cilvēks, kurš nedaudz lasa atsauksmes. Es vienkārši vienmēr ļoti baidos sarūgtināt cilvēkus. Starp panākumiem zinātnē un praktiskiem jautājumiem vienmēr ir līdzsvars - tiem, kas rīt dosies ārstēties. Tās ir eksperimentālas lietas. Ir viens piemērs, kur tas darbojās. Bet ir skaidrs, ka tieši šajā virzienā viss notiks.
- Ja paskatās uz medicīnisko pielietojumu, vai redzat, ka gēnu inženierija, gēnu terapija jau notiek? Tagad, cik es saprotu, atsevišķas autoimūnas slimības liecina, ka viens gēns ir salauzts.
- Tas drīzāk, gluži pretēji, ir imūnsistēmas defekts, izsvītrota imūnsistēma. Viņi mēģina to izturēties.
Imūndeficīts gēnu līmenī?
- Tas ir saistīts ar imūnsistēmas specifiku. Tur šūnas visu laiku dalās, visu laiku parādās jauni kloni. Pat ja jums viss ir bojāts, bet esat izveidojis nelielu daudzumu salabotu priekšteču šūnu, tās var aizstāt visu imūnsistēmu, to atkārtoti ģenerēt. Tas ir tieši saistīts ar imūnsistēmas darbības specifiku kopumā. Šajā ziņā viņa ir pārsteidzoši plastiska.
Vai baktērija ir radījusi sava veida vakcināciju, imunitāti?
- Jā, bet tas ir nedaudz savādāk. Atkal, runājot par imūndeficītu, tas nozīmē, ka vispār nav šūnu klases, jo tiek sadalīts gēns, kam vajadzētu darboties, kad šīs šūnas nobriest. Ja jūs salabojat šo gēnu dažiem prekursoriem, tie nobriest šajās šūnās, un tie radīs visu šo lielo imūno ainu.
Ir arī, kā es to saprotu, skaitļošanas evolūcijas bioloģija. Vai jūs varat atgriezties un redzēt seno cilvēku gēnu?
- Šis ir gandrīz visinteresantākais. Bioinformātika nav zinātne tādā pašā nozīmē, ka elektronu mikroskopija nav - tas ir paņēmienu kopums. Bioinformatikas zinātniskā daļa, pirmkārt, ir saistīta ar attīstības bioloģiju, un, otrkārt, tā ir molekulārā evolūcija, un tur jūs varat darīt dažādas brīnišķīgas lietas.
Mēs daudz labāk saprotam, kā tas notika. Mūsu atšķirības no peles sākas pirmajos embrija posmos, un tad viss tiek fiksēts. Tie paši gēni darbojās nedaudz dažādās kombinācijās. Šis sapnis aprakstīt dzīvnieku daudzveidību ar izpratni par to, kā tie radās, meklējams Haekelē. Hakels daudz žonglē, par ko viņš tiek kritizēts, bet pati ideja ir ļoti pareiza. Lai saprastu atšķirību starp cilvēku un peli, vispirms jāskatās nevis uz pieaugušu cilvēku un peli, bet gan uz embrijiem. Tagad tas kļūst reāls.
Otra lieta: mēs saprotam, kas ar ko ir saistīts, vienkārši salīdzinot genomus. Ir skaidrs: jo mazāk atšķirību, jo ciešākas attiecības. Šī ir ļoti vienkārša ideja, to var algoritmēt. Mūsu idejas par dzīvo lietu evolūciju ir diezgan daudz mainījušās. Tradicionāli sēnes vienmēr tika pētītas zemāko stādu nodaļā, taču patiesībā sēnes nav zemāki augi, bet gan mūsu tuvākie radinieki. Ziedi ar sēnēm mums ir brālēni. No tā izriet, ka daudzslāņainība ir daudzkārt radusies neatkarīgi, un tas jau ir ļoti būtisks jautājums. Kad jūs un es mācījāmies skolā, bija baktērijas, tad bija vienšūņi, un tad vienšūņi sāka salipt kopā un izrādījās daudzšūnu, un tad daudzšūnas tika sadalītas augos un dzīvniekos. Bija daži zemāki augi, sēnes un augstāki augi - rozes un tauriņi. Bet patiesībā ne tā:bija daudz dažādu vienšūnu organismu, un šajās dažādajās vienšūnu organismu līnijās daudzšūnu daudzveidība radās vairākas reizes neatkarīgi.
Cilvēks kā daudzšūnu augstākā forma?
- Es nezinu, kādā nozīmē visaugstākais. Ja paskatās uz audu dažādību, tad visi zīdītāji ir par vienādu cenu. Ja paskatās uz nervu sistēmas sarežģītību, tad mums jāsalīdzina ar astoņkājiem. Bet, ja kādam ir prieks būt antropocentriskam, tad par veselību es neiebilstu.
Mūsu izpratne par cilvēka izcelsmi ir dramatiski mainījusies. Katrā no mums 2% ir neandertālieši, un bija arī Denisovans (Denisovans), par kuriem nevienam nebija aizdomas. Faktiski Eirāzijā pirms 40 tūkstošiem gadu bija trīs neatkarīgas cilvēces atzares, tās šķērsoja visās kombinācijās, un mēs redzam šo krustojumu paliekas genomā.
Vai jūs visi esat pārņēmuši paliekas tam, kas palika stāvlaukumos?
“Šī ir veca DNS un dažādu cilvēku mūsdienu DNS analīze. Manuprāt, tas ir ļoti forši. Tas ļoti kropļo manu pasaules ainu.
Mihail, jūs mūs esat neizpratnē. 2% no neandertāliešiem, bet daudz kas kopīgs ar sēnēm, ar ziediem … Patiešām, šeit mēs runājam par klucīšiem, no kuriem tiek sakārtota dzīve. Tagad, kā es saprotu, jūs apvienojat šos klucīšus citā secībā, redzat, kādas pazīmes parādījās ontoģenēzijā un filoģenēzijā, kā attīstījās atsevišķa cilvēka embrijs, kā vispār attīstījās dzīve uz Zemes
- Jā. Mēs to darām datorā, un eksperimentētāji to dara kamerās.
Mēs dzīvojam burvīgā laikā! Cerēsim, ka šie eksperimenti ļaus izveidot zāles pret vēzi un AIDS
- Faktiski vēža izārstēšana jau ir izveidota.
Es domāju izpratni par darbības mehānismiem
- Un cilvēki, kuriem diagnosticēts AIDS, dzīvo un dzīvo no modernām zālēm.
Jautājums nav par narkotikām, bet par to, kā to ārstēt gēnu līmenī. Tā ir vēlme
Sergejs Medvedevs