Sergei Medvedev: Keď som bol dieťa a mladý muž, pamätám si, ako sa noviny neustále trúbili: niečo sa stane, keď sa rozlúšti ľudský genóm, keď sa vyjasnia všetky tieto bloky a tehly … A teraz sa ľudský genóm dekóduje - čo ďalej? Objaví sa veda nazývaná „bioinformatika“. Čo to je? Je dekódovaný ľudský genóm akýmsi konštruktérom, Legom, z ktorého sa vytvára ľudský život? Našim hosťom je Michail Gelfand, bioinformatik, vedúci magisterského programu „Biotechnológia“v Skoltech, zástupca riaditeľa Ústavu pre problémy prenosu informácií Ruskej akadémie vied.
Michail Gelfand: Som tiež profesorom na Fakulte informatiky na Vysokej škole ekonómie a na Fakulte bioinžinierstva a bioinformatiky na Moskovskej štátnej univerzite.
Ako to chápem, v genóme sú tri miliardy listov. Poznáme kód - čo s týmto kódom môžeme robiť? Toto je nejaká kuchárka života, môžeme teraz variť človeka, homunkula zo skúmavky?
- Toto je kuchárka života v tom zmysle, že život sa môže reprodukovať podľa receptov obsiahnutých v tejto knihe. Nevieme ako, v tomto zmysle sme zlí kuchári.
Všeobecne platí, že táto metafora s dešifrovaním a čítaním genómu nie je príliš úspešná, pretože dešifrovanie predpokladá porozumenie, a zatiaľ chápeme dosť zle. Naučili sme sa reprodukovať molekulu dedičnosti DNA, ktorá bola v živej bunke a potom v skúmavke v počítači, vieme, v akom poradí sú tieto písmená kombinované v tejto molekule. Pochopenie významu je však trochu iná vec.
Bioinformatika sa javila ako nezávislá veda presne vtedy, keď sa biológia postupne začala transformovať z vedy, ktorá pracuje so samostatnými objektmi, na vedu, v ktorej je veľa údajov. V tejto chvíli je potrebné tieto údaje ukladať, porozumieť, analyzovať a urobiť s nimi niečo.
Ide o to, o ktoré roky?
- V roku 1977 sme vyvinuli metódy na určovanie sekvencie DNA (konkrétne hovorím: nie „dekódovanie“, ale „určovanie sekvencie“). Bioinformatika sa začala objavovať pravdepodobne na začiatku 80. rokov. Mal som veľké šťastie: keď som v roku 1985 ukončil univerzitu, existovalo také úžasné pole, v ktorom som sa nemusel nič učiť. Začalo to od nuly, jednoducho si to mohol vziať a urobiť. To je v histórii veľmi zriedkavé.
Propagačné video:
Používa viac matematických metód?
- Metódy v ňom sú matematické v tomto zmysle: musíte premýšľať. Na niektorých miestach sú krásne algoritmy, krásne štatistiky, ale v zásade je matematika celkom triviálna, neexistujú tam žiadne matematické čarovné prútiky. Potrebujete zručnosť, aby ste mali na pamäti veľa vecí a snažili sa to vysvetliť rôznymi spôsobmi. Druhou zručnosťou je klásť jednoduché otázky. V tomto zmysle bolo pre mňa matematické vzdelávanie veľmi užitočné, možno nie vzdelanie, ako komunikácia s mojím starým otcom Izraelom Moiseevičom Gelfandom, ktorý bol matematikom a veľa pracoval v experimentálnej biológii.
Teraz je zaznamenaný genóm, sekvencia je určená - čo z toho môžeme urobiť? Počul som, že existuje nová technológia: môžeme si vziať génový reťazec a opraviť ho, namiesto toho vložiť dobrú. To znamená, že môžeme s týmito listami pracovať?
- CRISPR je technika genetického inžinierstva, jedna z veľmi vyspelých a veľmi moderných technológií, ktorá vám umožňuje robiť veľmi presné a konkrétne manipulácie.
Ľudia práve dostali viac príležitostí. V zásade ľudia vedeli, ako vložiť a odstrániť gény predtým, experimentálne to bolo zložitejšie, žiadne manipulácie neboli technicky uskutočniteľné. Teraz sa sada nástrojov rozšírila. Bolo možné stavať domy, rovnako ako v Sparte, len so sekerou, a teraz je tu aj píla a dokonca aj priamočiara píla. V tomto zmysle je technologický pokrok veľmi veľký, ale zatiaľ nie príliš významný. Chápeme niektoré veci: že existuje jednoduché monogénne ochorenie, pri ktorom je zlomený jeden gén - je zrejmé, že ak ho opravíte, budete mať normálne embryo.
A to sa už lieči?
- Nie, nie je vyliečený, nemôžete manipulovať s ľudskými embryami - je to jednoducho zakázané zákonom.
Ale ako to chápem, pohybuje sa. V Anglicku to dovolili - s embryami do 11 dní …
- V Číne sa nebudú nikoho opýtať. Nemôžete spomaliť klzisko umiestnením korytnačiek pod neho. Je vám ľúto korytnačiek, ale klzisko bude prázdne. V tomto zmysle sa bude samozrejme hýbať, ale ľudstvo to musí pochopiť. Toto je skutočne vážna vec, ktorá si vyžaduje reflexiu.
Nie je prvá. Keď sa genetické inžinierstvo začalo v polovici 70-tych rokov, keď sa ukázalo, že s genómami sa dá manipulovať (ešte stále bakteriálnymi), nastal už vážny problém: napríklad sa obávali, že náhodou urobia nejakú superbug a budú jesť všetkých. Boli špeciálne konferencie, na ktorých sa vypracovali pravidlá toho, čo robíme a čo nerobíme. Každá nová sada nástrojov rozširuje príležitosti, zvyšuje zodpovednosť a musí byť pochopená.
Vyvoláva etické otázky …
- A keď hovoríme o bioinformatike, vraciame sa k tomu, čo ste požiadali, potom je tu trochu iný príbeh. Existujú dva aspekty. Ukázalo sa, že dokážeme odpovedať na niekoľko klasických biologických otázok jednoducho v počítači.
Robím veľa genomiky baktérií. Existuje veľa baktérií, s ktorými sa v ich živote uskutočnil jeden experiment, konkrétne sa určila sekvencia genómu. O nich vieme dosť veľa: to, čo jedia, čo nemôžu jesť, ako dýchajú, čo musia pridať do životného prostredia, bez ktorého nemôžu prežiť, ale nemôžu to urobiť sami a tak ďalej.
O koľko jednoduchší je bakteriálny genóm v porovnaní s ľudským genómom?
- Nie je to také kritické. Zdieľame 30% génov s E. coli. Z hľadiska počtu génov je typickou baktériou tisíce a človek 25 tisíc.
Viete úplne, ktorý gén je zodpovedný za čo v baktériách?
- Nie úplne, ale toho veľa vieme.
Oveľa viac ako človek?
- Ako percento - samozrejme.
Druhá vec, ktorá sa objavila (a to opäť súvisí s technologickým vývojom v experimentálnej biológii) a vyžaduje porozumenie v bioinformatike, je to, že sa môžeme pozerať na bunku ako celok. Klasická vec: postgraduálny študent študuje určitý proteín, pozná partnerov tohto proteínu, vie, ako tento proteín interaguje s DNA, ak s ním interaguje, vie, kedy je gén tohto proteínu zapnutý a vypnutý. Toto je taká plnohodnotná dizertačná práca, niekoľko vedeckých článkov o jednom proteíne. A potom sa objavia metódy, ktoré vám umožňujú odpovedať na rovnaké otázky pre všetky proteíny naraz. Prvýkrát máme ucelený obraz o tom, ako bunka funguje; ona je teraz veľmi nedokonalá.
Existuje bielkovina, ktorá nie je pre vás známa, ale môžete ju predpovedať pri pohľade na jej genóm …
- Toto sú dve rôzne otázky. Sme schopní predpovedať funkcie proteínov bez toho, aby sme s nimi experimentovali. Je to krásna bioinformatika založená na všetkých druhoch evolučných úvah.
Na základe jeho génového profilu?
- Proteín je to, čo je kódované v géne, takže je lepšie hovoriť o géne: na základe toho, kto je tento gén najbližší, od ktorého je tento proteín aspoň trochu známy, ako je regulovaný, keď je zapnutý a vypne sa.
To isté sa pravdepodobne dá urobiť aj s človekom?
- Je to ťažšie. Technicky môžete.
Pozrime sa na genóm človeka na embryonálnej úrovni a povedzme: génius porastie alebo dole porastie
- Toto je príbeh o skutočnosti, že funkcia proteínu nie je všeobecne známa, nič o ňom nebolo vôbec známe a môžeme ho predvídať. O čom hovoríte, je dobre známy súbor proteínov, ale s určitými variáciami - to je trochu iný príbeh.
Človek sa skladá zo známych proteínov
- Čiastočne známe, čiastočne nie. Ukázalo sa, že máme veľa heterogénnych informácií o tom, ako bunka funguje. Informácie sú veľmi nedokonalé, každý malý fakt sa môže ľahko ukázať ako nesprávny, ale v súhrne sú stále správne. Z tohto je možné skúsiť opísať bunku ako celok.
Molekulárna biológia bola filozofmi filozofov už dlho vyhováraná za to, že je redukcionistická veda. Tu sa pozeráte na slona v niektorých častiach: niekto študuje nohu, niekto - chvost, niekto - kmeň, a nepridáva sa žiadny úplný obrázok. Teraz sa začína formovať prvýkrát. Jedným z paradoxných výsledkov je to, že naše znalosti a porozumenie v absolútnom slova zmysle veľmi rýchlo rastú. Pokrok v biológii je úžasný: vieme oveľa viac, ako sme vedeli pred 10 alebo 20 rokmi, dokonca ani mnohokrát, ale rádovo viac.
Oblasť nevedomosti však rastie ešte rýchlejšie. To znamená, že podľa môjho názoru naše relatívne znalosti v skutočnosti klesajú, pretože je zrejmé, že existujú také otvorené priestory, o ktorých sa pred desiatimi rokmi jednoducho nestalo, že k tomu dôjde. A teraz vidíme, že je, ale nevieme, čo s tým. To je strašne cool.
Je jasné, kto Down bude: extra chromozóm. Kto však bude a nebude génius, nevieme predvídať a ďakovať Bohu. Ani nedokážeme predpovedať rast.
Tieto informácie sa nezhromažďujú?
- Samozrejme.
Je napríklad možné porovnať správanie človeka, jeho profil na sociálnych sieťach a jeho genetický profil?
„Neviem o tom, ale psychologické vlastnosti sú čiastočne determinované genómom a dajú sa predpovedať trochu.
Čiastočne genóm, čiastočne spoločnosť
- Spoločnosť, niektoré životné okolnosti … V genetike je to rozvinutá vec, ktorá umožňuje kvantifikovať príspevok genetických faktorov k určitej zvláštnosti. Vezmime jednu - mňa. Vo všetkých bunkách mám rovnaké genómy, ale moje bunky sa líšia.
To je v určitom okamihu genómy chápané, do ktorej bunky sa vyvinú?
- V určitom okamihu si bunka uvedomuje, že sa musí stať prekurzorom epitelu alebo nervového systému alebo pečene alebo niečoho iného. Po prvých rozdeleniach sú všetky bunky rovnaké, gény v nich fungujú rovnakým spôsobom a potom začnú pracovať rôznymi spôsobmi. Kľúčovou vecou nie sú samotné gény: ja a šimpanzy máme 50% bielkovín rovnaké a tie, ktoré sa líšia jedným písmenom.
To znamená, že je otázkou, kde je program, ktorý v určitom okamihu hovorí bunke, že by sa mala vyvinúť v osobu alebo šimpanza a v osobu - do mozgu alebo pečene
- Je to na rovnakom mieste, v génoch, ale kľúčovou vecou nie sú samotné gény, ale ako sa zapínajú a vypínajú. A to je najzaujímavejšia vec, ktorá sa v súčasnosti deje v biológii.
Existuje program, ktorý sa zapína a vypína?
- Samozrejme. Toto je dobre známe u ovocných mušiek. Drosophila je jednoduchá, jej embryo je tiež jednoduché … Nie, Drosophila je komplexná, ale počiatočné štádiá jej vývoja sú veľmi dobre kvantitatívne opísané na úrovni modelov. Napríklad môžete predvídať výsledky mutácií. Existujú mutácie, keď ovocné mušky pestujú nohu namiesto antén. Zároveň je známe, v ktorom géne je mutácia narušená, a to sa dá modelovať - ako progenitorové bunky robia chyby.
Dá sa opraviť novými technológiami?
- Je to možné, ale iba u embrya. Keď narástla noha alebo extra krídla, nemôžete to opraviť.
Čo to môže priniesť v praktickom zmysle? Povedzme, že to, čo sa zaujíma o každého, je boj proti rakovine … S touto úžasnou technológiou CRISPR sa zdá, že Číňania sa snažia bojovať s rakovinou pľúc. Ako to chápem, v tejto technológii baktéria, keď vidí fragment zlomenej DNA, odoberie kus zdravej baktérie a nahradí zlomený reťazec zdravým
- Áno, len zaujímavá otázka, čo sa stane so zdravou baktériou … Nie, nie tak. Systémy CRISPR / Cas sú bakteriálna imunita, niečo trochu iné. Keď vírus infikuje baktériu, ak nemá čas ju zabiť, začína vojna, vírus prepne niektoré bakteriálne systémy, rozbije bakteriálny genetický program a prepne baktériu na výrobu nových vírusov. V skutočnosti to robia všetky vírusy: bakteriálne, ľudské a čokoľvek. Existuje systém, ktorý umožňuje baktériám, aby v prípade, že vírus nemal čas na jeho zabitie, odrezali časť vírusovej DNA a použili ju ako vzorku pri nasledujúcom útoku na rovnaký vírus.
Baktéria sa naočkuje týmto vírusom
- V istom zmysle áno. A potom sa ukázalo, že existuje proteín, ktorý je schopný rozrezať kus a zámerne ho vložiť niekde, a ten istý enzým môžete použiť na účely genetického inžinierstva.
Na takúto rakovinovú terapiu naozaj nerozumiem: ako máte miliardy buniek, ako zabudujete do každej z nich správny systém? Nerozumiem tomu, ako to technicky urobiť. To sa dá urobiť na liečbu genetických defektov v embryonálnom štádiu, keď je jedna bunka.
S rakovinou je príbeh trochu odlišný, skutočne dochádza k veľmi významnému pokroku. Ukázalo sa, že to, čo sme pre rovnaké ochorenie prijali, je v skutočnosti na molekulárnej úrovni - rôzne choroby a ciele liečby by sa mali tiež líšiť. Rakovina bola pôvodne klasifikovaná jednoducho podľa miesta: bola to rakovina pľúc, rakovina žalúdka, rakovina kože. Potom sa začala histológia. Keď sa začali pozerať na štruktúru nádoru, na ktorých bunkách sa skladá, začali sa diagnózy typu „malobunkovej rakoviny pľúc“. Potom sa začala biochémia, začali sa pozerať na niektoré markery, ktoré sa rozpadli ešte ďalej.
A teraz vidíme, aké mutácie sa skutočne vyskytli. Odoberiete vzorku z rakovinového nádoru a vzorku z rovnakého normálneho tkaniva a uvidíte, ako sa líšia. Sú veľmi odlišné, pretože s rakovinou sa všetko pokazí, chyby sa začnú hromadiť veľmi rýchlo. Existujú špeciálne výrazy - „vodiči“a „cestujúci“: niektoré z týchto chýb sú cestujúci, vyskytli sa náhodou a niektoré boli vodičmi, ktoré v skutočnosti viedli k znovuzrodeniu.
Existujú úplne praktické veci, pretože napríklad je zrejmé, že niektoré druhy rakoviny, ktoré sa považovali za jednu chorobu, sa musia liečiť rôznymi spôsobmi. Naopak, ak máte zvonka odlišné druhy rakoviny, ale majú rovnaké molekulárne rozdelenie, môžete skúsiť použiť liek, ktorý je účinný proti druhému.
Je to členenie na genetickej úrovni, je nejaký gén vyradený?
- Buď vyrazil, alebo naopak, začal pracovať príliš intenzívne. Typickým príznakom rakoviny je, keď gény, ktoré pôsobia v embryonálnych štádiách, začínajú pracovať v dospelých tkanivách. Tieto bunky sa nekontrolovateľne delia. Pomerne málo rakovín je v skutočnosti znovuzrodenie, degradácia späť v čase.
Chcem to hneď zdôrazniť: Nie som lekár, viem o tom ako biológ a človek, ktorý si prečíta malé recenzie. Vždy sa veľmi bojím sklamaním ľudí. Vždy existuje rovnováha medzi úspechom vo vede a praktickým problémom - pre tých, ktorí sa zajtra budú liečiť. Toto sú experimentálne veci. Existuje jediný príklad, kde to fungovalo. Je však zrejmé, že všetko sa stane týmto smerom.
- Ak sa pozriete na lekárske použitie, vidíte, že genetické inžinierstvo, génová terapia už prebieha? Pokiaľ viem, jednotlivé autoimunitné choroby ukazujú, že jeden gén je zlomený.
- Ide skôr o poruchu imunitného systému, vyradený imunitný systém. Snažia sa to liečiť.
Imunodeficiencia na úrovni génov?
- Je to z dôvodu špecifík imunitného systému. Tam sa bunky stále delia, stále sa objavujú nové klony. Aj keď máte všetko chybné, ale urobili ste malé množstvo opravených progenitorových buniek, môžu nahradiť celý imunitný systém a znova ho vygenerovať. Je to presne v dôsledku špecifík fungovania imunitného systému vo všeobecnosti. V tomto zmysle je úžasne plastová.
Vytvorila baktéria nejaký druh očkovania, imunita?
- Áno, ale je to trochu iné. Pokiaľ ide o imunodeficienciu, opäť to znamená, že neexistujú vôbec žiadne triedy buniek, pretože gén, ktorý má fungovať, keď tieto bunky dozrievajú, je poškodený. Ak opravíte tento gén niektorými prekurzormi, dozrievajú do týchto buniek a vyvolajú celý tento imunitný obraz.
Ako som pochopil, existuje aj výpočtová evolučná biológia. Môžete sa vrátiť a vidieť gén starodávneho muža?
- Toto je takmer najzaujímavejšie. Bioinformatika nie je veda v tom istom zmysle, že elektrónová mikroskopia nie je - je to súbor techník. Vedecká časť bioinformatiky je po prvé, čo súvisí s vývojovou biológiou, a po druhé, je to molekulárna evolúcia, a tu môžete robiť rôzne úžasné veci.
Chápeme oveľa lepšie, ako sa to stalo. Naše rozdiely od myši začínajú v prvých fázach embrya a potom je všetko opravené. Rovnaké gény pracovali v mierne odlišných kombináciách. Tento sen opísať rozmanitosť zvierat s pochopením ich vzniku sa vracia späť do Haeckelu. Haeckel veľa žongloval, za čo je kritizovaný, ale samotná myšlienka je veľmi správna. Aby sme pochopili rozdiel medzi človekom a myšou, musíme sa zamerať nielen na dospelú osobu a dospelú myš, ale na embryá v prvých fázach. Teraz sa stáva skutočným.
Druhá vec: Chápeme, s kým je príbuzný, jednoducho porovnaním genómov. Je jasné: čím menšie rozdiely, tým bližší vzťah. Toto je veľmi jednoduchý nápad, dá sa algoritmizovať. Naše predstavy o vývoji živých vecí sa dosť zmenili. Huby sa tradične študovali vždy na oddelení nižších rastlín, ale v skutočnosti nie sú huby nižšie rastliny, ale naši najbližší príbuzní. Kvety s hubami sú pre nás bratrancami. Z toho vyplýva, že mnohobunkovosť sa mnohokrát objavila nezávisle, a to už je veľmi zásadná otázka. Keď sme boli v škole, boli sme baktérie, potom boli prvoki, a potom sa prvoky začali držať pri sebe a ukázalo sa, že sú mnohobunkové, a potom sa tieto mnohobunkové bunky rozdelili na rastliny a zvieratá. Tam boli niektoré nižšie rastliny, huby a vyššie rastliny - ruže a blatouchy. Ale v skutočnosti to tak nie je:bolo mnoho rôznych jednobunkových organizmov a v týchto rôznych líniách jednobunkových organizmov vznikla viackanálová viackrát nezávisle.
Človek ako najvyššia forma mnohobunkovosti?
- Neviem, v akom zmysle je najvyššia. Ak sa pozriete na rôzne tkanivá, všetky cicavce sú za rovnakú cenu. Ak sa pozriete na zložitosť nervového systému, musíme sa porovnať s chobotnicami. Ale ak je niekto rád, že je antropocentrický, potom na zdravie mi to nevadí.
Naše chápanie ľudského pôvodu sa dramaticky zmenilo. V každom z nás sú 2% neandertálci a boli tu aj Denisovani (Denisovani), o ktorých nikto netušil. V skutočnosti v Eurázii pred 40 000 rokmi existovali tri nezávislé odvetvia ľudstva, krížili sa vo všetkých kombináciách a zvyšky týchto prechodov vidíme v genóme.
Všetci preberáte zvyšky toho, čo zostalo na parkoviskách?
„Toto je stará DNA a analýza modernej DNA od rôznych ľudí. Myslím, že je to veľmi cool. Toto veľmi skresľuje môj obraz sveta.
Michail, zmätil si nás. 2% neandertálcov, ale s hubami, kvetmi je veľa spoločného … V skutočnosti tu hovoríme o kockách, z ktorých je usporiadaný život. Ako to chápem, kombinujete tieto kocky v inom poradí, sledujte, aké príznaky sa vyskytli v ontogenéze a fylogenéze, ako sa vyvíjalo embryo jednotlivca, ako sa všeobecne vyvíjal život na Zemi
- Áno. Robíme to na počítači a experimentátori to robia v bunkách.
Žijeme v príjemnom čase! Dúfajme, že tieto experimenty povedú k vytvoreniu liekov na rakovinu a AIDS
- V skutočnosti už bol liek na rakovinu vytvorený.
Mám na mysli pochopenie mechanizmov činnosti
- A ľudia s diagnostikovanou AIDS žijú a žijú na moderných liekoch.
Nejde o lieky, ale o to, ako ich liečiť na úrovni génov. Toto je ďalšie želanie
Sergei Medvedev