В 2019 году на базе Курчатовского института был создан геномный центр, крупнейший в России. Сегодня он объединяет восемь ведущих научных и образовательных учреждений. В общей сложности здесь работают 500 человек, большинство из которых моложе 35 лет.
О том, как новые знания о генах и инструменты их изменения помогут накормить человечество, решить вопросы здоровья и сделать производства экологичнее рассказал замруководителя Курчатовского комплекса НБИКС-природоподобных технологий (нано-, био-, информационных, когнитивных и социогуманитарных) Максим Патрушев.
Принципы натурфилософии
Курчатовский геномный центр отвечает за такие направления, как сельское хозяйство и промышленная микробиология, а также обладает уникальной коллекцией микроорганизмов, аналогов которой нет за рубежом.
«Почему мы ведем сразу два направления? Потому что они должны развиваться комплементарно, иначе это неэффективно. Дело в том, что сельское хозяйство производит сырье для промышленной микробиологии, а промышленная микробиология, в свою очередь, позволяет сделать сельское хозяйство более продуктивным», — рассказывает Патрушев.
Например, в корма для крупного рогатого скота нужно добавлять витамины и аминокислоты, чтобы достигать лучших показателей по надою или объему мяса. Большая часть таких добавок производится бактериями на специальных биотехнологических предприятиях.
«Чтобы создать бактерии с большим объемом производства аминокислот, нужны генетические технологии. Бактерии, прежде чем произвести аминокислоту, должны чем-то питаться, а питаются они пшеницей, которая должна обладать повышенной сахаристостью, — поясняет замдиректора. — Таким образом, сначала аграрная продукция используется для питания бактерий, а затем бактерии снова идут в сельское хозяйство, только уже по направлению животноводства
Оцифровка геномов
Все разработки центра построены по определенному циклу. Первый его этап — это анализ. «То есть, если брать бактерии, производящие аминокислоты, о которых мы уже говорили, то мы, чтобы с ними работать, должны сначала прочитать и проанализировать их геномы», — отметил Патрушев.
За срок чуть более года центру удалось оцифровать огромный пласт геномов бактерий и растений — около 1500 объектов, в том числе из коллекции промышленных организмов ГосНИИгенетики.
Центр оцифровал десятки геномов российских сортов винограда, получив очень интересные данные, которые могут перевернуть мировой взгляд на виноградарство.
«В дальнейшем мы продолжим эту работу, изучим порядка 50 сортов технического винограда, используемого для производства вина. И на основании полученного массива данных разработаем технологию, которая поможет селекционерам создавать виноград с особыми свойствами», — рассказывает замруководителя комплекса.
На втором этапе ученые должны найти, «подглядеть» у природы инструменты геномной хирургии, чтобы на молекулярном уровне что-то поменять в ДНК (например, в случае с пшеницей, чтобы она стала более сахаристой).
В 2020 году сотрудникам удалось открыть новый белок — CRISP/Cas12.
«Это уникальный фермент, который позволяет не только редактировать геном, но и обладает очень мощной коллатеральной активностью, то есть его можно использовать и для диагностики», — отметил Патрушев.
Искать инструменты по редактированию геномов помогают экспедиции. В прошлом году специалисты центра работали в Северной Осетии, где изучали уникальные экосистемы, брали пробы почвы, создавали метогеномы — это когда разом секвенируются геномы всех живых организмов, живущих в почве.
«В этом году у нас запланирована такая экспедиция в Бурятию. Мы проведем еще одно «ковровое» исследование мест, где могут жить уникальные бактерии с ферментами, которые мы сможем потом использовать в биотехнологической промышленности», — поделился планами Патрушев.
Наконец, третий этап цикла — это уже применение новых инструментов на проанализированном геноме, чтобы получить требуемый результат. Например, среди достижений центра создание полезных разновидностей ферментов, необходимых для переработки сельскохозяйственного сырья, например для получения биоэтанола, которые пока что завозятся из-за рубежа.
«Сейчас центр ведет переговоры с отечественными технологическими предприятиями и планирует эти ферменты внедрять», — поделился результатами Патрушев.
Кроме того, ученые научились производить молочную кислоту, а значит, на рынке появится отечественный качественный и широкоприменяемый полимер — полилактид. Например, из него можно делать бутылки, которые будут разлагаться в почве или создавать временные импланты для поддержки сломанных костей, которые со временем растворяются в организме.
Национальная база генетической информации
Одна из стратегических задач центра — создать национальную базу генетической информации. Чтобы пояснить, зачем она нужна, Патрушев привел пример: «Есть база GISAID, которая была создана для сбора геномов гриппа, а сейчас используется для сбора геномов коронавируса. На сегодняшний день число секвенируемых геномов в ней приближается к миллиону. Только тогда, когда у нас будет огромный объем данных, мы сможем построить нормальный анализ: говорить, какой штамм опаснее, и т.д.».
Сегодня же в России, как отметил ученый, практически отсутствует инфраструктура, позволяющая проводить широкомасштабные генетические ассоциативные исследования, чтобы понять, какой ген ответственен за то или иное заболевание у человека.
«Для этого нам нужно проанализировать геномы людей по всей стране и провести стандартную медицинскую аналитику. Сейчас мы пользуемся данными американских исследований, но население США живет в других условиях, и у них ассоциативные связи могут быть иными. Поэтому, когда мы берем их генетические маркеры (метка последовательности нуклеотидов участка ДНК с известным положением в определенной хромосоме. — Прим.ред.) и пытаемся применить их на нашу популяцию, то все может работать не совсем корректно», — подчеркнул Патрушев.
По его словам, национальная база генетической информации обеспечит возможность проводить такие исследования. Ранее планировалось ее запустить в срок до 2024 года, рассказывает ученый, однако с учетом текущей эпидемиологической обстановки нужно сделать это быстрее, и центр к этому готов, отмечает он.
Тактические задачи
Центр не специализируется на работе с коронавирусом, но пандемия «встряхнула» всех, и его сотрудники начали работать над технологическим ответом на этот вызов. В результате был разработан прототип системы, которая позволяет выявить коронавирус за 17 минут.
«Это, конечно, слишком медленно. Например, ни один ребенок в школе не будет стоять и ждать 17 минут (например, ученые из Университета штата Флорида разработали экспресс-тест, с помощью которого следы вируса можно обнаружить в образцах биожидкостей пациента менее чем за секунду, —своеобразный аналог тестовых полосок для диабетиков. — Прим. ред.). Но когда будет создана система, обнаруживающая РНК коронавируса за пять минут, ее уже можно будет внедрять в российских образовательных учреждениях, аэропортах и так далее», — считает замруководителя комплекса.
Курчатовский геномный центр развивает направление биосенсоров и для нужд биотехнологического производства.«Например, чтобы измерить, не снизилась ли продуктивность бактерии в условиях промышленного производства, мы придумали встроить в клетки специальную молекулярную систему, которая тем зеленее, чем больше аминокислоты производит бактерия», — поделился Патрушев.
В этом году центр также начал работу по совмещению кишечной палочки (одного из универсальных продуцентов, который может производить и витамины, и аминокислоты, и вакцины) с фототрофами — сине-зелеными водорослями.
«Фототрофы получают энергию из солнечного света, гетеротрофы (кишечная палочка) — из органических веществ. Совместив их, мы сможем получить организм со свойствами продуцентов, которые синтезируют энергию из света. Это сложнейшая технологическая задача, много кто пытается ее решить. Мы добились в ней определенных успехов и надеемся, что мы это сделаем. В конечном итоге это позволит удешевить пищевые продукты на полках магазинов», — отметил замруководителя комплекса.
Кроме того, в прошлом году сотрудники центра записали специальный обучающий курс для учителей. Он был готов в ноябре, а уже в январе его прошли 3000 педагогов. «Это нас очень вдохновило, и в этом году мы планируем подготовить аналогичный курс для детей», — рассказал ученый.
Беседовала Ксения Петрова