Павел Волчков проверяет работу студентов
Анализ генома — задача биоинформатическая. Это большой массив данных — Big data, здесь вступают в работу математика, статистика, нейросети и методы машинного обучения. Таким образом, огромный базис Физтеха в области Computer science нашел свое практическое применение в одном из самых перспективных направлений науки — геномной инженерии.
Павел Волчков, руководитель лаборатории геномной инженерии МФТИ:
Задача моей лаборатории — создавать методы терапии существующих социально-значимых заболеваний — от редких, орфанных, до массовых, таких, как онкологические, аутоиммунные, инфекционные. При этом в будущем мы бы хотели не только лечить, но и создавать подходы к предотвращению развития болезней, то есть поддерживать активное долголетие здоровых людей. Это имеет гораздо больше смысла.
От Менделя до ИИ
Современная генетика далеко ушла от первых законов Менделя. Сегодня ученые пытаются из всего наработанного разнообразия, огромного количества данных — фундаментальных и прикладных — создать полезные IT- и биомедицинские продукты.
Студентка аспирантуры Валаа Асаад работает над созданием новых аденоассоциированных вирусных векторов
Проекты в области геномной инженерии весьма разнообразны, например, Джордж Чёрч воссоздает мамонта, что весьма интересно, но лаборатория Павла Волчкова работает над прикладными задачами, которые позволят улучшить жизнь каждого человека. В первую очередь это сельское хозяйство, где генетическое редактирование, позволяет нам значительно повысить продуктивность весьма непредсказуемой, во многом убыточной, но жизненно важной отрасли. С другой стороны, все большим акцентом в области ГМО становится сам человек, а именно вопрос его усовершенствования.
Этому вопросу посвящено отдельное направление, в основе которого — поиск оптимальных решений с помощью методов биоинформатики. Данные задачи решают проекты лаборатории геномной инженерии. Расскажем о них поподробнее.
Евгений Кегелес в работе над проектом по разработке клеточной терапии сетчатки глаза
Запустить цепь событий
«Наш проект посвящен разработке клеточной терапии сетчатки глаза для лечения глаукомы. Мы работаем над восстановлением нейронов, которые ответственны за передачу информации от сетчатки к коре головного мозга, как матрица фотоаппарата. Эти клетки — мост от глаза к мозгу, и именно они с возрастом часто теряют свою функциональность», — делится сотрудник лаборатории, основной исполнитель проекта, студент магистратуры МФТИ Евгений Кегелес.
Для восстановления зрения необходимо сначала вырастить в лаборатории из плюрипотентных стволовых клеток ткань сетчатки как источник для трансплантации. Встроить необходимые клетки в сетчатку глаза и запустить целый ряд событий: клетки выращивают аксон, который связывает сетчатку с головным мозгом и самостоятельно достраивают зрительную цепь — visual circuit. Это кажется фантастическим проектом, но в лаборатории уже получены положительные результаты.
Искусственный солдат генной терапии
«Одним из путей осуществления генной терапии — как в проекте лечения заболевания сетчатки глаза, так и в других — является использование вирусов, для изменения ДНК. В качестве надежных инструментов доставки — “курьеров” — мы рассматриваем синтетические аденоассоциированные вирусы», — рассказывает о проекте биоинформатик лаборатории, студент Физтеха Денис Максимов.
Аденоассоциированные вирусы отличает сниженная иммуногенность — они могут заражать разные типы клеток. Кроме того, они безопасны и нетоксичны. Большинство диких вирусов нам хорошо знакомы и довольно успешно нейтрализуются антителами, в том числе при вакцинации и лечении. С искусственными вирусами человек еще не сталкивался, что делает их «удачным» инструментом для редактирования генома.
В лаборатории уже показана эффективность вируса в фоторецепторах сетчатки, и здесь используется две стратегии. Первая — это восстановление предкового варианта. С помощью диких вариантов вирусов филогенетическим методом строится дерево и предсказывается последовательность предка, затем на основе этой последовательности синтезируется библиотека.
Второй подход — это создание химер. В данном случае возможно использовать дикие варианты, про которые уже известно, что они заражают фоторецепторы сетчатки, и сделать несколько химер, а затем исследовать их свойства. Вполне возможно, одна из химер окажется даже лучше, чем исходные варианты.
Big data в основе персонализированной медицины
Уже не в будущем, а в настоящем каждый из нас может сделать свой индивидуальный генетический паспорт — полный анализ генома для выявления имеющихся мутаций, предрасположенностей к заболеваниям и патологиям. За всем этим стоит анализ огромного массива данных. Стандартизацией и оптимизацией таких процессов также занимаются ученые в лаборатории геномной инженерии.
Александр Журов за анализом геномов
«Наш проект заключается в том, чтобы сделать систему обработки полногеномных данных человека. Человеческая ДНК выделяется, секвенируется, и на выходе получается индивидуальный файл с многочисленными фрагментами последовательностей, которые соотносятся с референсной, принятой за эталон. Таким образом, обнаруживаются несоответствия. Один из примеров таких несоответствий — SNP (Single Nucleotide Polymorphism), отличия последовательности ДНК размером в один нуклеотид. Выявляя их, мы можем аннотировать геном. Анализируя большое количество людей и применяя методы статистики и машинного обучения, мы можем оценивать риск возникновения у человека тех или иных заболеваний, давать ему рекомендации. Это может стать серьезным шагом на пути к персонализированной медицине», — рассказывает биоинформатик лаборатории, выпускник МФТИ Александр Журов.
Предупредить и усовершенствовать
«Геномная инженерия — это не просто починить сломанный ген. Геномная инженерия может предупредить болезнь, выявив проблемные зоны и создав генетические модификации, которые, предотвратят развитие заболеваний или определят предрасположенности — в нашем понимании это и есть тот самый “мамонт”.
Актуальной задачей геномной инженерии является развитие в сторону создания прижизненных терапий, которые позволят генетикам усовершенствовать человека в самом начале, предотвратив болезнь. Но это превентивный проект, а по факту большинство генно-инженерных подходов сейчас направлено на лечение уже сформировавшихся патологий. Мы хотели бы изменить эту парадигму», — резюмирует Павел Волчков.
