{"id":13647,"url":"\/distributions\/13647\/click?bit=1&hash=d4d0a95481b2141f31252beb4d22220d0651449e9778f17c809993da8776f8b2","title":"\u0422\u0440\u0451\u0445\u0434\u043d\u0435\u0432\u043d\u044b\u0439 \u043a\u044d\u043c\u043f \u0434\u043b\u044f \u0442\u0435\u0445\u043d\u0438\u0447\u0435\u0441\u043a\u0438\u0445 \u0434\u0438\u0440\u0435\u043a\u0442\u043e\u0440\u043e\u0432 \u0432 \u0421\u043e\u0447\u0438","buttonText":"\u041f\u043e\u0434\u0440\u043e\u0431\u043d\u0435\u0435","imageUuid":"6ebca1ad-5b8a-5097-a45a-7d83eaa07fcc","isPaidAndBannersEnabled":false}

«В работе с эмбрионами человека возникает много этических проблем»

Материал написан при поддержке Сколтех

Интервью с биологом, аспирантом «Сколтеха» Сергеем Шмаковым о редактировании человеческого генома.

Редактирование генома — одно из самых перспективных направлений современной биологии. В 20 веке это направление использовали в фармакологии. Например, для производства человеческого инсулина.

Сейчас благодаря открытиям в биоинформатике и достижениям в молекулярной биологии потенциал редактирования генома оказался почти бесконечен: от получения гипоаллергенных овощей и фруктов, устойчивых к вредителям и хранящихся в несколько раз дольше, до изменения генов человека с целью лечения наследственных и приобретенных в процессе жизни заболеваний, в том числе самых тяжелых.

На vc.ru — интервью с биологом, аспирантом «Сколтеха» Сергеем Шмаковым, который рассказал о технологиях редактирования генома, перспективах и о том, как совмещать учебу и работу.

Сергей Шмаков

Сергей Шмаков — российский ученый, аспирант «Сколтеха», выпускник МГТУ им. Баумана. Известен своими работами в области биоинформатики, опубликованными в Science, Nature и других журналах.

Его работы посвящены новым технологиям редактирования геномов, использующих молекулярные механизмы клеточного иммунитета бактерий. Научный руководитель — профессор «Сколтеха» Константин Северинов.

Сергей, как проходили школьные годы? Они повлияли на вашу жизнь и карьеру?

Я ходил в обыкновенную среднюю школу города Воскресенска. Влияние оказывали родители и, конечно, моя бабушка. Она была преподавателем математики — это сильно повлияло.

В школьном возрасте я увлекался компьютерными и информационными науками. Но в школе был класс с углубленным изучением биологии. Его отличие было в преподавателях, которые и учили лучше, и знали больше, поэтому я пошел туда.

Ближе к окончанию я перешел в другой класс, так как готовился поступать в «Бауманку» (Московский государственный технический университет им. Н. Э. Баумана).

Рассматривали другие университеты?

Нет, мои родители и братья учились в Бауманке, поэтому свой путь я видел только там. Возможно, это неправильно — наверное, лучше рассматривать разные варианты.

Какое направление вы выбрали внутри своего профиля, когда учились в университете?

Когда настало время определяться с кафедрой и профилем, я подал заявку на «Информационную безопасность», но поступил на «Программное обеспечение и информационные технологии».

Как пришли к биологии?

У нас был курс по моделированию и мы с другом задумались над вопросом моделирования живой клетки. Можно сказать, что это было началом пути в биоинформатику. Потом была курсовая работа, в которой я моделировал многоуровневую систему безопасности. Вдохновение при её написании я черпал из книг и лекций по строению центральной нервной системы человека и животных.

Диплом я защищал на тему «Контроллеры нечеткой логики для задач финансового рынка». Фактически для этого я написал экспертную программу, которая на базе известных вводных данных принимала решение.

После окончания института я пришел в Microsoft Russia, где проработал шесть лет до 2014 года.

Как вы вернулись в науку?

Мне не давали покоя идеи и начинания институтского периода. В 2012 году я поступил в школу анализа данных «Яндекса» на направление «Биоинформатика». Над нами тогда шефствовал профессор Михаил Гельфанд. В рамках курса лекции читал профессор Константин Северинов. Он заинтересовал своими темами буквально каждого, и во время летних каникул мы с ним договорились попробовать сделать проект.

Когда вы поступили в «Сколтех»?

Когда я закончил школу биоинформатики, возник вопрос, что делать дальше. Чтобы продолжать работу в Microsoft и расти, нужно было уезжать в Данию или США, потому что там находятся наиболее крупные представительства компании. С другой стороны — в биоинформатике были фундаментальные задачи и работа с очень интересными людьми. В конце концов, я выбрал биоинформатику, когда Константин Северинов предложил мне поступить в аспирантуру «Сколтеха».

О чём был ваш первый проект?

Перед нами стояла задача узнать, почему некоторые спейсеры (участки ДНК, приблизительно равные участкам ДНК вирусов — vc.ru) встречаются чаще, чем другие. Во время работы над этим проектом мы открыли другую особенность встраивания в CRISPR/Cas-систему. Эта работа была большим толчком и дала мне свои бонусы в дальнейшем. Собственно, так я и начал работать с CRISPR/Cas-системами.

Расскажите подробнее.

Мы создали пайплайн (цепочка процессов преобразования на основании исходных данных — vc.ru) по анализу базы данных с целью поиска новых CRISPR/Cas-систем.

Наш пайплайн анализировал данные в базе, когда мы дали ему примеры, которые нас интересуют. Алгоритм ранжирует белки, которые находятся рядом с нужным районом, в зависимости от критерия, а дальше мы просматриваем результат и выбираем интересные нам данные.

При написании алгоритма мы отталкивались от парадигмы о колоколизации генов, имеющих общую функцию. Если есть CRISPR/Cas-кассета, с набором спейсеров, разделенных повторами, то рядом должны быть и CRISPR/Cas-гены. Сначала мы взяли белок Cas1, он встраивает новые спейсеры в кассету. По этим спейсерам в дальнейшем CRISPR/Cas-система распознаёт чужеродную ДНК и уничтожает вирусы. Это помогло нам найти четыре новые CRISPR/Cas-системы.

А что это за система — CRISPR/Cas?

Это система адаптивного клеточного иммунитета, встречающаяся у прокариотических (одноклеточных — vc.ru) организмов: у бактерий и архей. Они слишком просты, чтобы иметь аналог нашей иммунной системы, поэтому у них в процессе эволюции сформировалась другая, простая, но очень интересная система. Она работает в три этапа:

  • Адаптация — встраивание новых спейсеров в CRISPR-кассету. Сюда попадает небольшой фрагмент ДНК вируса, который атаковал клетку.
  • Транскрипция кассеты — процесс считывания базы данных из кассеты со спейсерами, которые нарезаются из единой молекулы РНК, которая считывается с участка (CRISPR) молекулы ДНК клетки. Считавшийся нарезанный фрагмент РНК соединяется с нуклеазами (белками, обладающими ферментативными свойствами в отношении к нуклеиновым кислотам — vc.ru).
  • Интерференция — процесс, в ходе которого эффекторный комплекс, в который входит нуклеаза и РНК для распознавания, делают разрез ДНК вируса.

Почему вы взяли именно белок Cas1?

Потому что это самый консервативный из белков всей системы. Он входит в состав адаптационного модуля встраивания спейсеров в кассету, что помогает бактерии в дальнейшем стать устойчивой к вирусу, имеющему такой же участок ДНК, как записан в спейсере.

Предметом поиска для нас были нуклеазы, формирующие эффекторые комплексы, разрезающие ДНК вирусов. Это очень важно и интересно с точки зрения усовершенствования потенциального редактирования геномов.

Ваша программа доступна для других исследователей? У неё есть аналоги?

Я уже говорил, что это не полноценная программа, у неё нет интерфейса, только алгоритмы преобразования данных. Пайплайн написан для непосредственной работы напрямую с базой данных и не предназначен для удалённой работы, например, через веб-интерфейс.

Именно с такой функциональностью доступных программ нет, потому что мы сами писали алгоритм для поиска конкретных свойств CRISPR/Cas-систем во всех доступных геномах и метагеномах доступных нам в NIH.

Метагеном – большой объем данных о генах сразу нескольких бактерий, формирующих локальное сообщество.

NIH (National institutes of Health англ.) – национальные институты здоровья. Эти учреждения Департамента здравоохранения Соединённых Штатов Америки являются основными центрами, ответственными за исследования проблем здравоохранения и биомедицины США.

Что вы открыли?

Во время реализации первой работы мы открыли четыре новых типа CRISPR-систем: тип 5a, 5b, 5c, 6, с соответствующими белками Cpf1, С2с1, С2с3 и C2c2. Напомню, что поиск мы вели от белка Cas1, и опубликовали работу в 2015 году.

Во второй работе мы изменили набор данных и взяли расположенные CRISPR-кассеты за точку, от которой вели поиск в базе данных.

Мы запустили пайплайн с данными о кассетах и нашли ещё несколько типов систем. О достаточно интересных полученных данных мы рассказали на конференции летом прошлого года, а статья вышла совсем недавно в январе этого года в Nature Reviews. Публикация статьи — процесс довольно долгий, у рецензентов было много вопросов, нам нужно было на них отвечать.

Сколько ещё не открытого в этой области? Будут ли неожиданные повороты и принципиально новые белки?

С одной стороны, список открытых белков и типов систем постоянно увеличивается. В первой мы описали четыре, потом опубликовали следующую работу, где описали ещё несколько типов, другая группа исследователей нашла ещё несколько. Я думаю, эта работа так и будет продолжаться.

Но я соглашусь с моими коллегами, которые говорят, что основные игроки в CRISPR-системах уже найдены, добавление новых белков уже принципиально не меняет картину. Добавленные за последнее время типы 4, 5, 6 занимают около 1,5% по распространенности, если мы посмотрим на все бактерии и археи.

Насколько сложно было поступить в «Сколтех»?

Конкурс был достаточно большой. Экзамены по профильному предмету и английский в виде презентации статьи и сдачи экзамена, например, TOEFL.

Тяжело совмещать учёбу и работу в Microsoft?

Учёба в «Сколтехе» интенсивная, поэтому я посвящал ей почти всё время — и пришлось уйти с работы.

Вы жили на одну стипендию?

Прямо скажу, стипендия в «Сколтехе» хорошая — она была лишь немного меньше, чем зарплата в Microsoft Russia. Надо сказать, что высокая стипендия — это невероятный плюс, так как не нужно отвлекаться от учебы, чтобы решить насущные материальные вопросы. С другой стороны, это может расслабить: зачем куда-то идти, если и тут хорошо платят.

Расскажите немного о самой учебе.

Программа состоит из модулей и разных профильных курсов, например, профессор МГУ Петр Сергиев читал курс по молекулярной биологии, были курсы по стволовым клеткам и другим направлениям.

У всех студентов были похожие направления?

Нет, не всегда — нам давали время определиться с направлением и дальнейшей работой. Было очень много встреч и обсуждений с преподавателями и профессорами, в том числе иностранными. Большой плюс «Сколтеха» — в открытости.

Скоро у «Сколтеха» появятся свои лабораторные корпуса для исследований в области биотехнологий. Это очень хорошо: раньше приходилось посылать аспирантов в другие лаборатории, в том числе иностранные.

Каково было работать с одним из самых известных и авторитетных российских ученых Константином Севериновым?

Интересный вопрос. Когда я только начал учиться в школе биоинформатики, о Константине я ничего не знал. Сейчас я могу сказать, что работать с ним очень интересно. Он открытый человек, не ограниченный своей областью знаний. Это видно даже по нашей работе, когда мы начали по одной теме, а статью выпустили уже по другой.

Я могу сказать, что все учёные, с которыми мне довелось работать — авторитетные и известные в своей области исследователи.

Как руководители, они требуют результат. Каждую неделю по пятницам я составляю мини-отчёты о том, что сделано на прошедшей неделе и что планируется на следующую. Когда я начал работать с Евгением Куниным, я стал тратить около часа рабочего времени на такие отчёты, потому что он попросил описывать всё более подробно.

Вы волновались перед первой публикацией? Были сомнения или подозрения в данных?

Во время публикации мы уже знали, что нашли работающую CRISPR/Cas-систему. Ещё до публикации мы начали работать с экспериментальными лабораториями, которые получили наши данные о кандидатах. На момент выхода статьи, мы уже знали, что открытое нами действительно существует, работает и интересно для других ученых.

Поэтому сомнения в адекватности данных не было, но волнение, разумеется, было, в том числе по поводу следующей статьи. Но когда много работы, на волнение не остается времени.

Вы не так давно получили награду от главы NIH — Национальных институтов здоровья США.

Да. Когда мне пришло письмо: «Вы получили награду директора NIH», я особо не гордился и не афишировал этого. Я подумал, что это очередная маленькая текущая награда, показывающая, что наша работа кому-то интересна. Но дальше, когда информация о награде стала распространяться по NIH и не только, меня начали поздравлять даже незнакомые люди, которых я просто встречал в коридоре.

Эта награда довольно престижная и показывает значимость работы. Вручение проходило на территории NIH в главном зале. Хотя награда не имеет денежного обеспечения — нет ни премий, ни вознаграждений — её получение мотивирует на дальнейшую работу.

Награду получили только вы?

Награду давали целому коллективу: Евгению Кунину, Кире Макаровой, Юрию Вульфу и мне. Нам дали большую рамку, в которой написано, что мы — авторы этой работы — большие молодцы.

Что изменилось после вручения награды?

Принципиально ничего, но эта награда мотивировала нас работать дальше, дала нам публичный отклик. Нас заметили, и это хорошо, в том числе и для получения грантов и денег для дальнейшей работы лаборатории.

В ближайшее время вы улетаете в США к эксперту в вычислительной и эволюционной биологии Евгению Кунину. Зачем?

Когда мы начинали работу с Евгением, он поставил условие, чтобы я работал минимум три года — у нас с ним было что-то вроде контракта, поэтому до февраля 2018 года я продолжу работать в его лаборатории в NIH.

Ехать туда нужно не для контроля, просто гораздо легче взаимодействовать вживую. Проблема в том, что у нас слишком много часовых поясов разницы. Когда у нас день, там ещё ночь. И наоборот. По почте общаться неудобно, чтобы получить ответ, нужно ждать день. А там нужно будет просто постучать в соседнюю дверь.

При этом вы продолжите учиться в «Сколтехе»?

Да, сейчас я готовлюсь к защите кандидатской диссертации, это к сожалению, ограничивает мои возможности по работе. Но после защиты у нас ещё несколько проектов, которые я бы хотел закончить. В идеале надо будет защитить отдельно кандидатскую диссертацию по ВАКовским требованиям в одном из российских университетов.

Как вы оцениваете перспективы отечественной науки?

Если посмотреть на историю развития науки, то пик научных исследований связан с уровнем благосостояния граждан и стабильностью перспектив. Если получится планировать исследования на несколько лет вперёд при стабильном финансировании, то перспективы российской науки вполне радужны.

У нас есть позитивные примеры развития науки: того же «Сколтеха» 10 лет назад вообще не было, а сейчас это очень динамично развивающийся институт, занимающийся самыми передовыми направлениями мировой науки.

Какие перспективы у ваших открытий?

Применение CRISPR/Cas-систем возможно в нескольких направлениях. Во-первых, это генетическая терапия. В ней нет принципиальных проблем, так как она не меняет структуру всего генома, а лечит отдельные клетки во взрослом организме. Например, уже сейчас есть методы генной терапии, находящиеся на первой стадии клинических испытаний при онкологических заболеваниях.

Другое направление — это редактирование эмбрионов, не обязательно человека, можно редактировать и геном животных. Например, создать коров, в молоке которых были бы необходимые нам вещества.

В работе с эмбрионами человека возникает много этических проблем, потому что любая модификация может давать преимущества по сравнению с обычными людьми.

Если методами редактирования генома начнут злоупотреблять, это негативно скажется на популяционном разнообразии. Например, если все поголовно будут делать своих детей голубоглазыми блондинами с другими заданными параметрами, например, по обмену веществ или формированию пропорций тела, это может привести к тому, что люди как популяция станут уязвимыми для патогенов, использующих однообразие вида.

Нечто похожее произошло при бесконтрольном распространении антибиотиков, которых принимали в 50-60-е годы практически по каждому поводу. Это привело к тому, что мы ускорили эволюцию болезнетворных бактерий, приобретших устойчивость к этим антибиотикам.

Важно понимать, что система CRISPR/Cas — это инструмент, а как его будут использовать — это уже решение, которое будет принимать каждый.

0
4 комментария
Сергей Шмаков

Серёга, молодец!

Ответить
Развернуть ветку
Арсений Кушнир

Я в тебя верил!

Ответить
Развернуть ветку
Bahtiyar Khuja

Молодцы, и люди замечательные, и материал крутой

Ответить
Развернуть ветку

Комментарий удален модератором

Развернуть ветку

Комментарий удален модератором

Развернуть ветку

Комментарий удален модератором

Развернуть ветку

Комментарий удален модератором

Развернуть ветку
Дмитрий Шестаков

... так появились люди-х ))

Ответить
Развернуть ветку
Читать все 4 комментария
null