«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, 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.

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.

#Сколтех