Sergei Medvedev: Kui olin laps ja noormees, mäletan, kuidas ajalehed pidevalt trügisid: midagi juhtub siis, kui inimgenoom on lahti mõtestatud, kui kõik need plokid ja tellised selgeks saavad … Ja nüüd on inimgenoom dešifreeritud - mis edasi? Ilmub teadus nimega "bioinformaatika". Mis see on? Kas dekodeeritud inimese genoom on mingi konstruktor Lego, kellest inimelu luuakse? Meie külaliseks on Mihhail Gelfand, bioinformaatik, Skoltechi magistriprogrammi juht Skoltech, Venemaa Teaduste Akadeemia teabe edastamise probleemide instituudi asedirektor.
Mihhail Gelfand: Olen ka professor Kõrgema Majanduskooli arvutiteaduskonnas ning Moskva Riikliku Ülikooli bioinseneriteaduse ja bioinformaatika teaduskonnas.
Nagu ma aru saan, on genoomis kolm miljardit tähte. Teame koodi - mida selle koodiga teha saab? See on mingisugune elu kokaraamat, kas me saame nüüd katseklaasist süüa inimest, homunculust?
- see on elu kokaraamat selles mõttes, et elu saab selles raamatus sisalduvate retseptide järgi ennast taastoota. Me ei tea, kuidas, selles mõttes oleme halvad kokad.
Üldiselt ei ole see genoomi dešifreerimise ja lugemisega seotud metafoor kuigi edukas, sest dešifreerimine eeldab mõistmist ja seni mõistame seda üsna halvasti. Õppisime reprodutseerima DNA pärilikkuse molekuli, mis asus elusas rakus ja seejärel katseklaasis arvutis, teame, mis järjekorras need tähed selles molekulis on ühendatud. Kuid tähenduse mõistmine on pisut teine asi.
Bioinformaatika ilmus iseseisva teadusena täpselt siis, kui bioloogia hakkas järk-järgult muutuma teadusest, mis töötab eraldi objektidega, teaduseks, mille kohta on palju andmeid. Praegu on vaja neid andmeid säilitada, neist aru saada, neid analüüsida ja nendega midagi ette võtta.
See on aasta pärast?
- 1977. aastal töötasime välja meetodid DNA järjestuse määramiseks (ma ütlen konkreetselt: mitte "dekodeerimine", vaid "järjestuse määramine"). Bioinformaatika hakkas ilmnema ilmselt 80ndate alguses. Mul oli kohutavalt vedanud: kui ma 1985. aastal ülikooli lõpetasin, oli seal selline imeline väli, kus polnud vaja midagi õppida, see algas nullist, sa võid selle lihtsalt võtta ja teha. See on ajaloos väga haruldane.
Reklaamvideo:
Kas selles kasutatakse rohkem matemaatilisi meetodeid?
- Selles kasutatud meetodid on matemaatilised järgmises tähenduses: peate mõtlema. Seal on mõnes kohas ilusaid algoritme, ilusat statistikat, aga põhimõtteliselt on sealne matemaatika üsna triviaalne, matemaatilisi võlukeppe seal pole. Teil on vaja oskust paljusid asju meeles pidada ja proovida seda erineval moel selgitada ning teine oskus on esitada lihtsaid küsimusi. Selles mõttes oli matemaatikaharidus minu jaoks väga kasulik, mitte niivõrd haridus, kui suhtlus minu vanaisa Izrail Moisejevitš Gelfandiga, kes oli matemaatik ja töötas palju eksperimentaalbioloogias.
Nüüd registreeritakse genoom, määratakse järjestus - mida saaksime selle põhjal teha? Ma kuulsin, et on olemas uus tehnoloogia: võime võtta mõne geeniketti ja selle parandada, selle asemel sisestada hea. See tähendab, et saame nende tähtedega opereerida?
- CRISPR on geenitehnoloogia, mis on üks väga arenenud ja väga kaasaegseid tehnoloogiaid, mis võimaldab teil teha väga täpseid ja spetsiifilisi manipulatsioone.
Inimesed said lihtsalt rohkem võimalusi. Põhimõtteliselt teadsid inimesed geenide sisestamist ja eemaldamist juba varem, see oli lihtsalt eksperimentaalselt keerulisem, mitte mingid manipulatsioonid polnud tehniliselt teostatavad. Nüüd on tööriistade komplekt laienenud. Maju oli võimalik ehitada, nagu Spartas, ainult kirvega, nüüd on seal ka sahk ja isegi pusle, saab ilusad plaadid välja lõigata. Selles mõttes on tehnoloogia areng väga suur, kuid siiani mitte eriti mõttekas. Mõistame mõnda asja: et on olemas lihtne monogeenne haigus, mille korral üks geen on katki - on selge, et kui te selle parandate, on teil tavaline embrüo.
Ja seda juba ravitakse?
- Ei, seda ei ravita, inimembrüotega ei saa manipuleerida - see on seadusega lihtsalt keelatud.
Aga nagu ma aru saan, see liigub. Inglismaal nad lubasid embrüotega kuni 11 päeva …
- Hiinas ei küsi nad isegi kelleltki. Jäähalli ei saa aeglustada, pannes kilpkonnad selle alla: teil on kilpkonnadest kahju, kuid jäähall jääb tühjaks. Selles mõttes see muidugi liigub, kuid inimkond peab sellest aru saama. See on tõesti tõsine asi, mis vajab läbimõtlemist.
Ta pole esimene. Kui geenitehnoloogia oli just alanud 70ndate keskel, kui selgus, et genoomidega saab manipuleerida (siis veel bakteriaalsed), oli juba tõsine probleem: näiteks kartsid nad, et teevad juhuslikult mõne supervea ja see sööb kõik ära. Toimusid spetsiaalsed konverentsid, kus töötati välja reeglid selle kohta, mida teeme ja mida mitte. Iga uus tööriistakomplekt laiendab võimalusi, suurendab vastutust ja seda tuleb mõista.
tõstatab eetilisi küsimusi …
- Ja kui me räägime bioinformaatikast, pöördudes tagasi selle juurde, mida te küsisite, siis on natuke teine lugu. Sellel on kaks aspekti. Selgus, et üsna paljudele klassikalistele bioloogilistele küsimustele saame vastata lihtsalt arvutis.
Teen palju bakterite genoomikat. Nende elus on palju baktereid, millega tehti üks katse, nimelt määrati genoomi järjestus. Me teame neist üsna palju: mida nad söövad, mida nad ei saa süüa, kuidas nad hingavad, mida nad peavad keskkonnale lisama, ilma milleta nad ei suuda ellu jääda, kuid ei saa ise hakkama jne.
Kui palju lihtsam on bakteri genoom võrreldes inimese genoomiga?
- See pole nii kriitiline. E. coli-ga jagame 30% geenidest. Geenide arvu järgi on tüüpiline bakter tuhandeid ja inimene 25 tuhat.
Kas te teate täielikult, milline geen vastutab bakterite eest?
- Mitte täielikult, kuid me teame palju.
Palju rohkem kui inimene?
- Protsendina - muidugi.
Teine ilmnenud asi (ja see on jällegi seotud eksperimentaalbioloogia tehnoloogilise arenguga) ja nõuab bioinformaatikas mõistmist, on see, et saame vaadata kogu lahtrit. Klassikaline asi: kraadiõppur uurib teatud valku, ta tunneb selle valgu partnereid, teab, kuidas see valk interakteerub DNA-ga, kui see interakteerub sellega, teab, millal selle valgu geen sisse ja millal välja lülitatakse. See on selline täieõiguslik väitekiri, mitu teadusartiklit ühe valgu kohta. Ja siis ilmuvad meetodid, mis võimaldavad teil kõigi valkude puhul vastata samadele küsimustele korraga. Esmakordselt on meil lahtri toimimisest terviklik pilt; ta on nüüd väga ebatäiuslik.
Seal on valk, mis pole teile võõras, kuid võite ennustada, vaadates selle genoomi …
- Need on kaks erinevat küsimust. Oleme võimelised valkude funktsioone ennustama, ilma nendega katseid tegemata. See on ilus bioinformaatika, mis põhineb igasugustel evolutsioonilistel kaalutlustel.
Kas tema geeniprofiili põhjal?
- Valk on see, mida geen kodeerib, nii et parem on rääkida geenist: lähtudes sellest, kellele see geen asub, kellele see valk vähemalt vähetuntud välja näeb, kuidas seda sisselülitamisel reguleeritakse ja lülitub välja.
Sama saab ilmselt teha ka inimese kohta?
- See on raskem. Tehniliselt saate.
Vaadake inimese genoomi embrüonaalsel tasemel ja öelge: geenius kasvab või Down kasvab
- See on lugu tõsiasjast, et valgu funktsioon ei ole üldiselt teada, selle kohta polnud midagi teada ja me võime seda ennustada. Ja see, millest te räägite, on tuntud valkude komplekt, kuid mõne variatsiooniga - see on pisut teine lugu.
Inimene koosneb tuntud valkudest
- osaliselt teada, osaliselt mitte. Selgus, et raku toimimise kohta on meil palju heterogeenset teavet. Teave on väga ebatäiuslik, iga väike fakt võib kergesti osutuda valeks, kuid kokkuvõttes on need siiski õiged. Ja sellest võib proovida lahtrit tervikuna kirjeldada.
Molekulaarbioloogiat on filosoofid juba pikka aega karistanud kui reduktsionistlikku teadust. Siin vaadatakse elevanti osade kaupa: keegi uurib jalga, keegi - saba, keegi - pagasiruumi ja täielikku pilti ei lisata. Nüüd hakkab see esimest korda kuju võtma. Selle üks paradoksaalseid tulemusi on see, et meie teadmised ja mõistmine absoluutses tähenduses suurenevad väga kiiresti. Bioloogia areng on hämmastav: me teame palju rohkem, kui teadsime 10 või 20 aastat tagasi, isegi mitte mitu korda, kuid suurusjärke rohkem.
Kuid teadmatuse piirkond kasvab veelgi kiiremini. See tähendab, et meie suhteline teadmine minu arvates tegelikult väheneb, kuna saab selgeks, et on olemas selliseid avatud ruume, mille kohta kümme aastat tagasi meile lihtsalt ei juhtunud, et see juhtub. Ja nüüd näeme, et see on nii, kuid me ei tea, mida sellega teha. See on kohutavalt lahe.
On selge, kes Downist saab: täiendav kromosoom. Kuid kes saab ja kes pole geenius, me ei tea, kuidas ennustada ja jumalat tänada. Me ei oska isegi kasvu ennustada.
Seda teavet ei koguneta?
- Muidugi.
Kas on näiteks võimalik võrrelda inimese käitumist, tema profiili sotsiaalvõrgustikes tema geneetilise profiiliga?
„Ma ei tea sellest, kuid psühholoogilised tunnused on osaliselt kindlaks määratud genoomi poolt ja neid saab natuke ennustada.
osaliselt genoomi poolt, osaliselt ühiskonna poolt
- Ühiskond, mõned eluolud … Geneetikas on see arenenud asi, võite kvantifitseerida geneetiliste tegurite panuse konkreetsesse tunnusesse. Võtame ühe - mina. Mul on kõigis rakkudes samad genoomid, kuid minu rakud on erinevad.
See tähendab, et genoomid saavad mingil hetkel aru, millisesse rakku areneda?
- Mingil hetkel saab rakk aru, et sellest peab saama epiteeli või närvisüsteemi või maksa või millegi muu eelkäija. Pärast esimest jagunemist on kõik rakud ühesugused, neis töötavad geenid ühtemoodi ja siis hakkavad nad erineval viisil toimima. Põhiline pole tegelikult geenid ise: minul ja šimpansidel on 50% valkudest ühesugused ja need, mis erinevad, erinevad ühe tähe kaupa.
St küsimus on selles, kus on see programm, mis mingil hetkel ütleb rakule, et see peaks arenema inimeseks või šimpansiks ja inimesel - aju või maksa
- See asub samas kohas, geenides, kuid peamine pole mitte geenid ise, vaid see, kuidas nad sisse ja välja lülituvad. Ja see on kõige huvitavam asi, mis praegu bioloogias toimub.
Kas on mõni programm, mis lülitatakse sisse ja välja?
- Muidugi. See on puuviljakärbestes hästi teada. Drosophila on lihtne, ka tema embrüo on samuti lihtne … Ei, Drosophila on keeruline, kuid selle arenguetappe on varases staadiumis väga täpselt kirjeldatud täpselt kvantitatiivselt mudelite tasandil. Näiteks võite ennustada mutatsioonide tulemusi. On mutatsioone, kui puuviljakärbestel kasvab antenni asemel jalg. Samal ajal on teada, milles geenis mutatsioon purustatakse, ja seda saab modelleerida - kuidas eellasrakud vigu teevad.
Kas seda saab uute tehnoloogiate abil parandada?
- See on võimalik, kuid ainult embrüos. Kui jalg või lisatiib paar on kasvanud, ei saa te seda parandada.
Mida see praktilises mõttes kaasa võib tuua? Ütleme nii, et vähktõve vastu võitleb kõik, mida kõik huvitavad … Tundub, et selle hämmastava CRISPR-tehnoloogia abil üritavad hiinlased võidelda kopsuvähiga. Nagu ma aru saan, võtab see tehnoloogia selle tehnoloogia puhul, kui ta näeb katkise DNA fragmenti, tüki tervislikust bakterist ja asendab purustatud ahela tervega
- Jah, lihtsalt huvitav küsimus, mis juhtub tervisliku bakteriga … Ei, mitte nii. CRISPR / Cas süsteemid on bakteriaalne immuunsus, pisut erinev asi. Kui viirus nakatab bakteri, kui tal pole aega seda tappa, algab seal sõda, viirus lülitab ümber mõned bakterisüsteemid, rikub bakteri geneetilise programmi ja lülitab bakteri uute viiruste tootmisele. Tegelikult teevad seda kõik viirused: bakteriaalsed, inimese ja mis iganes. On olemas süsteem, mis võimaldab bakteritel, kui viirusel polnud päris alguses aega seda tappa, välja lõigata tükk viiruse DNA-st ja kasutada seda proovina sama viiruse järgmisel rünnakul.
Bakter nakatab ennast selle viirusega
- Teatud mõttes jah. Ja siis selgus, et on olemas valk, mis on võimeline tüki lõikama ja selle sihipäraselt kuhugi sisestama, ja sa võid seda sama ensüümi kasutada geenitehnoloogia eesmärkidel.
Ma ei saa sellisest vähiteraapiast tegelikult aru: kui teil on miljardeid rakke, kuidas kavatsete igasse neist õige süsteemi sisse ehitada? Ma ei saa aru, kuidas seda tehniliselt teha. Seda saab teha embrüonaalse staadiumi geneetiliste defektide raviks, kui rakke on üks.
Vähktõvega on lugu pisut erinev, seal on tõesti väga oluline edasiminek. Sai selgeks, et see, mida me sama haiguse jaoks võtsime, on tegelikult molekulaarsel tasemel - erinevad haigused ja ka ravi eesmärgid peaksid olema erinevad. Vähk liigitati algselt lihtsalt koha järgi: see oli kopsuvähk, maovähk, nahavähk. Siis algas histoloogia. Kui nad hakkasid uurima kasvaja struktuuri, millistest rakkudest see koosneb, hakati diagnoosima "väikerakulise kopsuvähi" tüüpi. Siis algas biokeemia, nad hakkasid mõnda markerit vaatama, see purunes veelgi.
Ja nüüd näeme, millised mutatsioonid tegelikult aset leidsid. Võtate proovi vähkkasvajast ja proovi samast normaalsest koest ning näete, kuidas need erinevad. Need on väga erinevad, sest vähiga kõik laguneb, vead hakkavad kogunema väga kiiresti. On olemas erimõisted - "autojuhid" ja "reisijad": mõned neist vigadest on reisijad, need juhtusid juhuslikult ja mõned olid autojuhid, mis tegelikult viisid taassünnini.
On täiesti praktilisi asju, sest näiteks on selge, et mõnda vähki, mida peeti üheks haiguseks, tuleb ravida erineval viisil. Ja vastupidi, kui teil on väliselt erinevad vähid, kuid neil on sama molekulaarne lagunemine, võite proovida kasutada ravimit, mis on efektiivne üksteise vastu.
Kas see on jaotus geneetilisel tasandil, kas mõni geen on koputatud?
- Kumbki koperdas, või vastupidi, hakkas liiga intensiivselt tööd tegema. Tüüpiline vähktõve märk on see, kui embrüonaalsetes staadiumides töötavad geenid hakkavad tööle täiskasvanute kudedes. Need rakud hakkavad kontrollimatult jagunema. Päris paljud vähkkasvajad on tegelikult taassünd, lagunemine ajas tagasi.
Tahan kohe rõhutada: ma ei ole arst, tean seda bioloogina ja inimesena, kes loeb natuke arvustusi. Ma kardan lihtsalt alati inimeste pettumust. Teaduses saavutatud edu ja praktilise teema vahel on alati tasakaal. Neile, kes lähevad homme ravile. Need on eksperimentaalsed asjad. On üks näide, kus see toimis. Kuid on selge, et kõik toimub just selles suunas.
- Kui vaatate meditsiinilist rakendust, kas näete, et geenitehnoloogia, geeniteraapia juba toimub? Nüüd, nagu ma aru sain, näitavad üksikud autoimmuunhaigused, et üks geen on katki.
- See on pigem vastupidi, immuunsussüsteemi defekt, välja ajanud immuunsussüsteem. Nad üritavad seda ravida.
Immuunpuudulikkus geenide tasemel?
- See on tingitud immuunsussüsteemi eripärast. Seal lahtrid jagunevad kogu aeg, uued kloonid ilmuvad pidevalt. Isegi kui teil on kõik viga, kuid olete teinud väheses koguses parandatud eellasrakke, võivad need asendada kogu immuunsüsteemi ja seda uuesti genereerida. See on tingitud just immuunsüsteemi üldise toimimise eripärast. Selles mõttes on ta hämmastavalt plastiline.
Kas bakter on loonud mingisuguse vaktsineerimise, immuunsuse?
- Jah, aga see on natuke erinev. Immuunpuudulikkuse osas tähendab see jällegi seda, et rakuklasse pole üldse, sest geen, mis peaks nende rakkude küpseks toimides toimima, purustatakse. Kui parandate selle geeni mõneks lähteaineks, küpsevad nad nendesse rakkudesse ja nad annavad selle kogu immuunsuse pildi.
Nagu ma aru saan, on olemas ka arvutuslik evolutsioonibioloogia. Kas saate tagasi minna ja vaadata iidse inimese geeni?
- See on peaaegu kõige huvitavam. Bioinformaatika pole teadus samas mõttes, et elektronmikroskoopia pole - see on tehnikate komplekt. Bioinformaatika teaduslik osa on esiteks see, mida seostatakse arengubioloogiaga, ja teiseks on see molekulaarne evolutsioon ning seal saate teha mitmesuguseid imelisi asju.
Me mõistame palju paremini, kuidas see juhtus. Meie erinevused hiirest algavad embrüo esimestes etappides ja siis on kõik fikseeritud. Samad geenid töötasid veidi erinevates kombinatsioonides. See unistus kirjeldada loomade mitmekesisust koos arusaamisega nende tekkimisest ulatub tagasi Haeckeli juurde. Haeckel žongleeris palju, mille pärast teda kritiseeritakse, kuid idee ise on väga õige. Inimese ja hiire erinevuse mõistmiseks tuleb vaadata mitte täiskasvanud inimest ja täiskasvanud hiirt, vaid esimestes etappides embrüoid. Nüüd on see muutumas reaalseks.
Teine asi: me mõistame, kes on kellega seotud, lihtsalt genoomide võrdlemise teel. On selge: mida vähem on erinevusi, seda tihedam on suhe. See on väga lihtne idee, selle saab algoritmida. Meie ideed elusolendite evolutsiooni kohta on üsna palju muutunud. Traditsiooniliselt on seeni alati uuritud madalamate taimede osakonnas, kuid tegelikult pole seened madalamad taimed, vaid meie lähimad sugulased. Seentega lilled on meile nõod. Sellest järeldub, et mitmekihilisus on mitu korda iseseisvalt tekkinud ja see on juba väga põhimõtteline küsimus. Kui teie ja mina koolis käisime, olid bakterid, siis olid algloomad ja siis hakkasid algloomad omavahel kokku kleepuma ja osutusid mitmerakuliseks ning seejärel jagunesid mitmerakulised taimedeks ja loomadeks. Seal olid mõned madalamad taimed, seened ja kõrgemad taimed - roosid ja liblikad. Kuid tegelikult mitte nii:oli palju erinevaid üherakulisi organisme ja nendes üherakuliste organismide erinevates ridades tekkis mitmerakuline iseseisvus mitu korda.
Inimene kui mitmekihilisuse kõrgeim vorm?
- Ma ei tea, mis mõttes kõrgeim. Kui vaadata kudede mitmekesisust, siis on kõik imetajad sama hinnaga. Kui vaadata närvisüsteemi keerukust, siis tuleb meid võrrelda kaheksajalaga. Aga kui kellelgi on hea meel olla antropotsentriline, siis tervise osas ma ei pane pahaks.
Meie arusaam inimpäritolust on dramaatiliselt muutunud. Igas meist 2% on neandertaallased ja oli ka Denisovansi (Denisovans), kelle kohta keegi üldse ei kahtlustanud. Tegelikult oli Euraasias 40 tuhat aastat tagasi kolm inimkonna iseseisvat haru, need ristuvad kõigis kombinatsioonides ja me näeme genoomis nende ristumiste jäänuseid.
Kas võtate kõik üle parkimiskohtadest järelejäänud jäänused?
“See on vana DNA ja erinevate inimeste moodsa DNA analüüs. Minu arust on see väga lahe. See moonutab oluliselt minu pilti maailmast.
Mihhail, sa oled meid hämmingus. 2% neandertallastest, kuid seentega, lilledega on palju ühist … Siin räägime tõepoolest kuubikutest, millest elu on korraldatud. Nüüd, nagu ma aru saan, ühendate need kuubikud erinevas järjekorras, näete, millised märgid ilmnesid ontogeneesis ja fülogeneesis, kuidas arenes üksiku inimese embrüo, kuidas üldiselt arenes elu Maal
- Jah. Me teeme seda arvutis ja eksperimenteerijad teevad seda rakkudes.
Me elame veetleval ajal! Loodame, et nende katsete tulemusel luuakse ravimeid vähktõve ja AIDSi vastu
- Tegelikult on vähiravim juba loodud.
Pean silmas toimemehhanismide mõistmist
- Ja inimesed, kellel on diagnoositud AIDS, elavad ja elavad kaasaegsetest ravimitest.
küsimus pole narkootikumides, vaid selles, kuidas seda geeni tasemel ravida. See on veel üks soov
Sergei Medvedev
