Siergiej Miedwiediew: Kiedy byłem dzieckiem i młodym mężczyzną, pamiętam, jak gazety nieustannie trąbiły: coś się stanie, gdy odszyfruje się ludzki genom, kiedy wszystkie te bloki i cegły staną się jasne … A teraz ludzki genom został rozszyfrowany - co dalej? Pojawia się nauka zwana „bioinformatyką”. Co to jest? Czy odszyfrowany ludzki genom jest rodzajem konstruktora Lego, z którego tworzone jest ludzkie życie? Naszym gościem jest Michaił Gelfand, bioinformatyk, kierownik studiów magisterskich Biotechnologia w Skoltech, zastępca dyrektora Instytutu Problemów Transmisji Informacji Rosyjskiej Akademii Nauk.
Mikhail Gelfand: Jestem również profesorem na Wydziale Informatyki Wyższej Szkoły Ekonomicznej oraz na Wydziale Bioinżynierii i Bioinformatyki na Moskiewskim Uniwersytecie Państwowym.
Jak rozumiem, w genomie są trzy miliardy liter. Znamy kod - co możemy zrobić z tym kodem? To jest jakaś książka kucharska życia, czy możemy teraz ugotować człowieka, homunkulusa z probówki?
- To książka kucharska życia w tym sensie, że życie może się rozmnażać według przepisów zawartych w tej książce. Nie wiemy jak, w tym sensie jesteśmy złymi kucharzami.
Ogólnie rzecz biorąc, ta metafora z odszyfrowaniem i odczytaniem genomu nie jest zbyt skuteczna, ponieważ rozszyfrowanie zakłada zrozumienie, a jak dotąd rozumiemy go dość słabo. Nauczyliśmy się odtworzyć cząsteczkę dziedziczności DNA, która była w żywej komórce, a następnie w probówce, w komputerze, wiemy, w jakiej kolejności te litery są połączone w tej cząsteczce. Ale zrozumienie znaczenia to trochę inna sprawa.
Bioinformatyka pojawiła się jako niezależna nauka dokładnie wtedy, gdy biologia zaczęła stopniowo przekształcać się z nauki, która pracuje z pojedynczymi obiektami, w naukę z dużą ilością danych. W tym momencie konieczne staje się przechowywanie, zrozumienie, przeanalizowanie tych danych i coś z nimi zrobić.
To o jakich latach?
- W 1977 roku opracowali metody określania sekwencji DNA (mówię konkretnie: nie „dekodowanie”, ale „określanie sekwencji”). Bioinformatyka zaczęła się pojawiać najwyraźniej na początku lat 80-tych. Miałem straszne szczęście: kiedy skończyłem studia w 1985 roku, była taka wspaniała dziedzina, na której nie trzeba było się niczego uczyć, zaczęło się od zera, można było po prostu wziąć i zrobić. To jest bardzo rzadkie w historii.
Film promocyjny:
Czy używa bardziej matematycznych metod?
- Metody w nim zawarte są matematyczne w następującym sensie: musisz myśleć. W niektórych miejscach są piękne algorytmy, piękne statystyki, ale w zasadzie matematyka jest dość banalna, nie ma tam matematycznych magicznych różdżek. Potrzebujesz umiejętności, aby pamiętać o wielu rzeczach i próbować wyjaśniać to na różne sposoby, a drugą umiejętnością jest zadawanie prostych pytań. W tym sensie bardzo przydatna była dla mnie edukacja matematyczna, może nie tyle edukacja, ile komunikacja z moim dziadkiem Izrailem Moiseevichem Gelfandem, który był matematykiem i dużo pracował w biologii eksperymentalnej.
Teraz genom jest rejestrowany, ustalana jest sekwencja - co możemy z tym zrobić? Słyszałem, że jest nowa technologia: możemy wziąć jakiś łańcuch genów i naprawić go, zamiast tego wstawić dobry. Czyli możemy operować tymi literami?
- CRISPR to technika inżynierii genetycznej, jedna z bardzo zaawansowanych, bardzo nowoczesnych technologii, która pozwala na bardzo precyzyjne i specyficzne manipulacje.
Ludzie mają po prostu więcej możliwości. W zasadzie ludzie już wcześniej wiedzieli, jak wstawiać i usuwać geny, eksperymentalnie było to po prostu trudniejsze, żadne manipulacje nie były technicznie wykonalne. Teraz zestaw narzędzi został rozszerzony. Można było budować domy, jak w Sparcie, tylko za pomocą siekiery, a teraz jest też piła, a nawet układanka, można wyciąć piękne listwy. W tym sensie postęp technologiczny jest bardzo duży, ale jak dotąd niezbyt znaczący. Rozumiemy kilka rzeczy: że istnieje prosta choroba monogenowa, w której jeden gen jest uszkodzony - jasne jest, że jeśli to naprawisz, będziesz mieć normalny zarodek.
A to już jest leczone?
- Nie, nie można go wyleczyć, nie można manipulować ludzkimi embrionami - jest to po prostu zabronione przez prawo.
Ale, jak rozumiem, porusza się. W Anglii pozwolili - z embrionami do 11 dni …
- W Chinach nawet nikogo nie zapytają. Nie możesz spowolnić lodowiska umieszczając pod nim żółwie: żal ci żółwi, ale lodowisko będzie puste. W tym sensie, oczywiście, będzie się poruszać, ale ludzkość musi to zrozumieć. To naprawdę poważna sprawa, która wymaga refleksji.
Nie jest pierwsza. Kiedy w połowie lat 70. rozpoczęła się inżynieria genetyczna, kiedy stało się jasne, że genomami można manipulować (wtedy jeszcze bakteriami), był już poważny problem: na przykład bali się, że przypadkowo zrobią superbakterię i zjadą wszystkich. Były specjalne konferencje, na których opracowano zasady dotyczące tego, co robimy, a czego nie. Każdy nowy zestaw narzędzi rozszerza możliwości, zwiększa odpowiedzialność i należy go zrozumieć.
Stawia pytania etyczne …
- A jeśli mówimy o bioinformatyce, wracając do tego, o co pytałeś, to jest trochę inna historia. Ma to dwa aspekty. Okazało się, że na kilka klasycznych pytań biologicznych możemy odpowiedzieć po prostu w komputerze.
Robię dużo genomiki bakterii. Istnieje wiele bakterii, z którymi przeprowadzono w życiu jeden eksperyment, a mianowicie ustalono sekwencję genomu. Wiemy o nich całkiem sporo: co jedzą, czego nie mogą jeść, jak oddychają, czego potrzebują, aby dodać do środowiska, bez czego nie mogą przetrwać, ale sami nie mogą tego zrobić itd.
O ile prostszy jest genom bakterii w porównaniu z genomem człowieka?
- To nie jest takie krytyczne. Dzielimy 30% genów z E. coli. Pod względem liczby genów typowa bakteria to tysiące, a na osobę 25 tysięcy.
Czy w pełni wiesz, który gen odpowiada za co u bakterii?
- Nie do końca, ale wiemy dużo.
Dużo więcej niż osoba?
- W procentach - oczywiście.
Druga rzecz, która się pojawiła (i to znowu jest związane z rozwojem technologicznym w biologii eksperymentalnej) i wymaga zrozumienia w bioinformatyce, to to, że możemy spojrzeć na komórkę jako całość. Klasyczna rzecz: absolwent studiuje określone białko, zna partnerów tego białka, wie, jak to białko oddziałuje z DNA, jeśli oddziałuje z nim, wie, kiedy gen tego białka jest włączony, a kiedy wyłączony. To taka pełnoprawna rozprawa, kilka artykułów naukowych na temat jednego białka. A potem pojawiają się metody, które pozwalają odpowiedzieć na te same pytania dla wszystkich białek naraz. Po raz pierwszy mamy całościowy obraz działania komórki; jest teraz bardzo niedoskonała.
Istnieje białko, którego nie znasz, ale możesz przewidzieć, patrząc na jego genom …
- To są dwa różne pytania. Jesteśmy w stanie przewidzieć funkcje białek bez przeprowadzania z nimi żadnych eksperymentów. To piękna bioinformatyka oparta na wszelkiego rodzaju rozważaniach ewolucyjnych.
Na podstawie jego profilu genowego?
- Białko jest tym, co jest zakodowane w genie, więc lepiej mówić o genie: na podstawie tego, obok kogo ten gen jest, do kogo to białko wygląda od co najmniej mało znanego, jak jest regulowane, gdy jest włączone i wyłącza się.
To samo można prawdopodobnie zrobić z osobą?
- Trudniej. Technicznie tak.
Spójrz na genom osoby na poziomie embrionalnym i powiedz: geniusz urośnie lub urosnie w dół
- To opowieść o tym, że funkcja białka jest generalnie nieznana, w ogóle nic o nim nie wiadomo i możemy to przewidzieć. A to, o czym mówisz, to dobrze znany zestaw białek, ale z pewnymi wariacjami - to trochę inna historia.
Człowiek składa się ze znanych białek
- Częściowo znany, częściowo nie. Okazało się, że mamy wiele niejednorodnych informacji na temat działania komórki. Informacje są bardzo niedoskonałe, każdy drobny fakt może łatwo okazać się błędny, ale w sumie są one nadal poprawne. I na tej podstawie można spróbować opisać komórkę jako całość.
Filozofowie od dawna karcili biologię molekularną za naukę redukcjonistyczną. Tutaj patrzysz na słonia w częściach: ktoś bada nogę, ktoś - ogon, ktoś - tułów i nie dodaje się pełnego obrazu. Teraz zaczyna nabierać kształtu po raz pierwszy. Jednym z paradoksalnych rezultatów tego jest to, że nasza wiedza i zrozumienie w sensie absolutnym rośnie bardzo szybko. Postęp w biologii jest zdumiewający: wiemy znacznie więcej, niż wiedzieliśmy 10 czy 20 lat temu, nawet nie wielokrotnie, ale o rzędy wielkości więcej.
Ale obszar ignorancji rośnie jeszcze szybciej. To znaczy, moim zdaniem, nasza względna wiedza faktycznie maleje, ponieważ staje się jasne, że istnieją takie otwarte przestrzenie, o których dziesięć lat temu po prostu nie przyszło nam do głowy, że tak się dzieje. Teraz widzimy, że tak jest, ale nie wiemy, co z tym zrobić. To jest strasznie fajne.
Jest jasne, kim będzie Down: dodatkowym chromosomem. Ale kto będzie, a kto nie będzie geniuszem, nie wiemy, jak przewidzieć i dzięki Bogu. Nie potrafimy nawet przewidywać wzrostu.
Ta informacja nie jest gromadzona?
- Oczywiście.
Czy można na przykład porównać zachowanie osoby, jej profil na portalach społecznościowych z profilem genetycznym?
„Nie wiem o tym, ale cechy psychologiczne są częściowo zdeterminowane przez genom i można je trochę przewidzieć.
Częściowo przez genom, częściowo przez społeczeństwo
- Społeczeństwo, niektóre okoliczności życiowe… W genetyce jest to rzecz rozwinięta, można oszacować udział czynników genetycznych w określonej cesze. Weźmy jednego - mnie. Mam te same genomy we wszystkich komórkach, ale moje komórki są różne.
To znaczy, że w pewnym momencie genomy rozumieją, w którą komórkę się rozwinąć?
- W pewnym momencie komórka zdaje sobie sprawę, że musi stać się prekursorem nabłonka, układu nerwowego, wątroby lub czegoś innego. Po pierwszych podziałach wszystkie komórki są takie same, zawarte w nich geny działają w ten sam sposób, a potem zaczynają działać na różne sposoby. Kluczową sprawą nie są tak naprawdę same geny: ja i szympansy mamy 50% tych samych białek, a te, które są różne, różnią się jedną literą.
To znaczy, pytanie brzmi, gdzie jest program, który w pewnym momencie mówi komórce, że powinna rozwinąć się w człowieka lub szympansa, aw człowieku - w mózg lub wątrobę
- Jest w tym samym miejscu, w genach, ale kluczową sprawą nie są same geny, ale to, jak się włączają i wyłączają. I to jest najciekawsza rzecz, jaka dzieje się teraz w biologii.
Czy jest program, który włącza się i wyłącza?
- Pewnie. Jest to dobrze znane w przypadku muszek owocowych. Drosophila jest prosta, jej zarodek też jest prosty… Nie, Drosophila jest złożona, ale wczesne etapy jej rozwoju są bardzo dobrze opisane ilościowo na poziomie modeli. Na przykład, możesz przewidzieć wyniki mutacji. Występują mutacje, gdy muszki owocówki wyrastają z nogi zamiast czułek. Jednocześnie wiadomo, w którym genie mutacja jest uszkodzona i można to modelować - w jaki sposób komórki progenitorowe popełniają błędy.
Czy można to naprawić nowymi technologiami?
- Jest to możliwe, ale tylko w zarodku. Kiedy urosła noga lub dodatkowa para skrzydeł, nie możesz tego naprawić.
Co to może przynieść w praktyce? Powiedzmy, że wszyscy są zainteresowani walką z rakiem… Dzięki tej niesamowitej technologii CRISPR Chińczycy wydają się próbować walczyć z rakiem płuc. Jak rozumiem, w tej technologii bakteria, widząc fragment zepsutego DNA, bierze kawałek ze zdrowej bakterii i zastępuje zerwany łańcuch zdrowym
- Tak, tylko interesujące pytanie, co dzieje się ze zdrową bakterią… Nie, nie w ten sposób. Systemy CRISPR / Cas to odporność bakteryjna, trochę inna sprawa. Kiedy wirus infekuje bakterię, jeśli nie ma czasu, aby ją zabić, tam zaczyna się wojna, wirus zmienia niektóre systemy bakteryjne, przerywa program genetyczny bakterii i przestawia bakterię na produkcję nowych wirusów. W rzeczywistości robią to wszystkie wirusy: bakteryjne, ludzkie i inne. Istnieje system, który pozwala bakteriom, jeśli wirus nie miał czasu go zabić na samym początku, wyciąć fragment DNA wirusa i użyć go jako próbki w następnym ataku tego samego wirusa.
Bakteria zaszczepia się tym wirusem
- W pewnym sensie tak. A potem okazało się, że istnieje białko, które jest w stanie wyciąć kawałek i celowo gdzieś go wstawić, i możesz użyć tego samego enzymu do celów inżynierii genetycznej.
Naprawdę nie rozumiem takiej terapii przeciwnowotworowej: kiedy masz miliardy komórek, jak masz zamiar wbudować w każdą z nich właściwy system? Nie rozumiem, jak technicznie to zrobić. Można to zrobić, aby leczyć defekty genetyczne na etapie embrionalnym, gdy jest jedna komórka.
W przypadku raka historia jest trochę inna, naprawdę jest bardzo znaczący postęp. Stało się jasne, że to, co przyjęliśmy na tę samą chorobę, jest faktycznie na poziomie molekularnym - różne choroby, a cele terapii również powinny być inne. Rak był początkowo klasyfikowany po prostu według miejsca: był to rak płuc, rak żołądka, rak skóry. Wtedy rozpoczęła się histologia. Kiedy zaczęli przyglądać się budowie guza, z jakich komórek się składa, rozpoczęły się diagnozy typu „drobnokomórkowego raka płuca”. Potem zaczęła się biochemia, zaczęli przyglądać się niektórym markerom, rozpadła się jeszcze bardziej.
A teraz możemy zobaczyć, jakie mutacje faktycznie miały miejsce. Pobierasz próbkę z guza nowotworowego i próbkę z tej samej normalnej tkanki i widzisz, czym się różnią. Są bardzo różne, ponieważ przy raku wszystko się psuje, błędy zaczynają się bardzo szybko kumulować. Istnieją specjalne określenia - „kierowcy” i „pasażerowie”: niektóre z tych błędów to pasażerowie, zdarzyły się przez przypadek, a niektóre były kierowcami, w rzeczywistości doprowadziły do odrodzenia.
Są rzeczy całkowicie praktyczne, bo na przykład jasne jest, że niektóre nowotwory, które uważano za jedną chorobę, należy leczyć na różne sposoby. I odwrotnie, jeśli masz zewnętrznie różne nowotwory, ale mają one ten sam rozkład molekularny, możesz spróbować użyć leku, który jest skuteczny przeciwko jednemu przeciwko drugiemu.
Czy to załamanie na poziomie genetycznym, czy jakiś gen został wybity?
- Albo znokautowany, albo odwrotnie, zaczął pracować zbyt intensywnie. Typowym objawem raka jest to, że geny działające na etapach embrionalnych zaczynają działać w tkankach dorosłych. Te komórki zaczynają się dzielić w sposób niekontrolowany. Sporo nowotworów to w rzeczywistości odrodzenie, degradacja w czasie.
Chcę od razu podkreślić: nie jestem lekarzem, wiem o tym jako biolog i osoba, która czyta trochę recenzji. Po prostu zawsze bardzo się boję rozczarowania ludzi. Zawsze istnieje równowaga między sukcesem naukowym a kwestią praktyczną - dla tych, którzy jutro pójdą na leczenie. To są rzeczy eksperymentalne. Jest jeden przykład, w którym to zadziałało. Ale jasne jest, że wszystko się wydarzy w tym kierunku.
- Jeśli spojrzysz na aplikację medyczną, czy widzisz, że inżynieria genetyczna, terapia genowa już się rozpoczęła? O ile rozumiem, poszczególne choroby autoimmunologiczne pokazują, że jeden gen jest uszkodzony.
- Przeciwnie, jest to defekt w układzie odpornościowym, osłabienie układu odpornościowego. Próbują to wyleczyć.
Niedobór odporności na poziomie genów?
- Wynika to ze specyfiki układu odpornościowego. Tam komórki cały czas się dzielą, cały czas pojawiają się nowe klony. Nawet jeśli masz wszystko wadliwe, ale wykonałeś niewielką ilość naprawionych komórek progenitorowych, mogą one zastąpić cały układ odpornościowy, ponownie go wygenerować. Wynika to właśnie ze specyfiki ogólnego działania układu odpornościowego. W tym sensie jest niesamowicie plastyczna.
Czy bakteria stworzyła jakąś szczepionkę, odporność?
- Tak, ale jest trochę inaczej. Ponownie, jeśli chodzi o niedobór odporności, oznacza to, że w ogóle nie ma klas komórek, ponieważ gen, który ma działać, gdy te komórki dojrzeją, jest uszkodzony. Jeśli naprawisz ten gen do jakichś prekursorów, dojrzeją one do tych komórek i dadzą początek całemu dużemu obrazowi odporności.
Jest też, jak rozumiem, obliczeniowa biologia ewolucyjna. Czy możesz wrócić i zobaczyć gen starożytnego człowieka?
- To jest prawie najciekawsze. Bioinformatyka nie jest nauką w tym samym sensie, co mikroskopia elektronowa - to zestaw technik. Naukowa część bioinformatyki to po pierwsze to, co wiąże się z biologią rozwoju, a po drugie ewolucja molekularna i tam można robić różne wspaniałe rzeczy.
Znacznie lepiej rozumiemy, jak to się stało. Nasze różnice w stosunku do myszy zaczynają się w pierwszych stadiach embrionu, a potem wszystko jest naprawione. Te same geny działały w nieco innych kombinacjach. To marzenie o opisaniu różnorodności zwierząt ze zrozumieniem, jak powstały, sięga Haeckela. Haeckel dużo żonglował, za co jest krytykowany, ale sam pomysł jest bardzo poprawny. Aby zrozumieć różnicę między człowiekiem a myszą, nie trzeba patrzeć na dorosłą osobę i dorosłą mysz, ale na embriony na pierwszych etapach. Teraz staje się rzeczywistością.
Druga sprawa: rozumiemy, kto jest z kim spokrewniony, po prostu porównując genomy. To jasne: im mniej różnic, tym bliższy związek. To bardzo prosty pomysł, można go algorytmizować. Nasze wyobrażenia o ewolucji istot żywych bardzo się zmieniły. Tradycyjnie grzyby były zawsze badane na wydziale roślin niższych, ale w rzeczywistości grzyby nie są roślinami niższymi, ale naszymi najbliższymi krewnymi. Kwiaty z grzybami są nam kuzynami. Wynika z tego, że wielokomórkowość powstawała wiele razy niezależnie i jest to już bardzo fundamentalne pytanie. Kiedy ty i ja byliśmy w szkole, były bakterie, potem były pierwotniaki, a potem pierwotniaki zaczęły się sklejać i okazały się wielokomórkowe, a następnie wielokomórkowe zostały podzielone na rośliny i zwierzęta. Było kilka roślin niższych, grzybów i roślin wyższych - róże i jaskry. Ale w rzeczywistości tak nie jest:było wiele różnych organizmów jednokomórkowych, aw tych różnych liniach organizmów jednokomórkowych wielokomórkowość pojawiała się kilka razy niezależnie.
Człowiek jako najwyższa forma wielokomórkowości?
- Nie wiem, w jakim sensie najwyższy. Jeśli spojrzysz na różnorodność tkanek, wszystkie ssaki mają tę samą cenę. Jeśli spojrzysz na złożoność układu nerwowego, to musimy porównać nas z ośmiornicami. Ale jeśli ktoś lubi być antropocentrykiem, to w kwestii zdrowia nie mam nic przeciwko.
Nasze rozumienie ludzkiego pochodzenia zmieniło się dramatycznie. W każdym z nas 2% to neandertalczycy, byli też denisowianie (denisowianie), o których nikt w ogóle nie podejrzewał. W rzeczywistości w Eurazji 40 tysięcy lat temu istniały trzy niezależne gałęzie ludzkości, krzyżowały się one we wszystkich kombinacjach, a pozostałości tych skrzyżowań widzimy w genomie.
Czy wszyscy przejmujecie resztki tego, co zostało na parkingach?
„To jest stare DNA i analiza współczesnego DNA różnych ludzi. Myślę, że to jest bardzo fajne. To bardzo zniekształca mój obraz świata.
Michaił, zdziwiłeś nas. 2% neandertalczyków, ale ma wiele wspólnego z grzybami, z kwiatami… Rzeczywiście, mówimy tutaj o kostkach, z których układa się życie. Teraz, jak rozumiem, łączysz te kostki w innej kolejności, widzisz, jakie znaki wystąpiły w ontogenezie i filogenezie, jak rozwijał się zarodek indywidualnej osoby, jak ogólnie rozwijało się życie na Ziemi
- Tak. Robimy to w komputerze, a eksperymentatorzy robią to w komórkach.
Żyjemy w cudownych czasach! Miejmy nadzieję, że te eksperymenty doprowadzą do stworzenia leków na raka i AIDS
- Właściwie lekarstwo na raka już zostało stworzone.
Mam na myśli zrozumienie mechanizmów działania
- A ludzie, u których zdiagnozowano AIDS, żyją i żyją dzięki nowoczesnym lekarstwom.
Pytanie nie dotyczy narkotyków, ale tego, jak je leczyć na poziomie genów. To kolejne życzenie
Siergiej Miedwiediew