Мухи, кости и пыльца; гербарий, птицы, ДНК — для ученых это не просто ряды однородных членов, а различные типы биологического материала. И проведение передовых исследований в области молекулярной биологии, регенеративной медицины, биоинженерии, биотехнологии невозможно без биобанков — хранилищ биологического материала. По инициативе ректора МГУ имени М.В. Ломоносова академика Виктора Садовничего в университете решили создать глобальный депозитарий живых систем, объединяющий все коллекции биоматериалов. Проект быстро окрестили «Ноевым ковчегом»: как говорится, как судно назовешь, так оно и поплывет. Кто и куда плывет на ковчеге МГУ, выяснила «Лента.ру».
«Ноев ковчег» — российский банк-депозитарий живых систем, создание которого стало возможным благодаря соглашению между МГУ имени М.В. Ломоносова и Российским научным фондом. Этот депозитарий представляет собой хранилище, содержащее максимально возможное количество информации о биологических коллекциях Московского и других российских университетов, а также академических институтов. На настоящий момент в нем хранится около миллиона образцов.
Всего в проекте задействовано более 350 сотрудников. Ученые занимаются оцифровкой гербариев, сбором коллекций животных и клеточных культур, их описанием, а также расшифровкой последовательностей ДНК. Начиная с 2015 года, ученым удалось описать более 200 новых видов живых существ. Для сбора биологического материала было организовано около 120 экспедиций. По словам специалистов, «Ноев ковчег» поможет исследовать, сохранить и разработать подходы по полезному использованию биологического разнообразия Земли.
В рамках «Ковчега» предусмотрены пять направлений: «Животные», «Растения», «Микроорганизмы и грибы», «Биоматериал человека» и «Биологическая информация». В каждом направлении создаются не только коллекции образцов, но и проводятся передовые исследования, позволяющие получить уникальные научные данные. В престижных научных журналах было опубликовано (или принято в печать) более 750 статей, а на российских и международных конференциях сделано более 200 докладов.
В направление «Растения» включены гербарий МГУ и его цифровая версия, коллекции замороженных тканей, семян, спор и отдельных клеток растений, а также живых растений. Согласно проекту, под хранилища будут отведены отдельные помещения со всем необходимым оборудованием, снабженные бесперебойным питанием, климатическими камерами и системами климат-контроля. Все это обеспечит хранение генетического материала, который в будущем может стать источником для воссоздания исчезнувших популяций.
В данном направлении работают девять научных групп. Хотя это самое маленькое направление по количеству сотрудников, по словам ведущего научного сотрудника биологического факультета МГУ и руководителя направления Алексея Серегина, оно производит 97 процентов всей информации электронного депозитария. Речь идет об оцифровке гербарных образцов, и в конце 2017 года из 800 тысяч единиц хранения в информационной системе 786 тысяч были представлены растениями. Цифровой гербарий МГУ находится в первой десятке по величине в мире среди всех научных центров, а среди университетов — первое. И это при том, что сами гербарные фонды у МГУ достаточно скромные (61 место в мире).
В ноябре 2017 года данные об оцифрованных образцах растений были загружены в Глобальную базу данных биоразнообразия GBIF и стали доступны для ученых всего мира. Оказалось, что МГУ является крупнейшим поставщиком данных о биоразнообразии растений не только для России, но и для ряда других стран мира. По мнению сотрудников проекта «Ковчег», это вопрос национального престижа. К примеру, невозможно изучать флору Монголии без сотрудничества с Россией, поскольку наша страна может предоставить исчерпывающую информацию о растениях, произрастающих на данной территории.
Совместно с научными организациями Китая и Франции МГУ также участвует в разработке систем искусственного интеллекта, которые способны распознавать растения по гербарным образцам. Для их стандартизации необходим очень большой объем первоначальных данных, который может предоставить только Россия. Такие данные представлены цифровыми образцами растений, снабженными этикетками с информацией, где произрастал образец, кем был собран и когда. С помощью системы ОСР (англ. optical character recognition, OCR) можно получить информацию для индексации.
В информационной системе имеется три блока. Первый — это библиотека изображений, второй — база текстовых данных с информацией о видах, их систематике, регионах, а третий — таблица с координатами мест сбора образца. В конце 2017 года в распоряжении ученых имелись 911 тысяч сканов, из них 786 тысяч уже лежит в открытом доступе (в феврале 2018 года уже все сканы доступны), 75 тысяч имеет этикетки и 40 тысяч — геопривязки. Все это требует дорогостоящего ручного труда, и лишь тогда, когда ученые МГУ преодолеют это своеобразное препятствие, массив информации даст новые научные данные.
«В МГУ — гербарий второй по величине в России. И мы первым делом хотим вложиться в оцифровку наших фондов,—говорит Алексей Серегин. — Однако мы предлагаем наши коллегам из других организаций, владеющих своими гербариями, использовать нашу площадку на свободной основе, если они предоставят нам свой контент. Переговоров было много, но пока никто не согласился. Возможно, люди подумали, что это все легко и быстро, а потом, когда набрали вручную 200 этикеток за три дня, энтузиазм поубавился. Однако выгоды стоят затраченных времени, сил и средств».
Так, чтобы описать флору Сихотэ-Алиня и учесть все материалы, исследователю не нужно будет приезжать в Москву в длительную командировку, изучать весь фонд Сибири и Дальнего Востока с целью найти все образцы Сихотэ-Алиня, сфотографировать их и учесть их в своей работе. Гербарные фонды МГУ посещает, в среднем, один человек в неделю, а в информационной системе занято 40 уникальных пользователей ежедневно.
Еще один проект направления «Растения» — аэрополинологический мониторинг атмосферы. Аэрополлинозы представляют очень серьезную проблему для здоровья. Некоторые люди вынуждены уезжать из Москвы, когда начинается массовое пыление орешника из-за аллергии на пыльцу. В то же время интернет-порталы, где показывается прогноз времени пыления, пользуются очень большой популярностью.
Ни Росгидромет, ни Росэкомониторинг таких данных не имеют. Всю информацию в ежедневном режиме в Москве и Подмовсковье предоставляет одна из научных групп, которая работает в «Ноевом ковчеге». Для этого ученые используют дорогое оборудование — пыльцевые ловушки, каждый день проводят анализ пыльцевых проб, что является весьма трудозатратным процессом.
На стыке двух направлений — «Растения» и «Микроорганизмы и грибы» — был создан прототип криобанка: хранилища замороженных образцов, где содержатся культуры недифференцированных растительных клеток. Ученые таким образом хотят узнать, насколько долго клетки могут сохранять свои свойства в условиях заморозки. Любая клеточная система со временем вырождается, и без постоянного надзора и пересева она может стать непригодной для исследований. Криозаморозка позволяет затормозить метаболизм, а через несколько лет взять какую-то долю от культуры, отправить в биореактор и получить все, что нужно. Однако пока возможности криобанка лишь испытываются, и пока не идет речь о создании всероссийского банка замороженных семян. Для дальнейшего развития проекта необходимы деньги и десятки научных сотрудников.
По итогам 2016 года ученые МГУ открыли 16 видов растений, произрастающих в других странах, а это свидетельствует о том, что проект «Ноев ковчег» работает на международном уровне.
Сначала создаются обычные — «аналоговые» — гербарии, которые передаются в биологические коллекции университетов и институтов. Засушенные растения фотографируют, после чего данные поступают в депозитарий. Таким же образом можно получить образцы и из зарубежных организаций, предоставляя взамен представляющие интерес для иностранных коллег данные.
Когда описывается новое растение, у него должен существовать типовой образец — эталон, на котором основано применение данного названия. Всего в гербарии МГУ хранится около 4800 типовых образцов, а также дополнительные типовые образцы для ранее описанных видов.
Еще одна научная группа заканчивают работу, уникальную для отечественной науки. Речь идет о сводке «Мхи России», в которой будут представлены микрофотографии каждого вида. Еще один проект в рамках «Растений» — реконструкция истории возникновения и исследование родства некоторых групп растений, включая бобовые, гречишные и злака. Этим заняты ученые, работающие в области филогеографии, науки об эволюции растений, сопряженной с географией.
В рамках этого направления исследуется биоразнообразие микроорганизмов на территории России, при этом особое внимание уделяется северным регионам, для которых характерны уникальные климатические условия. Также изучаются и другие места планеты, где водятся микроорганизмы с уникальными свойствами, потенциально полезными для человека или интересными с точки зрения фундаментальной науки. Проводится детальная паспортизация объектов, в которой учитывается их таксономическое положение, биохимический состав, механизмы устойчивости к экстремальным факторам среды. Это позволяет выяснить, можно ли использовать бактерии для получения лекарств, антибиотиков и других хозяйственных нужд.
Бактерии и дрожжи преимущественно хранятся в виде пересадочных коллекций, часть микроорганизмов, а также клеточные культуры высших растений — при низких температурах (80-70 градусов Цельсия ниже нуля). По словам Алексея Соловченко, руководителя направления, клеточные культуры по свойствам близки к микроорганизмам, что полезно для продуцирования лекарственных веществ, поскольку в природе бесконечно собирать дикорастущие виды нельзя.
В рамках направления при сотрудничестве с финскими учеными создавались очистные системы с водорослями и бактериями, работающие без подогрева круглый год. Тем самым исследователи старались решить проблему экономической нецелоссобразности использования закрытых фотобиореакторов, который в зимний период времени обычно работают неэффективно. Однако оказалось, что микроорганизмы, живущие в северных широтах, позволяют обойтись без дополнительного обогрева. Изначально планировалось испытать одну культуру, которая хорошо себя зарекомендовала, однако дикие сообщества неожиданно оказались сопоставимы с ней по эффективности. «Природа иногда подкидывает решения ничуть не хуже тех, что мы придумываем», — говорит Соловченко.
При попадании культур микроводорослей в среду с богатым содержанием питательных элементов происходит селекция, и выживают те виды и штаммы, что могут эффективно очищать сточные воды. При этом попутно подавляется рост болезнетворных бактерий, и такую воду можно сливать в канализацию общего назначения. Кроме того, микроводоросли могут работать как гипераккумуляторы тяжелых металлов, впитывая токсичные вещества как губка. Их можно использовать качестве концентраторов металлов, что делает удобной очистку загрязненной почвы.
В рамках направления ученые также смоделировали климатические условия на Марсе с помощью повышенного радиационного фона в сочетании с низкими температурами. В ходе эксперимента исследователи оценили воздействие экстремальной среды (высокие дозы гамма-излучения, низкое давление, низкая температура) на микробные сообщества древних арктических мерзлых осадочных пород. Для этого ученые разработали специальную климатическую камеру, куда также поместили культивируемые на питательных средах микроорганизмы и метаболически активные клетки архей. Ученые полагают, что микробы, подобные актинобактериям рода Arthrobacter, способны обитать на Марсе. С учетом интенсивности излучения в реголите бактерии могут выживать на поверхности Красной планеты в течение не менее 1-2 миллионов лет, а на глубине пяти метров — до 20 миллионов лет.
«Если вы помещаете микроорганизмы в жесткие условия, возможны неожиданные эффекты, — говорит Соловченко. — Некоторые из них растут быстрее, и вперед могут вырваться болезнетворные микробы. Водолазы на большой глубине, обитающие в батискафе, часто заболевают из-за бактерий». С подобными сюрпризами могут столкнуться и астронавты, которые когда-нибудь ступят на поверхность Марса, поэтому необходимо заранее предупредить такую проблему.
В рамках направления «Животные» исследуется биологическое разнообразие многоклеточных животных с охватом не менее 30 таксономических отрядов. Для получения данных используются самые передовые методы, включая 3D-сканирование и анализ биоакустических сигналов. Кроме того, в ходе экспедиций в разнообразные уголки планеты исследуются животные сообщества и фауны наземных и морских биот.
К примеру, герпетологи МГУ обнаружили ранее неизвестную разновидность амфибий узкоротых чесночниц в высокогорных лесах Южного Вьетнама. А другая группа московских ученых открыла новый вид голожаберного моллюска, обитающего в Европе. Согласно молекулярным данным, в тамошних водах обитает два тесно связанных вида Dendronotus frondosus и Dendronotus lacteus, которые сложно отличить друг от друга из-за схожего цвета. Выяснилось, что в течение многих лет представителей нового вида Dendronotus europaeus также принимали за уже известных моллюсков. Обнаружение новых видов голожаберных моллюсков моет помочь найти характерные для их организма вещества, перспективные для лечения рака.
В рамках направления «Животные» проводились и другие исследования. С помощью изотопного анализа хвостов лошадей Пржевальского ученые выяснили, почему за последние сто лет изменилась кормовая база этих животных. Так, современные лошади Пржевальского пасутся на травянистых растениях во все сезоны года, в то время как в XIX веке это была их летняя диета. Причиной этого оказался человек, который вытеснил животных из привычных для них мест обитания.
Ученые зоологического музея МГУ совместно с иностранными коллегами изучили представителя двустворчатых моллюсков Zachsia zenkewitschi, обладающего комплексом уникальных адаптаций. Это существо обладает червеобразным телом с крошечной рудиментарной раковиной, а также сильно выраженным половым диморфизмом. Напоминающие личинку самцы живут в мантийной полости гораздо более крупной самки. Исследователи впервые получили молекулярно-генетические данные о моллюске, которые бы позволили уточнить границы ареала и подтвердить уникальные особенности жизненного цикла этого вида.
Также сотрудникам музея удалось проверить гипотезу о том, что животные с низкой продолжительностью жизни обладают относительно просто устроенным социумом. Для этого была описана социальная структура короткоживущих сцинков Sphenomorphus maculatus, обитающих в лесах Юго-Восточной Азии. Оказалось, что у этих рептилий нет никаких сложных форм отношений, а в их группах формируется иерархия доминирования, когда животные вступают в драки. При этом, по мнению, исследователей, чем сложнее устройство социума, тем выше продолжительность жизни.
По словам Анастасии Ефименко, старшего научного сотрудника Института регенеративной медицины Медицинского научно-образовательного центра МГУ, в проекте «Ноев ковчег» направление «Биоматериал человека» занимает особое место. В последние годы ученые научились создавать в лабораторных условиях ткани, органы и даже целые организмы из одной-единственной клетки. Это определяет необходимость создавать биобанки, в которых содержатся биоматериалы человека, включая кровь, ДНК, клетки и их компоненты, а также образцы тканей. Но для этого нужно решить множество проблем, в том числе разработать правила отбора биоматериалов человека, отработать соответствующие технологии их консервации и обеспечить доступ к информации. Поэтому команда направления является мультидисциплинарной: в нее включены врачи, биологи, эмбриологи, физики, философы, психологи, математики, программисты и инженеры.
При получении биоматериала от человека-донора необходимоучитывать все доступные данные, характеризующие пациента. Отдельно формируются коллекции биоматериала от пациентов из малочисленных популяций, с редкими генотипами и фенотипами, а также с заболеваниями с наследственной предрасположенностью. Коллекции ДНК от носителей различных вариантов изучаемых генов предназначены для исследования функции отдельных генов и их роли в развитии заболеваний. Результаты таких исследований могут быть использованы для создания методов лечения заболеваний и разработки новых классов лекарственных препаратов.
На данный момент ученые МГУ располагают более чем двумя тысячами образцов замороженной крови, охватывающими сотни полиморфизмов (генетических различий в виде замен отдельных нуклеотидов).
Ученые накапливают образцы дифференцированных и стволовых клеток человека, которые используют для изучения механизмов обновления и регенерации тканей, причин развития болезней и поиска эффективных лекарственных препаратов. Из клеток пациента с конкретным заболеванием можно получить клетки практически всех органов и тканей, а потом изучать на них патологический процесс и находить мишени для новых эффективных лекарственных средств.
Для научных исследований также получают эталонные образцы для стандартизации и введения единых требований к биомедицинским клеточным продуктам. Такая клеточная «палата мер и весов» необходима для успешного внедрения новых препаратов в клиническую практику. Кроме того, ученые уделяют внимание социально-гуманитарному сопровождению работы депозитария, в том числе анализируют общественное мнение по вопросам, связанным с функционированием биобанка.
Одним из интересных и перспективных направлений научных исследований является разработка подходов к созданию генетических клеточных моделей заболеваний человека. Геномное редактирование используется для изучения молекулярных механизмов заболеваний человека, тестирования и скрининга потенциальных лекарственных соединений и для разработки методов коррекции генетических нарушений с помощью технологий редактирования генома. Таким образом, обширная коллекция описанных образцов тканей и клеток позволит качественно улучшить современные медицинские знания о роли генома в развитии заболеваний.
«Для хранения накапливаемых криоколлекций биоматериала человека в составе Института регенеративной медицины МНОЦ МГУ создано современное криохранилище, отвечающее всем существующим отечественным и международным требованиям»,—говорит Анастасия Ефименко. — «Кадровый потенциал, материально-техническая база, существенный научно-технический задел позволяет Московскому университету уверенно работать в областях регенеративной и персонализированной медицины на мировом уровне».
Суть направления — анализ биоразнообразия на молекулярном уровне. Хотя в последнее время огромное развитие получили технологии секвенирования, позволяющие в полуавтоматическом режиме читать геномы, необходимо понимать, что в них записано. Ученые добывают генетическую информацию, которую обрабатывают и предоставляют другим специалистам в удобоваримом виде.
Так, из генетической последовательности выводятся аминокислотные цепочки белков, которые могут иметь важные функции. Это позволяет понять вариабельность белка, узнать, какие аминокислоты более или менее важны. По словам Андрея Головина, чтобы создать белки с нужными функциями, например на основе антител, нужно сгененерировать астрономическое число возможных аминокислотных последовательностей. Но использование информации о последовательностях похожих по функциям белков позволяет сузить эту выборку до приемлемого количества.
Этот принцип используется для поиска потенциальных мишеней для лекарственных препаратов. Мишенью является биологическая молекула, которая связана с тем или иным заболеванием. Мишень можно найти, изучив ДНК и выявив гены, кодирующие белки с функциями, нарушение которых приводит к болезни. Для подбора лекарства, реагирующего с этим белком, необходимо изучить существующие базы соединений и найти подходящих кандидатов. Последние модифицируются и испытываются на биологических системах.
Например, мишенью может быть белок фибриноген, чрезмерная активность которого приводит к тромбозам. С помощью драг-дизайна удалось определить структуру небольшой молекулы ДНК RA-36, которую российские ученые называют «Тамарой» и которая способна связываться с фибриногеном и изменять его функциональность. Суперкомпьютер «Ломоносов» позволил спроектировать примерную структуру будущей молекулы-лекарства, модифицировать ее до получения требуемых свойств, получив последовательность из 31 нуклеотида. Препарат был успешно испытан на животных.
Отдельная группа ученых, работающих над направлением, изучали причины долголетия голых землекопов, которые, как выяснилось, были запрограммированы генетически. Оказалось, что у животных продлевается период неотении, то есть голые землекопы долгое время не выходят из стадии молодости, но при этом являются половозрелыми особями и способны размножаться. Определение генетических механизмов, лежащих в основе замедленных биологических часов, позволит выявить и даже изменить программы старения у людей.