Sergei Medveděv: Když jsem byl dítě a mladý muž, vzpomínám si, jak noviny neustále troubily: něco se stane, když se lidský genom dešifruje, jakmile budou všechny tyto bloky a cihly vyjasněny … A nyní byl lidský genom dekódován - co bude dál? Objevuje se věda zvaná „bioinformatika“. Co to je? Je dekódovaný lidský genom jakýmsi konstruktérem, Lego, ze kterého se vytváří lidský život? Našim hostem je Michail Gelfand, bioinformatik, vedoucí magisterského programu Biotechnologie ve Skoltech, zástupce ředitele Ústavu pro problémy přenosu informací Ruské akademie věd.
Michail Gelfand: Jsem profesorem na Fakultě informatiky na Vyšší ekonomické škole a na Fakultě bioinženýrství a bioinformatiky na Moskevské státní univerzitě.
Jak to chápu, v genomu jsou tři miliardy písmen. Známe kód - co s tímto kódem můžeme dělat? Toto je nějaká kuchařka života, můžeme nyní vařit člověka, homunkula ze zkumavky?
- Toto je kuchařka života v tom smyslu, že se život může reprodukovat podle receptů obsažených v této knize. Nevíme jak, v tomto smyslu jsme špatní kuchaři.
Obecně tato metafora s dešifrováním a čtením genomu není příliš úspěšná, protože dešifrování předpokládá porozumění, a zatím chápeme docela špatně. Naučili jsme se reprodukovat molekulu dědičnosti DNA, která byla v živé buňce, a pak ve zkumavce, v počítači, víme, v jakém pořadí jsou tato písmena v této molekule kombinována. Ale pochopení významu je trochu jiná věc.
Bioinformatika se objevila jako nezávislá věda přesně tehdy, když se biologie postupně začala transformovat z vědy, která pracuje se samostatnými objekty, na vědu, v níž je spousta dat. V tuto chvíli je nutné tato data ukládat, chápat, analyzovat a něco s nimi dělat.
Tohle je asi o kolik let?
- V roce 1977 jsme vyvinuli metody pro určování sekvence DNA (konkrétně říkám: ne „dekódování“, ale „určování sekvence“). Bioinformatika se začala zjevně objevovat na počátku 80. let. Měl jsem strašně štěstí: když jsem v roce 1985 promoval na univerzitě, existovalo takové úžasné pole, ve kterém nebylo třeba se nic učit, začalo to od nuly, stačí to vzít a udělat. To je v historii velmi vzácné.
Propagační video:
Používá více matematických metod?
- Metody v něm jsou matematické v následujícím smyslu: musíte myslet. Na některých místech jsou krásné algoritmy, krásné statistiky, ale v zásadě je matematika celkem triviální, neexistují tam žádné matematické magické hůlky. Musíte mít schopnost mít na paměti spoustu věcí a pokusit se to vysvětlit různými způsoby, a druhou dovedností je klást jednoduché otázky. V tomto smyslu bylo pro mě matematické vzdělání velmi užitečné, možná ne tolik, vzdělání jako komunikace s mým dědečkem Izraelem Moiseevichem Gelfandem, který byl matematikem a hodně pracoval v experimentální biologii.
Nyní je zaznamenán genom, je stanovena posloupnost - co z toho můžeme udělat? Slyšel jsem, že existuje nová technologie: můžeme vzít nějaký genový řetězec a opravit ho, místo toho vložit dobrý. To znamená, že můžeme s těmito písmeny pracovat?
- CRISPR je technika genetického inženýrství, jedna z velmi pokročilých, velmi moderních technologií, která vám umožní provádět velmi přesné a specifické manipulace.
Lidé právě dostali více příležitostí. V zásadě lidé věděli, jak vložit a odstranit geny dříve, experimentálně to bylo obtížnější, žádné manipulace nebyly technicky proveditelné. Nyní se sada nástrojů rozšířila. Bylo možné stavět domy, jako ve Spartě, pouze se sekerou, a nyní je zde také pila a dokonce i skládačka, můžete vystřihnout nějaké krásné platbands. V tomto smyslu je technologický pokrok velmi velký, ale zatím není příliš významný. Rozumíme některým věcem: že existuje jednoduché monogenní onemocnění, při kterém je zlomen jeden gen - je zřejmé, že pokud to opravíte, budete mít normální embryo.
A to se už léčí?
- Ne, není vyléčen, nemůžete manipulovat s lidskými embryi - je to prostě zakázáno zákonem.
Ale jak to chápu, pohybuje se. V Anglii to dovolili - s embryi až 11 dní …
- V Číně se nikoho nezeptají. Nemůžete zpomalit kluziště umístěním želv pod něj: je vám líto želv, ale kluziště bude prázdné. V tomto smyslu se samozřejmě bude hýbat, ale lidstvo to musí pochopit. Je to opravdu vážná věc, která potřebuje reflexi.
Není první. Když genetické inženýrství začalo teprve v polovině 70. let, když bylo jasné, že s genomy lze manipulovat (pak stále bakteriální), nastal vážný problém: například se obávali, že náhodou vytvoří nějakou superbug a budou jíst všichni. Existovaly zvláštní konference, kde byla vyvinuta pravidla pro to, co děláme a co neděláme. Každá nová sada nástrojů rozšiřuje příležitosti, zvyšuje odpovědnost a musí být pochopena.
Vyvolává etické otázky …
- A pokud mluvíme o bioinformatice, vracíme se k tomu, co jste požádali, pak je tu trochu jiný příběh. Existují dva aspekty. Ukázalo se, že dokážeme odpovědět na několik klasických biologických otázek jednoduše v počítači.
Dělám spoustu genomiky bakterií. Existuje mnoho bakterií, se kterými byl v jejich životě proveden jeden experiment, konkrétně byla stanovena sekvence genomu. Víme o nich docela dost: to, co jedí, co nemohou jíst, jak dýchají, co musí přidat do životního prostředí, bez něhož nemohou přežít, ale nemohou to udělat sami a tak dále.
O kolik jednodušší je bakteriální genom ve srovnání s lidským genomem?
- To není tak kritické. Sdílíme 30% genů s E. coli. Pokud jde o počet genů, typická bakterie je tisíce a osoba je 25 tisíc.
Víte, který gen je za co v bakteriích zodpovědný?
- Ne úplně, ale víme toho hodně.
Mnohem víc než člověk?
- Jako procento - samozřejmě.
Druhá věc, která se objevila (a to opět souvisí s technologickým vývojem v experimentální biologii) a vyžaduje porozumění v bioinformatice, je to, že se můžeme podívat na celou buňku. Klasická věc: postgraduální student studuje určitý protein, zná partnery tohoto proteinu, ví, jak tento protein interaguje s DNA, pokud s ní interaguje, ví, kdy je gen tohoto proteinu zapnutý a vypnutý. Jedná se o plnohodnotnou disertační práci, několik vědeckých článků o jednom proteinu. A pak se objeví metody, které vám umožní odpovědět na stejné otázky pro všechny proteiny najednou. Poprvé máme ucelený obrázek o tom, jak buňka funguje; ona je nyní velmi nedokonalá.
Existuje bílkovina, která je vám neznámá, ale můžete předpovídat při pohledu na její genom …
- To jsou dvě různé otázky. Jsme schopni předpovídat funkce proteinů, aniž bychom s nimi experimentovali. Je to krásná bioinformatika založená na všech druzích evolučních úvah.
Na základě jeho genového profilu?
- Protein je to, co je kódováno v genu, takže je lepší mluvit o genu: na základě toho, kdo je tento gen vedle, koho tento protein vypadá alespoň z trochu známého, jak je regulován, když je zapnutý a vypne se.
Totéž se pravděpodobně dá udělat s člověkem?
- Je to těžší. Technicky můžete.
Podívejte se na genom člověka na embryonální úrovni a řekněte: genius poroste nebo Down poroste
- Toto je příběh o skutečnosti, že funkce proteinu je obecně neznámá, nic o tom nebylo vůbec známo a můžeme to předvídat. A to, o čem mluvíte, je dobře známý soubor proteinů, ale s některými variacemi - to je trochu jiný příběh.
Člověk se skládá ze známých bílkovin
- Částečně známé, částečně ne. Ukázalo se, že máme spoustu heterogenních informací o tom, jak buňka funguje. Informace jsou velmi nedokonalé, každý malý fakt se může snadno ukázat jako špatný, ale v souhrnu jsou stále správné. A z toho se může pokusit popsat buňku jako celek.
Molekulární biologie byla filosofy dlouho vyhubována tím, že je redukcionistická věda. Zde se díváte na slona v částech: někdo studuje nohu, někdo - ocas, někdo - kufr a nepřidává se žádný úplný obrázek. Nyní to začíná být poprvé. Jedním z paradoxních výsledků tohoto je to, že naše znalosti a porozumění v absolutním smyslu velmi rychle rostou. Pokrok v biologii je úžasný: víme mnohem více, než jsme věděli před 10 nebo 20 lety, dokonce ani mnohokrát, ale řádově více.
Oblast nevědomosti však roste ještě rychleji. To znamená, že naše relativní znalost je podle mého názoru ve skutečnosti klesající, protože je zřejmé, že existují takové otevřené prostory, o nichž se před deseti lety jednoduše nestalo, že by k tomu mohlo dojít. A teď vidíme, že to je, ale nevíme, co s tím dělat. To je strašně v pohodě.
Je jasné, kdo Down bude: extra chromozom. Ale kdo bude a kdo nebude génius, nevíme, jak předpovídat a poděkovat Bohu. V předpovídání růstu nejsme ani dobří.
Tyto informace se neshromažďují?
- Samozřejmě.
Je například možné porovnat chování člověka, jeho profil na sociálních sítích s jeho genetickým profilem?
"Nevím o tom, ale psychologické zvláštnosti jsou částečně určovány genomem a lze je předpovědět trochu."
Částečně genomem, částečně společností
- Společnost, některé životní okolnosti … V genetice je to rozvinutá věc, můžete kvantifikovat příspěvek genetických faktorů ke konkrétní vlastnosti. Vezměme si jednu - mě. Ve všech buňkách mám stejné genomy, ale moje buňky se liší.
To je v určitém okamžiku genomy pochopitelné, do které buňky se vyvine?
- V určitém okamžiku si buňka uvědomuje, že se musí stát předchůdcem epitelu nebo nervového systému, jater nebo něčeho jiného. Po prvních divizích jsou všechny buňky stejné, geny v nich pracují stejným způsobem a poté začnou pracovat jinak. Klíčovou věcí nejsou samotné geny: já a šimpanzi mají 50% proteinů stejné a ty, které se liší, se liší jedním písmenem.
To znamená, že je otázkou, kde je program, který v určitém okamžiku říká buňce, že by se měla vyvinout v člověka nebo šimpanze a v člověka - v mozek nebo játra
- Je to na stejném místě, v genech, ale klíčovou věcí nejsou geny samotné, ale jak se zapínají a vypínají. A to je nejzajímavější věc, která se nyní děje v biologii.
Existuje program, který se zapíná a vypíná?
- Tak určitě. To je dobře známo u ovocných mušek. Drosophila je jednoduchá, její embryo také jednoduché … Ne, Drosophila je složitá, ale raná stádia jejího vývoje jsou velmi dobře přesně kvantitativně popsána na úrovni modelů. Můžete například předpovídat výsledky mutací. Existují mutace, když ovocné mušky pěstují nohu místo antén. Současně je známo, ve kterém genu je mutace narušena, a to lze modelovat - jak progenitorové buňky dělají chyby.
Lze jej opravit novými technologiemi?
- Je to možné, ale pouze u embrya. Když se rozrostla noha nebo další křídla, nemůžete to opravit.
Co to může přinést v praktickém smyslu? Řekněme, že to, o co se všichni zajímají, je boj proti rakovině … S touto úžasnou technologií CRISPR se zdá, že se Číňané snaží bojovat s rakovinou plic. Jak to chápu, v této technologii bakterie, když vidí fragment zlomené DNA, odebere kus zdravé bakterie a nahradí zlomený řetězec zdravým
- Ano, jen zajímavá otázka, co se stane se zdravou bakterií … Ne, to se mi nelíbí. Systémy CRISPR / Cas jsou bakteriální imunitou, poněkud odlišnou věcí. Když virus infikuje bakterii, pokud nemá čas ji zabít, začíná válka, virus přepne některé bakteriální systémy, rozbije bakteriální genetický program a přepne bakterii na produkci nových virů. Ve skutečnosti to dělají všechny viry: bakteriální, lidské a cokoli. Existuje systém, který umožňuje bakteriím, aby v případě, že virus neměl čas jej úplně zabít, vystřihli část DNA viru a použili ji jako vzorek při příštím útoku na stejný virus.
Bakterie se naočkuje tímto virem
- V jistém smyslu ano. A pak se ukázalo, že existuje protein, který je schopen rozřezat kus a úmyslně ho vložit někam, a tento stejný enzym můžete použít pro účely genetického inženýrství.
Opravdu nechápu o takové terapii rakoviny: když máte miliardy buněk, jak budete stavět správný systém do každé z nich? Nechápu, jak to technicky udělat. To lze provést k léčbě genetických defektů v embryonálním stádiu, pokud existuje jedna buňka.
S rakovinou je příběh poněkud odlišný, skutečně dochází k velmi významnému pokroku. Ukázalo se, že to, co jsme pro stejné onemocnění vzali, je vlastně na molekulární úrovni - různá onemocnění a cíle léčby by se měly také lišit. Rakovina byla zpočátku klasifikována jednoduše podle místa: byla to rakovina plic, rakovina žaludku, rakovina kůže. Pak začala histologie. Když se začali dívat na strukturu nádoru, na jakých buňkách se skládá, začala diagnostika typu „malobuněčné rakoviny plic“. Pak začala biochemie, začali se dívat na některé markery, roztříštilo se to ještě dále.
A nyní vidíme, jaké mutace se skutečně vyskytly. Berete vzorek z rakovinného nádoru a vzorek ze stejné normální tkáně a uvidíte, jak se liší. Jsou velmi odlišné, protože s rakovinou se vše pokazí, chyby se začnou hromadit velmi rychle. Existují zvláštní termíny - „řidiči“a „cestující“: některé z těchto chyb jsou cestující, stalo se náhodou a některé byly řidiči, ve skutečnosti vedli k znovuzrození.
Existují zcela praktické věci, protože například je zřejmé, že některé druhy rakoviny, které byly považovány za jednu nemoc, musí být léčeny různými způsoby. Naopak, pokud máte zvnějšku různé druhy rakoviny, ale mají stejné molekulární rozdělení, můžete zkusit použít lék, který je účinný proti jednomu druhému.
Je to zhroucení na genetické úrovni, je nějaký gen vyřazen?
- Buď vyrazil, nebo naopak začal pracovat příliš intenzivně. Typickým příznakem rakoviny je, když geny, které pracují v embryonálních stádiích, začnou pracovat v dospělých tkáních. Tyto buňky se nekontrolovaně dělí. Poměrně málo rakovin je ve skutečnosti znovuzrození, degradace zpět v čase.
Chci to hned zdůraznit: Nejsem lékař, vím o tom jako biolog a člověk, který si přečte malé recenze. Vždy se velmi bojím zklamáním lidí. Vždy existuje rovnováha mezi úspěchem ve vědě a praktickým problémem - pro ty, kteří zítra půjdou k léčbě. To jsou experimentální věci. Existuje jediný příklad, kde to fungovalo. Je však zřejmé, že v tomto směru se všechno stane.
- Pokud se podíváte na lékařskou aplikaci, vidíte, že genetické inženýrství, genová terapie již probíhá? Nyní, pokud vím, jednotlivá autoimunitní onemocnění ukazují, že jeden gen je zlomený.
- Jedná se spíše o poruchu imunitního systému, vyřazený imunitní systém. Snaží se to léčit.
Imunodeficience na úrovni genů?
- Je to kvůli specifikům imunitního systému. Tam se buňky neustále dělí, stále se objevují nové klony. I když máte vše vadné, ale provedli jste malé množství opravených progenitorových buněk, mohou nahradit celý imunitní systém a znovu jej vygenerovat. Důvodem je přesně to, jak imunitní systém funguje obecně. V tomto smyslu je úžasně plastová.
Způsobila bakterie nějaký druh očkování, imunita?
- Ano, ale je to trochu jiné. Opět, pokud jde o imunodeficienci, to znamená, že neexistují vůbec žádné třídy buněk, protože gen, který má fungovat, když tyto buňky dozrají, je rozbitý. Pokud tento gen opravíte na některé prekurzory, dozrají do těchto buněk a vytvoří celý tento imunitní obraz.
Existuje také, jak tomu rozumím, výpočetní evoluční biologie. Můžete se vrátit a vidět gen starodávného muže?
- To je téměř nejzajímavější. Bioinformatika není věda ve stejném smyslu, že elektronová mikroskopie není - je to sada technik. Vědecká část bioinformatiky je zaprvé to, co je spojeno s vývojovou biologií, a za druhé je to molekulární evoluce a zde můžete dělat různé úžasné věci.
Mnohem lépe chápeme, jak se to stalo. Naše rozdíly od myši začínají v prvních stádiích embrya a vše je poté opraveno. Stejné geny fungovaly v mírně odlišných kombinacích. Tento sen o popisu rozmanitosti zvířat s porozuměním tomu, jak vznikla, se vrací do Haeckel. Haeckel hodně žongloval, za což je kritizován, ale samotná myšlenka je velmi správná. Abychom pochopili rozdíl mezi člověkem a myší, musíme se dívat nikoli na dospělou osobu a dospělou myš, ale na embrya v prvních stádiích. Nyní se stává skutečností.
Druhá věc: rozumíme tomu, s kým je příbuzný, jednoduše porovnáním genomů. Je to jasné: čím méně rozdílů, tím bližší vztah. Jedná se o velmi jednoduchý nápad, který lze algoritmizovat. Naše představy o vývoji živých věcí se hodně změnily. Houby byly tradičně vždy studovány na oddělení nižších rostlin, ale ve skutečnosti nejsou houby nižšími rostlinami, ale našimi nejbližšími příbuznými. Květiny s houbami jsou pro nás bratranci. Z toho vyplývá, že mnohobuněčnost vznikla mnohokrát nezávisle, a to je již velmi zásadní otázka. Když jsme byli ve škole, byli jsme bakterie, pak tam byli protozoi, a potom se protozoa začali slepovat a ukázalo se, že jsou mnohobuněčné, a pak se mnohobuněčné rozdělily na rostliny a zvířata. Byly tam nižší rostliny, houby a vyšší rostliny - růže a blatouchy. Ale ve skutečnosti tomu tak není:existovalo mnoho různých jednobuněčných organismů a v těchto různých liniích jednobuněčných organismů se mnohobuněčná aktivita objevila několikrát nezávisle.
Člověk jako nejvyšší forma mnohobuněčnosti?
- Nevím, v jakém smyslu je nejvyšší. Pokud se podíváte na různé tkáně, pak jsou všichni savci za stejnou cenu. Pokud se podíváte na složitost nervové soustavy, musíme ji porovnat s chobotnicemi. Ale pokud je někdo rád, že je antropocentrický, pak na zdraví, nevadí mi to.
Naše chápání lidského původu se dramaticky změnilo. V každém z nás jsou 2% neandrtálci a byli tu také Denisovanové (Denisovanové), o kterých nikdo podezření vůbec neměl. Ve skutečnosti v Eurasii před 40 tisíci lety existovaly tři nezávislé odvětví lidstva, křížily se ve všech kombinacích a zbytky těchto křížení vidíme v genomu.
Přebíráte všechny zbytky toho, co zbylo na parkovištích?
"Toto je stará DNA a analýza moderní DNA od různých lidí." Myslím, že je to velmi cool. To velmi zkresluje můj obraz světa.
Michail, zmatil jsi nás. 2% neandrtálců, ale s houbami, s květinami je mnoho společného … Opravdu, tady mluvíme o kostkách, ze kterých je uspořádán život. Nyní, jak tomu rozumím, kombinujete tyto kostky v jiném pořadí, podívejte se, jaké příznaky se objevily jak v ontogenii, tak ve fylogenii, jak se vyvíjelo embryo jednotlivce, jak se obecně vyvíjel život na Zemi
- Ano. Děláme to v počítači a experimentátoři to dělají v buňkách.
Žijeme v nádherném čase! Doufejme, že tyto experimenty povedou k vytvoření léků na rakovinu a AIDS
- Ve skutečnosti již byl vytvořen lék na rakovinu.
Myslím pochopení mechanismů působení
- A lidé s diagnózou AIDS žijí a žijí na moderních lécích.
Nejde o léky, ale o to, jak s nimi zacházet na genové úrovni. To je další přání
Sergei Medveděv