Новости

10 октября, 2017 02:05

Все на борт! Как собирают живность нового ковчега

Источник: Поиск
Фото: Николай Степаненков
Фото: Николай Степаненков
3 / 4
Фото: Николай Степаненков
Фото: Николай Степаненков

Недавно ФАНО опубликовало инструкцию по формированию отчета “Биоресурсные коллекции”, в которой предложены описательные форматы основных типов этих собраний. Это - коллекции микроорганизмов, клеток, сельскохозяйственных растений, диких животных, лабораторных животных, биологических материалов человека. Не забыто и о музейных коллекциях диких, сельскохозяйственных животных, гербариях и собраниях живых растений (имеются в виду ботанические сады). Всего десять.

Вообще, первой официальной биологической коллекцией считается ботанический сад Лейденского университета в Голландии, заложенный в конце XVI века. В 30-е годы XX столетия в России академик Николай Вавилов собрал уникальную, не имевшую на тот момент аналогов, коллекцию семян культурных растений, которая, по сути, стала первым в мире биобанком. С тех пор наука продвинулась далеко вперед, и сегодня в мире функционирует множество банков биологического материала: от вирусов и субклеточных структур до целых организмов. Современные тенденции развития науки и технологий диктуют необходимость комплексных исследований самых разных живых систем, причем именно на “коллекционном” уровне (то есть с использованием большого количества разного биологического материала, в том числе вымирающих и малоизученных видов). Большую роль в решении этой задачи играют компьютерные базы данных биологической информации... У нас, кроме того самого первого биобанка Вавилова, сейчас есть Российская коллекция клеточных культур, Всероссийская коллекция промышленных микроорганизмов и ряд других. Но в 2014 году МГУ им. М.В.Ломоносова получил грант Российского научного фонда, чтобы за пять лет создать и развить российский национальный банк-депозитарий живых систем и биологической информации, удовлетворяющий все запросы современной научно-технологической среды. Проект получил звонкое имя “Ноев ковчег”.

Новый ковчег

- Это - абсолютно уникальная для России, да и для всего мира работа, - рассказал научный координатор проекта, ведущий научный сотрудник биофака МГУ Петр Каменский (на снимке). - Задача - интегрировать все биологические коллекции в единое информационное пространство, что не только позволит проводить высокоуровневые научные исследования, но и облегчит использование их результатов. Основная цель - сохранение, исследование и полезное применение богатства биологического разнообразия нашей планеты. Проект “Ноев ковчег” имеет пять направлений по типам материала, с которым приходится работать: это животные, растения, микроорганизмы и грибы, биологический материал человека и биологическая информация. Общее финансирование составляет 750 миллионов рублей за весь период. Четверть этих средств МГУ должен добавить сам - в основном они тратятся на дорогостоящее оборудование. 

Междисциплинарность - краеугольный камень этой работы - позволяет ученым собрать в единую цепь все звенья исследований живых организмов. Тут и хранение-содержание в живом виде в специальных помещениях, и культивирование клеток и тканей, и изучение молекулярных основ функционирования и моделирования процессов. Поэтому в работе депозитария будут принимать участие математики, физики, географы, геологи, специалисты по биоэтике и представители многих других профессий. Таким образом, благодаря возможностям большого цифрового ресурса, будет создано единое биоколлекционное информационное пространство. 

- Кто сможет воспользоваться новым ковчегом? 

- Та информационная система, которую мы уже разработали и продолжаем совершенствовать, подразумевает, что к большинству образцов информации, которые в нее загружены, доступ абсолютно свободный. Для того проект и создан, чтобы каждый мог воспользоваться уже имеющейся информацией, безусловно, соблюдая определенные правила. Хотя, конечно, система разрабатывалась, прежде всего, для научных целей, но, повторю, образцы и коллекции находятся в свободном доступе. Скажу больше, мы уже начали получать отклики от таких, например, еще далеких от науки людей, как школьники. Недавно из Якутии они прислали длинное письмо про водоросли и растения, которые обнаружили в нашей системе. Я даже не очень понял, признаюсь, несколько умных слов из их послания, - смеется Каменский, - но, тем не менее, отметил, что наш проект работает для популяризации науки. Вопросы детишек я переправил профильным ботаникам - они вступят в переписку со школьниками.

Петр Андреевич также рассказал, что уровни доступа к “Ноеву ковчегу” будут, конечно, разные. Ведь в систему загружается и информация о таких вещах, к которым свободного доступа в принципе быть не может. Например, какие-то запатентованные исследования или информация об образцах клеточного материала человека - а значит, нужно согласие конкретного пациента на то, чтобы все его клеточки были всем “видны”. 

Первым в эту систему внесли Цифровой гербарий МГУ, у которого сегодня лидирующее место в мире по числу отсканированных образцов (среди университетских коллекций) и шестое - “в общем зачете” образцов. У МГУ их более миллиона. Здесь сосредоточены как реликвии, связанные с именами Карла Линнея и Джеймса Кука, так и обширные материалы последующих исследователей флоры. Больше лишь в собраниях крупнейших научных центров мира: Парижа, Лейдена, Пекина, Нью-Йорка и Вашингтона. Изображение каждого растения попадает в цифровой гербарий. Исследователи МГУ могут запросить материал для изучения из зарубежных гербариев, предложив в обмен что-то из своего, - таков принцип взаимодействия: “образец за образец”. 

В конце весны, благодаря направлению “Растения” проекта “Ноев ковчег”, начал работу и Криобанк биотехнологического растительного материала. Это хранилище культур клеток и меристем (тканей растений, способных длительно делиться и образовывать новые органы растения). В криобанке могут одновременно разместиться 50 тысяч образцов. Их будут содержать в парах жидкого азота при температуре минус 180 градусов Цельсия. Среди образцов планируется хранить меристемы ценных сельскохозяйственных видов и культуры клеток продуцентов биологически активных веществ.

Криобанк МГУ в России не первый, до университета такое хранилище, но поменьше объемом создал Институт физиологии растений РАН, да еще на острове Шпицберген есть помещение, где в холоде хранят семена, но держать там культуры клеток и меристемы невозможно. Поэтому в криобанк МГУ сначала поместят дубли наиболее ценных образцов из коллекции ИФР РАН - среди них культуры клеток редких видов, растущих от Байкала до Амура. Когда же в МГУ будут разработаны системы замораживания ценных генотипов, то, наоборот, их вторые экземпляры передадут в криобанк Института физиологии растений. Таким образом, система биотехнологических коллекций и криобанков России станет одной из наиболее надежных в мире.

В 2017 году в МГУ открылась и Лаборатория геномного анализа, которая дополняет уже имеющиеся на некоторых кафедрах университета лаборатории, позволяющие проводить подготовку к секвенированию. В этом смысле лаборатория нацелена не только на решение исследовательских задач, но и на обучение участников проекта новейшим методикам. В ДНК-лаборатории ученые смогут определять вид организмов, исследовать их популяционную структуру, последовательность белок-кодирующих генов и уровень их экспрессии.

Сокровища веков

- Идея ректора Виктора Садовничего создать банк-депозитарий, с которой он в 2014 году обратился в РНФ, возникла из понимания, что нельзя все коллекции хранить по-старому, - рассказал декан биологического факультета МГУ академик Михаил Кирпичников. - Ведь некоторым, наиболее давним гербариям университета больше 300 лет. Требуется осовременить их, сделать более доступными для исследователей. Есть нужда и в разработке платформ для сбора новых коллекций. И наконец, коллекции необходимо как-то унифицировать, чтобы стало возможным осуществлять обмен данными, получать ценную информацию. Тогда и созрела мысль о едином российском биоколлекционном пространстве. Думаю, нигде кроме как в МГУ его пока не удалось бы реализовать.

- Разве только в МГУ есть так много гербариев?

- Конечно, нет. Сегодня в мире существует порядка 260 крупнейших гербариев, около 800 музеев естественной истории, 2000 ботанических садов, примерно 1500 зоопарков и с тысячу национальных парков. Цель этих классических биоколлекций - сохранение разнообразия жизни на Земле, научные исследования, создание биотехнологий, развитие медицины, просветительство...Но сокровища Московского университета - одни из старейших и наиболее полные по комплектации. Поэтому они отвечают современным запросам ученых, - рассуждает Михаил Петрович. - Например, гербарий МГУ основан в 1780 году меценатом П.Демидовым и профессором Г.Гофманом. Научный фонд содержит более 1 миллиона экземпляров. Гербарные образцы используются для выделения ДНК, неорганического анализа, изучения морфологии и анатомии. В рамках проекта “Ноев ковчег” при создании цифрового гербария МГУ за 2015-2017 годы отсканировано уже более 800 тысяч образцов. Почти все они доступны в Цифровом гербарии. Отсканированные изображения флоры открыты для всех желающих на портале Депозитария живых систем МГУ.

Но проект “Ноев ковчег” охватит массу направлений. Например, богатства Зоологического музея. Он в МГУ основан в 1791 году. По объему коллекций занимает 13-е место в мире среди естественно-научных музеев и второе, после Мичиганского, среди университетских. В экспозиции - 17 тысяч экземпляров, научный фонд - порядка 10 миллионов экземпляров. При музее созданы лаборатория секвенирования ДНК и лаборатория выделения и анализа “палео-ДНК”. Сохраняя биоматериал редких и исчезающих видов животных и растений, мы обеспечиваем возможность восстановления их в будущем при помощи технологий клонирования.

Ведется оцифровка фонда Антропологического музея МГУ, который начали создавать в 1883 году. По объему коллекций этот музей входит в первую десятку антропологических собраний мира. Здесь ведутся уникальные работы, в частности по анализу приспособляемости древнего человека к жизни в арктических широтах.

Очень интересны университетские коллекции микроорганизмов: ведь об этом царстве мы все еще очень мало знаем. А знать надо, потому что именно микроорганизмы вызывают, например, коррозию материалов, из-за которой падают самолеты, разрушаются плотины... А коллекция микроводорослей МГУ служит исследованиям в новой области науки - зеленой химии. Станция мониторинга пыльцы также является частью проекта “Ноев ковчег”. Ее работа очень важна: ведь сегодня каждый пятый житель Москвы - аллергик. В 2016 году сотрудники станции стали лауреатами Национальной экологической премии имени В.И.Вернадского. 

- Словом, задача на будущее, - говорит Михаил Петрович, - это создание единого биоколлекционного пространства. В начале 2017 года выпущена первая версия информационной системы проекта “Ноев ковчег”. В течение ближайших двух лет в нее будет загружена полная информация о коллекциях Московского университета. В дальнейшем планируется выход на всероссийский уровень. Усилия, затраченные на “Ноев ковчег”, не остаются незамеченными: сегодня у МГУ все больше предложений о совместных работах в проекте минимум от четырех стран. 

Кило клеток в день

Нет меньшей единицы живого, чем клетка. Из них состоят и флора, и фауна. Одна клетка формируется из другой. Биоколлекции дают возможность и сохранять, и размножать, и модифицировать необходимые для науки клетки.

- Для меня как медика важно, что всякая патология есть патология клеток, - рассказывает декан факультета фундаментальной медицины МГУ академик Всеволод Ткачук. - В XXI веке появился шанс из клеток животного или человека дифференцированно получить любую другую клетку: нервную, сердечную, мышечную, яйцеклетку. То есть сегодня мы можем взять у человека соматическую клетку, вырастить ее вне организма, превратить в тот тип ткани, который требуется, и вернуть этому же человеку без всякого иммунологического конфликта. На мой взгляд, это самое выдающееся событие после дарвиновских теорий.

Всего 1% человеческого генома является смысловым, то есть кодирует РНК и белки. Гораздо больше ДНК отвечает за превращение клеток, которые в организме Homo sapiens обновляются в течение всей его жизни с колоссальной скоростью - килограмм в день. За свою жизнь индивид производит десятки тонн клеток. Микро-РНК могут перепрограммировать одни клетки в другие.

- А при чем здесь “Ноев ковчег”?

- Ученые МГУ предложили использовать эти научные находки для сохранения биоразнообразия на Земле. Накопленный нами генетический материал бесценен. Вот энтомологи убеждены: исчезнут пчелы - и люди вымрут, потому что невозможно станет опыление сельскохозяйственных культур. А имея генетический банк данных, можно вернуть насекомое или животное в природу. “Ноев ковчег” будет суммировать все накопленные образцы и знания о них, собирать на Земле живые клетки - бактериальные, растительные, животные, в том числе человека, - и характеризовать их, изучать и сохранять для будущего. Сегодня в депозитарии МГУ создаются коллекции всех дифференцированных клеток человека (около 250 типов, своего рода “палата мер и весов” для биомедицины), коллекции всех типов стволовых клеток: эмбриональных, гемопоэтических, мезенхимных, постнатальных и тканеспецифичных. Разрабатываются методы дифференциации стволовых клеток. 

- Нам надо иметь стандартные клетки, - продолжает Всеволод Арсеньевич, - знать, что вот так именно она выглядит, имеет такие-то маркерные белки, обладает определенной морфологией. Мы ее можем заморозить и хранить годами, потом восстановить и приумножить и вернуть в какой-то орган или ткань. Это мы сейчас делаем с клетками человека. У нас есть бесценная университетская коллекция наследственного материала - дезоксирибонуклеиновой кислоты пациентов, которые наблюдались десятилетиями в медицинских учреждениях. В структуре “Ноева ковчега” в рамках направления “Биоматериал человека” созданы и функционируют коллекция замороженной ДНК обследованных пациентов с клинически установленным и молекулярно подтвержденным диагнозом и коллекция их замороженных живых клеток. По сохраненным клеткам мы можем “читать” структуру ДНК. Пытаемся связать наследственные особенности таких клеток с развитием того или иного заболевания.

Институт регенеративной медицины и факультет фундаментальной медицины МГУ создали коллекцию стандартизованных клеток, используемых для обучения специалистов - клеточных технологов и клеточных терапевтов. Они собрали коллекцию ДНК более чем из 2 тысяч образцов: взяты у пациентов с ишемической болезнью сердца (187), с кардиологическими нарушениями (347), с фиброзными и циррозными изменениями печени (265) и т.д. Среди них 915 образцов - группы сравнения, то есть взяты у здоровых добровольцев. Сбор такого материала - удовольствие дорогое: как правило, один образец в западных коллекциях крови стоит около 3000 долларов США. 

- Мы хотим понять, в результате исследований разобраться, почему одни люди болеют, а другие нет, - объясняет В.Ткачук. 

В проекте “Ноев ковчег” ученые заняты и методами редактирования генома. Оказалось, что любую мутацию, любое изменение наследственности можно исправить. Для этого используется система CRISPR/Cas9. Она корректирует генетические нарушения и создает модели патологий человека и животных. На базе коллекций ведутся доклинические и клинические исследования стволовых клеток. 

- Испытываем препараты корвиан (стимуляция ангиогенеза), иннервин (стимуляция роста нервов), юпикор (лечение ишемии конечностей). Несколько препаратов уже завершили клинические испытания. Сейчас мы исследуем секреты стволовых клеток для лечения урологических, офтальмологических заболеваний, ишемии, трофических язв... В “Ноевом ковчеге” работы невпроворот, - завершает свой рассказ Всеволод Арсеньевич.

Голые и счастливые

Подступились ученые МГУ и к тайне долголетия. 

Есть такой маленький грызун, родственник обычных мышей, голый землекоп. Обитает он в Африке и живет поразительно долго для своего вида. Недавно выводы биологов и математиков МГУ, которые изучали особенности этих землекопов, были опубликованы в одном из самых престижных мировых научных журналов - Physiological Reveiws.

- Самый почтенный из долгожителей землекопов протянул больше 35 лет. Это невероятно для такого маленького существа. Примерно, как если бы человек жил тысячу лет, - рассказал “Поиску” директор НИИ физико-химической биологии им. А.Н.Белозерского, декан факультета биоинженерии и биоинформатики МГУ академик Владимир Скулачев. Вместе с коллегами он в мегапроекте “Ноев ковчег” занимается геронтологическими исследованиями. 

О существовании голых землекопов было известно еще с середины XIX века. Интереса особого для ученых они не представляли, пока в 80-х годах уже прошлого столетия американская исследовательница Рошель Баффенштайн не поселила их у себя в виварии и не начала наблюдать за животными. Они поразили ее не только долголетием: выяснилось, что продолжительность жизни у них более четверти века, - но и тем, что совершенно не старели. А еще голые землекопы обладают сильнейшей иммунной системой: им не страшны инфекции, раны заживают моментально, их организм обладает мощной антираковой защитой. Правда, они не бессмертны - от серьезных травм чаще всего погибают. 

Первое стадо голых землекопов биофаку Московского университета подарил Берлинский зоопарк. За жизнью землекопов с 1 сентября 2016 года можно наблюдать онлайн в Интернете (http://vsb.fbb.msu.ru/molerat/). Землекопы - вегетарианцы и очень деятельны: постоянно обустраивают свое место жизни. У них обязательно есть спальня, столовая, туалет. В социальной сфере царит матриархат. Теперь в МГУ уже четыре колонии землекопов. Университетские условия им нравятся - размножаются они активно. 

Ученые выяснили: секрет молодости землекопов в том, что они умеют останавливать свои большие биологические часы.

- У них налицо явление неотении - “замораживание” организма в новорожденном состоянии. Голые землекопы с рождения перестают эволюционировать. Есть основания полагать, что старение - это медленное самоотравление организма ядовитыми активными формами кислорода, образуемыми в митохондриях. Если это так, - поясняет Владимир Скулачев, - то антиоксидант (SkQ1), адресованный в митохондрии, можно использовать как средство, прерывающее программу старения.

SkQ1 испытали на мышах - он ускоряет заживление ран у старых особей. Были проведены клинические испытания капель “Визомитин”, содержащих 250 нМ SkQ1, в качестве средства от старческих болезней глаз у человека (синдрома сухого глаза, катаракты и глаукомы). С июля 2012 года капли поступили в продажу в аптеки Москвы, а на сегодня продано уже более 700 тысяч флаконов.

- В 2015 и 2016 годах в Первой градской больнице Москвы успешно пройдена первая фаза клинических испытаний на применение нашего антиоксиданта. Пока мы еще не можем гарантировать, что SkQ1 - именно то средство, которое затормозит процесс старения у людей, но это уже вопрос лет, а не десятилетий, - уверен академик.

* * *

Понятно, что глобальный проект “Ноев ковчег” не реализовать за четыре-пять лет, чтобы его реализовать полностью, придется работать над ним десятилетиями. О перспективах развития темы рассказал Петр Каменский:

- Хочется верить, что и по окончании гранта РНФ строительство “Ноева ковчега” будет продолжено. В частности, в планах - активный поиск финансирования по модели двусторонних международных грантов, когда некий конкурс объявляется в России, другой - за рубежом. Тогда две организации подают согласованную заявку и, соответственно, сообща выигрывают или не выигрывают, как повезет. Помимо всего прочего, ищем бизнес, который может быть заинтересован в результатах именно наших научных разработок и в их внедрении. Здесь, на самом деле, работы - поле непаханое. Очень надеемся, что именно взаимодействие с бизнесом станет одним из основных моментов, который позволит нам продолжать исследования. 

28 марта, 2024
Ученые ИТМО создали более долговечные синие перовскитные светодиоды
Ученые ИТМО нашли новый способ получения синего излучения у перовскитных нанокристаллов. Он позвол...
28 марта, 2024
Ученые научились управлять мощностью электронного пучка в течение его импульса
В Институте сильноточной электроники СО РАН модернизирована уникальная научная электронно-пучковая...