Как новое оборудование поможет понять молекулярное устройство человека

Минобрнауки России выделило в 2019 году ведущим научно-исследовательским институтам субсидии на обновление приборной базы во исполнение национального проекта «Наука». Новые приборы помогут ученым ИБМХ им. В. Н. Ореховича участвовать в международном проекте «Протеом человека».

Заниматься наукой — это в том числе участвовать в вечной гонке за новыми технологиями и открытиями, современными методами исследований. Чтобы лидировать в этой «гонке», российским ученым нужны мощные ресурсы, включая современное высокотехнологичное оборудование.

В 2019 году Минобрнауки России выделило средства на обновление приборной базы 111 ведущим научно-исследовательским организациям по национальному проекту «Наука».

В Институте биомедицинской химии им. В. Н. Ореховича (ИБМХ) средства гранта были направлены на развитие исследований для крупного международного проекта «Протеом человека». Суть проекта — в составлении карты белков человека. Для этого были закуплены уникальные приборы, которые не имеют аналогов в России.

Основные пользователи нового оборудования — молодые перспективные ученые. Например, конечным ответственным пользователем новых масс-спектрометра и оптического биосенсора стал Юрий Мезенцев, кандидат биологических наук и молодой сотрудник лаборатории межмолекулярных взаимодействий ИБМХ. Использование вычислительных серверов находится под присмотром Екатерины Поверенной, кандидата биологических наук и молодого заведующего лабораторией интерактомики протеоформ.

«Протеом человека» стартовал в 2010 году в Сиднее, это продолжение огромного международного проекта «Геном человека». «Протеом человека» должен измерить содержание продуктов экспрессии генов (белков) в организме человека, провести «инвентаризацию» всех белков. Предполагается, что полученные знания помогут понять молекулярное устройство человека и откроют новые горизонты в медицинской диагностике и лечении заболеваний. Россия не участвовала в «Геноме человека», но в новом проекте, одним из инициаторов которого стал ИБМХ, отечественные коллективы занимают лидирующие позиции.

Сегодня в исследованиях протеома участвуют более 20 стран, среди них — США, Канада, Республика Корея, Китай и другие. Усилия ученых направлены на обнаружение и характеристику белков, кодируемых 25 хромосомами человека. Российская часть проекта заключается в определении содержания белков, кодируемых генами 18-й хромосомы. Ученые уже обнаружили около 80% белков, но, чтобы найти оставшиеся и понять функции известных и вновь обнаруженных белков, нужно проводить исследования на современном высокотехнологичном оборудовании, в котором реализованы передовые инструментальные и технические решения.

«Мы работаем в области постгеномных технологий с 1990-х годов. Это те технологии, которые созданы на основе наших знаний генома. Мы знаем, сколько у нас генов, но до сих пор не знаем, сколько белков. Многие из белков трудно обнаружить и идентифицировать. Так, в мире не существует двух людей с абсолютно одинаковым метаболизмом, каждый человек отличается от другого: по-разному живет, относится к окружающей среде и прочее. Все это приводит к тому, что вырабатываются особенности белкового профиля каждого человека,— рассказывает научный руководитель ИБМХ, координатор международного проекта “Протеом человека” в России, академик РАН Александр Арчаков.— Но наука всегда в движении, и сейчас моя мечта — перейти от работы с популяциями молекул к работе с единичными молекулами, познакомиться с каждой биомолекулой и проконтролировать ее поведение. Для этого мы в институте создаем уникальную научную установку, которая будет единственной в мире».

Результаты проекта «Протеом человека» — основа для создания цифрового образа человека. Комплексное исследование — анализ молекулярного состава плазмы крови — поможет разработать методики для определения содержания различных соединений в крови. Итоги анализа, представленные в виде цифрового кода, будут отражать состояние здоровья человека.

В лаборатории межмолекулярных взаимодействий ИБМХ занимаются прямым молекулярным фишингом с целью идентификации белков-партнеров.

«Мы можем зафиксировать изучаемый белок-наживку на носителе и пропустить через него подготовленный образец биоматериала. В образце есть возможные белки-партнеры, которые и “клюнут” на нашу наживку. А затем то, что мы “поймали”, нужно идентифицировать. Идентификация производится с помощью масс-спектрометров. Причем “опознать” возможно не только белок, а вообще любую молекулу,— рассказывает заведующий лабораторией Алексей Иванов.— Раньше мы пользовались услугами соседней лаборатории, но по мере работы у нас стало накапливаться большое количество проб, соседи не успевали оперативно обработать наши запросы, и мы получали результат спустя несколько месяцев. Приобретение нового высокопроизводительного масс-спектрометра позволило получить результаты сразу после процедуры молекулярного фишинга, что, очевидно, значительно повышает эффективность наших исследований».

Метод молекулярного фишинга применяется не только в протеомных исследованиях, но также может помочь при разработке новых лекарств — определить, на какие именно белки в организме это соединение влияет. Например, изучение взаимодействия белков-партнеров с различными изоформами бета-амилоида может помочь в исследовании развития болезни Альцгеймера.

Для реализации молекулярного фишинга используется оптический биосенсор, на котором регистрируют взаимодействие молекул друг с другом с помощью эффекта поверхностного плазмонного резонанса. Новый оптический биосенсор Biacore 8K будет использован в исследованиях по анализу иммунных взаимодействий: любые антитела или препараты, вызывающие иммунный ответ, должны контролироваться такой технологией.

Одна молекула закреплена на поверхности оптического чипа, другая свободно «плавает» в пространстве. Таким образом, в режиме реального времени регистрируется процесс взаимодействия молекул. Из кривых рассчитываются биохимические показатели комплексообразования белков друг с другом и белков с другими веществами, в том числе с низкомолекулярными.

Оптическая микроскопия и проточная цитометрия применяются для изучения клеток. По сигналам светорассеяния и флуоресценции регистрируются количественные параметры в потоке клеток или иных частиц. В новом цитометре с микроскопией высокого разрешения в потоке ImageStreamX Mark II совмещены возможности математического и статистического анализа полученных параметров и микроскопии высокого разрешения каждой клетки в потоке. Так, прибор может считывать параметры тысячи клеток в секунду и при этом обеспечивать анализ изображений каждой клетки, а программное обеспечение позволяет беспрепятственно связывать количественные данные с изображениями.

Ученый может нажать на любую точку в комплексе данных и увидеть изображение клетки и всю информацию о ней. Сейчас прибор задействован в исследованиях раковых клеток учеными лаборатории клеточной биологии ИБМХ.

Один из проектов лаборатории прецизионных биосистем ИБМХ — генетическое редактирование и получение клеток с измененными характеристиками. Цитофлуориметр ZE5 позволяет выделять измененные клетки и быстро оценивать их параметры. С его помощью можно увидеть, что происходит, когда внесены изменения в геном клетки.

Другой проект — разработка технологий ранней диагностики клещевого энцефалита. Исследования основаны на изменениях экспрессии генов и продукции белков в инфицированных антигенпрезентирующих клетках. Ученые изучают молекулярные и клеточные факторы, участвующие в механизме передачи патогенов клещами. Проект реализуется совместно с Институтом паразитологии Биологического центра РАН и университетом Южной Богемии (Чехия).