Архитектура ДНК и анализ клетки нейросетью

Тесная кооперация с научными институтами — традиционно сильная сторона Новосибирского государственного университета, позволяющая вузу повышать качество подготовки студентов и развивать научно-исследовательскую составляющую своей деятельности. Хорошим примером может служить сотрудничество НГУ с Институтом цитологии и генетики (ИЦиГ) СО РАН.

Государственная политика научно-технологического развития страны относит генетику и генетические технологии к числу приоритетных направлений, поскольку они важны для развития медицины, сельского хозяйства, биотехнологической промышленности, то есть отраслей, прямо влияющих на качество жизни населения России.

Эта оценка была подтверждена принятием Федеральной научно-технической программы развития генетических технологий на 2019–2030 годы. И в последнее время совместная работа НГУ и ИЦиГ СО РАН активно движется в рамках, заданных этой программой.

Институт тесно связан с кафедрами и разработкой магистерских программ на факультете естественных наук (ФЕН) и механико-математическом факультете (ММФ) университета. В их числе новые междисциплинарные магистерские программы по подготовке специалистов в области биоинформатики и генетических технологий. Одна из них — «Алгоритмы анализа больших биологических данных» — была отмечена на совещании президента России 17 ноября 2021 года министром науки и высшего образования В.Н. Фальковым в докладе по вопросам кадрового обеспечения в области генетических технологий.

Число этих программ постоянно увеличивается, 14 ноября утверждена новая дисциплина «Доклинические исследования в разработке новых подходов диагностики и лечения заболеваний человека и животных», разработанная на базе Курчатовского геномного центра ИЦиГ СО РАН, для включения в магистерскую программу «Медицинская физика» Физического факультета НГУ начиная со следующего учебного года.

В 2019 году между ИЦиГ СО РАН и университетом был заключен договор о формировании научно-образовательного центра «Институт генетических технологий» (ИГТ). Представляя новый проект, ректор НГУ, академик РАН Михаил Федорук подчеркнул: «ИГТ создается для обеспечения развития НГУ как ведущего университета в области фундаментальных геномных исследований и генетических технологий, в том числе в рамках системы центров мирового уровня по геномным исследованиям национального проекта «Наука».

Обучение здесь проходит с использованием новейшего лабораторного оборудования и передовых генетических технологий, благодаря включению научной инфраструктуры ИЦиГ и вовлечению его сотрудников в учебный процесс.

«Очень важно, что учебный процесс в Институте генетических технологий тесно интегрирован с научно-исследовательскими проектами, которые студенты выполняют под руководством наших ученых. В числе направлений исследовательской работы — 3D-геномика индивидуальных клеток, создание генетически модифицированных животных, моделирующих различные заболевания человека, и другие важные задачи, стоящие перед российской наукой»,— подчеркнул директор ИЦиГ СО РАН, академик РАН Алексей Кочетов.

Так, в проекте ««Идентификация метаболомных маркеров заболеваний» внимание его участников сосредоточено на метаболомике, изучающей конечные и промежуточные продукты обмена веществ в клетке. Идея о том, что биологические жидкости отражают состояние здоровья индивидуума, существует с древних времен. А в середине прошлого столетия развитие газовой хромато-масс-спектрометрии позволило составлять индивидуальный метаболический профиль пациента. Тем не менее на сегодня метаболомика остается относительно новой областью исследований, в которой существует много нерешенных задач. «Мы решили подключить к этой работе методы из другой научной дисциплины — биоинформатики и попробовать с помощью обучаемых нейросетей найти ответы, которые не удается получить с помощью традиционных подходов метаболомики. В результате нами был разработан компьютерный подход векторного представления метаболомных профилей, с помощью которого мы рассчитываем найти ряд новых важных метаболических маркеров и произвести реконструкцию молекулярно-генетических механизмов ряда значимых патологий, таких как постоперационный делирий и открытоугольная глаукома»,— рассказал ведущий научный сотрудник НОЦ «Институт генетических технологий» НГУ, кандидат биологических наук Владимир Иванисенко.

Другой проект — «3D-геномика индивидуальных клеток» развивает более молодое направление в молекулярной биологии. Глобально он направлен на разработку технологии для анализа геномов единичных клеток. «В основном мы изучаем такие модификации ДНК, которые не связаны с изменением ее последовательности, но влияют на ее работу. А это тоже критически важно для всего организма, потому что хоть формально в клетках одинаковая последовательность ДНК, работать каждая клетка может по-разному»,— подчеркнул ведущий научный сотрудник НОЦ «Институт генетических технологий» НГУ, кандидат биологических наук Вениамин Фишман.

Раньше, когда технологии не позволяли изучить геном отдельной клетки (банально не получалось выделить из нее достаточно материала для такого анализа), считалось, что клетки одинакового типа и работают одинаково. Несколько лет назад появились новые методы, способные решать задачу такого индивидуального анализа, и оказалось, что каждая клетка уникальная, часто — специализированная на своей функции. «И чтобы хорошо понять, как работает отдельный орган, почему именно так, надо разобрать работу его клеток по отдельности, иначе получим, что называется, среднюю температуру по больнице, которая, может, вообще никак не отражает реальность»,— добавил ученый.

В своей работе участники проекта сосредоточены в первую очередь на архитектуре ДНК, способах ее укладки в ядре клетки. Это тоже довольно новое направление. Изучать пространственную структуру укладки ДНК внутри ядер клеток, не используя микроскоп, — еще десять лет назад казалось фантастикой. Более того, долгое время пространственная «архитектура» генома не считалась значимой характеристикой, ученые сосредоточились на расшифровке последовательностей ДНК (секвенировании).

Все начало меняться, когда на вооружении у биологов появился эффективный метод под названием Hi-C, позволяющий узнать пространственную структуру укладки ДНК внутри ядер клеток. И очень скоро сформировался иной подход к геному: это трехмерная сеть, архитектура которой играет важную роль в реализации заложенной в ней информации.

«Недавно мы обнаружили, что в ооцитах (яйцеклетках) животных существует совершенно уникальная структура контактов петель ДНК. Это сам по себе важный новый научный результат, который до нас никто не фиксировал»,— отметил Вениамин Фишман.

Помимо фундаментального, у этой работы есть и прикладное значение: оказалось, что применяемые методы косвенно позволяют находить хромосомные перестройки, а это важные мутации, влияющие на здоровье человека. И теперь разработанные в ИГТ методики могут применяться не только в чисто научной работе, но и для анализа образцов тканей конкретных пациентов, даже если речь идет о двух-трех клетках. Например, результатов биопсии опухолей или предымплантационной диагностики эмбрионов.

Об эффективности сотрудничества кафедр университета и лабораторий института в целом говорит то, что ИЦиГ СО РАН совместно с НГУ по числу публикаций в рецензируемых научных журналах по направлению «Генетика и наследственность» занимают лидирующие позиции в Российской Федерации. Но до последнего времени серьезным ограничением дальнейшего развития выступал недостаток исследовательской инфраструктуры в самом университете. Ситуация должна измениться к лучшему вместе с введением в строй зданий кампуса мирового уровня (возводимого на средства национального проекта «Наука и университеты»).

«Ректором университета сформирована рабочая группа, которая определяет набор направлений работ в новом исследовательском корпусе, и очевидно, что там будут представлены генетика и генетические технологии»,— подчеркнул Алексей Кочетов. Он также добавил, что новая инфраструктура не только позволит университету реализовывать свои крупные научные проекты, но и повысит его привлекательность для талантливой молодежи.