Продолжая ездить по лабораториям и смотреть, как идут в будущее отечественные ученые, мы заглянули к микробиологу, генетику, Константину Северинову, и он поведал нам о том, какие сейчас наиболее активные течения в биологии, какие вскоре понадобятся ученые в этой области и какого рода задачи они будут решать.
Синтетическая микробиология. К истории вопроса
Поскольку тема беседы, обозначенная в названии поста, звучит как синтетическая микробиология, то и начнем с нее. Есть много способов определить данную науку, важно, что в ней как бы сплетаются все профессии и области знаний, как оно и было в клик-химии. Но тут дело даже не в междисциплинарности, а в том, что физики и математики могут привнести сейчас в биологию гораздо больше, чем «мокрые» биологи. Чего же они хотят: ответить на вопрос, как контролируется работа генов в клетке. Для этого они стали моделировать процессы, происходящие в генах искусственно.
Другая область микробиологии заключается в том, что можно синтетически создавать молекулу ДНК самим, и помещать потом в клетку, в которой своей генетической информации нет. Так возникнет новая клетка, которая запрограммирована также, как ее создатель, в данном случае ученый.
Константин Северинов: «Синтетическая микробиолоия возникла тогда, когда какое-то количество физиков и математиков по старой памяти решило заняться микробиологией. Всякий раз, когда в физике или математике начинается кризис – им больше нечего искать – ни теорему Ферма доказывать, ни бозона Хиггса, они идут в биологию и начинают там что-то делать. Это хорошо. И результатом такого рода деятельности стало то, что физики задались вопросом, как именно контролируется работа генов в клетке. Биологи тоже этим занимались, но физики подошли к этому с другой стороны, они стали моделировать эти процессы, использовать различные методы вплоть до дифференциальных уравнений, чтобы посмотреть на процесс работы генов в клетке. Выяснилось, что в ряде случаев можно, в зависимости от ряда условий, которые они же сами и контролируют, изменять спектр генов, работающих в клетке, биологически активные вещества, которые клетка производит и так далее. Это часть синтетической биологии. Другая синтетическая биология очень высокого технологического уровня – это наука, которую продолжает развивать Крейг Вентер – человек, который отсеквенировал геном человека, самого себя. И эта наука заключается вот в чем: если мы можем определить геном, то есть совокупность последовательностей всего гена организма, а это ДНК, то никто не мешает нам в принципе такую молекулу ДНК создать синтетически самим. Она будет очень длинной, но мы ее сделали сами».
Когда в начале 2000-х полностью определили геном человека, и смогли прочитать все три миллиарда «букв», из которых он состоит, возникла новая область — биоинформатика. Она призвана хранить и анализировать ту информацию, которую генетики сумели получить. И теперь, когда данных стало очень много, нужна серьезная техническая поддержка. Надо хотя бы понимать, как и где все эти данные хранить, какие для этого нужны технологии. А биоинформатики должны анализировать, выявлять какие-то последовательности интересные, с которыми дальше можно экспериментально работать. Эта одна из самых перспективных областей сейчас в биологии.
Зачем?
Дело в том, что синтетическая микробиология — идеальный образец науки будущего, поэтому пока есть только проекты, а пощупать результаты деятельности ученых нельзя. Но в каких областях она применима. Это касается, например, биотоплива. Если мы все-таки перестанем качать углеводороды из земли, то их должны будут производит бактерии, которые будут созданы учеными специально для этого. Они могут делать это в больших масштабах и намного дешевле.
К.С.: «В октябрьском номере журнала Nature вышла статья, где было показано, что обычную кишечную палочку, бактерия которой живет у нас в кишечнике, сделали фабрикой по производству нефти, вернее не нефти, а продуктов деградации нефти, которую можно использовать как бензин. А связано это было с тем, что используя различные методы анализа, были разработаны наборы ферментов, которые могут построить алифатическую цепочку, алифатические вещества – это то, из чего нефть состоит, определённой длины из простых предшественников, как то углекислого газа, аммония и так далее, и оказалось, что кишечная палочка, в которой такие гены введены, действительно производит углеводороды. Отсюда до того времени, когда соответствующие углеводороды появятся на заправке, еще долгий путь, но первые шаги безусловно впечатляют, по крайней мере венчурных инвесторов».
Второй важный момент, на который сейчас брошены огромные силы биологов — это создание новых антибиотиков. Если в ближайшем будущем эта проблема не будет решена, то человечество может вернуться к ситуации XIX века, когда люди повально умирали от тех заболеваний, которые сейчас мы вроде умеем лечить, например туберкулеза и холеры. Сейчас появляются бактерии, устойчивые к тем формам антибиотиков, которые ученые создали. То есть получается ситуация, совсем по теории Дарвина, потому что в госпиталях, где много используют антибиотики, произошел отбор бактерий, устойчивых к антибиотикам. И теперь они там живут и размножаются, а антибиотики на них не действуют. Соответственно в будущем может получиться ситуация, когда мы приходим в больницу, подхватываем там пустяшную по современным меркам бактерию, и умираем.
К.С.: «Но сейчас с развитием геномики возникло понимание, что количество бактерий в мире огромно, а количество бактерий, которые мы можем культивировать, то есть растить в чашке, очень маленькое, то есть 99,9 % всех бактерий – это темная материя – мы не можем их культивировать, следовательно мы не можем их пощупать и выделить фармакологические вещества. Но развитие этих методов определения геномных последовательностей, которые позволяют нам заставить ген работать в модельном организме, а не в его природном окружении, вдруг раскрывает спектр возможностей в плане достижений новых генов и комплексов, кодирующих новые антибиотики. Должны быть сделаны биоинформатические предсказания, выделены гены, которые могут дать что-то интересное, а дальше должен появиться кто-то, кто заставит эти гены работать».
Ученые нового типа
Образования, которое биологи получают в современных университетах, сейчас недостаточно, чтобы решить эти задачи. «Мокрые» биологи, имеющие дело с пробирками и экспериментами, будут уходить в прошлое, так как специалисты будущего должны уметь анализировать получаемые данные. Более того сейчас в США и Европе появляются компании, которые на аутсорсе делают всю эту «мокрую» работу. Это стоит не так дорого и оказывается намного эффективнее ситуации, когда ученые в лаборатории делают то же самое. То есть существует специалист, который придумывает какую-то концепцию на основе имеющейся базы данных, и чтобы ее проверить, он заказывает фирме приготовить какие-то гены, штаммы или организмы, благодаря которым он потом проверит свои предсказания.
В идеале, конечно, ученый будущего должен сочетать в себе навыки как микробиолога, так и биоинформатика, однако вероятнее уже скоро не будет и фирм, берущих заказы, а будут роботизированные станции, выполняющие все необходимые процедуры. То есть количество ученых в современном смысле, которые умеют и делают что-то руками, будет падать, а востребованы будут люди, умеющие думать, выдвигать концепции и теории на основе данных, полученных роботами.
Откуда такие люди возьмутся. Сейчас можно только переучивать имеющихся специалистов, однако встает вопрос, кого переучивать. Константин считает, что не биологов, а математиков, которые смогут правильно поставить биологический вопрос и создать схему эксперимента, но самим экспериментом не заниматься. Он считает, что математика научить экспериментальной биологии легче, чем биолога научить понимать данные, которые не связаны с переливанием жидкости и или изучением микроба.
К.С.: «По-видимому, часть рабочей силы могла бы заниматься компьютерным анализом. Это похоже на Вавилонскую библиотеку у Борхеса – огромное количество текстов – оно такое большое, что там содержатся все тексты, которые существовали, существуют и будут существовать, но их невозможно найти. И мы оказываемся в похожей ситуации, потому что машины, которые секвенируют геномы, делают это каждый день. Прямо сейчас миллионы генетических текстов попадают в какую-то базу данных. Они содержат информацию обо всем живом. Там есть, например, информация о том, как победить рак – вопрос лишь в том, как ее найти, как систематизировать, на что смотреть, какие вопросы задавать. Но насколько это емкая деятельность в смысле количества людей я не представляю. Биоинформатика оказывается востребованной профессией, а молекулярный биолог меньше. Выясняются, что это люди с талантами».
Те, кому лень читать, могут посмотреть видео с Константином Севериновым здесь.
Автор: JuliaP
