Что такое биоинформатика? Почему клонирование мамонтов – это откровенное надувательство? Кому, на самом деле, выгодно распространять миф о вреде ГМО-продуктов, и почему благодаря глобальной устойчивости болезней к антибиотикам мы возвращаемся к началу XX века?
Михаил Сергеевич Гельфанд – известный российский биоинформатик, доктор биологических наук, кандидат физико-математических наук, профессор факультета биоинженерии и биоинформатики МГУ, член Европейской Академии, заместитель директора Института проблем передачи информации РАН, член Общественного совета при Министерстве образования и науки РФ, заместитель главного редактора газеты «Троицкий вариант – наука».
Сфера научных интересов: сравнительная геномика, метагеномика, метаболическая реконструкция и функциональная аннотация генов и белков, поиск регуляторных сигналов, эволюция метаболических путей и регуляторных систем, альтернативный сплайсинг (процесс, позволяющий одному гену производить несколько мРНК и, соответственно, белков), статистические особенности последовательностей ДНК.
Михаил Гельфанд известен также своей гражданской активностью. Он является одним из основателей и активистов сетевого сообщества «Диссернет», занимающегося выявлением злоупотреблений, махинаций и подлогов в области защиты диссертаций и присвоения ученых степеней в России.
– Михаил Сергеевич, что такое биоинформатика?
– Биоинформатика – это такой способ заниматься биологией, который требует обработки очень большого количества данных. С биологией вообще происходит то же самое, что когда-то произошло с физикой высоких энергий и с астрофизикой, когда стало очень много данных.
Оказывается, что используя всю эту информацию, можно сделать много интересного.
К примеру, то чем мы занимаемся сейчас – предсказание функций белков, изучение того, как регулируется работа генов и пр. Это делается при помощи анализа последовательностей, а результат формулируется в естественных для биологов терминах: скажем, этот белок делает то и то, а этот ген включается в таких-то условиях.
Помимо этого, благодаря биоинфрматике, появилась возможность делать утверждения о клетке в целом. В определенном смысле молекулярная биология раньше была редукционистской наукой – клетку смотрели по частям, раскладывали ее на отдельные гены, отдельные белки. Сейчас же стало возможным исследовать ее на молекулярном уровне целиком. До этого заниматься этим мы не могли – не хватало возможностей.
Но все это – техническая сторона биоинформатики.
Фундаментальная сторона – это изучение молекулярной эволюции. Оказалось, что сравнивая те геномы, которые мы имеем сейчас, можно что-то говорить о том, как они менялись во времени. Грубо говоря, как получилось то, что получилось. Это, вероятно, самое интересное в биоинформатике.
– Можете назвать наиболее важные, на ваш взгляд, достижения в области биоинформатики за последние годы?
– Например, стало ясно, что многоклеточность возникала не один раз, а несколько раз независимо. Когда меня учили в школе, меня учили так: сначала были бактерии, потом появились более сложные существа, затем многоклеточные и т. д., грибы с водорослями считали низшими растениями. Теперь оказалось, что у растений и животных многоклеточность возникла независимо с точки зрения их эволюционных путей. Грибы оказались даже ближе к нам, чем к растениям. Бурые водоросли вообще отъехали в другую сторону, у них тоже по-своему многоклеточность образовалась.
Еще обнаружили, что наши предки гибридизировались с неандертальцами. Выяснилось, что были еще и денисовцы – далекие родственники неандертальцев. В целом эта ситуация показала, что возникновение современного человека – вопрос куда более сложный, чем нам казалось ранее. Ведь мы думали, что наша родословная – непрерывная ветвь, линия. Однако анализ геномов показал, что 50 тыс. лет назад по Евразии ходили три разных вида человека – кроманьонцы (мы и наши предки), неандертальцы и денисовцы, и все они скрещивались между собой в разных сочетаниях.
В геноме каждого современного европейца или азиата (но не африканца) в среднем около 2% вариантов генов – это гены неандертальцев, а у людей, которые в свое время заселили Индонезию и Австралию, дополнительно присутствует 5% денисовских генов.
Эти открытия важны с мировоззренческой точки зрения – они меняют наши представления о том, как возник человек.
Вообще, с возникновением новых экспериментальных техник мы узнаем все больше нового, но оказывается, что очень многого мы все равно не знаем. Усиливается понимание того, сколько еще осталось открыть. В каком-то смысле это романтическое время.
По этому поводу я рассказываю всегда одну и ту же метафору. Представьте, люди жили на берегу, думали, что это небольшой остров. Из-за дымки его не было видно. Когда дымка рассеялась, оказалось, что там целый континент. Да еще и с горами, за которыми уже совсем не ясно, что можно обнаружить. Примерно такая же ситуация и в современной науке.
– Какой прогресс за последние годы был достигнут в области геномики рака?
– Достижения были, опять же благодаря технологическому прогрессу. Научились определять геномную последовательности пар опухоль-здоровая ткань, и понимать, почему здоровая клетка стала опухолевой. Оказалось, что единственной причины нет, и даже на первый взгляд, одинаковые раковые клетки обладают рядом различий. В частности, из-за мутаций, которых в этих клетках очень много.
Появилась нетривиальная задача – понять, какие мутации были причиной процесса, а какие просто случайно возникли. Сейчас начинаются опыты по секвенированию троек – здоровая клетка, рак и метастаз, чтобы определить, что приводит к метастазированию.
Научились сегодня и секвенировать геномы единичных клеток. По поводу рака есть основания думать, что клеточная популяция этого заболевания очень неоднородна, и развитие рака происходит из-за мутаций, которые приводят к вытеснению одних популяций другими. Улучшению понимания поспособствует секвенирование отдельных раковых клеток, поэтому результатов этих опытов многие с интересом и ждут.
Но на самом деле, я не очень люблю говорить на тему онкологии – не хочется напрасно обнадеживать людей. Повторю только то, что уже упомянул: рак может быть неоднороден – этим можно объяснить успех или неуспех того или иного лечения. Может быть и другая ситуация – опухоли в разных частях тела, но с одинаковой молекулярной структурой. И в этом случае одним лекарством можно лечить несколько разных типов опухолей, а определение структуры раковых клеток может помочь с подбором более эффективных противоопухолевых препаратов.
– В последнее время ходит много разговоров о клонировании мамонтов. Что вы думаете по этому поводу – осуществимо ли это и зачем вообще нужно?
– Это полный бред и надувательство. Сейчас никакой технической возможности сделать это нет – ни у нас, ни на Западе.
В контексте клонирования обычно упоминают южнокорейского ученого (его имя – Хван у Сук), который известен тем, что сфальсифицировал свои результаты. Он действительно клонировал собаку, потом заявил, что клонировал человека и выпустил пару сфальсифицированных статей, за которые его и выгнали из университета…
Никто еще не умеет клонировать млекопитающего при помощи инъекции генетического материала в другое млекопитающее. На бактериях это делали, на млекопитающих – нет.
Теоретически, это если и возможно, то очень сложно. Если, к примеру, развернуть ДНК человека, то получится линия длиной три метра. Даже если вы как-то умудритесь синтезировать ДНК такой длины, как хромосома у мамонта, вы не сможете воспроизвести ее правильное физиологическое состояние. Если ввести чудом воспроизведенную в пробирке ДНК другому млекопитающему, она там просто не приживется и деградирует.
В целом возникают такие трудности, решить которые на данный момент не представляется возможным.
– А что вы думаете о ДНК динозавров, есть ли все-таки возможность расшифровать их геном? ДНК ведь столько, сколько прошло с эпохи динозавров, не живет.
– ДНК и правда столько не живет. Рекорд – примерно сотни тысяч лет. С ДНК, которой десятки тысяч лет, эксперименты проводят – с теми же неандертальцами, например. ДНК, найденная в костях Гейдельбергского человека в испанской пещере Сима-де-лос-Уэсос и впоследствии расшифрованная учеными, имела возраст приблизительно 400 тыс. лет. Но это была митохондриальная, а не ядерная ДНК.
С течением времени ДНК разрушается. В живом организме есть механизмы, которые ее восстанавливают. Однако когда она лежит в земле, то ее разрушению уже ничего не мешает, особенно во влажном и теплом климате.
Медленнее разрушаются белки. Были статьи, где люди утверждали, что им удалось определить последовательность белков-коллагенов у динозавра. В научном сообществе тогда были большие разногласия – многие считали, что это ошибка эксперимента.
Можно пойти по другому пути: взять современные последовательности птиц, крокодилов, современных млекопитающих и рыб, Построить из этих белков филогенетическое древо – восстановить по последовательностям, как эти белки развивались в ходе эволюции. А затем реконструировать, как эти белки выглядели в определенном внутреннем узле – например, в узле динозавров, после чего синтезировать этот белок. Такого типа работы уже делали, в том числе с динозаврами. С помощью этого метода даже удалось синтезировать белки, которые присутствовали у общего предка всех бактерий.
А еще те, кто плачет по динозаврам, могут пойти на улицу и поцеловаться с любым голубем – это прямой предок динозавра, та же самая эволюционная линия, которая сохранилась в современных птицах и в крокодилах.
– Что вы думаете о растиражированном мифе о вреде ГМО-продуктов? Приносят ли они на самом деле вред?
– Вред ГМО – это миф, потому что нет ни одного добросовестного эксперимента, который доказал бы этот вред. Эксперименты, про которые писали в газетах – это опыты очень низкого качества, которые ничего не доказывают. Там даже качество статистической обработки полученных данных низкое. Например, из результатов печально известного эксперимента французского исследователя Жиля-Эрика Сералини (Gilles-Eric Seralini) следует, что самцам крыс, наоборот, ГМО очень полезны – они дольше живут.
Проверяли на самом деле довольно много. Все животноводство США – это один большой эксперимент по использованию генномодифицированных продуктов. Если бы ГМО действительно наносили вред, это стало бы заметно очень быстро.
Отношение к ГМО в нашей стране – это печальная комбинация трех вещей. Первая – это, прошу прощения, невежество населения. Если вы сейчас остановите человека на улице и спросите о ГМО-помидорах, то он ответит, что в ГМО-помидоре гены есть, а в обычном помидоре их нет, или другую подобную глупость.
Второе – это недобросовестность людей, которые на теме вреда ГМО делают политическую карьеру. Некоторые из них, может быть, действительно настоящие психи, но существенная доля таких людей, я уверен, являются расчетливыми циниками, которые просто улучшают свое благосостояние.
Третье – это невежество журналистов. С одной стороны, они не в состоянии понять, правду ли им говорят или нет, с другой – гонятся за сенсацией. Ведь то, что ГМО не вредит здоровью – это не очень сенсационно. А вот показать фотографию страдающей от рака крысы из эксперимента Сералини, дать яркий заголовок – это сенсация. И мало кому известно, что на самом деле это специальная линия крыс, выведенная для исследования рака – у них у всех опухоли вырастают.
Скажу больше – от ГМО есть реальная польза. Недавно читал статью, в которой ученые посчитали, насколько уменьшается нагрузка гербицидами и инсектицидами на поля, где выращивают ГМО-культуры. То есть реально вредные вещи – токсины – благодаря ГМО уже не так нужны, нагрузка на поле уменьшается в десятки процентов.
ГМО полезны для экономики, особенно для развивающихся стран, к которым в плане сельского хозяйства относится и Россия. Так, производство ГМО-сои значительно менее затратное по сравнению с обычной соей. Сокращение закупок инсектицидов тоже уменьшает затраты.
Еще один плюс ГМО – устранение авитаминоза. В некоторых продуктах не хватает витаминов, например, в рисе мало витамина А. Поэтому в Азии, где рис является основным продуктом рациона людей (опять же небогатых), распространен авитаминоз, в результате которого дети рождаются слепыми.
Поэтому ученые сделали ГМО-рис, в который подсадили гены подсолнечника. Эти новые гены позволили рису вырабатывать каротин – то, что нужно для устранения авитаминоза и слепоты. Так что каждый человек, который бездумно орет про страшный вред ГМО, персонально ответственен за слепых детей.
Также в ситуации с ГМО меня удивляют экологи. Можно же ведь, к примеру, обсуждать влияние ГМО-полей на экологию: данных про вред нет, но, чисто теоретически, это возможно. Вместо этого экологи, к сожалению, очень любят втиснуться в толпу антиГМОшников и использовать их недобросовестные приемы для борьбы за вроде бы благие экологические цели.
– Каковы, на ваш взгляд, дальнейшие перспективы у антибиотиков, ведь весной ВОЗ объявила всемирную тревогу – болезни становятся все более устойчивыми к антибиотикам?
– Вообще история антибиотиков – красивая иллюстрация эволюционной теории, описываемая четко в рамках естественного отбора.
Антибиотики были всегда. Почвенные бактерии травили ими друг друга испокон веков. Соответственно они и защищаться учились, вырабатывая устойчивость. Эта устойчивость распространялась, когда бактерии поглощали ДНК устойчивых видов.
Но затем в дело вмешался человек и начал лечиться антибиотиками от своих патогенов. Патогены изначально чувствительны к антибиотикам, потому что они не встречались с почвенными бактериями. Когда вы начинаете принимать антибиотики и пропиваете полный их курс, то убиваете всех патогенных организмов. Если же вы начали принимать, вам стало лучше, и вы перестали их принимать, то получается, что вы чувствительных бактерий убили, а немного устойчивых остались; они всегда есть просто в силу генетической неоднородности популяции. Потом опять популяция развивается, становится неоднородной, в ней появляются еще более устойчивые варианты – и опять то же самое: преждевременно прекращенный курс, менее устойчивые убиты, более устойчивые остались без конкурентов и размножились.
В свое время был запущен российско-американский проект, в рамках которого в нескольких тюрьмах было усовершенствовано лечение туберкулеза с помощью современных средств (источником устойчивых штаммов являются тюрьмы и лагеря, причем в тюрьмах России довольно тяжелая ситуация с устойчивостью туберкулеза к антибиотикам), но, к сожалению, по политическим причинам он был свернут. При этом, как и говорится в докладе ВОЗ, одна из причин увеличения устойчивости болезней к антибиотикам – тотальная и систематическая практика недолечивания заболеваний среди населения всей планеты.
Другой фактор увеличения устойчивости бактерий к антибиотикам – это западная мода подкармливать скот маленькими дозами антибиотиков. Сейчас в Евросоюзе такую практику запретили, но вред, который она уже успела принести, по-видимому, колоссален. Ведь патогены и у нас и у млекопитающих, которых разводят как скот, в общем, одинаковые. Но на фермах животные как раз таки контактируют с почвой, и патогены в них могут контактировать с теми самыми почвенными бактериями, которые выработали к ним устойчивость, что повышает и устойчивость вредных для нас патогенов.
Дальше оказывается, что производить антибиотики невыгодно большим фармацевтическим компаниям (маленькие вообще не потянут). Антибиотики пьют коротким курсом, к ним очень быстро появляется устойчивость – все это означает, что на рынке препарат будет недолго. Получается, что делать антибиотики попросту неприбыльно.
Что же касается, например, туберкулеза в нашей стране, который устойчив уже к большинству известных антибиотиков, то альтернатива антибиотикам может быть только одна. Как в начале прошлого века – кумыс, горные курорты… И все. Конечно, биологи и медики пытаются что-то с этим делать, но оптимизма пока немного.
Автор: Руслан Зораб