«А для людей у нас Русфонд»
Как ученые из Казани и Токио изучают сверхспособности животных и причем тут созданная Русфондом лаборатория
Олег Гусев. Фото из личного архива
Моллюски и криминал
Я уже 20 лет живу в Японии, последние пять лет преподаю и веду исследования на медицинском факультете Университета Джунтендо и в научно-исследовательском институте RIKEN. Сижу, разговариваю с вами, а за окном, посмотрите, Токио.Как так получилось? Я хотел стать физиком, побеждал на олимпиадах, но в 11-м классе увлекся зоологией, причем совершенно маргинальной темой – биологическими часами моллюсков. Окончил биофак Казанского федерального университета (КФУ).
Представьте Казань начала 1990-х, это был один из самых криминальных городов России, какие там моллюски. Но я решил доказать, что зоологу есть куда двигаться. Подал заявку на грант Министерства образования, культуры, спорта, науки и технологий Японии для проведения исследований и обучения. Потом мы списались с одним японским профессором, установились хорошие отношения, я получил стипендию и до конца аспирантуры финансировался японской стороной. У меня своих денег тогда вообще не было.
Еще в Казани пытался учить японский. Но самостоятельно это почти невозможно, запомнил только несколько фраз. И из-за этого меня там определили в продвинутую группу. Это был полный хардкор, курс выживания: все учебники на японском, язык методом погружения. Сейчас я говорю свободно. Но пишу не очень – моя одиннадцатилетняя дочка в 6-м классе японской школы лучше меня пишет и читает.
«Подсмотрели структуру у японцев»
Я не уехал насовсем: аспирантуру окончил одновременно в Токио и в КФУ, продолжал приезжать в Казань и работать там на кафедре зоологии беспозвоночных. А в 2014 году началась движуха: в рамках программы развития конкурентоспособности вузов мы создали в КФУ Лабораторию экстремальной биологии. Она с самого начала сотрудничала с RIKEN, у которого очень тесные связи с КФУ. Мы подсмотрели у японцев эффективную структуру организации исследований. Проблема российской науки – много оборудования закупается и не используется. У нас денег было немного, и мы на основе японского опыта организовали приборную базу в Казани самым рациональным образом: ничего лишнего, и все работает. Это основа нашей философии.Что еще? Приведу самый простой пример. Высокопроизводительное оборудование, на котором мы работаем, – это в том числе и большое зло. Если произойдет контаминация – случайно занесем чужую ДНК, – прибор ее тоже прочтет, и будет искажен большой объем данных. Во время пандемии был целый ряд скандалов в этой сфере. В США, например, во многих лабораториях тесты давали ложноположительные сигналы из-за контаминации.
Чтобы этого точно не случилось, нужна очень жесткая организация пространства. Ее мы тоже подсмотрели за границей. В одной комнате только сбор образцов, во второй выделяется ДНК или РНК, затем через специальное окошечко передаем результаты в третью комнату и так далее. Это очень строгий протокол – только так и никак иначе. У нас очень часто лаборатории используют помещения, построенные для других целей. В Казани тоже – это бывшая клиника, я там лежал лет в 12. Пришлось многое переделать.
Геном и его кусочек
Казанский (Приволжский) федеральный университет. Фото: пресс-служба КФУ
Это наша тема. А метод – полногеномный анализ. Мы занимаемся оценкой состояния сразу всех генов – выделяем их и изучаем, как каждый из них работает. У нас в Японии и в Казани сходный приборный парк – высокопроизводительные секвенаторы Illumina для полногеномного анализа.
Когда Русфонд предложил КФУ сотрудничество, мы поняли, что структура нашей лаборатории, оборудование, квалификация сотрудников вполне подходят для работы с регистром доноров костного мозга. Мы анализируем весь геном, а вам нужен кусочек, где находятся гены тканевой совместимости.
Возникла очень простая идея: не изобретать велосипед, а создать для Русфонда и на его средства такую же лабораторию, как наша. Первые несколько тысяч типирований мы провели на нашем оборудовании. Убедились, что все работает, и затем в нашем же здании появилась сестра-близнец нашей лаборатории, которая работала уже исключительно на Русфонд.
С Леной Шагимардановой, которая ее возглавила с самого начала и организовала весь процесс, мы знакомы лет 25, со времен практики на Беломорской биостанции. Она тоже училась в магистратуре в Японии, ей предлагали там аспирантуру, но она вернулась в Казань, причем совершенно сознательно. Она микробиолог, я генетик, переквалифицировавшийся из зоолога, у обоих образование такое фундаментальное-фундаментальное. Занимаемся наукой.
Сверхкомар, суперпиявка и экстрамышь
Наша любимая фишечка – организмы, которые способны на что-то очень необычное. У нас их целый зоопарк. Первым стал африканский комар. В Северной Африке, где он живет, все очень жестко, на девять месяцев в году жизнь прекращается. Все зарываются глубоко в землю или умирают. А его личинка, мотыль, просто высыхает. Не страдает от жары, не потеет, не пьет, как мы, из фляжки. Просто останавливает все процессы. С одной стороны, это очень интересно как биологический феномен. А с другой... Как, например, устроить огромные проблемы биотехнологической компании? Отключить ей холодильники на пару дней – без заморозки все их замечательные вакцины пропадут. А тут технология хранения живых клеток без заморозки.Интересно, что из сотен видов комаров только один этому научился. Суть в том, что у него в состоянии стресса происходит замена всей воды в организме на сахар, комар превращается в идеальный леденец. А в дождливый сезон «тает» и оживает.
Все это он делает за счет так называемых белков теплового шока. Это первая линия ответа на жаркую погоду, она есть у всех организмов: при нагревании соответствующий ген начинает их активно вырабатывать. А у нашего «неправильного» комара те же белки включают программу «засахаривания».
Наш засушенный комар переносит и радиацию – дозу, которая убила бы 500 человек. Сейчас он с кучей других существ улетел в космос – все они маринуются на внешней стороне станции, посмотрим, как перенесут.
А есть, наоборот, пиявка, которую можно бросить в жидкий азот. Она замерзает, а потом кладешь ее на стол – растаяла и дальше поползла. На самом деле не существует животных, которые по-настоящему промерзают: вода расширяется при замерзании и разрывает организм изнутри. У лягушки во льду внутри специальные белки, которые поддерживают жидкое состояние. А пиявка промерзает насквозь.
В этом году у нас появился новый объект – иглистая мышь, жительница Сахары. Хищник может практически полностью сорвать с нее кожу – она остается в зубах, а иглистая мышь голышом убегает в укрытие, и кожа потом восстанавливается без шрамов. Тут ведь сразу чувствуется возможность практического использования, да?
Отдельная программа у нас по анализу микробов, которые живут в реакторе «Фукусима-1». Там дикая радиационная атмосфера, а микробам хоть бы что. Причем это довольно обычные организмы, не что-то невиданное.
Перезапустить жизнь
Олег Гусев. Фото из личного архива
Все это идет в плотной связке с японскими коллегами: мы вычленяем эти удивительные гены, а японские коллеги проводят функциональный анализ – получают соответствующий этим генам белок и смотрят, что он умеет делать.
Когда я про это рассказываю, обязательно кто-то из зала задает вопрос: ну а что на практике? когда вы сможете засушить и оживить хотя бы кошку? Звучит как шутка. Но это близко к реальности! Например, несколько лет назад в Японии была запатентована такая технология: внедрив в человеческие клетки один белок из нашего комара, удается хранить их не при –80 градусах, а при –20. Огромный шаг для биомедицины – это же температура в обычном морозильнике. Совсем другая стоимость, энергозатраты, безопасность.
Еще пример – недавняя статья, написанная в коллаборации с москвичами. Суть в том, что все процессы в клетке можно полностью и мгновенно остановить.
Если взять однопроцентный раствор неодима – это такой редкоземельный металл – и поместить в него клетки, жизнь в них остановится. Шел, шел, поднял ногу для следующего шага и – хоп! Замер. Физика процесса понятна: неодим замещает в клетке кальций, а без кальция весь метаболизм мгновенно останавливается. В таком состоянии клетка может просуществовать 7–8 часов, а главное, потом жизнь можно перезапустить!
Это страшно интересно. Это уникальная перспектива научиться, например, хранить трансплантат при комнатной температуре. И это дешево: неодим почти не используется в биотехе, только как контрастный агент для сканирующей микроскопии.
Какой рак лучше
Можно ли таким же способом изучать сверхспособности у людей? Кто-то не боится холода, у кого-то абсолютная память, кто-то музыку сочиняет... Это очень интересная тема, но мы идем по простому пути. Нам нужно иметь под рукой много объектов для анализа. К сожалению, трудно собрать много суперустойчивых людей и исследовать их геном. Особенно в России, где почти не развита система биобанков.И все-таки мы используем полногеномное секвенирование и для медицинских исследований.
В частности, изучаем наследственные случаи в онкологии: пытаемся выявить мутации, которые нужно проверять при подозрении на наследственные формы рака. Как в случае гена BRCA у Анджелины Джоли. Вообще, если не дай бог заболевать раком молочной железы, то лучше наследственным. Про него больше известно – понятны причины, легче контролировать ход болезни. Но на раки, связанные с наследственностью, к сожалению, приходится всего 10–15%. Этот проект, начатый в партнерстве с Республиканским клиническим онкологическим диспансером в Казани, вышел за пределы республики, а наши наработки стали основной для более крупных проектов в Москве и Санкт-Петербурге.
Второе медицинское направление, где помогает полногеномное секвенирование, – это прогностические маркеры. Они позволяют предсказать развитие уже существующей болезни. Конкретный пример – наши исследования рака эндометрия. Это рак с довольно хорошим прогнозом. Тут проблема вот в чем: при удалении первичной опухоли нередко удаляют и окружающие лимфоузлы. Это дает некоторую страховку от метастазов, но вообще потеря лимфоузлов – не очень хорошо. И исследования показывают, что в восьми случаях из десяти этого можно было не делать. Мы изучаем работу генов первичной опухоли, чтобы прямо во время операции провести исследование и понять, скажется ли она на лимфоузлах.
Полногеномный анализ дает знание о работе десятков тысяч генов одновременно: японским коллегам удалось выделить среди них три маркера, которые очень четко говорят о том, нужно ли удалять лимфоузлы. Маркеры – это не сами гены, а то, насколько активно они работают.
Сложность, однако, в том, что одни и те же гены в разных клетках работают по-разному – отсюда разнообразие клеток. Важно понять, что происходит в каждой клетке, а не «в среднем по больнице». Вместе с Эндокринологическим научным центром мы создаем атлас работы генов на уровне отдельных клеток при различных эндокринных заболеваниях, чтобы понять их закономерности и найти цели для терапии. Недавно вышла статья – это работа австрийских коллег, мы там только помогали: они проанализировали на уровне отдельных клеток, как развивается надпочечник в эмбрионе человека. И оказалось, что на определенном этапе работа генов очень напоминает то, что происходит при нейробластоме. Это новая философия – на базе знаний о том, как происходит развитие патологии в отдельных клетках, формировать терапевтические подходы, постараться направить процесс в обратную сторону.
А еще мы делаем атлас работы генов в мышцах человека. Их более 600, только глазом управляют шесть мышц. И гены в них работают по-разному. Например, при дистрофии Дюшенна неправильно функционирует один из белков. И что интересно, на некоторых мышцах эта мутация не сказывается. Надо понять, почему это происходит. Мы пытаемся выделить регуляторные элементы, которые отвечают за запуск генов в определенных тканях. Это путь к созданию, например, препаратов, которые активируют нужный ген только в мышцах и не затронут другие ткани, чтобы не было побочных эффектов.
Деньги и эволюция
У нас в Японии небольшая лаборатория – одновременно работает человек восемь-десять. В Казани – примерно 30, из которых восемь отвечают только за Русфонд. Мы трепетно к этому относимся, деньги строго разграничены. Русфонд финансирует свою лабораторию, а мы – мы с этого года сами зарабатываем.Произошла правильная эволюция. Сначала ребята-энтузиасты – в данном случае мы – организовали работу. Когда стало понятно, в том числе по моим публикациям, что дело пошло, университет сделал нам первую важную финансовую инъекцию – выделил средства на строительство лаборатории и первые годы работы. Но финансирование непосредственно от университета снижалось: сначала было 14 млн руб. в год, а в 2020‑м – уже 5 млн руб. Теперь мы сами привлекаем средства, в основном это гранты Министерства образования.
Собственные наши проекты все-таки научные. Наша специализация – это фундаментальная наука. Не готовые методы лечения, а хорошие статьи и задел для прикладных разработок. Сотрудничество с Русфондом, регистр доноров – наш самый-самый практический проект. Когда меня спрашивают, а что вы, ученые, делаете для людей, я говорю: а для людей у нас Русфонд. Все остальное – наука и перспектива.
И все-таки – очень аккуратно, полностью отвечая за неразглашение личной информации, – лаборатория Русфонда использует накопленный материал не только для поиска доноров, но и для анализа. Статистика десятков тысяч генотипов дает представление об их распространении. Мы открываем новые редкие подтипы HLA (так называются гены тканевой совместимости человека), и Лена Шагимарданова сообщает о них мировому сообществу. На эту тему у нас уже опубликовано больше десятка статей.
А еще потенциальные доноры – это прекрасная референсная база. Это по определению здоровые люди, и когда у нас есть протипированные выборки больных, эту базу можно использовать для сравнения. Проект Русфонда становится не только практическим, но и отчасти исследовательским. Причем очень востребованным в российском и международном научном сообществе.
