«Биоинформатика обладает колоссальным потенциалом»
Доктор Алла Лапидус считает, что эту науку уже сегодня надо преподавать в каждом медицинском вузе
Исследования генома человека привели учёных к созданию новой отрасли информатики, получившей бурное развитие в мире. Два года назад при Санкт-Петербургском госуниверситете был открыт Центр геномной биоинформатики имени профессора Ф.Г. Добржанского. Мы беседуем с главным научным сотрудником этого центра, заместителем директора лаборатории алгоритмической биологии Санкт-Петербургского академического университета Аллой Лапидус. Доктор Лапидус долгое время работала в США, где занималась разработкой биоинформатических подходов к изучению геномов микроорганизмов и грибов. В Объединённом геномном институте США она создала одну из первых лабораторий, поставившую на автоматические рельсы процесс сборки бактериальных геномов.
– Алла Львовна, биоинформатика – одна из самых молодых наук, ей немногим больше двух десятков лет. Но говорят, у неё уже много заслуг?
– Биоинформатика – это использование компьютерных технологий при анализе биологических данных. Рождение и резкое развитие этой науки в последние годы обусловлены большими успехами в области технологий определения первичной последовательности ДНК. Чтобы определить и проанализировать эту последовательность у человека, был создан международный проект «Геном человека», над которым учёные всего мира работали около 15 лет. На него были потрачены миллиарды долларов. От чистой науки учёные перешли к практическим целям – стали учиться находить в человеческом геноме информацию о болезнях. Национальный институт здоровья США поставил задачу – сделать методы исследования генома дешёвыми. Чтобы на расшифровку генома уходило не три миллиарда долларов, а тысяча. И эта цель была достигнута. Сегодня мы можем расшифровать структуру наших хромосом и проанализировать их, используя современные лабораторные методы и компьютерные технологии.
– Как это работает?
– Сначала физики и биологи создали молекулярно-биологические методы исследования генетического материала. Они научились работать с ДНК так, чтобы множество фрагментов можно было анализировать одновременно. Сперва из клеток выделяется ДНК, потом она дробится на миллиарды кусочков. С этими фрагментами работают в лаборатории, затем помещают их в машину (секвенатор), из неё кусочки ДНК выходят в форме данных, которые нужно оцифровать и перевести в нужный формат. И с этими цифровыми данными уже работают математики и программисты, которые создают алгоритмы сборки и сравнительного анализа. Они выкладывают фрагменты ДНК в определённой последовательности, собирают их, анализируют. Руководитель лаборатории алгоритмической биологии Павел Певзнер – один из тех, кто разработал алгоритмы для изучения генетического материала, он адаптировал математическую модель к изучению генетики. Биоинформатика включает в себя биологию, компьютерную науку и информационную технологию. Анализировать можно не только ДНК, но и РНК, белки и жиры.
Биоинформатика изменила ряд стереотипов. Например, многие боятся кишечной палочки и привыкли думать, что она – опасный возбудитель болезни. А вы знаете, что наш организм не будет нормально работать, если в нём не будет этой бактерии? Она становится патогенной только тогда, когда в ней появляются изменения. Мы можем выложить фрагменты ДНК нормальной бактерии, сравнить её структуру со структурой болезнетворной бактерии, провести анализ и понять, какие изменения делают её опасной. Это позволяет довольно быстро определить причину болезни.
– Если я правильно понимаю, биоинформатика поможет справиться с трудноизлечимыми болезнями?
– Да. Труд программистов и аналитиков призван облегчить работу врача. Но чтобы лечить опасные болезни на основе методов биоинформатики, надо точно расшифровать и проанализировать геном каждого больного. Здесь необходима либо совместная работа нескольких специалистов – врача, молекулярного биолога, математика и программиста, – либо нужно создать программный продукт, включающий все этапы. И тогда эти данные уже сможет анализировать биоинформатик. Но прежде чем стать биоинформатиком и работать с программным продуктом, надо научиться понимать основы биологии. Конечно, биоинформатик не может знать болезни так, как их знает врач, но знания о человеческом организме ему необходимы. В США каждый биологический факультет обязан преподавать биоинформатику.
– А в России уже готовят таких специалистов?
– Это основная проблема. В Петербурге есть лаборатория, которая даёт пациенту расшифровку генетического материала. А дальше он должен сам найти человека, который эти данные проанализирует. Специалистов по биоинформатике почти нет. У нас много талантливых молодых людей, но обучать их некому. Преподавание биоинформатики в стране находится в зачаточном состоянии: есть магистерская программа в МГУ, в Петербурге и Нижнем Новгороде. А для того, чтобы подготовить биоинформатика, нужно как минимум пару лет. Введение нового курса в существующую образовательную программу требует очень много времени, поэтому мы решили не ждать и создали курс биоинформатики онлайн: он размещён на платформе Coursera и его может пройти любой заинтересованный человек.
– В вашем центре тоже занимаются разработкой программ по биоинформатике?
– Мы разработали платформу для изучения взаимосвязи хромосомных изменений с теми или иными заболеваниями. Интересно, что человеческая хромосома представлена здесь в виде дороги, а столбы на ней обозначают изменения. Эта программа может показать различные изменения в хромосоме и сообщить, на какие из них человеку следует обратить внимание.
Теоретически нашей разработкой может воспользоваться врач. Но у врачей сейчас нет на это ни знаний, ни времени. Когда я разговаривала с одним доктором в США, он мне сказал, что будет пользоваться подобными разработками, только когда я смогу дать ему программу, где нужно лишь ввести номер пациента, а затем получить готовый диагноз и рецепт. В идеале программный продукт надо сделать настолько удобным, чтобы им смог воспользоваться любой.
– Методы биоинформатики с успехом используются не только в медицине и биологии, но также и в других областях…
– Да, сфера биоинформатики очень широка – это молекулярная и превентивная медицина, генная терапия, разработка новых лекарств, условия хранения продуктов питания, ветеринария, новые источники энергии и изменение климата. В частности, эта наука ускоряет создание новых лекарств. Она может быть просто незаменима в случае бактериологической атаки или при расследовании аварии... Биоинформатика обладает колоссальным потенциалом.
– Генная терапия, исправление генетических эффектов, а потом и коррекция генетической программы на стадии, когда человек ещё не родился, – всё это было описано в научно-фантастических романах. Но если такие вещи появятся в реальности, не может ли активное вмешательство в геном создать проблемы для человечества?
– Безусловно, может. Всё зависит от того, кем и как это будет использоваться. Атомная энергия тоже может согревать дома, давать энергию промышленности, но может разрушать и убивать... Так и с новыми технологиями: они способны приносить как пользу, так и вред. Морально-этическая сторона вопроса – тема бесконечных дебатов и споров.
кстати…
Профессор Феодосий Добржанский, имя которого носит Центр геномной биоинформатики, – автор теории синтетической эволюции. Ещё в 1920-е годы, работая в ЛГУ, он говорил: «Ничто в биологии не имеет смысла, если не проливает свет на эволюцию». В 1927 году учёный переехал в США, где стал знаменитым. Один из его учеников – американский генетик Стефан О’Брайен – в 2011 году получил мегагрант правительства России и сегодня возглавляет созданный им Центр геномной биоинформатики в Санкт-Петербургском университете, где когда-то трудился его учитель.
