Диагностика депрессии по крови и еда из водорослей: как развиваются биотехнологии

С 2004 года Массачусетский технологический институт проводит всемирный конкурс в области синтетической биологии iGEM. В 2021 году в нем приняли участие семь команд из России, и три из них получили золотые медали. В число победителей вошла команда MIPT_MSU, которая впервые представила на конкурсе МФТИ из подмосковного Долгопрудного. О iGEM и будущем биотехнологий РИАМО рассказал научный руководитель команды из Подмосковья Илья Зубарев, старший научный сотрудник лаборатории регуляции клеточной сигнализации МФТИ и факультета фундаментальной медицины МГУ.

«На iGEM нет конкурентов, только коллеги»

— Илья, поздравляю вас и вашу команду с золотой медалью! Много ли у вас было соперников?

— В этом году в iGEM участвовало более 300 команд из более чем 40 стран мира. Золото получили несколько десятков участников, ведь по сути эта награда — оценка «отлично» за проделанную работу. Три российских команды взяли золото, две — серебро, одна команда ушла с конкурса с бронзой.

Я был руководителем совместной команды МФТИ и факультета фундаментальной медицины МГУ. Причем я принимал участие в этом конкурсе впервые, и моя команда сразу выиграла золотую медаль! Конечно, мы собираемся участвовать в iGEM и в следующем году, планируем пойти дальше и победить в какой-либо номинации. Получить такую награду еще более почетно и престижно.

«Жизнь по ритмам вселенной»: как устроен быт необычной наукодеревни в Подмосковье>>

— Конкурс iGEM проводят с 2004 года. Вы следили за состязаниями прошлых лет?

— Я следил за успехами наших команд последние три года, но скорее поверхностно — радовался, когда ребята получали медали, но в тонкости мероприятия не вникал.

Могу отметить, что с годами и синтетическая биология, и этот конкурс становятся все более популярными, о них все чаще говорят.

В последнее время сильно изменилась направленность проектов: раньше на конкурсе показывали детекторы каких-то веществ в организме, интересные узкому кругу лиц, а сейчас представляют более масштабные проекты по синтетической биологии человека — например, искусственные рецепторы, которые обучают человеческий иммунитет эффективно находить раковые клетки.

Также сейчас активно развиваются системы редактирования генома и адресной доставки молекул в целевые органы.

— Вы не отслеживали, что стало с проектами, которые победили на конкурсах прошлых лет?

— На одном из прошлых конкурсов представили платформу для работы в лаборатории Benchling. Она очень удобная, и сейчас многие лаборатории во всем мире используют ее для организации рабочего процесса.

Но большую часть работ делают для конкурса, в лучшем случае о них потом пишут в статьях в научных журналах. Только небольшая часть проектов продолжает развиваться. Мне кажется, тут многое зависит от руководителя: я, например, хотел бы продолжить исследования.

— Были ли какие-либо требования к проектам на этапе отбора?

— Прежде чем принять участие в конкурсе, мы заполнили специальную форму по биобезопасности. Мы гарантировали, что не работаем с биологическим оружием или с возбудителями серьезных инфекций, а также соблюдаем все правила техники безопасности.

— Какие интересные проекты вы увидели у конкурентов на конкурсе?

— Сам iGEM мне очень понравился тем, что там нет понятия конкуренции. От России участвовало семь команд, и все друг другу помогали. Даже если мы работали над схожими проектами, все равно чувствовалась поддержка. Другие команды были не конкурентами, а скорее коллегами.

На конкурсе я увидел много интересных проектов. Например, одна команда придумала, как производить питательную еду из водорослей. Эта разработка пригодилась бы для дальних космических полетов, ведь она позволяет не брать в космос тонны продуктов, а производить еду прямо на корабле.

Другая команда использовала в своем проекте бактерию, которая поможет защитить человека от радиации. Гены устойчивых к радиации бактерий можно использовать, например, для защиты желудочно-кишечного тракта у космонавтов и тех, кто работает с радиоактивными веществами. Предполагается, что эти бактерии при столкновении с радиацией усиливают продукцию защитных белков, и клетки организма меньше страдают.

У команды Алексея Шайтана от МГУ в этом году была интересная тема — диагностика ментальных расстройств, в том числе депрессии, с помощью биотехнологий. Во время таких заболеваний организм вырабатывает микроРНК, ассоциированные с тем или иным ментальным недугом. Команда Алексея разработала метод нахождения заданных микроРНК в крови пациента. Таким образом, у врачей появится возможность диагностировать расстройства психического здоровья по анализу крови.

Что прячут черные дыры и как лечиться объятиями: 10 популярных книг о науке>>

«Золотая медаль iGEM — хорошая строчка в резюме»

— Синтетическая биология и генетическая инженерия — это синонимы? Чем эти области науки занимаются, какие проблемы решают?

— Генетическая инженерия — это инструмент, совокупность методов, приемов и технологий для работы с клетками. А синтетическая биология связана с проектированием биологических систем, с идеями, которые можно реализовать, и зачастую эти идеи касаются не только работы клеток и органов, но и целых организмов.

В качестве примера могу привести наш проект, с которым мы взяли золото на iGEM. Мы первыми в мире сделали клеточные фабрики, способные создавать и сортировать молекулы определенного рода. Работает это так: запрограммированная определенным образом клетка создает нужные нам молекулы РНК и направляет их в микропузырьки. Такие пузырьки с РНК можно ввести в организм и направить их в нужный орган. Когда молекула попадает в целевые клетки, из нее синтезируется белок, обладающий заданной нами активностью.

Если говорить проще, то мы создали систему доставки лекарства к нужным органам и клеткам, то есть таргетную доставку. У нее, судя по всему, большое будущее.

Эту технологию можно применять и в регенеративной медицине, которая занимается восстановлением поврежденных тканей и органов. Мы можем «перепрограммировать» какую-либо клетку и сделать ее стволовой. А уже из стволовой клетки можно создать любую клетку организма, к примеру, клетку костной ткани, и заметно ускорить заживление переломов.

— Вы сразу решили пойти на конкурс именно с этой темой, или у вас были другие варианты?

— Вообще, задумок было несколько. Мы могли, например, разработать презервативы, которые меняют цвет, если у человека есть заболевание, передающееся половым путем. Это была бы интересная, но чисто прикладная задача. Мои коллеги из другой московской команды изучали системы определения вируса герпеса у лошадей: они создали экспресс-тексты, чтобы определить, болеет лошадь герпесом или нет. Это тоже интересное, но не прорывное исследование. А вот наш проект по созданию клеточной фабрики был чем-то принципиально новым.

Москвички о научной карьере: «Это лучше, чем офис от звонка до звонка»>>

— Вы получили золото за свой проект. Что будет с вашим изобретением дальше?

— Для начала надо довести проект до конца. Если мы добьемся тех результатов, которых хотели, то, скорее всего, мы зарегистрируем патент на наше изобретение. Если не получится, возьмемся за новый проект для следующего конкурса.

— Участие в конкурсе и награждение золотой медалью как-то скажется на судьбе участников команды?

— Золотая медаль iGEM — как минимум очень хорошая строчка в резюме. Если человек решит поехать в магистратуру или аспирантуру за границу или поступать в хорошее заведение в России, наличие медали такого престижного конкурса будет большим плюсом.

Но главное, что iGEM дает опыт выступлений, организации и лабораторной работы, коммуникации с другими людьми. К тому же ни один дипломный проект не научит командной работе, но именно такую возможность ребятам дает iGEM.

Коллайдер NICA: уникальный научный мегапроект в Дубне>>

Перспективы генной инженерии

— Если заглянуть в будущее, например, на 20 лет вперед, чего за это время сможет достичь генная инженерия? Что мы от нее получим?

— Я бы не рассматривал генную инженерию отдельно от инженерии клеток и тканей. Возьмем, к примеру, довольно популярную сейчас технологию по созданию мяса в пробирке. Можно взять одну стволовую клетку, сделать из нее несколько тонн мяса, мышечной ткани, а потом приготовить из этого мяса котлеты. Так можно получить бифштекс предельно гуманным способом. Это клеточная технология. А вот генная инженерия может помочь оптимизировать этот процесс, увеличить количество конечного продукта, чтобы клетки больше делились и меньше старели.

— То есть генная инженерия, возможно, поможет решить проблему старения человека?

— Может быть. Но для начала нам нужно узнать, почему мы стареем. Есть миллион различных гипотез, но эти гипотезы на самом деле не объясняют до конца сам механизм старения. Они не говорят, как этот процесс повернуть вспять. Единственное, что сейчас работает против старения, — это ограничение калорий. Если ограничивать себя в пище, то можно жить дольше, а организм будет более здоровым.

— Как именно такие ограничения помогают замедлить старение?

— Чем меньше калорий потребляет организм, тем меньший окислительный стресс он переживает. Чем больше еды мы потребляем, чем она калорийней, тем сильнее мы изнутри «сгораем». При окислении пищи активная форма кислорода разрушает белки, и клетки стареют. Соответственно, если меньше есть, то организм будет медленнее стареть.