Sergej Medvedev: Ko sem bil otrok in mlad človek, se spominjam, kako so časopisi nenehno trkali: nekaj se zgodi, ko se človeški genom razširi, ko postanejo vsi ti bloki in opeke jasni … In zdaj je človeški genom razvozlal - kaj naprej? Pojavi se znanost, imenovana "bioinformatika". Kaj je to? Je dekodirani človeški genom nekakšen konstruktor, Lego, iz katerega ustvarja človeško življenje? Naš gost je Mihail Gelfand, bioinformatist, vodja magistrskega programa Biotehnologija pri Skoltechu, namestnik direktorja Inštituta za težave pri prenosu informacij Ruske akademije znanosti.
Mihail Gelfand: Sem tudi profesor na Fakulteti za računalništvo na Višji ekonomski šoli in na Fakulteti za bioinženirstvo in bioinformatiko na Moskovski državni univerzi.
Kot razumem, je v genomu tri milijarde črk. Kodo poznamo - kaj lahko storimo s to kodo? To je nekakšna kuharska knjiga življenja, ali lahko zdaj skuhamo človeka, homunkulusa iz epruvete?
- To je kuharska knjiga življenja v smislu, da se življenje lahko reproducira po receptih, ki jih vsebuje ta knjiga. Ne vemo, kako, v tem smislu smo slabi kuharji.
Na splošno ta metafora z dešifriranjem in branjem genoma ni zelo uspešna, saj dešifriranje predpostavlja razumevanje in ga do zdaj razumemo precej slabo. Naučili smo se reproducirati molekulo dedne DNA, ki je bila v živi celici in nato v epruveti, v računalniku, vemo, v kakšnem vrstnem redu so te črke združene v tej molekuli. Toda razumevanje pomena je nekoliko drugačna stvar.
Bioinformatika se je kot neodvisna znanost pojavila ravno takrat, ko se je biologija postopoma začela spreminjati iz znanosti, ki deluje s posameznimi predmeti, v znanost z veliko podatkov. V tem trenutku je treba te podatke shraniti, razumeti, analizirati in z njimi nekaj narediti.
To je približno približno let?
- Leta 1977 smo razvili metode za določanje zaporedja DNK (posebej rečem: ne "dekodiranje", ampak "določanje zaporedja"). Bioinformatika se je začela pojavljati, kot kaže, v zgodnjih 80. letih. Imel sem grozno srečo: ko sem leta 1985 diplomiral na univerzi, je bilo tako čudovito področje, na katerem se ni bilo treba ničesar naučiti, začelo se je iz nič, lahko si ga le vzel in naredil. To je v zgodovini zelo redko.
Promocijski video:
Ali uporablja več matematičnih metod?
- Metode v njem so matematične v naslednjem pomenu: razmišljati moraš. Tam so ponekod lepi algoritmi, lepa statistika, a načeloma je tam matematika precej trivialna, tam ni matematičnih čarobnih palic. Potrebujete veščino, da upoštevate veliko stvari in jo poskušate razložiti na različne načine, druga spretnost pa je postavljanje preprostih vprašanj. V tem smislu mi je bila matematična izobrazba zelo koristna, ne toliko morda izobraževanje, kot komunikacija z mojim dedkom Izrailom Moisejevičem Gelfandom, ki je bil matematik in je veliko delal v eksperimentalni biologiji.
Zdaj je genom zapisan, določeno je zaporedje - kaj lahko iz tega naredimo? Slišal sem, da obstaja nova tehnologija: lahko vzamemo neko gensko verigo in jo popravimo, namesto nje vstavimo dobro. Se pravi, da lahko s temi črkami operiramo?
- CRISPR je tehnika genskega inženiringa, ena zelo naprednih, zelo modernih tehnologij, ki omogoča natančne in natančne manipulacije.
Ljudje so le dobili več priložnosti. Načeloma so ljudje že prej znali vstaviti in odstraniti gene, eksperimentalno je bilo le še težje, nobene manipulacije niso bile tehnično izvedljive. Zdaj se je nabor orodij razširil. Hiše je bilo mogoče, tako kot v Sparti, zgraditi le s sekiro, zdaj je tu še žaga in celo vbodna žaga, izrezati si lahko nekaj lepih plošč. V tem smislu je tehnološki napredek zelo velik, vendar doslej ne zelo pomemben. Nekatere stvari razumemo: da obstaja preprosta monogenska bolezen, pri kateri je zlomljen en sam gen - jasno je, da če ga popravite, boste imeli normalen zarodek.
In to se že zdravi?
- Ne, ni ozdravljeno, ne morete manipulirati s človeškimi zarodki - to je preprosto prepovedano z zakonom.
Toda, kolikor razumem, se premika. V Angliji so dovolili - z zarodki do 11 dni …
- Na Kitajskem ne bodo nikogar niti vprašali. Drsališča ne morete upočasniti tako, da pod njega postavite želve: želve se vam zdi žal, drsališče pa bo prazno. V tem smislu se bo seveda premaknilo, toda človeštvo ga mora razumeti. To je res resna stvar, ki potrebuje razmislek.
Ni prva. Ko se je sredi 70. let šele začelo gensko inženirstvo, ko je postalo jasno, da z genomi lahko manipuliramo (takrat še vedno bakterijsko), je že obstajala resna težava: na primer bali so se, da bi slučajno naredili kakšno superbubo in jo bodo pojedli vsi. Obstajale so posebne konference, na katerih so bila razvita pravila za to, kar počnemo in česa ne počnemo. Vsak nov nabor orodij širi priložnosti, povečuje odgovornost in to je treba razumeti.
Postavlja etična vprašanja …
- In če govorimo o bioinformatiki, ko se vrnemo na tisto, kar ste vprašali, potem obstaja nekoliko drugačna zgodba. Zanj sta dva vidika. Izkazalo se je, da lahko na kar nekaj klasičnih bioloških vprašanj odgovorimo preprosto v računalniku.
Delam veliko genomike bakterij. Obstaja veliko bakterij, s katerimi je bil v življenju narejen en poskus, in sicer je bilo določeno zaporedje genoma. O njih vemo precej: kaj jedo, česa ne morejo jesti, kako dihajo, kaj morajo dodati okolju, brez česar ne morejo preživeti, sami pa ne zmorejo itn.
Koliko preprostejši je bakterijski genom v primerjavi s človeškim genomom?
- Ni tako kritično. Z E. coli si delimo 30% genov. Tipična bakterija je glede na število genov na tisoče, človeka pa 25 tisoč.
Ali v celoti veste, kateri gen je odgovoren za tisto, kar je v bakterijah?
- Ne v celoti, ampak vemo veliko.
Veliko več kot oseba?
- V odstotkih - seveda.
Druga stvar, ki se je pojavila (in to je spet povezano s tehnološkim razvojem v eksperimentalni biologiji) in zahteva razumevanje v bioinformatiki, je, da lahko pogledamo celotno celico. Klasična stvar: diplomant študira določen protein, pozna partnerje tega proteina, ve, kako ta protein posega v DNK, če ta z njim sodeluje, ve, kdaj je gen tega proteina vklopljen in kdaj izklopljen. To je tako celovita disertacija, več znanstvenih člankov o enem proteinu. Potem se pojavijo metode, ki omogočajo, da hkrati odgovorite na enaka vprašanja za vse beljakovine. Prvič imamo celostno sliko, kako deluje celica; zdaj je zelo nepopolna.
Obstaja vam beljakovina, ki vam ni znana, vendar lahko to napovedujete, če pogledate njen genom …
- To sta dve različni vprašanji. Znamo predvideti funkcije proteinov, ne da bi z njimi izvedli nobene poskuse. To je čudovita bioinformatika, ki temelji na vseh vrstah evolucijskih vidikov.
Glede na njegov genski profil?
- Beljakovina je tisto, kar je kodirano v genu, zato je bolje govoriti o genu: glede na to, kdo je ta gen poleg, kdo je ta protein videti vsaj od malo znanega, kako je urejen, ko je vklopljen in se izklopi.
Enako se verjetno lahko naredi pri osebi?
- Težje je. Tehnično lahko.
Oglejte si genom človeka na embrionalni ravni in si recite: genij bo zrasel ali pa bo naraščal Down
- To je zgodba o tem, da je funkcija beljakovin na splošno neznana, o njej sploh ni bilo znanega ničesar in lahko napovemo. In to, o čemer govorite, je dobro znan beljakovine, vendar z nekaj različicami - to je nekoliko drugačna zgodba.
Človek je sestavljen iz znanih beljakovin
- Delno znan, delno ne. Izkazalo se je, da imamo veliko heterogenih informacij o tem, kako deluje celica. Podatki so zelo nepopolni, vsako majhno dejstvo se zlahka izkaže za napačno, a v celoti so še vedno točne. In iz tega lahko poskusite opisati celico kot celoto.
Molekularna biologija je filozofe že dolgo zgražala kot redukcionistična znanost. Tukaj v delih gledate slona: nekdo preučuje nogo, nekdo - rep, nekdo - prtljažnik in ni dodana celotna slika. Zdaj se začne oblikovati prvič. Eden od paradoksalnih rezultatov tega je, da se naše znanje in razumevanje v absolutnem smislu zelo hitro povečuje. Napredek v biologiji je neverjeten: vemo veliko več, kot smo vedeli pred 10 ali 20 leti, tudi ne velikokrat, toda velikost reda.
Toda območje nevednosti raste še hitreje. To pomeni, da se naše relativno znanje po mojem mnenju zmanjšuje, saj postane jasno, da obstajajo takšni odprti prostori, o katerih pred desetimi leti preprosto ni prišlo na misel, da bi se to lahko zgodilo. In zdaj vidimo, da je tako, a ne vemo, kaj bi s tem. To je grozno kul.
Jasno je, kdo bo Down: dodaten kromosom. A kdo bo in kdo ne bo genij, ne vemo, kako napovedovati, in hvala bogu. Nismo niti dobri v napovedovanju rasti.
Te informacije se ne zbirajo?
- Seveda.
Ali je mogoče na primer primerjati človekovo vedenje, njegov profil na družbenih omrežjih z njegovim genetskim profilom?
Ne vem za to, toda psihološke lastnosti so delno določene z genomom in jih je mogoče malo napovedati.
Delno po genomu, delno po družbi
- Družba, nekatere življenjske okoliščine … V genetiki je to razvita stvar, lahko količinsko določite prispevek genetskih dejavnikov k določeni lastnosti. Vzemimo enega - mene. V vseh celicah imam enake genome, vendar so moje celice različne.
To pomeni, da v določenem trenutku genom razume, v katero celico se razviti?
- V nekem trenutku celica spozna, da mora postati predhodnica epitelija ali živčnega sistema, jeter ali česa drugega. Po prvih delitvah so vse celice enake, geni v njih delujejo enako, nato pa začnejo delovati na različne načine. Ključna stvar v resnici niso sami geni: jaz in šimpanzi imajo 50% beljakovin enako, tisti, ki so različni, pa se razlikujejo po eni črki.
Se pravi, vprašanje je, kje je program, ki v nekem trenutku pove celici, da bi se moral razviti v človeka ali šimpanze, v človeku - v možgane ali jetra
- Na istem mestu, v genih, ključna stvar niso sami geni, ampak to, kako se vklapljajo in izklapljajo. In to je najbolj zanimivo, kar se zdaj dogaja v biologiji.
Ali obstaja program, ki se vklopi in izklopi?
- Seveda. To se dobro pozna pri sadnih muhah. Drosofila je preprosta, njen zarodek je tudi preprost … Ne, drosofila je zapletena, vendar so zgodnje faze njenega razvoja zelo dobro natančno opisane kvantitativno na ravni modelov. Na primer, lahko predvidite rezultate mutacij. Obstajajo mutacije, ko sadne muhe namesto antene rastejo nogo. Hkrati je znano, v katerem genu je mutacija prekinjena, in to je mogoče modelirati - kako celice potomcev delajo napake.
Ali ga je mogoče popraviti z novimi tehnologijami?
- Možno je, vendar le v zarodku. Ko je noga ali dodatni par kril zrasel, ga ne morete popraviti.
Kaj lahko to prinese v praktičnem smislu? Recimo, da se vse, kar zanima vse, bori proti raku … Z to neverjetno tehnologijo CRISPR se zdi, da se Kitajci poskušajo boriti proti pljučnemu raku. Kolikor razumem, pri tej tehnologiji bakterija, ko zagleda delček zlomljene DNK, vzame kos zdrave bakterije in prekinjeno verigo nadomesti z zdravo
- Ja, samo zanimivo vprašanje, kaj se zgodi z zdravo bakterijo … Ne, ne tako. Sistemi CRISPR / Cas so imunost proti bakterijam, nekoliko drugačna stvar. Ko virus okuži bakterijo, če ga nima časa ubiti, se tam začne vojna, virus preklopi nekatere bakterijske sisteme, razbije bakterijski genetski program in bakterijo preklopi na proizvodnjo novih virusov. Pravzaprav to počnejo vsi virusi: bakterijski, človeški in karkoli že. Obstaja sistem, ki omogoča, da bakterije, če virus ni imel časa, da bi ga ubil, izrezajo košček virusa DNA in ga uporabijo kot vzorec za naslednji napad istega virusa.
Bakterija se cepi s tem virusom
- V nekem smislu da. In potem se je izkazalo, da obstaja beljakovina, ki lahko kos odreže in ga namerno nekje vstavi, ta isti encim pa lahko uporabite za namene genskega inženiringa.
Resnično ne razumem te terapije raka: ko imaš milijarde celic, kako boš vgradil pravilen sistem v vsako od njih? Ne razumem, kako to storiti tehnično. To je mogoče storiti za zdravljenje genetskih napak v embrionalni fazi, ko je ena celica.
Z rakom je zgodba nekoliko drugačna, resnično je zelo pomemben napredek. Postalo je jasno, da je tisto, kar smo vzeli za isto bolezen, pravzaprav na molekularni ravni - različne bolezni, cilji terapije pa naj bi bili tudi različni. Rak je bil sprva razvrščen preprosto po mestu: bil je pljučni rak, želodčni rak, kožni rak. Nato se je začela histologija. Ko so začeli gledati strukturo tumorja, iz katerih celic je sestavljen, so se začele diagnoze tipa "drobnoceličnega pljučnega raka". Potem se je začela biokemija, začeli so gledati na nekatere markerje, še bolj se je razkadilo.
In zdaj lahko vidimo, do kakšnih mutacij je dejansko prišlo. Vzameš vzorec iz rakavega tumorja in vzorec iz istega normalnega tkiva in vidiš, kako se razlikujejo. Zelo so si različni, saj se z rakom vse pokvari, napake se začnejo kopičiti zelo hitro. Obstajajo posebni izrazi - "vozniki" in "potniki": nekatere od teh napak so potniki, zgodile so se po naključju, nekatere pa vozniki, pravzaprav so privedle do ponovnega rojstva.
Obstajajo povsem praktične stvari, saj je na primer jasno, da je treba nekatere vrste raka, ki so veljali za eno bolezen, zdraviti na različne načine. Če imate zunaj različne vrste raka, vendar imajo isti molekulski razpad, lahko poskusite uporabiti zdravilo, ki je učinkovito eno proti drugemu.
Ali gre za okvaro na genetski ravni, ali je nek gen izločen?
- bodisi potrkali, bodisi obratno, začeli preveč intenzivno delovati. Značilen znak raka je, ko v tkivih odraslih začnejo delovati geni, ki delujejo v embrionalnih fazah. Te celice se začnejo nenadzorovano deliti. Kar nekaj rakavih obolenj je pravzaprav preporod, degradacija nazaj v čas.
Takoj želim poudariti: nisem zdravnik, za to vem kot biolog in človek, ki bere malo pregledov. Vedno se zelo bojim razočaranja ljudi. Vedno obstaja ravnovesje med uspehom v znanosti in praktičnim vprašanjem - za tiste, ki bodo šli na zdravljenje jutri. To so eksperimentalne stvari. Obstaja en primer, kjer je to delovalo. Jasno pa je, da se bo v tej smeri vse zgodilo.
- Če pogledate medicinsko aplikacijo, ali vidite, da že poteka gensko inženiring, genska terapija? Zdaj, kolikor razumem, posamezne avtoimunske bolezni kažejo, da je en gen pokvarjen.
- Ravno nasprotno, gre za okvaro imunskega sistema, izpadli imunski sistem. Poskušajo ga zdraviti.
imunska pomanjkljivost na ravni genov?
- To je posledica posebnosti imunskega sistema. Tam se celice ves čas delijo, ves čas se pojavljajo novi kloni. Tudi če imate vse okvarjene, vendar ste naredili majhno količino popravljenih potomskih celic, lahko nadomestijo celoten imunski sistem in ga ponovno ustvarijo. To je točno posledica posebnosti delovanja imunskega sistema na splošno. V tem smislu je neverjetno plastična.
Ali je bakterija ustvarila nekakšno cepljenje, imuniteto?
- Ja, ampak malo drugače je. Ko govorimo o imunski pomanjkljivosti, to pomeni, da sploh ni razredov celic, ker je gen, ki naj bi deloval, ko te celice dozorijo, zlomljen. Če popravite ta gen na nekaterih prekurzorjih, se bodo zreli v te celice in ustvarili bodo celotno veliko imunsko sliko.
Obstaja tudi, kolikor razumem, računalniška evolucijska biologija. Se lahko vrnete nazaj in vidite gen starodavnega človeka?
- To je skoraj najbolj zanimivo. Bioinformatika ni znanost v istem smislu, kot da elektronska mikroskopija ni - je skupek tehnik. Znanstveni del bioinformatike je, prvič, tisto, kar je povezano z razvojno biologijo, in drugič, to je molekularna evolucija, in tam lahko počnete različne čudovite stvari.
Veliko bolje razumemo, kako se je zgodilo. Naše razlike od miške se začnejo v prvih fazah zarodka, nato pa je vse popravljeno. Isti geni so delovali v nekoliko drugačnih kombinacijah. Sanje o opisu raznolikosti živali z razumevanjem, kako so nastale, segajo v Haeckel. Haeckel je veliko žongliral, zaradi česar ga kritizirajo, sama ideja pa je zelo pravilna. Da bi razumeli razliko med osebo in mišjo, se moramo na prvih stopnjah ne ozirati na odraslo osebo in odraslo miško, temveč na zarodke. Zdaj postaja resničen.
Druga stvar: razumemo, kdo je s kom povezan, preprosto s primerjavo genomov. Jasno je: manj ko je razlik, tesnejši je odnos. To je zelo preprosta ideja, ki jo je mogoče algoritmirati. Naše ideje o evoluciji živih bitij so se precej spremenile. Gobe so že od nekdaj preučevali na oddelku nižjih rastlin, v resnici pa gobe niso nižje rastline, ampak naši najbližji sorodniki. Rože z gobami so nam bratranci. Iz tega izhaja, da se je večceličnost mnogokrat pojavila neodvisno in to je že zelo temeljno vprašanje. Ko sva bila jaz in jaz v šoli, so bile bakterije, potem so bili protozoji, nato pa so se protozoji začeli lepljati in se je izkazalo za večcelične, nato pa so večcelične razdelili na rastline in živali. Bilo je nekaj nižjih rastlin, gob in višjih rastlin - vrtnice in maslenice. A v resnici ni tako:bilo je veliko različnih enoceličnih organizmov in v teh različnih linijah enoceličnih organizmov je večceličnost nastajala večkrat neodvisno.
Človek kot najvišja oblika večceličnosti?
- Ne vem, v kakšnem smislu najvišje. Če pogledate raznolikost tkiv, potem so vsi sesalci po isti ceni. Če pogledate na zapletenost živčnega sistema, potem nas moramo primerjati z hobotnicami. Če pa je nekdo vesel, da je antropocentričen, potem na zdravje, ne zamerim.
Naše razumevanje človeškega porekla se je močno spremenilo. V vsakem od nas je 2% neandertalcev, bilo pa je tudi Denisovcev (Denisovcev), o katerih nihče sploh ni posumil. V resnici so bile v Evraziji pred 40 tisoč leti tri neodvisne veje človeštva, križale so se v vseh kombinacijah, ostanke teh križanj pa vidimo v genomu.
Ali vsi prevzemate ostanke tistega, kar je ostalo na parkiriščih?
To je stara DNK in analiza sodobne DNK različnih ljudi. Mislim, da je to zelo kul. To močno izkrivlja mojo sliko sveta.
Mihail, zmedel si nas. 2% neandertalcev, vendar ima veliko skupnega z gobami, z rožami … Dejansko tukaj govorimo o kockah, iz katerih je urejeno življenje. Zdaj, kolikor razumem, združite te kocke v drugačnem vrstnem redu, poglejte, kateri znaki so se pojavili v ontogeniji in filogeniji, kako se je razvil zarodek posamezne osebe, kako se je na splošno razvijalo življenje na Zemlji
- Da. Naredimo to v računalniku, eksperimentatorji pa v celicah.
Živimo v prijetnem času! Upajmo, da bodo ti poskusi privedli do ustvarjanja zdravil za raka in aids
- Pravzaprav je že nastalo zdravilo za raka.
Mislim na razumevanje mehanizmov delovanja
- In ljudje z diagnozo aidsa živijo in živijo od sodobnih zdravil.
Vprašanje ni v zvezi z drogami, ampak v tem, kako ga zdraviti na genski ravni. To je nadaljnja želja
Sergej Medvedev