Sergej Medvedev: Kad sam bio dijete i mladić, sjećam se kako su novine neprestano trubale: nešto će se dogoditi kada se dešifrira ljudski genom, kad svi ti blokovi i cigle postanu jasni … A sada je ljudski genom dešifriran - što dalje? Pojavljuje se znanost nazvana "bioinformatika". Što je? Je li dekodirani ljudski genom neka vrsta konstruktora, Lego, od kojeg je stvoren ljudski život? Naš gost je Mihail Gelfand, bioinformatičar, voditelj magistarskog programa Biotehnologija tvrtke Skoltech, zamjenik direktora Instituta za probleme prijenosa informacija Ruske akademije znanosti.
Mihail Gelfand: Profesor sam i na Fakultetu računarskih znanosti na Višoj ekonomskoj školi i na Fakultetu bioinžinjeringa i bioinformatike na Moskovskom državnom sveučilištu.
Koliko razumijem, u genomu ima tri milijarde slova. Znamo kod - što možemo učiniti s ovim kodom? Ovo je neka vrsta kuharice života, možemo li sada kuhati čovjeka, homunkulus iz epruvete?
- Ovo je kuharica života u smislu da se život može reproducirati prema receptima koji su sadržani u ovoj knjizi. Ne znamo kako, u tom smo smislu loši kuhari.
Općenito, ova metafora s dešifriranjem i čitanjem genoma nije baš uspješna, jer dešifriranje pretpostavlja razumijevanje, a zasad ga razumijemo prilično slabo. Naučili smo reproducirati molekulu nasljednosti DNA koja se nalazila u živoj ćeliji, a zatim u epruveti, u računalu, znamo kojim redoslijedom se ta slova kombiniraju u ovoj molekuli. Ali razumijevanje značenja je nešto drugačija stvar.
Bioinformatika se pojavila kao neovisna znanost upravo kad se biologija postupno počela transformirati iz znanosti koja djeluje s odvojenim objektima u znanost u kojoj postoji puno podataka. U ovom trenutku postaje potrebno pohranjivanje, razumijevanje, analiza tih podataka i nešto učiniti s njima.
Ovdje se radi o kojim godinama?
- 1977. razvili smo metode za određivanje sekvence DNA (posebno kažem: ne "dekodiranje", već "određivanje sekvence"). Bioinformatika se počela pojavljivati, očito, početkom 80-ih. Imala sam strašnu sreću: kad sam 1985. diplomirala na sveučilištu, bilo je tako divno polje u kojem nije bilo potrebno ništa učiti, počelo je ispočetka, mogao si to samo uzeti i učiniti. To je vrlo rijetko u povijesti.
Promotivni video:
Koristi li više matematičkih metoda?
- Metode u njemu su matematičke u sljedećem smislu: morate razmišljati. Tamo na nekim mjestima postoje prekrasni algoritmi, lijepa statistika, ali, u principu, matematika je tamo prilično trivijalna, tamo nema matematičkih čarobnih štapića. Treba vam vještina imati na umu puno stvari i pokušati je objasniti na različite načine, a druga vještina je postavljanje jednostavnih pitanja. U tom smislu, matematičko obrazovanje bilo mi je vrlo korisno, ne toliko, možda, obrazovanje, koliko komunikacija s mojim djedom Izrailom Moiseevichem Gelfandom, koji je bio matematičar i puno je radio u eksperimentalnoj biologiji.
Sad se genom bilježi, određuje se redoslijed - što možemo iz ovoga učiniti? Čuo sam da postoji nova tehnologija: možemo uzeti neki genski lanac i popraviti ga, umjesto njega umetnuti dobar. Znači, možemo li raditi s tim pismima?
- CRISPR je tehnika genetskog inženjeringa, jedna od vrlo naprednih, vrlo modernih tehnologija koja vam omogućuje vrlo precizne i specifične manipulacije.
Ljudi su samo dobili više mogućnosti. U principu, ljudi su i prije znali umetnuti i ukloniti gene, bilo je samo teže eksperimentalno, nisu bilo kakve manipulacije tehnički izvedive. Sada se skup alata proširio. Bilo je moguće graditi kuće, kao u Sparti, samo sjekirom, a sada je tu i pila, pa čak i slagalica, možete izrezati nekoliko prekrasnih platna. U tom je smislu tehnološki napredak vrlo velik, ali dosad ne baš smislen. Razumijemo neke stvari: da postoji jednostavna monogenska bolest u kojoj je slomljen jedan jedini gen - jasno je da ako popravite, imat ćete normalan zametak.
I to se već liječi?
- Ne, to se ne liječi, ljudskim embrionima se ne može manipulirati - to je zakonom jednostavno zabranjeno.
Ali, koliko sam shvatio, kreće se. U Engleskoj su to dozvolili - s embrionima do 11 dana …
- U Kini nikog neće ni pitati. Ne možete usporiti klizalište stavljajući kornjače ispod njega: žao vam je kornjača, ali klizalište će biti prazno. U tom će se smislu, naravno, kretati, ali čovječanstvo to treba shvatiti. Ovo je stvarno ozbiljna stvar koja treba razmišljati.
Nije prva. Kad je sredinom 70-ih gensko inženjerstvo tek započelo, kad je postalo jasno da se genima može manipulirati (tada još uvijek bakterijskim), već je postojao ozbiljan problem: na primjer, bojali su se da će slučajno napraviti neki superbug i to će pojesti svi. Bilo je posebnih konferencija na kojima su razvijena pravila za ono što radimo, a što ne radimo. Svaki novi set alata proširuje mogućnosti, povećava odgovornost i to se mora razumjeti.
Postavlja etička pitanja …
- A ako govorimo o bioinformaciji, vrativši se onome što ste tražili, onda je malo drugačija priča. Postoje dva aspekta. Pokazalo se da na dosta klasičnih bioloških pitanja možemo odgovoriti jednostavno u računalu.
Radim puno genomike bakterija. Puno je bakterija s kojima je napravljen jedan eksperiment u njihovom životu, naime utvrđen je redoslijed genoma. O njima znamo dosta: šta jedu, što ne mogu jesti, kako dišu, što trebaju dodati okolišu, bez čega ne mogu preživjeti, ali ne mogu sami, i tako dalje.
Koliko je jednostavniji genom bakterija u usporedbi s ljudskim genomom?
- Nije to tako kritično. 30% gena dijelimo s E. coli. U pogledu broja gena, tipična bakterija je tisuće, a osoba 25 tisuća.
Znate li koji je gen odgovoran za bakterije?
- Ne u potpunosti, ali znamo mnogo.
Puno više od osobe?
- Kao postotak - naravno.
Druga stvar koja se pojavila (a to se, opet, odnosi na tehnološki razvoj u eksperimentalnoj biologiji) i zahtijeva razumijevanje u bioinformatici, jest da možemo pogledati cijelu stanicu. Klasična stvar: diplomski student proučava određeni protein, on poznaje partnere tog proteina, zna kako ovaj protein komunicira s DNK, ako komunicira s njim, zna kada je gen tog proteina uključen i kada isključen. Ovo je tako cjelovita disertacija, nekoliko znanstvenih članaka o jednom proteinu. Tada se pojavljuju metode koje omogućuju odgovor na ista pitanja za sve proteine odjednom. Prvi put imamo cjelovitu sliku kako ćelija radi; ona je sada vrlo nesavršena.
Postoji protein koji vam nije nepoznat, ali to možete predvidjeti gledajući njegov genom …
- To su dva različita pitanja. U mogućnosti smo predvidjeti funkcije proteina bez ikakvih eksperimenata s njima. Ovo je prekrasna bioinformatika utemeljena na svim vrstama evolucijskih razmatranja.
Na temelju njegovog genskog profila?
- Protein je ono što je kodirano u genu, pa je bolje razgovarati o genu: na temelju s kim je taj gen, tko izgleda kao protein od barem malo poznatog, kako se regulira kada je uključen i isključuje se.
Isto se vjerojatno može učiniti i s osobom?
- Teže je. Tehnički, možete.
Pogledajte genom osobe na embrionalnoj razini i recite: genij će narasti ili će Down rasti
- Ovo je priča o činjenici da je funkcija proteina općenito nepoznata, o tome se nije ništa znalo i možemo to predvidjeti. A ono o čemu govorite je dobro poznati protein, ali s nekim varijacijama - to je malo drugačija priča.
Čovjek se sastoji od poznatih proteina
- Djelomično je poznato, dijelom nije. Pokazalo se da imamo puno heterogenih podataka o tome kako stanica funkcionira. Podaci su vrlo nesavršeni, svaka sitnica se lako može pokazati pogrešnom, ali u cjelini su još uvijek točne. I iz ovoga se može pokušati opisati stanica kao cjelina.
Molekularnu biologiju filozofi su dugo prezirali kao redukcionističku znanost. Ovdje dijelove gledate na slona: netko proučava nogu, netko - rep, netko - prtljažnik, a nije dodana cjelovita slika. Sada se po prvi put počinje oblikovati. Jedan od paradoksalnih rezultata toga je da se naše znanje i razumijevanje u apsolutnom smislu vrlo brzo povećava. Napredak u biologiji je zadivljujući: znamo mnogo više nego što smo znali prije 10 ili 20 godina, čak i ne mnogo puta, ali redoslijede veće.
Ali područje neznanja raste još brže. Odnosno, naše se relativno znanje, po mom mišljenju, smanjuje, jer postaje jasno da postoje takvi otvoreni prostori, oko kojih prije deset godina jednostavno nije palo na pamet da se to dogodi. I sada vidimo da jest, ali ne znamo što bismo s tim. Ovo je strašno cool.
Jasno je tko će biti Down: dodatni kromosom. Ali tko će i tko neće biti genij, ne znamo kako predvidjeti i hvala Bogu. Nismo čak ni dobri u predviđanju rasta.
Ove se informacije ne gomilaju?
- Naravno.
Je li moguće, na primjer, usporediti ponašanje osobe, njegov profil na društvenim mrežama s njegovim genetskim profilom?
Ne znam za to, ali psihološke osobine djelomično određuju genom i mogu se malo predvidjeti.
Djelomično po genomu, dijelom po društvu
- Društvo, neke životne okolnosti … U genetici je to razvijena stvar, možete kvantificirati doprinos genetskih čimbenika određenoj osobini. Uzmimo jedno - ja. Imam iste genome u svim stanicama, ali moje su stanice različite.
To jest, u nekom trenutku, genomi razumiju u koju ćeliju da se razviju?
- U nekom trenutku stanica shvaća da mora postati preteča epitela ili živčanog sustava, jetre ili nečeg drugog. Nakon prvih podjela sve su stanice iste, geni u njima djeluju na isti način, a zatim počinju djelovati na različite načine. Ključna stvar zapravo nisu sami geni: ja i čimpanze imaju 50% proteina isto, a oni koji se razlikuju razlikuju se jednim slovom.
Odnosno, pitanje je gdje je program koji u nekom trenutku ćeliji kaže da bi se ona trebala razviti u osobu ili čimpanzu, a u osobi - u mozak ili jetru
- Na istom je mjestu, u genima, ali ključna stvar nisu sami geni, već način na koji se uključuju i isključuju. A to je najzanimljivije što se sada događa u biologiji.
Postoji li program koji se uključuje i isključuje?
- Svakako. To se dobro zna kod voćnih muha. Drozofila je jednostavna, zametak je također jednostavan … Ne, Drosophila je složena, ali rane faze njezinog razvoja vrlo su precizno kvantitativno opisane na razini modela. Na primjer, možete predvidjeti rezultate mutacija. Postoje mutacije kada voćne muhe rastu nogu umjesto antena. Istodobno, zna se u kojem je genu mutacija razbijena, a to se može modelirati - kako stanice praroditelja čine pogreške.
Može li se to popraviti novim tehnologijama?
- Moguće je, ali samo u embriju. Kad vam je izrasla noga ili dodatni par krila, to ne možete popraviti.
Što ovo može donijeti u praktičnom smislu? Recimo da se svi koji su zainteresirani bori protiv raka … Ovom nevjerojatnom tehnologijom CRISPR Kinezi se pokušavaju boriti protiv raka pluća. Koliko razumijem, u ovoj tehnologiji bakterija, kad vidi fragment slomljene DNK, uzme komad zdrave bakterije i zamijenjeni razbijeni lanac sa zdravim
- Da, samo zanimljivo pitanje, što se događa sa zdravom bakterijom … Ne, nije tako. CRISPR / Cas sustavi su imunost protiv bakterija, nešto drugačija stvar. Kada virus zarazi bakteriju, ako nema vremena da ga ubije, tamo počinje rat, virus prebacuje neke bakterijske sustave, razbija bakterijski genetski program i prebacuje bakteriju u proizvodnju novih virusa. Zapravo, svi virusi to rade: bakterijski, ljudski i sve ostalo. Postoji sustav koji omogućuje bakterijama, ako virus na samom početku nije imao vremena da ga ubije, izrezati djelić DNA virusa i upotrijebiti ga kao uzorak u sljedećem napadu istog virusa.
Bakterija se inokulira ovim virusom
- U određenom smislu, da. A onda se ispostavilo da postoji protein koji je u stanju izrezati komad i svrhovito ga negdje umetnuti, a taj isti enzim možete koristiti u svrhu genetskog inženjeringa.
Zapravo ne razumijem ovu terapiju raka: kad imate milijarde stanica, kako ćete ugraditi ispravan sustav u svaku od njih? Ne razumijem kako to tehnički učiniti. To se može učiniti za liječenje genetskih oštećenja u fazi embriona, kada postoji jedna stanica.
S rakom je priča malo drugačija, stvarno je vrlo značajan napredak. Postalo je jasno da je ono što uzimamo za istu bolest zapravo na molekularnoj razini - različite bolesti, a ciljevi za terapiju također bi trebali biti različiti. Rak je u početku klasificiran jednostavno prema mjestu: to je bio rak pluća, rak želuca, rak kože. Tada je počela histologija. Kad su počeli sagledati strukturu tumora, od kojih stanica se sastoji, započele su dijagnoze tipa "karcinoma pluća malih stanica". Tada je započela biokemija, počeli su gledati neke markere, ona se još više razbila.
I sada možemo vidjeti koje su se mutacije zapravo dogodile. Uzimate uzorak s karcinomom i uzorak iz istog normalnog tkiva i vidite kako se razlikuju. Vrlo su različiti, jer s rakom se sve raspada, pogreške se počinju gomilati vrlo brzo. Postoje posebni izrazi - "vozači" i "putnici": neke od tih grešaka su putnici, dogodile su se slučajno, a neke su vozači, one su, u stvari, dovele do ponovnog rođenja.
Postoje potpuno praktične stvari, jer je, primjerice, jasno da se neki karcinomi, koji su smatrani jednom bolešću, moraju liječiti na različite načine. Suprotno tome, ako imate vanjski različite karcinome, ali oni imaju isti molekulski kvar, tada možete pokušati koristiti lijek koji je učinkovit jedan protiv drugog.
Je li to slom na genetskoj razini, je li neki gen izbačen?
- Ili nokautirani ili, obrnuto, počeli su preintenzivno raditi. Tipičan znak raka je kada geni koji djeluju u embrionalnim fazama počinju raditi u tkivima odraslih. Te se stanice nekontrolirano dijele. Dosta je karcinoma zapravo ponovno rođenje, degradacija unatrag.
Želim odmah naglasiti: nisam liječnik, o tome znam kao biolog i osoba koja pročita malo recenzija. Uvijek se jako bojim razočaranja ljudi. Uvijek postoji ravnoteža između uspjeha u znanosti i praktičnog pitanja - za one koji će sutra ići na liječenje. To su eksperimentalne stvari. Postoji jedan primjer gdje se to radilo. Ali jasno je da će se upravo u tom smjeru dogoditi sve.
- Ako pogledate medicinsku primjenu, vidite li da se već nastavlja s genetskim inženjeringom, genskom terapijom? Koliko razumijem pojedinačne autoimune bolesti pokazuju da je jedan gen razbijen.
- To je, naprotiv, kvar imunološkog sustava, izbačeni imunološki sustav. Oni to pokušavaju liječiti.
Imunodeficijencija na razini gena?
- To je zbog specifičnosti imunološkog sustava. Tamo se stanice cijelo vrijeme dijele, stalno se pojavljuju novi klonovi. Čak i ako imate sve neispravno, ali napravili ste malu količinu popravljenih prethodnih stanica, one mogu zamijeniti cijeli imunološki sustav, ponovo ga stvoriti. To se događa upravo zbog specifičnosti načina funkcioniranja imunološkog sustava općenito. U tom je smislu nevjerojatno plastična.
Je li bakterija stvorila neku vrstu cijepljenja, imuniteta?
- Da, ali malo je drugačije. Opet, kada je riječ o imunodeficijenciji, to znači da uopće ne postoje klase stanica, jer je gen koji bi trebao djelovati kada te stanice sazriju razbijen. Ako popravite ovaj gen nekim prekursorima, oni će sazrijevati u tim stanicama i stvorit će cijelu ovu veliku imunološku sliku.
Postoji, također, koliko ja razumijem, računalna evolucijska biologija. Možete li se vratiti i vidjeti gen drevnog čovjeka?
- Ovo je gotovo najzanimljivije. Bioinformatika nije znanost u istom smislu kao i elektronska mikroskopija - to je skup tehnika. Znanstveni dio bioinformatike je, prvo, ono što je povezano s razvojnom biologijom, a drugo, to je molekularna evolucija i ondje možete raditi razne divne stvari.
Mnogo bolje razumijemo kako se to dogodilo. Naše razlike od miša počinju u prvim fazama embrija, a onda je sve popravljeno. Isti geni djelovali su u malo drugačijim kombinacijama. Ovaj san o opisivanju raznolikosti životinja s razumijevanjem načina na koji nastaju seže do Haeckela. Haeckel je puno žonglirao, zbog čega se kritizira, ali sama ideja je vrlo točna. Da bismo razumjeli razliku između osobe i miša, u prvim fazama treba gledati ne odraslu osobu i odraslog miša, već embrije. To sada postaje stvarno.
Druga stvar: razumijemo tko je s kime povezan, jednostavnom usporedbom genoma. Jasno je: što su manje razlike, odnos je bliži. Ovo je vrlo jednostavna ideja, može se algoritamski prilagoditi. Naše ideje o evoluciji živih bića dosta su se promijenile. Tradicionalno se gljive uvijek proučavaju na odjelu nižih biljaka, ali u stvari gljive nisu niže biljke, već naši najbliži rođaci. Cvijeće s gljivama rođaci su nam. Iz toga proizlazi da je višećelijska mnogo puta nastala neovisno, a to je već temeljno pitanje. Kad smo ti i ja bili u školi, bilo je bakterija, tada je bilo protozoa, a zatim su se protozoje počele lijepiti i ispostavilo se da su višećelijske, a zatim su se višećelijske podijelile na biljke i životinje. Bilo je nižih biljaka, gljiva i viših biljaka - ruža i maslačka. Ali zapravo nije baš tako:postojalo je mnogo različitih jednoćelijskih organizama, a u tim različitim linijama jednoćelijskih organizama, višećelijska je nastala nekoliko puta neovisno.
Čovjek kao najviši oblik višećeličnosti?
- Ne znam u kojem smislu najviše. Ako pogledate raznolikost tkiva, onda su svi sisari po istoj cijeni. Ako pogledate složenost živčanog sustava, tada se moramo uspoređivati s hobotnicama. Ali ako je nekome drago što je antropocentričan, onda na zdravlje, nemam ništa protiv.
Naše razumijevanje ljudskog podrijetla drastično se promijenilo. U svakom od nas 2% su neandertalci, a bilo je i Denisovanaca (Denisovanaca), za koje nitko uopće nije sumnjao. Zapravo, u Euroaziji prije 40 tisuća godina postojale su tri neovisne grane čovječanstva, križale su se u svim kombinacijama, a ostatke tih križanja vidimo u genomu.
Jeste li svi preuzeli ostatke onoga što je ostalo na parkiralištima?
Ovo je stara DNK i analiza moderne DNK od različitih ljudi. Mislim da je ovo vrlo cool. To uvelike iskrivljuje moju sliku svijeta.
Mihail, zbunio si nas. 2% neandertalaca, ali ima mnogo toga zajedničkog s gljivama, s cvijećem … Doista, ovdje govorimo o kockicama iz kojih je sređen život. Sada, koliko sam razumio, kombinirate ove kocke u različitom redoslijedu, vidite koji su se znakovi pojavili i u ontogeniji i u filogeniji, kako se razvijao embrij pojedine osobe, kako se život na Zemlji općenito razvijao
- Da. Mi to radimo u računalu, a eksperimentatori to rade u stanicama.
Živimo u ugodnom vremenu! Nadajmo se da će ovi pokusi dovesti do stvaranja lijekova za rak i AIDS
- Zapravo je već stvoren lijek za rak.
Mislim na razumijevanje mehanizama djelovanja
- I ljudi s dijagnozom AIDS-a žive i žive od modernih lijekova.
Pitanje nije u lijekovima, nego u načinu liječenja na razini gena. To je daljnja želja
Sergej Medvedev