Создание микробных коллекций, лечение вирусных инфекций и защита почв: российские проекты в сфере биобезопасности
Сохранение здоровья населения, защита природных систем от разрушения, предотвращение истощения почв, контроль над использованием антибиотиков в области сельского хозяйства и медицины – все это относится к биобезопасности, одной из важнейших целей национального развития России.
О проектах в сфере биологической безопасности, а также о том, какую роль в их поддержке играет Минобрнауки России, рассказываем в нашем материале.
Как белковые маркеры помогут оценить здоровье человека, а искусственный интеллект – проанализировать развитие заболеваний
В 2020 году Минобрнауки России провело первый открытый конкурс крупных научных проектов по приоритетным направлениям научно-технологического развития в рамках реализации государственной программы «Научно-технологическое развитие Российской Федерации». По итогам конкурса был поддержан 41 проект. 14 из них направлены на получение принципиально новых фундаментальных знаний в области медико-биологических исследований. Максимальная сумма гранта составляет 300 млн рублей на 3 года (с 2020 по 2022 год).
Благодаря выделенным из федерального бюджета средствам проводятся исследования, направленные на разработку лекарственных препаратов для лечения эпидемий вирусных инфекций; средств диагностики, профилактики и лечения социально значимых заболеваний; методов персонализированного подбора противоопухолевой терапии; экологически безопасных и энергоэффективных спектральных и лазерных технологий для повышения продуктивности сельскохозяйственных растений и животных.
В Институте биомедицинской химии имени В.Н. Ореховича реализуется масштабный научный проект мирового уровня, направленный на поиск клинически значимых белковых маркеров на принципиально новом уровне аналитической чувствительности. Методический подход разработан с использованием уникальной научной установки «Авогадро». Он позволит анализировать биологические образцы с разрешением на уровне единичных молекул. В будущем метод молекулярного профилирования будет внедрен в систему оценки состояния здоровья человека.
С помощью полученных результатов можно будет выявить отклонения в молекулярном профиле, свидетельствующие о возможных нарушениях в организме, и интерпретировать эти отклонения в контексте анализа рисков возникновения патологических процессов. В настоящее время технология отрабатывается на примере онкологических заболеваний.
«Можем ли мы сейчас считать единичные макромолекулы так же, как счетчик Гейгера позволяет считать радиоактивные частицы? В начале XXI столетия сформировалась наука, позволяющая анализировать единичные молекулы биообъектов. Совершенствование методов масс-спектрометрии, атомно-силовой микроскопии и появление новых технологий (криоэлектронная микроскопия, высокоэффективное молекулярное моделирование (AlfaFold2), нанопроводные детекторы) позволяют это делать», — рассказал академик РАН, научный руководитель Института биомедицинской химии им. В.Н. Ореховича Александр Арчаков.
В Национальном исследовательском Нижегородском государственном университете им. Н.И. Лобачевского реализуется проект «Надежный и логически прозрачный искусственный интеллект: технология, верификация и применение при социально значимых и инфекционных заболеваниях», который направлен на создание систем ИИ и машинного обучения нового поколения. Технология будет способна к выявлению и быстрой коррекции ошибок, в том числе благодаря имплементации логически объяснимых решений. Применение систем возможно в биомедицинских приложениях, где от принимаемых решений зависит жизнь людей.
«В силу невозможности исчерпывающего тестирования современных систем искусственного интеллекта классическая последовательность «обучение – тестирование» должна быть дополнена следующими шагами: функционирование, выделение ошибок в режиме реального времени, создание мультикорректоров и оценка их надежности. В ходе выполнения первых двух этапов проекта разработана математическая база, проведена необходимая подготовительная работа для использования нового подхода к решению задач, связанных с диагностикой и лечением социально значимых и инфекционных заболеваний, в частности, получены предварительные результаты по выявлению биомаркеров, которые отличают пациентов COVID-19 с различной степенью тяжести. Важным свойством разработанных моделей является интерпретируемость в глобальном и локальном смыслах», — отметил директор Института информационных технологий, математики и механики Университета Лобачевского Николай Золотых.
В 2022 году методы будут применены для анализа молекулярных и фундаментальных механизмов различных заболеваний, таких как синдром Дауна и связанного с ним ускоренного старения, нейродегенеративных заболеваний и различных видов коронавирусов, включая COVID-19. Методы графового анализа, искусственного интеллекта и машинного обучения будут применены для решения задач ранней диагностики заболеваний и идентификации возможных молекулярных и генетических мишеней.
Зачем нужна коллекция микроорганизмов, и как она поможет ученым создавать новые лекарства
В 2021 году Минобрнауки России был проведен конкурсный отбор проектов на предоставление грантов в форме субсидий из федерального бюджета научным организациям и образовательным организациям высшего образования на реализацию отдельных мероприятий Федеральной научно-технической программы развития генетических технологий на 2019-2027 годы.
В результате конкурсного отбора победителями по направлению «Биобезопасность и обеспечение технологической независимости» стали проекты, направленные на создание и развитие биоресурсных коллекций, разработку средств профилактики инфекционных болезней, развитие существующей российской приборной базы и создание новой для проведения исследований и разработок с применением генетических технологий, поиск оригинальных редакторов генома и разработка новых методов использования существующих его редакторов. Общий объем финансирования составил 1 204,968 млн руб.
Одним из победителей стал проект Пущинского научного центра биологических исследований РАН, направленный на создание и реализацию на базе Всероссийской коллекции микроорганизмов сетевого взаимодействия консорциума российских микробных коллекций (ВКМ, UNIQEM, ИЭГМ).
Всероссийская коллекция микроорганизмов (ВКМ) в Пущино — крупнейшая в России коллекция микроорганизмов по показателям общей численности (более 23 тысяч штаммов) и видового разнообразия. Она включает представителей всех основных надцарств (бактерии, археи, мицелиальные грибы, дрожжи) и физиологических групп, выделенных из самых разных мест обитания широкой географии. По видовому разнообразию мицелиальных грибов, дрожжей и актинобактерий ВКМ входит в первую десятку микробных коллекций мира. Кроме того, в ВКМ поддерживаются культуры из микробиомов человека, животных и растений, микроорганизмы III-IV групп патогенности, микроорганизмы категорий «возникающие патогены» («emerging pathogens»), «экопатогены».
В рамках проекта будет создана сеть из трех коллекций и единой каталожной базы данных, интегрированной с базами данных наук о жизни (Life Sciences). Исследователи сформируют сводный интерактивный электронный каталог коллекций с доступом к нему «из одного окна». В дальнейшем к сети и каталожной базе данных смогут присоединиться и другие заинтересованные российские коллекции соответствующего профиля и уровня развития.
В Пущинском центре отмечают, что результаты проекта будут востребованы, например, при производстве лекарств, ферментов, витаминов, средств для защиты растений и восстановления окружающей среды. На основе микроорганизмов ученые смогут создавать диагностикумы для выявления заболеваний человека, животных и растений, разрабатывать препараты для профилактики болезней, а также создавать технологии редактирования геномов, позволяющие исправлять некоторые мутации в геноме человека, приводящие к наследственным патологиям.
Уже завершен первый этап работ, их результатом стало увеличение объемов, повышение качества и ценности фондов коллекций. Фонд ВКМ увеличен более чем на 300 новых культур, представителей редких или отсутствовавших в ней и других коллекциях страны видов (родов) микроорганизмов. Кроме того, создан онлайн-выход на портал каждого участника проекта с сайта www.vkm.ru, а также подготовлен список штаммов трех коллекций и данных по ним для включения в консолидированную каталожную базу данных.
Кроме того, в рамках проекта была организована лаборатория биологии и геносистематики дрожжевых грибов, которую возглавил молодой ученый Алексей Качалкин.