Инструменты для науки: как новое оборудование поможет понять молекулярное устройство человека
Заниматься наукой – это, в том числе, участвовать в вечной гонке за новыми технологиями и открытиями, современными методами исследований. Чтобы лидировать в этой «гонке», российским ученым нужны мощные ресурсы, включая современное высокотехнологичное оборудование.
В 2019 году Минобрнауки России выделило средства на обновление приборной базы 111 ведущим научно-исследовательским организациям в рамках федерального проекта «Развитие передовой инфраструктуры для проведения исследований и разработок в РФ» (нацпроект «Наука»).
В Институте биомедицинской химии им. В.Н. Ореховича (ИБМХ) средства гранта были направлены на развитие исследований в рамках крупного международного проекта «Протеом человека». Суть проекта в составлении карты белков человека. Для этого были закуплены уникальные приборы, которые не имеют аналогов в России. Новое оборудование позволит проводить анализ состава биологических образцов с рекомендуемыми международным сообществом показателями чувствительности и специфичности.
50% финансирования пошло на развитие методов протеомного анализа, 25% – на создание междисциплинарного научного задела на стыке протеомных, клеточных технологий и технологий генетического редактирования и 25% – на обновление системы хранения и анализа больших данных.
Для развития методов протеомного анализа были закуплены масс-спектрометр micrOTOF-Q II (Bruker, Германия) и оптический биосенсор Biacore 8K (GE Healthcare, Швеция). В создании способов персонализированной терапии и изучении раковых, стволовых и других типов клеток, ученым помогут цитометр с микроскопией высокого разрешения в потоке ImageStreamX Mark II (Lumines, США) и цитофлуориметр ZE5 (BioRad, США). Кластер вычислительных серверов HPE ProLiant (Hewlett Packard, Чехия/Китай) нужен для анализа данных, которые получают при использовании экспериментальных постгеномных подходов.
Пользователями оборудования являются сертифицированные специалисты – сотрудники ИБМХ и сотрудники сторонних организаций, обладающие соответствующей высокой квалификацией. Основные пользователи нового оборудования – молодые перспективные ученые. Например, конечным ответственным пользователем новых масс-спектрометра и оптического биосенсора является Юрий Мезенцев, кандидат биологических наук и молодой сотрудник лаборатории межмолекулярных взаимодействий ИБМХ. Использование вычислительных серверов находится под присмотром Екатерины Поверенной, кандидата биологических наук и молодого заведующего лабораторией интерактомики протеоформ.
Протеом человека
Продолжением масштабного проекта «Генома человека» стал международный проект «Протеом человека», который стартовал в 2010 году в Сиднее. Его цель – измерить содержание продуктов экспрессии генов (белков) в организме человека, т.е. провести «инвентаризацию» всех белков. Предполагается, что полученные знания помогут понять молекулярное устройство человека и откроют новые горизонты в медицинской диагностике и лечении заболеваний. Россия не участвовала в «Геноме человека», но в новом проекте, одним из инициаторов которого стал ИБМХ, отечественные коллективы занимают лидирующие позиции.
Сегодня в исследованиях протеома участвуют более 20 стран, среди них: США, Канада, Республика Корея, Китай и другие. Усилия ученых направлены на обнаружение и характеристику белков, кодируемых 25 хромосомами человека. Российская часть проекта заключается в определении содержания белков, кодируемых генами 18-ой хромосомы.
Ученые уже обнаружили порядка 80% белков, но чтобы найти оставшиеся и понять функции известных и вновь обнаруженных белков, нужно проводить исследования на современном высокотехнологичном оборудовании, в котором реализованы передовые инструментальные и технические решения.
«Мы работаем в области постгеномных технологий с 90-х годов. Это те технологии, которые созданы на основе наших знаний генома. Мы знаем, сколько у нас генов, но до сих пор не знаем, сколько белков. Многие из белков трудно обнаружить и идентифицировать. Так, в мире не существует двух людей с абсолютно одинаковым метаболизмом, каждый человек отличается от другого: по-разному живет, относится к окружающей среде и прочее. Все это приводит к тому, что вырабатываются особенности белкового профиля каждого человека, – рассказывает научный руководитель ИБМХ, координатор международного проекта «Протеом человека» в России, академик РАН Александр Арчаков. – Но наука всегда в движении, и сейчас моя мечта – перейти от работы с популяциями молекул к работе с единичными молекулами, познакомиться с каждой биомолекулой и проконтролировать ее поведение. Для этого мы в институте создаем уникальную научную установку, которая будет единственной в мире».
Результаты проекта «Протеом человека» являются основой для создания цифрового образа человека. Комплексное исследование по анализу молекулярного состава плазмы крови поможет разработать методики для определения уровня содержания различных соединений в крови. Итоги анализа, представленные в виде цифрового кода, будут отражать состояние здоровья человека.
Молекулярная рыбалка
В лаборатории межмолекулярных взаимодействий ИБМХ занимаются прямым молекулярным фишингом с целью идентификации белков-партнеров.
«Мы можем зафиксировать изучаемый белок-наживку на носителе и пропустить через него подготовленный образец биоматериала. В образце есть возможные белки-партнеры, которые и “клюнут” на нашу наживку. А затем то, что мы “поймали” нужно идентифицировать. Идентификация производится с помощью масс-спектрометров. Причем “опознать” возможно не только белок, а вообще любую молекулу, – рассказывает заведующий лабораторией Алексей Иванов. – Раньше мы пользовались услугами соседней лаборатории, но по мере работы у нас стало накапливаться большое количество проб, соседи не успевали оперативно обработать наши запросы и мы получали результат спустя несколько месяцев. Приобретение нового высокопроизводительного масс-спектрометра позволило получить результаты сразу после процедуры молекулярного фишинга, что, очевидно, значительно повышает эффективность наших исследований».
Метод молекулярного фишинга применяется не только в протеомных исследованиях, но также может помочь при разработке новых лекарств: определить, на какие именно белки в организме это соединение влияет. Например, изучение взаимодействия белков-партнеров с различными изоформами бета-амилоида может помочь в исследовании развития болезни Альцгеймера.
Для реализации молекулярного фишинга используется оптический биосенсор, на котором регистрируют взаимодействие молекул друг с другом с помощью эффекта поверхностного плазмонного резонанса. Новый оптический биосенсор Biacore 8K будет использован в исследованиях по анализу иммунных взаимодействий – любые антитела или препараты, вызывающие иммунный ответ, – должны контролироваться такой технологией.
Одна молекула закреплена на поверхности оптического чипа, другая свободно «плавает» в пространстве. Таким образом, в режиме реального времени регистрируется процесс взаимодействия молекул. Из кривых рассчитываются биохимические показатели комплексообразования белков друг с другом и белков с другими веществами, в том числе с низкомолекулярными.
Гибрид микроскопа и цитометрии
Оптическая микроскопия и проточная цитометрия применяются для изучения клеток. По сигналам светорассеяния и флуоресценции регистрируются количественные параметры в потоке клеток или иных частиц. В новом цитометре с микроскопией высокого разрешения в потоке ImageStreamX Mark II совмещены возможности математического и статистического анализа полученных параметров и микроскопии высокого разрешения каждой клетки в потоке. Так, прибор может считывать параметры тысячи клеток в секунду и при этом обеспечивать анализ изображений каждой клетки, а программное обеспечение позволяет беспрепятственно связывать количественные данные с изображениями.
Ученый может нажать на любую точку в комплексе данных и увидеть изображение клетки и всю информацию о ней. Сейчас прибор задействован в исследованиях раковых клеток учеными лаборатории клеточной биологии ИБМХ.
Генетическое редактирование
Один из проектов лаборатории прецизионных биосистем ИБМХ – генетическое редактирование и получение клеток с измененными характеристиками. Цитофлуориметр ZE5 позволяет выделять измененные клетки и быстро оценивать их параметры. С его помощью можно увидеть, что происходит, когда внесены изменения в геном клетки.
Другой проект – разработка технологий ранней диагностики клещевого энцефалита. Исследования основаны на изменениях экспрессии генов и продукции белков в инфицированных антигенпрезентирующих клетках. Ученые изучают молекулярные и клеточные факторы, участвующие в механизме передачи патогенов клещами. Проект реализуется совместно с Институтом паразитологии Биологического центра РАН и университетом Южной Богемии (Чехия).
