Пенсионный советник
«В наше время научные открытия происходят гораздо чаще, чем раньше»

Декан биологического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова о последних достижениях в науках о жизни

,
Depositphotos
О том, как открытие двойной спирали ДНК изменило науку и изменит человека, о редактировании генома, работах по созданию искусственных живых клеток с помощью синтетической биологии, как преодолеть этические преграды и почему биологи не понимают друг друга, рассказал доктор биологических наук, академик РАН Михаил Кирпичников. 2 апреля на биологическом факультете МГУ пройдет конференция, где ведущие ученые расскажут о «нанострекозах», интерфейсах мозг-компьютер и других выдающихся достижениях.

― Скажите, чем занимаются современные биологи?

— Как ни странно, по-прежнему биологией. Но, тем не менее, это интересный вопрос. Биология, а вместе с ней физика и химия ― это не описание реальной природы, а некая модель природы, которую придумал человек для собственного удобства. Самые интересные вещи получаются как раз на стыке областей. В последние десятилетия всё более популярным становится термин «науки о жизни» ― более широкое понятие, которое включает исследования процессов, происходящих в живой системе.

Реклама

Самая прорывная область в науках о жизни ― конечно, геномика. Методы современной молекулярной биологии сегодня «пролезают» в традиционные вопросы общей биологии, зоологию и ботанику: расшифровывается геном растений и животных, происходит паспортизация видов. В настоящее на этой базе геномных технологий по существу построена вся область наук о жизни.

— Какие практические приложения и последние достижения в биологии можно выделить?

— Если говорить о практических приложениях, то человечество оценивает текущую ситуацию ― проблемы климата, питания (как прокормить 9 миллиардов человек), медицины, в том числе персонифицированной ― на основании знаний о том, как устроен геном живых организмов (в частности, человека, если мы говорим о персональной медицине). Эта область очень бурно развивается, не проходит и пяти лет, чтобы не произошло крупное открытие. Сегодня у всех на слуху геномное редактирование, возможность вставлять в «хозяйскую» ДНК чужеродный генетический материал. Ученые, которые этим занимаются, относятся к этому очень спокойно, потому что главный генный инженер ― это сама природа, которая многократно устраивала подобные эксперименты, приводя к появлению новых видов.

Поэтому сама по себе генетическая операция ― разрезание, вставка какого-то нуклеотида, потом сшивание ― не несет в себе никакой опасности. Вот если вы, разрезав ДНК, сознательно вставляете туда ген какого-то токсина ― да, это опасно. Это так же, как с атомной энергией: если вы делаете атомную бомбу ― это нехорошо, а если вы делаете атомный ледокол ― это нормально.

Доктор биологических наук, академик РАН Михаил Кирпичников
Доктор биологических наук, академик РАН Михаил Кирпичников

— А как же этические нормы?

— Принятие решения о том, как использовать то или иное открытие, уже не задача науки, или, скажем так, не задача одной науки, а это задача общества в целом. Поэтому вопросы, связанные с применением новых технологий, всегда носят социально-экономический характер. Прежде всего, смотрят, готово ли общество ментально. К тому, что вчера было неэтично, со временем человечество привыкает и это становится нормальным. Это продолжается уже многие сотни лет, с того момента, как только возникла наука... Второй круг вопросов ― экономические вопросы. Часто новые технологии дают принципиально новые возможности, которых нельзя получить другими способами. А вот нужно ли использовать эти возможности ― это уже должно решать общество.

Технологии редактирования генома хороши тем, что они облегчают общественное восприятие того, что делает генетическая инженерия, например, для пищи, для персональной медицины и так далее. Почему? Потому что редактирование не подразумевает внесение чужеродной генетической информации в тот объект, с которым работает. Там все происходит внутри живой клетки, и посторонняя информация туда не попадает. Этические вопросы к редактированию генома, как правило, связаны с не всегда грамотными, а иногда и очень ангажированными выступлениями противников.

— Какие области наук о жизни сейчас на пике развития?

— Ко всем современным технологиям мы подошли благодаря открытию двойной спирали ДНК. Это основной принцип, по которому передается информация в живых системах, но не единственный. Помимо традиционной генетики, которая изучает повторяющиеся многомиллиардные цепочки из четырех нуклеотидов в двойной спирали ДНК, сегодня существует еще эпигенетика. Это способ передачи генетической информации на молекулярном уровне, но напрямую не связанный с генетическим кодом, он зависит от пространственной укладки. Одна и та же последовательность может быть уложена в виде петель разной формы, и в зависимости от того, какую пространственную конфигурацию занимает ДНК, совсем по-другому будет идти экспрессия генов (то есть выделение белков).

Сегодня мы можем говорить, как о вершине всего, о синтетической биологии, то есть о синтезе ― не природой, а человеком ― живых систем с заданными функциями. Сейчас самые амбициозные проекты в биологии как раз связаны с синтетической биологией. Первый этап ― попытки искусственно создать простейшую живую клетку. А далее ― клетку, которая способна не только существовать, но и производить что-то нужное человеку, какую-нибудь незаменимую в агропромышленном комплексе аминокислоту, или новый компонент лекарств и витаминов.

— Возможны ли в настоящее время открытия, которые полностью перевернут представления человека о биологии?

— Да, и не только в биологии. В наше время такие открытия происходят гораздо чаще, чем раньше. Просто большое видится издалека. Я думаю, что во времена Ньютона мало кто обсуждал законы тяготения, а в момент открытия теории относительности мало кто обсуждал это открытие Эйнштейна. На всех гораздо большее впечатление произвела его работа по фотоэффекту. Именно за эту работу он получил Нобелевскую премию, а не за Общую теорию относительности. Открытие двойной спирали ДНК ― это совершенно великая вещь. А использование методов генетической инженерии рождает буквально каждый год новые приложения.

Нобелевская премия 2012 года была вручена за использование тех же методов, на которых построены современная клеточная и геномная биология. Она была дана за понимание механизмов управление путями развития клетки: как из стволовой клетки получается клетка печени, почки, или нейрон. Это же огромное открытие. Просто время еще не прошло, чтобы понять это. Была решена и обратная задача: из клетки соединительной ткани ― мезенхимы или кожного эпителия — научились получать стволовую клетку. Путь этот очень непрост и чреват многими вещами, и есть серьезные ограничения в клиническом применении. Хотя сейчас в России принят, с моей точки зрения, очень позитивный закон о регенеративной медицине.

Примеров открытий можно приводить очень много. На самом деле, глубокое заблуждение, что серьезные открытия можно предсказывать. Если бы их можно было предсказывать, они бы не были открытиями. Использование этих открытий можно направлять, в этом принципиальное отличие фундаментальной науки от приложения.

— Как изменится, и изменится ли, в ближайшем будущем жизнь людей благодаря открытиям в современной биологии?

Почему говорят, что первая половина XXI века будет временем, когда доминирующее положение в науке будут занимать науки о жизни? Потому что ответить на все основные вызовы, которые стоят перед человечеством ― будь то обеспечение питанием девяти миллиардов людей или персонализированная медицина – традиционными методами просто невозможно. Сейчас мы находимся на пике возможностей. Все стоит на том фундаменте, который обеспечивают современная геномика и другие «омики»: протеомика, геномика, метаболомика ― все они построены на знании функционирования генома. Отсюда решение не только сельскохозяйственных задач, но и задач возобновляемых источников сырья.

Использование нефти в мире сейчас находится на своём пике. Но наступит время, когда оно упадет, и нефть заменят другие источники. И произойдет это не только потому, что будет беда с невозобновляемыми источниками, то есть нефть кончится. Понимаете, каменный век закончился не потому, что камни кончились на Земле. Просто появились новые технологии, изменилась ментальность человека. Если мы на тех же технологиях, которые вполне адекватны и хороши сегодня в век нефти и газа, останемся через сто лет, то превратимся в таких же варваров, какими нам сегодня кажутся люди, которые жили в каменном веке.

Поэтому в промышленной биотехнологии нас ждет ряд очень серьезных перемен, связанных и с возобновляемыми источниками энергии, и с экологической биотехнологией. Пугают, что биотехнология испортит экологию, но я утверждаю, что только при помощи биотехнологии ее можно сохранить: во-первых, зная молекулярные паспорта, мы можем восстанавливать исчезающие виды, к этому нас ведет в том числе и синтетическая биология, и уже более широко известные методы клонирования. Во-вторых, те способы, которые дает биотехнология, помогут для ремедиации земли, воды и воздуха от традиционных загрязнений (например, нефтяных загрязнений). Никто не может соперничать с современной микробиологией, которая построена на этих принципах. Так что, XXI век ― это век биологии. А точнее ― наук о жизни.

— Какие основные достижения есть у ученых биологического факультета МГУ?

— 2 апреля у нас будет конференция «Ломоносовские чтения», где будут представлены успехи ученых биологического факультета. Михаил Островский, крупнейший российский молекулярной физиолог, прочитает лекцию, посвященную перспективам восстановления зрения. Существует ряд совершенно безнадежных и очень распространенных в мире заболеваний, в основном либо врожденных, либо связанных с пожилым возрастом, когда человек теряет зрение за счет того, что в сетчатке погибают нейроны, которые формируют этот сигнал. Проект Михаила Островского ― наша совместная работа по оптогененике и моделированию протезирования зрения. Методом генетической инженерии можно встроить соответствующие нейроны в сетчатку, вставить туда соответствующим образом гены светочувствительного белка родопсина, и восстановить зрение. Сегодня эта задача уже решена и нами (на животных), и американцами (начались клинические испытания) в плане светового зрения, когда человек вообще ничего не чувствовавший, не видевший, начинает различать свет и тень. Дальше идет стадия предметного зрения, когда человек отличает стул от стола ― тут много фундаментальных вопросов, но это уже не фундаментальная наука, а прямое приложение. Следующий этап этой программы, если очень грубо говорить ― это цветовое зрение. И здесь мы совместно с рядом академических институтов довольно далеко продвинулись.

С нервной деятельностью ― очень интересной областью ― будет связан доклад Александра Каплана, который, по крайней мере, последние лет 15-20 занимается разработкой интерфейса мозг – компьютер. Что делается: снимается тонкая энцефалограмма и на ее основе расшифровывается, какие сигналы что обозначают, к каким действиям, к каким мышечным сигналам они должны в норме приводить. Это такая расшифровочная задача с неограниченной областью приложения. Начну с простых и веселых вещей: используя электрический сигнал, который возникает в мозгу, можно конструировать бесконечное количество различных игр без интерфейсов. Люди просто играют, подавая какие-то сигналы. У оператора сложных процессов, если он ведет локомотив, управляет ядерной станцией ― всегда ограничены возможности: две руки и может быть еще голосовые вещи какие-то. При помощи такой методики появляется совершенно новая возможность: оператор подумал о чем-то, и этот сигнал уже может преобразовываться во что-то к потребителю ― скажем, пилоту самолета. Но это в будущем, а сегодня такие вещи уже используют для очень невеселых вещей. У людей, полностью потерявших двигательные и речевые способности, появляется возможность общения с внешним миром. Мы можем расшифровать энцефалограмму такого человека и понять, какой сигнал он дает во внешний мир, это можно фиксировать с помощью компьютеров.

Александр Марков, наш крупнейший эволюционист, расскажет, как и от кого мы произошли, от кого чему научились. В докладе Сергея Ульянова речь пойдет об эпигенетике: как упаковка ДНК в ядре клетки управляет работой генов. Это может влиять на то, какой ген работает, а какой не работает. Это бывает и в норме: по мере развития на разных этапах в клетке какие-то гены активно работают, какие-то нет, потом другие гены ― в зависимости от того, как живет клетка. И в патологии: если выстроилась такая петля, что регуляторные, как говорят, области ДНК оказались положении, которое позволяет работать зарепрессированному (то есть закрытому) гену ― например, онкогену ― вот, пожалуйста, мы на пути к развитию раковой опухоли.

На конференции выступит и самый молодой заведующий кафедрой на биофаке, Алексей Полилов, получивший государственную премию из рук Президента за открытие нового вида самых маленьких насекомых ― «нанострекоз», «наножучков», как мы их неформально и не совсем корректно называем. Мы говорим сейчас «искусственный интеллект», но нельзя сейчас забывать об интеллекте естественном. Одна из краеугольных задач ― развитие науки коннектомики. Это наука о том, как элементы нервной системы связаны между собой, и как они передают сигнал нейрона. Так вот, у «наножучков» или «нанострекоз» всё очень минимизировано и наиболее ярко выражены две функции – нервная и половая, а все остальное убрано. Понятно, почему: потому что надо ориентироваться в пространстве и надо как-то размножаться. И если у млекопитающего многие-многие миллионы нейронов, и разобраться в их связи совершенно невозможно, то у этих «нанонасекомых» их всего с десяток или несколько десятков. Это много порядков разницы, и это позволяет использовать этих «наноживотных» как модели для изучения и понимания процессов передачи нервного импульса.

И, конечно, Петр Каменский много расскажет о нашем знаменитом «Ноевом ковчеге». В числе докладчиков есть разные люди, например, Сергей Недоспасов – лидер во всей стране по иммунологии, есть ученые старшего поколения, те, кому под 80, есть и совершенно молодые люди, которые действительно достигли уже очень больших высот.

— Формат выступлений был изменен с научного на научно-популярный. С чем было связано это решение?

— Самое трудное ― говорить популярно о сложных вещах. Надо действительно глубоко понимать эту вещь. Мы начали с того, что нет химии, биологии и физики, а есть природа, и ее можно исследовать разными методами. И чем совершеннее эти методы, тем более сложные системы мы можем исследовать. Сейчас среди в фундаментальной науке пик биологии потому, что, с одной стороны, «подросли» методы: физические (рентген, ЕМР, криоэлектронная микроскопия), математические (BigData). С другой стороны, мы видим, что на каком-то уровне мы разобрались с живыми системами и теперь их можно изучать более совершенными методами. С моей точки зрения, есть две тенденции. Одна из них – происходит понимание и очень широкое использование самых разных методов для исследования сложных объектов, что дает даже не аддитивный (дополняющий друг друга), а кумулятивный (накопительный) эффект. Сразу получаются прорывные знания. Вторая тенденция: к сожалению, огромная специализация методологий ведет к тому, что люди, даже работающие в близких областях, начинают плохо понимать друг друга.

Не говоря уже о том, что довольно сложно общаться даже профессионалам, которые занимаются близкими вопросами. Они часто не очень хорошо понимают друг друга и упускают важные общие вещи, а лезут в детали, которые не всегда важны и не всегда интересны. Мы решили, что формат, когда лидеры направлений рассказывают о своих областях, он очень хорош и будет интересен широкому кругу людей. В числе докладчиков есть разные люди – есть те, кому под 80, есть совершенно молодые люди, которые действительно достигли уже очень больших высот.

— И всё же на кого рассчитана эта конференция?

— Конференция рассчитана в основном все-таки на студентов старших курсов, на научных сотрудников и преподавателей, но я думаю, что будет очень интересно и для студентов младших курсов, и мы не закрываем двери перед школьниками. У нас есть очень широкая сеть кружков по биологии, куда принимают школьников начиная с 5-6 класса, которые формально не дают никаких преимуществ при поступлении, но, тем не менее, на самом деле они делают самое важное – занимаются прежде всего популяризацией науки. Те, кто видят, что они действительно не ошиблись и что их на самом деле интересует наука - они оказываются у нас, ну а те, кто находит какие-то более интересные для себя занятия - те, по крайней мере остаются культурными людьми, которые понимают, что происходит на переднем крае современной науки.

Я всегда говорю, наш факультет уникален тем, что нет другого такого места в России точно, да и в мире я не знаю, которое бы покрывало все поле наук о жизни. От антропологии или экологических систем, таких сложных, как в целом система Земли до синтетической биологии, через генную инженерию – все поле сосредоточено в одном месте, такого нет нигде больше. Если исходить из биологических задач, то наличие специалистов такого широкого профиля дает нам неоценимое преимущество. Возможность подходить с разных концов и смотреть на проблему. Именно такое уникальное качество биологического факультета позволило нам, например, открыть две такие разные программы магистратуры на английском языке в совместном университете МГУ-ППИ в Шэньчжэне: нанобиотехнология и – совсем на другом полюсе – фундаментальная и системная экология, куда поступают бакалавры-представители совершенно разных специальностей.

Я думаю, это такой формат конференции будет успешным и станет традиционным форматом Ломоносовских чтений.

— Расскажите немного о своей работе?

— Я заканчивал МФТИ и долго искал, чем заниматься. Я был на кафедре физики твердого тела и даже на кафедре теоретической физики. Но на втором курсе у нас организовали кафедру физики живых систем. Я сразу понял, что это мое, и с третьего курса занимаюсь молекулярной биофизикой. В самом начале это была, по существу, белковая инженерия, или, более широко, биоинженерия. Сейчас мои интересы – использование методов биоинженерии в самых разных полях. Наибольший интерес, если говорить о прикладных вещах, для меня представляет дин проект, о котором я уже говорил – оптогенетика при моделировании зрения. Второй проект (о нем я еще не говорил) – производство человеческих терапевтических антител. Это одно из следствий проникновения сначала генно-инженерных технологий, а потом геномных технологий в нашу жизнь. Это началось с того, что в клетках E coli были синтезированы белки человека – инсулин, интерферон – и это действительно была революция. То есть, человека стало возможно лечить белками человека. Не трупным материалом, как было раньше. Потому что как его ни чисти, всегда есть опасность заражения вирусами или чем-то еще, или опасность аллергических реакций. А когда вы получаете абсолютно чистые белки человека, картина абсолютно другая. Это была первая революция в современной биомедицине – человека стало возможно лечить белками человека. Сегодня наука продвинулась до терапевтических антител – генно-инженерных конструкций, которые я считаю самым современным классом лекарств. Сегодня на рынке суммарно присутствуют порядка 250 таких препаратов, в основном это противоонкологические лекарства, но не только – есть и терапевтические антитела. Их суммарный рынок сегодня, я думаю, приближается к 80-90 миллиардам долларов ― напомню, это всего 200 с небольшим препаратов.

Третье направление, которое мне очень сейчас интересно ― это как раз вопросы эпигенетики, причем именно в части сворачивания ДНК, как пространственные структуры ДНК влияют на экспрессию (работу) тех или иных генов. Вот эти вот вещи, ну и, конечно, как будущее ― синтетическая биология, то есть конструкция вот таких вещей. Вот этим всем мы занимаемся.