Создана лаборатория геномики растений.
В начале этого года в Институте проблем передачи информации РАН в рамках проекта Минобрнауки создана лаборатория геномики растений. О том, какую связь имеет биология с проблемами передачи информации и какие исследования будут проводить сотрудники ИППИ, а также о первых результатах «Поиску» рассказали директор ИППИ РАН, доктор физико-математических наук, профессор РАН Андрей СОБОЛЕВСКИЙ и заведующий новой лабораторией, кандидат биологических наук Алексей ПЕНИН.
– Андрей Николаевич, как генетика растений связана с тематикой института?
– Дело в том, что живые системы умеют очень эффективно передавать и обрабатывать информацию. Создатели института осознавали это давно, поэтому биологический профиль был заложен в институте изначально. А в 2000-е годы появился мощный отдел биоинформатики, тесно взаимодействующий с факультетом биоинженерии и биоинформатики Московского государственного университета им. М.В.Ломоносова. Наши сотрудники преподавали и преподают там. Это давняя традиция – работать на стыке наук, поэтому и сейчас никого не удивило, что у нас начались исследования, связанные с генетикой растений.
По правилам проекта, наполнять новую лабораторию нужно из числа ученых, не числящихся в структурах РАН, и с этим у нас проблем не возникло. С коллегами, которые составили костяк сформировавшегося коллектива, мы сотрудничаем в рамках сетевого взаимодействия уже давно. В основном это профессионалы из МГУ. Объединил нас проект Российского научного фонда по поддержке комплексных научных программ, в котором ИППИ РАН получил один из 16 так называемых больших грантов. Мы купили высокопроизводительный секвенатор ДНК и договорились с МГУ, что наше оборудование установим в лаборатории их Научно-исследовательского института физико-химической биологии им. А.Н.Белозерского. Тем самым расширим возможности обеих наших организаций по полногеномному секвенированию живых организмов.
Такое сетевое взаимодействие – общепринятая практика в мировой науке. Но все же когда появилась возможность сформировать единый научный коллектив под эгидой нашего института, ею воспользовались. В ИППИ достаточно «плоская» административная иерархия, решения принимаются быстро, и в этом смысле мы очень комфортны для группы Алексея Пенина. Плюс сеть остается сетью, присутствие в МГУ сохраняется, меняется только центр тяжести: к нам пришли люди, которых раньше в системе РАН не было.
– Количество сотрудников новой лаборатории – 10 человек. Это максимум или штат может увеличиться?
– Четкого предписания от Министерства по этому условию не было. Вначале должно было быть не менее десяти, сейчас их уже больше. Процесс формирования лаборатории продолжается. Мы набрали молодых исследователей, но ждем, что люди к нам еще придут. Есть некоторые договоренности с учеными, завершающими свои трудовые отношения в других учреждениях. У нового коллектива уже вышли статьи в международных журналах: такой интенсивный публикационный процесс практически невозможен, например, в классической фундаментальной математике, но характерен для биоинформатиков. Исследования наших генетиков поддержаны двумя грантами РНФ. Один из проектов посвящен изучению эволюции экспрессии генов, другой – исследованию гречихи. Лаборатория будет расти и в плане оснащения: для этого мы надеемся использовать поддержку обновления приборной базы институтов, предусмотренную в национальном проекте «Наука».
– Отличается ли зарплата недавно принятых сотрудников от их коллег по ИППИ РАН?
– Да, отличается: кто-то в институте зарабатывает меньше, кто-то – больше. Но это не связано напрямую с проектом «Новая лаборатория». Мы живем в реальности, где зарплаты исследователей в разных научных направлениях неодинаковы: где-то есть прикладные проекты и средства наукоемких компаний, где-то – только бюджетное финансирование и небольшие гранты, и тогда денег значительно меньше. Например, работами в области искусственного интеллекта занимаются и научные институты вроде нашего, и крупные индустриальные компании, с которыми мы вынуждены конкурировать за исследователей. Платить столько же, сколько они, мы, конечно, не можем, но удается частично нивелировать разницу благодаря присущим научному институту атмосфере, академической свободе. Если же науки не имеют отношения к промышленности, то конкурировать мы начинаем с организациями, где уровень зарплат примерно такой же, и тогда наше преимущество в том, что мы облегчаем сотрудникам прохождение бюрократических процедур, например, при оформлении и реализации грантов.
– Алексей Александрович, какие исследования будут проводиться в вашей новой лаборатории?
– Основные направления связаны с изучением цветковых растений. Они очень интересны для изучения: ведут прикрепленный образ жизни, поэтому задачу защиты от неблагоприятных условий среды им решать гораздо сложнее, чем людям. Но им помогает природа – удивительная пластичность и сложность их генома. Так, геном одного из важнейших сельскохозяйственных объектов – пшеницы – в 6 раз больше, чем у человека, а у японского вороньего глаза – в 50 раз.
Одним из основных механизмов возникновения таких сложных геномов является процесс полиплоидизации, в ходе которого происходит удвоение или утроение генома с последующим изменением функции части генов. Часто возникает объединение геномов близких видов – получается гибрид: часть генов перестает функционировать, часть приобретает новые функции, благодаря чему происходит улучшение регуляции различных процессов. Большинство злаков и других сельскохозяйственных растений возникло именно так.
Сложность геномов значительно затрудняет изучение фундаментальных процессов, происходящих в растениях. Поэтому в качестве модели в мире используют маленькое быстрорастущее растение, родственное капусте и горчице, – резуховидку Таля (Arabidopsis thaliana L.). Несмотря на то что ее изучением более 50 лет занимаются сотни научных групп в разных странах, из 27 тысяч ее генов к настоящему времени хорошо проанализированы функции только 3-4 тысяч. Но даже этого много, так как осуществить комплекс исследований, аналогичных проведенным для резуховидки, на других растениях, очень сложно, долго и дорого. И одной из важных задач является предсказание функций их генов на основе данных, полученных на модельном объекте. В настоящее время это делают, используя сходство последовательностей, однако этой информации недостаточно из-за сложной эволюционной истории геномов.
Разработка алгоритмов, которые позволяют улучшить процедуру сравнения, – одно из основных направлений деятельности нашей лаборатории. Для этого мы используем данные по активности генов в разных частях растений. С этой информацией нужно уметь обращаться: она имеет большой объем, плохо структурирована, часто нечеткая в описании, так как данные получены в разных лабораториях и разными методами. Все это существенно затрудняет использование.
Недавно мы закончили создание и тестирование алгоритма для сравнения экспрессии генов у разных видов. Он основан на методах машинного обучения и показал высокую эффективность: позволяет улучшить анализ процессов эволюции и регуляции генов и их участков. Вовлекая в исследования большой круг объектов, таких как томат, кукуруза, подсолнечник и ряд других, мы надеемся улучшить понимание принципов эволюционных процессов, специфических именно для растений.
Кроме теоретиков в лаборатории есть группа экспериментаторов, которая отслеживает проверку сделанных предсказаний и добывает недостающие данные. Сейчас уже можно уверенно говорить о том, что через три-семь лет в биологии растений наиболее востребованным будет сочетание системной биологии, изучающей функционирование растений, и синтетических подходов, позволяющих точечно изменять функционирование генетических сетей. То есть потребуются как сложные вычисления, так и серьезные эксперименты. Наличие в нашей команде и тех, и других специалистов позволит в будущем выполнять комплексные проекты.
Пока работы такого типа единичны. Например, большим международным консорциумом ведутся работы по изменению типа фотосинтеза у риса с С3 на более эффективный С4, характерный для кукурузы. Для этого подготовлен обширный план, включающий как анализ механизмов развития разных типов фотосинтеза, так и генно-инженерные работы, направленные на изменение структуры листа риса и функционирование его фотосинтетического аппарата. Такие большие проекты отдельной группе недоступны, но есть огромное число локальных задач, с которыми мы можем справиться, и их решения ждет наука.
Недавно один коллега сказал про изучение растений в России, что «эта тема сейчас вызывает нездоровый ажиотаж, возбуждаемый во многом меркантильными соображениями». Действительно, после увеличения финансирования ею заинтересовалось много случайных людей. Конкретных результатов у них нет, что и понятно, – эксперименты на растениях не терпят суеты. Наша группа занималась генетикой и геномикой растений до того, как стала модной, и будет заниматься после того, как мода пройдет.
– А прикладные задачи вы ставите перед коллективом?
– В целом разделение на прикладную и фундаментальную науку мне кажется бессмысленным. Генетика в нашей стране проходила попытку такого разделения в 40-х годах прошлого века и не может в полной мере восстановиться до сих пор.
Приведу пример. Россия выращивает половину всей гречихи в мире. Это низкоурожайная культура, ее собирают примерно по 9-12 центнеров с гектара (сравните: урожайность пшеницы – до 60 центнеров с гектара). Селекционеры хотят создать сорт, который будет если не сравним с пшеницей по продуктивности, то хотя бы выше нынешнего уровня по этому показателю в 1,5-2 раза. Если мы сделаем в своей лаборатории хорошую функциональную аннотацию ее генов с использованием нашего алгоритма, то фундаментальные результаты в перспективе помогут в решении задачи практической. Сейчас мы занимаемся сборкой генома этой культуры, а потом на основе этой информации будем идентифицировать гены, контролирующие хозяйственно-ценные признаки гречихи. Эта работа поддержана РНФ.
Другой пример. Одним из центральных объектов, исследованиями которого мы занимаемся, является хорошо знакомая многим пастушья сумка (Capsella bursa-pastoris L). Это еще один модельный объект для изучения ранней эволюции полиплоидов, он очень близок к резуховидке, что существенно упрощает эксперименты. К слову сказать, именно нашей команде принадлежит публикация в 2017 году чернового варианта генома этого объекта. Растение появилось 100-200 тысяч лет назад при гибридизации двух видов, которые в настоящее время имеют очень скромные ареалы произрастания в Средиземноморье и Казахстане. А гибрид стал одним из пяти самых распространенных в мире: его можно найти и на Кольском полуострове, и в Марокко, и в горах Китая. Наша задача – понять механизмы такого резкого роста приспособленности. В том числе мы планируем проверить, насколько корректно работают современные методы редактирования геномов на полиплоидах. На сельскохозяйственных растениях это изучать достаточно трудно из-за их больших размеров, долгого цикла развития, трудностей с процедурами трансформации. А пастушья сумка является идеальным объектом для таких экспериментов: она небольшого размера, позволяет получать до шести поколений в год, легко трансформируется. Безусловно, это – фундаментальная задача, но полученные результаты позволят лучше планировать эксперименты по редактированию геномов сельскохозяйственных культур.
– В новой лаборатории есть результаты, которыми вы уже сейчас можете гордиться?
– Да. В этом году мы существенно дополнили базу данных Transcriptome Variation Analysis (http://travadb.org/), которую начали создавать незадолго до формирования новой лаборатории. Сначала это был атлас экспрессии генов Arabidopsis thaliana, помогающий исследователям определить, где именно функционирует изучаемый ген, лучше понять его функции, помочь в планировании экспериментов. Теперь в нем есть информация по экспрессии генов томата. Сайт довольно популярен в мире – им пользуются около 4 тысяч исследователей в год. Одним из приоритетов в деятельности лаборатории будет именно развитие базы. В нее будут интегрированы и данные о соотнесении функций генов разных видов, полученные при помощи разработанного нами алгоритма. Надеюсь, что через год она станет еще удобнее и значительно упростит проведение исследований по большому кругу объектов. В значительной мере этому будет способствовать полученный на развитие базы грант РФФИ.