Инструменты для науки: оборудование для геномных исследований

Минобрнауки России в рамках федерального проекта «Развитие передовой инфраструктуры для проведения исследований и разработок в РФ» (нацпроект «Наука») выделило средства ведущим научно-исследовательским институтам на обновление приборной базы. Одним из них стал Институт молекулярной биологии имени В.А. Энгельгардта Российской академии наук.

ИМБ РАН – ведущий институт в области генетических технологий, молекулярной, структурной и клеточной биологии, иммунологии, биохимии, биофизики, биоинженерии, биотехнологии и биомедицинских исследований. ИМБ РАН стал организацией-координатором Центра высокоточного редактирования и генетических технологий для биомедицины, который был создан в 2019 году в рамках реализации нацпроекта «Наука» и Федеральной научно-технической программы развития генетических технологий. 

Центр объединил в себе потенциал НИИ, университетов и ведущих организаций, работающих в области генетических исследований. Здесь ведутся проекты, которые могут стать прорывными в лечении онкологических и аутоиммунных заболеваний: разработка онколитических вирусов, которые избирательно убивают опухолевые клетки и при этом безопасны для здоровых; получение уникальных линий мышей с гуманизацией генов цитокинов (полипептидные межклеточные медиаторы, регулирующие активность клеток) для изучения механизмов патологического воспаления, а также свойств клинически применяемых и вновь разрабатываемых блокаторов цитокинов.

В марте 2020 года сотрудники ИМБ РАН совместно с коллегами из Гематологического научного центра Минздрава России создали тест-систему для выявления у людей антител к коронавирусу SARS-CoV-2. Сегодня разработка находится в промышленном производстве.

В рамках программы Минобрнауки России институт закупил три новых прибора: серверный вычислительный комплекс на базе платформы Supermicro, изотермический титрующий калориметр MicroCal PEAQ-ITC, проточный цитофлюориметр-сортировщик клеток FACSAria III.     

Геном как открытая книга

Процесс чтения первого генома человека с помощью методов секвенирования (определения последовательности нуклеотидов в ДНК или РНК) растянулся на десять лет: программа «Геном человека» официально началась в 1990 году и завершилась в 2003. С тех пор технологии сильно продвинулись вперед, и если 20 лет назад ученые методом секвенирования по Сенгеру получали информацию о тысячах нуклеотидов, то сегодня методами высокопроизводительного секвенирования – о сотнях миллиардов. 

Для обработки и анализа такого объема данных ученым нужны большие вычислительные мощности. Для этих целей и был закуплен серверный вычислительный комплекс, располагающий 224 вычислительными ядрами с частотой 2,7 ГГц, 3 Тб оперативной памяти, графическим процессор с производительностью более 7 Терафлопс, 60 Тб на быстрых дисках и 280 Тб долговременного хранилища. 

Одними из последних проектов, выполненных с помощью этого прибора, стали высококачественные сборки геномов льна-долгунца сорта Атлант и патогенного изолята гриба Fusarium oxysporum f. sp. lini. Сорт Атлант создан совместно сотрудниками ИМБ РАН и Института льна (г. Торжок), отличается широким адаптивным потенциалом и высоким качеством волокна. Сборка генома этого сорта стала первой в мире, полученной с применением технологий секвенирования третьего поколения, и первой аннотированной сборкой генома льна. Гриб F. oxysporum f. sp. lini вызывает фузариозное увядание льна, приводящее к значительному снижению урожая и качества продукции. Полученная первая в мире сборка генома этого гриба является основой для исследований как самого патогена, так и изучения «ответа» льна на его воздействие на молекулярном уровне. Это необходимо для ведения маркер-ориентированной и геномной селекции с целью создания устойчивых к фузариозному увяданию сортов льна.

Теплота взаимодействия веществ  

Калориметр – это прибор для измерения количества теплоты, которая выделяется или поглощается при протекании физических или химических процессов. Изотермический титрующий калориметр, который закупили в ИМБ РАН, нужен для измерения теплоты взаимодействия веществ, в первую очередь биополимеров (белков, пептидов и нуклеиновых кислот) с другими лигандами – ионами металлов, низкомолекулярными соединениями, белками, нуклеиновыми кислотами и т.д. 

«Определение молекулярных механизмов взаимодействия веществ невозможно без сведений о термодинамических параметрах их связывания. Изотермический титрующий калориметр позволяет наилучшим образом охарактеризовать межмолекулярное взаимодействие и дает возможность напрямую измерить такие важнейшие параметры взаимодействия как энтальпию, энтропию, стехиометрию реакции и, наконец, константу связывания. С помощью этого прибора можно, например, проводить поиск лекарственных соединений. Возьмем фермент, активность которого нужно как-то подавить. Это можно сделать с помощью присоединения химических молекул, других белков и так далее. Мы проверяем, как они взаимодействуют друг с другом. Исходя из результатов, можно давать рекомендации по изменению молекулы, которая должна заглушить наш “плохой белок”», – рассказывает доктор биологических наук, заместитель директора ИМБ РАН Владимир Митькевич. 

Один из проектов ученых ИМБ РАН, в котором задействован калориметр, – изучение возникновения и развития болезни Альцгеймера. Ключевой нейродетерминантой болезни является молекула бета-амилоидного пептида. Бета-амилоид присутствует в человеческом организме всегда, но что именно служит толчком к его патологическому изменению «из хорошего в плохой» – непонятно. Одним из способов для предотвращения болезни является снижение агрегационной способности бета-амилоида за счет взаимодействия с «лекарственными» молекулами. Это могут быть антиагрегационные соединения, пептиды и так далее. Калориметр нужен для исследования взаимодействия бета-амилоида с лигандами. 

Сортировка клеток  

Цитофлуориметр-сортировщик клеток BD FACSAria III предназначен для высокопроизводительного сортинга (или выделения гомогенной клеточной популяции с определенными свойствами) на основе многоцветной проточной цитометрии. 

«Генетические технологии сейчас развиваются настолько активно, что мы можем просеквенировать геномы единичных клеток – это передний край науки, – рассказывает ведущий научный сотрудник лаборатории молекулярных механизмов иммунитета Марина Друцкая. – С помощью сортировщика клеток BD FACSAria III мы получаем чистую популяцию клеток – до 99%, в том числе в формате одна клетка на лунку, ключевой момент для дальнейших возможных экспериментов по секвенированию». 

По словам Марины, прибор позволяет работать с совершенно разными клетками, подстраиваясь под их свойства с помощью настроек, которые задает ученый. «Например, мы можем отсортировать клетки микроглии – это макрофаги центральной нервной системы. В процентном соотношении это очень небольшая клеточная популяция, сами клетки хрупкие и чувствительные к стрессу и внешним воздействиям. На другом сортировщике такие клетки отсортировать было бы невозможно, потому что аналогичные приборы не позволяют достигать такой чистоты сортировки за короткий промежуток времени, не подвергая сами клетки повреждению. Это очень востребованная технология, без которой генетические и биологические исследования просто невозможны», – добавила она.