«Здесь проекты более практические, нежели те, над которыми я работал раньше»

Каково изучать РНК в шведской глубинке, что мешает эффективно доставлять гены в ткани человека и для чего заставлять вирусы эволюционировать, в своей колонке для Indicator.Ru рассказал старший научный сотрудник Лаборатории геномной инженерии МФТИ Дмитрий Игнатов.

Я заинтересовался биологией еще в школе, в старших классах участвовал в профильных олимпиадах. Я не выбирал вуз и сразу поступил на биологический факультет МГУ, который закончил в 2009 году. На старших курсах университета стал заниматься научной деятельностью в Институте биоорганической химии РАН. В основном в области молекулярной биологии — исследовал регуляторные процессы у бактерий. Нас интересовал один из уровней регуляции, осуществляемый молекулами РНК. Еще недавно эти молекулы рассматривались лишь как посредники при передаче генетической информации от ДНК к белкам, однако исследования показали, что регуляция с помощью РНК чрезвычайно распространена как у бактерий, так и у более сложных организмов. У многих патогенных бактерий, в частности у Mycobacterium tuberculosis, РНК-регуляция необходима для процесса инфекции. Хотя большая часть случаев туберкулеза может быть вылечена с помощью антибиотиков, некоторые формы этой бактерии приобретают к ним устойчивость. Решением этой проблемы могла бы стать разработка новых лекарств, которые специфически выключают тот или иной механизм регуляции у Mycobacterium tuberculosis. Однако наше понимание регуляторных механизмов в этой бактерии еще далеко не полное. Я изучал малые РНК у этого патогена — короткие фрагменты РНК, которые участвуют в регуляции экспрессии генов. По этой теме и защитил кандидатскую диссертацию в 2009 году.

После защиты я решил поехать за границу, потому что в целом научный уровень там был выше. Меня приняли на позицию постдока в университет города Умео в Швеции. Умео — это небольшой город с населением чуть более ста тысяч жителей. Он находится в северной Швеции и достаточно изолирован. Там красивая природа, чем-то напоминающая русский север. При этом зимой не очень холодно, можно посещать леса и озера. Также недалеко горы Норвегии, где можно покататься на лыжах. Университет хорошо оборудован, работа в нем отлично организована. Научным сотрудникам не приходится задумываться о каких-то бытовых вопросах. Но есть и обратная сторона — в Швеции достаточно трудно получить постоянную позицию из-за высокой конкуренции, при этом шведские ученые обычно в приоритете.

В университете Умео я изучал другую бактерию — Listeria monocytogenes. Листерия живет в природе, некоторые ее виды более патогенные, некоторые — менее. Обычно они вызывают пищевые отравления, причем достаточно серьезные: для ряда штаммов смертность может составлять до 50%. Именно из-за опасности заразиться листериями беременным женщинам противопоказано есть мягкие плесневые сыры: новорожденный имеет высокий шанс заразиться от матери. В результате исследований мы открыли механизм, в котором две достаточно длинные молекулы матричных РНК взаимодействуют друг с другом и регулируют экспрессию одного из факторов вирулентности — белка, очень важного для патогенеза листерии. Ранее считалось, что только короткие молекулы РНК могут связываться с матричными РНК — молекулами, которые кодируют белки. Однако наша работа дает основания предположить, что РНК-регуляция у бактерий может быть гораздо более разнообразной, чем предполагалось.

От бактерий к вирусам, от теории к практике

Я проработал в Умео два с половиной года и мог бы продолжить, но у моей лаборатории закончился грант, поэтому нужно было двигаться дальше. Вместе с семьей мы обдумали возможные варианты и приняли решение вернуться в Россию. При этом мне хотелось продолжить заниматься научной деятельностью, и поиски подходящего места привели в МФТИ. Я подал заявку на конкурс по отбору ученых с международным опытом работы, и в декабре 2018 года меня взяли в лабораторию геномной инженерии. Мне нравится, что на Физтехе все достаточно динамично, у заведующего лабораторией Павла Волчкова свои методы работы, которые отличаются от того, с чем я сталкивался в России: темп работы высокий, поощряется нестандартный подход к решению стоящих перед исследователями задач.

Мы работаем на стыке фундаментальных и прикладных исследований, здесь проекты более практические, нежели те, над которыми я работал раньше. В основном они направлены на модификацию геномов животных и растений, а также на генную терапию заболеваний. Мой проект связан со вторым направлением. В качестве объекта исследования я выбрал аденоассоциированный вирус — это небольшая частица, способная эффективно доставлять генетический материал в клетки хозяина, при этом не вызывая заболеваний. Такие свойства делают аденоассоциированный вирус удобным средством для доставки генов в ткани животных и человека. Основным принципом генной терапии является «починка» мутантного — неправильно работающего — гена, вызывающего заболевание. С помощью аденоассоциированного вируса мы можем доставить нормальную копию мутировавшего гена в клетки человека, устранить эффект мутации и вылечить заболевание.

Несмотря на очевидные достоинства вируса, у него есть ряд недостатков — например, у половины человеческой популяции в крови присутствуют антитела к этому вирусу. У таких пациентов введенные в кровоток вирусы нейтрализуются антителами и практически не работают. Вторая проблема заключается в том, что аденоассоциированный вирус проникает не во все ткани организма. Он хорошо заражает клетки печени или мышечной ткани, но заражение нервных клеток происходит гораздо хуже. Мы используем методы рационального дизайна и направленной эволюции, чтобы модифицировать вирусные частицы: уменьшить их узнавание нейтрализующими антителами или сделать способными заражать интересующие нас типы тканей.

Как разработать генно-терапевтический препарат

Для решения наших задач мы используем как компьютерное моделирование, так и классические методы молекулярной биологии. У нас в команде есть биоинформатики, которые моделируют частицы аденоассоциированного вируса in silico — на компьютере. Затем они тестируют различные способы модификации вирусной частицы и предсказывают их влияние на свойства вируса. Потом молекулярные биологи синтезируют модифицированные варианты вируса и исследуют их свойства при заражении клеток и лабораторных животных. Такой способ модификации биологических объектов основывается на глубоком понимании их свойств и носит название «рациональный дизайн».

Альтернативой рационального дизайна является подход, называемый «направленной эволюцией». В этом случае методом случайного мутагенеза создается огромный набор вариантов вируса, каждый из которых обладает трудно предсказуемыми свойствами. Затем все варианты вирусных частиц вводятся в организм модельных животных и отбираются только те варианты, которые обладают требуемыми характеристиками. В нашем случае это уменьшенная нейтрализация антителами и способность заражать определенные ткани. В этом случае получение модифицированных частиц напоминает процесс эволюции: случайные мутации просеиваются через сито отбора, и остаются только наиболее приспособленные варианты.

Работа нашей команды — это часть большого проекта, конечной целью которого станет разработка генно-терапевтического препарата. Команда создаст модифицированный вектор для доставки генетических конструкций в организм человека. Группа наших коллег разрабатывает модели нескольких врожденных заболеваний человека и занимается дизайном генетических конструкций, которые позволят лечить эти заболевания. Частицы вируса с улучшенными свойствами, рациональные генетические конструкции и методы доставки послужат основой для создания генно-терапевтических препаратов нового поколения.

Понравился материал? Добавьте Indicator.Ru в «Мои источники» Яндекс.Новостей и читайте нас чаще.

Подписывайтесь на Indicator.Ru в соцсетях: Facebook, ВКонтакте, Twitter, Telegram, Одноклассники.