Лаборатория биоинженерии: время системных подходов и научной кооперации для выполнения государственных задач

К юбилею Биолого-почвенного института (ФНЦ Биоразнообразия) ДВО РАН

Особенности современного этапа развития лаборатории биоинженерии – это переход к исследованиям, которые государство объявило как приоритетные. Мы не отказываемся от прежней тематики по изучению процессов вторичного метаболизма, но, чтобы ответить на вызовы времени, нужно двигаться дальше. Сейчас актуальны исследования и разработки в области сельского хозяйства, биомедицины и нанотехнологий.

В протеомной лаборатории ЦКП «Биотехнология и генетическая инженерия». Слева направо: М.М. КОТЮКОВ, Ю.Н. ЖУРАВЛЁВ, В.П. БУЛГАКОВ

Для Дальнего Востока России в настоящее время в области сельского хозяйства приоритетными являются такие культуры, как рис, соя и кукуруза. А для них нужно обеспечить устойчивость к холоду, а лучше одновременно к холоду и засухе. Если говорить о мировых тенденциях в области сельскохозяйственной биотехнологии, то становится очевидной попытка ведущих групп перейти на CRISPR технологии, снизив активность работ по агробактериальной трансформации, то есть создания ГМО. При этом тенденция не вносить чужеродный ген, а «подправить» функцию собственного гена, будет усиливаться. Несмотря на то, что 100 лауреатов Нобелевской премии подписали официальное письмо правительствам всего мира и ООН, которое содержит в себе обращение в защиту ГМО, давление на эти технологии остается всё ещё сильным. Это не значит, что учёные должны отказаться от агробактериальных или иных технологий переноса генетической информации, но негативный фактор всё же стоит учитывать.

Более того, такие технологии, как CRISPR, технологии малых интерферирующих РНК, используемые в последнее время для регуляции генных сетей, выглядят более физиологичными, чем перенос одного гена. По этому поводу замечание Гуо и соавторов, что надо стремиться к более мягким, приближённым к природным адаптационным процессам методам воздействия, выглядит привлекательным. Это новый подход в сельскохозяйственной науке. Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов (FDA) США не считает растения, созданные с помощью CRISPR, генно-модифицированными растениями, и не требует их отдельных испытаний. Скорее всего, эта тенденция сохранится для других стран.

В протеомном центре Даляньского института химической физики. Слева направо: В.П. БУЛГАКОВ, профессор ХАНФА Жу. В Даляне созданы три биотехнологических технопарка: в зоне свободного экономического развития, в Цифровом и ДНК Порту, в районе Хианьлинь. В этих технопарках два биоинженерных научных центра, восемь центров биоинженерных технологий, Центр подготовки кадров, Информационно-технологический центр, Центр логистики, инвестиций и финансов. Площадь этих парков 1,6 млн. кв.м., а совокупный бюджет 3,7 млрд. долл.

В настоящее время исследование генов, влияющих на устойчивость к холоду, производится в основном на арабидопсисе. Затем данные адаптируются для сельскохозяйственных растений. Наиболее интересны, на наш взгляд, гены ICE-CBF/DREB1 (OST1, HOS1). По CRISPR модификации этих генов написана заявка на международный грант совместно с Тайваньскими коллегами (RSF-MOST: «Изучение ключевых сигнальных компонентов абсцизовой кислоты (ABA), вовлечённых в ABA-опосредованные процессы устойчивости растений к засухе и экстремальным температурам»). Задержка роста или аномалии развития являются основной проблемой в применяемых в настоящее время подходах к биоинженерии сельскохозяйственных культур, когда модифицируется один ген, кодирующий компонент сигнальной системы ABA. Можно добиться нормального развития растения при достижении стрессоустойчивости, но при условии, что будут найдены соответствующие сигнальные компоненты. Совместно с тайваньскими коллегами, идеология и подходы которых совпадают с нашими, мы будем использовать широкий набор современных методов, взаимно дополняя друг друга.

Что касается биомедицинских исследований, то в настоящее время они развиваются на Дальнем Востоке РФ сильными группами из ТИБОХ и Школы биомедицины ДВФУ. Мы считаем для себя приоритетным подключение к этим исследованиям. Здесь, прежде всего, интересно выявление действенных средств из растений дальневосточной флоры и их клеточных культур для фотодинамической онкотерапии, супрессивной регуляции белков теплового шока, регуляции канцер-специфических микроРНК, и TNF-опосредованных апоптоз-индуцирующих лигандов. Что касается полифенолов растений, которыми богата дальневосточная флора, то они и далее будут углублённо изучаться в целях персонифицированной медицины. Дело в том, что в связи с успехами в области нацеленного воздействия на каждого конкретного пациента, биотехнологи должны пополнить арсенал средств для смягчения эффектов основной терапии, подавления метастазирования и общей супрессии опухолей. Нам кажется перспективным подход Школы биомедицины в плане целевой терапии онкогенеза с использованием молекулярных маркёров, когда производится отбор проб у конкретного пациента, культивирование раковых клеток и тестирование эффективного набора лекарств именно для этого больного. Дело это непростое, но в будущем успех терапии будет определяться во многом персональным подходом. Обоснование работ приведено в обзоре V.P. Bulgakov, Y.V. Vereshchagina, G.N. Veremeichik. Anticancer polyphenols from cultured plant cells: production and new bioengineering strategies. Current Medicinal Chemistry 2017 doi: 10.2174/0929867324666170609080357). Совместная со Школой биомедицины ДВФУ заявка на грант РНФ имеет название: «Механизмы эпигенетического контроля и репрограммирования опухолевых клеток глиом и карцином для создания средств персонифицированной диагностики и терапии», а также оформлена заявка КОМФИ РФФИ «Молекулярные детерминанты фенотипической трансформации клеток глиобластомы в условиях гипоксии и стимуляции трансформирующим фактором роста –β1».

Тринадцатый всемирный конгресс биотехнологов, Далянь, КНР. Настоящий ажиотаж вызвал конкурс молодых учёных: оргкомитет непрерывно аннонсировал этот конкурс и довёл молодых учёных до нервного истощения ещё до докладов. На фото – Юлия ВЕРЕЩАГИНА, старший научный сотрудник лаборатории биоинженерии – Лауреат премии для молодых учёных в рамках 13-го Международного конгресса по биотехнологии, Далянь, КНР, 2008г. (BP Young Scientist and Student Awards of 13^th International Biotechnology Simposium and Exhibition (IBS-2008, Dalian, China 2008) – после вручения  диплома победителя.

В области междисциплинарных исследований по бионанотехнологиям важно не снизить темп и усилить взаимодействие с физиками и химиками нашего Отделения. По инициативе академика Ю.Н. Кульчина впервые налажено взаимодействие физиков, химиков и биологов в ДВО РАН в области нанотехнологий. Биологи, на мой взгляд, выделяют мало сил на эти исследования, не желая перераспределять кадровые ресурсы. Это беда не только нашего Отделения: там, где укоренилась привычка годами «сидеть» на своём методе, своём объекте, междисциплинарность исследований вызывает наиболее сильное сопротивление. Чем интересны эти исследования? Ни для кого не секрет, что множество открытий последнего времени совершено на стыке наук. Ростки таких исследований появились в последнее время в ДВО РАН, но это только ростки. Нужно решительное перераспределение сил в пользу междисциплинарных работ. В последние годы совместно с химиками и физиками создан биосенсор для детекции сверхмалых концентраций сероводорода (Optical protein-based biosensor prototype for hydrogen sulfide detection, submitted), впервые осуществлён биологический синтез нанокристаллов диоксида кремния (Y.N. Shkryl, V.P. Bulgakov, G.N. Veremeichik, S.N. Kovalchuk, V.B. Kozhemyako, D.G. Kamenev, I.V. Semiletova, Y.O. Timofeeva., Y.A. Shchipunov, Y.N. Kulchin. Bioinspired enzymatic synthesis of silica nanocrystals provided by recombinant silicatein from the marine sponge Latruncilia oparinae. Bioprocess and Biosystems Engineering. 2016, 39: 53-58), где участвовали специалисты четырёх институтов – БПИ, ТИБОХ, ИХ, ИАПУ. Осуществлён биосинтез наночастиц металлов с применением трансгенных растений (Y.N. Shkryl, G.N. Veremeichik, D.G. Kamenev, T.Y. Gorpenchenko, Y.A. Yugay, D.V. Mashtalyar, A.V. Nepomnyaschiy, T.V. Avramenko, A.A. Karabtsov, V.V. Ivanov, V.P. Bulgakov, S.V. Gnedenkov, Y.N. Kulchin, Y.N. Zhuravlev. Green synthesis of silver nanoparticles using transgenic Nicotiana tabacum callus culture expressing silicatein gene from marine sponge Latrunculia oparinae. Artificial Cells, Nanomedicine, and Biotechnology. 2017, http://dx.doi.org/10.1080/21691401.2017.1388248). В этой работе участвовали учёные нашей лаборатории, Института автоматики и процессов управления, Института химии и Дальневосточного геологического института.

Нужно сказать несколько слов и о системных подходах в биологии, которые важны для всех вышеперечисленных сфер исследований. Системный подход в биологии – это по большому счёту понимание механизмов. Системный подход включает набор «omics» методов, методы молекулярной биологии в сочетании с биоинформатикой. Механизмы биологических процессов изучены в целом плохо, современная наука только ищет пути к их пониманию. Для онкотерапии – это провал парадигмы «Дайте мне мишень, я найду средство». Нет одной мишени ни для одного вида рака, есть взаимодействие белковых модулей. Для сельского хозяйства – это провал парадигмы «Вношу один ген – получаю устойчивость к абиотическому стрессу». Чаще получается, что вношу один ген, получаю устойчивость к стрессу с одновременным ухудшением роста и развития растений.

В.П. БУЛГАКОВ и профессор МИН (N. T. Minh) в лаборатории Института научных исследований Вьетнамской академии наук и технологий, г. Далат (Tay Nguyen Institute of Scientific Research (TNISR), Vietnam Academy of Science and Technology)

Когда мы занимались вторичным метаболизмом (грант РНФ 2014-2016 годов), то с удивлением обнаружили, что даже для арабидопсиса (модельного растения!) нет интерактомной карты вторичного метаболизма. Как объединить сотни статей с сотнями белков в единое понимание процесса, в каком уме это можно удержать без такой карты? Неудивительно, что биотехнологическое производство вторичных метаболитов с применением клеточных культур до сих пор буксует – редкие примеры промышленного использования построены на редких эмпирических удачах, но не на фундаментальной основе. К успеху последних лет можно отнести то, что в лаборатории создана такая карта, с активным участием специалистов Института прикладной математики ДВО РАН (Bulgakov V.P., Avramenko T.V., Tsitsiashvili G.Sh. Critical analysis of protein signaling networks involved in the regulation of plant secondary metabolism: focus on anthocyanins. Critical Reviews in Biotechnology. 2017 37:685-700). Такие же карты построены в нашей лаборатории для глиомы (опухоли головного мозга), сети абсцизовой кислоты/шаперонов для растений.

Начало совместной работы с Институтом научных исследований Вьетнамской академии наук и технологий, г. Далат, по получению культуры ткани артишока – отбор материала в поле 

Современный этап для отечественной науки – очень тяжёлый. Причины все знают и чувствуют негативную обстановку на себе каждый день. Главное – не опускать руки и работать. Мы уже проходили такие этапы в 90-е годы. Нужно внимательно читать Стратегии развития науки и технологий, национальной безопасности, опубликованные в последние годы, и понимать, что делать дальше. Также нужно подсказывать государству, что делать дальше. Мы всё больше и больше вынуждены отказываться от околонаучных дел, слишком мало времени осталось для понимания ключевых проблем своей науки и предвидения её будущего, время сжалось в тугой комок.

Виктор БУЛГАКОВ, 

член-корреспондент РАН, 

заведующий лабораторией биоинженерии