Sergei Medvedev: Ketika saya masih kecil dan muda, saya masih ingat bagaimana surat khabar selalu terseret: sesuatu akan berlaku ketika genom manusia diuraikan, ketika semua bongkah dan batu bata ini menjadi jelas … Dan sekarang genom manusia telah diuraikan - apa seterusnya? Ilmu yang disebut "bioinformatik" muncul. Apa ini? Adakah genom manusia yang dikodkan adalah sejenis pembina, Lego, dari mana kehidupan manusia diciptakan? Tetamu kami adalah Mikhail Gelfand, ahli bioinformatisme, ketua program Bioteknologi Sarjana di Skoltech, timbalan pengarah Institut Masalah Penyebaran Maklumat Akademi Sains Rusia.
Mikhail Gelfand: Saya juga seorang profesor di Fakulti Sains Komputer di Sekolah Tinggi Ekonomi dan di Fakulti Bioengineering dan Bioinformatika di Moscow State University.
Seperti yang saya fahami, terdapat tiga bilion huruf dalam genom. Kita tahu kodnya - apa yang boleh kita lakukan dengan kod ini? Ini adalah semacam buku masakan kehidupan, sekarang kita dapat memasak manusia, homunculus dari tabung uji?
- Ini adalah buku masakan kehidupan dalam arti kehidupan dapat menghasilkan semula mengikut resipi yang terdapat dalam buku ini. Kami tidak tahu bagaimana, kami adalah tukang masak yang tidak baik dalam hal ini.
Secara umum, kiasan ini dengan menguraikan dan membaca genom tidak begitu berjaya, kerana menguraikan mengandaikan pemahaman, dan sejauh ini kita kurang memahami. Kami telah belajar menghasilkan semula molekul keturunan DNA yang ada di dalam sel hidup dan kemudian dalam tabung uji di komputer, kita tahu dalam urutan apa huruf-huruf ini digabungkan dalam molekul ini. Tetapi memahami maksudnya adalah perkara yang sedikit berbeza.
Bioinformatik muncul sebagai sains bebas tepat ketika biologi secara beransur-ansur mulai berubah dari sains yang berfungsi dengan objek yang terpisah menjadi sains di mana terdapat banyak data. Pada masa ini, perlu menyimpan, memahami, menganalisis data ini dan melakukan sesuatu dengannya.
Ini kira-kira berapa tahun?
- Pada tahun 1977, kami mengembangkan kaedah untuk menentukan urutan DNA (saya secara khusus mengatakan: bukan "penyahkodan", tetapi "menentukan urutan"). Bioinformatik mula muncul, nampaknya, pada awal tahun 80an. Saya sangat bernasib baik: ketika saya menamatkan pengajian di universiti pada tahun 1985, terdapat bidang yang sangat indah di mana tidak perlu belajar apa-apa, bermula dari awal, anda boleh menerimanya dan melakukannya. Ini sangat jarang berlaku dalam sejarah.
Video promosi:
Adakah ia menggunakan kaedah matematik yang lebih banyak?
- Kaedah di dalamnya adalah matematik dalam pengertian berikut: anda harus berfikir. Di beberapa tempat terdapat algoritma yang indah, statistik yang indah, tetapi, pada asasnya, matematik di sana agak remeh, tidak ada tongkat sihir matematik di sana. Anda memerlukan kemahiran untuk mengingat banyak perkara dan cuba menerangkannya dengan cara yang berbeza, dan kemahiran kedua adalah mengemukakan soalan mudah. Dalam pengertian ini, pendidikan matematik sangat berguna bagi saya, mungkin tidak begitu banyak, sebagai komunikasi, kerana komunikasi dengan datuk saya Izrail Moiseevich Gelfand, yang merupakan seorang ahli matematik dan banyak bekerja dalam biologi eksperimen.
Sekarang genom direkodkan, urutan ditentukan - apa yang dapat kita lakukan dari ini? Saya dengar ada teknologi baru: kita dapat mengambil beberapa rantai gen dan memperbaikinya, sebagai gantinya. Maksudnya, kita boleh beroperasi dengan huruf-huruf ini?
- CRISPR adalah teknik kejuruteraan genetik, salah satu teknologi yang sangat maju dan sangat moden yang membolehkan anda melakukan manipulasi yang tepat dan spesifik.
Orang mendapat lebih banyak peluang. Pada prinsipnya, orang tahu bagaimana memasukkan dan membuang gen sebelumnya, hanya lebih sukar dilakukan secara eksperimen, tidak ada manipulasi yang dapat dilakukan secara teknikal. Kini set alat telah berkembang. Adalah mungkin untuk membina rumah, seperti di Sparta, hanya dengan kapak, dan sekarang ada juga gergaji dan bahkan jigsaw, Anda dapat memotong beberapa pelat yang cantik. Dalam pengertian ini, kemajuan teknologi sangat besar, tetapi setakat ini tidak begitu bermakna. Kami memahami beberapa perkara: bahawa ada penyakit monogenik sederhana di mana satu gen tunggal rosak - jelas bahawa jika anda membetulkannya, anda akan mempunyai embrio yang normal.
Dan ini sudah dirawat?
- Tidak, tidak dapat disembuhkan, anda tidak boleh memanipulasi embrio manusia - hanya dilarang oleh undang-undang.
Tetapi, seperti yang saya faham, ia bergerak. Di England mereka membenarkan - dengan embrio sehingga 11 hari …
- Di China, mereka tidak akan meminta sesiapa pun. Anda tidak boleh memperlahankan gelanggang ais dengan meletakkan kura-kura di bawahnya: anda merasa kasihan pada penyu, tetapi gelanggang ais akan kosong. Dalam pengertian ini, tentu saja, ia akan bergerak, tetapi umat manusia perlu memahaminya. Ini adalah perkara yang sangat serius yang memerlukan renungan.
Dia bukan yang pertama. Ketika kejuruteraan genetik baru bermula pada pertengahan tahun 70-an, ketika menjadi jelas bahawa genom dapat dimanipulasi (ketika itu masih bersifat bakteria), sudah ada masalah yang serius: misalnya, mereka takut bahawa mereka secara tidak sengaja akan membuat superbug dan akan memakan semua orang. Terdapat persidangan khas di mana peraturan dikembangkan untuk apa yang kita lakukan dan apa yang tidak kita lakukan. Sebarang alat baru meluaskan peluang, meningkatkan tanggungjawab, dan mesti difahami.
Menimbulkan persoalan etika …
- Dan jika kita bercakap mengenai bioinformatik, kembali kepada apa yang anda minta, maka ada kisah yang sedikit berbeza. Terdapat dua aspek untuknya. Ternyata kita dapat menjawab beberapa soalan biologi klasik hanya dalam komputer.
Saya melakukan banyak genomik bakteria. Terdapat banyak bakteria yang mana satu eksperimen dibuat dalam hidup mereka, iaitu urutan genom ditentukan. Kita tahu banyak tentang mereka: apa yang mereka makan, apa yang tidak dapat mereka makan, bagaimana mereka bernafas, apa yang perlu mereka tambahkan ke persekitaran, tanpanya mereka tidak dapat bertahan, tetapi tidak dapat melakukannya sendiri, dan sebagainya.
Seberapa mudah genom bakteria dibandingkan dengan genom manusia?
- Tidak begitu kritikal. Kami berkongsi 30% gen dengan E. coli. Dari segi jumlah gen, bakteria khas adalah ribuan, dan seseorang adalah 25 ribu.
Adakah anda tahu sepenuhnya gen mana yang bertanggungjawab untuk bakteria?
- Tidak sepenuhnya, tetapi kita tahu banyak.
Jauh lebih dari seorang?
- Sebagai peratusan - tentu saja.
Perkara kedua yang muncul (dan ini, sekali lagi, berkaitan dengan perkembangan teknologi dalam biologi eksperimen) dan memerlukan pemahaman dalam bioinformatik, adalah kita dapat melihat keseluruhan sel. Perkara klasik: pelajar siswazah mempelajari protein tertentu, dia tahu rakan protein ini, tahu bagaimana protein ini berinteraksi dengan DNA, jika ia berinteraksi dengannya, mengetahui kapan gen protein ini dihidupkan dan bila dimatikan. Ini adalah disertasi penuh, beberapa artikel ilmiah mengenai satu protein. Kemudian muncul kaedah yang membolehkan anda menjawab soalan yang sama untuk semua protein sekaligus. Buat pertama kalinya, kami mempunyai gambaran yang tidak terpisahkan tentang bagaimana sel berfungsi; dia sekarang sangat tidak sempurna.
Ada protein yang tidak asing bagi anda, tetapi anda boleh membuat ramalan dengan melihat genomnya …
- Ini adalah dua soalan yang berbeza. Kami dapat meramalkan fungsi protein tanpa melakukan eksperimen dengannya. Ini adalah bioinformatik yang indah berdasarkan semua jenis pertimbangan evolusi.
Berdasarkan profil gennya?
- Protein adalah apa yang dikodkan dalam gen, jadi lebih baik membicarakan gen: berdasarkan siapa gen ini di sebelahnya, seperti mana protein ini dari sedikit diketahui, bagaimana ia diatur ketika dihidupkan dan mematikan.
Perkara yang sama mungkin dilakukan terhadap seseorang?
- Lebih sukar. Secara teknikal, anda boleh.
Lihatlah genom seseorang di peringkat embrio dan katakan: genius akan tumbuh atau Down akan tumbuh
- Ini adalah kisah mengenai fakta bahawa fungsi protein pada amnya tidak diketahui, tidak ada yang diketahui sama sekali, dan kita dapat meramalkannya. Dan apa yang anda bicarakan adalah sekumpulan protein yang terkenal, tetapi dengan beberapa variasi - itu adalah kisah yang sedikit berbeza.
Manusia terdiri daripada protein yang diketahui
- Sebahagiannya diketahui, sebahagiannya tidak. Ternyata kami mempunyai banyak maklumat heterogen tentang bagaimana sel berfungsi. Maklumatnya sangat tidak sempurna, setiap fakta kecil dengan mudah dapat menjadi salah, tetapi secara keseluruhannya masih betul. Dan dari ini boleh cuba menggambarkan sel secara keseluruhan.
Biologi molekul telah lama dimarahi oleh ahli falsafah kerana menjadi sains reduksionis. Di sini anda melihat gajah di beberapa bahagian: seseorang mengkaji kaki, seseorang - ekor, seseorang - batang, dan tidak ada gambar lengkap yang ditambahkan. Kini ia mula terbentuk buat pertama kalinya. Salah satu hasil paradoks ini adalah bahawa pengetahuan dan pemahaman kita secara mutlak meningkat dengan pesat. Kemajuan dalam biologi sangat mengagumkan: kita tahu lebih banyak daripada yang kita ketahui 10 atau 20 tahun yang lalu, bahkan tidak banyak kali, tetapi pesanan yang lebih besar.
Tetapi kawasan kejahilan berkembang dengan lebih pantas. Artinya, pengetahuan relatif kita sebenarnya, menurut saya, semakin berkurang, kerana menjadi jelas bahawa ada ruang terbuka yang kira-kira sepuluh tahun yang lalu tidak berlaku kepada kita bahawa ini boleh terjadi. Dan sekarang kita melihatnya, tetapi kita tidak tahu apa yang harus dilakukan dengannya. Ini sangat sejuk.
Sudah jelas siapa Down: kromosom tambahan. Tetapi siapa yang akan dan siapa yang tidak akan menjadi genius, kita tidak tahu bagaimana untuk meramalkan, dan alhamdulillah. Kami bahkan tidak pandai meramalkan pertumbuhan.
Maklumat ini tidak dikumpulkan?
- Sudah tentu.
Adakah mungkin, misalnya, membandingkan tingkah laku seseorang, profilnya di rangkaian sosial dengan profil genetiknya?
Saya tidak tahu mengenai perkara itu, tetapi sifat psikologi sebahagiannya ditentukan oleh genom, dan ia sedikit dapat diramalkan.
Sebahagiannya oleh genom, sebahagiannya oleh masyarakat
- Masyarakat, beberapa keadaan hidup … Dalam genetik, ini adalah perkara yang dikembangkan, anda dapat mengukur sumbangan faktor genetik kepada sifat tertentu. Mari ambil satu - saya. Saya mempunyai genom yang sama di semua sel, tetapi sel saya berbeza.
Maksudnya, pada suatu ketika, genom memahami sel mana yang akan berkembang?
- Pada satu ketika, sel menyedari bahawa ia mesti menjadi pendahulu epitel atau sistem saraf, atau hati, atau sesuatu yang lain. Selepas pembahagian pertama, semua sel adalah sama, gen di dalamnya berfungsi dengan cara yang sama, dan kemudian mereka mula berfungsi dengan cara yang berbeza. Yang penting sebenarnya bukan gen itu sendiri: Saya dan simpanse mempunyai 50% protein yang sama, dan yang berbeza berbeza dengan satu huruf.
Artinya, pertanyaannya adalah, di manakah program yang pada suatu saat memberitahu sel bahawa ia harus berkembang menjadi seseorang atau simpanse, dan pada seseorang - ke otak atau hati
- Ia berada di tempat yang sama, dalam gen, tetapi yang penting bukan gen itu sendiri, tetapi bagaimana ia menghidupkan dan mematikannya. Dan ini adalah perkara paling menarik yang berlaku dalam biologi sekarang.
Adakah terdapat program yang menghidupkan dan mematikan?
- Pasti. Ini terkenal dalam lalat buah. Drosophila sederhana, embrio juga sederhana … Tidak, Drosophila itu kompleks, tetapi tahap awal perkembangannya dijelaskan dengan tepat secara kuantitatif pada tahap model. Sebagai contoh, anda boleh meramalkan hasil mutasi. Terdapat mutasi apabila lalat buah tumbuh kaki dan bukannya antena. Pada masa yang sama, diketahui gen mana mutasi yang rusak, dan ini dapat dimodelkan - bagaimana sel-sel progenitor melakukan kesalahan.
Bolehkah ia diperbaiki dengan teknologi baru?
- Mungkin, tetapi hanya pada embrio. Apabila kaki atau sepasang sayap tambahan tumbuh, anda tidak dapat memperbaikinya.
Apa yang dapat membawa maksud praktikal? Katakan bahawa apa yang diminati oleh semua orang adalah memerangi barah … Dengan teknologi CRISPR yang menakjubkan ini, orang Cina nampaknya berusaha untuk melawan barah paru-paru. Seperti yang saya fahami, dalam teknologi ini, bakteria, ketika melihat serpihan DNA yang patah, mengambil sekeping dari bakteria yang sihat dan menggantikan rantai yang patah dengan yang sihat
- Ya, hanya soalan menarik, apa yang berlaku pada bakteria yang sihat … Tidak, tidak seperti itu. Sistem CRISPR / Cas adalah imuniti bakteria, perkara yang sedikit berbeza. Apabila virus menjangkiti bakteria, jika tidak mempunyai masa untuk membunuhnya, perang akan bermula di sana, virus menukar beberapa sistem bakteria, mematahkan program genetik bakteria dan menukar bakteria ke pengeluaran virus baru. Sebenarnya, semua virus melakukan ini: bakteria, manusia, dan apa sahaja. Ada sistem yang memungkinkan bakteria, jika virus tidak sempat membunuhnya pada awal, memotong sekeping DNA virus dan menggunakannya sebagai sampel dalam serangan virus yang berikutnya.
Bakteria menginokulasi dirinya dengan virus ini
- Dari satu segi, ya. Ternyata ada protein yang dapat memotong sekeping dan memasukkannya ke suatu tempat dengan sengaja, dan anda boleh menggunakan enzim yang sama ini untuk tujuan kejuruteraan genetik.
Saya tidak begitu faham mengenai terapi barah seperti itu: apabila anda mempunyai berbilion sel, bagaimana anda akan membina sistem yang betul ke dalam setiap sel tersebut? Saya tidak faham bagaimana melakukan ini secara teknikal. Ini dapat dilakukan untuk merawat kecacatan genetik pada tahap embrio, apabila terdapat satu sel.
Dengan barah, ceritanya sedikit berbeza, sebenarnya ada kemajuan yang sangat ketara. Menjadi jelas bahawa apa yang kita ambil untuk penyakit yang sama sebenarnya berada pada tahap molekul - penyakit yang berbeza, dan sasaran untuk terapi juga harus berbeza. Kanser pada mulanya dikelaskan berdasarkan tempat: ia adalah barah paru-paru, barah perut, barah kulit. Kemudian histologi bermula. Ketika mereka mula melihat struktur tumor, dari mana sel itu terdiri, diagnosis jenis "barah paru-paru sel kecil" bermula. Kemudian biokimia bermula, mereka mula melihat beberapa penanda, ia semakin hancur.
Dan sekarang kita dapat melihat mutasi apa yang sebenarnya berlaku. Anda mengambil sampel dari tumor barah dan sampel dari tisu normal yang sama, dan melihat bagaimana perbezaannya. Mereka sangat berbeza, kerana dengan barah semuanya pecah, kesalahan mula terkumpul dengan sangat cepat. Terdapat istilah khas - "pemandu" dan "penumpang": beberapa kesalahan ini adalah penumpang, mereka berlaku secara kebetulan, dan ada juga pemandu, mereka, sebenarnya, menyebabkan kelahiran semula.
Terdapat banyak perkara yang praktikal, kerana, misalnya, jelas bahawa beberapa jenis barah, yang dianggap sebagai satu penyakit, mesti dirawat dengan cara yang berbeza. Sebaliknya, jika anda mempunyai barah yang berbeza secara luaran, tetapi mereka mempunyai kerosakan molekul yang sama, maka anda boleh mencuba menggunakan ubat yang berkesan terhadap yang lain.
Adakah perincian pada tahap genetik, adakah beberapa gen tersingkir?
- Sama ada tersingkir, atau, sebaliknya, mula bekerja terlalu intensif. Tanda khas barah adalah apabila gen yang berfungsi dalam peringkat embrio mula berfungsi pada tisu dewasa. Sel-sel ini mula membahagi secara tidak terkawal. Sebilangan besar barah sebenarnya kelahiran semula, kemerosotan kembali pada masa yang lalu.
Saya ingin segera menekankan: Saya bukan doktor, saya tahu tentang ini sebagai ahli biologi dan orang yang membaca sedikit ulasan. Saya selalu sangat takut mengecewakan orang. Selalu ada keseimbangan antara kejayaan dalam sains dan masalah praktikal - bagi mereka yang akan mendapatkan rawatan esok. Ini adalah perkara eksperimen. Terdapat satu contoh di mana ini berfungsi. Tetapi jelas bahawa ke arah inilah semuanya akan berlaku.
- Sekiranya anda melihat aplikasi perubatan, adakah anda melihat bahawa kejuruteraan genetik, terapi gen sudah berjalan? Sekarang, sejauh yang saya fahami, penyakit autoimun individu menunjukkan bahawa satu gen rosak.
- Sebaliknya, ini adalah kecacatan pada sistem imun, sistem ketahanan badan yang tersingkir. Mereka berusaha untuk mengubatinya.
Kekurangan imuniti pada tahap gen?
- Ini disebabkan oleh kekhasan sistem kekebalan tubuh. Terdapat sel yang membahagi sepanjang masa, klon baru muncul sepanjang masa. Walaupun anda mempunyai semua cacat, tetapi anda telah membuat sejumlah kecil sel-sel progenitor yang diperbaiki, sel-sel itu dapat menggantikan keseluruhan sistem imun, menjana semula. Ini disebabkan tepat pada spesifik bagaimana sistem kekebalan tubuh berfungsi secara umum. Dalam pengertian ini, dia luar biasa plastik.
Adakah bakteria telah membuat semacam vaksinasi, imuniti?
- Ya, tapi sedikit berbeza. Sekali lagi, ketika berkaitan dengan kekurangan imun, ini berarti tidak ada kelas sel sama sekali, kerana gen yang seharusnya berfungsi ketika sel-sel ini matang rosak. Sekiranya anda membaiki gen ini kepada beberapa pendahulu, mereka akan menjadi dewasa dalam sel-sel ini, dan mereka akan menimbulkan gambaran imun yang besar ini.
Terdapat juga, seperti yang saya fahami, biologi evolusi komputasi. Bolehkah anda kembali dan melihat gen manusia purba?
- Ini adalah yang paling menarik. Bioinformatik bukan sains dalam arti yang sama dengan mikroskopi elektron - ini adalah satu set teknik. Bahagian saintifik bioinformatik adalah, pertama, apa yang dikaitkan dengan biologi perkembangan, dan kedua, itu adalah evolusi molekul, dan di sana anda dapat melakukan pelbagai perkara yang luar biasa.
Kami lebih memahami bagaimana ia berlaku. Perbezaan kita dari tetikus bermula pada peringkat pertama embrio, dan kemudian semuanya diperbaiki. Gen yang sama berfungsi dalam kombinasi yang sedikit berbeza. Impian ini untuk menggambarkan kepelbagaian haiwan dengan pemahaman tentang bagaimana ia muncul kembali ke Haeckel. Haeckel banyak menyusahkan, yang mana dia dikritik, tetapi ideanya sendiri sangat tepat. Untuk memahami perbezaan antara seseorang dan tikus, seseorang tidak boleh melihat orang dewasa dan tikus dewasa, tetapi pada embrio pada peringkat pertama. Kini menjadi nyata.
Perkara kedua: kita memahami siapa yang berkaitan dengan siapa, hanya dengan membandingkan genom. Sudah jelas: semakin sedikit perbezaan, semakin erat hubungannya. Ini adalah idea yang sangat mudah, ia dapat di algoritma. Idea kami mengenai evolusi makhluk hidup telah banyak berubah. Secara tradisinya, cendawan selalu dikaji di jabatan tanaman yang lebih rendah, tetapi sebenarnya cendawan bukanlah tanaman yang lebih rendah, tetapi saudara terdekat kita. Bunga dengan cendawan adalah sepupu kepada kami. Ini menunjukkan bahawa multiselulariti muncul berkali-kali secara bebas, dan ini sudah menjadi persoalan yang sangat mendasar. Semasa anda dan saya di sekolah, ada bakteria, kemudian ada protozoa, dan kemudian protozoa mula melekat dan berubah menjadi multiselular, dan kemudian multiselular dibahagikan kepada tumbuhan dan haiwan. Terdapat beberapa tanaman yang lebih rendah, cendawan dan tanaman yang lebih tinggi - bunga ros dan buttercup. Tetapi sebenarnya, tidak demikian:terdapat banyak organisma uniselular yang berbeza, dan dalam barisan organisma uniselular yang berlainan, multiselular timbul beberapa kali secara bebas.
Lelaki sebagai bentuk multiselular tertinggi?
- Saya tidak tahu dari segi apa yang tertinggi. Sekiranya anda melihat pelbagai tisu, maka semua mamalia pada harga yang sama. Sekiranya anda melihat kerumitan sistem saraf, maka kita mesti dibandingkan dengan gurita. Tetapi jika seseorang senang menjadi antroposentrik, maka pada kesihatan, saya tidak kisah.
Pemahaman kita tentang asal usul manusia telah berubah secara mendadak. Dalam setiap kita, 2% adalah Neanderthal, dan ada juga Denisovans (Denisovans), yang tidak disyaki sama sekali. Sebenarnya, di Eurasia 40 ribu tahun yang lalu terdapat tiga cabang kemanusiaan yang bebas, mereka menyeberang dalam semua kombinasi, dan kita melihat sisa-sisa penyeberangan ini dalam genom.
Adakah anda semua mengambil sisa-sisa barang yang tersisa di tempat letak kereta?
Ini adalah DNA lama dan analisis DNA moden dari orang yang berbeza. Saya rasa ini sangat sejuk. Ini sangat mengganggu gambaran saya tentang dunia.
Mikhail, anda telah membingungkan kami. 2% Neanderthal, tetapi ada banyak persamaan dengan cendawan, dengan bunga … Memang, di sini kita bercakap tentang kiub dari mana kehidupan disusun. Sekarang, seperti yang saya fahami, anda menggabungkan kubus ini dalam urutan yang berbeza, melihat tanda-tanda apa yang berlaku pada ontogeny dan filogeni, bagaimana embrio seseorang individu berkembang, bagaimana kehidupan di Bumi umumnya berkembang
- Ya. Kami melakukannya di komputer, dan eksperimen melakukannya di dalam sel.
Kita hidup dalam masa yang menggembirakan! Mari berharap percubaan ini akan membawa kepada penciptaan ubat untuk barah dan AIDS
- Sebenarnya, ubat untuk barah telah dibuat.
Maksud saya memahami mekanisme tindakan
- Dan orang yang didiagnosis dengan AIDS hidup dan menggunakan ubat-ubatan moden.
Persoalannya bukan mengenai ubat-ubatan, tetapi tentang bagaimana merawatnya pada tahap gen. Ini adalah permintaan lebih lanjut
Sergei Medvedev
