Нацпроект «Наука»: Геномные центры мирового уровня

Сегодня, когда человечество столкнулось с самым серьезным вызовом за последнее столетие — с пандемией коронавируса, — роль науки, а именно развитие генетических исследований приобретает особый смысл. Российские генетики вместе с врачами включились в борьбу с COVID-19. Ученые разрабатывают тест-системы, определяющие антитела коронавируса, работают над созданием вакцины и лекарственных препаратов.

Для скоординированной деятельности всего сообщества генетиков в рамках реализации нацпроекта «Наука» и Федеральной научно-технической программы развития генетических технологий на 2019-2027 годы организованы три центра геномных исследований мирового уровня по четырём основным направлениям: биобезопасность, медицина, сельское хозяйство и промышленность.

Геномные центры, созданные на базе Роспотребнадзора, Курчатовского института и Института молекулярной биологии им. Энгельгардта Российской академии наук способствуют получению новых знаний в области генетики, разработке новых технологий.

Центры представляют собой консорциумы, объединяющие потенциал научно-исследовательских институтов, университетов, а также организации реального сектора экономики, работающих в области генетических исследований.

Генетические технологии для развития сельского хозяйства и промышленной микробиологии

Курчатовский геномный центр (КГЦ) объединил 8 ведущих научных и образовательных учреждений России, реализующих общие задачи, направленные на развитие двух из четырех направлений Федеральной научно-технической программы развития генетических технологий на 2019-2027 годы. Разработки технологий в области сельского хозяйства и промышленных биотехнологий призваны решать самые важные экономические задачи, такие как обеспечение продовольственной безопасности, создание нового технологического уклада, ориентированного на все большее внедрение природоподобных технологий.

Программа развития КГЦ включает в себя полный цикл исследований и разработок генетических технологий, а дорожная карта предусматривает разработку методов редактирования генома сельскохозяйственных растений, получение новых линий сельскохозяйственных растений, создание генетических баз данных объектов живой природы (цифровых двойников), важных для экономики России, разработку и внедрение в производство большого количество микробных продуцентов для производства широкого спектра соединений -  от кормовых аминокислот до лекарственных субстанций.

За период с начала работы Курчатовского геномного центра были достигнуты важные результаты.

В Курчатовском геномном центре впервые в России проведено глубокое секвенирование (расшифровка генома) отечественного сорта пшеницы «Саратовская 29». Данный сорт лежит в основе всего генетического разнообразия российских сортов этого важнейшего злака и потому был выбран учеными для глубокого секвенирования. «Полученная генетическая информация поможет селекционерам создавать новые сорта с повышенной урожайностью, устойчивых к засухе и климатическим изменениям», - пояснил заместитель руководителя Курчатовского комплекса НБИКС-природоподобных технологий НИЦ «Курчатовский институт» Максим Патрушев. - При этом, полученные сорта будут содержать больше сахаров, что позволит использовать их в биотехнологической промышленности для производства кормов для животных, спирта и других важнейших соединений», - добавил ученый.

Пшеница - не единственная зерновая культура, на которой сосредоточены исследования Курчатовского геномного центра. Не менее значимой культурой является ячмень, который наряду с пшеницей может стать основным сырьем для предприятий.  Учеными Курчатовского геномного центра была получена информация о структуре генома для 2-х сортов ячменя, также представляющих огромное значение для селекционеров.

Учеными Курчатовского геномного центра реализуется самый масштабный проект в области генетической паспортизации, который когда-либо проводился в России. В рамках проекта планируется расшифровка геномов более чем 5000 видов и штаммов микроорганизмов, имеющих значение для биотехнологической отрасли. В эту группу входят как продуценты различных соединений, так и микроорганизмы, используемые, к примеру, в пищевой промышленности. К настоящему моменту получены геномные данные о более 600 штаммах, проведен анализ их геномов, показаны уникальные генетические локусы, определяющие важные функции этих микробов.

Результатом секвенирования является большое количество генетических данных. Анализ данных также представляет важную задачу, так как это требует не только высочайшей квалификации специалистов, но и задействует большие вычислительные ресурсы. С целью повышения эффективности анализа генетических данных микроорганизмов, специалистами Курчатовского геномного центра было создано программное обеспечение, позволяющие в автоматическом режиме проводить полный цикл анализа, практически без участия человека. Кроме этого, Курчатовский институт располагает мощнейшим компьютерным DATA центром, который позволяет обрабатывать огромные объемы данных по генетическим технологиям, экспериментальным комплексам биологических моделей. Результаты, полученные при определении генетической структуры живых систем, должны стать основой для создания улучшенных видов организмов, применяемых в сельском хозяйстве и биотехнологиях. 

Специалисты Курчатовского геномного центра приступили к разработке нескольких платформ для создания тестов, позволяющих обнаруживать вирус без лабораторного оборудования с высокой специфичностью и точностью. Разработка Курчатовского геномного центра является платформенной, т.е. предназначена не только для обнаружения конкретного вируса, но и может быть быстро настроена на другие вирусы или бактерии. В ускоренном порядке учеными Курчатовского геномного центра были синтезированы гены ферментов, которые необходимы для функционирования разрабатываемых платформ. В том числе получены рекомбинантные аналоги бактериальных полимераз, рекомбиназ и стабилизирующих белков.

В Курчатовском геномном центре в бактерии, обитающей в кишечнике, найдена нуклеаза Cpf1. Это аналог Cas9, которая работает по тому же принципу, но отличается меньшими размерами, более высокой эффективностью и меньшим количеством ошибок. Идет патентование нуклеазы и создается ее рекомбинантный аналог для создания высокоэффективного фермента.

Биобезопасность и обеспечение технологической независимости

Центр по биобезопасности, который создан на базе Центра прикладной микробиологии и биотехнологии Роспотребнадзора в консорциуме еще двумя научными организациями: «Вектор» и Научно-исследовательским институтом эпидемиологии Роспотребнадзора за конец 2019 года и начала 2020 проработали комплексное решение задач ускоренного развития генетических технологий, в том числе технологий генетического редактирования для совершенствования мер предупреждения и ликвидации чрезвычайных ситуаций биологического характера.

Консорциум придает большое значение сотрудничеству, ведутся совместные работы с научно-исследовательскими институтами Академии наук и с ведущими российскими университетами.

В 2019 году Центр по биобезопасности создал электронный каталог клинических и референс-штаммов для разработки инновационных препаратов для лечения инфекционных болезней. Проведён скрининг более 2 тысяч штаммов бактерий. Начато создание «Национального интерактивного каталога патогенных микроорганизмов и биотоксинов» на основе их физиологических и генетических особенностей. Кроме использования в текущей эпидемиологической деятельности, каталог важен для быстрой идентификации генетически измененных штаммов возбудителей, искусственно синтезированных, или принципиально новых.

Создаваемая отечественная биоинформационная база данных по патогенам будет способствовать снижению зависимости российской науки от иностранных баз генетических и биологических данных и направлена на решение проблемы технологической независимости государства.

Кроме того, адаптирована и внедрена новая система для обнаружения организмов I и II группы патогенности. При этом создан метод, который позволяет быстро ставить диагнозы, включая инфекционные заболевания. По III-IV группе разработки направлены на решении проблем лекарственной устойчивости на примере наиболее значимой группы бактериальных патогенов ESKAPE.

Так же поддерживается на высоком мировом уровне направление исследований по борьбе с ВИЧ инфекцией. Разработки связаны с использованием генотерапевтических препаратов на основе генного редактирования с целью повышения устойчивости клеток иммунной системы к ВИЧ. Для этого уже получены гуманизированные мышиные модели к ВИЧ и создается технология блокирования генов с помощью CRISPR-Cas системы для получения популяций Т-лимфоцитов с нужными свойствами.

Стоит отметить, что на основе разработанных технологий планируется создание не менее 14-ти новых образовательных программ для слушателей различного уровня и обучено не менее 1680 специалистов.

Центр высокоточного редактирования и генетических технологий для биомедицины

Миссией Центра является разработка генетических технологий для получения новых знаний о нормальных и патологических процессах в организме и применение этих знаний для решения проблем здоровья человека и эффективного снижения потерь от заболеваний.

Головной организацией Центра является Институт молекулярной биологии имени В.А. Энгельгардта Российской академии наук. В марте 2020 г. сотрудники Института совместно с коллегами из Гематологического научного центра Минздрава России разработали тест-систему, предназначенную для выявления у людей антител к циркулирующему в настоящее время на территории РФ коронавирусу SARS-CoV-2. На сегодняшний день разработка ученых востребована рынком и находится в промышленном производстве.

В Центре ведутся проекты, которые могут стать прорывными в лечении онкологических заболеваний. Они связаны с разработкой препаратов нового поколения - онколитических вирусов, которые избирательно убивают опухолевые клетки и при этом безопасны для здоровых клеток. Для проведения доклинических исследований Центром подготовлены уникальные штаммы вирусов, которые способны разрушать клетки рака мозга и рака молочной железы.

Вторая базовая организация Центра – Институт биологии гена Российской академии наук – проводит интенсивные работы по созданию новых геномных редакторов с улучшенными характеристиками. Уже сейчас коллектив Центра нашел новые перспективные варианты редакторов, обладающих новыми свойствами. В частности, найденные варианты более компактны и обладают повышенной точностью. В результате облегчается работа с системами геномного редактирования и при дальнейшем усовершенствовании новые редакторы могут найти применение в клинической практике, для создания сельскохозяйственных животных или растений с улучшенными свойствами, животных моделей для испытания лекарств или для лечения наследственных заболеваний человека.

Третья базовая организация Центра – Российский национальный исследовательский медицинский университет им. Н.И. Пирогова - совместно с компанией «Биокад» работает над созданием не имеющего мировых аналогов препарата для лечения аутоиммунных заболеваний, таких как болезнь Бехтерева и псориатический артрит. Ожидается, что пациентам потребуется принимать это лекарство лишь один раз в несколько лет. При этом будет остановлена прогрессия заболевания и исключены побочные явления, потому что препарат подавляет только патогенные клоны лимфоцитов, не затрагивая здоровые клетки иммунной системы. Начало клинических испытаний препарата запланировано на 2020 год.

Четвертая базовая организация Центра - Федеральное государственное бюджетное учреждение «Федеральный научно-клинический центр физико-химической медицины Федерального медико-биологического агентства» разрабатывает генотерапевтические подходы для борьбы с нейродегенеративными заболеваниями и причинами их развития. Ведутся также работы по изучению механизмов формирования резистентности злокачественных опухолей к химиотерапии, что является одной из главных проблем современной онкологии. Совместно с Научно-производственной фирмой «Литех» разработана еще одна тест-система для выявления антител к коронавирусу SARS-CoV-2.

Разработанные сотрудниками Центра тест-системы для выявления антител к коронавирусу позволят проводить мониторинг коллективного иммунитета на различных этапах пандемии, а также в межэпидемиологический период, в том числе и у медицинского персонала.