Детективы науки: биоинформатики «Сириуса» раскрывают генетические загадки
Математик занимается абстрактными понятиями и числами, а биолог — живыми организмами и их взаимодействием с окружающей средой. На стыке этих профессий работают биоинформатики. Они создают «симфонию» анализа и открытий, где каждое компьютерное вычисление может привести к прорыву в лечении болезней или понимании жизни на Земле. Расскажем, как таких специалистов готовят в Научно-технологическом университете «Сириус» и над какими проектами они трудятся.
В Университете «Сириус» проходит набор в магистратуру и аспирантуру в области биоинформатики. Если хотите стать частью передовых проектов и внести свой вклад в разработки, которые могут оказаться полезными для миллионов людей, отправляйте заявку прямо сейчас. Узнать о других инициативах и направлениях подготовки можно на сайте университета.
Архитекторы данных в мире геномов
Специалисты этой области занимаются решением актуальных задач в биологии и медицине, используя знания из математики, статистики, информатики и физики. Однажды биологи осознали, что результаты, которые они получают во время исследований, приводят к формированию огромного массива данных. И с помощью привычных в прошлом таблиц и печатного текста анализировать их сложно и долго. Нужны были новые методы работы с биологической информацией.
Пример
Для того чтобы напечатать полную нуклеотидную последовательность генома бактерии E.сoli, потребуется книга объемом около 1 000 страниц. Если взять геном человека — примерно 1 000 таких книг.
Кишечная палочка (Escherichia coli, E. Coli, эшерихия коли) – анаэробная бактерия, естественный обитатель кишечника человека и теплокровных животных Фото: © Billion Photos / Shutterstock / FOTODOM
Впервые термин «биоинформатика» появился благодаря голландским биологам Паулине Хогевег и Бену Хесперу в 1970 году. Так они назвали изучение информационных процессов в биотических системах. А в 1980-х, с появлением персональных компьютеров биологи стали не только проводить вычисления, но и анализировать новые типы данных. Для этого швейцарский биоинформатик Амос Байрох разработал компьютерную программу PC/GENE. Она работала на персональном компьютере PC/XT с тактовой частотой процессора 4 МГц. И специалистам стало проще анализировать последовательности ДНК, мРНК и белков.
Разложить по генам
Прорыв в области биологии начался с середины 1990-х годов, когда запустили международный научно-исследовательский проект «Геном человека». Он длился более 30 лет, и до сих пор считается самым масштабным в области биологии.
К 2003 году было секвенировано лишь 85 % генома человека, но тогда проект закрыли из-за нехватки финансирования, а затем исследование продолжилось за счет спонсоров до полного секвенирования генома человека в 2022 году Фото: © Shutterstock.AI / Shutterstock / FOTODOM
Естественно, российские математики и биологи не отставали. Основу заложили первые специалисты в этой области еще в 1960-х годах. Это Алексей Андреевич Ляпунов, Михаил Григорьевич Колпаков, Игорь Андреевич Полетаев, Вадим Александрович Ратнер. А в период 1970-1990-х они и их ученики создали собственные компьютерные программы для анализа биологических данных. Исследования приобрели другой масштаб. Встал вопрос о воспитании кадров, и в Новосибирске открылась первая в стране школа теоретической кибернетики, в будущем биоинформатики. А уже в 1998 году в Новосибирском Академгородке на базе Института цитологии и генетики СО РАН прошла первая международная конференция по биоинформатике.
Со временем эта наука трансформировалась в системную биологию. Современные методы биоинформатики позволяют проводить мета-анализ, то есть объединять статистические данные нескольких исследований, а это открывает еще больше возможностей для науки. Например, можно не только увидеть, как функционирует конкретный организм, но и провести сравнительный анализ по всему набору экспериментальных данных, полученных за годы исследований, в том числе заметить особенности функционирования изучаемой живой системы или даже выявить противоречивые качественные и количественные данные. Об этом рассказал «Сириус.Журналу» руководитель направления «Вычислительная биология» Университета «Сириус» Илья Акбердин.
Илья Акбердин
Фото: © Пресс-служба «Сириуса»
«Когда мы объединяем эти кусочки общего «пазла» , то создаем модель целостной системы, у которой появляются совершенно новые эмерджентные свойства. Суть в том, что эти свойства нельзя просто интуитивно предсказать на основании данных и знаний об отдельных элементах этой системы. И когда этот пазл складывается, создаются большие сети — математические модели, которые могут привести к настоящим открытиям в науке. В том числе и этим мы занимаемся в Университете „Сириус“», — рассказал он.
Илья Акбердин
Окончил факультет естественных наук Новосибирского государственного университета. С 2005 года — научный сотрудник Института цитологии и генетики Сибирского отделения РАН. В разные годы работал в Erasmus University Medical Center, University of California, Irvine, Heidelberg University и San Diego State University. Научная область — разработка и анализ математических моделей живых систем. С 2010 года преподает в НГУ, с 2018-го — работает в российской ИТ-компании «Биософт.ру», а с 2021-го — старший научный сотрудник, затем ведущий научный сотрудник Университета «Сириус». Занимается изучением метаболизма метанотрофных организмов с применением методов математического моделирования, а также in silico исследованиями метаболических и регуляторных систем про- и эукариот.
Автор более 35 научных публикаций в международных и российских журналах, а также соавтор шести свидетельств по разработке программного обеспечения и баз данных для реконструкции и анализа математических моделей молекулярно-генетических систем.
Развитие биоинформатики в «Сириусе»
В Научно-технологическом университете «Сириус» развивается несколько направлений по биоинформатике. Преподаватели — ученые с мировым именем в области генной инженерии, иммунологии, трансляционной медицины, биоинформатики и системной биологии. Программа для магистрантов, аспирантов направлена на подготовку исследователей и преподавателей с углубленными знаниями и практическими навыками по трем направлениям:
- анализ генетических данных;
- структурная биология и разработка лекарственных препаратов;
- системная биология и математическое моделирование в биологии и медицине.
С первых дней аспирантов трудоустраивают на позицию младшего научного сотрудника. Обучающиеся участвуют в передовых исследованиях на стыке нескольких научных направлений: прикладной математики, информатики и биологической науки.
Айтишник или биолог — вопрос непростой
Татьяна Соколова приехала на первую федеральную территорию из Санкт-Петербурга и поступила в магистратуру Университета «Сириус» после десяти лет работы системным администратором. Со школьной скамьи она мечтала стать биологом, но так получилось, что связала свою жизнь с ИT-сферой. А спустя годы решилась на кардинальные перемены.
Сейчас она занимается реконструкцией регулонной структуры метанотрофных бактерий. Они представляют собой уникальные «микробные фабрики», способные преобразовывать метан в биотехнологически полезные соединения. Также с помощью передовых биоинформиатических подходов Татьяна ищет группы генов, которые управляют клеточным ответом на различные условия и стимулы. Это исследование полезно не только для активного развития биотехнологического применения метанотрофных микроорганизмов, но и для создания экономически эффективных методов сокращения выбросов метана в атмосферу.
«Детская мечта никуда не делась, и в какой-то момент я узнала о такой области, как биоинформатика, она находится на стыке биологии и ИТ-специализации, и я поняла, что не поздно в нее ворваться. Мои навыки сейчас очень полезны в новой области. Университет помогает мне подтянуть знания в биологии, химии и прочих естественнонаучных специальностях, чтобы быть на волне. У нас прекрасные коллектив и преподавательский состав, которые помогли мне комфортно погрузиться в эту науку», — рассказывает Татьяна Соколова.
Как Президент встречался с аспирантами «Сириуса»
ЧитатьОбразовательные программы разработаны так, чтобы каждый нашел свою сферу интересов, при этом погрузившись в новую. На первом курсе математики и программисты должны уделить больше внимания биологии и химии, а биологи — математике и программированию, рассказывает профессор Университета «Сириус» Игорь Седов.
Игорь Седов
Фото: © Юрий Славин / Пресс-служба «Сириуса»
«Так как система обучения модульная, то здесь важно полное погружение в процесс. Если обучающийся пропустит, например, две недели занятий, то он пропустит не одну восьмую часть курса, как при семестровой системе, а весь курс статистики, химии или биологии. И это очень критично. В этом плане, я думаю, они учатся даже больше, чем многие в других университетах. То есть обучение очень интенсивное, поскольку за короткий срок они должны освоить нечто неизвестное и попытаться себя в этом обнаружить», — рассказывает он.
Игорь Седов
Доктор химических наук, ведущий научный сотрудник Казанского федерального университета, приглашенный профессор Университета «Сириус». Выпустил 83 публикации в международных научных журналах, посвященных исследованиям в области химии растворов, биофизической химии, химической термодинамики, компьютерного моделирования биологически активных соединений, имеет индекс Хирша 20. В 2018 году стал Лучшим молодым ученым Республики Татарстан. Лауреат грантов Президента России для государственной поддержки молодых российских ученых — докторов и кандидатов наук, грантов РНФ и РФФИ. В 2020 году стал руководителем совместного проекта Российского фонда фундаментальных исследований (РФФИ) и «Сириуса», благодаря чему попал в университет.
Цель педагогов Университета «Сириус» — подготовить профессиональные кадры для ведущих российских компаний, которые на сегодняшний день испытывают катастрофический дефицит кадров. Поэтому и дипломные работы ориентированы на практические задачи, рассказывает профессор Университета «Сириус» Андрей Головин.
Андрей Головин
Фото: © Юрий Славин / Пресс-служба «Сириуса»
«Помните, не так давно была нашумевшая история, когда студент сделал дипломную работу с помощью Chat-GPT? Конечно, наукой там и не пахло. Мы же хотим, чтобы у студентов были значимые достижения в области науки с практической составляющей. Университет „Сириус“ — это уникальное место, где можно сделать что-то реально полезное для человечества. Поскольку здесь специально для этого создано пространство инновационной активности. И более комфортное место превращения молодого исследователя в стартапера трудно себе представить», — отметил он.
Андрей Головин
Доктор химических наук, с 2013 года старший научный сотрудник Научно-исследовательского института физико-химической биологии имени А. Н. Белозерского МГУ, с 2018-го – профессор факультета биоинженерии и биоинформатики МГУ. Автор более 100 научных публикаций в международных изданиях, а также десятков учебных курсов по биоинформатике. Руководитель проекта «Разработка семейства каталитических антител к фибрину», профессор Университета «Сириус». Область научных интересов: химия и компьютерное моделирование биоструктур, создание новых: белковых молекул с заданными свойствами, коротких функциональных структур ДНК и РНК, биосенсоры.
Туннель времени и знаний открывается
О том, что молодые ученые заняты прикладной наукой, говорят темы их исследований. Выпускник МГУ, ныне аспирант Университета «Сириус» Семен Пирчхадзе, например, разрабатывает математическую модель для описания действия наночастиц против раковых клеток разных типов.
Семен Пирчхадзе
Фото: © Юрий Славин / Пресс-служба «Сириуса»
«Я работаю над фармакокинетикой наночастиц. То есть, по сути, описываю математическими уравнениями, как на организм человека будет действовать лекарство в будущем. Сейчас с коллегами мы создаем математическую модель опухоли, чтобы следить, как она растет и как наночастицы на нее влияют. Кроме того, нужно будет сделать 3D-визуализацию», — рассказывает он.
А Максим Мирошниченко моделирует иммунный ответ организма на заражение патогеном, в частности коронавирусом (SARS-CoV-2). Он занимался микробиологией и биотехнологией в Томском государственном университете, потом поступил в магистратуру Новосибирского государственного университета, где познакомился с математическим моделированием. По приглашению Ильи Акбердина поступил в аспирантуру Университета «Сириус».
Илья Акбердин со студентами в Университете «Сириус»
Фото: © Ярослав Яровой / Пресс-служба «Сириуса»
«Мы разрабатываем математическую модель и изучаем, как ведет себя иммунная система человека и как взаимодействуют между собой различные ее составляющие в ответ на заражение организма патогеном. Например, врожденный и адаптивный иммунитет. Мы также рассматриваем, какие факторы (возраст человека, сопутствующие заболевания) влияют на течение и уровень иммунного ответа. Используя созданную модель, мы ищем наиболее эффективные способы воздействия на функционирование иммунной системы для снижения тяжести течения заболевания. Таким образом, мы не только подбираем таргетную терапию, направленную на ключевые этапы иммунного ответа, но и исследуем поведение организма на различных стадиях болезни», — отмечает Максим Мирошниченко.
В 2020 году президент России Владимир Путин предложил создать национальную базу генетической информации, которая предоставит всем научным институтам доступ к коллекциям генетических образцов. И через два года в нашей стране началось масштабное исследование «100 000+Я». В планах изучить 100 тыс. геномов жителей страны. Это необходимо для диагностики генетических заболеваний, а также для разработки новых подходов к их терапии и создания соответствующих лекарств. Занимается проектом Центр полногеномного секвенирования на базе Института биоорганической химии РАН.
Результаты исследования помогут ученым улучшить диагностику населения, а это позволит подбирать персональное лечение Фото: © Shutterstock.AI / Shutterstock / FOTODOM
Павел Кондрахин тоже занимался математическим моделированием в Новосибирском государственном университете. Он окончил бакалавриат по специальности «Механика и математическое моделирование», где решал уравнения газовой динамики. Потом понял, что хочет заниматься разработкой моделей, более тесно связанных с живыми организмами. Поступил в магистратуру Университета «Сириус», а затем и в аспирантуру. Признается, что его привлекли модульная система обучения, научные коллективы и возможность участия в конференциях и конгрессах, проводимых в Университете.
Павел Кондрахин
Фото: © Юрий Славин / Пресс-служба «Сириуса»
Сейчас разрабатывает математическую модель мозга больного эпилепсией, чтобы помочь людям с этим заболеванием. Молодой ученый объясняет: если проводить описание на уровне отдельных клеток, то можно показать, как противоэпилептические препараты воздействуют на мозг. Это очень детальный уровень изучения. Но можно описывать и на уровне больших областей мозга — в таком случае рассматривается работа тысячи клеток одновременно. Это позволяет симулировать показания электроэнцефалограммы, то есть записи электрической активности мозга.
«Идея моего проекта в том, чтобы совместить вот эти два разных подхода. То есть в нашей модели мозга будет одновременно уровень, который рассчитывает процессы, происходящие внутри отдельных клеток, и уровень, который описывает взаимодействия между областями мозга. А это откроет большие возможности для лечения заболевания», — рассказывает аспирант.
В «Сириусе» создают цифрового двойника пациента
ЧитатьПодобные математические системы можно развивать до бесконечности, внедряя в них дополнительные параметры, рассказывает научный руководитель направления «Вычислительная биология» Научного центра генетики и наук о жизни Университета «Сириус» Федор Колпаков. Он — выходец школы биоинформатиков в Новосибирске, а сейчас сам учит молодых ученых. Под его руководством развивается проект «Цифровой двойник пациента», где магистранты помогают создавать виртуальные модели для лечения гипертонии.
Федор Колпаков
Доктор биологических наук, научный руководитель направления «Вычислительная биология» Научного центра информационных технологий и искусственного интеллекта Университета «Сириус», заведующий лабораторией биоинформатики ФИЦ информационных и вычислительных технологий, технический директор ООО «Биософт.Ру». Соавтор более 150 публикаций, включая журналы Nature Biotechnology, Nature Communications, Nucleic Acids Research, Bioinformatics, индекс Хирша 20 (Scopus).
Под его руководством разрабатывается крупнейшая в мире база данных по регуляции транскрипции — GTRD (Gene Transcription Database) и платформа для моделирования сложных биологических систем и анализа биомедицинских данных BioUML — по множеству показателей лучшая в мире. Также им разработана концепция построения цифрового двойника пациента, которая продемонстрировала эффективность предложенного подхода на примере прогнозирования лекарственной терапии артериальной гипертонии.
Уникальность всех научных проектов «Сириуса» еще и в том, что к ним могут подключаться новые студенты и ученые, заинтересованные в научной работе. Тем самым создавая один масштабный проект.
Федор Колпаков
Фото: © Алёна Енченко / Пресс-служба «Сириуса»
«Именно такой подход помогает поддерживать мировой уровень наших исследований. Для этого проект выкладываем на специальную платформу, где есть весь исходный текст программы и экспериментальные данные, чтобы ученые могли одной кнопкой воспроизвести все результаты, собранные до них. Они начинают его с этой точки и продолжают. В этом и есть уникальность „Сириуса“. Он объединяет ученых с разных уголков страны. Здесь даже энергетика другая — способствующая развитию научных проектов», — отметил Федор Колпаков.
