Генетические технологии находятся на пике популярности уже не первое десятилетие. Количество исследований и секвенированных геномов растет стремительно, в то же время с внедрением разработок в жизнь до сих пор возникают проблемы. На VIII Международном форуме технологического развития и выставке «Технопром-2021» обсудили актуальные проблемы генетических технологий.
«Правительство РФ понимает, что генетические технологии — это важно. В национальном проекте “Наука” запланировано направление, посвященное генетическим технологиям и математике. Была сформирована федеральная научно-технологическая программа на период с 2019-го по 2027 год. В ее рамках сейчас идут два конкурса: на биоресурсные коллекции и на исследовательские проекты в области генетики и применения генетических технологий для развития экономики и социально-значимых направлений. Кроме того, год назад был дан ряд поручений президентом РФ. Одно из них — создание национальной базы генетической информации. Насколько эффективны эти меры поддержки и что нужно сделать, чтобы они лучше работали?» — обозначил проблематику дискуссии модератор секции директор ФИЦ «Институт цитологии и генетики СО РАН» член-корреспондент РАН Алексей Владимирович Кочетов.
Ученый выделил несколько важных проблем и вопросов. Во-первых, в нашей стране работать с геномами очень дорого. Куда дешевле отправлять образцы в Европу или Китай. Это не лучшим образом сказывается на конкурентоспособности российских генетических проектов. Во-вторых, важно понимать, как генетические технологии способствуют развитию различных отраслей экономики (медицины, фармакологии, сельского хозяйства и так далее) и социально-экономических трендов. В-третьих, снижается финансирование почвенных проектов, и сокращаются их сроки. В-четвертых, нужно обратить более пристальное внимание на подготовку кадров.
Директор ФИЦ «Всероссийский институт генетических ресурсов растений им. Н. И. Вавилова» (Санкт-Петербург) доктор биологических наук Елена Константиновна Хлесткина отметила, что известные гены-мишени, с которых начали редактирование растений методом CRISPR, уже во многом изучены, и сейчас, чтобы сделать что-то кардинально новое, нужно постараться. К тому же во многих странах возникают трудности с внедрением разработок из-за издержек законодательства, поэтому энтузиазм исследователей в этой области иссяк. «Преимущество будут иметь те, у кого есть генное разнообразие. В связи с этим традиционные генетические банки сегодня трансформируются в биоресурсные центры», — сказала исследовательница. Такой центр сейчас работает и в ВИР РАН.
Чтобы такие центры гарантированно функционировали и обеспечивали науку и прикладные области, необходимы правовые основания. На сегодняшний день для сферы биоресурсных коллекций еще нет законодательных норм, но над их созданием уже работают. Важно обеспечить финансово-экономические условия, сохранение во время чрезвычайных ситуаций, продумать меры защиты от несанкционированного доступа и вместе с тем — понятные и прозрачные механизмы доступа заинтересованным. Нужно решить проблему ввоза образцов из-за рубежа (сейчас многие биоресурсные коллекции не могут пополняться из-за сложных правил в этой области). Кроме того, должны быть четко прописаны правила международного сотрудничества. Также важно сделать защиту от незаконного оборота и предусмотреть наказания.
«В этом направлении сейчас идет активная работа, и мы предполагаем, что она приведет к регламентирующему документу, благодаря которому биоресурсные коллекции будут пополняться и служить современной биологии, биомедицине и сельскому хозяйству», — сказала Елена Хлесткина.
Руководитель школы биоинформатики и научный руководитель ФИЦ ИЦиГ СО РАН академик Николай Александрович Колчанов рассказал, что сегодня темпы роста объема генетических данных на порядок опережают возможности компьютерного анализа. Не хватает мощностей, эффективных скоростных алгоритмов обработки и методов анализа больших данных. Кроме того, для работы с генными сетями сложность генетического секвенирования увеличивается на порядок. «Уже сейчас в базах порядка 70 тысяч генных сетей человека, животных, растений и микроорганизмов, которые содержат описание десятков миллионов молекулярных событий. И их количество стремительно пополняется», — отметил академик.
Здесь просто необходимы интеллектуальные методы автоматического извлечения знаний, основанные на машинном обучении и искусственном интеллекте. В мире создаются крупномасштабные системы для автоматической экстракции знаний — результаты накапливаются в базах данных. Такая система разрабатывается и в ФИЦ ИЦиГ СО РАН. Она работает с десятками миллионов источников информации, в том числе фотографических баз данных и патентов. Пока в мире таких систем около десяти.
По мнению академика, перед Россией стоят два главных вызова в области генетических технологий: создание больших баз геномных данных и суперкомпьютерные вычисления. Последнюю проблему частично может решить создание суперкомпьютерного центра «Лаврентьев» с центром компетенции по высокопроизводительным вычислениям и искусственному интеллекту.
Доклад директора Центрального сибирского ботанического сада СО РАН доктора биологических наук Виктора Владимировича Чепиноги был посвящен тому, как биоресурсные коллекции ботсадов РФ могут стать основой для развития генетических исследований. В коллекции ЦСБС СО РАН сейчас около 11 500 видов, гибридов и форм живых растений и более 700 тысяч листов гербария.
Ученый рассказал про технологию ДНК-штрих-кодирования, которая позволяет использовать последовательности ДНК для идентификации видов. «И живые коллекции, и гербарии здесь имеют свои преимущества и недостатки. Так, с живыми растениями можно в полной мере использовать технологии секвенирования нового поколения. Однако трудно оценить их внутривидовую изменчивость, так как много растений из разных популяций сложно постоянно поддерживать в живом состоянии. В гербарных коллекциях накапливается много материала с большой территории, есть доступ к типовым образцам, но у возрастных образцов происходит разрушение ДНК», — отметил Виктор Чепинога. По его мнению, выводы об экосистемах в целом можно будет делать на основании анализа ДНК отдельных модельных видов.
Директор Института почвоведения и агрохимии СО РАН доктор биологических наук Владимир Алексеевич Андроханов отметил, что генетические технологии в почвоведении находятся в эмбриональном состоянии. Большинство микроорганизмов, населяющих почву, до сих пор не изучено. В то же время знание характеристик почвенного биоценоза очень важно для оценки состояния наземных экосистем, восстановления тех из них, что были нарушены, мониторинга изменений и хорошего качества продовольствия.
В современных условиях антропогенного воздействия почвенное биоразнообразие постоянно снижается. Это приводит к деградации почвенного плодородия и разрушению самого плодородного слоя почвы. Для снижения негативных последствий необходимо переходить на зеленые технологии, биоудобрения и биологические методы защиты растений. В этом могут помочь генетические технологии.
«Основные проблемы применения генетических технологий в почве такие: во-первых, для создания биоресурсного почвенного архива нужны большие информационные мощности, позволяющие хранить и обрабатывать данные. Во-вторых, падает качество образования. Отсутствуют молодые специалисты, которые могли бы продолжить почвенные исследования на новом методологическом и технологическом уровне. Кроме того, снижается финансирование почвенных проектов, и сокращаются их сроки. Четвертая проблема — отставание по приборному обеспечению», — сказал Владимир Андроханов.
Заведующий лабораторией эволюционной биоинформатики и теоретической генетики ФИЦ «Институт цитологии и генетики СО РАН» кандидат биологических наук Дмитрий Аркадьевич Афонников рассказал про информационные технологии создания новых сортов растений и методы фенотипирования, основанные на цифровом анализе изображений.
Диана Хомякова
Фото Юлии Поздняковой
