Генетика и биомедицина

Каждый из нас уникален. Эту уникальность в человека закладывает в том числе его геном, который во многом определяет предрасположенность к тем или иным болезням, образу жизни и питания, возможным физическим нагрузкам. Вот почему усредненное лечение часто не дает желаемого результата — мы слишком индивидуальны и каждому требуется персональный подход.

По мнению специалистов, будущее медицины в персонализации, когда каждому пациенту будет предложено наиболее подходящее лекарство в оптимальной для него дозе, а в перспективе создают индивидуальный препарат, редактируют геном, выращивают новые не отторгаемые органы из клеток пациента на замену вышедшим из строя.

На этом пути исследователям в области геномики и молекулярной биологии, специалистам в области тканевой и биоинженерии еще предстоит сделать очень многое. Человеческий организм — сложнейшая система, в которой огромное количество процессов действуют согласовано. В этой системе все ее части и элементы, включая мельчайшие клеточные органеллы, связаны друг с другом. У нас пока нет полного представления, как функционирует эта система. Поэтому исследования тонких процессов на клеточном уровне сегодня крайне актуальны. Не менее важны и прикладные аспекты проблемы — устройства для ранней диагностики заболеваний и мониторинга биометрических параметров.

Участникам конкурса по этому направлению предлагается исследовать биологическую активность организма. Примером школьного проекта может быть исследование концентрации в слюне различных ферментов, соотнесение результатов эксперимента с физиологическими данными участников эксперимента, полученными в ходе анкетирования участников, и интерпретация полученных данных.

1. Разработка метода функциональной активности рекомбинантных аденоассоциированных вирусных частиц
2. Исследование антипролиферативной активности соединений на 3D моделях клеточных линий
3. Исследование геномной структуры трансгена, обеспечивающего восприимчивость мышей к вирусу SARS-CoV-2
4. Конструирование и синтез последовательности гена универсального синтетического запасающего белка растений
5. Выделение и изучение антибиотиков и ферментов из штаммов-продуцентов биологически-активных веществ
6. Ликвидация стареющих клеток: влияние на опухолевый рост

Описание проектов
(проекты могут быть изменены и дополнены)

1. Разработка метода функциональной активности рекомбинантных аденоассоциированных вирусных частиц

Руководители проекта: Бадэ В.Н., Бутенко Д., Габдрахманова А.Ф.

Аннотация: Генная терапия является высокоэффективным подходом для лечения тяжелых наследственных заболеваний, связанных с нарушением функции конкретных генов. Рекомбинантные аденоассоциированные вирусные векторы (AAV, AdenoAssociated Viral) являются одним из наиболее удобных методов доставки правильной, функциональной копии гена для in vivo терапии наследственных заболеваний, так как: 
– AAV векторы не связаны с патогенезом каких-либо заболеваний у человека,
– AAV векторы обладают довольно низкой иммуногенностью,
– рекомбинантные AAV не содержат вирусных генов, необходимых для репликации и сборки вируса, и являются безопасной системой доставки для генной терапии in vivo. 

Все одобренные биологические продукты должны сопровождаться аналитическими тестами для демонстрации безопасности, чистоты и эффективности. Для характеризации любого биотехнологического продукта, в том числе генно-терапевтического, необходимо разработать in vitro методы тестирования активности. Ключевые вопросы, которые возникают при разработке данных методов: 
– Следует ли рассматривать как экспрессию, так и функциональную активность в рамках одного анализа? 
– Какие соображения необходимо учитывать в отношении интересующего капсида, гена, фермента или белка? 

Одним из ключевых реагентов анализа активности является биорелевантная тест-система (клетка–мишень), которая может принимать ген и показать желаемый механизм действия. Определение профиля клеток–мишеней для анализа активности является важным шагом, и здесь необходимо учитывать следующие факторы: 
– общие соображения по культуре клеток, такие как доступность, рост и морфология,
– характеристики продукта, такие как совместимость с капсидом, промотором и любыми взаимодействующими ферментами или белками,
– характеристика клеточной линии для облегчения экспрессии и функциональных анализов. 

Оптимизация метода тестирования in vitro. На этом этапе каждый независимый этап анализа оптимизируется в отношении общего анализа активности. Оптимизация процесса может включать: 
– стандартизация условий культивирования клеток, таких как плотность клеток, формат посева и время трансдукции,
– параметры функционального анализа, включая концентрацию субстрата, растворитель и стабильность; время и температура инкубации; и специфичность положительных и отрицательных контролей,
– метод обнаружения, используемый для количественной оценки результатов функционального анализа.

Партнер проекта: Акционерное общество «Генериум»

2. Исследование антипролиферативной активности соединений на 3D моделях клеточных линий

Руководители проекта: Тяжельников С.Ф., Маланханова Т.Б., Шеуджен Т.М., Литау Е.В., Цветкова А.В., Донская И.

Аннотация: В фармацевтических компаниях при разработке нового лекарства из десятков молекул, исследуемых на этапе ранней разработки до этапа производства и выпуска доходит всего одна — тем не менее, остальные молекулы могут представлять интерес и внести значительный вклад для изучения биологии рака, валидации терапевтических мишеней и определения эффективности разрабатываемых препаратов.
Проект направлен на освоение современных технологий, связанных с разработкой новых противораковых лекарств. Участники проекта смогут на практике изучить процессы, выполняемые в современной биотехнологической лаборатории BIOCAD: заняться культивированием раковых клеточных линий, поучаствовать в разработке сложных трехмерных клеточных моделей онкологических заболеваний, а также в скрининге новых молекул на предмет противораковой активности. Помимо этого, участники освоят первые этапы технологии получения рекомбинантных белков–мишеней для новых видов терапии с использованием клеток насекомых.

Теоретическая часть проекта посвящена механизмам действия противораковых препаратов и роли в них сигнальных каскадов, физико-химическим принципам визуализации и количественной оценке активности в биологии.

Партнер проекта: Акционерное общество «Биокад»

​3. Исследование геномной структуры трансгена, обеспечивающего восприимчивость мышей к вирусу SARS-CoV-2

Руководители проекта: Баттулин Н.Р., Кабирова Э.М., Нурисламов А.Р.

Аннотация: Трансгенные животные позволяют решать множество актуальных задач. Для медицинских исследований важно иметь подопытных животных для проведения экспериментов. Например, для исследований, связанных с новым коронавирусом были созданы мыши восприимчивые к этому вирусу человека. Для этого в геном мышей внедрили ген человека (ACE2), через который коронавирус проникает в клетки. Важной проблемой при редактировании генома является возможность появления незапланированных нарушений в месте встройки чужеродной ДНК. Мы предложим ребятам проверить итоговую структуру участка генома трансенной мыши в который произошла интеграция генетической конструкции с геном человека. Для этого мы проведем секвенирование с помощью технологии Oxford Nanopore. В процессе подготовки образцов для секвенирования школьники смогут попробовать использовать CRISPR/Cas9 для разрезания специфических участков ДНК. По окончании секвенирования ребята смогут самостоятельно проанализировать геном и определить произошли ли в месте интеграции трансгена незапланированные мутации. Мы также разберем какие системы репарации (защиты генома от мутаций) являются главными виновниками незапланированных модификаций при редактировании генома. 

Еще одна часть проекта связана с проверкой способности клеток трансгенной мыши к заражению вирусом SARS-CoV-2. Этот эксперимент будет проведен на культурах клеток. Для эксперимента мы будем использовать безопасный имитатор вируса — рекомбинантный шипиковый белок коронавируса. Именно этот белок вируса соединяется с клетками человека и обеспечивает проникновение вируса в клетку. Мы будем использовать рекомбинантный шипиковый белок слитый с флуорофором. Так что, если полить препаратом такого белка восприимчивые клетки, белок свяжется с рецепторами клеток и это легко можно видеть по свечению в микроскопе. На основе такой тест-системы восприимчивости к коронавирусу мы протестируем несколько генетических конструкций с человеческим геном ACE2 и выберем те, что обеспечивают максимальную активность трансгена. 

Ребята узнают об актуальных проблемах генной инженерии и создании трансгенных животных, получат опыт работы с передовыми генетическим технологиями. 

Партнер проекта: Федеральное государственное бюджетное научное учреждение «Федеральный исследовательский центр Институт цитологии и генетики Сибирского отделения РАН»

4. Конструирование и синтез последовательности гена универсального синтетического запасающего белка растений

Руководители проекта: Богомаз Д.И., Сухов И.Б.

Аннотация: Работа состоит из двух равноценных частей: биоинформатической и биоинженерной.
Участникам предстоит разработать и реализовать алгоритм замены аминокислотных остатков в белке при минимальных изменениях в пространственной структуре. Разработка подобного алгоритма подразумевает формулировку многопараметрической оптимизационной задачи для биологических последовательностей. Задачей является оптимизация количественного и качественного состава аминокислот, наилучшим образом подходящего для полноценного рациона человека. Предстоит решить проблему ограничения на замену аминокислот, которую накладывают различия в химических и структурных свойствах. При этом оценивать оптимальность изменений предполагается при помощи матриц замен (PAM, BLOSSUM). Результат работы алгоритма замен необходимо будет валидировать посредством гомологичного моделирования новой последовательности белка с целью сравнить пространственную структуру нового белка с исходной.
На основании получившейся последовательности предстоит сконструировать набор перекрывающихся олигонуклеотидов используя программное обеспечение DNAWorks. Произвести сборку последовательности in vitro, произвести клонирование в pJet вектор, анализ получившейся последовательности. Наметить пути для редактирования ошибок, полученных в ходе сборки. Результат полученный по итогу смены может быть использован для создания модифицированных растений с измененным спектром аминокислот в запасающих белках.

Участники освоят целый комплекс биоинформатических и биоинженерных методов, необходимых для реализации проекта: методы работы с последовательностями, подходы в структурной биоинформатике, ПЦР, РВ-ПЦР, клонирование, трансформация бактерий, сборка протяженных последовательностей, их анализ, редактирование последовательностей в плазмиде.

Партнер проекта: Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого

5. Выделение и изучение антибиотиков и ферментов из штаммов-продуцентов биологически-активных веществ

Руководители проекта: Бирюков М.В., Закалюкина Ю.В.

Аннотация: Природа таит в себе как неисчислимые опасности, так и пути борьбы с ними. На протяжении сотен лет ученые выведывали её тайны с целью улучшить жизнь человечества. В середине ХХ века Биология с изобретением антибиотиков сделала огромный рывок и, казалось бы, вплотную приблизилась к тому, чтобы избавить нас от всех болезней, однако триумф был преждевременен. Антибиотикорезистентность патогенных микроорганизмов к препаратам, использующим в клинической практике, — одна из глобальных проблем современного здравоохранения и год от года она все острее. Мы занимаемся поиском продуцентов новых антибиотически активных веществ в природных экосистемах с применением специально сконструированных рекомбинантных систем нового поколения, позволяющие осуществлять целевое обнаружение молекул с заданным механизмом действия.

Вместе с нами учащиеся пройдут увлекательный путь от сбора образцов до выделения из них микробов-продуцентов и «вызнавания их секретов». Работа над проектом позволит познакомится с работой и освоить методы микробиолога-экспериментатора, биохимика, молекулярного биолога и химика-аналитика.

Партнеры проекта: Сколковский институт науки и технологий, Московский государственный университет имени М.В.Ломоносова

6. Ликвидация стареющих клеток: влияние на опухолевый рост

Руководители проекта: Демидов О.Н., Богданова Д.А.

Аннотация: Старение организма неизбежно! Оно сопровождается накоплением стареющих клеток во многих органах и тканях.  В то же время опухолевые заболевания и рак возникают в основном у людей пожилого возраста. А что если эти процессы взаимосвязаны? В нашем проекте мы предлагаем попробовать получить ответы на этот вопрос.

Онкологические заболевания в большинстве случаев являются болезнями старения и современные методы их лечения часто остаются неэффективными. Для повышения эффективности мы предлагаем изучить, как препараты, способные удалять стареющие клетки, могут влиять на опухолевые клетки. В процессе выполнения проекта участники с помощью современных методов иммунологии, молекулярной и клеточной биологии изучат, как изменятся условия окружающие опухоль, уменьшится ее рост или увеличится гибель опухолевых клеток после удаления стареющих клеток. Мы попытаемся понять, какие молекулы секретируемые старыми клетками играют роль в регуляции роста опухоли. Полученные результаты будут актуальны и важны для понимания механизмов старения и создания новых подходов к лечению опухолевых заболеваний. Целью проекта является оценка влияния удаления стареющих клеток на факторы, стимулирующие или подавляющие развитие опухоли. 

Участникам проекта будет предоставлена возможность культивировать первичные, нормальные клетки и опухолевые клетки мыши и человека. Определять различными методами (окраска на SA-beta-gal; p16) и подсчитывать количество стареющих клеток после обработки клеток в культуре противоопухолевыми химиотерапевтическими препаратами (этопозид) и иммуномодулирующими молекулами такими, как фактор некроза опухолей (ФНО) и интерферон-гамма (ИФНг). Изучить экспрессию генов ассоциированных со старением и секрецию в окружающую среду специфических молекул, присущих SASP (интерллейкин-6, ФНО). Оценить влияние применения сенололитиков (англ. Senolytics: senile — дряхлый и lytic — разрушающий) на вышеописанные параметры и на способность опухолевых клеток активно размножаться и быть устойчивыми к лечения противоопухолевыми средствами. 

Эксперименты будут проводиться с применением методов ведения клеток в культуре, дифференцировки в макрофаги, проточной цитометрии, микроскопии, количественного ПЦР, иммуноферментного анализа. 
Полученные данные могут послужить основой для выработки новых стратегий повышения эффективности уже существующих методов лечения злокачественных заболеваний с помощью сенолитической терапии. 

Партнер проекта: Федеральное государственное бюджетное учреждение науки «Институт цитологии РАН»