За последние 40 лет в науках о жизни произошли прорывные изменения, основанные на развитии таких технологий, как генная и белковая инженерия, гибридомная технология, технологии визуализации (в т.ч. на уровне единичной клетки) и другие. Однако в медицине таких прорывных изменений еще не произошло: да, мы намного лучше понимаем природу и молекулярные механизмы многих заболеваний, но по-настоящему наукоемкие и инновационные лекарства еще не стали широко доступны. В дополнение к этому индивидуальность человека, определяемая уникальностью его генома, приводит к тому, что как предрасположенность к различным заболеваниям, так и ответ на их терапию сильно различаются для разных людей. Другой важной переменной является состав микробиоты, который также достаточно индивидуален.
В идеале, медицина будущего сможет учитывать все эти индивидуальные генетические особенности пациента как в прогностическом плане, так и в ходе персонифицированной терапии. Участникам проектной смены «Большие вызовы» по этому направлению будут предложены разнообразные исследовательские проекты, включающие генетический и эпигенетический анализ, применение лабораторных животных и клеточных систем для моделирования патологических процессов, создание прототипов лекарств. В совокупности они продемонстрируют школьникам современные тенденции биомедицинской науки.
Все направления проектной образовательной программы «Большие вызовы»
Участники были определены по результатам проведения Всероссийского конкурса научно-технологических проектов 2018-2019 года.
Заведующий лабораторией передачи внутриклеточных сигналов в норме и патологии Института молекулярной биологии имени В.А.Энгельгардта РАН, профессор кафедры иммунологии МГУ имени М.В. Ломоносова, профессор и член-корреспондент РАН, доктор биологических наук
доктор биологических наук, профессор, академик РАН, руководитель направления «Иммунобиология и биомедицина» Научного центра генетики и наук о жизни АНО ВО «Университет «Сириус», заведующий лабораторией молекулярных механизмов иммунитета Института молекулярной биологии имени В.А. Энгельгардта РАН, заведующий отделом молекулярной иммунологии НИИ ФХБ им. А.Н. Белозерского, профессор кафедры иммунологии биологического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова
Научный сотрудник Центра генетики и наук о жизни Научного парка «Сириус» Образовательного Фонда «Талант и успех», кандидат биологических наук, методист и координатор экспертов программы «Большие вызовы» 2019 года
Младший научный сотрудник лаборатории молекулярных механизмов иммунитета Института молекулярной биологии им.В.А.Энгельгардта РАН, кандидат биологических наук
Научный сотрудник Центра генетики и наук о жизни Научного парка «Сириус» Образовательного Фонда «Талант и успех», кандидат биологических наук, методист и координатор экспертов программы «Большие вызовы» 2019 года
Научный сотрудник лаборатории передачи внутриклеточных сигналов в норме и патологии Института молекулярной биологии им.В.А.Энгельгардта РАН
Младший научный сотрудник лаборатории молекулярных механизмов иммунитета Института молекулярной биологии имени В.А.Энгельгардта РАН
Младший научный сотрудник лаборатории молекулярных механизмов иммунитета Института молекулярной биологии имени В.А.Энгельгардта РАН
Руководитель отдела синтеза ООО «Биокад»
Заведующий лабораторией «Биохакинг» Научного парка «Сириус» Образовательного Фонда «Талант и успех»
Научный сотрудник лаборатории передачи внутриклеточных сигналов в норме и патологии Института молекулярной биологии имени В.А.Энгельгардта РАН, кандидат биологических наук
Научный сотрудник лаборатории иммунохимии ФГБУ «ГНЦ Института иммунологии» ФМБА России
Заведующий лабораторией передачи внутриклеточных сигналов в норме и патологии Института молекулярной биологии имени В.А.Энгельгардта РАН, профессор кафедры иммунологии МГУ имени М.В. Ломоносова, профессор и член-корреспондент РАН, доктор биологических наук
Координатор практикума от Научного Центра генетики и Наук о Жизни, старший научный сотрудник лаборатории геномного анализа и биоинформатики Центре генетики и наук о жизни «Научно-технологический университет «Сириус»
доктор биологических наук, профессор, академик РАН, руководитель направления «Иммунобиология и биомедицина» Научного центра генетики и наук о жизни АНО ВО «Университет «Сириус», заведующий лабораторией молекулярных механизмов иммунитета Института молекулярной биологии имени В.А. Энгельгардта РАН, заведующий отделом молекулярной иммунологии НИИ ФХБ им. А.Н. Белозерского, профессор кафедры иммунологии биологического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова
Младший научный сотрудник лаборатории молекулярных механизмов иммунитета Института молекулярной биологии им.В.А.Энгельгардта РАН, кандидат биологических наук
Координатор образовательных проектов ООО «Генотек»
1. Изучение связи воспаления с выносливостью.
2. Дизайн инновационных лекарственных средств синтетического происхождения.
3. Изучение микробиома общественных мест и оценка их безопасности для здоровья.
4. Поиск эпигенетических молекулярных маркеров возраста и старения.
5. Молекулярные механизмы активации цитокинов через рецепторы врожденного иммунитета.
Описание проектов
1. Изучение связи воспаления с выносливостью
Руководитель проекта: Носенко М.А.
Аннотация: воспаление помимо своей важной роли в развитии иммунного ответа регулирует многие аспекты жизнедеятельности организма, включая метаболизм и поведение. Тем не менее механизм этого влияния, в том числе роль ключевых медиаторов воспаления, таких как IL-6, TNF и IL-1, остаются малоизученными. Более того, провоспалительные цитокины оказываются вовлечены в развитие многих аутоиммунных и метаболических болезней, а их блокировка является наиболее эффективной терапией таких патологий. Однако такое лечение не лишено побочных эффектов, связанных, в том числе, с ранее неизвестными уникальными функциями провоспалительных цитокинов. Так, десятки тысяч пациентов с ревматоидным артритом получают лекарство Актемра (Тоцилизумаб), которое блокирует сигнальный путь IL-6, при этом последние исследования показывают, что при этой блокировке наблюдается нарушение липидного обмена и повышение уровня холестерина в крови. Более того, применение Тоцилизумаба препятствует потере висцеральной жировой ткани при выполнении физических упражнений, что особенно актуально для людей, страдающих ожирением. Все этого говорит о ключевой роли сигнального пути IL-6 в регуляции метаболизма и жирового обмена в организме.
В этой связи особенно важно проводить исследования, в том числе на генно-модифицированных животных с нарушениями в цитокиновой системе, для детального понимания механизмов действия цитокинов и разработки новых терапевтических подходов с минимальными побочными эффектами. Так, ранее была продемонстрирована важная роль IL-6 в контроле физической активности мышей в условиях системного воспаления. Для этой цели были использованы мыши с генетической инактивацией гена IL-6, а также специальный беговой тренажер для мышей Rotarod, время бега на котором определяет степень выносливости животных. Индукция воспаления с помощью бактериального липополисахарида (ЛПС) в мышах дикого типа приводила к снижению их времени бега на тренажере Rotarod. В то же время мыши, дефицитные по гену IL-6, были устойчивы к снижению выносливости при воспалительном ответе.
В ходе проекта участникам будет предоставлена возможность продолжить изучение роли IL-6 в регуляции физической активности мышей в норме, в условиях системного воспаления, а также в условиях повышенной выносливости при введении эритропоэтина. Работа включает в себя проведение экспериментов с мышами с использованием бегового тренажера Rotarod, получение и характеристику первичных культур клеток костного мозга, в том числе, кроветворных клеток-предшественников, а также анализ экспрессии генов и активности сигнальных путей в клетках и тканях мышей после выполнения упражнений.
Разработка проекта: Институт молекулярной биологии им. В.А. Энгельгардта РАН.
2. Дизайн инновационных лекарственных средств синтетического происхождения
Руководитель проекта: Елагин П.И.
Аннотация: фармацевтическая индустрия началась с малых молекул. Первые выпущенные препараты имели в своей основе субстанцию синтетического происхождения. Конечно прогресс не стоит на месте и на данный момент на рынке имеется большое количество препаратов, имеющих в своем составе субстанции как синтетического, так и биотехнологического происхождения. Тем не менее, разработки инновационных малых молекул продолжаются и каждый год регистрируются десятки новых препаратов на их основе.
Процесс разработки новых молекул является сложным и многоэтапным и затрагивает различные области химических и биологических наук. Основные дисциплины, которые задействованы в разработке, –органическая химия, хемоинформатика, биохимия.
С развитием технологий, ученым удается характеризовать все более сложные мишени, и разработчики решают задачи, связанные с поиском наиболее подходящей малой молекулы.
Обычно процесс разработки состоит из этапов: поиск активной мишени-белка, характеризация структуры мишени, поиск оптимального хемотипа, оптимизация лидерных кандидатов, доклинические исследования.
В данном проекте предлагается:
— провести in silico поиск молекул активных в отношении выбранной биологической мишени – одной из киназ, ответственной за какую-либо онкологическую нозологию, поиск будет проводится с помощью специализированного ПО, доступ к которому обеспечит компания Biocad (непосредственные расчеты будут произведены заранее, чтобы не загружать вычислительные мощности компании внепланово, участники ознакомятся с основными принципами по подготовке мишени и малых молекул к расчетам);
— молекулы будут отобраны из имеющейся базы реактивов, которая будет заранее подготовлена;
— затем в течение недели будут синтезированы соединения, которые можно будет получить в соответствующих условиях (возможно список будет упрощен. Основная цель – это дать практические навыки работы в лаборатории органического синтеза);
— участники освоят такие химические реакции, как гидролиз сложных эфиров, амидный каплинг и снятие защитных групп с функциональных химических заместителей;
— участники узнают про основные методы биохимического анализа активности и освоят методы фореза и вестерн блота, практикуясь на синтезированных молекулах.
Разработка проекта: ООО «Биокад».
3. Изучение микробиома общественных мест и оценка их безопасности для здоровья
Руководитель проекта: Полозов В.М.
Аннотация: множество исследований показывают связь микробиома и здоровья человека. При этом на микробиом человека влияют также микроорганизмы, с которым человек контактирует в повседневной жизни. Множество исследований было направлено на поиск патогенных микроорганизмов, которые могут негативно влиять на организм. Однако современные молекулярно-генетические методы позволяют изучать немалую часть микроорганизмов, а полную совокупность вирусов, бактерий, архей и грибов, окружающих нас. При этом последние исследования показывают, что помимо общества важно обращать внимание не только на наличие патогенов на различных поверхностях, но и на баланс микроорганизмов. Так, излишнее стремление к уничтожению бактерий может в свою очередь приводить, например, к антибиотикорезистентности. Полноценно оценить патогенность и антибиотикорезистентность возможно лишь при помощи полногеномного метагеномного секвенирования. Однако этот метод дорогостоящий и не может быть использован в рамках данного проекта. Вместо это предлагается использовать относительно доступный метод 16s рРНК секвенирования, который позволяет довольно точно определить количественный и качественный состав бактерий в образце.
По результатам проекта будут выбраны образцы и поверхности, которые необходимо будет в дальнейшем исследовать полногеномными методами.
В рамках данной работы участники смогут получить опыт пробоподоготовки библиотек для высокопроизводительного секвенирования (NGS) и биоинформатической обработки данных NGS.
Разработка проекта: ООО «Генотек».
4. Поиск эпигенетических молекулярных маркеров возраста и старения
Руководитель проекта: Манахов А.Д.
Аннотация: изучение процессов старения является одной из наиболее актуально и остро стоящей научной проблемой. Основными проблемами при исследовании старения являются поиск его причин и путей замедления.
Одним из удивительных феноменов, связанных со старением, является изменение профилей эпигенетических модификаций во времени. ДНК-метилирование – одна из форм эпигенетических модификации ДНК, которая заключается в присоединении метильной группы (CH3) к 5′-цитозину в динуклеотиде C-G (CpG). Области с большим содержанием пар CpG называются CpG-островками, они, как правило, расположены вблизи промоторных участков генов. Повышение уровня метилирования таких CpG-островков может снижать уровень экспрессии гена.
Связанные с возрастом изменения уровня метилирования ДНК широко известны в научной литературе, причем считается, что они могут быть связаны с развитием старческих заболеваний. Недавние исследования показали, что состояние метилирования отдельных участков ДНК постепенно изменяется с возрастом, и подобные участки могут выступать как маркеры возраста, то есть быть использованы в качестве «биологических часов».
Задачей проекта является выявление геномных локусов, изменяющих состояние метилирования с возрастом. Для реализации данной задачи будет осуществлен сбор данных по оценке метилирования методом гибридизации на чипах, а также данных полногеномного секвенирования бисульфитно конвертированной ДНК (сотни и тысячи образцов).
По результатам проведенного анализа будут выбраны локусы кандидаты, которые будут верифицированы на выборке разновозрастных индивидов (от 18 до 100 лет) из российских популяций. Верификация будет осуществляться методом широкомасштабного параллельного секвенирования на приборе PyroMark Q48.
Практическим выходом от реализации данного проекта может стать набор геномных локусов, изменяющих состояние своего метилирования с возрастом, которые потенциально могут выступать в качестве маркера возраста по клеткам периферийной крови.
Разработка проекта: Образовательный Фонд «Талант и успех», Институт общей генетики им. Н.И. Вавилова.
5. Молекулярные механизмы активации цитокинов через рецепторы врожденного иммунитета
Руководитель проекта: Корнеев К.В.
Аннотация: макрофаги – клетки врожденного иммунитета, которые вносят ключевой вклад в развитие воспаления. Макрофаги распознают различные патогены с помощью рецепторов врожденного иммунитета, после чего начинают продуцировать особые белки иммунной системы – цитокины. При этом чрезмерная активация макрофагов может приводить к нарушению регуляции цитокинов и, как следствие, способствовать развитию аутоиммунных и опухолевых заболеваний. Одним из рецепторов врожденного иммунитета является Toll-подобный рецептор 4 (TLR4), который экспрессируется на макрофагах и активирует иммунный ответ против грамотрицательных бактерий при взаимодействии с компонентом их клеточной стенки – липополисахаридом (ЛПС). Разные бактерии имеют ЛПС с различной структурой, поэтому интересным представляется изучение способности таких ЛПС дифференциально активировать макрофаги. Клиническое значение имеет исследование механизмов взаимодействия иммунной системы с патогенными бактериями или древними бактериями из вечной мерзлоты, с которыми современный человек никогда прежде не контактировал. Ранее были определены биоактивности ЛПС из некоторых грамотрицательных бактерий, однако природное многообразие вариантов ЛПС не ограничивается уже исследованными. Для выполнения проекта новые образцы ЛПС предварительно были хроматографически выделены и очищены, после чего методом масс-спектрометрии была установлена их химическая структура.
Участникам проекта будет предоставлена возможность исследовать влияние структуры ЛПС на его биоактивность, а также изучить последствия активации макрофагов другими лигандами рецепторов врожденного иммунитета, в том числе входящих в состав активных веществ некоторых лекарственных препаратов. Работа включает в себя получение первичных культур макрофагов из костного мозга мышей, их активацию различными образцами ЛПС и последующий анализ активации сигнального пути от TLR4 с помощью измерения экспрессии основных провоспалительных цитокинов (в первую очередь TNF) методами количественного ПЦР с обратной транскрипцией в реальном времени и иммуноферментного анализа, а также с использованием NFκB-зависимых люциферазных репортеров. Проверка специфичности передачи сигнала будет проводиться на культурах костномозговых макрофагов, выделенных из мышей, дефицитных по гену Tlr4. Также будут исследованы иммуномодуляторные свойства препаратов Ликопид и Иммуномакс по способности активировать макрофаги. Кроме того, макрофаги будут обработаны специфическими блокаторами провоспалительных цитокинов с целью моделирования антицитокиновой терапии in vitro. Полученные результаты могут быть использованы для предсказания биоактивности ЛПС исходя из его строения. Изучение особенностей активации макрофагов и, в частности, TLR4 сигнального пути может способствовать прогрессу в терапии сепсиса и септического шока, опухолевых и аутоиммунных патологий.
Разработка проекта: Институт молекулярной биологии им. В.А. Энгельгардта РАН.
