— В 2007-м я поступил в аспирантуру Станфордского университета,— говорит мой собеседник Дмитрий Пушкарев.
— А были варианты?
— Еще меня брали в Принстон, в Гарвард, в Беркли и в Калтех.
— Ничего себе наборчик! — вырывается у меня. — Что ни университет, то кузница нобелевских лауреатов, элита. Вы чем-то особенным отличились?
— Во-первых, я закончил Физтех. А во-вторых, была сильная мотивация — меня поджидала российская армия.
Месяц назад престижный научный журнал Nature Biotechnology опубликовал в онлайн-версии статью под названием Single-molecule sequencing of an individual human Genome. Если переводить заголовок не просто на русский, а на русский, доступный гражданам без биохимического образования, то получится, что статья эта о простой и дешевой расшифровке всей наследственной информации любого человека.
Каждый биолог, прочитав подобное название, сделает стойку — как собака, почуявшая дичь. Напомним, проект «Геном человека» стоил $3 млрд, длился с 1990 по 2003 год и преподносился едва ли не как самое значимое событие в истории науки после полета в космос. При этом речь шла о прочтении лишь одного, «эталонного», генома. А на планете существует еще шесть с лишним миллиардов «неэталонных».
— Геном каждого человека уникален: он совпадает с другими на 99,9 процента, а на 0,1 процента отличается, — говорит Дмитрий. — Задача — найти эти различия, то есть те три миллиона позиций в молекулах ДНК, где нуклеотиды отличаются от эталона.
Прочтение индивидуальных геномов чревато революцией в науке и медицине. Например, уже сто с лишним лет идет дискуссия о том, насколько психика человека задается генами, а насколько определяется средой. Прочитав несколько тысяч геномов, можно найти те кусочки хромосом, которые влияют на гениальность, агрессивность, любопытство и сотни других характеристик.
Когда нобелевский лауреат Джеймс Уотсон приезжал в Москву, он сказал в интервью нашему журналу:
— Вот пример эксперимента, который можно провести. Исследовать ДНК тысяч психопатов, то есть людей, чье поведение показывает полное отсутствие морального чувства. Что это: воспитание родителей, культура или генетика? Что лежит в основе человеческой морали? Сейчас многие говорят, что, возможно, мораль имеет отношение к ДНК. Почему? Потому что эволюционно перспективы имели те социумы, где была развита забота друг о друге. Я думаю, что подобные вопросы будут одними из главных в науке.
То же самое и с медициной. Если прочтение генома станет такой же рутинной процедурой, как, например, томография, то в лечении многих болезней произойдет прорыв.
Так что статью про секвенирование индивидуального генома нельзя было не заметить. В списке авторов первым значился Пушкарев (в научных публикациях первая фамилия принадлежит тому, кто сделал основную часть работы, последняя — завлабу, а между ними остальные сотрудники).
— В молекулярной биологии все быстро меняется, — говорит Дмитрий. — Поэтому я сюда и пошел. Чтобы сделать что-то серьезное в физике, нужно много времени. Маловероятно, например, придумать что-то значительное для теории струн за время учебы в аспирантуре. А в молекулярной биологии такое происходит каждый день. Вот недавно наши коллеги вырастили мышку из одной стволовой клетки — это потрясающие возможности для регенерации органов…
— Насколько я понял, вы делали математическую часть работы. Что у вас получилось?
— Мы можем расшифровать геном за четыре недели. Плюс неделя уйдет на вычисления. Все зависит от того, какая нужна точность. Если требуется, например, найти только 50% снипов (профессиональный жаргонизм, образован от SNP — это те места в геноме, которые определяют индивидуальные различия между людьми. — «РР»), что важно для медицины, то хватит и одной недели. Заявленная стоимость — 48 тысяч долларов. По-моему, несколько завышено. Если делать массово, то вполне может выйти по 10–20 тысяч на пациента.
Вот так. Эталонный геном стоил несколько миллиардов, геном Джеймса Уотсона, расшифрованный два года назад, обошелся в миллион, а сейчас русский аспирант рассказывает про 10 тысяч.
Суть работы вот в чем. Геном любого человека состоит из трех миллиардов нуклеотидных пар. Есть всего четыре типа нуклеотидов, которые связаны в цепочки ДНК в уникальной последовательности. Расшифровать геном — значит определить последовательность всех нуклеотидов во всех цепочках ДНК всех 23 хромосом. Почему «нуклеотидная пара»? Потому что цепочки двойные — напротив каждого нуклеотида находится другой, ему комплементарный.
Читают геном так. Сначала ДНК человека режут ферментами на куски длиной в тысячи нуклеотидных пар. Затем эти куски размножают тем или иным способом. После параллельно вашей ДНК достраивают еще одну цепочку, синтез которой обрывают на разных стадиях. Получаются кусочки разных размеров, и можно увидеть, какой нуклеотид находится на конце каждого из них. Собственно, все. Очень трудоемко и очень дорого.
Станфордская схема проще: ДНК режут на совсем мелкие кусочки по 200 нуклеотидов, затем их все прикрепляют к квадратному стеклышку со стороной в несколько сантиметров. И сразу, без размножения, к каждому кусочку присоединяют по одному нуклеотиду. Выглядят эти операции как попеременное смешивание разных растворов, в одном из которых ферменты, в другом ДНК, в третьем нуклеотиды и так далее.
Затем лазером подсвечивают флуоресцентные метки и определяют, в каком месте какой нуклеотид прикрепился. Цикл многократно повторяют и получают мозаику из множества прочитанных последовательностей. Теперь их нужно объединить, найти место на большой ДНК. Сравнить с тем самым эталоном, определенным «Геномом человека», увидеть отличия.
— Для этого нужна нетривиальная математика, — говорит Пушкарев. — Не говоря уже о серьезных вычислительных мощностях, необходимых для того, чтобы определить, какой части генома принадлежит каждый из миллиардов фрагментов. Причем сначала мы провели эксперимент — он занял четыре недели, — а потом я полгода писал математику для компьютерных расчетов… Забавно, но базовый алгоритм называется UMKA. А так получилось: umka — мой имейл. Когда мы приехали сюда, жена сказала: «Выбери себе что-нибудь очень простое — например, умка». А потом уже так алгоритм назвали.
— А чью ДНК брали, если не секрет?
— Почему секрет? Нашего профессора Стива Квейка.
«Нетривиальная» математика и приборчик фирмы Helicos позволили создать уникальную систему, которую уже очень скоро можно будет использовать в медицине. Есть, например, в геноме такая штука — вариация числа копий: отдельные участки ДНК повторяются у людей с разной частотой. Новый метод поможет определить число таких участков. А, как считает Джеймс Уотсон, от числа этих повторов зависит, в частности, вероятность заболеть шизофренией и аутизмом.
Медицина, основанная на генетическом анализе, пока в зачаточном состоянии. Но некоторые ее направления понятны уже сейчас. Лаборатория, где работает Дмитрий Пушкарев, недавно закончила серию экспериментов с геномом лейкемии — рака крови. Определили геном здоровых стволовых клеток, клеток рака и раковых стволовых.
Другая возможность — исправление наследственных заболеваний: определяем у младенца «плохие» гены и назначаем диету или лекарства. Есть вариант еще радикальнее — вносить исправления в яйцеклетку. Но так же, как и внедрение генов, отвечающих за способности человека, это дело будущего.
Новая технология в первую очередь важна для исследований. Дмитрий рассказал про коллегу, 25 лет искавшего ген, отвечающий за так называемый синдром Блума — болезнь, поражающую в основном евреев и арабов и значительно увеличивающую риск возникновения рака. Если бы у коллеги была станфордская технология, он уложился бы в неделю-месяц.
Генная революция в медицине уже близка. Настолько, что в прошлом году в США был принят закон, запрещающий страховым компаниям дискриминацию по генетическим показаниям.
Фото: Кирилл Лагутко для «РР»; иллюстрация: Александр Котляров
