МЕЖДИСЦИПЛИНАРНЫЕ ЗАДАЧИ МОРСКОЙ ГЕНОМИКИ: ПЕРСПЕКТИВЫ СОТРУДНИЧЕСТВА

Деятельность

С 1 по 3 июля 2017 года на базе ФГБУН «Институт морских биологических исследований имени А.О. Ковалевского» проходил научный семинар-совещание, посвященный перспективам сотрудничества для решения современных междисциплинарных задач в области морской геномики.

Совещание было организовано в рамках проекта «Реконструкция генеалогии клеточных систем на основе анализа биоразнообразия Мирового океана», выполняемого на базе ФГБУН ИМБИ под  руководством ведущего ученого заслуженного профессора нейробиологии, генетики, биологии и химии университета Флориды Леонида Мороза (грант Министерства образования и науки РФ по договору от 28 февраля 2017 г. № 14.W03.31.0015).

Основная цель совещания:

Найти возможные направления сотрудничества и пути их реализации для решения важнейших междисциплинарных задач, которые существуют на сегодняшний день в области изучения геномики морских организмов на стыке молекулярной биологии, гидробиологии, систематики, нейробиологии, эволюционной биохимии и физиологии, биоинформатики и компьютерных наук, а также современных технологий, включая микрофлюидику и нанотехнологии.

В совещании участвовали представители несколько ведущих научных центров США, Европы и России.

МОРОЗ ЛЕОНИД заслуженный профессор нейробиологии, генетики, биологии и химии университета Флориды, Флорида, США

КОЛОДКИН АЛЕКСЕЙ профессор, Свободный Университет Амстердама, Университет Амстердама, Амстердам, Нидерланды; Люксембургский Центр Системной Биомедицины, Университет Люксембурга, Люксембург; Институт цитологии и генетики СО РАН, г. Новосибирск, Россия

КРЕБС ОЛЬГА, Институт теоретических исследований, г. Хайдельберг, Германия

ОРЛОВ ЮРИЙ ЛЬВОВИЧ профессор РАН, Институт цитологии и генетики СО РАН, Новосибирский государственный университет, г. Новосибирск, Россия.

Программа семинара включала  также выступления ведущих специалистов ФГБУН «Институт морских биологических исследований им. А.О. Ковалевского РАН» и «Карадагская научная станция им. Т.И. Вяземского – природный заповедник РАН»:

Довгаль Игорь Васильевич – ФГБУН ИМБИ, главный научный сотрудник, д.б.н., профессор

Солдатов Александр Александрович — ФГБУН ИМБИ, главный научный сотрудник, руководитель отдела физиологии животных и биохимии, д.б.н., профессор

Дмитриева Евгения Вениаминовна — ФГБУН ИМБИ, ведущий научный сотрудник, руководитель отдела экологической паразитологии, к.б.н.

Давидович Николай Александрович — ФГБУН «КНС — ПЗ РАН», заведующий лабораторией водорослей и микробиоты, к.б.н.

Основу обсуждения составила презентация глобальной программы профессора Л. Мороза по изучению геномного разнообразия Metazoa на уровне отдельных клеток, частью которой является проект, реализуемый под его руководством на базе ФГБУН ИМБИ  «Реконструкция генеалогии клеточных систем на основе анализа биоразнообразия Мирового океана».

Фундаментальная научная задача программы:

Систематическое геномное картирование Мирового океана и реконструкция генеалогии клеточных типов и их предковых линий у морских эукариот на основе данных об их генетическом и клеточном разнообразии у представителей всех основных таксономических групп животных и растений. Решение этой задачи позволит не только концептуально интегрировать многоуровневую информацию о биоразнообразии, но и разработать естественную классификацию клеточных популяций, например нейронов, нейронных сетей и других клеток для большинства типов животных. Новая филогенетическая/геномная систематика клеточных линий будет представлять собой аналог периодической системы химических элементов, обладающий прогностическими возможностями, позволяющими выделить и предсказать основные клеточные фенотипы, а также фундаментальные ограничения в происхождении и параллельной эволюции тканей, органов, нейронной и других интегративных систем.

Организационная задача:

В результате серии экспедиций (или, в идеале, целевой кругосветной экспедиции) в ключевые центры мирового биоразнообразия, в режиме реального времени выполнить полномасштабный молекулярный и геномный анализ океанских экосистем.  Используя нанотехнологии, позволяющие проводить исследования на уровне отдельных клеток, возможно охватить до 80% представителей  морской фауны и флоры. Это позволит осуществить генетический мониторинг Мирового океана и создать фундаментальную основу для прогнозирования последствий изменения  климата в планетарном масштабе, включая возможности сохранения исчезающих видов и экосистем, а также  новую материальную базу для понимания процессов видообразования, решения задач синтетической биологии и развития биомедицины, открывая возможности идентификации миллионов новых биологически активных веществ.

Применение традиционных методов систематики для целей глобального описания жизни в Мировом океане ограничено отсутствием необходимой сравнительной физиологической и молекулярной информации о большинстве типов морских животных (по меньшей мере о 25 из ныне известных 35), а также отсутствием современных эффективных и экономичных технологий для адекватного анализа состояния как отдельных ключевых видов, которые практически невозможно изучать за пределами их естественной среды, так и морских экосистем.

Решение этой проблемы предлагается реализовать на концептуально новом уровне путем интеграции традиционных подходов к изучению биоразнообразия с клеточной биологией, геномикой, нейробиологией, метаболомикой и новейшей инженерной техникой, которая позволит выполнять весь необходимый спектр исследований, включая геномное секвенирование, прямо на борту НИС. Это послужит катализатором дальнейшего развития и взаимного проникновения этих наук в исследованиях территориальных вод РФ и Мирового океана в целом. Для этого предлагается сформировать масштабную международную океаническую программу, которая позволит интегрировать существующий флот исследовательских судов с современными мобильными полевыми лабораториями, обеспечивающими выполнение самого широкого спектра биологических экспериментов с геномами на всех уровнях: от клетки до организма. Уже сейчас стало возможным значительно повысить пропускную способность системы аналитической обработки многих тысяч образцов (клеток, экземпляров, видов) в течение нескольких часов для выполнения геномных и микрохимических анализов в режиме реального времени. В результате, можно обеспечить объективное крупномасштабное исследование биоразнообразия на беспрецедентном масштабе, захватив геномные образцы практически всех видов в регионе, при этом не уничтожая особей находящихся на грани исчезновения или редких видов, поскольку для анализа будут нужны только отдельные клетки.

Такая экспедиция будет служить плавучей лабораторией для отечественных и зарубежных морских биологов различных специальностей, что позволит в течение 3-5 лет охарактеризовать филогенетические отношения 20,000-30,000 видов морских животных (~ 10% от описанного морского разнообразия видов и >90% морфологического и генетического разнообразия эволюционных линий эукариот) и тысяч морских одноклеточных организмов, максимально полно представляющих биоразнообразие одноклеточных и многоклеточных эукариот Мирового океана. Все собранные виды будут задокументированы (паспортизированы) и снабжены цифровыми изображениями, связанными с уникальными генетическими идентификаторами. Высококачественные геномные образцы ДНК/РНК будут депонированы в коллекциях институтов РФ, Музея естественной истории и Смитсоновского института и будут доступны широкому кругу исследователей (http://www.mnh.si.edu/ggi/). Экспедиции также предполагают широкий спектр образовательных и обучающих программ на всех уровнях – от школьников и студентов до научных сотрудников и администраторов, представляющих смежные дисциплины.

Внедрение геномных подходов в морские биологические науки будет иметь революционное значение для современных экологических исследований, сравнительной физиологии, океанографии и морской фармакологии. Предполагается, что использование современных молекулярных инструментов позволит в будущем идентифицировать в морских организмах миллионы новых биологически активных соединений медицинского и технического назначения. Такой междисциплинарный подход никогда и нигде ранее не использовался, поэтому является решающим шагом как для фундаментальных и прикладных исследований, а так и для сохранения Мирового океана и биосферы Земли в целом.

Важнейшим компонентом для развития этих исследований являются  компьютерные технологии обработки  данных, математического и биоинформационного анализа огромных массивов информации, которые получаются в результате массового параллельного секвенирования геномов/транскриптомов с использованием предлагаемых современных технологий. В ходе семинара выступили НИКОЛАЙ КОЛОДКИН, профессор, Люксембургский Центр Системной Биомедицины с докладом «Системная биология и компьютерное моделирование для персонализированной медицины»,  ОЛЬГА КРЕБС, Институт теоретических исследований, г. Хайдельберг на тему «Система управления данными научных исследований FAIRDOMHub: принципы и достижения», профессор РАН ЮРИЙ ОРЛОВ, Институт Цитологии и геники СО РАН, с докладом «Программные решения для анализа трехмерной структуры генома по данным Hi-C и ChIA-PET технологий». Основные направления работ и возможные направления их развития, перспективные с точки зрения применения новых методов геномных методов и технологий, были представлены в докладах ведущих специалистов ФГБУН ИМБИ – главного научного сотрудника лаборатории биоразнообразия и функциональной геомики Мирового океана профессора Довгаля Игоря Васильевича, главного научного сотрудника, руководителя отдела физиологии животных и биохимии ФГБУН ИМБИ профессора Солдатова Александра Александровича,   ведущего научного сотрудника, руководителя отдела экологической паразитологии Дмитриевой Евгении Вениаминовны. Также с докладом на тему «Изучение генетической основы эволюционного перехода от оогамного к неоогамному воспроизведению у представителя диатомовых» выступил заведующий лабораторией водорослей и микробиоты, ФГБУН «КНС — ПЗ РАН» Давидович Николай Александрович.

Обсуждение перспектив сотрудничества в рамках развития молекулярно-генетических исследований на базе ФГБУН ИМБИ и других научных центров Крыма было продолжено на специальном совещании с участием зав. отделом биологии развития растений, биотехнологии и биобезопасности ФГБУН «Ордена Трудового Красного Знамени Никитский ботанический сад — Национальный научный центр РАН» Митрофановой И.В, декана биологического факультета  Крымского Федерального Университета (Таврическая Академия) Котова С.В, а также дирекции и сотрудников Морского гидрофизического института РАН.

В ходе выступления профессор Мороз озвучил идею глобальной программы для РФ по изучению биологического разнообразия Мирового океана и создания распределенного геномного центра.   Российская Федерация имеет одну из самых протяженных береговых линий в мире, поэтому актуальность её участия в программе по глобальной инвентаризации и систематизации жизни Мирового океана, очевидна. В целях реализации такой программы в рамках выполняемого проекта мега-гранта «Реконструкция генеалогии клеточных систем на основе анализа биоразнообразия Мирового океана» предложено создать систему современных высокотехнологичных мобильных лабораторий, функционирующих как автономные геномные центры, способные решать следующие задачи:

  • получение и проведение транскриптомных анализов с производительностью не менее 1 000 000 индивидуальных транскриптомов (на единичных клетках) морских организмов (включая транскриптомы протистов) в течение года;
  • секвенирование и документирование геномов многоклеточных и одноклеточных морских эукариот с акцентом на наиболее распространенные и критические для экосистем и фундаментальной биологии виды;
  • интеграцию результатов геномных и транскриптомных анализов с физиолого-биохимическими данными о типовых и специфических клетках в режиме реального времени.

Отмечено, что количество научных центров, способных реализовать такие задачи в области морской биологии, в мире ограничено 1-2 группами, а в РФ их просто не существует.  В рамках проекта мега-гранта в структуре ФГБУН ИМБИ (г. Севастополь) была создана новая Лаборатория биоразнообразия и функциональной геномики Мирового океана.

Полномасштабная реализация идеи создания такого центра позволит РФ:

- сразу получить доступ к передовым технологиям геномного анализа (оборудование и специалисты),  которые помимо исследований в области морской биологии могут быть использованы для решения фундаментальных и прикладных задач в самых разных областях биологии и смежных наук (медицине, сельском хозяйстве);

- получить опыт работы по самым актуальным фундаментальным проблемам;

- позволит создать собственную научную школу, подготовить молодых специалистов в наиболее динамично развивающейся области знаний – изучения молекулярно-генетических процессов на уровне отдельных клеток

- даст толчок развитию исследований в смежных областях – биоинформатике/системной биологии, математическому моделированию клеточных процессов. Учитывая традиционно сильную математическую  школу РФ, такой проект даст возможность использовать этот «интеллектуальный потенциал» для решения самых востребованных задач в новом направлении.

При этом следует иметь в виду, что создание и функционирование такого центра требует значительных финансовых вложений.  Высокая стоимость специализированного оборудования и материалов, необходимых для проведения молекулярно-генетических анализов, оправдывают себя только при условии его полной загрузки. Очевидно, что средств одного проекта, даже финансируемого по программе мега-грантов, не хватит для реализации предложенной программы. Исходя из мирового опыта, такая задача может быть оптимально решена за счет распределения оборудования по нескольким организациям, каждая из которых приобретает и обслуживает только часть комплементарного набора высокотехнологичного оборудования, наиболее соответствующего её научным/образовательным/ производственным задачам. Остальное оборудование может использоваться по мере необходимости и по взаимной договоренности.

Создание такого единого геномного центра с международным статусом даст возможность:

  1. Эффективно использовать финансовые ресурсы, выделяемые на развитие молекулярно-генетических исследований. Распределить закупку необходимого дорогостоящего оборудования и расходных материалов между организациями участниками.
  2. Сформировать комплекс уникального оборудования для проведения молекулярно-генетических анализов, отвечающий самому современному технологическому уровню, легкодоступный для проведения исследований всеми организациями-участниками.
  3. Расширить возможную тематику исследований за счет более широкого спектра оборудования и возможностей международного сотрудничества
  4. Обеспечить максимальную загрузку приобретенного оборудования, что снизит стоимость проводимых анализов.
  5. Позволит эффективно организовать подготовку научных кадров в области молекулярно-генетических исследований на самом высоком технологическом уровне, которого нет в РФ, используя специалистов мирового уровня, которых планируется привлечь для работы в рамках выполнения исследований по мега-гранту.
  6. За счет расширения материальной базы исследований при объединении финансовых ресурсов организаций, возможности такой подготовки тоже существенно расширяются.
  7. Объединить усилия заинтересованных организаций по формированию биоинформационного блока, который на сегодняшний день является неотъемлемой частью любых  исследований, базирующихся на анализе молекулярно-генетической информации.

По результатам совещание было решено продолжить взаимодействие сторон с целью развития сотрудничества по направлению, формированию консорциума для проведения междисциплинарных исследований и создания распределенного ресурсного центра, который позволит эффективно развивать новое для РФ направление в тесном сотрудничестве с ведущими российскими и международными научными центрами.