Параллельно с частными компаниями серьезные средства в ускоренное секвенирование вкладывает госсектор. Одновременно с объявлением конкурса X Prize американский Национальный институт исследования генома человека (National Human Genome Research Institute, NHGRI) сообщил о результатах очередного конкурса на получение грантов общей суммой 13 млн. долларов для работы над этой проблемой. В этом году гранты получили девять ученых, работающих над снижением стоимости исследования до тысячи долларов — в далекой перспективе, и двое, стремящихся довести ее до ста тысяч, но гораздо раньше. Сто тысяч за геном — та сумма, которая позволит использовать полное секвенирование сотен индивидуальных геномов в изучении генетически обусловленных заболеваний.
Как считает Джордж Черч (George Church), стотысячный рубеж будет пройден не позже 2009 года, а очень вероятно, что и раньше. Тысячный рубеж, по планам NHGRI, намечен ориентировочно на 2014 год, но по мнению Черча, в этом вопросе ясности гораздо меньше. Неясно даже, нужно ли доводить стоимость именно до тысячи долларов, а главное — нужно ли определять последовательность нуклеотидов полностью, ведь интересен лишь один процент из них. Выяснить, какие именно участки генома составляют этот процент — вполне реалистичная задача с точки зрения Черча, и если сконцентрироваться на ней, можно достичь желаемого результата (массового секвенирования) раньше.
Об этом Черч говорил в сентябре на конференции Emerging Technologies 2006 в МТИ (см. о ней колонку Левона Амдиляна в «КТ» #659). Однако похоже, что индустрия в целом сконцентрирована на проблеме ускорения/удешевления как таковой — точно так же, как разработчики суперкомпьютеров соревнуются по количеству терафлопсов, а не по новым методам решения задач. В сообщениях о платформах следующего поколения для секвенирования чаще всего мелькают названия компаний Applied Biosystems, Solexa, 454 Life Sciences. Здесь мы не будем вдаваться в описание достоинств и проблем различных технологий (см., например, материал Сергея Борисова в «КТ» #603, а также подборку популярных материалов на www.cbio.ru). Отметим лишь одну новую и очень наглядную идею, которая обещает рекордную производительность: метод нанопор. Молекула ДНК протаскивается через отверстие нанометровых размеров в мембране (см. рис.). Каждый нуклеотид, попадая в отверстие, изменяет электропроводность мембраны, причем на разную величину в зависимости от типа нуклеотида — что и позволяет (в принципе) конвертировать изменения чудовищно слабого электрического сигнала прямо в «буквы» кода. При этом не надо, как в других методах, дробить молекулу ДНК на маленькие фрагменты, а потом многократно дублировать и сопоставлять результаты их обработки. Если удастся преодолеть многочисленные проблемы и добиться расшифровки генома таким методом со скоростью 10 тысяч нуклеотидов в секунду, то небольшой твердотельный массив нанопор обеспечит секвенирование генома человека за 20 часов — по крайней мере, так обещает группа Джина Головченко (Jene Golovchenko), физика из Гарварда, реализующая один из вариантов этой идеи (любопытно, что среди многочисленных авторов других вариантов есть и сам Джордж Черч, уже сотрудничающий на этой почве с мощной компанией из мира полупроводниковых технологий Agilent Technologies, которая, не мелочась, оценивает потенциальную скорость такого секвенирования в миллион пар нуклеотидов в секунду — примерно по геному в час).
Это только начало
Задача получить за 1000 долларов полную информацию о последовательности нуклеотидов в человеческом геноме выглядит вполне реальной. Немного смущает срок в 5-10 лет (X Prize взяла его не с потолка, а со слов самых авторитетных разработчиков быстрых методов секвенирования, но их оптимизм может оказаться немного преувеличенным). Однако рубеж в тысячу у. е. — это только промежуточный финиш. Самое интересное начнется после: полученную информацию надо будет интерпретировать.
Для начала текст можно сразу сократить на порядок, вычеркнув накопившуюся за миллиарды лет явно бессмысленную информацию. Внутри генов можно исключить из рассмотрения интроны — участки, которые вырезаются после синтеза матричной РНК. Зато придется учесть, что некоторые гены разбросаны по хромосомам, другие кодируют сразу несколько белков и т. д. — в общем, до начала анализа надо будет свести объем информации к осмысленным «словам». Большинство из этих примерно 30000 генов (вернее, пар генов) придется исключить из рассмотрения: идентифицировать функции каждого из закодированных в генах белков — задача куда более сложная, чем разработать метод дешевого секвенирования генома, а протеомика — очень молодая наука.
Выявление фенотипических проявлений генного полиморфизма (вариантов структуры генов, существенных для функций их белков) — следующий этап на пути к практическому применению информации об индивидуальном геноме. Обратите внимание: для анализа персонального генома надо исследовать не одну, а обе хромосомы в каждой из 23 пар — поэтому в условиях конкурса и указаны не три, а шесть миллиардов пар нуклеотидов. Даже такие простые признаки, как цвет кожи или глаз, определяются несколькими парами генов.
Организм состоит из сотен типов клеток, и в каждом из них активна только часть генов — и активна по-разному, в зависимости от множества внешних и внутренних факторов. Вспомните школьный учебник биологии с рисунками двух овечек одной породы (у той, которая выросла в холодном климате, шерсть заметно гуще и длиннее) и представьте, сколько сотен разных белков у них функционируют по-разному.
Белки регулируют активность друг друга (а также — своих и чужих генов) множеством прямых и обратных связей, а метаболомика, которая изучает эти связи и их механизмы, — еще более молодая наука, чем протеомика. Только между мужчинами и женщинами в одном из недавних исследований выявили около двух тысяч различий в функциях одних и тех же белков! И это между «мужчинами вообще» и «женщинами в целом».
Уже сейчас достаточно точно известна роль тысяч генов, определяющих неизбежные наследственные болезни или повышение вероятности многих наследственно обусловленных заболеваний (а к ним, по осторожным оценкам, относится не меньше половины человеческих болячек). А главное — в общих чертах известно, что, где и как искать. Фармакогеномика сейчас делает самые первые шаги — не столько из-за неполноты знаний, сколько из-за высокой стоимости анализа индивидуальных и даже расовых различий в работе ферментов. Когда расшифровка генома станет процедурой, доступной рядовым гражданам не слишком бедных стран, по такому анализу можно будет получить прогноз индивидуальной предрасположенности к заболеваниям — а кто предупрежден, тот вооружен. И для лечения болезней можно будет назначать наиболее подходящие конкретному больному препараты в оптимальной дозировке.
Тысяча долларов — это не просто круглая цифра. Давно подсчитано, что производство лекарств и оказание медицинских услуг становятся рентабельными, если они доступны хотя бы каждому третьему из нуждающихся в них. Реальная стоимость «генетического паспорта» будет больше — ведь полученные данные необходимо проанализировать и разработать на их основе индивидуальные рекомендации. Но ожидаемая польза для здоровья сто,ит и намного большей суммы. А для человечества в целом затраты на разработку методов быстрого и дешевого секвенирования генома несомненно окупятся.
Александр Чубенко,
главный редактор интернет-журнала "Коммерческая биотехнология"
Сопутствующая фантастика
Что же, собственно, получит пациент после того, как его геном будет, наконец, прочитан? Ответы на этот вопрос, которые сегодня дают серьезные специалисты, звучат сдержанно. Вот что пишет, например, Джордж Черч в журнале Edge о том, как это происходит сейчас: «По результатам анализа вашего генома компании либо дадут вам генеалогическую информацию о вас и ваших предках, либо медицинскую — если окажется, что у вас одна из небольшого количества генетических болезней, которые поняты настолько хорошо, что в этом случае можно что-то предпринять. Но другой информации они вам, как правило, не дадут — не скажут о тех вещах, которые нельзя вылечить или предупредить. Вам просто пришлют отчет, где простыми словами будет сказано, к какому врачу обратиться, какие анализы сделать и т. п.».
Черч называет эту не слишком вдохновляющую перспективу «аналитическим уровнем» проблемы персонального генома. Разумеется, создание персонализованных лекарств и методов лечения не отменяется. Однако в качестве концептуальной альтернативы — синтетического подхода к персональной геномике — Черч выдвигает нечто откровенно фантастическое: перестройку и конструирование живых систем. Впрочем, фантастика здесь смешана с уже предпринятыми практическими шагами: возглавляемая Черчем BioFab Group вовсю работает над переносом принципов конструирования электронных схем в область биологических систем. Бактерии в экспериментах уже выстраиваются по команде в слова «Hello, world» — но даже краткое обсуждение этой работы слишком далеко уведет нас от заданной темы.
