Наука в Сибири

от 18.07.2022 г.

Оригинал статьи


20 лет в искусстве секвенирования

Недавно свой двадцатилетний юбилей отметил Центр коллективного пользования «Геномика» — один из ведущих ЦКП Новосибирского научного центра и всей страны.

Наш рассказ начнется с далекого 1988 года, когда одним из главных достижений Новосибирского института биоорганической химии СО АН (прежнее наименование Института химической биологии и фундаментальной медицины СО РАН) стала расшифровка генома вируса клещевого энцефалита.

Нуклеотидную последовательность генома под номером X07755 до сих пор можно найти в базе данных Genbank, в которой также указано, что по этим данным опубликована статья в журнале Nucleic Acid Research (NAR), в одном из самых высокорейтинговых журналов и в настоящее время. Что может показаться сейчас странным, публикацию такого уровня обеспечило прочтение всего 3 700 нуклеотидов.



Однако в те времена секвенирование по Сэнгеру было сродни высокому искусству, доступному далеко не каждому. Между метровыми стеклами идеальной ровности и чистоты заливался акриламидный гель, который в этот момент уже начинал постепенно полимеризоваться, то есть затвердевать, при этом нужно было контролировать, чтобы при заливке не образовывались воздушные пузыри. В таком геле при постоянном охлаждении с помощью электрофореза происходило разделение четырех реакционных смесей, содержащих радиоактивно меченные продукты реакции Сэнгера. Далее с гелем выдерживалась рентгеновская пленка, после проявления которой можно было сопоставить полоски из четырех дорожек и восстановить нуклеотидную последовательность для одного образца. Именно поэтому тогда 3 700 прочитанных «букв» действительно стоили публикации в NAR.

Следующий этап развития метода Сэнгера был напрямую связан с началом выполнения в 1990 году мегапроекта «Геном человека» с невообразимым для тех времен бюджетом в три миллиарда долларов. Проект стал своеобразным локомотивом развития данной технологии секвенирования, было реализовано два принципиальных улучшения. Первое — вместо четырех отдельных реакций Сэнгера для каждой буквы по отдельности появилась возможность ставить всего одну реакцию, заменив радиоактивную метку на четыре флуоресцентные, то есть для каждой буквы теперь был свой «цвет». Второе — это переход к проведению электрофореза в тончайших кварцевых капиллярах, заполненных гелем, на выходе из которых располагался лазер и флуоресцентный детектор. Таким образом, в результате реакции Сэнгера получался набор флуоресцентно меченных фрагментов, разделение которых по длине капиллярным гель-электрофорезом позволяло восстановить нуклеотидную последовательность.

И если в начале 2000-х годов в мире уже вовсю работали целые фабрики капиллярных секвенаторов, то российская наука только приходила в себя после «лихих 90-х». Во времена, когда бюджета НИИ с трудом хватало на зарплату, ни один институт СО РАН не мог себе позволить покупку оборудования стоимостью около 100 000 $. Решением стала организация Сибирским отделением центра коллективного пользования, учредителями которого выступили ИХБФМ и Институт цитологии и генетики СО РАН. Кооперация между двумя биологическими институтами стала возможна в том числе благодаря тому, что бывший отдел академика Рудольфа Иосифовича Салганика располагался на втором этаже ИХБФМ СО РАН.

Фактически днем рождения центра можно считать постановление Президиума СО РАН № 243 от 01.07.2002 об организации ЦКП секвенирования ДНК СО РАН. Первыми руководителями центра стали: от ИХБФМ кандидат биологических наук Игорь Владимирович Морозов, а от ИЦиГ — доктор биологических наук Татьяна Ивановна Меркулова, которую через некоторое время сменил кандидат биологических наук Геннадий Владимирович Васильев. ЦКП развивался и расширял свою приборную базу, а в 2011 году фактически вышел на свой исторический максимум по количеству проанализированных образцов реакций Сэнгера (>50 000). Одним из важнейших элементов успешной работы центра являлась и до сих пор остается «Система учета заказов», разработанная И. В. Морозовым, на которую было получено свидетельство о государственной регистрации.



Постепенно в жизни центра происходили изменения. С одной стороны, лаборатории ИЦиГ переехали из ИХБФМ в другие корпуса, что делало совместную эксплуатацию приборов несколько проблематичной. С другой, начиналась эпоха секвенаторов второго поколения — платформ для высокопроизводительного секвенирования, фундамент появления которых был заложен всё в том же проекте «Геном человека». В 2012 году руководителем ЦКП стал кандидат биологических наук Марсель Расимович Кабилов, перед которым была поставлена задача по внедрению в практику секвенирования нового поколения. Одним из первых шагов стала организация нового сайта и проведение ребрендинга центра. Новым названием стало ЦКП «Геномика».

ИХБФМ СО РАН, участвуя в конкурсе институтов первой категории, приобрел для ЦКП «Геномика» два геномных секвенатора, которые закрыли основные потребности в NGS. Платформа Miseq (Illumina) активно используется для секвенирования бактериальных и вирусных геномов, а также для 16S и ITS метабаркодинга. Центр в настоящее время является одним из лидеров в направлении метабаркодинга при изучении природных сообществ микроорганизмов: микробиомов насекомых-вредителей сельского хозяйства совместно с Институтом систематики и экологии животных СО РАН, различных типов почв совместно с Институтом почвоведения и агрохимии СО РАН, озера Байкал совместно с Лимнологическим институтом СО РАН (Иркутск), биоаэрозолей атмосферы совместно с Государственным научным центром вирусологии и биотехнологии «Вектор» и Институтом химической кинетики и горения им. В. В. Воеводского СО РАН.

С другой стороны, нельзя не отметить работу центра по метагеномике человека при таких заболеваниях, как рассеянный склероз (совместно с Российским национальным исследовательским медицинским университетом им. Н. И. Пирогова и Институтом биоорганической химии им. академиков М. М. Шемякина и Ю. А. Овчинникова РАН), желчекаменная болезнь (совместно с ФИЦ ИЦиГ СО РАН) и других.

По понятным сейчас причинам, крайне удачным стало приобретение в 2020 году китайского секвенатора MGIseq-2000, который применяется в проектах, требующих секвенирования с высоким покрытием: транскриптомика (RNA-seq), транслятомика (Poly-Ribo-Seq) и изучение взаимодействия нуклеиновых кислот и белков (Clip-seq). Все эти передовые методы используются ЦКП «Геномика» в совместных работах с лабораторией доктора биологических наук Галины Георгиевны Карповой (ИХБФМ СО РАН). Новый метод по изучению сиквенс-специфичности действия антибиотиков на трансляцию бактерий был разработан центром совместно с лабораторией члена-корреспондента РАН Петра Владимировича Сергиева (НИИ физико-химической биологии Московского государственного университета им. М. В. Ломоносова).



В настоящее время немногочисленный коллектив центра включает в себя семь научных сотрудников: Татьяна Юрьевна Аликина, Ольга Анатольевна Батурина, кандидат химических наук Александр Анатольевич Бондарь, кандидат биологических наук Игорь Владимирович Морозов, кандидат биологических наук Наталья Борисовна Наумова, Алексей Евгеньевич Тупикин и руководитель центра кандидат биологических наук Марсель Расимович Кабилов. ЦКП «Геномика» является организатором уже ставшей традиционной Всероссийской конференции «Высокопроизводительное секвенирование в геномике». В конце июня прошла третья по счету конференция, в которой приняли участие 150 ученых со всей страны.

В настоящий момент география пользователей ЦКП «Геномика» простирается от Санкт-Петербурга до Владивостока, и это более 40 организаций из 15 городов России. По ведомственному распределению около 50 % организаций — академические институты, примерно 20 % — университеты, а остальные — коммерческие фирмы и госструктуры. Основной целью работы ЦКП «Геномика» как было, так и остается секвенирование во всех его проявлениях: от Сэнгера до геномного. За 20 лет работы центр просеквенировал больше полумиллиона образцов по Сэнгеру и несколько тысяч образцов NGS, а с использованием ресурсов ЦКП опубликовано более 500 научных статей.

ЦКП «Геномика»

Фото предоставлены ИХБФМ СО РАН