Исследование самоорганизации нанобиоструктур в процессе

N-07-SPSPU-1
Паспорт совместного российско-американского проекта
1.Название
Исследование самоорганизации нанобиоструктур в процессе развития организмов
2.Аннотация
Системная биология и физика наносистем составляют теоретический базис
нанобиотехнологии. Часто говорят что биология - это одна из немногих эффективно
работающих нанотехнологий. Для того, чтобы суметь использовать эту естественную
технологию в прикладных и инженерных целях, необходимо достичь количественного и
предсказательного понимания принципов работы биологических систем. Системная
биология дает ответ на этот фундаментальный вопрос путем изучения биологических
систем на разных уровнях организации c помощью междисциплинарных методов,
включая математику, физику и информационные технологии.
Среди исследований в области системной биологии особый интерес представляют
работы по изучению механизмов формирования биологических систем в процессе
развития. Биологические системы формируются путем самоорганизации, а принцип
самоорганизации широко используется во многих областях науки и техники, включая
нанотехнологии. В этом проекте мы планируем изучить динамику самоорганизации
сложной биологической системы – сегментов у модельного биологического объекта
плодовой мушки дрозофилы. Для этого будет использован комбинированный подход,
включающий экспериментальные и теоретические исследования. Экспериментальная
работа будет заключаться в использовании передовых методов микроскопии для
визуализации и количественной оценки компонент системы – индивидуальных молекул
белков и РНК на наномасштабе и в режиме реального времени. Теоретические
исследования будут включать создание математических моделей динамики формирования
биологической системы на основе нелинейных дифференциальных уравнений типа
обобщенной реакции-диффузии и молекулярной симуляции поведения рассматриваемых
объектов во времени. В результате будет достигнуто количественное и предсказательное
понимание принципов развития биологических объектов, получены новые
многомасштабные модели систем, состоящих из исследуемых объектов, и уточнены
тонкие детали связанных с ними процессов, включая самоорганизацию структур на
наномасштабе.
Применение передовых методов микроскопии и теоретического атомномолекулярного моделирования позволит изучить процессы формирования комплексов
аптамер – молекула-мишень. Аптамеры нуклеиновых кислот - искусственно
синтезированные короткие одноцепочечные последовательности ДНК или РНК,
способные высоко специфически связываться с различными молекулами-мишенями,
например белковыми молекулами, низкомолекулярными органическими соединениями. В
настоящее время создано уже более 2000 аптамеров к различным мишеням. Высокая
специфичность связывания, простой механизм деактивации за счет введения в систему
комплементарной последовательности к последовательности аптамера, низкая
токсичность, делают аптамеры наиболее удобными и перспективными для применения в
качестве различных терапевтических агентов. Создан и применяется в клинике
лекарственный препарат на основе аптамеров Macugen (OSI Pharmaceuticals),
используемый для лечения макулодистрофии. Ведутся поиски и внедрение аптамеров для
направленного лечения и диагностики возрастных дегенерационных патологий,
онкологичесих заболеваний, вирусных инфекций. Связывание аптамеров с
низкомолекулярными органическими соединениями делают их привлекательными для
создания сенсорных систем.
Способ получения аптамеров, при всей их значимости, является весьма сложным. В
настоящее время используется одна технология (с различыми модификациями),
позволяющая вести иррациональный синтез аптамеров к заданной мишени. Эта
технология получила название SELEX ("Systematic Evolution of Ligands by Exponential
Enrichment").
Из
набора
уникальных
синтезированных
нуклеотидных
последовательностей в количестве 1012-1036 последовательно выбирается 2-3, способные
специфически связываться с заданной молекулой-мишенью. Таким образом, обычно весь
процесс поиска занимает от 6 до 15 месяцев, а вероятность успешного результата
составляет около 40-60 %. Поиск вариантов методики предусматривающих более
рациональные пути получения аптамеров нуклеиновых кислот на основе знаний о
структуре и свойствах молекулы-мишени – белковой молекулы и методах молекулярного
конструирования аптамеров является важной задачей, решение которой позволит
существенно ускорить внедрение аптамерных препаратов в практику. На основании
данных полученных методами молекулярной механики и квантовой механики будет
производиться синтез успешных кандидатов и их исследования in vitro и in vivo.
3.Описание предполагаемых результатов реализации проекта
В результате реализации проекта будет разработана методика регистрации и
визуализации компонент биологической системы – индивидуальных белков и молекул
РНК на наномасштабе и в режиме реального времени с помощью пионерских методов
микроскопии, позволяющих регистрировать и количественно оценивать динамику
индивидуальных молекул РНК и белков в режиме реального времени. В потенциале эта
методика может быть применена для диагностики заболеваний на ранних стадиях, когда
патология проявляется лишь в изменении уровней концентраций отдельных молекул.
Другим важным результатом будет расшифровка принципов самоорганизации
биологических систем. Это позволят не только понять, как формируется биологический
организм, но поможет научиться контролировать этот процесс. Техническое
конструирование процесса развития и создание биологических объектов с заранее
заданными свойствами будет не только являться доказательством правильности
понимания принципов этого процесса, но и будет иметь важное значение при разработке
методов лечения заболеваний, требующих, например, трансплантации, развития методов
регенеративной медицины и создания новых лекарственных средств, в том числе, и с
помощью разработанной методики рационального синтеза аптамеров.
4. Наиболее близкие по тематике проекты в мире, реализующиеся в настоящее время
- NIH grant RR07801 "Physiological Model of Gene Regulation in Drosophila. В России
работу выполняет отдел компьютерной биологии Центра перспективных исследований
СПбГПУ (руководитель – д.б.н. М.Г. Самсонова), в США - лаборатории профессора
Джона Рaйница в Университете Чикаго.
- Archemix (Cambridge, MA)- The development of aptamers as a new class of directed
therapeutics for the prevention and treatment of chronic and acute diseases.
5. Новизна, описание конкурентных преимуществ результатов
Новизна проекта заключается в использовании передового микроскопического
оборудования, позволяющего регистрировать отдельные молекулы белков и РНК в
режиме реального времени и выполнить количественную оценку их динамики и
превращений; в разработке новых методов визуализации и количественной оценки
динамики биологических молекул, которые потенциально могут найти применение при
ранней молекулярной диагностике болезней; а сочетание встречно используемых
экспериментальных и теоретических подходов позволит описать процессы развития с
ранее недоступной разноуровневой степенью детализации, что в свою очередь повлечет за
собой выявление новых важных закономерностей и принципов функционирования
биологических систем. Помимо этого, использование методов математического и
молекулярного моделирования обеспечит направленную проверку биологических гипотез,
а также
и быструю интерпретацию
получаемых результатов. Технологическим
результатом будет создание методики рационального получения аптамеров нуклеиновых
кислот.
6. Потенциальные потребители
Потенциальные потребители – исследовательские лаборатории научных учреждений
России и других стран, медицинские учреждения, биотехнологические компании,
фармацевтические компании.
7. Где, когда и какой эффект, в т.ч. экономический, ожидается от использования
результатов проекта
Результаты проекта могут найти применение в ранней диагностике болезней. Они
также помогут разработать принципы технического конструирования процесса развития и
создания биологических объектов с заранее заданными свойствами. Это будет иметь
важное значение при разработке методов лечения тяжелых заболеваний, требующих,
например, трансплантации или восстановления органов. Использование результатов
проекта, связанных с методикой рационального получения аптамеров, имеет мировой
потенциал в области фармакологии, медицины, биотехнологий. Ожидаемый
экономический эффект через 10 лет после успешной реализации проекта может
достигнуть 50 млрд. долларов США в год.
8. Предполагаемые организации — участники консорциума по профилям: научные,
образовательные, бизнес. Контактная информация руководителей проекта в каждой
организации и общего координатора
1.
Центр перспективных исследований Санкт-Петербургского государственного
Политехнического университета (проф. М.Г. Самсонова)
2.
НИИ физико-химической медицины (проф. В.М. Говорун)
3.
Dept. of Ecology and Evolution, University of Chicago, Chicago, Il, USA (Prof. John
Reinitz).
4.
Biological Imaging Center, California Institute of Technology, Pasadena, CA, USA
(Prof. Scott Fraser)
9. Описание вклада каждой организации в итоговый результат
Американские
лаборатории
обладают
уникальным
экспериментальными
оборудованием и данными, а российские исследователи имеют высокую квалификацию в
области математической обработки данных, математического моделирования и
информационных технологий, включая опыт создания новых методов моделирования
молекулярных и наномасштабных биосистем, биофизических экспериментов.
10. Преимущества от участия иностранных организаций
Американская сторона (проф. Скотт Фразер) создала уникальный микроскоп нового
поколения, позволяющий регистрировать отдельные молекулы белков и РНК в режиме
реального времени и выполнить количественную оценку их динамики и превращений;
11. Потенциальные иностранные участники проекта, которые могли бы внести
существенный вклад в итоговый результат
- Prof. John Reinitz, Dept. of Ecology and Evolution, University of Chicago, Chicago, Il, USA
- Prof. Scott Fraser, Biological Imaging Center, California Institute of Technology, Pasadena,
CA, USA
12. Краткая предыстория формирования проекта
Совместные исследования отдела компьютерной биологии Центра перспективных
исследований (проф. М.Г. Самсонова) и лаборатории проф. Дж. Рaйница в Университете
Стони-Брука (с 2009 года в Университете Чикаго) начались в 1997 и постепенно привели к
тесному сотрудничеству по всем направлениям работы российского и американского
научных коллективов. Осенью 2010 года проф. Скотт Фразер (Калифорнийский институт
технологий), давно знакомый с работами групп профессоров Рейница и Самсоновой,
предложил им свое сотрудничество.
В 1998 года работа российской лаборатории была поддержана фондом Фогарти (США), а
с 2000 года по настоящее время - грантом Института Здоровья США.
В рамках гранта Института Здоровья США коллективами разработаны уникальные
методы получения количественных данных по экспрессии генов из изображений,
получаемых с помощью конфокального микроскопа, математические модели динамики
формирования сегментов у плодовой мушки дрозофилы. Получен ряд важных
результатов, опубликованных в ведущих научных журналах, таких как Nature, Nature
Genetics, PLoS Biology и представленных на ведущих научных конференциях в форме
пленарных и приглашенных докладов. Созданные коллективами программные продукты и
база данных FlyEx (urchin.spbcas.ru/flyex) широко используются международным научным
сообществом в исследовательских и образовательных целях.
Одновременно с этим в ЦПИ СПбГПУ развивались направления, связанные с
проведением работ в области моделирования биомолекул и наномасштабных атомномолекулярных ансамблей сложной природы, поддерживаемое рядом российских и
международных программ (INTAS, FP6). В 2009 году начинает развиваться направление,
касающееся методики рационального создания аптамеров. Инициатор данной части
проекта А.А. Богданов стажировался как молодой ученый в лабораториях
Государственного университета Аризоны (Tempe, Phx, Az, USA) и Университета
медицинского центра Небраски (Omaha, Ne, USA) в области исследования
самособирающихся наноструктур на основе ДНК.
Проф. Джон Райнитц и директор ЦПИ С.В. Козырев являются сопредседателями научного
комитета Санкт-Петербургской международной конференции по нанобиотехнологиям,
проводимой с 2007 года.
13.
Предварительный план подготовки и реализации проекта (основные вехи) по
каждой организации, включая координационные мероприятия
Установление конкретных договоренностей с американскими партнерами: до 1 мес.
Разработка технического задания, календарного плана и остальной проектной
документации: до 6 месяцев.
Телеконференции и видеоконференции по рабочим вопросам проекта: не реже 1 раза в
месяц.
Стартовая встреча ключевых участников :в течение первых 3 месяцев проекта.
Отчеты: краткие — раз в полгода, промежуточные — раз в год, итоговый в конце 3-го
года проекта.
Получение предварительных результатов: от 1 года проведения проекта.
Окончательные результаты: в конце 4-го года проведения проекта.
14.
Объем финансирования (существующий и необходимый), включая
предполагаемые источники и объемы софинансирования