Глубокая заморозка — один из главных способов сохранить биологические образцы: органы для трансплантации, ткани для исследований, яйцеклетки для ЭКО, материалы для биобанкирования. Но при размораживании многие из них теряют целостность. Решение может скрываться в неожиданном месте — в организме пиявки, которая способна впадать в состояние, близкое к анабиозу. Студент магистратуры МФТИ «Прикладной анализ данных в медицинской сфере» Клим Федеряев рассказал, как устроен криптобиоз, почему именно пиявка стала объектом исследования и что даст этот проект биомедицине.
Клим, расскажи, что такое криптобиоз и почему это важно?
Криптобиоз — это состояние, при котором организм практически полностью замедляет или временно останавливает видимые жизненные процессы, чтобы пережить крайне неблагоприятные условия среды. У разных организмов такие условия могут быть разными: это может быть высушивание, замораживание, дефицит кислорода или другие экстремальные воздействия. Именно поэтому криптобиоз особенно интересен: он показывает, что в природе уже существуют механизмы, позволяющие живым системам выдерживать то, что для большинства клеток и организмов оказалось бы разрушительным. К таким организмам относятся, например, тихоходки, коловратки, некоторые нематоды и артемия.
Конечно, это не значит, что механизмы, работающие у таких организмов, можно напрямую перенести на клетки человека, ткани или органы. Между фундаментальным пониманием и реальным медицинским применением всегда пролегает большая дистанция. Но на природные примеры людям нужно смотреть в первую очередь: они показывают, что такие решения в принципе возможны, а значит, могут подсказать направление поиска, новые молекулярные мишени и биоинспирированные подходы в криобиологии, биобанкировании и других областях, где нужно сохранять живой материал.
Почему пиявка? Какие у нее уникальные свойства?
Ozobranchus jantseanus интересна нам как очень необычная модель устойчивости к экстремальным воздействиям. По литературным данным, на данный момент это крупнейшее из известных многоклеточных животных, способное сохранять жизнеспособность после прямого погружения в жидкий азот при −196 °C. Для нее также описана выживаемость после многократных циклов замораживания‑оттаивания и после сильного обезвоживания,вплоть до потери около 84% воды с последующим восстановлением жизнеспособности.
Особенно важно, что в одном организме здесь сочетается устойчивость и к замораживанию, и к обезвоживанию. Более того, такая устойчивость, по‑видимому, не связана с предварительным питанием: она наблюдается не только у взрослых особей, но и у коконов и только что вылупившихся молодых пиявок (при −90 °C). При этом у этого вида не выявлены некоторые классические низкомолекулярные криопротекторы, например трегалоза и глицерин. Поэтому O. jantseanus интересна как модель, в которой можно искать другие, еще недостаточно изученные механизмы защиты.
Как ты проводишь исследование? Какой метод используешь?
На самом деле это не один метод, а целый комплекс подходов. Если говорить в общих чертах, сначала мы получаем геномную основу для работы: собираем de novo геном, оцениваем его качество, а затем проводим его аннотацию — то есть определяем, где в этой последовательности находятся гены и какие функции они предположительно могут выполнять. Для немодельного организма это особенно важно, потому без такой опорной карты дальше гораздо сложнее интерпретировать молекулярные данные.
Следующий этап — это анализ того, как организм реагирует на стресс на уровне активности генов. Для этого используется RNA‑seq: он позволяет увидеть, какие гены начинают работать активнее, какие, наоборот, снижают активность, и какие из этих изменений действительно значимы. После этого подключается биоинформатический и статистический анализ, который помогает отделить устойчивые закономерности от случайных колебаний.
И уже дальше начинается биологическая интерпретация результатов. Мы смотрим, какие клеточные процессы могут стоять за этими изменениями, какие системы организма вовлекаются в ответ на экстремальные воздействия и есть ли среди таких генов особенно интересные кандидаты для дальнейшего изучения. То есть в целом это сочетание геномики, транскриптомики, вычислительного анализа и последующей биологической интерпретации.
Расскажешь о первых практических результатах проекта?
На данном этапе у нас уже есть достаточно цельная картина того, какие группы генов реагируют на экстремальные воздействия, и есть несколько особенно интересных кандидатов для дальнейшей работы. При этом часть результатов выглядит вполне ожидаемо, а часть, наоборот, ставит новые вопросы, и это, наверное, один из самых интересных моментов в таком проекте.
Сейчас мне не хотелось бы уходить в излишние детали, потому что такие результаты лучше обсуждать вместе с полным контекстом анализа. Но в целом уже можно сказать, что проект оказался очень содержательным и дал хорошую основу для следующего этапа работы.
В каких сферах это можно будет применить?
Если говорить осторожно, такие исследования потенциально могут быть полезны везде, где важно надежно сохранять живой биологический материал. В первую очередь это касается трансплантологии, вспомогательных репродуктивных технологий и биобанкирования.
Например, в трансплантологии одна из ключевых задач — увеличить время, в течение которого клетки, ткани или другие биологические материалы сохраняют жизнеспособность и функциональность и могут быть использованы для пересадки. В репродуктивной медицине подобные знания в перспективе могут помочь улучшить условия длительного хранения ооцитов, эмбрионов и других чувствительных клеточных систем. А для биобанкирования это особенно важно потому, что здесь речь может идти не только о повышении надежности хранения, но и о расширении круга объектов, которые вообще удается стабильно сохранять, включая более сложные или чувствительные биологические образцы.
При этом важно не переоценивать скорость перехода от фундаментальных результатов к прикладным решениям: между ними обычно лежит большая работа по проверке, валидации и адаптации. Но если нам удается лучше понять природные механизмы устойчивости, это со временем действительно может оказаться полезным сразу для нескольких практических направлений.
На каком этапе исследование находится сейчас? Каковы следующие шаги после завершения этого этапа?
Сейчас исследование находится на этапе, когда у нас уже есть собранный и аннотированный геном, то есть мы понимаем, какие гены и функциональные группы в принципе представлены у этого организма. Кроме того, уже получены данные о том, какие из них реагируют на стрессовые воздействия.
Следующий шаг — более детальный разбор генов‑кандидатов, сопоставление разных уровней данных и, в идеале, последующая функциональная проверка. То есть главный вопрос следующего этапа — не просто «что меняется», а что из этого действительно помогает организму выживать, а что лишь сопровождает стрессовый ответ.
Можно сказать, что дальше работа становится более избирательной. Появляется возможность сузить круг поиска, выделить наиболее перспективные мишени для дальнейшего изучения и сформулировать более строгие гипотезы. В дальнейшем можно будет подключать коллег из областей биохимии, клеточной биологии и биотехнологии, потому что здесь исследование постепенно переходит от анализа данных к постановке новых экспериментов.
Во что это может вылиться в перспективе и что для этого нужно?
Пока об этом нельзя говорить наверняка. Такие проекты редко сразу превращаются во что‑то прикладное, но они могут задать очень важное направление. Иногда сначала кажется, что речь идет о довольно узком и экзотическом объекте, а потом именно через такие системы появляются новые идеи о том, что в биологии вообще возможно. Хороший пример — термостабильные полимеразы из термофильных бактерий: когда‑то это была просто особенность необычных микроорганизмов, а впоследствии именно она сделала возможным развитие метода ПЦР, на котором держится огромная часть современной молекулярной биологии, в частности, ПЦР‑тесты, широко использовавшиеся во время пандемии COVID-19.
Чтобы из этого выросло что‑то большее, нужна длинная и аккуратная работа: результаты должны выдержать независимую проверку, механизмы — стать понятнее, а затем нужно будет понять, можно ли использовать эти принципы за пределами самого объекта исследования. Только после этого можно говорить о реальных перспективах.