Упоминания о вирусе гепатита С (HCV) замелькали в российской прессе осенью 2020 года не только в связи с Нобелевской премией по физиологии и медицине [1], но и из-за того, что команда молодых российских ученых впервые получила золото на конкурсе разработок iGEM, представив там свой проект HaploSense — детектор генетических вариантов РНК-содержащих вирусов.

Об этом проекте команда Moscow 2020 (рис. 1) подробно рассказывает в отдельной статье «Как вирусы обманывают человека?» [2], опубликованной в рамках конкурса «Био/Мол/Текст-2020/2021». А в этом тексте вы узнаете о них самих, об их любви к синтетической биологии и о том, почему надо пробовать свои силы в подобных международных предприятиях.

Немного о генетических вариантах и HCV

Как рассказывают члены московской команды iGEM, начать работать над проектом по идентификации генетических вариантов РНК-содержащих вирусов их побудила эпидемия COVID-19. В прессе попадались сообщения о том, что в зависимости от генотипа коронавируса распространенность и течение болезни могут быть разными (кстати, и сейчас активно ведутся исследования, выявляющие отличия новых вариантов SARS-CoV-2, включая «британский» и «южноафриканский»). «Но позже мы поняли, что точной зависимости пока не установлено. Тем не менее тема показалось нам интересной, и мы обнаружили, что она актуальна для другого вируса — вируса гепатита С, особый рекомбинантный вариант которого распространен в России. Более того, рекомбинантный вирус неправильно определяется существующими тестами, что может привести к назначению неэффективной терапии», — делится с «Биомолекулой» один из членов команды, Вера Сысоева (Тяньцзиньский университет).

В группу HCV входит несколько подтипов вирусов [3]. Для генотипирования раньше использовали одну из двух систем классификации — Окамото или Сайммондса, — но в конце концов «победила» последняя [4]. И уже с далеких 1990-х стало ясно, что идентификация генотипа этого вируса может быть полезной в клинических условиях: от него, возможно, зависят течение и исход заболевания или ответ на лечение [5]. Кроме того, одни генетические варианты распространены по всему миру, а другие преобладают в определенных географических зонах (рис. 2) [6], [7]. Тем не менее даже спустя десятки лет не удалось создать быстрых и удобных тестов для генотипирования HCV. Кто знает, возможно, именно HaploSense, созданный на основе системы CRISPR-Cas, сможет изменить эту ситуацию.

О современных методах терапии гепатита С «Биомолекула» уже писала: «Гепатит C: решенная проблема?» [8].

Кроме того, как рассказывает о выборе темы проекта Юлия Качер — инструктор команды Moscow 2020, — в России проблема гепатита С стоит весьма остро. В 2016 году, например, согласно информации Минздрава, заболеваемость острым гепатитом С составила 1,47 на 100 тысяч населения, а его хронической формой — 39,26 на 100 тысяч (в абсолютных числах — 58 123 человека).

О HaploSense от первого лица

В HaploSense (видео 1) для определения HCV будет использоваться инактивированная кровь пациентов. Если вирус определенного вида в ней есть, его нуклеиновая кислота амплифицируется в ходе RT-LAMP. Далее ее узнает белок CasX — самый маленький (и, как мы рассчитываем, более простой в применении) среди известных Cas-белков. Мы планируем использовать нуклеазную активность CasX для визуализации результата: после встречи с генетическим материалом вируса этот белок начнет разрезать короткие молекулы ДНК с двумя концевыми метками, одна из которых флуоресцентная. Если это произойдет, отрезанные фрагменты с флуоресцентными метками образуют вторую полосу на тест-полоске, схожей с тестом на беременность, и флуоресцентный сигнал считается с помощью простого и компактного флуориметра, тоже продукта нашей разработки.

Существующие методы определения вирусных генотипов (ПЦР и секвенирование) гораздо более время- и трудозатратны, к тому же они требуют дорогостоящего оборудования и дополнительной квалификации персонала. Все это усложняет диагностику, которая должна быть очень быстрой и точной. С помощью HaploSense мы хотим решить сразу несколько проблем. Например, такой вид тестирования потенциально пригоден для любого, даже не оснащенного специальной лабораторией, медицинского учреждения. О стоимости говорить пока рано, так как мы не можем рассчитать сейчас все затраты на постановку лабораторных экспериментов и все этапы тестирования.

Метод, используемый в нашей разработке, универсален: его можно будет применять в отношении остальных генотипов HCV и других вирусов. Для этого придется заменить лишь гидовую РНК, с помощью которой детектор узнает нужный вариант вируса. А если для получения вирусного генетического материала можно будет использовать не кровь, а более доступные источники (например, слюну), такие тесты подойдут и для домашнего применения.

Сейчас мы договариваемся о сотрудничестве с НКО «Вместе против гепатита», готовим материал о гепатите С, общаемся с экспертами по поводу детекции других вирусов с помощью HaploSense. Ну и конечно, с нетерпением ждем начала работы в лаборатории, поскольку наш детектор нужно протестировать, прежде чем двигаться дальше.

Что такое iGEM?

История iGEM (The International Genetically Engineered Machine competition; Международное соревнование генно-инженерных машин) началась в 2003–2004 годах, и первый конкурс (2004) собрал всего 5 команд (31 человека) из американских университетов: Бостонского, Принстонского, Калтеха, МТИ и УТ (рис. 3). Спустя 15 лет, в 2019 году, 353 команды уже представляли почти полсотни стран, и количество участников выросло до 6375. Полные сводки по командам можно посмотреть на сайте конкурса.

Так что же такое iGEM?

«Это конкурс для широкой аудитории со всего мира. Для студентов разных специальностей (не только биологов) и для продвинутых школьников. Для молодых ученых, которые ищут свой путь и кипят новыми идеями, и для тех, кто мечтает сделать “лабораторию в гараже” (если говорить не о России). Для состоявшихся ученых, которые могут передать свой опыт и претворить в жизнь оригинальные и выходящие за рамки рутины научные задумки, — рассказывает Юлия Качер. — Не устаю восхищаться и тем фактом, что iGEM — это в первую очередь соревнование с самим собой: сможешь ли ты выполнить все поставленные амбициозные задачи и дойти до конца этого марафона?» По словам Дарьи Смоляровой, лидера московской команды 2020 года, iGEM совмещает в себе площадку для создания проектов и конференцию: «Это чем-то похоже на затянувшийся на полгода хакатон, где нужно сначала идею проекта придумать, а затем постараться его реализовать».

«Многие принимают iGEM за очередной конкурс студенческих стартапов, но это не совсем так. iGEM в первую очередь не про деньги. Согласно политике конкурса, проект должен быть направлен на решение мировых или региональных проблем, — делится с «Биомолекулой» Анастасия Кислова, студентка МГМУ им. Сеченова. — Одним из медальных критериев является проведение циклов так называемых человеческих практик — общения с экспертами и потенциальными потребителями разработки. Благодаря им команды не теряют связи с обществом и судьи видят, что проект действительно востребован и может принести миру пользу, а не выполняется просто для галочки». Как говорит Анастасия, важная составляющая политики iGEM — популяризация науки. Многие команды проводят лекции, мастер-классы и активно развивают научные сообщества в своих странах, а iGEM, в свою очередь, поощряет межкомандные коллаборации, побуждая молодых ученых из разных уголков мира общаться друг с другом и налаживать связи, которые можно будет поддерживать и за пределами конкурса. «Люди, которые прошли конкурс, остаются в нем, создают свои компании — например, Ginkgo Bioworks (iGEM MIT 2004 / MIT 2006), Opentrons (iGEM Genspace 2014), Bento Lab (iGEM University College London 2013), — открывают лаборатории и поддерживают друг друга внутри этой интерактивной площадки. Это целое сообщество интересующихся синтетической биологией», — соглашается Марина Марченко, отвечающая в команде за связи с общественностью и SMM.

iGEM и российские команды

«Для России двери на конкурс приоткрылись в 2007 году, когда команда из Питера доехала до Бостона, — рассказывает Юлия Качер. — Мы, к сожалению, не смогли с ними пообщаться: слишком много времени прошло, контакты устарели. Далее, насколько нам известно, команда свою деятельность не продолжала, и идеи iGEM тогда не смогли проникнуть в Россию. Вторым дыханием стало участие российской команды в 2017 году, но у ребят были проблемы с формальными деталями, из-за чего их выступление было не столь успешным, как, наверное, могло бы быть. Продолжать участие в конкурсе они не стали, и iGEM для России чуть было опять не исчез с горизонта событий.

Об их проекте биосенсора меди можно прочитать на сайте iGEM 2007. — Прим. автора статьи.

В 2018 году на базе кафедры биоинженерии МГУ проходил практикум по синтетической биологии, и его участники составили ядро команды Moscow 2019 — единственного представителя России на конкурсе.

Мы, если честно, чувствовали себя первопроходцами. Наш проект был посвящен детекции боррелий — возбудителей болезни Лайма. Мы занимались разработкой портативного биосенсора на основе каталитически инактивированных белков Cas9 и репортерной сплит-системы. Сигнал мы регистрировали с помощью небольшого, напечатанного на 3D-принтере устройства, что здорово с точки зрения диагностики point of care.

Это был неоценимый опыт, причем несколько печальный. Опять же из-за формальности медаль мы не получили. В 2017 году команде не удалось вовремя разобраться с получением американских виз, из-за чего только одна участница смогла представить проект на финальной конференции в Бостоне. В 2019 году мы учли эту и другие ошибки, но еще не были знакомы с процедурой заполнения специальных, нетипичных для российского научного сообщества форм отчетности — так называемых judging forms. После участия в iGEM 2019 перед нами стояла амбициозная задача — наладить преемственность, обеспечить участие России и в iGEM 2020. Что мы и сделали.

Помню, как в начале весны нас еще терзали сомнения насчет участия в конкурсе: собирать ли команду в условиях пандемии, что будет дальше? Но отступать от намеченных планов мы не стали: составили анкету для отбора заинтересованных ребят в команду Moscow 2020. Было много сильных заявок, что не могло не радовать. А далее начались еженедельные собрания, закипела работа.

Информацию о наборе распространяли привычными для нас каналами. Особенно эффективно сработали, конечно, социальные сети и сообщество студентов МГУ — в частности, биологического факультета. Но мы были рады и совершенно новым лицам с различными бэкграундами, ведь для успешного участия в конкурсе нужен целый спектр умений, которые вряд ли есть у одного человека».

По словам Дарьи Смоляровой, в команду брали всех, кто хотел попробовать себя в iGEM. Московская команда 2019 года объявила набор новичков и провела несколько вебинаров, и это помогло собрать костяк будущей команды. «Так получилось, что у нас практически не было программистов, поэтому дополнительно просили помочь с созданием BioLego Go, онлайн-игры в рамках критерия Education для iGEM (рис. 4, подробнее о ней на страничке команды), — рассказывает Дарья. — Задачи объявляли на общих собраниях, а дальше каждый брал то направление, которое ему больше нравится. Не обязательно было хорошо ориентироваться в вопросе, главное — желание разобраться и внести вклад в общую работу».

Именно мотивация стала основной причиной попадания в команду и школьницы Надежды Коростылевой: «Хотя я владею английским языком и у меня есть некоторая квалификация в биологии, даже по лучшим своим параметрам я далеко не всегда могла быть наравне с остальными членами команды. Но это и не считалось главным».

«Инструкторами стали участники команды 2019 года. Они очень помогли нам не наступить на те же грабли, правильно и быстро организовать рабочее пространство, разобраться с требованиями iGEM к клонированию плазмид и составить план лабораторной работы, а также помогали моделировать работу тест-системы и искать замены в геномах SARS-CoV-2 и HCV», — продолжает Дарья Смолярова. При этом, как добавляет Юлия Качер, инструкторам было важно донести полученный в прошлом году опыт и направить обсуждение и выполнение работы в нужное русло.

Огонь, вода и медные трубы: гид по успешному выступлению

Как рассказывают участники команды Moscow 2020 (рис. 5), сама регистрация на конкурс не очень сложная, особенно если помогает хороший наставник. Подача заявки происходит весной: нужно зарегистрировать команду на сайте, уложившись в дедлайн, и внести регистрационный взнос, который в прошлом году составил $5500 (что, как отмечает Юлия Качер, может стать отдельной проблемой: из-за этого приходится заниматься сбором дополнительных средств).

«Состав команды, название и описание проекта на этом этапе еще не нужны, и, соответственно, никакого отбора пока нет: кто зарегистрировался, тот и участвует», — говорит Дарья Смолярова. По словам Юлии Качер, формироваться команда может и раньше, в целях увеличения отведенного на проект времени, а «далее необходимо периодически заполнять некоторые документы — так называемые формы, в том числе по соблюдению норм безопасности и подтверждению соответствия условий лаборатории поставленным задачам. На этом этапе может что-то пойти не так, если не проявлять должного внимания. Иногда бывает так, что команды заявляют одно, а на презентации выясняется нечто совсем другое. Это может повлечь дисквалификацию».

Подготовка же самого проекта для представления iGEM, даже при условии распределения задач, требует от участников самостоятельности, приобретения абсолютно новых навыков и решения вопросов, с которыми они раньше не сталкивались. Для проекта HaploSense команде пришлось решать целый комплекс задач. Перво-наперво нужно было выбрать самый актуальный объект для детекции. Для этого, как отмечает Дарья, нужно было не только изучить литературу, но и пообщаться с экспертами и врачами. Следующим шагом был выбор платформы для тест-системы (в случае HaploSense это CRISPR-Cas), наиболее подходящего белка Cas и способа амплификации. Далее участникам требовалось выполнить биоинформатическое моделирование работы системы, чтобы понять, при каких температурных и временны́х условиях и при каких концентрациях компонентов все должно работать. И наконец, нужно было найти мишени для детекции — такие места в геномах разных HCV, которые будут надежно отличать один генотип от другого. (Подробнее эта часть работы освещена на страничке команды.)

Однако такими научными задачами дело не ограничилось. Как говорит биохимик с биофака МГУ Марина Марченко, проект — это целый комплекс направлений: разработка системы, биоинформатика, моделирование, дизайн, финансирование, взаимодействие с другими командами, общение с экспертами, популяризация синтетической биологии. «До проекта HaploSense я не работала с вирусами и CRISPR-Cas-системами, что оказалось, напротив, хорошо, поскольку мне было вдвойне интереснее разбираться в новой теме и создавать что-то уникальное, — рассказывает Марина. — Большой плюс конкурса — возможность участвовать во всех сферах деятельности. Так, например, я смогла не только прорабатывать идею проекта как ученый, но и договариваться о взаимодействии с командами iGEM со всего мира, задавать вопросы экспертам, организовывать лекции, интервью, мастер-классы, вести социальные сети, работать в команде».

«iGEM уникален тем, что дает возможность самостоятельно сделать большой проект, который никак не связан с основной учебой или работой, — комментирует Дарья Смолярова. — Сначала для меня была важна именно эта возможность получить углубленные знания в новой для меня области, но по ходу выполнения проекта на первое место вышли soft skills: умение организовывать не только свое время, но и время команды, придумывать и распределять задачи, общаться с совершенно незнакомыми людьми о разных сторонах развития проекта, писать и редактировать тексты, организовывать и читать лекции, и так далее. Стоит особо выделить навык делать все дистанционно, когда не видишь людей и не можешь получить моментальную реакцию».

«iGEM заставляет участника взрослеть как специалиста, вырывая из студенческого мира учебников и лекций и заставляя разбираться в том, что делать со своей идеей, как воплотить ее в реальность, какие для этого действительно нужны связи и навыки (тот же SMM, которому не учат на биофаках, да и многое другое) — как их найти и где и чему научиться, — говорит Анастасия Кислова. — iGEM заставляет человека взрослеть и как личность, потому что невозможно почти год проходить с новым коллективом через череду неурядиц, организационных трудностей, личных челленджей, подгорающих дедлайнов и кажущихся невыполнимыми задач и совсем не измениться».

Старания московской команды дали плоды: проект HaploSense принес ей золотую медаль — одну из 168, выданных командам на конкурсе (рис. 6). Что значит такое распределение призов и как отбирают лучшие разработки? И, в конце концов, как же добиться успеха на iGEM?

«Количество команд-участниц колоссальное, то есть выбрать один лучший проект априори невозможно, ведь у команд даже треки (глобальные темы и проблемы, над которыми они работают) различаются», — разъясняет Юлия Качер. Поэтому, как говорит Дарья Смолярова, есть две разные оценочные системы: индивидуальные оценки для каждой команды (медали) и отбор лучших проектов среди всех команд (специальные призы). Для получения медали прописан набор определенных критериев и по научной составляющей, и по соблюдению дедлайнов, и по связям с общественностью. Среди них — вовремя наполнить сайт команды, загрузить в срок два видео, подготовить постер, проработать проект с привлечением экспертов и выполнить его часть в коллаборации с другими командами, смоделировать работу прибора, создать теоретический прототип, показать его экспертам, а потом улучшить, исходя из их комментариев, или, например, выполнить математическое моделирование работы системы и оптимизировать условия. Есть и необязательные для получения медали критерии: в частности, можно создать прототип проектного продукта и доказать его работоспособность.

Каждая команда, которая выполнит определенный набор критериев, получит соответствующую медаль. «Если в какой-то из категорий проект особенно выдающийся, то он получает в дополнение к медали награду в специальной номинации (они перечислены на сайте конкурса), но количество номинаций ограничено, — говорит Дарья. — Смысл такой системы в том, что проекты очень сложно сравнивать друг с другом, поэтому команды в первую очередь соревнуются сами с собой».

«Комплексные проекты сравнивать практически нельзя, именно поэтому и был выбран такой формат системы награждения, — соглашается Юлия Качер. — Более того, каждый проект оценивается компетентным жюри (обычно из 5–6 человек), которое должно прийти к консенсусу».

Осторожно, двери открываются

Участие в конкурсе стало незабываемым для всех членов Moscow 2020.

«Все началось случайно с открытой лекции на Дне биолога и со щелчка мыши, подтвердившего отправку заявки на участие, а закончилось... Знаете, трудно подобрать слова. Но ощущение такое, словно я прошла через приключение, — делится с «Биомолекулой» Анастасия Кислова. — А из хорошего приключения невозможно вернуться домой тем же человеком, которым в него когда-то отправился. iGEM принес с собой много новых челленджей. Например, именно на конкурсе я написала свою первую обзорную статью по совершенно новой для меня теме и за неделю освоила основы html, чтобы сделать вики-страницу команды. Не менее важный результат работы над проектом iGEM — водоворот новых отраслевых знакомств, которые сложно приобрести в таком количестве при других обстоятельствах.

iGEM, вне всякого сомнения, дает сильную строку в CV. Но ее может подарить и любая другая работа в лаборатории, а вот такие мощные изменения в жизни, пожалуй, только этот конкурс. Возможно, дело в уникальности конкурсных критериев проектов — я не знаю другой такой инициативы, которая мотивировала бы студентов создавать что-то настолько практико-ориентированное. А может, все дело в людях, с которыми я попала в одну команду. Или же в iGEM-сообществе, объединенном искренним порывом не просто создать что-то интересное, а своими разработками сделать мир чуточку лучше. iGEM дал опыт, много опыта, и не только в решении научных задач. Но самое главное — iGEM оставил за собой ощущение, что все было не зря».

Как и Анастасия, Марина Марченко называет iGEM лучшим личным событием 2020 года и отмечает его объединяющую роль: «За полгода я познакомилась со множеством замечательных людей и встретила новых друзей, и карантин не лишил полноценности ни iGEM этого года, ни проект нашей команды!»

Однако на приобретении новых навыков и знакомств влияние iGEM не заканчивается. Участникам этот конкурс помогает и в будущей профессиональной деятельности.

Юлия Качер называет участие в iGEM толчком к личностному росту и площадкой для саморазвития и самореализации. «Я участвую в конкурсе второй год. Это как пробежать два марафона подряд, — поясняет Юлия. — Мне довелось стать студенческим лидером команды Moscow 2019 и даже добраться до финальной конференции в Бостоне вместе с коллегами. Для меня это стало началом какого-то нового этапа и понимания, зачем, собственно, я “пошла в науку”. Тема моей магистерской работы, например, косвенно связана с проектом iGEM 2019, то есть и в профессиональной сфере это принесло свои плоды».

Дарья Смолярова отмечает, что участие в iGEM может принести не одну весомую строчку в CV. С этим согласна и школьница Надежда Коростылева: «Открытие таких, ранее совершенно для меня непостижимых, горизонтов, наверняка повлияет на мое будущее поступление и учебу в университете. Можно даже сказать, что участие в крупном международном конкурсе уже немного приоткрыло передо мной дверь прикладной науки и, возможно, стало первым шагом к полному в нее погружению».

Литература

1. Ловцы «ласкового убийцы»: объявлены лауреаты Нобелевской премии по физиологии/медицине (2020);
2. Как вирусы обманывают человека?;
3. Jens Bukh. (2016). The history of hepatitis C virus (HCV): Basic research reveals unique features in phylogeny, evolution and the viral life cycle with new perspectives for epidemic control. Journal of Hepatology. 65, S2-S21;
4. Peter Simmonds, Alfredo Alberti, Harvey J. Alter, Ferruccio Bonino, Daniel W. Bradley, et. al.. (1994). A proposed system for the nomenclature of hepatitis C viral genotypes. Hepatology. 19, 1321-1324;
5. Nizar N. Zein, David H. Persing. (1996). Hepatitis C Genotypes: Current Trends and Future Implications. Mayo Clinic Proceedings. 71, 458-462;
6. Lize Cuypers, Francesca Ceccherini-Silberstein, Kristel Van Laethem, Guangdi Li, Anne-Mieke Vandamme, Jürgen Kurt Rockstroh. (2016). Impact of HCV genotype on treatment regimens and drug resistance: a snapshot in time. Rev. Med. Virol.. 26, 408-434;
7. Faisal Nouroz, Sidra Shaheen, Ghulam Mujtaba, Shumaila Noreen. (2015). An overview on hepatitis C virus genotypes and its control. Egyptian Journal of Medical Human Genetics. 16, 291-298;
8. Гепатит C: решенная проблема?.