Геномна наука в Україні: чи є це в нашому ДНК?

Нещодавно мовник Голос Америки опублікував інтерв’ю з Тарасом Олексиком, професором Оклендського університету українського походження, про майбутнє геномних технологій (тобто таких, які дозволяють дослідити весь набір генів організму, або геном) в Україні. Оскільки в інтерв’ю були озвучені цікаві тези про розвиток геномних технологій в Україні, я публікую цей допис-коментар.

Колегам професор Олексик, окрім іншого, відомий тим, що разом зі співавторами опублікував неймовірно важливе дослідження про геномне різноманіття в Україні. Це - перше (єдине) дослідження українських геномів такого масштабу. То чому ж це настільки велика подія?

Наука, яка була на часі ще вчора

Так це бачить DALL-e за ключовими словами: “Genomics, bioinformatics, big data, DNA, Ukraine, research”.

По-перше, окрім українців ніхто не стане займатися популяційною генетикою українців. В нас неймовірно мало даних про те, які генетичні варіанти розповсюджені в українців, а які - ні. Цю проблему я відчув під час роботи лікарем-інтерном у центрі медичної генетики: відкрийте розділ генетичних тестів на сайті мережі лабораторних досліджень поруч з вами і побачите, що досить багато тестів досі є ПЛР-тестуванням на наявність певних генетичних варіантів. Такий метод потребує визначення варіантів, які нас цікавлять, заздалегідь; при цьому зовсім не обов’язково, що, наприклад, українці півдня Одеської області будуть мати такі ж патогенні варіанти муковісцидозу (або іншої спадкової хвороби), які найчастіше знаходять в окремих популяціях центральної та західної Європи. Тому варіанти, які включені до подібної панелі, можуть бути не завжди релевантними і це є проблемою - принаймні допоки ми не можемо проводити масове тестування більш сучасними технологіями.

По-друге, популяційна геноміка - це ще й про економіку. Так, наприклад, $3.6 млрд, проінвестованих у Проєкт геному людини, за перші ~20 років трансформувалося у ринок з $796 млрд капіталізації та мільйони робочих місць. Проєкти з секвенування геномів у Сполученому Королівстві привносять ~£2.5 млрд до економіки щорічно.

Тож, подібні проєкти мало того, що здатні покращити охорону здоров’я в Україні, так ще і важливі для економічного зростання: вони впливають на клінічні дослідження, персоналізовану медицину, і наявність наукомістких робочих місць на ринку. Тож, далі коментар я фокусую на трьох тезах, пов’язаних з інтерв’ю: про біоінформатичний центр, про підготовку фахівців і про інтеграцію українців у глобальну наукову співпрацю.

Теза 1. Про біоінформатичну столицю

Джерело: DALL-E

Позиція професора Олексика в тому, що Ужгород (УжНУ) має потенціал стати важливим центром біоінформатики в Україні, про який добре знатимуть і за кордоном. Я думаю, що для цього є важливі передумови, оскільки пан Олексик безпосередньо асоційований з факультетом УжНУ і може впливати на навчання та наукову роботу; окрім того, його організація Bioinformatics for Ukraine регулярно проводить якісні (зі слів студентів, які брали участь, і з якими я спілкувався) освітні курси з біоінформатики. Значущою також була літня школа цього року, коли в Ужгород приїхали запрошені вчені з іноземних інститутів (включаючи і учасницю правління нашої організації :) ) і поділилися досвідом зі студентами. Окрім атмосфери відносної безпеки для іноземних колег навіть в умовах війни, близкість кордонів також дає переваги щодо постачання реактивів, які потрібні для експериментів; в перспективі приєднання до митної системи ЄС, це надасть змогу отримувати їх швидше, або навпаки - швидко довезти зразки з чутливими умовами зберігання до колег в іншому інституті. Але це те, що стосується лабораторної роботи - так званий wet lab. А що ж біоінформатика?

Пандемія продемонструвала, що відпускати на віддалену роботу фахівців з обчислювальної біології не лише не страшно - навіть для таких консервативних закладів, як університети - а ще й зручно. Бо, на відміну від wet lab, біоінформатична група - це про обчислювальні потужності, які можуть знаходитися у хмарі на іншому континенті, та про комунікації. Тож локація саме тут гратиме, можливо, не настільки важливу роль, як приналежність до кампусу з гарними цінностями та оточенням. З такими Україні за останні десятиліття не дуже щастило.

Сентимент професора Олексика щодо Ужгорода мені цілком зрозумілий, проте, як корінному мешканцю півдня України, мені було б непросто об’єктивно визначити найкращу в Україні локацію для подібної організації (інституту/центру). Базуючись на власному досвіді роботи та спілкуванні з колегами, до інших важливих характеристик я би відніс близькість до регуляторів та “сильних”/ефективних лабораторій біомедичної направленості неподалік. Хоча такі нечисленні лабораторії й розташовані в різних кутках України, вимушений визнати, що їх концентрацію найлегше знайти у Києві.

Ультимативно, не так важливо, де саме буде розташований такий “центр”. Важливо, щоб їх було багато і вони конкурували між собою.

Гарвардська медична школа або Університет Джонса Гопкінса? Центр молекулярної медицини Австрійської академії наук (CeMM) або Віденський біоцентр? Саме дружня конкуренція - не плутати з традиційною українським академічним ізоляціонізмом - робить внесок до того, чому усі ці місця є видатними. Щобільше, це доведеться донести і до стейкхолдерів у державі: не зважаючи на те, що перелічені вище конкуруючі дослідницькі інститути та університети є приватними, певну частку їх бюджетів фінансують платники податків. “Гарвард”, окрім інших джерел, фінансується з федерального бюджету США; CeMM, з яким я афілійований, у своєму останньому щорічному звіті доповів про близько 55% фінансування з австрійських публічних фондів та грантів; Інститут молекулярної патології, який входить до Віденського біоцентру, отримує до 30% свого фінансування з публічних фондів - навіть попри значне фінансування від фарми. Бо інакше людство поки що не навчилося робити подібну науку; де інвестиції подібні на венчурні і які, окрім комерціалізації розробок та приватних партнерств, потребують бюджетних ресурсів для функціонування.

Тож, схоже, що децентралізація, відкрита конкуренція та чесна відповідь на питання “а на що вистачить в нас ресурсів?” є ключовими для прорубування повноцінного шляху для України у геномну еру. Але про ресурси - нижче.

Теза 2. Про кадри підготовлені та не дуже

Джерело: DALL-E

Скрізь інтерв’ю проходить тема навчання студентів та молодих фахівців. З важливістю цього важко сперечатися, тим більше, що, схоже, статус цього питання в Україні критичний.

Не існує одного шляху до того, щоб стати біоінформатиком. Їх багато, втім, як і напрямів у біоінформатиці. Можна вчитися на факультетах з однойменною назвою; можна прийти до цієї кар’єри з біології або медицини, навчившись методам обчислювальної біології. Або, навпаки, мати предметні знання з інформатики і довчитися тому, що важливо розуміти в біологічних процесах. Шість років потому декілька колег і я зрозуміли, що в Україні підготовка біоінформатиків має серйозні недоліки, які трохи менше виражені у світі на захід від річки Вісла. Щоб спробувати це виправити, ми заснували неприбуткову громадську організацію “Геноміка ЮА” , де за цей час створили десятки освітніх заходів та курсів, відвідали конференції для пошуку однодумців, і, завдяки попиту зі сторони студентів та колег, стали найбільшою спільнотою з обчислювальної біології та -омік в Україні. На цьому шляху я зрозумів декілька речей:

Деякі програми для підготовки біоінформатиків в Україні дуже дивні; викликають запитання як контент, так і бекграунд (фаховість) певних викладачів.

Найбільший попит в українських студентів викликають базові курси та концепти - навіть в тих, хто навчається на факультетах біоінформатики.

В студентів під час навчання не формується розуміння, яке місце на ринку праці вони займуть після випуску.

Я не можу об’єктивно стверджувати щодо усіх освітніх програм, які є в Україні, але я помітив дивний тренд під час спілкування з учасниками наших курсів. Нерідко буває, що студентам під час освіти намагаються викладати великий обсяг теоретичних (часто застарілих та/або неактуальних) знань. Дійсно, може бути корисним розуміти старі алгоритми зі, скажемо, вирівнювання досліджуваного геному на референсну послідовність. Проте в мене викликає здивування того, наскільки багато у студентів буває теоретичних лабораторних робіт з таких методів, або щодо роботи з сирими даними “вручну” і те, наскільки мало значення приділяється практичним аспектам їх застосування. Якщо це читають біоінформатики: наприклад, застосування bwa для експериментів з секвенуванням РНК. На жаль, приклад з життя.

За минулі роки ми у Геноміці ЮА пробували багато форматів курсів. Найбільш успішним був наш практичний курс з аналізу даних РНК секвенування поодиноких клітин у 2021 році - дуже важливий просунутий метод у сучасній біології. З приблизно тисячі реєстрацій, переважна більшість була з Індії, США, решти країн Європи - і лише біля 20 з України. І навпаки, найбільший відгук в українських студентів викликали наші зустрічі щодо основ статистики, з мови програмування R, з баз даних, оглядів методів. Нашій команді було приємно, що курси з цих тем мають попит, проте дивно, що саме на цьому етапі формальна освіта допустилася прогалин.

Нарешті, мене здивувало те, що типовий український магістр-біоіформатик буде скоріше підготовлений саме у структурній біоінформатиці. Якщо дуже умовно розділити усі методи в біоінформатиці, то вийдуть такі, які

(1) націлені на послідовність генів, їх активність та регуляцію, вимірювання протеїнів та метаболітів - інакше кажучи, “оміки”; і ті, які (2) націлені на структуру молекул, або “структурні”.

Типові питання, відповідь на які знаходять за допомогою омік: “який ген пов’язаний з певною хворобою?”, “продукти яких генів можуть бути новою молекулярною мішенню?”, “активність яких генів може бути маркером стадії хвороби?”. Тоді як за допомогою структурних методів, наприклад, знаходять сполуки, які потенційно взаємодіють з певними молекулами, вивчають, як структура білків впливає на розвиток хвороби (і як це передбачати) тощо. Проте ринкові реалії такі, що, станом на сьогодні, кар’єрних можливостей для фахівців в оміках більше: можна зайти на LinkedIn і подивитися, скільки вакансій існує для них та для “структурних” колег. Кожній дослідницькій лабораторії в біомедицині сьогодні потрібно робити прочитання геномів, вимірювати активність генів, робити експерименти з білками. Навички зі структурної біології - хоча і є дуже важливими - є більш нішевими. Тому дуже загадково те, що український випускник скоріше вміє зробити молекулярний докінг, але не проаналізувати геномний або протеомний набір даних з експерименту.

До речі, “tenure track” від бакалаврату до позиції у факультеті в одному й тому ж самому закладі не є сучасною гарною практикою в науках про життя - на жаль, популярний кар’єрний шлях в Україні, який іноді активно пропонують студентам.

Ми намагаємося проводити наші освітні заходи, щоб компенсувати ці недоліки. А один з учасників команди, Сергій Науменко, видав сучасний посібник у відкритому доступі для українських студентів. Модернізація програм, перевірка компетентності викладачів та орієнтація на ринок праці - це те, що ми повинні робити в нашій формальній освіті краще.

Завдання складніше, але не менш важливе - залучення студентів до міжнародних обмінів, MSc/PhD програм та досліджень. В інтерв’ю професор Олексик розповідав про своїх студентів - це гарний приклад підтримки. Учасники чату Геноміки ЮА можуть вже бути знайомими з Валтером, у минулому його PhD студентом; Валтер організовував у нас журнальний клуб з приводу статті про геномне різноманіття в Україні і регулярно запрошує студентів на заходи від Bioinformatics for Ukraine. Інший студент професора Олексика у нашій спільноті, Валерій, перервав свою кар’єру у біоінформатиці від початку вторгнення і служить в Силах безпеки й оборони України. Думаю, можу казати від імені усієї спільноти “Геноміки”, що ми бажаємо йому скорого повернення зі служби у гарному здоров’ї й чекаємо на можливість підтримати наступні кроки його, безперечно, перспективної кар’єри.

P.S. якщо раптом вам пощастило і ваша програма була гарною - напишіть мені. Я буду направляти до вашого закладу усіх, хто питатиме, де варто робити бакалаврат-магістратуру з біоінформатики. Окрім магістратури КАУ, вони молодці і я про них знаю.

Теза 3. Від інститутського феодалізму до співпраці

Джерело: DALL-E

Вище я писав про децентралізацію інституцій, і це працює в усіх випадках, окрім одного: так звані “core facilities” (за відсутністю сталого перекладу я називатиму це як “базова установа”). Це те місце, куди ваші біологи направляють зразки ДНК/РНК/протеїнів/клітин/тощо, і звідки на виході біоінформатики отримують великі файли, які можна аналізувати. Причини, чому ми можемо хотіти тут централізації, суто економічні: наприклад, якщо апарат, який здатен прочитати послідовність ДНК, завжди повністю завантажений зразками, це зробить ціну прочитання одного зразку дешевше для усіх учасників процесу. А також існують спеціальні протоколи мультиплексування, щоб зробити це ще дешевшим. Нюанс у тому, що ніхто не зможе це робити краще, ніж приватний бізнес: тут важливі швидкість, гнучкість, і гарні комунікації з клієнтами. В Україні вже є невеликі компанії, які надають тут певні послуги; проте, державна базова установа для досліджень з -оміками, окрема від систем МВС або охорони здоров’я, може нам допомогти “запуститися” en masse. Наприклад, така установа може бути ринкоутворюючою і певний час працювати “в мінус”, допоки інститути і компанії не перенаправлять туди свої потоки зразків з-закордону.

Щоб це працювало, нам, українцям, потрібно робити ще декілька невластивих нам речей: бути відкритими, довіряти один одному та колаборуватися, щоб уникнути нерозумних розтрат та підсилювати один одного.

Дійсно, іноді й в західних інститутах купляють собі дорогі девайси, наприклад, секвенатори, які зазвичай є у базових установах. Проте цілі дуже сильно відрізняються від того, навіщо це роблять в Україні. Наприклад, моя Alma mater, Одеський національний медичний університет, багато років потому придбала секвенатор Illumina MiSeq . Який відсоток його навантаження з розрахунку на рік, скільки рецензованих статей було опубліковано з його використанням, і у скількох отриманих грантових заявках він фігурував - питання риторичні; наскільки я розумію, і до початку вторгнення він використовувався переважно як музейний експонат. А що мало б сенс зробити: скооперуватися з інститутами, де є потреба в секвенуванні, і разом сформувати базову установу з геноміки, навантажувати яку за допомогою залучених грантів. Це - те, як це працює у світі та, скоріш за все, працюватиме в перспективі і в Україні.

Нарешті, важливий драйвер трансферу технологій та формування ринку геномних послуг - наявність біотехнологічних стартапів та інститутських спін-офів для комерціалізації результатів досліджень. Над цим нам ще треба дещо попрацювати.

Висновок

Я оптимістично дивлюся в майбутнє України щодо -омік та інших сучасних (біо)технологій. Проте, щоб цього досягнути, нам разом треба пройти через чутливі реформи (наприклад, пропозиції у документі “Освіта, наука та інновації” платформи UAReforms). Окрім іншого, це повинно містити в собі перерозподіл ресурсів на користь тих закладів, які мають високі (опубліковані або комерціалізовані) досягнення у сфері геноміки та подібних напрямів, створення відкритого та конкурентного середовища для стимуляції R&D та інновацій, залучення нових лабораторій. І очищення системи від імітаторів, а також неефективних закладів. Це - те, що ми можемо почати робити ще до початку післявоєнної відбудови.

На прикладі професора Олексика можна побачити, що експертиза українців, які вже зробили собі ім’я у світовій науці, є корисною для точкового впливу на тимчасово проблемні для української науки та освіти аспекти. Через роботу освітніх проєктів і їх колаборації між собою можна компенсувати там, де формальна біоінформатична освіта в Україні має прогалини. І навпаки, інститути можуть залучати вчених такого рівня на так звані adjunct позиції - і, на мою думку, робити це варто набагато інтенсивніше.

Окрім інших викликів, нам доведеться зробити те, що не робив ніхто: під час відбудови зробити собі світове ім’я у сфері біотехнологій, де кожен рік з’являються десятки нових (дорогих) методів, й де будь-які інвестиції є апріорі високоризикованими. Чи впораємося ми - час покаже; проте ми не маємо права не прагнути до цього, якщо бажаємо собі та наступним поколінням успіху.