Чем занимаются биоинженеры и при чём тут коллаген из медуз

Наука — это скука и ботанство? Вовсе нет! Настоящие ученые подтвердят вам, что современная наука может увлечь кого угодно — в первую очередь благодаря новым методам и технологиям. Доктор биологических наук, финалист конкурса «BlueSky Research — Искусственный интеллект в науке», завкафедрой биоинженерии Донского государственного технического университета Евгения Кириченко рассказывает, почему профессия биоинженера — это интересно, модно и круто.

1. Расшифровать геном (и одержать победу над многими болезнями)

Биоинженерия — профессия будущего: специалисты в этой области создают новые организмы, разрабатывают вакцины, решают проблемы экологии и стараются продлить человеческую жизнь.

Это направление тесно связано со многими другими областями науки: химией, биологией, математикой, статистикой и компьютерными технологиями. Если ваш ребенок любит видеоигры и увлекается 3D-моделированием, он уже может попробовать себя в роли учёного благодаря специальным программам: предложите ему сыграть в онлайн-головоломку Foldit — в ней можно собирать целые команды и соревноваться с учеными в поисках лучших белковых структур.

Вполне возможно, что эта игра поможет ребёнку определиться с будущей профессией: дети со способностями к программированию в перспективе могут сделать выбор в пользу «родной сестры» биоинженерии — биоинформатики. Эксперты в этой области занимаются разбором генома — наследственного материала человека, а значит, могут рассказать всё о его прошлом и «предсказать» будущее: например, выяснить, каким болезням будет подвержен человек в разном возрасте.

На сегодняшний день специалистов по разбору генома очень мало, а компьютерные программы не способны расшифровать всё — науке определённо нужны гении, которые возьмут ответственность на себя и станут известны миру как победители многих болезней.

2. Добыть коллаген из медуз…

Если к разбору генома душа не лежит, можно поехать на «полевые работы» — например, добывать коллаген из медуз!

В наших морях обитает огромное количество медуз, которые зачастую нарушают экологию водного пространства и загрязняют его. Сотрудники Донского государственного технического университета в Ростове-на-Дону специально выбирались к Азовскому морю, чтобы собрать 50 килограммов медуз и разработать технологию получения из них чистого коллагена — это вещество можно использовать для создания биологически активных добавок, косметики и в качестве компонента биочернил для 3D-биопечати.

Мы ликовали, когда видели пробирку с очищенным коллагеном из азовских медуз и понимали, что по своим функциям он абсолютно идентичен белку стоимостью в тысячу долларов — значит, с его помощью тоже можно печатать органы, клетки или импланты. Да, звучит фантастически, но на практике — вполне реализуемо.

…и остановить опыты на животных!

Некоторые люди считают биоинженерию неэтичной профессией, так как наша работа связана с опытами над животными. Однако здесь нужно помнить два нюанса: во-первых, любую науку держат в строгих рамках стандарты биоэтики. Во-вторых, именно биоинженеры работают над проектами, которые помогут отказаться от тестирований на живых существах.

Одним из направлений проектной работы в нашем университете стало создание искусственного мяса: учёные берут стволовые клетки, смешивают их с гидрогелем и печатают так называемые скаффолды, или «строительные леса» в форме котлеты, в которых живут и размножаются клетки. Затем к гелю добавляют факторы роста и помещают смесь в инкубаторы, где затем нарастает клеточное мясо.

«Стоп, а при чём здесь медузы?» — спросите вы. Всё просто: без их коллагена, например, не было бы гидрогеля для биопечати.

3. Вырастить настоящие человеческие органы

Биоинженерия как дисциплина складывалась в ответ на глобальные вызовы современности: исследователи стараются уменьшить количество потребляемого на планете мяса животных, борются с парниковым эффектом и спасают миллионы жизней благодаря вакцинам (вакцины от СOVID-19, кстати, тоже были разработаны биоинженерами).

Ещё одна актуальная проблема для всего мира — трансплантация органов. Сейчас пересадка может произойти только при смерти мозга донора, но биоинженеры считают, что в будущем станет возможно пересаживать человеку биосовместимые органы — например, выращенные в теле свиньи (подобные эксперименты проводятся уже сейчас) — и таким образом устранить дефицит в трансплантологии. Эксперты уверены, что не слишком сложные органы (например, кожу) можно будет даже напечатать на 3D-принтере — это облегчит работу ожоговых центров.

4. Победить опухоли с помощью искусственного интеллекта

Одна из наших передовых разработок — программа, которая при помощи искусственного интеллекта будет находить и оценивать опухолевые клетки в тканях. Этот научный проект стал финалистом экспериментального конкурса для молодых ученых «BlueSky Research — Искусственный интеллект в науке», основная цель которого — объединить усилия ученых и специалистов в области ИИ для создания перспективных научных проектов и, в будущем, рыночных продуктов, необходимых обществу.

Над проектом работала междисциплинарная команда из биологов, врачей и IT-архитекторов нейронных сетей: врачи и учёные оцифровали и загрузили в компьютер банк со срезами опухолей, а IT-специалисты строили нейросеть, которая научилась распознавать трансформированные клетки — те, которые имеют признаки опухоли (например, часто делятся). Так учёные сделали первый шаг к тому, чтобы привести диагностику опухолей в более автоматизированный режим: в этом случае пациент будет быстрее узнавать диагноз, а количество ошибок из-за человеческого фактора уменьшится.

Исследования длятся уже девять месяцев: за это время учёные пришли к первым результатам и прототипам программы — теперь ее предстоит развивать, учить и загружать все больше изображений, чтобы база нейросети расширялась, а сама нейросеть без ошибок справлялась с задачей распознавания коварных опухолей.

5. Воплотить в реальность самые фантастические сценарии

Будущим учёным полезно смотреть и разбирать фантастические фильмы и сериалы: когда-нибудь они наверняка станут реальностью.

Например, в одном фильме 90-х годов сюжет строился вокруг редактирования генома: учёные вырезали из цепочек ненужные гены и добавляли нужные, создавая идеальных людей, которые не были подвержены болезням. В ближайшем будущем этот сценарий может воплотиться в жизнь: уже сейчас существуют искусственные матки, благодаря которым беременность может протекать вне материнской утробы, а искусственным оплодотворением в наше время уже мало кого можно удивить.

Конечно, одновременно с биоинженерией будет развиваться и биоэтика: вероятно, в обозримом будущем появится некий свод правил для учёных, которые занимаются исследованиями генома. Но сама по себе мысль, что человечество постепенно сможет реализовать всё более фантастические сценарии, меняет сознание и расширяет границы возможного. Это не может не вдохновлять.

Фото: Екатерина Дымова