МЕГАГРАНТЫ

«Чего часто не хватает на местном уровне? Амбиций»

images222 Константин Крутовский — специалист в области лесной геномики, профессор Гёттингенского и Техасского агро-механического университетов, ведущий научный сотрудник Института общей генетики РАН. Шесть лет назад он стал одним из создателей НОЦ геномных исследований в Сибирском федеральном университете, а в 2014-м победил в конкурсе мегагрантов с проектом «Геномные исследования основных бореальных лесообразующих хвойных видов и их наиболее опасных патогенов в Российской Федерации». Егор Задереев специально для «Чердака» встретился с Константином и поговорил с ним о сибирских лесах, геномах деревьев и научных исследованиях вокруг них.

— Константин, в вашей биографии в качестве одного из мест работы указана Лесная служба США. Помнится, во время визита в Канаду меня поразили покрытые «дикими» лесами сопки. По словам гида, во время золотой лихорадки они были полностью вырублены, а потом вновь засажены и достигли натурального состояния. Лесовосстановление и охрана лесов в Северной Америке действительно на таком высоком уровне?

— Несмотря на внешнее сходство, между естественным и восстановленным лесом есть большая разница. Во время работы в Лесной службе Калифорнии мне довелось побывать в нетронутых хвойных лесах дуглассии (псевдотсуги Мензиса). Это один из основных коммерческих древесных видов, который добывают на западном побережье США. Высота деревьев достигает ста метров и выше. Возраст деревьев до 700 лет, то есть зрелый лес — это деревья возрастом 300—400 лет. Лишь в нескольких местах сохранились такие старые леса. Я работал с этим видом и ранее, но пока не побывал в нативных лесах дуглассии, даже не представлял, какими они могут быть. До этого у меня были такие же впечатления от сравнения нативных кедровых лесов Алтая и Саян с восстановленными лесами.

Старые насаждения дуглассии удалось отстоять благодаря тому, что в них живет пятнистая сова. Ее внесли в Красную книгу, как редкий вид. По закону место обитания краснокнижных видов нужно охранять, так и сохранился нетронутый лес. Конечно, какие-то лесные экосистемы нежелательно трогать, но в целом рубки леса нужны для того, чтобы его защитить.

Отличие деревьев от кустарников и травянистых растений в том, что их рост не прекращается с возрастом — он может только замедляться. Фактически деревья бессмертны. В основном они погибают от лесных пожаров, заболеваний или других внешних воздействия. Старых лесов на планете осталось совсем мало. В основном это сибирские бореальные леса. Рано или поздно в старых лесах возникают пожары. Это часть естественного круговорота. Пожары в какой-то степени играют положительную роль: они уничтожают вредоносные грибы и насекомых, очищают лес, возвращают в почву питательные элементы. После пожаров идет интенсивное естественное лесовосстановление.

Есть две крайние точки зрения. Первая, что старые леса лучше вырубить, чем они погибнут от пожара. Вторая, экологов или зеленых, — это уникальная среда обитания и ее лучше не трогать. В каждом конкретном случае надо решать отдельно, но я, скорее, склоняюсь к первой точки зрения. В старых лесах нужны грамотные рубки, способствующие естественному лесовосстановлению. Такие технологии сейчас есть.

— Это связано с тем, что с возрастом повышается опасность возникновения пожара?

— Конечно. В старом лесу накапливается биомасса, он становится захламленным. Пожары бывают разные — низовые, верховые, катастрофические. Долгое время в Лесной службе США считали, что пожары несут экономические потери — значит, с ними нужно бороться. Какое-то время получалось это делать эффективно, в борьбу вкладывали колоссальные средства. Ситуация пришла к тому, что многие леса стали захламлены. Это провоцирует катастрофические пожары, с которыми вообще невозможно бороться и при которых выгорают очень большие территории. В таком лесу восстановление идет медленнее, нужны вспомогательные меры человека. То есть к большим финансовым тратам на борьбу с пожарами добавляются бóльшие траты на восстановление.

— Парадокс: чем больше охраняем, тем выше опасность возникновения пожара и тем сложнее охранять.

— Безусловно. При этом вырастает и масштаб последствий. Когда это поняли, для некоторых лесов стали устраивать контролируемые пожары. Правда, мой опыт в Лесной службе показывает, что контролируемые пожары часто становились неконтролируемыми. Сложно предугадать погодные факторы. Бывали случаи, когда Лесная служба после таких инцидентов выплачивала большие компенсации.

В России другая проблема. Леса горят, и считается, что это плохо. На тушение пожаров тратятся огромные средства. Но тушить лесные пожары нужно не всегда — в основном тогда, когда они опасны для человека и инфраструктуры. В случае большого пожара эффективность тушения почти нулевая. Нужно помнить, что пожар — это естественный процесс. Если выгорает, например, часть леса, то это нормально. Конечно, когда СМИ транслируют, что горят десятки тысяч гектаров, то масштаб цифр пугает и общественность готова платить. Но часто такие меры только инструмент «освоения» денег.

— Мы говорим о достаточно традиционных для лесной отрасли вопросах — пожары, восстановление леса. В каком месте тут появляется ваша специализация, генетика?

— Одним из основателей Института лесной генетики Лесной службы США в Калифорнии, в котором я работал, был наш соотечественник Николай Тихомиров. В Америке он сменил имя на Николас Миров. Это был замечательный ученый, первый сертифицированный физиолог американской Лесной службы. Еще до революции он закончил Петербуржскую лесотехническую академию. Во время Первой мировой войны был минером на флоте. После революции, во время Гражданской войны, воевал у Колчака, затем бежал через Харбин в Сан-Франциско, где и обосновался. В Институте лесной генетики до сих пор бережно сохраняется его лаборатория, как музей. Он собрал уникальную живую коллекцию сосен со всего мира, более 70 видов. Его монография The Pinus до сих пор является библией для всех исследователей сосен. Именно он начал первым использовать биохимические маркеры и вторичные метаболиты в качестве молекулярно-генетических маркеров для изучения внутри- и межвидового генетического разнообразия древесных.

По этим маркерам можно исследовать полиморфизм, то есть генетические различия между деревьями, внутри одного вида. Их можно использовать также и для анализа межвидовых различий. Тогда ДНК-маркеры были недоступны, поэтому ученые использовали белки или продукты вторичного метаболизма, в частности такие, как терпены. Николас Миров проводил скрещивания разных деревьев и исследовал, как наследуются эти признаки. Главной задачей было найти маркеры, с помощью которых можно было бы изучать наследуемую изменчивость.

— Для чего нужны такие маркеры?

— Представим ситуацию искусственного восстановления леса после пожара. Для посадок необходимо использовать адаптированные для данной местности саженцы. Внутри одного и того же вида популяции могут сильно различаться по приспособленности к локальным условиям. По генетическим маркерам можно контролировать материал и использовать деревья, которые оптимальны для конкретных экологических условий. В большинстве случаев это растительный материал местного происхождения, но необязательно. В условиях быстрого изменения климата надо учитывать и будущие условия произрастания. Возможно, иногда следует использовать материал из удаленных популяций, если их условия произрастания соответствуют будущим, предсказуемым условиям. Это называется адаптивным менеджментом. Ведь лес сажают с расчетом на десятки, если не сотни лет вперед.

Специалисты по лесной генетике давно говорят о необходимости создания генетических популяционных баз данных. Они  нужны для идентификации происхождения растительного материала в борьбе с нелегальными рубками и нелегальным оборотом древесины и другого растительного материала. Для этого необходимо собирать образцы из разных районов, их генотипировать и включать в базу данных. Это похоже на генетические базы данных людей у криминалистов. Как только произошло преступление, берется биологический материал, выделяется ДНК, определяется генотип подозреваемого. Если у нас есть достаточно большая база данных генетических особенностей людей из разных регионов, то по этой информации можно определить не только пол, но и этническую расовую группу и часто даже географическое происхождение, что сужает область поиска.

Такие же базы нужны в лесном хозяйстве. Без них трудно контролировать оборот растительного материала и бороться с нелегальными рубками. Чтобы привлечь виновных, нужны генетические маркеры, которые позволяют различать разные популяции, и нужны базы данных — для привязки. По документам могут сказать, что лес срублен в одном лесу, где рубка разрешена, а маркеры покажут его настоящее происхождение.

В настоящее время в Российском центре защиты леса созданы семь отделов и лабораторий контроля генетических ресурсов, расположенных в основных лесных регионах страны. Один из лучших, по моему мнению, — в Красноярске. Наш геномный центр расположен по соседству с этим отделом. Мы используем оборудование друг друга, коллеги из Рослесзащиты используют наши данные — идет плодотворное сотрудничество.

Совместно с лабораторией Дмитрия Политова в Институте общей генетики им. Н.И. Вавилова РАН мы разрабатываем высокополиморфные маркеры, которые можно использовать для генетической идентификации древесины. Уже есть маркеры для кедра, лиственницы, пихты, ели — основных видов бореальной тайги. Но внедрение этих методов в практику лесного хозяйства пока идет медленно. Необходимо унифицировать набор используемых генетических маркеров и законодательно закрепить генетическую идентификацию древесины, как сделано в Европе. Там генетический сертификат обязателен для импортированного леса. В России же это надо сделать в первую очередь для экспортируемого леса. Это позволит контролировать оборот древесины, в первую очередь ценных охраняемых видов, и защитит лес в заповедных территориях.

— Наконец-то мы добрались до геномного центра. Я правильно понимаю, что он был создан в рамках мегагранта?

— История сложнее. Как только возникли методы, которые позволили читать большие геномы в рамках реальных бюджетов, ученые в разных странах задумались о проектах по секвенированию и анализу генома хвойных.

Дело в том, что у хвойных видов размер генома в несколько раз больше, чем у человека. Геном кедра — в девять раз, ели — в шесть, лиственницы — в четыре.

В геноме человека чуть больше трех миллиардов нуклеотидных оснований. В свое время на его прочтение ушло больше 10 лет и около 3 миллиардов долларов. Сейчас геном человека можно прочитать за несколько часов, затратив около тысячи долларов.

Около шести-семи лет назад в мире запустилось несколько больших проектов по хвойным. В Швеции — по прочтению генома ели, в Америке — ладанной сосны, в Канаде — белой ели. Я подумал, что России тоже важно знать геномы своих бореальных видов. Изначально мы думали про кедр, как символ Сибири. Очевидно, что это должен был быть достаточно крупный, федеральный, проект. Надо было также найти единомышленников и организацию, которые смогли бы поддержать этот проект. Таковыми оказались академики Николай Янковский (тогда директор Института общей генетики им. Н. И. Вавилова РАН), Евгений Ваганов (тогда ректор СФУ) и Михаил Грачев (тогда директор Лимнологического института СО РАН). В 2012 году СФУ провел организационное совещание-семинар по лесной генетике и геномике. У всех был интерес к проекту, но стоял вопрос о финансировании. Примерно в это же время появилась программа мегагрантов Правительства РФ, которая и помогла запустить амбициозный проект по секвенированию основных видов российских бореальных лесов.

— У меня уточняющий вопрос. Если мы говорим, что геном человека можно прочитать за 1000 долларов, в чем сложность расшифровать геном кедра? Пусть он будет в несколько раз больше, чем у человека. Это не фантастические затраты. Или сложность в первую очередь техническая?

— С человеком другая история: для человека уже есть образцы расшифрованных геномов. Повторный сиквенс всегда проще и дешевле первого. Первоначальная (de novo) сборка больших геномов из коротких прочтений все еще остается очень сложной и дорогой технической задачей. Стоимость секвенатора для таких работ — около 1 миллиона долларов США.

Один полный прогон-запуск прибора — примерно 30 тысяч долларов, что, например, больше среднего размера гранта РФФИ. А таких прогонов нужны десятки...

То есть для осуществления проекта требовалось существенное финансирование. В 2012 году мы подали заявку на мегагрант, но не выиграли, хотя оценки рецензентов были очень высокие.

Хотя нашу заявку и не поддержали, но отзывы были в основном хорошие. Мы не сидели сложа руки. Благодаря поддержке СФУ из средств программы развития было приобретено оборудование и открыт геномный центр. Мегагрант мы получили лишь в 2014 году, тогда у нас уже было основное оборудование. Полученные средства пошли на дальнейшее развитие приборной базы и дорогие реактивы. Сейчас в центре есть секвенаторы разных поколений, в том числе четвертого. Эти приборы не такие производительные, но позволяют получать длинные прочтения. Установки второго и третьего поколений более производительные, но читают геном очень короткими фрагментами — от 100 до 300 нуклеотидов. Собрать весь геном из этих нарезок — архисложная задача, которой занимаются биоинформатики. Для такой работы нужны суперкомпьютерные мощности. Сборка генома может занимать до шести месяцев. На мегагрант, в частности, мы приобрели вычислительное оборудование. Но развитие идет такими темпами, что сейчас мощностей для нашей работы опять не хватает.

— Наверняка можно использовать другие суперкомпьютеры, кооперироваться с коллегами в других городах.

— Конечно, мы сотрудничаем с другими центрами. Но пересылать по сети такие большие объемы данных довольно сложно. Нужно понимать также, что сборка уникальных геномов — это не расчет на готовой программе. Каждый раз все нужно настраивать под свою задачу.

Развитие такого центра обработки больших данных, big data, важно для любого университета. Такой центр должен иметь автономное энергообеспечение, чтобы в случае отключения света не потерять данные.

Звучит немного комично, но это серьезная проблема. Например, после аварийной остановки для продолжения расчетов нужны промежуточные данные. Чтобы сохранять промежуточные данные, нужны огромные объемы памяти. Речь идет о сотнях терабайт. Если вы не сохраняете промежуточные данные, после аварийной остановки все нужно начинать заново. Нужны также большие мощности для хранения полученных данных.

— Центр занимается только геномами хвойных или есть еще какие-то посторонние задачи?

— У нас довольно много проектов. Например, недавно мы с коллегами собрали геном серого кита. Это был проект в сотрудничестве с членкором РАН Алексеем Москалевым, одним из ведущих специалистов по геномике долголетия. Многие хвойные — рекордсмены по продолжительности жизни. Секвойя может жить до 2000 лет, а калифорнийская остистая сосна — аж до 5000 лет. В этом она похожа на всем известного голого землекопа. Этот вид грызунов живет в несколько раз дольше, чем близкие к нему виды. У сосен то же самое. Продолжительность жизни сосны обыкновенной — около 200—300 лет. Но есть анатомически и морфологически близкие виды, которые живут тысячи лет. Используя комплексные полногеномные подходы, на основе сравнительного изучения всех генов и продуктов метаболизма у разных видов можно выявить различия между видами и найти причины долголетия. Такие задачи можно решать и на грызунах, и на китах, и на деревьях.

— Можете выделить наиболее яркие результаты, которые получены в рамках выполнения работ по мегагранту?

— Мы собрали геном лиственницы. Ждем выхода публикации в декабрьском номере журнала BMC Bioinformatics. Причем разработали свой уникальный подход для оптимизации сборки больших геномов. У нас есть рабочие материалы и по кедру, но пока они не готовы к публикации. Есть неполные данные по сосне и пихте. Прочтение генома — это, конечно, тоже научная задача, но нужно идти дальше. В лиственнице нас интересует то, что в отличие от других хвойных она сбрасывает на зиму хвою. Это так называемое сезонное старение, которое программируется генетически. Этот процесс очень интересно изучать, поскольку он связан с контролированным старением. Смерть клеток запускается в ответ на сигналы среды — температуру, продолжительность светового дня. У всех других хвойных хвоя меняется раз в 6-7 лет, но смена не носит сезонный характер. Сосна, ель, пихта и лиственница — все это близкие виды одного семейства сосновых. Во всем семействе лиственница — единственное листопадное дерево. Через сравнительный геномный анализ мы планируем определить группу генов, которая отвечает за программируемую смерть клеток.

Есть еще ряд перспективных проектов. Например, совместная работа с томскими коллегами из лаборатории Сергея Горошкевича в Институте мониторинга климатических и экологических систем СО РАН по так называемым ведьминым метлам. Эти образования в кроне деревьев возникают из-за мутаций, которые вызывают бурный латеральный и подавляют апикальный рост.

normal

Ведьмина метла на сосне обыкновенной

Ведьмины метлы встречаются среди всех видов деревьев, в том числе и у кедра. Считается, что эти отклонения в развитии могут вызываться средовыми факторами. Но есть данные, которые показывают, что у некоторых деревьев этот мутантный фенотип наследуется. Через полногеномные исследования мы хотим понять генетические и эпигенетические механизмы наследования. Сравниваем транскрипцию и экспрессию генов в ветках и нормальной кроне внутри одного и того же дерева. Планируем изучать потомство от скрещивания, которое наследует эту, судя по всему, доминирующую мутацию. Интересно, что данная мутация соматическая: она возникает во время жизни дерева, но она наследуется. Возможно, речь идет об устойчивых, наследуемых эпигенетических изменениях. Эпигеномика — одно из направлений, которые бурно развиваются в последнее время. На днях получили сообщение, что наш совместный проект по эпигеномике лиственницы с лабораторией Владимира Семерикова в Институте экологии растений и животных УрО РАН получил поддержку РФФИ по программе big data.

— Вы сказали, что научились работать с большими данными. К вашей группе обратились для сборки уже упомянутого генома кита, есть и другие проекты. Можно ли сказать, что существует своеобразный рынок, на котором есть конкуренция между группами, которые могут обработать подобные данные. Как удалось за относительно короткий период времени вскочить в этот постоянно уходящий поезд?

— Я бы не сказал, что мы вскочили в поезд. У нас нет коммерческих проектов. Изначально мы планировали геномный центр как центр коллективного пользования (ЦКП) для исследований в области биомедицины, сельского и лесного хозяйства, работы со сложными, в том числе микробными и грибными сообществами. Для решения таких задач создавались инструментальная и биоинформатическая базы. Мы уже почти шесть лет готовим высококлассных специалистов, в прошлом году открыли магистратуру по геномике и биоинформатике. Для стабильной работы нужна кафедра геномики и биоинформатики. Но пока нет критической массы специалистов, которые смогут ее поддерживать.

Если говорить про весь мир, то рынок секвенирования и биоинформатики огромный. В России пока функционирует лишь несколько полноценных геномных центров. А с большими геномами так и вовсе работаем только мы. Планируется, что в скором времени все подразделения СФУ, которые занимаются геномными исследования, будут собраны в одном здании. В этом случае мы сможем пользоваться всей линейкой оборудования — от мощных секвенаторов для чтения больших геномов до более скромных приборов для рутинных анализов. Когда все приборы будут в общем пользовании, а так и должно быть с дорогостоящим оборудованием, мы выйдем на новый уровень работ.

Подобная структура и может существовать только как ЦКП. Любой проект, даже такой большой, как мегагрант, рано или поздно заканчивается. А дорогостоящее оборудование требует постоянной поддержки и загрузки. Это инфраструктура, которую должен поддерживать и развивать университет. В таком ЦКП должны быть ставки, на которых работают сотрудники, обслуживающие оборудование.

Мы видим, что сегодня важность развития геномных исследований отмечена на уровне правительства и поручений президента РФ. Можно сказать, что если страна не будет вкладываться в геномику, то и не будет научно-технически развитой страной. Посмотрите, что сейчас происходит у нашего соседа, в Китае. Только в одном пекинском геномном институте работает около 3000 научных сотрудников, 1500 биоинформатиков. Недавно Китай купил калифорнийскую компанию и на их базе создал свой собственный секвенатор. Пять лет мы пробивали большой проект по созданию отечественного секвенатора ДНК нового поколения на основе уникальных отечественных разработок. В этом году удалось получить серьезное финансирование фонда «Сколково» и проект стартовал. Так что, как вы верно заметили, поезд действительно постоянно уходит.

— Можете выделить для себя задачи ближайших нескольких лет в области лесной геномики?

— Те геномы хвойных деревьев или их части, которые мы уже прочитали, позволяют разработать высокополиморфные маркеры, в частности микросателлиты и однонуклеотидные полиморфизмы (они же SNP, или «снипы») для индивидуального генотипирования. На основе этой информации можно разработать стандартные наборы генетических маркеров для идентификации деревьев. Сейчас Рослесзащита адаптирует наши методики для своих целей. Будущее — за однонуклеотидными полиморфизмами, которые позволяют автоматизировать генотипирование. Особи уникальны по таким наборам маркеров. По ним можно не только выявлять родственные отношения между деревьями, но и точно устанавливать происхождение дерева. Если создать специальные чипы, то даже обычный лаборант сможет выполнять такие анализы. При наличии баз данных технологию можно легко унифицировать по всей стране. Мы уже сделали набор полиморфных маркеров для основных видов бореальных. Вопрос во внедрении. Надеемся найти поддержку у Рослесхоза и Рослесозащиты.

Мы начали исследования геномов лесных грибов совместно с Институтом леса СО РАН (лаборатория Игоря Павлова). Грибы играют колоссальную роль в круговороте веществ в лесу, разлагая древесину до субстратов, которые могут использовать другие организмы. Как ни удивительно, их геномы вообще практически не исследованы. Например, опята — классические сапрофитные виды, растущие на мертвой древесине. Все чаще отмечают, что они развиваются и на живых деревьях. То есть этот вид грибов становится фитопатогенным — губит лес. Естественный вопрос: это явление связано с возникновением новых штаммов этого вида или ослабленностью деревьев, спровоцированной изменением климата и более продолжительными засухами?

Не секрет, что на планете меняется климат. Для лесов Сибири он стал более засушливым. Основной способ защиты деревьев от насекомых-вредителей после повреждения коры — это выделение смолы, которая заливает и убивает личинок. В период засухи смолы меньше, деревья легче повреждаются, а многие насекомые-вредители несут на себе еще и споры патогенных грибов. Повреждение лесов и насекомыми, и грибами, в свою очередь, вызывает их массовое усыхание, что, в свою очередь, способствует сильным и обширным пожарам.

Мы пытаемся понять, с чем связана повышенная патогенность некоторых видов грибов. Для начала расшифровали геном одного из самых северных видов грибов. У этих работ, кстати, колоссальный практический выход. Исследуя гены и ферменты, которые позволяют грибам разрушать древесину при низких температурах, мы выходим на биотехнологические применения по переработке отходов в лесной лесопромышленности. В современной фундаментальной науке полученные знания неизбежно имеют огромное практическое применение.

— На сегодня у вас есть уверенность в будущем геномного центра?

— Я оптимист. Мегагрант заканчивается, но у нас есть несколько действующих грантов РФФИ, подготовлено несколько заявок в различные фонды, в том числе в РНФ. Ищем хоздоговорые работы с бизнесом. Чего часто не хватает на местном уровне? Амбиций. Мне часто говорят, что нам не обогнать Москву и Питер. Такими разговорами мы заранее обрекаем себя на поражение. Конечно, не нужно строить иллюзий, но планку надо держать высоко. Пессимизм, нездоровый скептицизм и пораженчество — очень опасный настрой. Тогда ничего не достигнешь. Конечно, ученые любят пофантазировать и помечтать, и, возможно, одна из задач чиновников и администраторов состоит в том, чтобы возвращать их к реальности. Но у хорошего администратора тоже должны быть амбициозные цели и стратегическое видение.

— Государственная политика сейчас во многом благоприятна для развития науки. Есть майские указы президента, обещан рост доли расходов валового продукта, выделяемой на науку, принята стратегия НТИ России, после реформы активизируется работа Российской академии наук. Действительно, может быть, нам не хватает амбиций.

— Не хватает. Энтузиазм крайне важен, особенно для роста и развития молодых. Перед ними должны стоять амбициозные цели. Тогда можно ждать прорыва. Возможно, одна из причин связана с историческим разделением науки в России на центральную и провинциальную. Во многом психология провинции связана с отсутствием мобильности и кадровой динамики. Во всем мире нормально, когда ученый сначала поработал в одном месте, потом переехал в другое. Пока не получишь постоянную позицию, лет 10—20 работаешь в разных местах. Это дает новый опыт и позволяет интегрироваться в научное сообщество. У нас, к сожалению, до сих пор все не так. Но сейчас появляются новые возможности, связанные с существенным увеличением грантовой поддержки. Растут престиж ученых и зарплаты, активно привлекаются зарубежные ученые, в том числе наши соотечественники, для участия в российских проектах, создаются новые лаборатории и научные центры, значительно улучшилась экспертная оценка. Новые конкурсы РФФИ и РНФ, программа постдоков, как и программа мегагрантов, напрямую стимулируют мобильность. Но на такую огромную страну, как Россия, таких программ и грантов пока еще очень мало, но тренд в целом положительный.

Источник https://chrdk.ru/sci/krutovsky-interview
Back to top