Чингиз Майсеит
Арман Мухатов
Биотехнология – наука без границ
О самых последних разработках Национального Центра биотехнологии
Национальный Центр биотехнологии был образован в 1993 году. Его миссия заключается в фундаментально-прикладных исследованиях и разработках в области генетики, фармакологии, микробиологии. Центр призван сделать отечественные передовые научные достижения биотехнологии, полезными и коммерчески успешными. Сегодня база НЦБ включает в себя 13 лабораторий разного назначения в Астане, и 8 в городе Степногорске. Мы побывали в лабораториях центра, пообщались с учеными и узнали о самых последних разработках.
Высокопроизводительный анализатор MiSeq
Генетический анализ.

Лаборатория коллективного пользования Центра биотехнологии – место, где ученые проводят считывание генетической информации. Благодаря специальному оборудованию, куда входят так называемые секвенаторы, весь процесс проходит в автоматическом режиме, а участие человека сведено к минимуму. Высокопроизводительные машины добывают полезную информацию для того, чтобы в последующем можно было без погрешностей получить «портрет» того или иного ДНК.
Высокопроизводительный анализатор позволяет полностью расшифровать геном микроорганизмов. Используя метод Сэнгера, менее производительные машины, расшифровывают отдельные небольшие участки генов. Однако, весь геном человека, такие аппараты считывать пока не умеют.
«С какой целью мы проводим анализ больших участков ДНК человека? Делается это для того чтобы узнать генетическую предрасположенность к заболеваниям именно в казахской популяции. Ведь многие генетические маркеры, способствующие развитию болезней, например, в Европе или в США, не работают на 100% на нашей популяции, потому что у нас другое географическое положение, другая среда. Поэтому все маркеры болезней проверяются на нашей популяции. Если говорить о штаммах возбудителях разных болезней, которые циркулируют в Казахстане, они могут отличаться от тех, которые циркулируют в другом географическом регионе», - рассказывает Елена Жолдыбаева, заведующая Национальной научной лабораторией биотехнологии коллективного пользования.
На этом оборудовании можно легко расшифровать целый геном микобактерий - возбудителей туберкулёза. По словам ученых Национального Центра биотехнологии, этот факт особенно важен, ведь сейчас многие штаммы микроорганизмов - мультирезистентны, иными словами, - устойчивы к лекарствам. И какие именно гены отвечают за эту устойчивость, узнать можно только, расшифровав полный геном микроорганизма.
На анализаторах лаборатории может работать любой научный сотрудник центра. Здесь же в рамках своих диссертаций, могут проводить исследования молодые ученые биологических факультетов.
Ветеринария под микроскопом
Как известно многие современные патогены не выбирают в каком организме им поселиться. Например, сибирская язва, может быть диагностирована как у животного, так и у человека. Поэтому для ученых очень важно уметь прослеживать путь миграции вирусов и бактерий из одной живой системы в другую.
В лаборатории прикладной генетики Национального центра биотехнологии большое внимание уделяется диагностике в области ветеринарии. Здесь, разрабатывают и занимаются продвижением отечественных тест-систем. Тест-система - это совокупность аппаратов, методов и установок, предназначенных для выявления различных болезней.
На сегодняшний день в лаборатории работают над пятью проектами, часть из которых фундаментального, а часть прикладного характера.
«Мы анализируем штаммы, которые циркулируют у нас, и в мировой базе и разрабатываем универсальные тест-системы. Кроме того, в области пастереллёза мы проводим полное геномное секвенирование штаммов (определение их структуры), которые были выделены в период массового падежа сайги в Казахстане с 2011 по 2015 годы. Совместно с ветеринарным институтом, Национальным Центром ветеринарии, также разрабатываем методы диагностики, для того чтобы выявлять общие виды «пастереллы», - говорит Александр Шевцов, заведующий лабораторией прикладной генетики.
Интервью: Александр Шевцов, заведующий лабораторией прикладной генетики (для прослушивания интервью наденьте наушники)
Сотрудниками лаборатории был проведен молекулярно-генетический анализ «бруцелл» - аэробных бактерий, вызывающих бруцеллёз, выделенных от человека и животных. Было установлено, что среди животных намного меньше генотипов этой болезни, чем среди людей.
В ходе исследований было выявлено, что штаммы бактерий, которые циркулируют в Казахстане, генетически схожи со штаммами, распространенными в Китае и во всем Азиатском регионе. По мнению ученых центра такая идентичность - результат длительных исторических товарообменных связей внутри региона.
«Это означает что для заболеваний нет границ, ведь мы не изолированны от мира. Бруцеллёз на нашей территории актуальная болезнь, так как исторически мы занимались кочевым скотоводством, а это зоонозное заболевание, и оно не могло никак искорениться. Сейчас программы, которые действуют, до сих пор не позволяют полностью искоренить это заболевание. Да, в странах Европы и в США уже провели ряд больших вложений и побороли бруцеллёз, по крайней мере у мелкого рогатого скота», - отмечает Александр Шевцов.
Несмотря на успешные результаты исследований, ученые центра биотехнологии по-прежнему задаются вопросом: с чем связан массовый падеж от пастереллеза диких животных? Не исключено, что одной из причин, способствующих заболеванию могут быть генетические особенности организма. Ведь возбудители могут длительное время находиться как в окружающей среде, так и в теле.
«Пастереллёз - это «компенсал», что означает его присутствие у многих животных и у собак, и у кошек. Есть в мире публикации, которые свидетельствуют, что 50% животных являются носителями Pasteurella multocida. Возможно возбудитель просто «спит» в организме животного, но потом происходят какие-то мутации, идет генетический обмен разными штаммами и приобретается патогенность, возможно дополнительно включаются бактериофаги несущие гены высокой токсичности» - предполагает Александр Шевцов.
Чудо-клетки и биогель
Сотрудники лаборатории стволовых клеток за работой
Здесь не выращивают искусственные органы и не занимаются клонированием живых существ. Но от этого, разработки сотрудников лаборатории стволовых клеток не менее значимы. Они создали два препарата, которые призваны помочь людям с суставными и костными болезнями. Помочь навсегда забыть о боли.
«Наша лаборатория занимается изучением стволовых клеток и разработкой клеточных технологий для регенеративной медицины. В настоящее время у нас есть несколько разработанных клеточных технологий и препаратов для применения их в травматологии, ортопедии и нейрологии. Мы разработали клеточный препарат на основе стволовых клеток, для восстановления дефектов суставного хряща. Суть этой разработки заключается в извлечении аутологичных, то есть собственных клеток пациента, из коленного сустава. Далее мы размножаем их в нашей лаборатории до определенного количества и вводим обратно пациенту в поврежденный сустав. За три или четыре месяца происходит восстановление дефектов суставного хряща».

Вячеслав Огай
заведующий лабораторией стволовых клеток
«В нашем же случае мы выделили клетки из синовиальной оболочки коленного сустава (жидкости, находящейся внутри сустава) и показали безопасность и эффективность этого способа» - говорит Вячеслав Огай.
Восстановление происходит благодаря активности так называемых мезенхимальных стволовых клеток (клеток, содержащихся в костном мозге), они вырабатывают ростовые факторы, которые необходимы для полноценной регенерации поврежденных тканей. Мезенхимальные стволовые клетки словно ремонтная бригада устремляются в поврежденное место чтобы заживить его, но для этого их должно быть много, если же их количества недостаточно, то нужного эффекта не будет.
Такие клеточные технологии лечения используются в мире, например, в США, и странах Европы. В основном это препараты на основе клеток костного мозга, жировой ткани, крови из пуповины. По сути, ученые лаборатории центра биотехнологии, предложили еще один источник стволовых клеток.
Препарат имеет вид суспензии, поэтому в пораженный сустав вводится инъекционно. Сейчас он проходит клинические испытания в НИИ травматологии и ортопедии в Астане, в рамках научно-технической программы. В испытаниях принимают участие 15 пациентов, и по данным врачей института, у большинства получивших клеточную терапию наблюдаются положительные результаты: уменьшение боли, и главное - регенерация поврежденного хряща. По словам ученых, если это лекарство будет внедрено в практику, то тяжелые суставные повреждения можно будет полностью излечить, тем самым избежав болезненного эндопротезирования.
Еще один продукт, разработанный в лаборатории стволовых клеток – гидрогель. Это биокомпозитный материалспособный восстанавливать более глубокие повреждения суставного хряща.
«При таких заболеваниях, как коксартроз и другие, когда хрящ и кость на коленном или тазобедренном суставе полностью разрушаются. В таком случае обычно применяют метод эндопротезирования, но как правило, срок службы эндопротеза ограничен в среднем десятью годами, после чего пациент нуждается в его замене. Последующая замена протеза влечет за собой побочные эффекты, повторно разрушается костная ткань, так как она становится более хрупкой, из-за внедрения чужеродного материала - металла, в результате у пациента может развиться остеопороз» - подчеркивает Вячеслав Огай.
Гидрогель дает максимальный эффект только в сочетании с мезенхимальными клетками и двумя ростовыми факторами. Перед учеными стояла задача найти оптимальную пропорцию между этими составляющими, в противном случае регенерации могло не произойти. Гидрогель был разработан в 2017 году, доклинические исследования проводились на лабораторных кроликах.
«Во время доклинических испытаний гидрогеля, после его введения, восстановление остиохондральных дефектов, происходило за 90 дней. Он показал безопасность и эффективность даже в случаях, когда субхондральная пластина и хрящевой слой были полностью изношены. Следовательно, биокомпозитный гидрогель способен восстанавливать как костную ткань, так и хрящевую».
Вячеслав Огай
заведующий лабораторией стволовых клеток
После того как будут проведены все испытания, препарат можно внедрять в клиническую практику, но, как говорит Вячеслав Огай, это произойдет не раньше, чем через три года, ведь исследования на этом не заканчиваются.
«Дальнейшие наши действия: мы будем подавать заявку на получение гранта для проведения клинических испытаний уже на пациентах. После того как мы завершим испытания, будет проходить регистрация препарата и внедрение его в клиническую практику», - резюмирует ученый.
По следам генеалогического древа
Лаборатория генетики человека – самая молодая в центре, она открылась в марте 2018 года. Одно из ключевых на сегодняшний день исследований лаборатории, посвящено изучению структуры генофонда казахов, геногеографии, демографической истории, генетической генеалогии.
«Это фундаментальная работа, так как многие письменные источники о нашей истории имеют происхождение из других стран, поэтому в них не указано точно, например, как происходила миграция населения на территории Казахстана, как это все было в доисторический период, когда еще не было письменности. Поэтому генетика на протяжении 10-20 лет активно добывает новые знания в изучении этногенеза. Здесь изучается роль родоплеменных групп в формировании структуры генофонда казахов. Мы выяснили то, на сколько род действительно генетически существует по отцовской линии. Потому что были мнения что это лишь социальная концепция, где не обязательно род должен иметь одного общего предка и что наше шежире может быть не достоверной», - рассказывает Максат Жабагин, заведующий лабораторией генетики человека.
Ученые лаборатории пришли к вводу, что у большинства казахских родов основная часть его членов имеет один и тот же генетический вариант, который возводит их к одному предку. Например, аргыны имеют своего общего предка, коныраты - своего.
«На примере аргынов, мы посмотрели откуда мог прийти их предок, и когда жил последний самый близкий предок. Сравнивая генетический вариант, который существует у других народов, мы выявили, что этот вариант пришел с территории Ирана. В исторических же сведениях об аргынах практически не было таких упоминаний. Когда мы рассчитывали в какое время жил последний предок и сопоставили его возраст, который был рассчитан генетически и на основе исторических данных, то совместно с историками мы пришли к выводу, что это мог быть - золотоардынский эмир Караходжа, живший при Тохтамыш-хане. Он встречается и в исторических записях, и в генеалогии аргынов. Поэтому, те подроды, которые существуют у аргынов, все они имеют между собой схожий генетический вариант, это означает, что они унаследовали его от одного общего предка».

Максат Жабагин
заведующий лабораторией генетики человека
На изучение генетики, одного рода уходит не менее трех лет. Для сбора достоверной информации и создания базы генов, ученым лаборатории генетики человека, необходимо часто выезжать в экспедиции.
«Нужно выезжать в регионы, чтобы охватить генофонд, последние поколения которого были менее подвержены влиянию миграции. Также мы должны разъяснять людям, для чего проводятся эти исследования, также нужно получить у них согласие на получение их биоматериала в частности венозной крови», - отмечает Максат Жабагин.
В скором времени исследовать генетические варианты начнут, опираясь на материалы археологических раскопок, что сделает процесс изучения более детальным. Для этого на базе Назарбаев университета совсем недавно была открыта лаборатория «Древний ДНК», в работе которой будут задействованы сотрудники Национального центра биотехнологии.
Интервью: Максат Жабагин (для прослушивания данного интервью наденьте наушники)
В лаборатории генетики человека развивают еще два важных направления – криминалистику и медицинскую генетику. Ученые занимаются созданием генетических баз данных для криминалистов, в будущем это позволит по неизвестным образцам ДНК идентифицировать человека. По направлению медицинской генетики изучается возможность создания биобанка близнецов, и исследование влияния разных факторов на их развитие. Ученые лаборатории отмечают, что в генетическом плане население Казахстана мало изучено, поэтому работы впереди у них очень много.
В поисках лучших сортов
Алмагуль Какимжанова, заведующая лабораторией биотехнологии селекции растений
В лаборатории биотехнологии селекции растений проводятся исследования сельскохозяйственных культур: пшеницы и картофеля. Главная задача, которая стоит перед учеными - создание новых сортов, устойчивых к засухе, засорению и болезням, или выражаясь научным языком - получить безвирусный посадочный материал.
Здесь уже создали 6 сортов яровой мягкой пшеницы, устойчивой к грибным болезням, в частности к альтернариозу - разновидности грибной болезни, споры которой поражают колоски и зародыши пшеницы.
Сорта пшеницы устойчивые к засухе носят патриотичные названия «Байтерек», «ЭКСПО», «Казахстан-20». Новый сорт под названием «Шанырак» не боится сорных растений.
Используя молекулярно-генетические маркеры ученые убеждаются в том, что новый сорт устойчив к болезням. Полевые испытания новых сортов проводятся в резко-континентальных климатических условиях Северного и Центрального Казахстана.
Изначально лаборатория была ориентирована на селекцию ценных пород пшеницы, однако с расширением технической базы здесь начали работать и с картофелем.
«Говоря о картофеле, то он сильно поражается болезнями особенно при его хранении. Среди болезней часто встречается сухая и мокрая гниль, из-за чего фермеры могут терять до 40% урожая. На основе этого перед нами стояла задача вывести ценные формы устойчивые к сухой фузариозной гнили. Совместно с учеными-селекционерами института картофелеводства мы создали сорт «Астаналык» устойчивый к фузариозу и еще один сорт устойчивый к фитофторозу. По пшенице мы работаем также совместно с селекционерами шортандинского Института зернового хозяйства, с карагандинской, павлодарской опытными станциями. Наши новые формы были получены методами гаплоидной технологии (работа с клетками, имеющими один набор хромосом), клеточной селекции».

Алмагуль Какимжанова
заведующая лабораторией биотехнологии селекции растений
Этапы создания устойчивых к засухе сортов пшеницы:

Первый этап – выбор исходного материала, который не устойчив к засухе;
Второй этап - проведение клеточной селекции, для этого в питательные среды добавляются селективные факторы, они создают условия засухи удерживая в себе воду для этого используется маннит (вид спирта) и полиэтиленгликоль;
Третий этап - на селективные среды высаживаются каллусные клетки (регенерирующие клетки), после чего из них отбираются самые устойчивые к этим неблагоприятным условиям;
Четвертый этап - получение пробирочного растения-регенеранта;
Пятый этап - растения-регенеранты размножают в почвогрунте селекционных питомников;
Шестой этап - отбираются устойчивые к расщеплению клетки;
Седьмой этап - проведение оценки форм на засуху, на естественном фоне и в лабораторных условиях;
Восьмой этап - в процессе производственного сортоиспытания отбираются устойчивые к засухе формы. После чего они отправляются на государственное сортоиспытание.
На выведение и исследование одного сорта картофеля или пшеницы уходит от 6 до 7 лет. Однако, работу ученых заметно упрощает и ускоряют молекулярно-генетические исследования с использованием нового оборудования.
Здесь выводят не только продуктовые сорта растений, но и декоративные. Озеленение городов – одна из важных задач, которая стоит перед городскими властями, поэтому к этой работе активно привлекают ученых-селекционеров. Сотрудники центра вносят свой вклад в создание «Зеленого пояса» вокруг Астаны.
«Мы получаем посадочный материал древесных растений таких как тополь серебристый (или белый), тополь Болле, яблоня Недзвецкого (редкий вид декоративной морозостойкой яблони устойчивой к болезням и насекомым-вредителям. Яблоня занесена в Красную Книгу Казахстана, названа в честь ботаника Вячеслава Недзвецкого). На сегодняшний день мы уже получили минисаженцы этих древесных растений, которые уже высаживаются в Астане, они есть в дендропарке, в ботаническом саду» - отмечает Алмагуль Какимжанова.
В 2016 году по программе Всемирного банка, лаборатория селекции растений выиграла грант по коммерциализации технологий и микроклональному размножению древесных растений. Теперь здесь клонируют две породы тополя и яблоню Недзвецкого.
Молодые побеги вызревают в стеклянных банках, в специальной комнате которая называется – фитотрон. (Фитотрон – это помещения с искусственной средой оборудованные для выращивания растений).
Важное условие для полноценного роста - это влажность, температура и свет. Специальные световые спектры, приятные глазу человека, успешно имитируют солнечные лучи, вызывая у растений фотосинтез как в природных условиях. Влажность в фитотроне поддерживается на уровне 70%.
«Мы видим, как идет мультипликация, - размножение микропобегов, в отдельной среде идет корнеобразование. На выращивание из однолетнего побега, растения уходит 3-4 месяца, после чего оно высаживается в почвогрунт. Мы добились определённого масштаба производства растений здесь одновременно находится 9 тысяч побегов. Более того уже начались продажи этих сеянцев предприятиям-озеленителям», - рассказывает Алмагуль Какимжанова.
Питательная среда для микропобегов – это сложный «коктейль», в состав которого входят макро и микроэлементы, фитогормоны, сахароза, и полисахариды. Под каждый вид создается индивидуальная среда.

Животные на службе у науки
Виварий лаборатории токсикологии и фармакологии
Лаборатория токсикологии и фармакологии не является профильной, так как основной акцент в центре делается на исследованиях в области биотехнологии.
Однако, большинство разработок, полученных биотехнологическим путем, проходят тестирование именно здесь. Поэтому в состав лаборатории входит виварий – помещение, где содержатся животные, которых используют в исследовательских целях.
«Около 70% исследований центра в области токсикологии и фармакологии проводятся на лабораторных животных. Конечно, существуют различные этические аспекты, которые требуют использовать в научных целях животных как можно меньше и постепенно уходить от исследований на них. Однако, эксперты сходятся во мнении, что пока заменить целостный животный организм, чем-то другим – невозможно», - говорит Зарина Шульгау заведующая лабораторией токсикологии и фармакологии.
Лабораторные животные представлены мышами, крысами, кроликами и морскими свинками. Например, черных мышей линии C57BL/6 в своей работе используют сотрудники лаборатории стволовых клеток, белых - линии balb/c,­ используют сотрудники лаборатории иммунобиотехнологии и иммунохимии.
«Наша лаборатория проводит скрининговые исследования потенциальных фармакологически активных веществ на различные виды активности: антирадикальная, антиоксидантная, цитопротекторная, иммуностимулирующая, анальгетическая и другие. Если фармакологическое вещество показывает на этапе скрининга свой потенциал, то мы проводим углубленные исследования на различных биологических моделях с использованием лабораторных животных», - поясняет Зарина Шульгау.
Интервью: Зарина Шульгау о направлениях работы лаборатории (для прослушивания данного интервью наденьте наушники)

Национальный центр биотехнологии сегодня – это мощный научный комплекс, который имеет как техническую, так и интеллектуальную базу для проведения важнейших исследований, исследований, которые нацелены сделать жизнь человека комфортнее и безопаснее.