РАЗГОВОР С УЧЕНЫМ: Ольга Дудченко из Киева — восходящая звезда в мировой науке (Часть I)

Фото предоставлено Ольгой Дудченко

 

В 2019 году украинка из Киева Ольга Дудченко вошла в список ученых «Инноваторы до 35» по версии MIT Technology Review Массачусетского технологического института (США).

Высокое признание ей принесли исследования в области геномики — раздела молекулярной генетики, изучающего наследственный материал в клетках живых организмов: Ольга улучшила технологию определения последовательностей генов — разработала алгоритм, позволяющий в разы быстрее и дешевле собрать фактический геном живого организма. Для широкой общественности это, пожалуй, слишком сложные материи.

А вот проект, организованный на базе этих изысканий, неизменно привлекает внимание масс: это «ДНК-зоопарк» (DNA Zoo) — цифровая база геномов животных. Выглядит эдаким прологом к событиям из фильма «Парк Юрского периода». На самом же деле все даже увлекательнее.

Ольга — без преувеличения, восходящая звезда в мировой науке, чьи работы цитируются во многих научных манускриптах, чей метод позволяет в считанные дни собрать в правильном порядке разрозненные элементы ДНК в единый целостный геном, охотно говорит о тонкостях своей работы, но избегает разговоров о личных достижениях.

«Генетика, геномика — активные области в современной науке, а мне удалось встроиться в них после переезда в США. И это не связано с какими-то моими уникальными способностями. Так случилось. Посмотрим, что будет дальше… Какая моя миссия в науке? Не смешите меня! Делаем все что можем, а что получается — то получается», — рассказала в интервью для Huxley Ольга.

 

ЗОЛОТАЯ ПРОПОРЦИЯ СЛУЧАЙНОСТЕЙ

 

Оценить мои достижения и успехи в науке можно будет только спустя много лет. Дело обычное: каждый действует в силу возможностей, и что-то у кого-то в конечном счете выходит. Иногда дается легко, иногда через силу. Иногда везет, и набранные тобой навыки выстреливают.

Есть люди, которые с раннего возраста знают, к чему стремятся, чего хотят. Я не из их числа. Я двигалась хаотично — эдакая броуновская частица. Выбирала путь из предлагаемого обстоятельствами ландшафта. Мой секрет успеха?

В точке бифуркации двигаться о-очень медленно в надежде, что кто-то или что-то задаст нужное направление с необходимой силой. Вот вся моя стратегия. Тогда словно идешь по светлой просторной долине и легко продвигаешься вперед.

В настоящий момент я все еще в «долине», связанной с генетикой и геномикой, со сборкой геномов, и, наверное, здесь я буду оставаться еще год-полтора. А там видно будет, какие бифуркации возникнут на пути.

Мой путь в науке определила серия счастливых случайностей. Сначала была школа №145 города Киева, «Природничо-науковий ліцей №145», что на улице Шота Руставели. Замечательное место! Я туда попала сравнительно случайно, и в этой случайности мне бесконечно повезло.

В нашей семье ценят образование, но выдающихся ученых, которые подтолкнули бы, направили меня в сторону серьезной науки, среди родственников не было. Родители всегда стремились дать мне возможность общаться с лучшими — талантливыми учителями и одаренными детьми.

Первый год моей одноклассницей была Марина Вязовская — ныне известный математик, профессор в Швейцарии — решившая задачу об упаковке шаров в восьмимерном пространстве.

После школы был МФТИ, Московский физико-технический институт, кафедра физики живых систем. В МФТИ я защитила кандидатскую, работала в бывшей лаборатории Анатолия Марковича Жаботинского — выдающегося биофизика и физико-химика.

Я занималась интереснейшей проблемой — перистальтикой. Есть несколько типов биологических насосов в человеческом организме. Все сразу думают о сердце — это активный насос, управляемый центрально.

Но есть система другая, например, желудочно-кишечный тракт, лимфатическая система, где этот насос, скажем так, распределенный, — нет конкретного органа, центральной системы, создающей высокое давление и приводящей все в движение.

Такие системы отвечают на импульсы локально, процессами управляют мышцы-рецепторы на конкретном участке, системы работают самоподдерживающимся образом, без участия центральной нервной системы.

Есть серия очень интересных, зрелищных экспериментов, демонстрирующих это. На удивление, было сделано довольно мало работ, исследующих скорость волн в таких системах, и я занялась этим. Но исследования подошли к концу, и нужно было двигаться дальше.

Шел 2012 год. Я обнаружила: научный ландшафт таков, что большинство областей так или иначе сдвигаются в сторону генетики, геномики, секвенирования. Думаю, мой приход в генетику в определенной степени тоже был случайностью: кого бы я ни выбрала научным руководителем, я все равно, с высочайшей долей вероятности, оказалась бы в области генетики.

Бассейн притяжения этой области науки очень велик и продолжает разрастаться. Этому способствует и пандемия, когда на первых полосах газет рассказывают о секвенировании геномов вирусов.

 

 

ГЕНЕТИКА — «БЕЖАТЬ ВМЕСТЕ С ПОЕЗДОМ»

 

В Штаты я переехала как постдок (научный сотрудник после получения докторской или кандидатской степени — прим. ред.). Дипломы физиков и математиков за рубежом признаются, и ты поступаешь на работу в научную лабораторию США так же, как и любой ученый, скажем, из Мемфиса, Женевы…

В США я, физик, математик, попала в совершенно другую область — в генетику, геномику. Я нашла руководителя, увлеченного своим делом. Он с готовностью принял меня, и мы окунулись в работу. Не было далеко идущих планов, был порыв: приступаем, а чем будем заниматься, определимся по пути.

Генетика сейчас очень перспективная область, притягательная и притягивающая. Она развивается настолько стремительно и динамично, что люди, посвятившие ей годы исследований, не имеют большого конкурентного преимущества в сравнении с новичками, все изменяется ежечасно, приходится буквально «бежать вместе с поездом».

Причин выбрать Штаты было несколько. Я довольно хорошо говорю на английском, это упрощало переезд. Кроме того, США — огромная страна со множеством университетов, колоссальными инвестициями в науку и, как мне кажется, большими возможностями, чем в Европе. Плюс семейные обстоятельства.

Мой молодой человек (теперь уже муж), с которым мы вместе учились в МФТИ, уехал работать над кандидатской диссертацией в Штаты. Пять лет мы мотались из России в США и наоборот. Но наступил момент, когда нам нужно было практическим путем решить задачу по сокращению расстояния между точками А и В. И мы ее решили в несколько итераций. Обычная история: современные ученые — это nomadic profession, кочевническая профессия!

 

МЕТОД СЕКВЕНИРОВАНИЯ ДНК НА ПРАКТИКЕ

 

С 2017 года, с момента завершения сборки генома человека, когда эта работа стоила более трех миллиардов долларов, картина изменилась. Собирать геномы стало легко, и мы запустили проект DNA Zoo. Выглядит это незатейливо: мы собираем геном животного и выкладываем его в свободный доступ.

Преимущественно информацией пользуются природоохранные организации, заповедники. Они ограничены в средствах и ресурсах, и проведение подобных исследований им не под силу, максимум, что они могут сделать — это выполнить локальное секвенирование с целью оценить особенности популяции интересующих их животных. Благодаря исследованиям, проведенным в 2001–2004 годах, многое на сегодняшний день упростилось. Существенно удешевилось секвенирование, появились методики нового поколения.

 

 

 

Как это происходит на практике? Типичная клетка человека содержит 46 хромосом — 46 очень длинных молекул полимеров, ДНК, которые состоят из букв А, D, G, C… Сейчас нет технологии, позволяющей «зайти» в клеточное ядро и «прочитать» хромосому от начала до конца. Потому действуем так. Берется куча клеток, из ядер извлекается ДНК.

ДНК — это такие длинные-длинные «спагетти», и когда ты начинаешь их извлекать, они ломаются, дробятся на маленькие фрагменты. Но есть способы, позволяющие «прочитать» отдельные извлеченные фрагменты. Из них, как пазл, потом нужно собрать цельный текст, соответствующий последовательности букв всей хромосомы.

Чем короче участок «читаемого текста» молекулы, тем дешевле эксперимент, но при этом тем сложнее задача сборки. Сейчас ведутся работы по увеличению длины «текста» фрагмента. Это все еще сравнительно дорого, но длина «текстовых отрывков» увеличивается, и, думаю, вскоре мы научимся читать хромосому от начала до конца.

 

ВИЗУАЛЬНЫЙ ЯЗЫК НА ОСНОВЕ HI-C ТЕХНОЛОГИИ — НАШЕ ГЛАВНОЕ ДОСТИЖЕНИЕ

 

На основе методов, разработанных и опубликованных в 2017 году в статье в журнале Sсience, мы создали несколько программных инструментов, инструментов по визуализации, которые позволяют даже при работе с самыми дешевыми, очень короткими последовательностями собирать геномы до полных хромосом.

Эти идеи родились не в 2017-м. Они выстроились вокруг технологии Hi-C, которую мой нынешний руководитель и сооснователь «ДНК–зоопарка» Эрез Айден совместно со своими коллегами предложил в 2009 году. Это метод исследования расположения ДНК внутри ядра.

46 длинных «спагетин» каким-то образом упакованы в ядре и упакованы не в случайном порядке, а строго регламентировано. Определенные последовательности всегда оказываются рядом, некоторые ближе к поверхности, некоторые — внутри ядра. За всем этим стоит крайне интересная биология. Используя Hi-C, мы эту информацию сравнительно просто и дешево считываем.

А предложенный нами пространственный аспект помогает в сборке генома. Это приблизительно то же самое, что начать собирать картинку-пазл с бортика: ты можешь использовать некоторую геометрическую информацию, не связанную с содержанием внутри.

Мы написали много кодовых программ, визуализаций, валидаций, позволяющих исследовать особые аспекты упаковки ДНК и использовать эти данные для сбора ДНК в геноме. Постепенно наши инструменты стали общепринятыми. Сейчас каждую неделю стараемся выкладывать 1–2 генома для общего пользования.

То, что Ні-С-технологию можно будет использовать так — для сборки малого в большое — было понятно еще в 2009 году, когда о ней заявили впервые. Вопрос был в том, как наладить эту сборку на практике. Мы разработали понятный алгоритм, доступный и ясный, а главное, создали visual language на основе технологии, то есть визуализировали этот процесс.

Это наше главное достижение. Можно написать хороший алгоритм, можно его улучшить или научить искусственный интеллект выполнять все это. Но важно иметь возможность быстро понять, является ли осмысленным результат.

Если показать наш принцип шестилетнему ребенку, то он вполне сможет собрать простые геномы, используя наш визуальный код и программы. Они интуитивны, моментально дается валидация результатов. Визуальные языки всегда нравятся людям.

Визуализация подается в виде карт. Недавно мы еще добавили возможность визуализировать отдельно материнские и отцовские хромосомы. У человека 46 хромосом — 23 пары хромосом от каждого из родителей. И когда собирают геномы, берут 23 хромосомы — нечто среднее между папиными и мамиными. В человеческом ядре хромосомы от обоих родителей довольно близки, у других видов все сложнее.

 

Читать часть II