Научная
деятельность
Университет ИТМО

Ученый Университета ИТМО выиграл грант от «Сколтеха» на изучение биохимических реакций в процессе иммунного ответа

Когда вирусы или бактерии попадают в организм, запускается иммунная система, которая распознает чужеродные клетки и пытается их уничтожить. В этом процессе большую роль играют биохимические реакции, протекающие в клетках иммунной системы. Благодаря этим реакциям иммунные клетки могут получать необходимую энергию или, например, производить сигнальные вещества для «координации» иммунного ответа. Руководитель группы по биоинформатке в лаборатории «Компьютерные технологии» Университета ИТМО Алексей Сергушичев получил целевое финансирование по программе Системная биология «Сколтеха» на создание вычислительных методов, которые позволят понять динамику регуляции биохимических реакций в процессе иммунного ответа.

За поддержание иммунитета несут ответственность несколько групп клеток. Когда в организм попадает определенное чужеродное вещество, клетки, ответственные за его уничтожение, активируются. В клетке запускаются химические реакции, чтобы она могла справиться со своей миссией – например, разрушить клетки вируса. Происходит не одна реакция, а несколько. В этом процессе участвуют ферменты, то есть специальные белки, которые запускают реакции в определенной последовательности и с определенной скоростью. Эту последовательность называют метаболическим путем, метаболизм, в свою очередь, – это обмен веществ в организме. При этом образуются метаболиты, то есть продукты химических реакций. Метаболиты, возникающие при иммунной реакции, до конца не изучены. Например, недавно международный коллектив ученых из США, Канады, России и Германии обнаружил новую функцию метаболита итаконат. Это вещество вырабатывается в иммунных клетках макрофагах и служит для подавления их провоспалительного действия.

Чтобы понять детально, как именно происходит иммунная реакция, необходимо проследить весь метаболический путь тех или иных иммунных клеток после их активации. Для этого ученые собирают данные о биохимическом состоянии клетки в моменты протекания всех реакций, из которых состоит метаболический путь. Во-первых, необходимо знать транскриптомные данные – данные о том, какие именно ферменты запускают какую-либо определенную реакцию. Во-вторых, собираются метаболомные данные, которые показывают, какие именно метаболиты образуются в клетке во время реакции. Таким образом, исследователи видят, что запускает реакцию, что получается после нее и что катализирует уже следующую реакцию, – метаболический путь раскладывается на промежутки со всеми поворотами и дорожными знаками.

Именно этим, то есть составлением «карты» метаболических путей, занимается Алексей Сергушичев в сотрудничестве с коллегами из Университета Вашингтона в Сент-Луисе. Задача сотрудника Университета ИТМО состоит в том, чтобы разработать программное приложение и вычислительные методы, которые помогут обрабатывать и интерпретировать информацию о метаболическом пути того или иного типа иммунной клетки после ее активации. 

«Мы анализируем, как происходит нормальный процесс активации иммунных клеток, в частности макрофагов. Это клетки, с которых начинается иммунный ответ на различные повреждения типа ран. Есть очень много заболеваний иммунной системы, когда она начинает работать неправильно. Чтобы понять, почему это происходит, необходимо рассмотреть весь процесс иммунного ответа детально, шаг за шагом. Тогда при каком-либо заболевании мы сможем воздействовать не на всю иммунную клетку, а лишь на какую-либо реакцию метаболического пути, в которой возникла ошибка, и с которой все “пошло наперекосяк”. Возможно, чтобы исправлять такие ошибки, медикам будет достаточно просто усиливать или ослаблять реакции, предваряющие “неправильную” или следующие за ней. Это будет более точечное воздействие на проблему», – прокомментировал кандидат технических наук.

Обычно для исследований ученые используют иммунные клетки мышей. Макрофаги забираются из костного мозга грызунов. Для того чтобы понять, какие изменения происходят в клетке на каждом этапе метаболического пути, исследователи используют два метода анализа: РНК-секвенирование и масс-спектрометрия. С помощью первого метода они узнают, какие именно ферменты и в каком количестве присутствуют в клетке. Секвенирование – это определение составляющих тех или иных молекул, в частности рибонуклеиновой кислоты. Именно в РНК кодируются белки для их синтеза, соответственно, РНК ответственна и за синтез белков-ферментов. Выделяя РНК из клетки, ученые могут понять состав и количество катализаторов для той или иной реакции метаболического пути. А вот с помощью масс-спектрометрии определяют то, какие именно метаболиты получаются в ходе реакций. Для этого вычисляют отношение массы вещества к заряду ионов, таким образом молекулы как бы «взвешивают».

«Для меня это уже выглядит как матрица чисел, по которым можно вычислять трансприптомные данные о том, как работают ферменты, в каком количестве они присутствуют в клетке. То же самое и по метаболитам», – отметил Алексей Сергушичев.

Подробнее с принципом работы программы, которую разрабатывает Алексей, можно ознакомиться здесь. Например, веб-сервис может быть полезен при изучении процессов, происходящих внутри раковых клеток. При помощи программы можно составить подробную карту метаболических путей в таких клетках и выявить механизмы развития опухоли.

Программа «Сколтеха», победителем которой стал ученый Университета ИТМО, рассчитана на три года. Для того чтобы участвовать в ней, необходимо было иметь несколько публикаций в журналах с высоким импакт-фактором, а также удовлетворить запросы жюри конкурса. Программа является первой в своем роде в области биотехнологий и биомедицины и призвана «удержать» российских ученых в стране. Кроме сотрудника Университета ИТМО, победителями стали ученые из Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова, Института общей физики им. А.М. Прохорова, Института биоорганической химии им. М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова РАН и из Института науки и технологий «Сколково».