Лауреаты премии Правительства Москвы молодым учёным за 2022 год
Конкурс на соискание премий Правительства Москвы молодым учёным проводится с 2013 года. Премии присуждаются в области естественных, технических, медицинских и гуманитарных наук, за разработку и внедрение новых технологий, техники, приборов, оборудования, материалов и веществ, содействующих повышению эффективности деятельности в реальном секторе экономики и социальной сфере города Москвы.
Уже объявлен конкурс на соискание премий за 2023 год. Заявки принимаются с 12 апреля по 17 июля 2023 года. Премии присуждаются в 22 номинациях, из них 11 номинаций в области фундаментальных исследований и столько же — в области прикладных разработок. На получение премии могут претендовать молодые учёные Москвы в возрасте до 36 лет (доктора наук — до 40 лет). Подробности условий участия в конкурсе опубликованы на официальном сайте конкурса https://nauka.mos.ru.
В апрельском номере «Науки и жизни» рассказано о трёх работах молодых учёных, получивших премию Правительства Москвы за 2022 год в номинациях «Биология», «Химия и науки о материалах» и «Приборостроение». Представляем ещё три работы, удостоенные премии в номинациях «Медицинские науки», «Технические и инженерные науки» и «Энергоэффективность и энергосбережение».
Новые детали эволюции вирусов
Как и все обитатели Земли, вирусы выживают благодаря своей изменчивости. При этом вирусы способны меняться как никто: регулярно появляются сообщения о новых штаммах, напоминания о том, что нужно обновить прививку против гриппа или ковида, а некоторые вирусы так вообще ухитряются сменить хозяина — перепрыгнуть от одного вида животных к другому.
Нельзя сказать, что изменчивость вирусов абсолютно случайна и непредсказуема. Есть научные инструменты, которые позволяют проследить за их изменениями и понять родственные связи между разными штаммами. Этими инструментами пользуются специалисты, занимающиеся молекулярной филогенетикой. Устанавливать эволюционную историю разных видов живых существ можно по строению лап и крыльев, по особенностям физиологии и пр., а можно делать то же самое, сравнивая структуры белков и последовательности ДНК и РНК. Молекулярная филогенетика оперирует именно нуклеиновыми кислотами и белками. Вручную или на глаз последовательности нуклеиновых кислот давно уже никто не сравнивает, это делают специальные алгоритмы, да и в целом молекулярная филогенетика представляет отдельную и сложную ветвь прикладной математической статистики.
У вирусов нет ни лап, ни крыльев, поэтому за подробностями вирусной эволюции лучше сразу обращаться к их молекулам. Копирование генетического материала всегда и у всех происходит с ошибками: так уж устроен копировальный аппарат. Кроме того, на всех нас, включая вирусы, действуют обычные экологические мутагенные факторы, наподобие ультрафиолетового излучения. Взяв образцы одного и того же вируса из разных мест и в разное время, можно сравнить вирусные ДНК или РНК из этих образцов и по различиям в генетическом материале понять, от кого произошёл тот или иной вариант вируса и как долго он развивался. Результат во многом зависит от объёма и разнообразия генетического материала, а также от того, насколько точно его прочли. Методы чтения (сиквенса) нуклеиновых кислот неуклонно совершенствуются, но до сих пор при сиквенсе случаются ошибки. Бывают неточности и в сопроводительной информации: для прочитанной последовательности неверно указывают, где и когда взяли образец вируса. Кроме того, среди вирусов есть более изученные и менее изученные. Очевидно, что более изученные — это те, которые вызывают серьёзные болезни у людей и животных. Однако даже на них обращают внимание преимущественно тогда, когда случается вспышка заболевания.
Можно найти огромное число генетических последовательностей, относящихся к разным вспышкам, но что делал вирус между ними? Где он в это время был? Мало кто пытается найти и прочитать генетический материал вируса в каких-нибудь биологических образцах, пока он никого не беспокоит. Можем ли мы судить об эволюции вирусов, имея на руках такие неравномерные данные?
Поискам ответов на эти вопросы посвящены исследования Юлии Вакуленко из Первого Московского государственного медицинского университета им. И. М. Сеченова и её коллег. В частности они показали, как следует настроить методы молекулярной филогенетики, чтобы они давали верные результаты даже с учётом количественных перекосов в базах данных и возможных ошибок в них.
Но неточности и перекосы в вирусных геномах, связанные с человеческим фактором, — лишь некоторые из проблем, которые приходится решать специалистам по вирусной молекулярной филогенетике. Дело в том, что вирусы весьма склонны к генетической рекомбинации. Это значит, что разные вирусы, оказавшись вместе в одной клетке, могут обмениваться друг с другом достаточно большими кусками генетических последовательностей. При копировании собственных нуклеиновых кислот вирус может в свой генетический материал вписать отрывки из генетического материала вируса-«кузена», с которым оказался в одно время в одном месте. Вообще рекомбинация между наследственными молекулами идёт у самых разных организмов, в том числе у людей. Отличия в том, какие ограничения накладываются на рекомбинацию и какую роль она играет. У многих вирусов она стала одним из ключевых механизмов эволюции. Обменявшись участком генома со своим дальним родичем, вирус может стать более заразным или перейти на нового хозяина.
Если надо восстановить родословную вируса, рекомбинация добавляет проблем. Приходится сравнивать вирусные геномы не по точечным мутациям, а по длинным фрагментам, которые вирусы в разное время копировали друг у друга. Можно ли понять последовательность этих копирований? И есть ли тут какие-то правила? Вряд ли вирусы, при всей своей молекулярной пластичности, могут позволить себе абсолютно произвольно перетасовывать собственную генетику.
Юлия Вакуленко с коллегами разработали методы, которые позволяют проследить историю рекомбинаций у вирусов. Эти методы они применили к нескольким семействам РНК-вирусов, среди которых были и коронавирусы. Выяснилось, что рекомбинация разными участками генома зависит от того, насколько вирусы отличаются друг от друга. Например, у коронавирусов есть знаменитый шиповидный белок (или S-белок), который образует вокруг вирусной частицы ту самую «корону». Его молекула состоит из разных частей, или доменов (подробно об устройстве коронавирусов см. статью «Жизнь и устройство коронавирусов», «Наука и жизнь № 4, 2020 г.). Ген S-белка у коронавирусов участвует в обмене чаще, чем другие гены, причём ген может копироваться как полностью, так и частями, кодирующими разные домены белка. Даже если вирусные геномы отличаются на 40%, они всё равно могут обменяться S-белком, и то же самое касается других белков, которые образуют белковую оболочку вирусной частицы. Такие белки называются структурными, но кроме них у вирусов есть и неструктурные белки: это ферменты, копирующие генетический материал, помогающие вирусу выжить в клетке и т. д. Генами неструктурных белков обмениваются только близкие друг другу вирусы, сорокапроцентные различия для них непозволительны. То есть внутри коронавирусного генома есть участки с разной совместимостью, их рекомбинация зависит от эволюционной близости вирусов. Это определяет как общую эволюцию вирусов, так и их потенциальную способность навредить человеку. Аналогичные результаты, касающиеся правил рекомбинации, были получены и для других семейств РНК-вирусов. Изучая правила изменчивости вирусного генома, можно составить представление о совсем древних эволюционных событиях, которые привели к появлению РНК-вирусов как отдельной группы.
Конечно, молекулярная филогенетика имеет дело не только с глубокой древностью, она помогает понять, что происходит в нашей медицинской повседневности. Ряд важных результатов Юлия Вакуленко получила ещё для одной группы РНК-вирусов, которые называются энтеровирусами. В большинстве случаев от энтеровирусов бывают лишь лёгкие простуды и желудочно-кишечные расстройства, однако это не значит, что они вообще безобидны. Энтеровирусная инфекция может дойти до менингита или миокардита; и к энтеровирусам же относится печально известный полиовирус, возбудитель полиомиелита. Ежегодно у энтеровирусов открывают новые варианты, другие же, наоборот, как будто полностью сходят со сцены, однако до сих пор нет общего представления, как они возникают и почему исчезают. Исследователям удалось показать, что многие варианты современных энтеровирусов произошли от общих предков, которые существовали совсем не так давно, около 55—130 лет назад, и чтобы полностью и повсеместно исчезнуть, энтеровирусам хватает всего нескольких десятков лет. Эти цифры дают достаточное представление о том, насколько стремительной может быть эволюция вирусов, по крайней мере, отдельной их группы.