Изкуственият интелект и обществото – биотехнологиите

Интервю с Цветана Карелска, продуктов мениджър в Pacific Biosciences, САЩ

– Представете се на нашите читатели. Как се ориентирахте към биотехнологиите?

– Казвам се Цветана Христова Карелска, родена съм в гр. Плевен, България. Отраснах във Враца, завърших математическата гимназия в града, а след това Физика – специалност „Метеорология” във физическия факултет на Софийския университет през 1992 година. От 1998 г. живея в Силиконовата долина, Калифорния, САЩ със семейството си. Съпругът ми също е физик. Когато се преместихме, двамата ни сина бяха на 10 и на 6 години. Единият завърши Английска литература и Психология в Калифорнийския университет Санта Круз, а другият прави докторантура по физика на кондензираната материя в Университета Колумбия в Ню Йорк.

Интересно е, че когато завърших гимназия, бях твърдо убедена, че ще кандидатствам и ще завърша физика. Същата година обаче се откри специалност „Биотехнологии”. Майка ми, която беше учителка по математика, ме молеше да кандидатствам, за да имам възможност да избирам. Аз бях категорична, че ще стана физик и го направих, но животът ми така се разви, че професионално 95% от времето си се занимавам с биотехнологии.

Вече 18 години имам удоволствието, честта и късмета да работя в интересната област на биотехнологиите в Калифорния. Работя в компании, които произвеждат инструменти за четене на ДНК. Започнах работа като анализатор на данни – биоинформатик. Много се заинтригувах от биотехнологиите и от биоинформатиката. Взех допълнителни класове в Калифорнийския университет, Санта Круз, които допълниха знанията, които получавах от практиката. Изкарах класове по молекулярна биология, алгоритми, програмиране и различни видове анализи на генетични данни. Отначало работих в компанията „Амершам“, после в „Солекса” и „Илумина”, която закупи “Солекса”, а в момента съм продуктов мениджър в компанията ”Пасифик Биосаянсес” (Pacific Biosciences). Срещам се с клиенти и научавам какво им е необходимо за анализиране на данните ДНК и работя със софтуерния ни екип, за да го осъществим. Компанията ни е от 300 човека, а в отдела сме петима, аз отговарям за софтуерните ни продукти.

Покрай работата ми в тези компании имах възможността да се срещна с много екипи учени, както в университетските среди, така и във фирми. Когато първите ни инструменти станаха готови, големите геномни центрове бяха нашите първи клиенти. Те получиха инструментите, но се наложи да се анализират данните и аз им помогнах. Така имах честта да посещавам инсталации на първите ни клиенти в самите центрове. Това беше много вдъхновяващо.Оказа се, че клиентите, които купуваха машините, имаха допълнителни идеи как може да се използва тази технология, която бе съвсем  нова, за да научават все повече за строежа и функциите на гените.

– Как виждате развитието на биотехнологиите?

– Една от целите на биотехнологиите е изучаването на геномите на организмите, като за това е необходимо първо да се прочете генома и да се определят съставните гени. „Четене“ на генома е процесът на определяне на поредицата от нуклеотиди (A, T, Ц и Г) в ДНК-то на определен организъм. Тази част от биотехнологиите се нарича секвестиране (genome sequencing). Тъй като А, Т, Ц и Г – нуклеотидите са основните градивни части на генома, те също се наричат и „бази“ – четирите бази, от които се гради ДНК.

Човешкият геном има около 3 милиарда нуклеотиди (бази), организирани в около 20 000 гени, растенията имат едни от най-дългите и сложни геноми.

Знаейки генома на организъм и отделните гени, можем да изучаваме тяхната функция и роля в различните характеристики и особености на живите същества. Автоматичното секвестиране/четене на ДНК стана възможно в последните 25-30 години, благодарение на развитието на различни технологии. То премина през няколко етапа на развитие. Първият етап (от 1994 до 2001г.) стана много популярен и се разви бързо, защото целеше прочитането на човешкия геном за първи път. Проектът беше иницииран в Щатите и впоследствие се включиха центрове за изучаване на ДНК по света. Две фирми от САЩ  бяха именно тези, които създадоха инструментите за автоматично секвестиране на геноми. С тях се създаде първата чернова на човешкия геном, която беше обявена през 2001 година. Проектът отне 7 години и струваше 3 милиарда долара.

Това отвори вратата на човечеството да изучава гените и тяхното влияние върху развитието на всички живи същества – растения и животни. Това бе началото. Следващият втори етап от развитието на тези технологии за изследване на човешкия геном започна с търсене на други технологии, които по-бързо и по-евтино да предоставят възможността да се добие нужната информация. Второто поколение инструменти за четене на човешкия геном се създаде от компанията „Солекса”, която около година след това бе закупена от компанията „Илумина”, която и до днес ползва нейната технология. Компанията „Илумина” в момента е световен лидер в производство на машините. Предлага различни генерации от инструменти, включително за по-малки организми и за различни по размер лаборатории.

Типичното за третото поколение технологии, върху които работим в сегашната ми компания, е начинът на четене на ДНК. Те позволяват прочитането на много дълги последователности – десетки хиляди нуклеотиди (бази) от ДНК, което позволява много по-лесно да се сглобява и прочита целия геном. За сравнение – инструментите от второ поколение прочитат части от ДНК с дължина само 150-250 нуклеотида. Имат недостатък, че не са толкова точни, колкото второто поколение. Затова в практиката много често тези две технологии се използват като взаимно допълващи се. В момента в нашата компания работим върху едно приложение, което позволява да запазим дължината ДНК, която можем да четем с третото поколение машини, като подобрим точността им.

С настоящите технологии прочитането на един човешки геном отнема само няколко дни и струва няколко хиляди долара.

– Как се създават и развиват инструментите (машините) за четене на ДНК?

– Инструментите за четене на ДНК са много комплексни и са различни по размери. Сегашният ни инструмент е голям колкото хладилник, но например един от малките инструменти на фирма „Илумина” е колкото един стар монитор за компютър. В него има оптическа система, механични системи и връзки, лазери, роботика, химия и консумативи, софтуер за управление на инструмента, програми за анализиране на данни. Това са сложни проекти, в които участват специалисти не само в една област. Три са основните подсистеми на един инструмент за четене на ДНК. Едната система е машината, втората са консумативите, чрез които става четенето на самото ДНК, третата система е софтуерът, с който инструментът събира физически данни от химическия процес, a впоследствие и анализира.

Що се отнася до колективът, който създава инструментите, той обикновено е еднакъв по големина за трите подсистеми и много разнообразен. Има химици, които се занимават с изследване на много тънки повърхности, други които произвеждат нуклеотидите, има  оптични и лазерни физици, машинни и софтуерни инженери, дизайнери, участват също биолози за животински видове и растения.

Например, интересно е, че единият от консумативите на инструментите на “Илумина” е експериментално стъкло. На него има 8 улейчета, които са тунелчета, през които минава ДНК-то и там се осъществява химическата реакция. Тя позволява четенето на генома. Тези нуклеотиди/бази се прибавят една по една и като се осветят с лазер, се прави снимка, която напомня звездното небе, само че с повече звезди. Интересното беше, че софтуерът, който е създаден за анализиране на тези  данни, е написан от един мой колега астрофизик. Неговата дисертация беше за визуализиране на изображения на звездното небе.

Нашата компания Pacific Biosciences е втората по значимост в САЩ и света компания за производство на инструменти за четене на ДНК след „Илумина”. Има производствен отдел, който прави консумативите, отдел за продажба на инструментите, както и продуктови мениджъри, които определят какви нови функции са необходими на продукта, а други колеги изследват какво се търси на пазара. Специален отдел се занимава с популяризиране на технологиите чрез публикации в специализирани медии. В нашата компания има голям научно-изследователски отдел с около 100 човека. Разполагаме с лаборатория, в която правим проекти с бъдещите си клиенти, за да се установи  дали нашата технология е приложима за експериментите, които те планират да направят. Изследваме техни  материали, провеждаме курсове за обучение. Организираме и участваме в международни конференции, които са посветени на биотехнологиите, които се посещават от учени от цял свят. Аз организирам ежегодно научна конференция със сътрудничеството на наш клиент от Медицинския университет в Лайден, Холандия. Хубавото на този форум е, че конференцията е 3 дни, в които има научни доклади в различни области на генетиката, които използват нашата технология. Учените имат възможността да говорят един с друг и обменят много информация и идеи. Тези три дни са изцяло посветени на дискутиране на приложението на нашите инструменти за експериментите, анализа на данните за различни животински видове и растения, а също за приложение за диагностиката и лечението на различни заболявания.

Вече е много лесно да се прочете геномът. Въпросът от тук нататък е, че имаш хиляди геноми на различни растителни и животински видове, както и на хора от различни нации и  е важно да знаеш как да интерпретираш тази информация.

– Как се подбират видовете, които се изучават,  за да се ползват от биотехнологията?

– Подборът на организми за изследване се базира на специфичните способности на определен организъм, и възможността да научим нещо ново и полезно за развитието на живота на Земята. Например, спомням си, че част от колегите ми бяха на експедиция в южните морета. Там има термални води и изследваха амеба, която има само няколко клетки. Интересното при нея е как тя все пак оцелява при температура от 90-100 градуса и как ДНК-то ѝ е пригодено за тези условия. Получената информация помага при изучаване на бактерии и вируси – защо са толкова здрави и устойчиви на температурни разлики. Това, от друга страна, дава информация как можеш да създадеш лекарства, с които да се бориш с тях. По същата причина интересни са също зимният сън на мечките и оцеляването им с минимално количество храна и вода. При колибрито уникалното е, че има способността да интерпретира звукова информация по сходен с хората начин. Получените знания се използват, за да се помогне на хора, които имат проблеми със звуковия и слухов си апарат. Така може да се създаде ново лечение и да се разработят начини за подходящо обучение. Друго интересно животно е прилепът. Като цяло, в природата големите животни живеят по-дълго отколкото малките. Има прилепи колкото орехче и такива с около 2 метра размах на крилата. Всички живеят много повече отколкото би се очаквало от организъм с техния размер, предвид и факта, че обитават не толкова чиста среда. Изучаването на дълголетието при тях е ще помогне в много отношения на хората и други животински видове. Изучаването на всички тези животински видове е интересно, за да разберем какво ги прави устойчиви. В много случаи за хора или за животни приложението на тази наука е важно за създаване на лекарства. За запазването на животински видове, особено на застрашените от изчезване е важно да се създадат условия, при които те могат да се размножават, без да има естествена заплаха и застрашаване от хищници. Дори да се прочете геномът на изчезнал вид е доказателство, че той е съществувал на земята. Така успяваме да спасим много животински видове.

– Какво е генното инженерство?

-Искам да направя едно сравнение за генното инженерство, например при растенията, което може да прозвучи малко дръзко или странно на някои хора. Генното инженерство не е много по-различно от естествения начин на подбор. Кръстосват се два вида, които имат определени характеристики, които харесваш и следиш в поколението какво се предава. Оставаш само тези видове, които отговарят на това, което ти търсиш. Генното инженерство се базира на знанията от генома на даден организъм и ги използва за селектиране и запазване на опредени качества за поколенията на този организъм. Определяш гените, които са отговорни за чертите на растението, което селектираш и се опитваш да създадеш вид, който има тези черти. Въпросът обаче никога не е прост – може да си в състояние да го създадеш, но как ще се развие и дългосрочното му състояние са неизвестни. Никой вид не живее изолирано на земята, а се включва в екосистема. Така че е важно да се знае как ще се развие, как ще взаимодейства с други организми в екосистемата, в която живее, дали тези специфични селектирани черти ще останат или ще се задълбочат и ще повлияят на някои други цели.

Ето защо се търсят организми, които са близки на изследваните, т.нар. модели. Например, мишката до известна степен е модел на човешкия организъм. Едно от предимствата на използването на такива модели е тяхното дълголетие – имат по-къс цикъл на живот и по-бързо виждаме резултата. Ще дам пример с процеса, който се използва, за да се одобрят нови лекарства за хората. Като се направи ново лекарство, за каквато и да е болест, има 3 стадия на тестване, през които трябва да премине. Първият стадий е в лаборатория – трябва да се докаже, че е безопасно и има желания ефект. Вторият стадий включва тестване върху животни, като пак трябва да се изберат да са подходящи и моделират добре системата, която това лекарство третира в човешкия организъм. Ако премине успешно, идва ред на третия стадий, който е с хора. Провеждат се клинични изследвания с доброволци. Има много лекарства, които са преминали успешно първите 2 стадия, но не са оказали безопасни или не са имали желания ефект при хората. Относно растенията – знам, че едно от тях, което се използва за модел, е арабидопсисът. Неговият цикъл от цъфтеж до семе е 22 дни и бързо може да се види ефектът.

– Какви са проблемите пред генното инженерство?

– Пред генното инженерство стоят два проблема  – научен и етичен. Сещам се за въпроса, който предизвика бум в края на миналата година – за първото бебе, което бе създадено по естествен начин инвитро, но с променено ДНК. Това не е въпрос само на научно любопитство – дали може да се направи. Проблемът е и етичен – разбираме ли последствията от такава намеса върху бъдещото поколение. Това, което е позволило създаването на този модифициран ембрион, се дължи на една техника за модифициране на гени, която беше открита преди няколко години и е много обещаваща. Лесна е за правене, ако си специалист и имаш лаборатория, ако си запознат с технологията. Този метод е по-лесен от предишните, които отнемаха по-дълго време. Прави се с ензим, който играе ролята на ножичка и отрязва ДНК-то на точно определено място. Ако тази част от гена е болна, може да я заместиш със здрава или такава, която не предизвиква болест. Точността е много голяма, но никога не е 100%. Това е едно от нещата, за които трябва да се мисли. Другото е, че обикновено генът не отговаря само за една болест и в много случаи не работи сам, а в съвкупност с други гени като система, които са в различно взаимодействие един с друг. Те определят реакцията на човешкия организъм на различни фактори, което също трябва да се има предвид. Направената промяна е много важна и трябва да се знае какви ще са последствията от нея. Затова един от основните проблеми, които възникват след това, което е направено с въпросното бебе е, че досега генното модифициране се извършва само при много тежки болести и то само на определен вид клетки – соматични клетки. Те живеят в нас и каквито и модификации да са се случили под въздействието на средата, на начина на живот или на медицинска намеса, умират с нас. Други клетки обаче, като яйцеклетката например, се предават на поколението. Има световен мораториум, относно модифицирането на такива клетки. В случая има много въпроси не са обмислени, включително и дали този индивид ще бъде здрав цял живот. Въпросното бебе е направено с инвитро процедура. Взима се яйцеклетка от майката и материал от бащата и се прави оплождане. Един или два дни след това вече се вижда, че е плодът е нормален. Прави се интервенция за да се премахне генът, който отговаря за развитието на СПИН, който е бил засегнат. От няколко ембриона са избрани два – единият ембрион е имал изцяло изчистен ген, другият е имал проблем само на единия от двата (майчин и бащин) хромозома. Родителите са пожелали и двете деца,въпреки че едното има шанс да се разболее от СПИН. Двата ембриона са присадени и в резултат се раждат двете момиченца.

Трябва да се отбележи, че целта на експеримента, която всъщност предизвика възмущението и полемиката в научните среди, и  е да се покаже приложението на генното инженерство за създаване на бебета с определени качества, а не бебе без опасност за заболяване от СПИН. Това вече е лечима болест, която в случая е само предтекст за експеримента.

Обикновено всеки такъв експеримент се подкрепя с  данните, които са събрани в различните му стадии. Нормално е те да се публикуват и да са достъпни за експерти в тази област, за да се уверят в достоверността и обективността на резултатите. Задължително е поне двама или трима учени ги анализират независимо, за да се уверят, че не е допусната грешка или нещо не е убягнало.  В случая данните не са публикувани за разглеждане и независим анализ.

Разбира се, в много стадии на това изследване са използвани  инструментите за изследване на геноми. Целта да се покаже, че е възможно да се направи такъв експеримент е доказана. Остава въпросът докъде е научната и етичната граница в случая и как това научно постижение ще се отрази на етичните закони на човечеството.

Това е всъщност и дългът на нас като учени да развиваме технологиите и тяхното приложение без да са в ущърб на моралните и етични принципи на нашата цивилизация.

Доц. д-р инж. Милка Бобева