НИЛ Системная биология и биоинформатика

7 Октября 2014
91
 Версия для печати

Сергей В. Нуждин, научный руководитель лаборатории, профессор Университета Южной Калифорнии

Коллективом  созданы и активно используются  научной общественностью пакеты ProStack (http://urchin.spbcas.ru/downloads/ProStack/ProStack.htm) и BREReA (http://urchin.spbcas.ru/downloads/BREReA/BREReA.htm) по обработке изображений и извлечению из них количественной информации (Kozlov et al., 2009), a также эффективный метод подгонки решений модели к данным, основанный на методе случайного поиска ‒ дифференциальная эволюция (Kozlov et al., 2011).

Созданный авторами проекта пространственно-временной атлас экспрессии генов сегментации FlyEx (http://urchin.spbcas.ru/flyex) (Pisarev et al., 2009) содержит количественную информацию об экспрессии генов сегментации в течение 1.5 часов развития эмбриона дрозофилы с интервалом в 6.5 минут развития. Важность и уникальность этой информации отмечены на веб‒сайте ключевых статей “Faculty of 1000” http://www.f1000biology.com/article/id/1102066.

Описание лаборатории: 

Как описать развитие органов, используя модели внутриклеточных молекулярных процессов? Пока мы этого не умеем, что затрудняет выращивание искусственных органов в пробирке в соответствии с параметрами, необходимыми для индивидуального  пациента. Для разработки концептуальных основ таких исследований на кафедре Прикладной  математики института Прикладной математики и механики СПбГПУ в рамках реализации программы 5-100-2020  создана новая лаборатория «Cистемная биология и биоинформатика», которую возглавил  профессор Университета Южной Калифорнии (Лос Анджелес, США) Сергей Нуждин.

Профессор Нуждин, автор более ста выдающихся работ в интердисциплинарных областях системной и молекулярной биологии, а также популяционной и количественной генетики, широко известен как создатель научной школы по вопросам молекулярной биологии. Десятки учеников профессора Нуждина работают в лучших университетах Америки и Европы. Профессор Нуждин изучает  фундаментальные проблемы эволюции с использованием точных методов  вычислительной математики и молекулярной  биологии и  руководит многими проектами, поддержанными Институтом здоровья США и Национальным научным фондом.

К работе лаборатории привлечены еще три профессора Университета Южной Калифорнии  - Скотт Фрэйжер, Мэт Дин и Пол Маржорэм,  а также группа  сотрудников СПбГПУ, возглавляемая профессором Марией Самсоновой.  Американский биолог Скотт Фрейжер  (http://en.wikipedia.org/wiki/Scott_E._Fraser)  получил мировую известность благодаря разработке методов и технологии для визуального наблюдения клеточных процессов. Основные области научных интересов Пола Маржорэма -  биоинформатика и вычислительная биология. Мэтью Дин руководит лабораторией Молекулярной и вычислительной биологии в Университете Южной Калифорнии.  Профессор Мария Самсонова возглавляет одну из сильнейших групп,  работающих в области системной биологии в России,  и  недавно создала магистерскую программу  по биоинформатике и системной биологии на кафедре Прикладной математики СПбГПУ.

Формирование органа у млекопитающих -  это сложный процесс, который требует согласованной работы генных сетей, чтобы скоординировать разметку тканей (паттернинг), рост и морфогенез. Программа исследований и подготовки научних кадров  лаборатории будет нацелена на использование системной биологии  для изучения механизмов фомирования копулятивных органов у модельного организма  ‒ плодовой мушки дрозофилы и тем самым, будет способствовать проведению исследований на переднем крае науки и подготовке высоко востребованных молодих ученых.

Будут созданы динамические математические  модели, описывающие движения  клеток  и поведение генов в генных сетях с помощью сенсоров состояния. Напомним, что десятки сенсоров обычного автомобиля снимают информацию о его функционировании и сигнализируют, когда необходимо вмешательство.  В работе будет использован аналогичный набор датчиков, который будет информировать исследователя о точном количественном состоянии компонент генных регуляторных сетей в развивающемся органе. Пометив несколко компонент генной регуляторной сети различными метками, мы сможем наглядно увидеть многие детали ее работы с помощью методов генной инженерии и получения экспериментальных изображений. Преобразование информации из таких изображений в знание о механизмах работы генной регуляторной сети требует интеграции данных о клеточных взаимодействиях, данных об активности  генов у большого количества мушек  и данных полногеномного анализа для поиска новых генов. Эти задачи очень похожи на  реверс-инжиниринг, когда схема системы должна быть определена по наблюдениям за ее работой и на основании анализа отказов при возмущениях.

Результатом  деятельности лаборатории будет разработка мощного инструментария для современных врачей-исследователей. Работа лаборатории послужит  основой долгосрочного сотрудничества между российскими и американскими университетами, а для начала ежегодно американские преподаватели будут читать 3-4-недельные курсы студентам и аспирантам СПбГПУ.

 

 История успеха и научный задел коллектива:

Изображения  и данные по экспрессии генов сегментации дрозофилы, полученные сотрудниками лаборатории,  на обложках ведущих международных журналов.

Результаты математического моделирования динамики экспрессии генов в генной сети, контролирующей план строения тела дрозофилы, опубликованы в журналах Nature (Jaeger et al. (2004) 430: 368-371) и Nature Genetics (Janssens et al. (2006) 38, 10, 1159-1165) и отмечены как особо важные (N. Monk (2004) Current Biology 14:R705-707).

Анализ системы генов сегментации как динамической системы, (Manu et al. (2009) PLoS Biology, 7, 3, e1000049; Manu et al. (2009) PLoS Comp. Biol. 5, 3, e1000303; Gursky et al.(2011) BMC Syst. Biol., 5:118), позволяет рассматривать уменьшение вариабельности экспрессии генов как результат действия аттракторов в фазовом пространстве концентраций генных продуктов. Важность полученных результатов отмечена в  разделе “Важные статьи” журнала Nature Reviews Genetics (2009), 10:  doi:10.1038/nrg2580

Контакты: 

  • urchin.spbcas.ru
  • snuzhdin@usc.edu
  • samson@spbcas.ru