В Сколковском институте науки и технологий в декабре прошел внеочередной выпускной: завершился начатый в сентябре учебный курс «Высокопроизводительные методы анализа генома» для исследователей, работающих в области биологии растений. Более 60-ти слушателей курса дошли до конца, выполнили необходимые задания и получили удостоверения о повышении квалификации. Этот курс стал частью образовательного трека по высокопроизводительному секвенированию (NGS), реализуемого по инициативе и силами группы геномики растений — неформального объединения биологов из Сколтеха и Института проблем передачи информации им. А. А. Харкевича РАН. Проект, в рамках которого реализуется образовательная программа, поддержан Министерством науки и высшего образования Российской Федерации в рамках федеральной научно-технической программы развития генетических технологий. Спонсорами и партнёрами проекта выступают профильные коммерческие компании и академические институты.
Слушатели и преподаватели учебного курса «Высокопроизводительные методы анализа генома»
Высокопроизводительное секвенирование или секвенирование нового поколения (Next Generation Sequencing) — группа технологий, которые позволяют быстро определять последовательности миллионов фрагментов ДНК или РНК — молекул, определяющих программы развития и функционирования организмов. Стремительное развитие этих технологий в последние годы принципиально ускорило проведение геномных исследований и снизило их стоимость. Для многих областей генетики и ее практических приложений метод стал одним из базовых. В том числе, его использование необходимо для развития технологий генетического редактирования, которые, как ожидается, позволят сделать качественный скачок в селекции растений и животных и терапии ряда заболеваний. Одним из главных препятствий на пути внедрения в практику методов высокопроизводительного секвенирования является критический недостаток специалистов по обработке таких данных - в учебных программах высшего биологического образования соответствующие курсы появились в небольшом количестве мест, сравнительно недавно и, они как правило, не очень длительны. В результате часто складывается ситуация, что даже имея доступ к необходимому высокотехнологичному оборудованию, биологические лаборатории не всегда могут в полной мере использовать методы геномики.
Образовательная программа по высокопроизводительным методам анализа генома, разработанная группой геномики растений ИППИ РАН и Сколтеха, призвана компенсировать недостаток навыков анализа генетических данных у биологов, изучающих растения, а кроме того, содействовать сближению генетики и селекции и внедрению в селекционный процесс ряда современных методов.
За 15 учебных дней и 120 академических часов осеннего курса слушатели познакомились с устройством, возможностями и ограничениями платформ высокопроизводительного секвенирования; со сборкой геномов и транскриптомов; с картированием и поиском генетических вариантов; анализом экспрессии с помощью секвенирования РНК; метагеномикой и метабаркодингом; анализом родственных взаимосвязей на основании последовательностей ДНК и другими методами. Занятия проходили по субботам, чтобы слушателям проще было совмещать учебу с работой. Среди участников были не только студенты магистратуры и аспиранты, но и руководители лабораторий и научных групп, кандидаты и доктора наук. Часть слушателей приезжала из городов Московской области, таких как Пущино и Обнинск.
Финальное занятие на учебном курсе «Высокопроизводительные методы анализа генома»
Руководительница лаборатории функциональной геномики Института физиологии растений им. К. А. Тимирязева РАН, доктор биологических наук Ирина Голденкова-Павлова назвала три главных преимущества курса:
«Во-первых, нам представили практически полный охват задач по биологии растений, которые решаются современными методами. Это очень важно для понимания, что уже сделано, какие методы разработаны, а где еще пустые места и т.д.
Во-вторых, мы получали знания от людей, которые непосредственно этим занимаются, знают подводные камни и которые могли нам сказать: «Ребят, смотрите, вот здесь можно споткнуться, мы сами здесь спотыкались, идите лучше вот этой дорогой».
И в-третьих, это, конечно, практика. Ты на опыте понимаешь, как это делать. Что-то получается, что-то нет, но тебя направляют. Тебе дают заряд того, что ты реально можешь это сделать».
Ирина Васильевна отметила, что после прохождения курса она сможет лучше понимать биоинформатиков, работающих в её лаборатории, разговаривать с ними на одном языке.
С Ириной Васильевной соглашается ее коллега по курсу Виктор Мартынов из ВНИИ сельскохозяйственной биотехнологии:
«Если разбираться в геномных технологиях хотя бы теоретически, то можно уже и задачи на аутсорс формулировать грамотнее, четче понимать чего хочешь и какими это можно достичь принципиальными подходами. В этом смысле для меня этот курс был очень полезен, я действительно повысил свою квалификацию».
Это уже второй в этом году семестровый курс в формате дополнительного профессионального образования, организованный группой геномики растений. Впервые эта программа была обкатана с января по апрель 2023 года в Ботаническом институте РАН им. В. Л. Комарова в Санкт-Петербурге.
Спрос есть как на длительные курсы, так и на тематические интенсивы. Со 2 по 5 декабря на базе Института общей генетики им. Н. И. Вавилова РАН проходила школа-конференция для молодых ученых «Функциональная геномика и редактирование геномов растений». Как и длинные курсы, программа интенсива включала лекционную часть и практическую. Но в отличие от семестровых курсов, декабрьский интенсив был сфокусирован исключительно на анализе экспрессии. Слушатели школы-конференции прошли под чутким руководством преподавателей весь путь от получения сырых данных путем секвенирования до составления списков дифференциально экспрессирующихся генов и их функционального описания. Несмотря на очень ограниченное время занятий, организаторы постарались соблюсти баланс между теоретическим материалом и практикой. Одна из лекций была посвящена технологии редактирования геномов, и на практическом занятии участники школы-конференции упражнялись на данных по растениям, которые были отредактированы с помощью этой технологии.
Анна Клепикова, бессменный преподаватель всех курсов, реализуемых в этом треке, объясняет, как возможно за два дня научить людей кодить, если они делают это впервые:
«На этом интенсиве мне впервые выпало проводить вводное занятие по взаимодействию с кластером (хранилищем данных) и написанию кода в Bash и Linux. Я генетик и намного меньше понимаю в программировании, нежели мои коллеги-биоинформатики. Но в данном случае это оказалось преимуществом: обучение получилось предельно конденсированным, направленным на небольшой набор ровно тех команд, которые могли понадобиться для решения конкретной задачи. В таком формате очень важно сразу на практике показывать и объяснять, почему мы пишем именно так ту или иную команду, как ее понимает компьютер, и что мы в результате получим».
Участницы школы-конференция для молодых ученых «Функциональная геномика и редактирование геномов растений» Полина Гимаева из БФУ им. Канта и Анастасия Крапивина из Института физиологии растений имени К. А. Тимирязева РАН
На интенсиве собралась в основном молодая аудитория из студентов и аспирантов. Например, младший научный сотрудник ВНИИ защиты растений Елизавета Лукина изучает вторичные метаболиты грибов. В будущем она бы хотела заниматься геномикой грибов, почему и подала заявку на школу-конференцию по функциональной геномике: «Людей, которые занимаются изучением кластеров биосинтетических генов вторичных метаболитов грибов, в России просто нет. Конечно это очень самонадеянно с моей стороны, но я бы очень хотела, если у меня получится, стать первопроходцем».
По мнению Елизаветы, подобные мероприятие — это замечательная возможность встретиться и поговорить с признанными специалистами, «потому что в реальной жизни все мы очень стеснительные и боимся подходить к таким важным людям».
История образовательного проекта началась именно с краткосрочного интенсива. Летом 2022 года в лабораториях ИППИ РАН и в аудиториях Сколтеха проходила школа «PlantNGS» для молодых ученых из региональных вузов и научных центров.
Требования к участникам курсов допобразования минимальные: нужно иметь диплом не ниже бакалаврского (специальность значения не имеет) и знать основы молекулярной биологии и генетики. К сожалению, никогда не получается взять всех желающих, так как количество заявок стабильно превышает количество мест. На осенний курс конкурс составил три человека на место. При отборе предпочтение отдавалось претендентам, работающим в области биологии растений. Ограничивать количество участников важно, чтобы ни один слушатель не остался без внимания и консультации при выполнении заданий.
Лаборантка Сколтеха Ольга Воронцова погрузилась в науку после двух декретов подряд. Она признается, что для нее «новое было всё от и до».
«Мне очень понравилось, как организационно все было устроено, наличие помощников, которые всегда готовы были решать наши проблемы. Потому что у всех разные операционки, у всех свои особенности на машинах. Напоминания по плану графику тоже очень были кстати» — делится Ольга.
По сути, любой человек с высшим образованием и достаточным интересом к теме может пройти курс. На осеннем потоке впервые учился человек, никак не связанный ни с биологией, ни с программированием. Это заместитель директора ИППИ РАН Кирилл Иванов, чья деятельность не связана с биологией напрямую:
«Руководители курса обратились ко мне с предложением прослушать курс и попытаться дойти до конца, при том, что у меня нет базового биологического образования, а командную строку я открывал последний раз лет десять назад. Зачем это надо? Чтобы понять, как курс воспринимается теми, кто не работает непосредственно с секвенированием, но кому необходимо иметь представления о процессах в лаборатории, или в соседнем институте, или у партнёров по проекту. Становится намного понятнее, каким образом организован процесс исследования, сколько времени требуется на отдельные задачи, сколько необходимо вычислительных мощностей, материальных ресурсов, какие могут возникнуть сложности. Задача на будущее — адаптировать курс таким образом, чтобы его слушателями могли стать «физики и лирики» из смежных областей науки. Уже сейчас могу сказать, что значительная часть курса, при самостоятельной поддержке некоторым объёмом учебно-справочной литературы по молекулярной биологии и генетике, доступна и понятна».
Помимо школ-интенсивов и допобразования были прочитаны семестровые курсы по высокопроизводительным методам анализа генома для студентов биологического факультета и факультета биоинженерии и биоинформатики МГУ, специально адаптированные под задачи конкретных кафедр. Так, например, для кафедр иммунологии и клеточной биологии и гистологии особое внимание было уделено анализу экспрессии генов в единичных клетках, благодаря которому сейчас делается большая часть открытий в этих областях. Следует отметить, что проведение нескольких курсов в разных вариантах реализации позволяет готовить и тренировать новых преподавателей. Так, например, на занятиях в осеннем семестре на биологическом факультете всю практическую часть обработки данных уже проводили две аспирантки — Александра Касьянова и Софья Юдина. На предыдущих курсах они были ассистентами. Это позволяет наращивать число преподавателей, что в дальнейшем даст возможность интенсифицировать обучение.
Таким образом, предлагаемая программа доказала свою универсальность: она хорошо идет как в формате дополнительного образования, так и вписывается в программу профильных вузов; легко адаптируется под обучение разной продолжительности. За всё время существования программы, два года, более 200 человек были обучены методам высокопроизводительного секвенирования и анализа данных. Программа может быть интересна и полезна людям с разным уровнем знаний и компетенций, несмотря на то, что слушатели нередко отмечают сложность восприятия материала в силу быстрого темпа курса и обширности изучаемых тем, да и просто потому, что для них зачастую это совершенно новая и неизведанная область знаний.
Авторы курса планируют продолжить его проведение в будущем.
«Есть старая притча о том, как несколько мудрецов описывают слона в темноте: один как змею, второй как дерево, третий как веревку и т.д. К сожалению, при изучении растений биологи в чем-то похожи на этих мудрецов: кто-то хорошо представляет себе их структуру и эволюцию, кто-то устройство генома, кто-то механизмы функционирования. Для того, чтобы мудрецы увидели слона во всей его полноте, в притче понадобился свет. Таким светом в науке о растениях могут послужить высокопроизводительные методы анализа генома. Во многом благодаря им сейчас происходит интеграция знаний из разных областей наук о растениях. Такое цельное представление необходимо, в том числе, для планирования и проведения направленных изменений, например, при получении новых сортов. Однако одним из необходимых условий для этого является общность языка, на котором общаются исследователи из разных областей.
В стране нужен некий минимум активно работающих научных сотрудников, которые хорошо представляют себе возможности современной геномики, для того чтобы эта область стала самоподдерживающейся и способной к развитию. Для такой большой страны как Россия, это не менее 2–3 тысяч человек. При этом надо отметить, что они не должны быть сосредоточены только в наиболее крупных городах, таких как Москва и Санкт-Петербург. Поэтому, когда мы устраивали первый интенсив, мы намеренно исключили потенциальных слушателей из этих городов, а собрали слушателей из таких городов как Архангельск, Барнаул, Владивосток, Петрозаводск, Ростов-на-Дону, Сочи, Сургут, Тюмень и других — поскольку для них формат интенсива единственно возможный (хотя он и менее эффективный, чем регулярные занятия на протяжении семестра). А потом для Санкт-Петербурга и Москвы сделали отдельные длительные курсы.
Мы всегда делаем курсы в очном формате, поскольку удаленный формат менее эффективен. Это стало возможным прежде всего благодаря поддержке Минобрнауки России (проект 075-15-2021-1064). Формирование критической массы людей, которые могут проводить геномные исследования в стране имеет важное социально-экономическое значение для развития многих областей наук о жизни и мы надеемся, что поддержка нашей образовательной программы в рамках программы развития генетических технологий продолжится и в следующие годы», — говорит один из разработчиков программы Алексей Пенин.
«К нам из разных городов поступают запросы о возможности проведения курсов, и в принципе мы открыты для того, чтобы рассмотреть те или иные площадки для проведения образовательной программы в очном формате. Судя по поступающим запросам, это имеет смысл почти для всех городов-миллионников от Казани до Владивостока. Кроме этого, мы обсуждаем возможности финансирования коммерческими компаниями — поставщиками реагентов и оборудования для геномики. Они заинтересованы в увеличении числа квалифицированных пользователей поставляемой ими продукции, в том, чтобы закупленное оборудование не простаивало, а приносило результат», — добавляет руководитель программы Мария Логачева.
| 27.12.2023 | |