Лаборатория мультиомиксных исследований

Общая информация о задачах и составе лаборатории

Лаборатория обеспечивает проведение высокотехнологичных и высокопроизводительных анализов для решения задач Института.

Сейчас в составе лаборатории работают несколько групп, каждая из которых поддерживает одну из областей технологий: высокопроизводительное секвенирование, масс-спектрометрия, автоматизированный химический синтез.

Лаборатория выполняет высокотехнологичные анализы сложносоставных биологических образцов различного происхождения методами высокопроизводительного секвенирования на приборах 2-го (MGI, Illumina) и 3-го поколения (Oxford Nanopore Technologies), секвенирования по Сэнгеру, а также методами ВЭЖХ-МС с помощью масс-спектрометров высокого разрешения на основе орбитальной ионной ловушки и высокочувствительных масс-спектрометров типа "тройной квадруполь". Кроме того, в лаборатории осуществляется синтез пептидов жидкофазным и автоматизированным твердофазным методами, в том числе, меченных стабильными изотопами пептидных стандартов для протеомики. Также в лаборатории запущен технологический цикл высокопараллельного синтеза олигонуклеотидов для использования в качестве праймеров и в сборке генов методом ПЦР.

Задачи, решаемые лабораторией, ставятся пользователями в ходе работ по нескольким видам проектов:

Также сотрудники лаборатории ведут собственные научные исследования и разработки. Среди основных направлений:

Группа высокопроизводительного секвенирования

Выполняемые работы

• Выделение нуклеиновых кислот (ДНК, РНК) из биологического материала (в том числе использованием автоматических станций для выделения).

• Постановка реакции ПЦР (в том числе в режиме реального времени).

• Детекция продуктов амплификации методом гель-электрофореза и капиллярного гель-электрофореза.

• Подготовка библиотек для секвенирования с помощью реагентов и по протоколам ведущих производителей реагентов, а также с помощью протоколов, адаптированных для работы с реагентами российского производства и реагентами, производимыми в НИИ СБМ.

• Секвенирование по Сэнгеру с применением генетического анализатора Honor 1616.

• Осуществление высокопроизводительного секвенирования на платформах Oxford Nanopore Technologies ((Великобритания), MGI sequencing platforms (Китай), Illumina (США).

• Разработка новых протоколов для подготовки библиотек к секвенированию и создание методических рекомендаций по секвенированию геномов патогенов человека и животных.

• Полногеномное секвенирование геномов вируса SARS-CoV-2 с целью отслеживания его изменчивости и распространения.

• Проведение курсов по обучению секвенированию.

• Выполнение экспертных исследований.

Оборудование

• Высокопроизводительные секвенаторы (NGS):

  • GridION, Oxford Nanopore Technologies (Великобритания);
  • PromethION, Oxford Nanopore Technologies (Великобритания);
  • DNBSEQ-G400, MGI sequencing platforms (Китай).

• Секвенирование по Сэнгеру:

  • Генетический анализатор Honor 1616 для секвенирования и фрагментного анализа.

• Роботизированная станция для подготовки библиотек для высокопроизводительного секвенирования (NGS) Tecan Freedom EVO, Tecan (Швейцария).

• Роботизированные станции для выделения нуклеиновых кислот KingFisher Apex Benchtop Sample Prep, ThermoFisher Scientific (США).

• Электрофорез:

  • Система автоматизированного электрофореза 4200 TapeStation, Agilent Technologies (США);
  • Гель- и хемидокументирующая система iBright, ThermoFisher Scientific (США);
  • Системы капиллярного электрофореза Qsep для проведения фрагментного анализа ДНК и РНК.

Научные интересы

• Разработка новых методов определения последовательностей геномов патогенов человека, животных и растений.

• Молекулярная эпидемиология и геномика SARS-CoV-2. Проводим секвенирование полных геномов SARS-CoV-2, в связи с чем собираем коллекцию биологических образцов от пациентов с подозрением или с диагнозом COVID-19. В настоящее время в коллекции более 10 тысяч образцов, собранных в период с января 2022 по сентябрь 2023. Коллекция продолжает увеличиваться.

• Исследование ко-инфекций и суперинфекций SARS-CoV-2. Явление, при котором в организме пациента присутствуют одновременно два или более вариантов одного вируса или нескольких разных вирусов-возбудителей, называют двойной инфекцией. Часто двойные инфекции либо протекающие последовательно переносятся более тяжело, выше риск осложнений. Поэтому важно уметь проводить оценку частоты двойных инфекций в популяции в период подъёма заболеваемости.

• Разработка новых методов проведения метагеномного анализа сложносоставных биологических образцов, например: определение состава продуктов питания, определение композиционного состава природных бактериальных сообществ.

• Исследование коэволюции геномов патогенных вирусов и хозяина. Филогенетика и филогеография коронавирусов. Это большая работа, рассчитанная на несколько лет. Мы проводим ее в коллаборации с коллегами из других научных организаций Российской Федерации, (из Москвы, Санкт-Петербурга, Новосибирска), а также с исследователями из других стран. В настоящее время опубликовано несколько статей с промежуточными результатами исследований. Мы открыты для взаимодействия и создания новых коллабораций.

• Изучение новых потенциально патогенных вирусов из рукокрылых, насекомоядных и иных теплокровных животных (совместно с биологическим факультетом МГУ им. М.В. Ломоносова, Санкт-Петербургским НИИ эпидемиологии и микробиологии имени Пастера, Институтом проблем экологии и эволюции им. А.Н. Северцова РАН).

• Собираем банк биологических образцов от млекопитающих. В настоящее время в коллекции более 500 образцов ротоглоточных или анальных мазков от рукокрылых, пойманных на территории Российской Федерации, сопредельных и дружественных государств (Монголии, Ирана), собранных на протяжении восьми лет, с 2015 по 2023 год, в коллаборации с сотрудниками биологического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова. Также с 2022 коллекция пополняется образцами от насекомоятных (ежи, бурозубки, кроты), таже с помощью коллег из МГУ им. М.В. Ломоносова, Институтом проблем экологии и эволюции им. А.Н. Северцова РАН, а также волонтерских объединений.

• Методами высокопроизводительного секвенирования тотальной РНК, а также с помощью таргетного секвенирования исследуем различные вирусы из образцов от вышеперечисленных животных. Основным предметом нашего интереса являются коронавирусы (Сoronaviridae), однако попутно мы занимаемся генетической характеристикой иных вирусов, которых идентифицируем в анализируемых образцах, например Rhabdoviridae (род Lyssavirus), Nodaviridae, Picobirnaviridae, Adenoviridae и другие. Наши исследования направлены на изучение эволюции и экологии вирусов.

Группа масс-спектрометрии

Выполняемые работы

• Прицельный (таргетный) количественный ВЭЖХ-МС анализ пептидов и метаболитов.

• Панорамный качественный и количественный протеомный ВЭЖХ-МС анализ.

• Подготовка проб (в том числе, автоматизированная) для всех выполняемых видов анализа из препаратов плазмы крови и других биологических жидкостей или тканей человека и животных, биомассы бактериальных культур или клеточных линий.

• Обработка данных и интерпретация результатов всех выполняемых видов анализа.

• Разработка и валидация аналитических методик для белков и метаболитов плазмы крови человека.

Оборудование

• Две ВЭЖХ-МС системы для прицельного анализа на основе масс-спектрометров типа тройной квадруполь QTrap 6500+ производства Sciex (США), сопряженных с системами УВЭЖХ семейства ExionLC AD производства Shimadzu (Япония).

• Две ВЭЖХ-МС системы для панорамного анализа на основе масс-спектрометров типа орбитальной ионной ловушки Exploris 480 производства Thermo (США), сопряженных с системами нанопоточной ВЭЖХ семейства Ultimate 3000 производства Thermo (США).

• Многорежимная ВЭЖХ система семейства Ultimate 3000 производства Thermo (США);

• Роботизированная станция для подготовки проб для протеомного анализа Tecan Freedom EVO, Tecan (Швейцария).

Научные интересы

• Разработка аналитических панелей для белков плазмы крови человека.

• Разработка аналитических панелей для метаболитов в плазме крови человека.

• Разработка новых методов обработки данных протеомного анализа.

• Автоматизация подготовки протеомного эксперимента и обработки его результатов.

• Создание автоматизированных инструментов для контроля состояния парка ВЭЖХ-МС оборудования.

• Создание инструментов и алгоритмов для анализа научных публикаций.

О наших технологиях и интересах

Разработка аналитических панелей для белков плазмы крови человека

На данный момент существует более 100 рекомендованных анализов, включающих определение содержания отдельных белков в плазме или сыворотке крови. Большинство из них основано на оценке ферментативной активности целевых белков или иммунологическом анализе, при которых для интерпретации результатов привлекаются дополнительные сведения о пациентах и экспертное мнение лечащего врача. За исключением единичных случаев, не используется соотношение представленностей нескольких белков (ASAT/ALAT, sFlt‐1/PlGF), что необходимо при разработке комплексных диагностических панелей.

Одной из причин, затрудняющих применение количественных данных о представленности белков в плазме крови является ограниченная специфичность колориметрических ферментативных тестов и иммунологических анализов. Для методов протеомного анализа, основанных на масс-спектрометрии, напротив, характерна высокая специфичность при большей чувствительности, что делает анализы на основе ВЭЖХ-МС применимыми при разработке сложных диагностических панелей.

Группа автоматизированного химического синтеза

Выполняемые работы

• Высокопроизводительный синтез олигонуклеотидов.

• Стандартизация растворов олигонуклеотидов для дальнейшего использования в сборке геномов по Гибсону.

• Синтез пептидов и пептидомиметиков произвольной сложности (кислот и амидированных).

• Выделение и приготовление готовых форм пептидных стандартов.

• Оперативная аналитика и контроль качества и чистоты получаемых пептидов.

• Препаративная очистка пептидов методами твердофазной экстракции, обращенно-фазовой ВЭЖХ, ионообменной и эксклюзионной хроматографии.

• Синтез пептидных библиотек эпитопов для разработки пептидных вакцин.

• Синтез панелей меченных стабильными изотопами пептидных стандартов для целей протеомики.

Оборудование Центра

• 4-канальный пептидный синтезатор PurePep® Chorus (США).

• Система препаративной очистки пептидов среднего давления FPLC ÄKTA pure 25 производства Cytiva (США).

• Высокопроизводительный 768-канальный синтезатор ДНК и РНК олигонуклиотидов Dr. Oligo 768XLc - 2 x 384 производства Biolytic (США).

• Лиофильная настольная сушка для получения готовых форм FreeZone 2.5 Liter -84C производства Labconco (США).

Научные интересы

• Синтез пептидомиметиков и разработка перспективных пептидных препаратов.

• Новые подходы к автоматизации и внедрению принципов зеленой химии в области пептидного синтеза.

• Разработка пептидных вакцин.

• Создание новых пептидных векторов доставки радиоактивных изотопов для использования в ядерной медицине.

• Фторорганическая химия и фоторедокс-катализ.

О наших технологиях и интересах

Синтез изотопно-меченых пептидных стандартов для протеомики

Основной фронт работ нашей группы лежит в области твердофазного пептидного синтеза. Хорошее приборное оснащение (пептидный синтезатор PurePep® Chorus, FPLC система AKTA 25 Pure) позволяет нам осуществлять полный цикл получения панелей пептидных стандартов, в том числе меченых стабильными изотопами 13C и 15N для проведения протеомных исследований.

Синтез олигонуклеотидов и сборка генов

Кроме того, наша группа занимается синтезом олигонуклеотидов и принимает участие в процессе сборки геномов по Гибсону. В нашей группе введен в эксплуатацию 768-канальный синтезатор олигонуклеотидов Dr. Oligo 768XLc DNA RNA Synthesizer.

Синтез пептидомиметиков и разработка перспективных пептидных препаратов

Хотя общая доля пептидов на рынке фармпрепаратов не очень велика (около 5%, и половина выручки - продажи инсулина), она стабильно растет на 7.7% каждые 10 лет. На начало 2021 года 80 пептидных препаратов было представлено на рынке, 150 находились в клинике и ~400–600 проходили предклинические испытания. Наверное, не будет большим преувеличением сказать, что будущее фармацевтики связано с пептидами.

Для решения проблем стабильности пептидов in vivo, отражающихся на фармакокинетике и биодоступности пептидных препаратов, необходимо совершенствовать структуру, создавая аналоги природных пептидов (например, посредством использования D-аминокислот) – пептидомиметики.

Новые подходы к автоматизации и внедрению принципов зеленой химии в области пептидного синтеза

Классический твердофазный синтез пептидов характеризуется большими расходами реагентов, в том числе токсичных растворителей, что идет вразрез с принципами зеленой химии и все повышающимися этическими требованиями и рекомендациями регуляторов к экологичности химических процессов.

Перенос методологии SPPS в двухфазные жидкие реакционные системы через применение новых растворимых в органической фазе носителей пептидной цепи позволит уменьшить избытки реагентов и заменить растворители на те, которые меньше угрожают окружающей среде.

Разработка пептидных вакцин

Chemical structures of peptide components of Alzheimer peptide vaccines CAD106 and ACI-35. Работы по пептидным вакцинам включают в себя синтез библиотек вирусных эпитопов. Это перспективная и интенсивно развивающаяся в мире тематика, которая включает в себя разработку вакцин, применяющихся в борьбе против рака, SARS-CoV-2, болезни Альцгеймера.

Создание новых пептидных векторов доставки радиоактивных изотопов для использования в ядерной медицине

Пептидные препараты уже хорошо себя зарекомендовали в качестве специфичных и эффективных векторов доставки для целей ядерной медицины. В частности, ПЭТ/ОФЭКТ сканы стали неотъемлемой частью диагностики онкологических заболеваний и проведения терапии. Развитие направления связано с разработкой новых векторов доставки и разработкой эффективных комплексонов для технеция с использованием пептидомиметиков.

Пептидный катализ

Изучение механизмов катализа органических реакций короткими пептидами – перспективный «bottom-up» подход к созданию «искусственных ферментов» и изучению деталей механизмов функционирования природных ферментов.