Глобальный рынок биоинформатики растет на десятки процентов в год, что не могло остаться без внимания вендоров. Различные корпорации поддерживают научные проекты, чтобы набраться экспертизы, выпустить продукты в этой области и занять долю перспективного рынка.
Фото: Варвара Аляй
Несколько лет назад ученые открыли новый орган в человеческом теле, который назвали микробиотой. Это совокупность всех бактерий, которые живут в организме, в основной своей массе в желудочно-кишечном тракте, а также в полости рта, на слизистых оболочках тела, на коже. Иностранные исследователи первыми приняли решение считать 1,5-2 кг живых микроорганизмов в совокупности отдельным органом, потому что это целостная система, влияющая не только на метаболизм, иммунитет, но и на нервную активность человека. И она способна менять даже настроение. Некоторые ученые выдвигают гипотезы о том, что наш темперамент и даже религиозные предпочтения могут оказаться следствием того, какой набор микроорганизмов живет в нашем теле.
До начала эпохи генетических исследований считалось, что в нашем кишечнике живут примерно три десятка видов бактерий. Когда удалось изучить этот вопрос подробнее — секвенировать геном этих микроорганизмов благодаря -появлению новых технологий, оказалось, что в одном человеке сосуществует от 300 до 1 тыс. их видов. Каждый из них выполняет одну или несколько функций. Например, какие-то отвечают за расщепление жиров, другие питаются сахарами. Причем число клеток микробиоты на два порядка больше, чем во всем человеческом теле, они просто меньшего размера. Так же, как и генов в метагеноме (совокупность генетического материала микроорганизмов, полученная прямо из среды) на два порядка больше, чем у человека. На сегодняшний день в рамках международного проекта MetaHit (бюджет — 17 млн евро) во всем мире уже выявлены около 10 млн различных генов бактерий микробиоты.
По словам Дмитрия Алексеева, заведующего лабораторией биоинформатики НИИ физико-химической медицины, кандидата биологических наук, по самой оптимистической оценке, ученые сегодня лишь на 0,1% продвинулись в понимании того, как все эти виды взаимодействуют с другими микроорганизмами, как влияют на людей, их жизнь и здоровье. Но даже та информация, которая уже получена, представляет огромную ценность. Так, к примеру, наличие определенного вида бактерий в кишечнике говорит о повышенном риске заработать атеросклероз. Этот конкретный тип микроорганизмов превращает L-карнитин, поступающий из мяса, посредством нескольких химических реакций в проатерогенные вещества. Поэтому человеку, в котором живут такие бактерии, лучше снизить количество мяса в рационе либо изменить состав своей микробиоты. Второе пока сделать довольно сложно. Один из способов заселения полезных бактерий в тело — залить их в очищенном виде через трубочки в носу, идущие прямо в кишечник. Процедура, должно быть, не из приятных. Кроме того, весь процесс этот довольно сложный — необходимо вырастить микроорганизмы, которые, как правило, не живут на воздухе, создать лекарственный препарат, где они будут находиться в живом виде.
Лаборатория биоинформатики НИИ физико-химической медицины занимается изучением микробиоты, функций различных видов бактерий, их влияния на здоровье людей. В результате этой научной работы исследователи надеются создать новые точные средства диагностики заболеваний и препараты для их излечения. В таких лабораториях обязательно присутствует специализированное оборудование — секвенаторы, масс-спектрометры, ламинарный стенд и прочее. Но этого недостаточно. Сегодня ни одна лаборатория, которая занимается изучением генов, не может обойтись без компьютерной техники. Секвенатор выдает цифровые данные в сыром виде, их необходимо сложить в цепочки ДНК, а затем проанализировать. Метагеном микробиоты одного человека в цифровом виде занимает 2 Гб памяти, а эти же данные в уже обработанном виде — 10 Гб. Чтобы выявить закономерности, необходимо искать корреляции в данных как минимум нескольких десятков человек. То есть информационная система должна оперировать сотнями и тысячами гигабайт. Проверка одной гипотезы в итоге занимает примерно два года. Один год уходит на сбор материала и лабораторные исследования. Еще один год — на обработку и анализ полученных данных, которые производятся в компьютерных системах. При этом лаборатории редко обладают бюджетом, в котором можно выделить кусок на зарплату хорошего айтишника. Кроме того, даже суперспециалист по компьютерным системам не годится для решения задач, которыми занимается лаборатория: необходимо понимать, что за данные нужно обрабатывать. "Чтобы войти в суть вопроса, нужно потратить десять лет на получение образования, а также поработать руками в области медицины или биологии, чтобы почувствовать, с чем мы работаем",— говорит Дмитрий Алексеев. Люди, обладающие знаниями из области генетики и одновременно умеющие обращаться с компьютерной техникой, в природе встречаются крайне редко. К тому же при обработке больших данных (Big Data) возникают специфические проблемы, которые могут решить лишь специалисты. Поэтому ученые нередко заключают партнерские соглашения с поставщиками оборудования. К примеру, лаборатория Алексеева работает с компанией EMC.
Помимо мощной компьютерной системы и надежного хранилища данных ученым необходимо также особенное программное обеспечение, умеющее работать именно с генетической информацией. Для этих целей был даже разработан специальный язык программирования — ДНК-ассемблер. Именно в эту сторону смотрят вендоры в надежде получить долю перспективного рынка. Чтобы разработать в этой сфере качественный программный продукт, нужна специализированная экспертиза: ее в ЕМС надеются получить от партнеров, в частности от лаборатории, где работает Алексеев. Камиль Исаев, вице-президент, генеральный директор центра исследований и разработок ЕМС, объясняет: "Секвенаторы и другое специальное лабораторное оборудование выдают сырые данные, которые необходимо "прогнать" через прикладные программы, чтобы затем сделать какие-то выводы. Эти программы взаимодействуют между собой по определенным API. Для того чтобы эти приложения эффективно работали, необходим так называемый платформенный слой". В роли такой программной платформы может выступать свободное ПО, например продукт Galaxy, под который программисты из различных университетов по всему миру разработали уже более 2 тыс. прикладных инструментов для решения разного рода научных задач из области биомедицины. В ЕМС надеются, что подобного рода проприетарная программная платформа также будет востребована, а партнеры-ученые помогут компании ее правильно разработать. Покупателями такого продукта могут стать не только научные команды, но и более состоятельные клиенты — фармакологические компании, крупные госпитали и медицинские центры и т. д.
Мышиный след. Обычные грызуны не толстеют при переходе на жирную пищу, в отличие от получивших антибиотики
Фото: Юрий Мартьянов, Коммерсантъ
Деньги по рецепту
В мае этого года компания Allied Market Research опубликовала исследование, по которому в 2013 году глобальный рынок биоинформатики составил $3,4 млрд. К 2020 году, по прогнозу аналитиков, эта цифра вырастет до $12,8 млрд. То есть в среднем рынок будет увеличиваться на 21,2% каждый год начиная с текущего. В этом исследовании термин "биоинформатика" используется как совокупность инструментов и методов, помогающих организациям анализировать и извлекать полезные сведения из биологической информации. В том числе сюда относится и разработка биоинформационных приложений, которые применимы в широком спектре задач: молекулярная медицина, создание лекарств, превентивная и персонализированная медицина, генетическая терапия и т. д.
Дмитрий Алексеев говорит, что оборудование и ПО в сфере биоинформатики устаревает за два-три года. Спустя это время его необходимо менять, иначе можно оказаться вне контекста, в котором работают передовые исследовательские лаборатории по всему миру. Это важно для поддержания международного сотрудничества. Конкуренции в глобальном сообществе ученых, работающих в этой области, нет — микробиота таит в себе тысячи открытий, которых хватит на всех. По словам Дмитрия Алексеева, каждый третий номер известного авторитетного научного журнала Nature содержит публикации, описывающие новые находки из этой сферы. Обмен информацией ученым необходим — открытие, сделанное где-нибудь в Сингапуре, может дать толчок для прорыва, который сделает лаборатория в России, и наоборот. Поэтому существует глобальная открытая база данных, откуда любой может взять информацию и проанализировать ее,— HMP Database. Туда выкладывают результаты своих исследований сотни научных групп со всего мира. Чтобы сделать открытие, необязательно проводить собственные лабораторные исследования — можно воспользоваться этой базой данных, найти корреляции, не замеченные другими. Проекты по изучению генома микробиоты получают финансирование во всем мире. В США выделили $80 млн на исследования в рамках инициативы "Микробиома человека", которая позволила составить референсный каталог более 600 секвенированных геномов, а также найти функциональные маркеры отдельных заболеваний.
В России также стартовал похожий проект, объединивший множество участников,— Metagenom.ru. В списке партнеров 17 научно-образовательных учреждений, в том числе ФГБУН НИИ физико-химической медицины, Институт общей генетики им. Н. И. Вавилова, центр "Биоинженерия" РАН, Военно-медицинская академия им. С. М. Кирова и др. Индустриальные партнеры — компания "Литех", Atlas и "ГенДжин". Технологические партнеры — ЕМС и Life Tech. Предполагается, что взаимодействие участников проекта "Метагеном.ру" будет строиться таким образом: в научных лабораториях будут проводиться пилотные проекты на 10-50 пациентах, которые затем могут масштабироваться в клиниках и охватывать до 500 пациентов. Индустриальные партнеры помогут отработать технологию на пяти тысячах добровольцев и запустить разработанные и протестированные продукты в массовое производство. "Метагеном.ру" — это также технологическая платформа, инфраструктура которой состоит из хранилища данных, центра обработки данных и экспертной системы.
Проект стартовал недавно, и пока может продемонстрировать лишь результаты изучения метагенома 150 здоровых жителей различных населенных пунктов. В результате этого исследования было выявлено, что городские жители потребляют промышленно произведенную еду, содержащую консерванты, мясо и мясные продукты, напичканные антибиотиками, из-за чего множество видов микроорганизмов в ЖКТ погибает навсегда. Остается лишь "стандартный набор" резистентных к антибиотикам бактерий, примерно одинаковый у городских жителей по всему миру. Через два года полученные результаты этого исследования должны превратиться в технологии, с помощью которых можно будет лечить людей.
По подсчетам Allied Market Research, именно сегмент биоинформационных платформ составил наибольшую долю выручки рынка биоинформатики в прошлом году. Эти инструменты используются в различных генетических исследованиях, многие из них были инициированы в 2013 году. Но в 2020 году, по мнению аналитиков, наиболее крупным в этой области станет сегмент инструментов по управлению знаниями (Knowledge Management System). Эти продукты помогают передавать данные от одной системы к другой, например, обмениваться пакетами между системой хранения и серверами. Специализированные решения на -уровне инфраструктуры, позволяющие эффективно управлять потоками данных, нужны для того, чтобы повысить быстродействие работы всей системы в целом, в том числе и пользовательских приложений. ЕМС также ведет разработки в этой области, но пока не может назвать конкретных проектов. Биотехнологии — рынок, который интересует всех без исключения. В этой области ведут проекты такие компании, как Google, Microsoft, IBM и многие другие.