Биологические коллекции: стремление к идеалу

Аннотация

Данный материал подготовлен по результатам анализа деятельности биологических коллекций в России и в мире, проведенного в рамках проекта «Научные основы создания Национального банка-депозитария живых систем», выполняемого в МГУ имени М.В. Ломоносова [1].

Полный текст

Что такое «биологическая коллекция»? В настоя щее время под термина ми «биологическая коллекция» и «биобанк» понимают разные вещи. Биологическая коллек ция - это систематизированное хранилище совокупности образ цов биологического материала любого типа. К понятию же «био банк» обычно относят только кол лекции биологического материа ла человека [2]. Таким образом, термин «биологическая коллек ция» шире, чем термин «биобанк», и в данной работе мы будем ис пользовать именно его. Руководствуясь приведенным выше определением, можно вы делить несколько видов биологи ческих коллекций в зависимости от типов хранимого в них биоло гического материала и способов хранения. Говоря о биологических кол лекциях, чаще всего подразуме вают криоколлекции, в которых материал хранится в заморожен ном виде. Такие коллекции орга низуются для долговременного хранения биологических образцов и всегда должны обеспечивать их жизнеспособность и нормальное функционирование после размо раживания. Обычно в криокол лекциях хранят именно клетки, но не целые организмы (исключе ние составляют, конечно же, одно клеточные организмы). Такой спо соб хранения пригоден для клеток организмов всех царств живого на Земле. Протоколы криохране ния наименее отработаны для кле ток высших растений, которые в силу своих цитологических особенностей относительно сла бо сохраняют жизнеспособность в процессе замораживания/раз мораживания [3]. Тем не менее и такие клетки успешно хранят ся в криоколлекциях. Отметим также, что в замороженном виде хранятся и выделенные из живых организмов нуклеиновые кислоты, поэтому соответствующие кол лекции также должны относиться к криоколлекциям. Еще один тип биологических коллекций - это «классические» коллекции. В первую очередь, к таким коллекциям относятся собрания зоологических музеев и гербариев. Именно классические коллекции были первыми коллек циями биологического материа ла на Земле; история некоторых из них насчитывает более двух ве ков. В последнее время становит ся очевидным, что такие собрания биологического материала, помимо использования для изучения био разнообразия, являются ценней шим источником ДНК, которую вполне возможно выделить из хра нящихся образцов и проанализи ровать молекулярно-генетиче скими методами [4]. В результате становится реальным проведение масштабных молекулярно-фи логенетических исследований на очень больших выборках, что, конечно же, приводит к получению более значимых результатов. Говоря о биологических кол лекциях, часто забывают отнести к ним коллекции биологической информации, обладающие огром ной важностью для развития на уки и технологии. К данной ка тегории, в основном, относятся компьютерные базы данных, со держащие информацию о пер вичной, вторичной и третич ной структуре биологических молекул. Для примера можно упомянуть такие базы данных, как GenBank (нуклеотидные по следовательности геномов различ ных организмов, http://www.ncbi.nlm.nih.gov/genbank/) и Protein Data Bank (третичные структу ры белков, http://www.rcsb.org/ pdb/home/home.do). Основная отличительная черта коллекций биологической информации - их «глобальность», которая обеспечи вается за счет свободного доступа к ним из любой точки мира по сети Интернет. Зачем нужны биологические коллекции? Помимо типа хранимых образцов, в качестве крите рия классификации биоколлекций может рассматриваться их функ циональное назначение. Большинство коллекций, суще ствующих в мире на сегодняшний день, - это исследовательские коллекции. Под этим термином понимают наборы биологических образцов, хранящиеся в исследо вательских лабораториях и не обходимые для их повседневной деятельности. Типы образцов в таких коллекциях могут быть самыми разными - от отдельных биологических молекул до целых организмов. Исследовательские коллекции обычно бывают неболь шими, но именно они сегодня вно сят самый весомый вклад в раз витие фундаментальных наук о жизни, позволяя ученым прово дить сравнительные исследова ния. Нужно отметить, что подоб ные коллекции могут быть и очень объемными. К примеру, собрания музеев естественной истории и гербариев зачастую насчиты вают по нескольку миллионов об разцов и активно используются в научной работе. Упоминавшиеся ранее глобальные коллекции био логической информации в первую очередь также являются исследо вательскими. В последнее время массовое распространение получили ком мерческие коллекции, т.е. кол лекции биологического материала, фонды которых предназначены для продажи. На самом деле по добные коллекции начали появ ляться еще несколько десятиле тий назад, но тогда хранившиеся в них образцы предназначались исключительно для исследова тельских целей. В качестве при мера можно привести несколько коллекций штаммов пекарских дрожжей [5]. В более поздних коммерческих коллекциях чаще всего хранится донорский био логический материал человека (половые клетки, клетки крови и др.), а принадлежат такие кол лекции частным учреждениям. Потребителями образцов из ком мерческих коллекций являют ся как частные лица (например, при экстракорпоральном оплодот ворении), так и фармацевтические компании, использующие клеточ ный материал человека для пред варительных клинических испы таний лекарственных средств. Наконец, обязательно нуж но упомянуть о «государствен ных» коллекциях, т.е. о таких коллекциях, которые собираются и поддерживаются в интересах государства. В первую очередь, к данной категории относятся кол лекции, основное предназначение которых - сохранение биологи ческого разнообразия. В качестве примеров таких коллекций можно привести зоопарки и ботаниче ские сады (хотя, безусловно, они используются и в исследователь ских, и в общекультурных целях), а также природные заповедники и заказники. Коллекции для со хранения биоразнообразия не обя зательно должны поддерживаться государством, они могут быть ре зультатом инициативы професси онального сообщества, как, напри мер, международный консорциум Frozen Ark («Замороженный ковчег»), организованный на базе нескольких десятков исследова тельских лабораторий, в которых хранится замороженный клеточ ный материал редких и вымираю щих видов [6]. Помимо сохранения биоразнообразия, государствен ные коллекции могут организовы ваться для оптимизации полезно го использования биологических ресурсов. Например, в коллек ции Natural Product Repository («Хранилище естественных про дуктов») при Национальном ин ституте здоровья США [7] хра нятся более 100000 экстрактов различных животных и расте ний, использующихся для поис ка новых биологически активных веществ. В России примером та кой коллекции может служить Всероссийская коллекция про мышленных микроорганиз мов - единственная на сегодняш ний день организация, которой государством присвоен статус на ционального биоресурсного цен тра [8]. В этой коллекции собраны микроорганизмы, имеющие боль шое значение для биотехнологии. Также стоит упомянуть о таких коллекциях общероссийского значения, как Всероссийская кол лекц и я микроо р г анизмо в и Российская коллекция клеточ ных культур. Не стоит забывать, что сохране ние биоразнообразия - это, в том числе, и вопрос национальной безопасности. Прежде всего, это относится к сохранению клеток продуцентов для промышленной и медицинской биотехнологии, биообъектов для животноводства и растениеводства. В кризисной ситуации при отсутствии соб ственных коллекционных фон дов российская промышленность и сельское хозяйство могут быть отброшены на десятилетия назад. Российские и зарубежные биоколлекции. Сведения о круп нейших российских коллекциях биологического материала пред ставлены в таблице. Как уже отмечалось, главные цели биоколлекционной деятель ности - сохранение биоразнообразия, его исследование и по лезное использование. В случае российских биологических кол лекций лучше всего дело обстоит с их исследовательской функцией. Как видно из таблицы, подавля ющее большинство крупных рос сийских коллекций осуществляют научную деятельность, ежегодно публикуя сотни работ, посвящен ных всестороннему исследованию хранящихся в них образцов. Что касается сохранения био логического разнообразия, здесь ситуация уже несколько сложнее. В современных технологических условиях решать проблему со хранения биоразнообразия требу ется на двух уровнях - организ менном и клеточном. На первом уровне работы проводятся в зоо парках, ботанических садах, при родных заповедниках, и здесь позиции России в мире доволь но сильны. По состоянию на 2014 год на территории нашей страны насчитывалось 104 заповедника [9], что значительно больше, чем в каком-либо другом государстве. С другой стороны, нельзя не при знать, что в современных реали ях традиционные меры по охране редких и исчезающих видов жи вых существ обязательно долж ны дополняться высокотехно логическими мерами, а именно, хранением клеточного материала таких существ в криоколлекци ях. И в этом аспекте биоколлек ционной деятельности отстава ние России от других развитых стран, пожалуй, максимально. Если за рубежом уже достаточ но долгое время функционируют международные консорциумы, сохраняющие клеточный матери ал редких видов (например, уже упоминавшийся выше Frozen Ark и др.), то в России аналогичные ра боты находятся на самых ранних этапах выполнения. Не лучшим образом обстоит в нашей стране дело и с полезным использованием биологических ресурсов. Применение живых систем на практике, в основном, осуществляется в биотехнологии и в медицине. Говоря о биотехно логии, нужно отметить, что в этой области работа российских био коллекций довольно активна. Это касается преимуществен но коллекций микроорганизмов (ВКПМ, ВКМ, несколько малых коллекций микроводорослей), ко торые вот уже много лет успешно внедряют в практику результа ты своей деятельности, создавая и оптимизируя штаммы - продуценты различных веществ. С дру гой стороны, участие российских биоколлекций в медицинской де ятельности в настоящее время минимально. В Европе и США еще 5 лет назад насчитывалось не сколько десятков как глобальных, так и специализированных круп ных коллекций клеточного мате риала человека [10], и с тех пор их число только выросло. Образцы из таких коллекций активно ис пользуются в биомедицинских исследованиях и разработках, и сегодня, когда развитие кле точных медицинских технологий происходит взрывообразно, такие коллекции приобретают особую важность. Наконец, нельзя не от метить, что в нашей стране отсут ствуют крупные коллекции, свя занные с сельскохозяйственным животноводством. Это, конечно же, в значительной степени тор мозит развитие сельского хозяй ства как одной из ключевых от раслей российской экономики. Проанализировав текущую деятельность биологических коллекций, мы с полной уверен ностью утверждаем, что такие коллекции обладают огромным научно-технологическим потенци алом, который в настоящее время реализуется не полностью в силу нескольких причин. Итак, каковы современные вызовы, стоящие перед российскими специалиста ми, организующими и поддер живающими биологические коллекции? В первую очередь еще раз отметим слабое развитие криоколлекций государственного значения, направленных на со хранение и полезное использова ние биологического разнообразия нашей страны (см. выше).