Омиксные технологии представляют собой комплекс современных методов, позволяющих всесторонне исследовать различные классы биологических молекул и их сложные взаимодействия, используя информацию о геноме организма. Эти инновационные подходы открывают принципиально новые возможности в медицине, биотехнологиях и фундаментальной биологической науке, значительно углубляя наше понимание механизмов возникновения и развития заболеваний, а также способствуя разработке эффективных стратегий их профилактики и лечения.
Как рассказал Евгений Николаев, член-корреспондент РАН и директор Проектного центра омиксных технологий и передовой масс-спектрометрии Сколтеха, эти технологии возникли из геномики и получили широкое распространение, охватив исследование различных типов биологических молекул.
Что такое «Омикс»?
Термин «омикс» изначально связан с геномикой — наукой, изучающей полный генетический материал организма (геном). Со временем его стали применять для описания методов исследования других классов биологических молекул на основе данных, полученных в геномике. Среди них:
- **Транскриптомика** — изучение РНК.
- **Протеомика** — анализ белков.
- **Метаболомика** — исследование метаболитов, продуктов клеточной активности.
- **Липидомика** — изучение липидов.
- **Экспозом** — изучение продуктов взаимодействия организма с внешней средой.
Применение в здравоохранении
Наиболее значимые практические результаты омиксные технологии приносят в сфере здравоохранения, особенно в диагностике заболеваний через выявление специфических биомаркеров. Например, анализ метаболитов, присутствующих в биологических жидкостях (кровь, моча, слюна), позволяет оценивать состояние здоровья пациента. С помощью алгоритмов машинного обучения и анализа больших данных исследователи находят закономерности между составом метаболитов и различными заболеваниями.
Важно отметить, что метаболомика отличается высокой динамичностью и чувствительностью к внешним факторам, таким как диета, сон или стресс. Это делает её менее стабильной основой для диагностики хронических состояний. В то же время, протеомика, изучающая совокупность всех белков, отражает более долгосрочные изменения, происходящие на протяжении месяцев или лет, что делает её ценным инструментом для мониторинга устойчивых изменений в состоянии здоровья.
Используя эти методики, ученые уже достигли значительных успехов, например, в раннем выявлении болезни Альцгеймера по анализу плазмы крови, а также в диагностике сердечно-сосудистых, почечных и онкологических заболеваний.
Роль масс-спектрометрии
Основным методом исследований в омиксных технологиях является масс-спектрометрия, которая позволяет идентифицировать молекулы, точно измеряя их массы и массы продуктов их распада, а также определять количество отдельных молекул в сложных биологических смесях. Этот метод, история которого насчитывает более 100 лет, включает три ключевых этапа:
- **Ионизация**: Нейтральные молекулы или атомы образца превращаются в заряженные частицы (ионы). Для крупных биологических молекул используются методы электроспрея (распыление раствора в сильном электрическом поле) и лазерной десорбции/ионизации (ионизация происходит через матрицу), за открытие которых в 2002 году была присуждена Нобелевская премия.
- **Разделение**: Образовавшиеся ионы направляются в масс-анализатор, где они сортируются по соотношению их массы к заряду.
- **Регистрация**: Разделенные ионы регистрируются специальным детектором, сигнал от которого формирует спектр, показывающий зависимость интенсивности (количества ионов) от массы. Каждый пик в спектре соответствует определенной молекуле или её фрагменту.
Помимо масс-спектрометрии, активно развиваются аффинные методы, такие как использование аптамеров (синтетических нуклеотидов, избирательно связывающихся с белками) или антител с присоединенными ДНК-цепями для усиления сигнала через ПЦР.
Инновации Сколтеха: уникальный отечественный масс-спектрометр
Лаборатория Сколтеха активно работает над созданием новых масс-спектрометрических приборов. Еще в 2010 году была разработана модификация масс-спектрометра ионного циклотронного резонанса, использующего измерение масс по частотам вращения ионизированных молекул в сильных магнитных полях. Была представлена электромагнитная измерительная «ионная ловушка», позволяющая достичь максимальной точности в условиях сверхвысоких магнитных полей. Эта ловушка сейчас применяется в серийных приборах компании «Брукер», обладающих самой высокой разрешающей способностью, а также в самом мощном в мире масс-спектрометре в Национальной лаборатории сильных магнитных полей в Таллахасси (США).
Ионная ловушка — это разновидность масс-анализатора, которая захватывает ионы в ограниченном пространстве (измерительной ячейке) и затем анализирует их по массе. В случае масс-спектрометрии ионного циклотронного резонанса она состоит из цилиндрических электродов, создающих электрические и магнитные поля, в которых ионы вращаются, и по частотам их вращения определяется точная масса.
В 2016 году ученые Сколтеха разработали макет ионной ловушки, не требующей магнитного поля, которую назвали многоэлектродной гармонизированной ловушкой Кингдона. Она продемонстрировала способность достигать разрешающей способности, близкой к масс-спектрометрам ионного циклотронного резонанса.
По предложению Министерства образования и науки в 2022 году было принято решение создать серийный масс-спектрометр на основе этой разработки. К августу 2025 года Сколтех совместно с коллегами из МФТИ завершил разработку нового отечественного масс-спектрометра, построенного на уникальном принципе и не имеющего аналогов в мире по конструкции.
Созданный прибор функционирует на основе масс-анализатора, использующего многоэлектродную гармоническую ловушку Кингдона. Эта технология может стать прототипом для целого ряда аналитических устройств. Первым из них стал газоанализатор нового типа, предназначенный для анализа летучих и малолетучих органических, а также газообразных неорганических соединений.
Работа масс-анализатора основана на определении массы ионов, удерживаемых в ловушке, путем измерения сигнала, возникающего на электродах детекторов от осциллирующего пакета ионов. Этот аппарат относится к классу масс-спектрометров с использованием преобразования Фурье, где масса ионов определяется не прямым пространственным или временным разделением, а одновременным считыванием сигнала от всего набора ионов.
Новый российский прибор выгодно отличается от зарубежных аналогов своей компактностью и значительно более низкой стоимостью, при этом сохраняя аналогичные высокие технические характеристики. После успешного первичного тестирования опытный образец готовится к государственной приемке. Полноценное внедрение устройства в промышленное производство запланировано в ближайшие два года, что означает доступность отечественного масс-спектрометра для массового выпуска и продажи уже к сентябрю 2027 года.
Широкий спектр применений
Разработанный масс-анализатор может быть использован как в составе данного масс-спектрометра, так и в других устройствах для решения широкого круга задач. Его потенциальное применение охватывает не только медицину, но и такие области, как нефтепереработка, токсикологические экспертизы, обнаружение наркотиков, мониторинг качества сельскохозяйственной продукции, анализ водных ресурсов и многие другие.
