ИСТИНА

В 30-е годы XX века выдающимся русским ученым, академиком Н.И.Вавиловым была создана уникальная, не имевшая на тот момент аналогов в мире коллекция семян культурных растений, которая, по сути, стала первым в мире биобанком. С тех пор наука продвинулась далеко вперед, и к настоящему моменту по всему миру функционирует множество банков биологического материала всех возможных уровней – от вирусов и субклеточных структур до целых организмов. Отдельно стоит упомянуть о компьютерных базах биологических данных, в которых содержится самая разнообразная информация о живых системах. В Российской Федерации также имеются биобанки. К числу самых известных из них относятся, например, уже упомянутая выше Вавиловская коллекция семян культурных растений; Российская коллекция клеточных культур; Всероссийская коллекция промышленных микроорганизмов и другие. Ни в коем случае не умаляя очевидных достоинств этих коллекций, следует все же признать, что они не в полной мере удовлетворяют современным запросам исследователей и общества в целом. Прежде всего, каждая из вышеупомянутых коллекций сфокусирована только на одном конкретном типе биологического материала (семена, микроорганизмы, клеточные культуры и т.д.). Вместе с тем, современные тенденции развития науки и технологий диктуют необходимость комплексных исследований самых разных живых систем, причем именно на «коллекционном» уровне (то есть с использованием большого количества разного биологического материала, в том числе вымирающих и малоизученных видов). Более того, отсутствуют специализированные виварии, в которых можно было бы содержать и исследовать редких животных, требующих особых условий существования. При этом именно такие животные зачастую оказываются чрезвычайно важными в научно-практическом плане, поскольку их исследования могут привести к решению важнейших проблем здоровья человека (например, рак и старение). Отдельно стоит поставить вопрос о компьютерных базах данных биологической информации. Одними из самых важных из них в общенаучном плане представляются глобальные базы данных о структуре биологических молекул и геномов различных организмов. Такие базы данных в настоящее время используются любым ученым-биологом буквально ежедневно. В Российской Федерации подобные базы данных отсутствуют, и исследователи обращаются к международным хранилищам информации, расположенным за рубежом. Сегодня, в условиях международной политической напряженности, взаимодействие российских и зарубежных ученых уже осложнено. При самом негативном (но, тем не менее, не невозможном) варианте развития событий эта тенденция будет усиливаться, что может привести к усложнению доступа российских ученых к международным базам данных. Это, в свою очередь, очень скоро вызовет катастрофические последствия для российской науки. Таким образом, все изложенное выше приводит к необходимости создания российского национального банка-депозитария живых систем и биологической информации, который удовлетворял бы всем запросам современной научно-технологической среды. К числу отличительных признаков такого депозитария нужно отнести: 1. Междисциплинарность. Депозитарий будет предназначен для проведения комплексных исследований специалистами по животным, растениям, грибам, микроорганизмам, человеку и биологической информации. Помимо этого, в работе депозитария будут принимать участие ученые других специальностей: математики, физики, географы, геологи, специалисты по биоэтике и многие другие. Депозитарий также должен давать ученым возможность реализовать всю цепочку исследований живых организмов: хранение их дериватов разных категорий; содержание в живом виде в специальных помещениях; культивирование их клеток и тканей; исследование молекулярных основ их функционирования; наполнение полученной информацией баз биологических данных. 2. Многофункциональность. В депозитарии должны быть реализованы следующие функции: - исследование и содержание живых организмов, - исследование и хранение клеток, органов и тканей биологических объектов, - инвентаризация хранимых образцов в соответствии с современными принципами классификаций живых организмов и экологических систем, - исследование, описание и хранение биологической информации о различных живых системах, - интеграция всех получаемых данных в единую информационную систему. Реализация таких отличительных признаков приведет к тому, что депозитарий станет не только важнейшим источником знаний о живых системах, но и позволит применять эти знания на практике, решая множество сельскохозяйственных и медицинских проблем, вплоть до борьбы со старением и лечения рака. МГУ имени М.В.Ломоносова является одной из немногих российских научно-образовательных организаций, способных эффективно выполнить подобный проект. Это обусловлено следующими причинами: 1. В МГУ имени М.В.Ломоносова функционируют старейшие и крупнейшие в стране научные школы классической биологии. Упомянув об огромном количестве научных результатов, полученное представителями этих школ, подчеркнем особо, что в результате их работы в Московском университете уже в течение многих лет существуют свои локальные биоколлекции (такие, как Ботанический сад, Зоологический музей, Гербарий, несколько биоинформатических коллекций). Таким образом, имеется опыт успешной работы организации биобанков, их поддержания и проведения научных исследований на их базе. Также в организации эффективно работает большое количество исследователей биоматериала человека и биологической информации. 2. Эффективное функционирование депозитария должно быть обеспечено координированной работой специалистов различных специальностей, помимо биологических: физиков низких температур, географов, геологов, математиков, специалистов по компьютерной технике, специалистов по этическим аспектам работы с живыми системами и многих других. В МГУ имени М.В.Ломоносова имеется достаточное количество опытных работников всех этих профилей. Более того, имеется и успешный опыт выполнения глобальных междисциплинарных проектов. 3. Президент Российской Федерации и мэр Москвы летом 2014 года одобрили создание на территории МГУ имени М.В.Ломоносова научно-технологической долины, призванной обеспечить интенсификацию научных исследований, проводимых в организации, и их связь с высокотехнологическим бизнесом. Депозитарий органично впишется в инфраструктуру технологической долины, занимая при этом лишь небольшую часть ее площади. На время выполнения заявляемой программы (то есть закладки научных основ создания депозитария) прототипы депозитария могут быть организованы в уже имеющихся зданиях МГУ, площади и инженерное оснащение которых позволяют это сделать. 4. Как уже отмечалось выше, создание многофункционального депозитария невозможно без формирования баз данных биологической информации, причем эти базы данных должны быть сравнимы с ведущими мировыми аналогами по объемам. Для этого требуется мощнейшая компьютерная техника. В МГУ имени М.В.Ломоносова уже несколько лет функционирует супервычислитель «Ломоносов», который входит в топ-50 самых мощных компьютеров мира и является мощнейшим супервычислителем России. Более того, в настоящее время в организации ведется работа по созданию супервычислителя следующего поколения. Создание национального банка-депозитария живых систем и биологической информации с исследовательской функцией, как и любой проект подобного масштаба, в первую очередь требует проведения комплексных исследований и закладки научных основ. На это и направлена заявляемая программа. Программа делится на пять направлений по типам биологического материала и/или данных, с которыми необходимо будет работать. Ниже кратко описаны актуальность и научная новизна планируемых исследований в рамках каждого направления. 1. «Животные» Данное направление программы посвящено исследованию биологического разнообразия животных в различных аспектах. Исследуется таксономическое (в основном видовое) разнообразие в 9 типах, не менее 14 классах и не менее 30 отрядах многоклеточных животных. Исследование проводится на двух уровнях разнообразия – глобальном (анализ макротаксонов рангом от семейства до типа на уровне мировой фауны) и локальном (анализ таксонов рангом от подвида до рода в составе региональных фаун и локальных природных сообществ). Для получения исходных данных используются новейшие методы микротомографии, лазерной конфокальной, трансмиссионной и электронной микроскопии, 3D сканирования, фиксации и анализа биоакустических сигналов. Для молекулярно-генетических характеристик исследуются фрагменты митохондриального и ядерного геномов на основе стандартных методов экстрагирования генетического материала, секвенирования и выравнивания молекулярных последовательностей. Для выявления и интерпретации структуры таксономического разнообразия используются современные численные методы многомерной биометрии, кластеризации, кладистического и молекулярно- филогенетического анализа. Биоразнообразие исследуется также на региональном и локальном уровнях. Рассматривается хорологическая структура биоразнообразия на основе дистанционной съемки сканирующей системой MODIS и анализа данных средствами ГИС с использованием математических методов, включая математико-картографическое моделирование. Исследования локальных фаун и сообществ проводятся главным образом на основе экспедиционных работ в российском секторе Арктики и Субарктики, охватывают наземные и морские биоты российского Дальнего Востока, Средней, Центральной, Передней Азии и Юго-Восточной Азии, Индо-Вест-Пацифики. Будут разработаны рекомендации по структуре, объёму и формам представления, хранения и использования разных категорий данных и информации о них. Проведение таксономических и фаунистических исследований будет включать комплексный сбор и консервацию разных категорий исходных данных (морфологических, макро- и микроанатомических, гистологических, цитологических, молекулярно-генетических, биоакустических, этологических, экологических) и сопровождающей их информации (включая создание электронных баз данных открытого доступа), с усовершенствованием методической основы их препарирования, хранения и использования в научных и биомедицинских целях. Отдельная часть работ будет посвящена редким и малоизученным животным, исследование которых в перспективе приведет к развитию новых медицинских технологий (в частности, замедления старения и борьбы с раком). 2. «Растения» В рамках работ по направлению будет осуществлено выявление полиморфизма видов растений для составления эталонного паспорта фенотипа и генотипа и обеспечение на основе изучения структурного, хорологического и функционального многообразия максимально возможной представленности в депозитариях генофонда растений, их популяций и сообществ разного уровня, а также информации о них для эффективного сохранения биоразнообразия и подержания устойчивости естественных сообществ. Актуальность и масштабность планируемых работ определяется глобальными проблемами, связанным с истощением растительных ресурсов, сокращением биоразнообразия и ухудшением состояния окружающей среды. Изучение структурного и функционального разнообразия растительных систем разного уровня (от клеточного до биоценотического) позволит сократить риск нарушения устойчивости живых систем России. Россия играет ключевую роль в сохранении и использовании сырьевого потенциала Заполярья. Высшие споровые растения, являясь важнейшим компонентом растительных сообществ Севера Голарктики, участвуют в заселении обнажённых субстратов, консервации вечной мерзлоты и процессах заболачивания. Споры мохообразных, папоротникообразных, хвощей и плаунов способны к переживанию длительных периодов неблагоприятных условий, они содержат генетический материал в покоящейся форме и могут служить источником для возобновления популяций. В связи с этим подготовка обобщающих работ, посвященных закономерностям формирования флор Севера и сохранению спор в депозитариях, является в высшей степени актуальной. Важность работ по выявлению и охране редких видов возрастает в связи с планируемым освоением арктического шельфа и проектами развития инфраструктуры арктических регионов России. 3. «Микроорганизмы и грибы» Микробы — это первое звено в цепи эволюции и существенная часть земной биоты. Микроорганизмы катализируют важные преобразования в биосфере, являются источником основных компонентов атмосферы и отвечают за значительную часть генетического разнообразия на нашей планете. Одним из наиболее актуальных направлений в оценке биоразнообразия является изучение «скрытого» микробного разнообразия: некультивируемых форм, многие из которых представлены бактериями мельчайших размеров. Совершенно не изучены научные основы их биотехнологического потенциала и возможность их сохранения в коллекциях. Знание физиолого- биохимических особенностей микроорганизмов и выяснение метаболизма нужных соединений - ключ к решению многих экологических проблем, созданию прорывных промышленных технологий и перспективных для медицины и сельского хозяйства препаратов. В Российской Федерации данный вопрос приобретает особую актуальность, так как регионы экстремальных погодных условий (такие, как Арктика и Дальний Восток) характеризуются максимальным скрытым микробным разнообразием. При этом именно экстремофилы (микроорганизмы, живущие в экстремальных условиях среды) зачастую обладают свойствами, позволяющими использовать их на практике, в том числе для разработки возобновляемых источников энергии, создания способов естественной очистки окружающей среды от антропогенного загрязнения и т.д. Таким образом, планируемые работы станут важным фактором решения фундаментальных проблем в биологии микроорганизмов, а их результаты – основой для разработки новых эффективных биотехнологий. 4. «Биоматериал человека» В последнее время появление новых антропогенных факторов среды обитания привело к неблагоприятным (приводящим к негативным экономическим и социальным последствиям) изменениями в структуре популяции человека. Следствием этого являются существенные изменения в структуре населения, а именно сокращение и исчезновение отдельных групп населения (носителей определенных генетических, фенотипических, хозяйственно-культурных особенностей). В связи с этим, происходит необратимая утрата как носителей отдельных эволюционно значимых генов, так и целых групп населения, адаптированных к жизни в определенных условиях. Генные варианты, которые сегодня кажутся бесполезными или даже неблагоприятными, могут понадобиться человечеству в будущем. Примером может служить устойчивость к вирусу иммунодефицита человека носителей дефектного гена одного из хемокиновых рецепторов. В связи с этим крайне важным представляется создание репрезентативной криоколлекции биологического материала человека, содержащей как редкие, утрачиваемые геномные варианты, так и распространенные на данный момент в популяции геномные варианты, включая всесторонние описания доноров материала. При формировании основ такой криоколлекции должен быть проанализирован состав необходимых для фиксации и сохранения медико- биологических, антропологических, психофизиологических, экологических и других значимых для человека признаков и характеристик, включая молекулярно-биологическую и морфологическую характеристику материала. Ранее такая комплексная систематическая характеристика доноров не проводились в силу малой разработанности этой области, неразвитости инструментальных методов получения количественных характеристик и сложности анализа большого числа данных. Достижимость решения поставленной задачи и получение запланированных результатов в рамках данного направления гарантируется существенным научно-техническим заделом, материальной базой и кадровым потенциалом подразделений МГУ имени М.В.Ломоносова, которые будут вовлечены в выполнение работ. 5. «Биологическая информация» В рамках работ по направлению будут разработаны научные основы создания инфраструктурного решения и наукоемкой площадки для комплексного изучения биоразнообразия России на основе геномных технологий и технологий хранения, анализа и обмена данными различных типов. На базе такой инфраструктуры станет возможен сбор и хранение информации о геномном разнообразии биоты на различных уровнях – от клеточного, на уровне эпигенетической регуляции свойств фенотипа, до популяционного и биоценозного. Ее создание является необходимым инструментом решения комплексных вопросов оценки биоразнообразия отдельных регионов, потенциальных рисков для биоразнообразия, формализации оценки масштабов рисков, планирования способов восстановления и сохранения биоразнообразия. Для успешной реализации всего проекта будут созданы новые технологии и развиты современные методы генерации и масштабного анализа геномных данных, молекулярного штрих-кодирования биологических объектов, определения метагеномного профиля популяций и сообществ, пространственного описания, анализа и картографирования изучаемых объектов, моделирования свойств биологических макромолекул, алгоритмических решений масштабных вычислительных задач на суперкомпьютерных платформах и математического описания информационных процессов в живых системах. Решение задач, поставленных в рамках направления, окажет долгосрочный эффект в различных областях науки, прикладных дисциплинах и в социальной сфере. К таковым относятся проблемы национального значения в контексте продовольственной безопасности, угроз сокращения биоразнообразия и последствий изменения климата.

In 1930s, the outstanding Russian scientist Nikolai Vavilov has established the unique collection of the cultivated plant seeds. For many next years, this collection has not had any analogues world-wide. It has essentially become the first world biobank. From the onwards, the science has developed greatly, and nowadays there are a lot of biobanks all over the world. In these banks, different biological material is kept, from biological molecules and viruses to the living animals. It is also necessary to notice the computer biological data bases where the most diverse information about the living systems is kept. At present, in Russian Federation there are of course many biobanks. Among them, the most recognized are Vavilov seeds collection already mentioned above; Russian collection of the cell cultures; Russian collection of the industrial microorganisms etc. All these collections are for sure needful and useful; however, it is necessary to point out that they all do not fully solve the queries of the contemporary Russian science and society at large. First of all, each of the above-mentioned collections is focused on one given type of the biological material (seeds, microorganisms, human cells etc). At the same time, the current trends of R&D progress often necessitate performing the complex studies of the living systems exactly at the «collection level», i.e. with use of the large amount of different biological material, including endangered and poorly studied species. Moreover, at present, there are no specialized vivariums for management and investigation of certain rare animals that need special life conditions. Such animals are often of large scientific and practical interest since the studies of their life could lead to the solution of the most important problems of the human health, e.g. cancer and aging. Of special interest is the question of computer biological data bases. Among them, the most scientifically important are global data bases containing the information about biological macromolecules structure and whole genome sequences. Such bases are nowadays used by almost every scientist in a day-to-day manner. In Russian Federation, there are no such global data bases and the scientist forcedly use the international information storages that are all located abroad. At present, in the context of the global political tension, it is already a matter of fact that the cooperation of Russian and foreign researchers is largely hindered. In the worst scenario, this trend will be further enhanced which could result in the complicacy of using global data bases by Russian researchers (which is unlikely but not impossible). This, in turn, will definitely lead to the disastrous consequences for the Russian science and technology. Thus, taking into account all the above-mentioned considerations, one can conclude: Of great importance is the development of Russian national biobank-depository of the living systems and biological information which meets all the R&D requests. Among the features of such depository there should be: 1. Cross-disciplinarity. Depository will be intended for the complex studies by the specialists in animals, plant, fungi, microorganisms, humans, and biological information. In parallel, the functioning of depository will be furnished by many other specialists: mathematicians, physicists, geographers, geologists, bioethicians etc. The depository structure should provide the scientists an opportunity to realize the whole chain of living organisms investigations: preservation of their derivates of different types; their management in the living state; cultivation of their cells and tissues; study of the molecular basis of their functioning; filling of the data bases by the information obtained. 2. Multi-functionality. In the depository, the following functions should be realized: - investigation and management of the living organisms, - investigation and conservation of cells, organs and tissues of the biological objects, - inventory of the material kept in accordance with the actual principles of classification of the living beings and ecological systems, - investigation, description and conservation of information about the different living systems, - integration of all obtaining data into the single information system. Realization of these features will make the depository not only the top-of-mind source of fundamental knowledge about the living systems but also critically important element of the practical application of this knowledge. As a result, many problems in the fields of medicine and agriculture could be solved, including successful aging control and cancer treatment. Moscow State University is one of the few Russian science organizations able to successfully realize such a global project. This is due to several reasons: 1. Moscow University is the origin of the longest-standing and biggest classical biology scientific schools. Their members have produced a lot of scientific data. Of special importance in relation of the present project is the fact that the activity of these scientific schools has lead to establishment of several local Moscow University biocollections that function for more than a hundred years already. Among them, there are such as Botanical garden, Zoological museum, Herbarium, several bioinformatic collections. Thus, Moscow University has a successful experience in creation of biobanks and maintenance of their both preservation and exploration activities. 2. For the effective depository functioning, the coordinated work of specialists of different professions is needed. Among them, there should be biologists of any specialization possible, physicists, geographers, geologists, mathematicians, computer scientists, bioethicians, and many others. Moscow University employs the sufficient amount of scientists of all above-listed specialties. Moreover, MSU has a successful experience in performance of large inter-disciplinary projects of the comparable scale. 3. In summer 2014, both President of the Russian Federation and Moscow mayor have approved the development of Technology Valley within the territory of the Moscow University. The purpose of the Technology Valley is to assure the intensification of the basic research and its direct connection to the high-technology business. The depository will naturally comply with the structure of the Technology Valley. At the same time, it will occupy just a small area of the valley. In course of the program realization (i.e. during the setting up the scientific basis of the depository), the prototypes of depository may be organized in already existing Moscow University buildings whose areas and infrastructure easily allow this. 4. As it has been already pointed out above, the development of multi-functional depository is impossible without establishment of the biological data bases that should be comparable in volume with the best world-wide analogues. There is no doubt that for this task the powerful computer equipment is necessary. In Moscow University, supercomputer «Lomonosov» is put into operation for already several years. This supercomputer is in top-50 of the most powerful computers world-wide and is actually the most powerful in Russia. Moreover, the supercomputer of a next generation is now in course of development in Moscow University. The development of the national biobank-depository of the living systems and biological information with the investigation facilities, as any other project of the comparable scale, needs at first performing the complex studies and laying the scientific basis. These exactly are the goals of the applied program. The program is divided into five directions. Each direction is dedicated to the given type of the biological material and/or data that would be subjected to the investigation. Below, we briefly describe the actuality and the scientific novelty of the research programs planned in frame of each direction. 1. “Animals” This direction of fulfillments of the Program involves research of the biological diversity of animals from different standpoints. The focal point is taxonomic (mainly species) diversity in the 9 phyla, at least 14 classes and at least 30 orders of multicellulate animals. Research is conducted at two levels of diversity, namely at a global (analysis of macrotaxa ranked from the family to the phylum at the world scale) and at a local (analysis of taxa ranked from the subspecies to the genus within regional faunas and local natural communities) ones. The raw data are obtained using the most modern techniques of microtomography, laser confocal, and transmission electron microscopy, 3D scanning, recording and analysis of bioacoustic signals. For molecular genetic research, fragments of both mitochondrial and nuclear genomes are analyzed based on standard methods of extraction of genetic material, sequencing and alignment of molecular chains. Analysis and interpretation of the structure of taxonomic diversity is based on modern numerical methods of multivariate biometrics, clustering, cladistic and molecular phylogenetic analyses. Biodiversity is also studied at both the regional and local levels. Chorological structure of biodiversity is considered based on the remote shooting scanning system and MODIS data analysis by means of GISbased mathematical methods, including mathematical cartographic modeling. Study of local fauna and communities are conducted mainly on the basis of field work in the Russian Arctic and Subarctic, covering terrestrial and marine biota of the Russian Far East, Central, Central, Southwest Asia and Southeast Asia, the Indo-West Pacific. The Project presumes elaboration of recommendations concerning structure, scope, and forms of presentation, storage and use of different types of data and information about them. Taxonomic and faunistic studies will include an integrated collection and preservation of various categories of the raw data (morphological, macro- and microanatomical, histological, cytological, molecular genetic, bioacoustic, ethological, ecological, etc.) and accompanying information (including creation of electronic open access databases) , with the improvement of the methodological foundations of their preparation, storage and use of scientific and biomedical applications. Special attention will be paid to rare and poorly known animals, which perspective studies will lead to the development of new medical technologies (in particular, slowing down of aging and the fight against cancer). 2. “Plant” In the framework of the activity, a survey on plant polymorphism will be carried out for compiling the reference passport for phenotype and genotype of selected species. This will provide a firm base for the further study of structural, distributional and functional diversity in the sake of the best possible representation in the depositories of gene pools of plants, their populations and communities at different levels for effective biodiversity conservation and sustainable management of natural communities. The importance and scale of the planned activities is posed by the global problems associated with the depletion of plant resources, loss of biodiversity, and environmental degradation. The study of the structural and functional diversity of plant systems at different levels (i.e. from a cell to an ecosystem) will help to reduce risk of ecosystem degradation in Russia. Russia plays a key role in the conservation and sustainable management of potential resources in the Arctic. Bryophytes, the most important component of plant communities of the Northern Holarctic, participate in the colonization of bare substrates, preservation of permafrost, and swamping process. Spores of bryophytes, pteridophytes, and horsetails are able to survive adverse conditions for a long time preserving genetic material. They can serve as a source for population renewal. In this regard, general research of plant diversity formation of North and their preservation in the depositories is highly important. The importance of the work on the identification and protection of rare species increased in connection with the planned development of the Arctic shelf and infrastructural development in the Russian North. 3. “Microorganisms and fungi” Microbes are the first link in the chain of evolution and a significant part of the earth's biota. Microorganisms catalyze transformations in biosphere; they are the source of the main components of atmosphere and are responsible for a significant portion of the genetic diversity on our planet. One of the most important areas in the biodiversity assessment is the study of "hidden" microbial diversity: uncultivated forms, many of which are bacteria with smallest sizes. The scientific basis of their biotechnological potential hasn’t been studied and the possibility of storing them in collections hasn’t been explored yet. The knowledge of the physiological and biochemical characteristics of microorganisms and the elucidation of metabolism of desired compounds is the key to solve many environmental problems and create breakthrough of industrial technologies and promising for medicine and agriculture products. In Russia this issue is one of particular relevance, as extreme weather conditions (such as the Arctic and the far East) are characterized by maximum hidden microbial diversity. Thus extremophiles (organisms that live in extreme environments) often have properties that enable their use in practice, including for the development of renewable energy sources, creating natural ways of cleaning the environment from anthropogenic pollution, etc. Thus the planned work will be an important factor in the solution of fundamental problems in biology of microorganisms. The results will become a basis for the development of new effective biotechnologies. 4. “Human biomaterial” New anthropogenic factors that are constantly appearing nowadays lead to the adverse changes in the structure of the human population. These changes are the reasons of the negative social and economic effects. As a result, there appear decline and even disappearance of some population groups that include the carriers of certain genetic, phenotypic, and cultural features. Thus, one can observe an irreversible loss of carriers of evolutionary significant genes and also of the whole population groups adapted to the certain life conditions. Gene variants that are currently thought to be useless or even harmful could be requested by the humanity in the future. As an example, the carriers of rare mutation of the chemokine receptor gene are resistant to the human immunodeficiency virus. Thus, of special importance is the development of representative cryocollection of biological material that should contain both rare and currently highly-speading in the population genomic variants. This collection also should contain comprehensive description of the material donors. When forming the basis of such cryocollection, one should carefully analyze a set of biomedical, anthropological, psycho-physiological, ecological and other significant features and characteristics, including molecular-biology and morphological characteristics of the material. Such complex systematic characterization of the donors has been never performed before which has been due to the poor development of this area of science, imperfection of the methodology of obtaining the quantitative properties and complicacy of the big sets of data analysis. Achievability of the solution of this task and obtaining of the planned results is guaranteed by the large set of scientific results obtained by the Moscow University employers in past. All facilities and human resources needed for execution of the project are also accessible in the organization. 5. “Biological information” The project will lay out a scientific infrastructure for complex studies of biodiversity in Russia with technologies of genomics and computer science (analysis, storage and exchange of data). The infrastructure will allow for collection and storage of information on the genomic variety of biota at different levels – from cellular (epigenic regulation of phenotype) to population and higher levels. Development of such infrastructure is critical to solving complex questions of biodiversity assessment in certain regions, formalizing potential risks for biodiversity and planning restoration and conservation activities. Successful implementation of the project will rely on developing new technologies of generating parallel sequencing data for molecular barcoding of biological objects, identification of metagenomic profiles of populations and communities, their spatial description, analysis and object mapping, modeling of biological properties of macromolecules, algorithmic solutions for supercomputer platforms, and mathematical description of information processes in live systems. Problems solved within the project will have a long impact in various fiends of science, including applied and social fields. Such are national scale-problems related to food security, biodiversity risks and climate changes: - identification of spatial structure of populations of economically important or endangered species (especially those with transnational distributions); sustainable trade development and establishment of critical nature conservation zones; - development of sustainable strategies for maintaining endangered or critical populations (e.g., as a result of overfishing) based on knowledge of their genetic structure, effective size and migration patterns; - development of effective measures of assessing natural biodiversity (natural resources) at all taxonomic levels, from viral biomes to higher organisms, without a need for taxonomic expertise, especially in applications such as food quality control; - revealing genetic bases of resistance and particular adaptive factors of the organism’s response to the environment related to anthropogenic stress and climate changes; usage of such technologies to establish zones of the phenotype stability and solve the problems of: - selecting effective breeds, - identifying critical endangered species, - early discovery of species with invasive or epidemiological potential.

1. «Животные» В результате исследования будут внесены существенные коррективы в текущие представления о структуре таксономического разнообразия в исследуемых группах многоклеточных животных (Metazoa), включая описание не менее трёх десятков новых для науки таксонов рангом от подвида до семейства. Для комплексной характеристики таксонов будут исследованы разнообразные макро-, микро- и ультраморфологические структуры согласно особенностям морфо-физиологической организации изучаемых организмов, в том числе эндо- и экзоскелетные, гистологические и цитогенетические элементы, включая компьютерную 3D реконструкцию по сериям гистологических и полутонких срезов. В результате молекулярно-генетических исследований будут получены данные по последовательностям митохондриальных генов cyt b, ND2, СR, COI, 16S и ядерных генов 18S, H3, 28S, BRCA1, RAG1, GHR, IRBP, BRCA2, VWF у представителей указанных таксономических групп животных. Анализ аудио- и вибрационных сигналов у некоторых птиц, млекопитающих и насекомых позволит выявить видоспецифичные коммуникативные средства и их роль в поддержании видового разнообразия. Большинство перечисленных первичных данных будет получено впервые для исследуемых групп животных. Исследование корреляции между разными параметрами организмов, характеризующими таксономическое разнообразие, позволит выявить «точки» согласия и несогласия между ними и интерпретировать их в контексте филогенетических моделей. Выявленные группо-специфичные генетические, морфологические и иные маркеры таксонов разного ранга внесут уточнения в представления об иерархической структуре таксономического разнообразия. Они также позволят с высокой надёжностью определять видовое разнообразие животных в ранее неизученных в этом отношении таксонах и регионах. В результате проведённых экспедиционных работ будут охвачены морские, пресноводные и наземные биоты в российском секторе Арктики и Субарктики, российского Дальнего Востока, европейской части, Средней, Передней Азии и Юго-Восточной Азии, Индо-Вест-Пацифики. Будут собраны многочисленные уникальные морфолого-анатомические, генетические и экологические данные по изучаемым группам животных. Их изучение ляжет в основу текущих и новых таксономических исследований, а также позволит уточнить видовой состав локальных фаун в указанных регионах. Будет завершена работа по созданию атласа гнездящихся птиц Европейской России на картографической основе с квадратами размером 50 на 50 км. На основе обобщенных эвристических математических моделей будут реконструированы видовые ареалы и охарактеризована пространственная динамика видового разнообразия наземных и частью водных позвоночных животных фауны России. Полученные результаты позволят внести необходимые коррективы в представления о структуре и функционировании локальных экосистем и послужат основой для выявления потенциально уязвимые хорологические элементов биоразнообразия. Все полученные результаты будут проанализированы с точки зрения их использования в создании депозитария живых систем. В контексте разработки научных оснований исследовательского депозитария будут даны рекомендации по оценке оптимальности его информационного объема, качественным и количественным характеристикам содержащихся в нём объектов, репрезентативности его содержимого с точки зрения соответствия целям его функционирования, критериев выбора оптимальных форм сбора, хранения и передачи информации о хранимых объектах, т.е. конструирования многоаспектной базы данных. Исходные материалы и сопровождающая их информация, собранные в ходе проведения исследований, будут помещены на научное хранение в прототипы исследовательского депозитария. Будет отработана технология депонирования биоакустических маркеров природных сообществ, представленных на территории России. Будет создан банк первичных генетических данных, включающих трэйсы сиквенсов митохондриальных и ядерных генов и трейсы фрагментного анализа микросателлитов, микросателлитных аллелей для ряда видов наземных позвоночных. Эти данные послужат основой для дальнейших исследований структуры и динамики биологического разнообразия. Частью депозитария станет лабораторная колония редких видов грызунов, особо значимых для биомедицинских исследований. 2. «Растения» Реализация данной программы будет проводиться по высочайшим современным стандартам междисциплинарных исследований биологических объектов и, в частности, растений. В ходе выполнения программы мы получим комплексное обоснование создания, наполнения, функционирования и использования фондов растительных объектов в национальном банке- депозитарии. Составными частями такого обоснования будут: 1) создание сводки по центросеменным как одной из представительных и модельных групп сосудистых растений России (включая Арктику и Дальний Восток); 2) интеграция в международные базы данных Global Biodiversity Information Facility (GBIF), Map of Life, JSTOR развиваемой базы данных и коллекции изображений Гербария МГУ как основы будущего депозитария; 3) создание карпологического атласа зонтичных как научная основа карпологической коллекции депозитария; 4) база данных по бриофлоре Арктики и Гипоарктики как базовая основа информационного обеспечения коллекции мхов депозитария; 5) отбор минимально необходимого числа ключевых этапов развития цветковых растений, нуждающихся в документации через коллекции депозитария, а также оценка уровня экспрессии интересующих генов; 6) получение достоверной картины внутривидовой генетической изменчивости модельных видов из родов (Lotus, Stipa, Polygonum, Atraphaxis) для целей установления правильности выборок для коллекций депозитария; 7) установление взаимосвязи между составом спектра жизненных форм и составом растительных сообществ для интегральной оценки уязвимости видов (т.е. разработки приоритетности отбора видов для депозитария); 8) разработка методов долговременного хранения фертильной пыльцы и спор в депозитарии; 9) создание ядра коллекции культур клеток высших растений; 10) разработка ГИС- обеспечения коллекций депозитария. Перечисленные результаты позволят создать национальный банк-депозитарий живых организмов на должном мировом уровне и проводить на его основе долговременные исследования. 3. «Микроорганизмы и грибы» В результате работ по проекту из различных экологических зон будут отобраны природные образцы с целью описания микробного биоразнообразия и выделения ценных сообществ и культур микроорганизмов. Из отобранных образцов будут выделены и описаны чистые культуры микроорганизмов. Будут подобраны методы сохранения данных культур с наибольшей эффективностью, а также протекторные среды для сохранения выделенных культур. Будет проведена инвентаризация уже имеющихся в организации коллекций, продолжено пополнение их фондов. В рамках создания задела для наполнения депозитария будет выработана стратегия наполнения депозитария и критерии отбора объектов. Будут осуществлены экспедиционные работы (сбор материала) на Белом и Черном морях, в зоны нефтедобычи на полуострове Камчатка. Будут разработаны стандарты паспортизации и каталогизации объектов, в том числе оптимизированные методики для выделения геномной ДНК из микроводорослей и грибов для молекулярной идентификации и получения метаболической характеристики объектов. Будут получены результаты по анализу поведения широкого круга элементов, включая биофильные компоненты (фосфор, азот, сера) в геотермальных системах полуострова Камчатка. Будет проведено фундаментальное обобщение по геохимии современных гидротермальных систем, которое позволит установить влияние микробных сообществ на формирование их состава и возможности открытия новых экосистем в экстремальных условиях. 4. «Биоматериал человека» Будут получены образцы клеточного материала человека для исследований влияния криоконсервации на свойства клеточного материала. Будут проведены сравнительные исследования значимых свойств клеток до и после криоконсервации. Будут сформированы комплексные критерии отбора доноров клеточного материала при формировании коллекции. Будут проведены сравнительные исследования фенотипов и свойств стволовых клеток, выделенных из разных тканей организма человека. Будут разработаны алгоритмы, вычислительных методов и суперкомпьютерных программ для математического анализа базы данных доноров-кандидатов. Будут выбраны гены-кандидаты для проведения внутри и межвидового анализа с целью выявле¬ния аллелей, устойчивых к неблагоприятным воздействиям внешней среды и заболеваниям. Будет разработана концепция комплексного описания и анализа антропологических, психологических, физиологических, социологических, молекулярных и других значимых для проекта характеристик. Будет проведен анализ ассоциаций аллелей генов с устойчивостью к неблагоприятным воздействиям внешней среды и заболеваниям. Будут разработаны и реализованы прогностические модели для распространенных социально значимых заболеваний. Будет заложено формирование охарактеризованной, репрезентативной криоколлекции клеток человека, содержащей материал исчезающих и уменьшающихся популяций и редкие фенотипы. Будут разработаны концептуальные основы социально-гуманитарного сопровождения функционирования биобанка. Будет разработана концепция оценки общественного мнения по вопросам, связанным с функционированием биобанка. Таким образом, будет сформированы научные основы криохранения коллекции биологического материала человека в национальном банке-депозитарии живых систем. Все исследования будут выполнены на мировом уровне. Полученные результаты будут востребованы в социальной сфере, так как в перспективе приведут к решению множества актуальных проблем современной медицины и, как следствие, к улучшению качества жизни населения. 5. «Биологическая информация» Выраженный междисциплинарный характер запланированных работ определяет генерацию новых знаний и получение долгосрочного задела в ряде научных областей. Будут разработаны методы каталогизации биоразнообразия на основе геномных и вычислительных технологий, проведено комплексное изучение и сбор информации о биоразнообразии эукариот различных сообществ регионов страны: ключевых групп растений, животных и одноклеточных эукариот, с включением социально- и экономически значимых объектов и критических сообществ Арктики и Дальнего Востока. Будут составлены референтные базы данных стандартизированных штрих-кодов для групп эукариот как инструмента идентификации биологических объектов на разном таксономическом уровне: для паспортизации объектов депонирования (создание системы ваучеров) и создания систем молекулярной диагностики и контроля чистоты биологического материала депозитария. Будут созданы научные основы эффективного использования геномных ресурсов для учета биоразнообразия в целях экологического мониторинга и выявления видов, близких к вымиранию, изучения экологии экономически значимых видов и развития эффективного природопользования, с акцентом на продовольственную безопасность и выявление критических природных зон. Будет получена информация о составе геномов редких и исчезнувших видов животных и использована для формулирования программы репродуктивного производства для поддержания популяций исчезающих видов. Будет создан банк геномной информации о популяциях малочисленных народов севера и Дальнего Востока России с выявлением уникальных генетических адаптационных механизмов их приспособленности к условиям обитания. Будут разработаны технологии получения уникального эпигенетического паспорта для объекта депонирования, исследованы механизмы метилирования нуклеиновых кислот и механизмы эпигенетических модификаций ключевых белков аппарата клетки. Будет создана биоинформационная платформа для анализа экспериментальных данных о механизмах эпигенетической регуляции, их взаимной интеграции и визуального представления. В ходе выполнения работ планируется создание основ информационной платформы для хранения и анализа биологической информации различных типов и системы доступа к данным. Платформа будет являться информационно-вычислительной основой функционирования депозитария и будет обеспечивать доступ к аналитическим ресурсам для широкого спектра приложений: учет, каталогизация и оценка биоразнообразия, моделирование структур и взаимодействия биологических макромолекул, предсказание мишеней для разработки новых лекарственных препаратов, применение наукоемких подходов в персональной медицине, и др. Будет разработан системный подход к пространственному описанию, анализу и картографированию объектов депозитария и создана единая поисковая база с пользовательским доступом к сведениям о каждом объекте депозитария по его географическому положению, ключевым словам, виду пространственной локализации и другим метаданным с возможностью гео-визуализации. Будут разработаны компьютерные модели и алгоритмы для суперкомпьютерных систем как аналитического модуля депозитария для моделирования структур и взаимодействий биологических макромолекул между собой и с биологически активными веществами (антибиотиками, лигандами и др.). Разработки будут использованы как основа для создания баз данных таких взаимодействий с перспективой конструирования полных интерактомов с высокой прогностической способностью для приложений в области функциональной геномики, изучения эпигенетических регуляций, молекулярной фармакологии, и др. Будут разработаны математические модели и алгоритмы анализа информационных процессов в биологических системах для получения, депонирования и обработки различных типов данных, в том числе физиологических и поведенческих ответов на внешние стимулы и многофакторных клинических профилей. Непосредственными приложениями этих моделей являются, например, создание экспертных систем назначения оптимальной терапии в области персональной медицины, или паспортизация индивидуальных качеств ответа на экстремальные воздействия среды.