Что такое геномика?

О своём пути в математике, опыте смены области исследования, работе во Франции, Англии и США, а также о том, как математика и биология соединились в геномике рассказывает Владимир Щур, заведующий международной лабораторией статистической и вычислительной геномики.

Расскажите о вашем профессиональном пути в математике. Как вы приняли решение поступать на механико-математический факультет МГУ?

Сколько помню, я всегда активно участвовал и побеждал в маткружках, олимпиадах по математике, физике и матбоях. С девятого класса я увлёкся физикой и более существенные олимпиадные успехи были у меня по физике. По результатам олимпиад меня зачислили на ФОПФ[1] МФТИ. Но после долгих колебаний я всё-таки отправился на мехмат МГУ. Кстати, потом мне рассказывали, что на физтехе висел приказ о моём отчислении, так как оригинал документов я подал на мехмат. Величественное здание Университета, близость культурной жизни столицы и, главное, классическое университетское образование перевесили чашу весов. В Университете у нас сложилась межфакультетская компания друзей с мехмата, химфака, биофака, юрфака и ещё нескольких факультетов. Со многими мы поддерживаем отношения – и рабочие, и дружеские.

Расскажите об опыте получения степени PhD во Франции. Какие особенности имела процедура, если сравнивать её, например, с защитой кандидатской?

Мне сложно сравнивать, поскольку в России я кандидатскую не защищал, и пока мало знаком с существующей системой. Во Франции в аспирантуру зачисляют по результатам собеседования с будущим научным руководителем и конкурсу портфолио. Со своим руководителем Пьером Пансю я впервые встретился зимой пятого (последнего) курса. Я прилетел на встречу с ним в знаменитую École normale supérieure, он выдал мне багет, извинился и сказал, что опаздывает на забастовку. Так я сразу приобщился к истинным французским ценностям, и мне еще больше захотелось поработать в этой стране. Профессор Пансю восхищался подписью Евгения Соломоновича Голода в моей зачётке (явное преимущество бумажной зачётки над электронной!). Две публикации выделили моё портфолио, и я легко прошёл конкурс.

Во Франции в аспирантуре не сдают кандидатский минимум. Аспиранты работают над своим проектом, обычно 4 года, после чего защищают диссертацию публично перед комиссией, которая состоит из научного руководителя, председателя комиссии и двух-трёх рецензентов. На защиту принято приглашать всех родственников, друзей и знакомых. Насколько я могу судить, сам процесс защиты во Франции очень схож с нашим.

В начало диссертации принято ставить благодарность всем, кто прямо или косвенно способствовал выполнению работы. Например, я поблагодарил суб-префектуру города Палезо (аналог полицейского регистрационного участка) за то, что в ее длинных очередях по ежегодному обновлению вида на жительство я сформулировал и доказал немало результатов, вошедших в диссертацию.

[1] Факультет общей и прикладной физики.

Об опыте смены области исследований

За время учёбы и работы я поменял несколько стран, задач и областей исследования. На мой взгляд, нельзя бояться перемен. Я не имею в виду метание из стороны в сторону. Даже довольно радикальные изменения могут быть систематизированными, главное делать это осмысленно. Перемены помогают формировать кругозор, находить задачи, которые вам интересны. При этом благодаря уникальной совокупности (именно совокупности!) ваших знаний находить их нетривиальные решения. На мехмате моя дипломная задача была из области теории чисел. В аспирантуре я занимался квазиимозетриями между громовскими гиперболическими пространствами. К окончанию аспирантуры я понял, что карьера “чистого” математика мне не близка, но при этом ясно осознавал, что хочу продолжать академическую карьеру. У меня всегда был интерес к биологии и медицине. Я стал искать позицию пост-дока на стыке наук, но здесь стояла не совсем тривиальная задача – найти руководителя и финансирование, которое позволяло бы сменить область, и набирать необходимые компетенции во время работы. Так я попал в геномику, в группу профессора Ричарда Дурбина в институте Сэнгера в Кембридже. Ричард придерживался взгляда, что для математика или физика проще доучить необходимую биологию, чем наоборот. Таким образом, он часто брал в свою группу математиков, физиков и “компьютерных учёных”. Этот переход оказался для меня достаточно сложным, первый год прошёл на подъёме, но потом были и разочарования. Это произошло из-за совокупности причин. С высоты своего нынешнего опыта, для начала я бы взял задачу, которая гарантировала результат, чтобы на выходе иметь законченный проект. Вместо этого я увлечённо ввязался в решение крайне сложной и глобальной задачи, которая требовала реализации нескольких масштабных этапов. Кроме того, я довольно долго не мог перестроиться с чисто математического подхода и не понимал, как вписать свои результаты в контекст, который бы воспринимался коллегами в моем новом научном сообществе. Умение демонстрировать практическую ценность методов пришло ко мне далеко не сразу. На тот момент мне требовалось больше внимания со стороны опытного руководителя. В итоге я достиг результатов, которые стали известны в своей области, были отмечены наградой за лучший постер на одной из ключевых конференций, и предшествовали появлению как минимум двух других методов для решения этой задачи.

В Беркли у профессора Расмуса Нильсена, с его “open door policy” и его молниеносной реакцией и научной проницательностью, мой интерес к науке получил новый толчок. Теперь основываясь на своём личном опыте, как руководитель, я взял за правило, что, соглашаясь работать со студентом, я беру на себя ответственность. Студент должен искать встречи со мной, а я находить время, и даже если это уже 10-11 вечера, погрузиться в задачу и дать конструктивную обратную связь. В этом я ориентируюсь на работу с профессорами Пьером Пансю и Расмусом Нильсеном.

Почему и при каких обстоятельствах Вы пришли работать в Вышку?

Ещё в 2009 году, когда я уезжал в аспирантуру, я был твёрдо уверен, что вернусь обратно в Россию. Многие, кстати, мне не верили. Как тогда, так и сейчас я вижу в России много перспектив, и я люблю нашу культуру.

Надо признать, что после 10 лет разъездов и “кочевого” образа жизни принять решение, что я возвращаюсь и начинаю новый этап на постоянной позиции, оказалось психологически сложнее, чем, скажем, в очередной раз переехать в другую страну.

А почему Вышка? Потому что это очень динамичный, активно развивающийся университет. На мой взгляд, это самый перспективный вуз в стране. Здесь есть возможность воплощать новые интересные идеи, и здесь работают сильные ученые. Вышка мне напоминает Беркли: и по активному самопозиционированию в качестве проводника либеральных идей, и по размаху.

Объясните непосвященным (может быть на примерах), чем занимается лаборатория статистической и вычислительной геномики? Что интересного произойдёт в жизни лаборатории в ближайший год?

Геномика является одним из самых ярких представителей современной междисциплинарной науки. Нас интересует большое разнообразие задач, связанных с изучением геномов, в первую очередь – разработка новых математических моделей и методов анализа геномных данных. Мы используем теорию вероятности, статистику, машинное обучение и численные методы. Например, нас интересуют вопросы истории развития популяций: в геномах есть следы “бутылочных горлышек” (события, когда происходили значительное уменьшение размера популяции – например, когда небольшая группа наших предков покинула Африку, а их потомки заселили весь оставшийся земной шар. В геноме каждого не африканца мы видим след этого события. Мы ищем следы древней интрогрессии – примешивания популяций (например, Неандертальца и Денисовского человека). Пандемия подтолкнула нас к тому, чтобы заняться изучением эпидемиологии коронавируса в России (совместно с коллегами из Сколтеха и питерского НИИ гриппа), то есть изучением популяции вируса. А одна из моих работ привлекла внимание не только научного сообщества, но и прессы. В 2018 году в штатах задержали калифорнийского серийного убийцу, орудовавшего в 1979-1985 годах. Вычислить его удалось благодаря поиску его генетических родственников в открытых источниках. Полиции просто повезло? Оказалось, что нет: мои результаты продемонстрировали, что этот метод неизбежно должен был привести к аресту преступника, и в скором времени были раскрыты еще несколько старых дел.

В лаборатории работает много ведущих зарубежных учёных. Как сформировался этот коллектив?

В Вышке был объявлен конкурс международных лабораторий в Вышке, и я сразу же предложил своему шефу Расмусу (руководителю лаборатории в Беркли), и ему очень понравилась идея по двум причинам. Во-первых, Москва известна своей сильной школой по математике, физике и программированию, а эти компетенции очень нужны в нашей науке. Таким образом у него появилась возможность получить доступ к нашим ценным кадрам и студентам. Во-вторых, в России очень много археологических находок, которые являются источником древней ДНК (человека, мамонта и др.). Но большинство данных анализируется за рубежом. Мнение наших археологов, которые делают находки, западные школы часто игнорируют. Безусловно, это несправедливо. Расмус разделяет это мнение, и поддерживает инициативу анализа этих данных внутри нашей страны.

Чтобы сделать нашу команду еще сильнее (Расмус руководит собственной лабораторией и вовлечён во множество других проектов, поэтому не может много времени проводить в России), мы пригласили в проект ещё двух коллег: Торфина Корнелиуссена из университета Копенгагена и Расса Корбетта-Детига из университета Санта-Круза (оба раньше работали в лаборатории Расмуса). Торфин и Расс имеют свои группы в университете Копенгагена и калифорнийском университете Санта-Круза соответственно. На тот момент у меня с ними уже были совместные проекты. Все мы специалисты в разных областях: Торфин – в компьютерных науках и обработке данных, а Расс – вычислительный биолог. Таким образом мы дополняем друг друга, получается междисциплинарная команда. Сейчас мы налаживаем сотрудничество между лабораториями не только на уровне ведущих учёных, но и на уровне аспирантов и студентов. Так, аспирантка Расмуса обучает нашего стажёра-исследователя методам популяционного анализа современной и древней ДНК. Наша лаборатория в этом коллективе отвечает за математическое и компьютерное моделирование, разработку новых методов.

С какими интересными задачами Вы успели столкнуться как руководитель?

Лаборатория организована всего полгода назад. Её становление фактически совпало с пандемией коронавируса и переходом на дистанционную работу. В чём-то это создало сложности, например, очевидно, что в этом году наши иностранные коллеги не смогут приехать в Россию. С другой стороны, поскольку весь мир оказался в такой же ситуации, нам удалось запустить очень хороший семинар лаборатории: среди наших докладчиков и слушателей были представители института Макса Планка (Германия), компании 23 and Me, не говоря уже об университетах Беркли, Копенгагена и Санта-Круза. В программе ожидаются выступления сотрудников из университета Брауна и Гарвардской медицинской школы (оба США). Кроме того, в качестве слушателей к нам начали присоединяться иностранные коллеги, с которыми я не знаком лично: информация об интересном семинаре стала распространяться. Как-то раз я насчитал десяток иностранных аккаутнов в Zoom.

18 июня, 2020 г.