Новости

22 мая, 2017 12:02

Герои постгеномной эры. Кто и как нынче бьется за здоровье человечества?

Источник: "Поиск"
Фото: ИБХ РАН

Перед входом в Институт биоорганической химии им. академиков М.М.Шемякина и Ю.А.Овчинникова (ИБХ) РАН установлена скульптура, кажущаяся непосвященному абстрактной: шар, взятый в плен какими-то щупальцами. На самом деле, это изображение конкретного природного антибиотика - валиномицина, имеющего структуру типа “хозяин - гость”. Обладая такой конструкцией, валиномицин свободно проникает через клеточную мембрану бактерий и нарушает их калиево-натриевый баланс, оказывая антибактериальное действие. Пространственная модель валиномицина сопровождается надписью на постаменте: “Общий принцип связывания ионов металлов и их перенос через мембраны с помощью ионофоров был открыт в институте в 1963 году”. С тех пор прошло больше полувека, и сегодня наука, создавая молекулярный каталог белков и пептидов, использует все современные технологии, включая приемы генной инженерии, методы структурной и квантовой химии, высокопроизводительную масс-спектрометрию для идентификации и количественного анализа многих тысяч веществ. Структуры, которые сейчас изучены в ИБХ, вряд ли доступны скульптурному воплощению, но знание их, как когда-то валиномицина, помогает ученым создавать новые лекарства.

У пяти дорог

Три года назад проект ИБХ РАН “Белки и пептиды в постгеномную эру. Структурно-функциональные исследования для решения фундаментальных задач и направленного конструирования инновационных лекарственных средств” выиграл в конкурсе комплексных научных программ организаций Российского научного фонда, и на работы по этому проекту было обещано выдать за пять лет 618 миллионов рублей. Кроме того, победитель брал на себя обязательства добавить на эти исследования еще четверть озвученной суммы за счет привлеченных собственных средств. У истоков формирования научных направлений по гранту стоял тогдашний директор института, а ныне его научный руководитель академик Вадим Тихонович Иванов.

Нынешней весной редакция газеты “Поиск”, собрав на импровизированный круглый стол ученых ИБХ РАН, попросила их рассказать, почему им видится целесообразным тратить такие значительные деньги на изучение белков и пептидов и что уже сделано за прошедшее время по этому проекту. 

- Фундаментальные исследования и разработки мирового уровня в области биологии сегодня чрезвычайно дороги, но и столь же перспективны, - начал объяснение, словно лекцию первокурсникам университета, научный руководитель огромной работы, врио директора ИБХ РАН академик Александр Габибов. Но быстро перешел к конкретике: - Сотни миллионов рублей, выделенные фондом, пойдут на изучение ключевых компонентов живой клетки - белков и пептидов - по пяти важнейшим направлениям. Дело в том, что пептиды, например, могут служить маркерами происходящих в клетке изменений. По тем, что являются фрагментами специфичных опухолевых белков, можно научиться диагностировать онкологические заболевания на ранних стадиях. А исследование молекулярно-клеточных взаимодействий в динамике (а не только статических систем) позволит подробно рассмотреть пептидный состав сыворотки и плазмы крови. Это обогатит понимание учеными основ функционирования системы врожденного иммунитета и продвинет к успеху разработки противоинфекционных лекарственных средств нового поколения. Направление развивается под руководством доктора химических наук Татьяны Овчинниковой. Коллективом опубликован ряд пионерских исследований, описывающих свойства пептидов, потенциальных антимикробных препаратов. В рамках программы очень успешно развивается направление “Пептидомика”, руководимое академиком Вадимом Говоруном.

- Особое место в программе уделено изучению главной функции белков - катализу биохимических процессов и изучению ферментов как важнейшего класса биорегуляторов, - подчеркивает Александр Габибович. - Кроме того, сотрудники нашего института занимаются исследованием рецепторных белков, которые являются ключевыми компонентами сенсорных систем организма и участниками межклеточных сигнальных взаимодействий. Изучение же свойств новых природных белково-пептидных растительных аллергенов и их аналогов сформирует базу для создания современных диагностических тест-систем и вакцин, предназначенных для профилактики аллергических заболеваний и их лечения. Плюс структурно-функциональное изу-чение ферментов, связанных с развитием сибирской язвы, ВИЧ и других инфекционных заболеваний, позволит разработать принципиально новые подходы к эффективной терапии тяжелых социально значимых болезней. 

Мастер-гены

Академик Евгений Свердлов, заведующий Лабораторией структуры и функций генов человека ИБХ РАН, возглавляет направление “Мастер-регуляторные белки и гены развития и канцерогенеза на примере поджелудочной железы”. По его словам, еще в середине XIX века было замечено сходство между раковыми и эмбриональными клетками, но только молекулярная биология прояснила причину этого явления. Дело в том, что на начальном этапе развитие организма идет путем согласованной пространственно-временной активации ряда специфических групп генов. Позже, во взрослой системе, многие из этих генов перестают работать, но “в работу вступают” другие гены. Иногда - непредсказуемо... Как утверждает Е.Свердлов, онкология - это процесс дерегуляции.

- При развитии раковой опухоли наблюдаются реактивация некоторых эмбриональных генов и, наоборот, потеря функциональности ряда генов, характерных для взрослого организма, - объясняет Евгений Давидович. - Мы выдвинули гипотезу, что ключевые для эмбрионального развития того или иного органа гены (мастер-гены) являются также ключевыми для возникновения и разрастания раковой опухоли этого органа, они же способствуют возникновению метастазов. 

- То есть, понимая суть процесса, можно попытаться найти способ возвращения раковых клеток к нормальному исходному состоянию? - спрашиваем ученых.

- Да. И наши исследования с участием, кстати, молодых ученых, даже аспирантов, как раз посвящены молекулярно-генетическим особенностям аденокарциномы поджелудочной железы (АПЖ) - одной из самых трудно поддающихся лечению опухолей человека. 

Значимость этой работы трудно переоценить: онкологические заболевания поджелудочной железы занимают четвертое место по летальности. Поэтому одним из перспективных направлений терапии АПЖ могло бы стать воздействие на мастер-регуляторные гены и кодируемые ими белки. Однако точно сказать, какие из них надо сделать мишенью воздействия при такой терапии, пока не удается, хотя в лаборатории уже собрана целая коллекция образцов эмбриональных, опухолевых и здоровых тканей человека, а в этом году идентифицирована генная группа мастер-регуляторов развития поджелудочной железы. И, как утверждает академик, они координированно включаются-выключаются в клетках АПЖ. Это дает основание выдвинуть гипотезу генно-терапевтического лечения болезни, но до результата еще годы и годы научного труда.

Рецепторы-информаторы

Коллектив специалистов под руководством доктора химических наук Александра Петренко изучает свойства рецепторных и сигнальных белков, анализируя их структуры и функции. 

- Основная задача рецепторных белков - переносить информацию от наружного окружения внутрь клетки, - рассказывает Александр Георгиевич. - Рецепторы регулируют важнейшие процессы жизнедеятельности клеток. Нарушения в их работе - причина многих заболеваний, в частности таких, как диабет и рак. Понимание того, как функционируют рецепторы, не только представляет научный фундаментальный интерес, но и может послужить основой для создания новых лекарственных средств. Мы проводим комплексное исследование рецепторов с помощью методов современной физико-химической биологии: от спектроскопии, ядерного магнитного резонанса высокого разрешения, позволяющего установить пространственную структуру белков, до физиологических экспериментов на животных. 

Сотрудники института изучают рецепторы, наиболее интересные для нас, во-первых, тем, что они оказались вовлечены в процессы саморегуляции и развитие клеток организма, а во-вторых, тем, что, как мы знаем, при их неправильном функционировании в организме возникают онкологические процессы. На основе полученных данных удалось описать молекулярные механизмы влияния внутримембранных онкогенных мутаций на активацию рецепторов эпидермальных факторов роста семейства HER/ErbB, которые известны как “онкомаркеры” рака молочной железы. 

- Исследуя рыбу данио и головастиков шпорцевой лягушки, мы обнаружили у тех и других группу генов, управляющих процессом регенерации конечностей, а также участвующих в регуляции развития головного мозга, - рассказывает профессор Андрей Зарайский. - Особенность всех этих генов - то, что в процессе эволюции они были потеряны высшими позвоночными (птицами и млекопитающими), в том числе и человеком. Мы предполагаем, что именно утрата этих генов стала одной из причин снижения регенерационных способностей у высших позвоночных. Как известно, птицы и млекопитающие, в отличие от низших позвоночных, не могут восстанавливать утраченные конечности, но зато они, высшие позвоночные, имеют более развитый головной мозг. Есть некоторые указания на то, что потеря обнаруженных нами генов предками высших позвоночных сняла определенные блоки, тормозящие развитие мозга, у низших позвоночных. То есть прогресс в развитии мозга мог оказаться своего рода компенсацией, которую предки высших позвоночных получили за утрату способности к восстановлению конечностей. 

Пептиды-защитники

Руководитель Учебно-научного центра доктор химических наук Татьяна Овчинникова возглавляет исследования по направлению “Пептидомика. Пептидные факторы системы врожденного иммунитета”.

- Мы изучаем взаимосвязь структуры и функций эндогенных защитных пептидов и белков, - рассказывает она. - Эта работа важна как для понимания молекулярных основ регуляции иммунитета, так и для выработки новых подходов к профилактике и терапии инфекционных заболеваний. В центре нашего внимания катионные антимикробные пептиды (АМП), которые были выделены в 60-х годах XX века из лизосомного аппарата нейтрофилов кролика и морской свинки и получили название дефенсинов (от англ. defence - защита). Антимикробные пептиды оказались представителями универсального класса защитных молекул, которые впоследствии были обнаружены как у человека, так и у большинства животных. Близкие по структурным характеристикам и функциям АМП нашли далее у растений, грибов и бактерий. Сегодня есть все основания предполагать, что с дефенсинами и другими АМП связан один из древнейших эволюционных механизмов защиты животных от инфекции. По крайней мере, отмеченные в 2011 году Нобелевской премией по физиологии или медицине успехи в расшифровке молекулярных механизмов активации системы врожденного иммунитета во многом были обусловлены исследованиями регуляции экспрессии генов антимикробных пептидов у насекомых.

- Однако одним из главных недостатков природных АМП, задерживающих их внедрение в медицинскую и ветеринарную практику, является сравнительно высокий уровень их токсичности в отношении нормальных клеток млекопитающих, - продолжает Татьяна Овчинникова. - Поэтому в рамках проекта была поставлена задача получения измененных аналогов ряда пептидов, которые обладали бы большей селективностью в отношении бактерий. Структуру пептидов направленно изменяют с помощью мутаций ДНК. Наши сотрудники также исследуют молекулярные факторы врожденного иммунитета растений, в частности липид-транспортирующие белки (Lipid Transfer Proteins, сокращенно LTP), обладающие широким спектром биологической активности. Известно, что некоторые из LTP - сильные аллергены. Они вызывают болезненную реакцию человека на пыльцу, растительные продукты и латекс. Природные и рекомбинантные белковые растительные аллергены могут стать основой для получения новых диагностических тест-систем, а также применяться для специфической противоаллергенной вакцинации. В рамках проекта рассматриваются также пептиды растений, обладающие регуляторными и антимикробными функциями. Уже выявлены структуры, влияющие на скорость роста модельной флоры. Полученные данные будут использованы для создания регуляторных соединений пептидной природы.

Рассказ о возможностях пептидов дополнил всемирно признанный ученый академик Вадим Иванов, научный руководитель Института биоорганической химии:

- Пептиды могут выполнять в клетке множество важных функций, одновременно служа маркерами происходящих в ней процессов. Например, их можно использовать для ранней диагностики онкологических заболеваний. В лаборатории академика В.Говоруна разработаны методики проведения количественного безметочного анализа пептидома сыворотки крови. У больных раком яичника найдено 11 пептидов, концентрация которых в 10 или более раз выше, чем у здоровых доноров. Эти данные, безусловно, найдут применение для выявления новых биомаркеров раковых заболеваний.

Черви-светлячки

Биолюминесценция, или способность тысячи видов морских и наземных живых организмов излучать видимый свет, - одно из самых удивительных явлений природы. По разным оценкам, существует около 30 различных механизмов “холодного свечения”, однако объединяет их главное: свет является продуктом химической реакции, участниками которой обычно выступают молекула люциферина (пептида с необычной структурой), кислород и белок-люцифераза. Палитра света таких биолюминесцентных систем широка: от голубого цвета до красного.

- Раньше ученые знали структуры лишь семи люциферинов, - рассказал руководитель Лаборатории химии протеолитических ферментов профессор Лев Румш. - Однако, благодаря гранту РНФ, группа синтеза природных соединений (руководитель - доктор химических наук Илья Ямпольский) за три последних года установила структуры люциферинов еще двух совершенно новых биолюминесцентных систем - почвенного червя Fridericia heliota и высших грибов. Долгое время считалось, что химические основы биолюминесценции для всех видов почвенных червей едины, но в красноярской тайге Валентин Петушков и Наталья Родионова обнаружили новый вид червей, названный “Fridericia heliota”. К сожалению, культивировать этих червей в лабораторных условиях не получалось. Тем не менее ученым не только удалось установить, что в реакции биолюминесценции Fridericia heliota участвует пять компонентов (люциферин, люцифераза, молекулярный кислород, ионы Mg2+ и молекула АТФ), но даже выделить из биомассы червей 5 микрограммов люциферина. Это позволило предположить, а затем - благодаря органическому синтезу - однозначно установить структуру новой молекулы люциферина. Плюс, развивая данный проект, мы установили точный химический механизм биолюминесценции Fridericia heliota, который, как это ни удивительно, очень схож с механизмом функционирования обычного светлячка. Сейчас мы заканчиваем изучение строения и особенностей функционирования соответствующей люциферазы - белкового компонента системы. 

Работы по программе гранта позволили определить структуры ряда природных аналогов люциферина, выделенных из червей, - это приоткрыло завесу на пути к изучению биосинтеза молекулы. Также были синтезированы несколько искусственных аналогов люциферина, один из которых светится уже не голубым, а зеленым цветом. Люциферин Fridericia уникален - он нетоксичен, прост в получении и при этом в отличие от всех остальных люциферинов исключительно стабилен - месяцами может храниться в сухом виде и в растворе. И мы очень надеемся, что однажды биолюминесцентная система Fridericia heliota станет успешно применяться при разработке новых аналитических методов.

Биокатализ как вариант

- Одной из главных задач проекта мы считаем создание новых катализаторов на основе существующих ферментов, - поясняет старший научный сотрудник Лаборатории биокатализа кандидат химических наук Иван Смирнов. - Таким ферментом, например, является бутирилхолинэстераза. Сокращенно мы ее величаем БуХЭ. Биологические антидоты на ее основе способны нейтрализовать широкий спектр фосфорорганических токсинов (ФОТ). В рамках проекта РНФ ученым нашей лаборатории удалось создать новый каталитический антидот. Причем, в отличие от классических антидотов, где одна молекула антидота нейтрализует одну молекулу ФОТ, каталитические антидоты способны гидролизовать фосфорорганические токсины. То есть одна молекула антидота выведет из строя множество молекул ФОТ. Применение каталитических антидотов позволит многократно понизить терапевтическую дозу и повысить эффективность терапии в случае отравления пестицидами. Для поиска мутантных форм БуХЭ, способных к каталитическому разрушению ФОТ, мы создали три различные библиотеки генов, каждая из которых содержала до 1 миллиона различных вариантов фермента. Далее, применяя оригинальную, не имеющую аналогов в мире, технологию поиска биокаталитической активности, мы провели отбор только тех вариантов фермента, которые были устойчивы к ингибированию флуоресцентными аналогами пестицида параоксон и боевого отравляющего вещества зомана. Были выбраны пять вариантов фермента, обладающие устойчивостью к ингибированию соответствующими ФОТ, два из них гидролизовали пестицид параоксон. Таким образом, был сделан шаг к созданию эффективных каталитических антидотов на основе БуХЭ против отравлений ФОТ.

Лечение вирусных и раковых заболеваний невозможно без лекарственных средств, останавливающих быстрый рост злокачественных новообразований в организме человека. Многие из них, такие как кладрибин, рибавирин и флударабин, нарушают синтез ДНК, приводя к гибели опухолевых клеток и останавливая развитие вирусов. Обычно модифицированные нуклеотиды получают химическим синтезом, который сопряжен с рядом трудностей: например, надо блокировать не участвующие в реакциях функциональные группы, удалять их по окончании реакций, сложные смеси, образующиеся в процессе реакций, потом разделять... Все это снижает выход продукта, а использование дорогих реактивов приводит к его высокой конечной стоимости. Альтернативным путем синтеза аналогов нуклеозидов может стать ферментация. Среди достоинств этого метода - высокий выход продукта и, как правило, отсутствие побочных реакций. 

Для получения уже известных и создания новых терапевтических противовирусных и противораковых средств была разработана новая стратегия биосинтеза биологически важных нуклеотидов. Ее суть - каскадное использование ферментов из термофильных микроорганизмов, способных проводить химические реакции при температурах выше 70 градусов. Использование данного подхода создает предпосылки для замены химических синтетических методов получения нуклеотидов на биокаталитические.

В движении - здоровье

Множество важных процессов происходит в крови, то есть в движущейся среде. Классический пример влияния клеточного движения на биохимию клеток - это роллинг лейкоцитов по эндотелию до момента их проникновения в очаг воспаления. Но, катясь, лейкоцит не может мгновенно остановиться в нужном месте, для этого ему требуется стадия замедленного (ощупывающего) движения.

- Нет роллинга - нет и основной защитной функции лейкоцитов, возникающей в узком интервале разных скоростей кровяного потока, - подключился к беседе заведующий Лабораторией углеводов доктор химических наук Николай Бовин. - По-видимому, значительная часть клеточных взаимодействий критически зависит от динамики движения агентов, участвующих в процессе. В то же время практически все биохимические исследования проводятся в статичных условиях. Это, безусловно, одна из причин того, почему большая часть потенциальных лекарств отсеивается при переходе испытаний их активности от in vitro (статичные условия) к in vivo (в динамических процессах жизни). 

Кроме того, динамический контакт клеток важен для обмена молекулами и микрочастицами, уверен ученый. Вот почему целью исследования по направлению “Белок и гликан-опосредованные клеточные взаимодействия в динамических условиях” стал поиск неизвестных ранее динамических взаимодействий между клетками крови, между клетками и микроорганизмами и, соответственно, разработка требующейся методической базы. Например, удалось обнаружить быстрый, занимающий всего секунды, перенос гликолипидов между разными клетками, в том числе от эукариотических клеток - к бактериям. Понимание механизма обмена липидами между клеткой и бактерией позволит разгадать загадку антигенов групп крови системы АВН. Ведь до сих пор нет внятного биохимического объяснения, зачем человеку понадобились разные группы крови. Если разгадать механизмы динамических взаимодействий, то поиск лекарств станет более осмысленным, появится возможность увеличить эффективность липосом и других микро/наночастиц в качестве контейнеров для доставки лекарств, а также конструировать блокаторы вирусной инфекции. 

Итоги нашего круглого стола подвел руководитель проекта академик Александр Габибов:

- Исследования в рамках комплексной программы, поддержанной РНФ, дадут принципиально новую информацию о структуре и функциональной роли целого ряда важнейших белково-пептидных систем. Проведение НИР по всем перечисленным направлениям уже позволило привлечь к участию в научной работе большое число студентов, аспирантов, молодых ученых. Только действующий в ИБХ РАН Учебно-научный центр за год по лицензированным образовательным программам обучает 250 студентов и 80 аспирантов. Реализация комплексной программы способствует омоложению контингента института - в этой новой и перспективной программе участвуют минимум 70 кандидатов и 20 докторов наук. Всего же в проекте заняты 140 человек, больше половины этого количества ученых в возрасте до 39 лет. 

- В следующем году грант заканчивается. Вы намерены продолжить или завершить работы по этим направлениям? - спросил “Поиск” Александра Габибовича.

- Разумеется, продолжить. Решение перечисленных фундаментальных задач позволит разработать технологии получения лекарственных средств нового поколения, о которых пока рано говорить подробно, но, безусловно, они будут востребованы как системой здравоохранения, так и биотехнологической, биомедицинской и биофармацевтической отраслями экономики нашего общества.

 
28 марта, 2024
Ученые научились управлять мощностью электронного пучка в течение его импульса
В Институте сильноточной электроники СО РАН модернизирована уникальная научная электронно-пучковая...
27 марта, 2024
Ученые ТПУ научились контролировать «упаковку» кристаллических решеток стабильных радикалов
Ученые Исследовательской школы химических и биомедицинских технологий Томского политехнического унив...