На уровне мембраны
Марина Муравьёва, STRF.ru
Фото: Алексей Никольский, для STRF.ru
В мире отмечается бурный рост исследований мембранных белков, от которых зависят важнейшие процессы в клетке и которые служат мишенями действия почти 70% лекарств, существующих сегодня на рынке.
В Институте биоорганической химии РАН (ИБХ РАН) мембранными белками занимаются с середины 1970-х годов. Это направление сформировалось тогда под руководством директора института академика Юрия Овчинникова сразу в шести или семи лабораториях – параллельно исследовались разные аспекты проблемы. В годы перестройки большинство научных групп фактически распались. И только в лаборатории (с середины 2007 года – отделе) структурной биологии Александра Арсеньева работы, связанные с мембранными белками, вопреки всем сложностям продолжались. Новый импульс к развитию некогда приоритетного для института направления дала победа в конкурсе ФЦНТП в 2005 году и получение гранта в 120 миллионов рублей. В течение двух лет сотрудники лаборатории профессора Арсеньева вместе с коллегами из ИБХ, а также из других академических институтов и вузов выполняли комплексный проект по созданию универсальной постгеномной технологии для разработки лекарств нового поколения.
Отдел структурной биологии состоит из трёх лабораторий: биомолекулярной ЯМР-спектроскопии (заведующий Александр Арсеньев), моделирования биомолекулярных систем (Роман Ефремов) и оптической спектроскопии и микроскопии биомолекул (Алексей Феофанов). В отделе работает около 25 научных сотрудников и столько же аспирантов и студентов.
Научный ренессанс
Именно так отзывается профессор Арсеньев о периоде участия в ФЦНТП. «Благодаря этому проекту мы приобрели неоценимый опыт, почувствовали вкус к работе, – признаётся учёный. – Крупный грант позволил уйти от множества мелких Александр Арсеньев: «Благодаря проекту ФЦНТП мы приобрели неоценимый опыт, почувствовали вкус к работе. Крупный грант (120 миллионов рублей) позволил уйти от множества мелких тем, которыми занимались раньше на весьма скромные средства от РФФИ и некоторых зарубежных фондов»тем, которыми занимались раньше на весьма скромные средства от РФФИ и некоторых зарубежных фондов. А здесь сконцентрировались на одной большой серьёзной проблеме. Её решению было подчинено всё – в том числе и новая организация работы».
Приступая к проекту, первым делом отказались от привычной практики, когда каждому участнику проекта выделяется часть финансирования, поручается какое-то задание и через полгода – год, когда наступает пора отчётов, выясняется, кто что сделал. В этом случае сразу же определили направления исследований, за каждым из них
закрепили координаторов. Раз в неделю все исполнители проекта собирались, обсуждали полученные результаты и намечали текущие задачи.
«Мы на собственном опыте убедились, что новая система организации науки и научного труда может работать, – говорит заведующий лабораторией моделирования биомолекулярных систем отдела структурной биологии ИБХ РАН Роман Ефремов. – Проект показал, что при наличии достаточного финансирования (хотя по международным меркам и не очень большого) можно решать актуальные и серьёзные научные задачи, привлекать для этого первоклассных специалистов – они ещё в России есть, не все уехали. Нам удалось собрать единомышленников, энтузиастов – всех тех, кто согласился напряжённо работать. А темп был задан очень высокий. Но и результаты впечатляющие».
Антибиотики из пауков
Проект по созданию универсальной постгеномной технологии осуществлялся по четырём направлениям, объединённым общей стратегической задачей – изучением мембранных белков и пептидов. Этот класс объектов исследовать достаточно сложно: белки находятся в мембране, поэтому инструментальными методами крайне проблематично получить информацию об их динамике, структуре, функциях и т.д. Нужны специальные подходы. Участники проекта использовали в комплексе современные методы генетической и белковой инженерии, химии белка, структурной биологии, химического синтеза и высокопроизводительные вычислительные технологии.
Исследователи сосредоточились на нескольких типах мембранных белков, являющихся мишенями лекарств: антимикробных пептидах (антибиотиках белковой природы), ионных каналах и их фрагментах, интегральных мембранных рецепторах и некоторых других. Выбор изучаемых объектов вполне обоснован. Например, с нарушением ионного обмена, отвечающего за проведение нервных импульсов, связаны многие сердечно-сосудистые, психические, онкологические и другие заболевания. Весьма актуальна и разработка пептидных антибиотиков, в которой учёные из отдела структурной биологии уже достигли значительных результатов. Очевидно, что антибиотики второго-третьего поколения утратили свою эффективность: у микробов к ним давно выработалась резистентность. Поэтому нужны новые молекулы, например, пептидные. Опираясь на данные российских исследователей, несколько лет назад проанализировавших геном желёз паука (отвечают за выработку яда), учёные ИБХ нашли некоторые пептиды, которые потенциально могут стать антимикробными (антибиотиками).
«В ядах пауков мы обнаружили свыше 20 уникальных пептидов, способных стать основой для будущих лекарств, – рассказывает Александр Арсеньев. – Нам нужно было понять, как эти пептиды взаимодействуют с мембраной, какова их структура. Проблема в том, что, с одной стороны, пептиды борются с бактериями, с другой, вызывают гемолиз (разрушение кровяных клеток). В результате нам удалось создать молекулы, обладающие пониженной гемолитической активностью и повышенной антимикробной. Фактически, мы произвели молекулярный дизайн новых биологически активных соединений на базе природных аналогов: убрали ненужные функции и усилили нужные».
Кстати, при проведении одного из экспериментов по проверке гемолитического действия пептидов студенты и аспиранты отдела структурной биологии стали добровольными донорами, то есть в буквальном смысле «кровью заплатили» за научные результаты.
После завершения проекта ФЦНТП учёные из отдела структурной биологии ИБХ РАН продолжают работать в области постгеномных технологий. Как они говорят, за время выполнения проекта наработали столько материала, что можно ещё два-три года с ним разбираться, анализировать.
Лекарства с точным адресом
Сейчас исследователи разрабатывают лекарства для лечения нейродегенеративных и онкологических заболеваний и ведут свой поиск в рамках трёх основных направлений, затрагивающих ионные каналы, протеинкиназные и G-белок сопряжённые рецепторы.
Начальный этап онкозаболевания обусловлен тем, что некоторые химические сигналы, приходящие в клетку извне, стимулируют её постоянное деление. Но для передачи сигнала внутрь клетки надо, чтобы две молекулы тирозинкиназного рецептора провзаимодействовали и объединились (произошла их димеризация) – поодиночке они не работают. Учёные отдела структурной биологии заинтересовались, как образуется их комплекс, и стали определять пространственную структуру этих белков. Зная её, можно выяснить механизмы их работы и попытаться создать некую молекулу, которая будет вмешиваться в процесс образования белкового комплекса и тем самым останавливать рост опухоли. «Наша цель – создавать интересные молекулы, которые в дальнейшем могут стать лекарствами, – объясняет Александр Арсеньев. – Существующие воздействуют на клетку либо извне, либо попав внутрь неё. Мы же разрабатываем молекулы, которые будут работать на уровне клеточной мембраны. Это первая задача – доказать возможность такого подхода и продемонстрировать новые молекулы в действия. Адресные противораковые средства уже существуют. Но, к сожалению, пока их мало. К тому же они очень неселективны, токсичны для организма и после терапии требуется длительная реабилитация. Поэтому работа в этом направлении более чем актуальна».
Разработки отдела структурной биологии готовы поддерживать крупные фармацевтические фирмы. Уже третий год длится сотрудничество учёных со швейцарской фирмой Novartis Pharma, которая дала грант на экспериментальные исследования пространственной структуры G-белок сопряжённых рецепторов. Российские инвесторы также проявляют интерес. Одна компания выразила готовность вложить миллион долларов. В данный момент ведутся переговоры.
Помимо средств партнёров отдел структурной биологии проводит исследования на гранты РФФИ, некоторых других фондов, а также средства программы президиума РАН «Молекулярная и клеточная биология», в рамках которой на фундаментальные исследования в течение пяти лет выделяется по четыре миллиона рублей ежегодно.
Идеи, кадры, приборы…
Участие в ФЦНТП позволило отделу структурной биологии существенно продвинуться в исследованиях мембранных белков и пептидов. Не последнюю роль в этом сыграло приобретённое современное оборудование. По технической оснащённости с этим отделом могут сравниться в России лишь некоторые лаборатории. В то же время Александр Арсеньев признаёт: «Нельзя сказать, что мы уникальны: это нормальная ситуация на уровне хорошего западного университета, будь то Цюриха, Лондона, Гарварда, Милана и т.д. Но для российских условий это, конечно, большая редкость».
Профессора Арсеньев и Ефремов устраивают небольшую экскурсию по лаборатории, показывают последние приобретения. Среди них – единственный в России конфокальный микроскоп со сверхвысоким пространственным разрешением (100 нанометров), с помощью которого можно наблюдать за внутриклеточными процессами, получая очень чёткую трёхмерную картинку.
Впечатляют и вычислительные ресурсы лаборатории. Их основу составляют четыре высокопроизводительных многопроцессорных кластера, которые необходимы для расчётов при создании биологически активных молекул. Кроме того, сотрудники отдела структурной биологии имеют доступ к вычислительным ресурсам Межведомственного суперкомпьютерного центра РАН.
С нескрываемой гордостью Александр Арсеньев продемонстрировал ЯМР-спектрометры, установленные в новом лабораторном корпусе (ядерный магнитный резонанс – очень перспективный метод, позволяющий исследовать пространственную структуру и динамику макромолекул на атомном уровне в условиях, максимально приближённых к физиологическим). Два года назад в этом помещении находился заброшенный склад с ржавым металлом, накопившимся за 20 лет. Помещение отремонтировали, и сотрудники отдела структурной биологии запустили новое оборудование. Самый маленький ЯМР-спектрометр на 600 МГц стоит порядка полутора миллионов евро, самый большой (800 МГц) – около пяти миллионов. Средства выделялись по линии РАН и Минобрнауки.
Осматривая лабораторию, было приятно видеть молодые лица. Вопреки ожиданиям, в отделе структурной биологии не жаловались на нехватку кадров, на трудности с привлечением молодёжи. Студенты начинают здесь работать с третьего-четвёртого курсов, в основном, из МГУ, МИФИ и МФТИ (в последнем есть базовая кафедра, которую возглавляет профессор Арсеньев). Многие после вуза остаются в лаборатории.
«Проблема в том, что даже самых талантливых и подающих надежды молодых специалистов мы не можем официально взять на работу, – говорит Александр Арсеньев. – В институтах идёт сокращение сотрудников, свободных ставок нет. Недавно стало известно, что четверо наших молодых кандидатов наук получили президентские гранты по разделу “Биология, сельскохозяйственные науки и технологии”. (Всего в России было присуждено 60 таких грантов. Получается, почти 7% молодых талантливых кандидатов наук России в области биологии трудятся у нас в отделе.) Пока они работают на грант. Но это всё временно, людям важны не только деньги, им важен статус, жильё, общественное положение, важно числиться в структуре научного учреждения. Мы боимся, что они просто уедут на Запад. Наших специалистов готовы принять в лучших лабораториях мира, к примеру, не так давно аспирантка защитила кандидатскую и уехала на трёхмесячную стажировку в Швецию, в институте невозможно было получить для неё штатную единицу. Буквально через месяц ей предложили трёхлетний контракт в Стокгольмском университете. Она согласилась. И это происходит постоянно. Вообще говоря, ужасно обидно из года в год готовить специалистов для ведущих лабораторий мира».
В то же время и иностранцы проявляют интерес к отделу структурной биологии ИБХ РАН, доверяя квалификации его сотрудников. Более того, из желающих попасть сюда могла бы выстроиться очередь. Особенно много индусов и китайцев хотят здесь учиться и стажироваться. Но принять их можно только при наличии гранта. Так, из той же Швеции недавно приехал студент и в течение полугода будет выполнять дипломную работу.
Несмотря на все трудности, Александр Арсеньев и его коллеги с оптимизмом смотрят в будущее: «В общем-то, нам грех жаловаться. Оборудование сопоставимо с западным, идеи тоже не хуже, квалификация высокая. А вот жизнь дороже, зарплаты ниже. Поэтому хотелось, чтобы доходы наших сотрудников были на европейском уровне».
Портал «Вечная молодость» www.vechnayamolodost.ru
14.04.2008