Медицину из тупика выведут микроцины и бактериофаги
Сначала о личностях. О том, что в двух институтах РАН — молекулярной генетики и биологии гена — трудится профессор Университета Ратгерса (США) Константин Северинов, широкой научной (и не только научной) общественности стало известно ещё в прошлом году после серии публикаций в разных изданиях о попытках русского американца противостоять «особенностям» отечественной академической системы. Разумеется, отдельные учёные и раньше позволяли себе публичную критику в адрес РАНовских начальников, но столь последовательно и дерзко, пожалуй, не выступал ещё никто. Публикации имели небывалый резонанс и принесли г-ну Северинову, молодому по российским меркам учёному, «политическую» популярность.
Впрочем, всё это только штрихи к портрету, первые, лежащие на поверхности ассоциации по поводу деятельности (так и хочется сказать «приключений») бывшего выпускника МГУ, а ныне американского профессора в России. На самом деле Константин занят не только (и не столько) борьбой за достойные условия работы для учёных РАН, прежде всего он изучает фундаментальные вопросы современной микробиологии.
Вместе с Константином работают президентская стипендиатка по биологии 2008 года кандидат биологических наук Наталья Акуленко, а также аспиранты Тимур Казаков, Ксения Пугач и Мария Новикова, открывшие мне страшную тайну, что после защиты диссертации хотели бы продолжить работу в американской группе своего руководителя.
Теперь собственно о науке. Сразу оговоримся, что не стоит напрямую связывать фундаментальные проекты, целью которых является поиск ответов на загадки природы, с созданием новых лекарственных средств. Учёные в лаборатории Северинова не разрабатывают антибиотики как таковые, а проводят фундаментальные исследования, результаты которых в конечном итоге могут дать куда более значительный эффект для развития новых направлений медицины, чем простая доводка и столь ожидаемая некоторыми выдача «на гора» конкретного нового препарата.
Проекты Константина Северинова поддерживаются грантами Национальных институтов здоровья США, грантами РФФИ, академической программой «Молекулярная и клеточная биология» и российским благотворительным фондом «Наука за продление жизни».
«Микроцины вывели на новый способ производства интерферона»
Один из проектов, стартовавший в 2000 году в американской лаборатории Университета Ратгерса и продолженный с 2005 года в Институте молекулярной генетики РАН, посвящён закодированным в генах бактерий микроцинам.
В природе бактерии используют их для борьбы с себе подобными. «Когда микробов становится слишком много, некоторые из них начинают вырабатывать микроцины, безопасные для них самих, но убийственные для их собратьев, — поясняет профессор Северинов. — Этакий геноцид, в ходе которого более приспособленные и ловкие бактерии расчищают себе и своим потомкам пространство для жизни. Всё, как у людей».
Казалось бы, обладающие антибактериальным свойством микроцины должны найти применение в медицине, однако практическое использование этих веществ тормозится отсутствием понимания механизмов их воздействия на бактерии. В лаборатории Северинова были детально описаны принципы работы двух микроцинов. «Один из них — микроцин С — применяет тактику “троянского коня”, — рассказывает Константин. — Бактерия принимает его за пищу, поглощает и начинает расщеплять, что приводит к высвобождению смертоносного вещества. Таким образом микроб фактически совершает акт суицида». Созданные учёными микроциноподобные вещества, действующие по такому принципу, уже запатентованы в США и России. Возможно, в будущем они станут основой для создания новых классов антибиотиков, но это, как отмечает Северинов, уже область интересов прикладной науки.
Исследователям удалось раскрыть и «секрет» микроцина J, выдерживающего автоклавирование без потери антибактериальных свойств, в отличие от большинства биологически активных веществ. «Оказалось, его белковая цепь бyквально завязана в прочный узел, что объясняет его необычные физические свойства, — разъясняет руководитель проекта. — Поначалу мы думали, что структура уникальна, однако в результате биоинформатического анализа, проведённого в прошлом году совместно с группой заместителя директора Института проблем передачи информации им. А.А. Харкевича РАН Михаила Гельфанда, получили целую серию подобных веществ. Недавние публикации в ряде ведущих журналов подтверждают, что, по крайней мере, некоторые из них действительно существуют в реальной жизни. Однако сведений о биологической функции этих молекулярных “узелков” в науке до сих пор нет. И в Штатах, и в России мы с коллегами активно прорабатываем это направление, и с нетерпением ожидаем сведений из лабораторий конкурентов».
Сейчас учёные заняты модификацией генов изученных микроцинов с целью придания им новых, улучшенных свойств, благодаря которым они могли бы воздействовать на устойчивые формы бактерий. Полученные вещества скринируют и изучают наиболее интересные из них.
В лаборатории Северинова каждый день что-нибудь клонируют, синтезируют и тeстируют. В нашем присутствии клоны клеток, несущих плазмиды с комплексом генов синтеза мутантных производных микроцина С, наносили на поверхность агара, залитого в чашки Петри и содержащего различные тестерные бактерии. После инкубации при температуре 37 градусов Цельсия в течение нескольких часов, необходимой для образования газона тестерных клеток, вокруг колоний клеток-продуцентов микроцина образовывались ясно видимые прозрачные зоны ингибирования роста — результат антибактериального действия микроцинов. Некоторые из этих областей были гораздо больше, чем зоны, наблюдаемые вокруг клеток-продуцентов немодифицированного микроцина. Это потенциальные кандидаты на дальнейшее изучение. Предметом исследования в том числе станут итеративные циклы дополнительных изменений, в результате которых могут быть получены вещества с изменённым спектром антибактериального действия.
«Так, опытным путём мы изучаем структуру и функции молекул микроцинов и параллельно создаём библиотеки производных этих веществ, многие из которых обладают улучшенными свойствами и могут напрямую идти в разработку перспективных антибактериальных агентов или агентов для деконтаминации», — рассказывает аспирант Тимур Казаков.
В процессе работы случаются и неожиданные результаты. В прошлом году Тимур какими-то неисповедимыми путями вышел от микроцинов на изучение клеточных протеаз, которые, в свою очередь, позволили найти возможное решение одной из проблем, актуальных для отечественных производителей рекомбинантного интерферона.
«Выпускаемый в России интерферон в ближайшее время перестанет использоваться, поскольку вслед за Европой и у нас будут введены более жёсткие требования к его химическому составу, — поясняет Константин Северинов. — Отечественный рекомбинантный интерферон, получаемый из специально созданных бактерий, имеет аминокислоты, которых нет у “естественного” человеческого интерферона, и которые по новым требованиям должны быть удалены. Очевидным решением проблемы является полный отказ от “бактериального” интерферона, однако уровень развития отечественной биотехнологии не позволяет этого сделать. Используя знания, полученные нами в процессе изучения микроцинов, можно удалить нежелательные аминокислотные остатки без полной смены имеющейся технологической платформы».
Параллельно учёные Института молекулярной генетики РАН исследуют новые возможности создания микроциноподобных веществ с заданными свойствами (количество химических модификаций микроцинов ограничено). В частности, они пришли к выводу, что можно получать обширные «библиотеки» вариантов микроцинов при помощи стандартных методов генной инженерии, поскольку пептиды микроцинов закодированы именно генами. Предположительно, скрининг таких библиотек приведёт к идентификации мутантных микроцинов с улучшенными свойствами и, в перспективе, к созданию замены используемым в настоящее время антибиотикам.
«Фаг подходит к бактерии, как ключ к замку»
Вторая тема, активно разрабатываемая в лаборатории Константина Северинова, — бактериофаги, или вирусы бактерий, которые рассматривались как перспективное лечебное средство ещё в начале прошлого века, но были отодвинуты на медицинскую «периферию» синтетическими антибиотиками. Пожалуй, единственное место, где учёные никогда не списывали их со счетов, — НИИ бактериофагов, микробиологии и вирусологии им. Г. Элиава в Тбилиси, основанный в 20-е годы при участии французского бактериолога Феликсa д’Эрелля, который, собственно, первым и описал эти вирусы. Институт продолжает изучать фаги и в наши дни, хотя далеко уже не с «советским» размахом.
Чем заменить антибиотики?
Медицина постепенно становится практически такой же беспомощной, как и до открытия в 1928 году шотландцем Александром Флемингом пенициллина и последовавшего за этим открытием бума антибиотиков. Ещё в середине прошлого века начали появляться тревожные сообщения о случаях заболевания опасными инфекциями, при которых возбудители оставались устойчивыми к казалось бы спасительным препаратам. С течением времени всё больше бактерий обнаруживали в себе способность противостоять синтетическим средствам. В ответ на это учёные создавали новые, более мощные антибиотики, и постепенно утверждались во мнении, что… заходят в тупик. «Мы можем оглянуться на эру антибиотиков просто как на проходящий этап в истории медицины, как на эру, когда растрачивались огромные природные ресурсы, а микробы оказались умнее людей», — признал в одной из своих статей австралийский микробиолог Кен Харви.
В последние несколько лет бaктериофагами заинтересовались учёные во многих развитых странах. «Фаги обладают очевидными преимуществами по сравнению с синтетическими антибиотиками или микроцинами, — поясняет Северинов. — При лечении бактериальных инфекций они уничтожают только “вражеские” микроорганизмы, при этом не оказывая влияния на остальную микробиальную флору и, следовательно, не вызывая дисбактериозов. Фаговая частица, как ключ к замку, подходит лишь к определённому виду или даже штамму бактерии. При этом она не только заражает и убивает отдельную микробную клетку, но и производит потомство, способное продолжать дело “родителя” до тех пор, пока присутствуют чувствительные к фагу бактерии.
Вместе с тем учёный признаёт, что практическая медицина пока не может широко использовать фаги, поскольку охарактеризованных фагов известно немного и, кроме того, бактерии быстро развивают к ним резистентность, почти так же, как и к антибиотикам.
«Взять максимум полезного от бактериофагов мы сможем только после их тщательного изучения, — продолжает Северинов. — Как вирусы, созданные самой природой для уничтожения бактерий, они должны содержать белки, токсичные для клетки-хозяина. Нужно найти и идентифицировать эти белки, а потом уже на их основе попытаться разработать эффективный способ воздействия на бактериальныe клетки».
В лаборатории Северинова фаги считают очень удобной экспериментальной моделью для изучения работы генов. Они позволяют отследить процесс заражения клетки. «Сначала вирус прикрепляется к бaктерии, потом прокалывает её оболочку и вводит внутрь свою ДНК, а затем изменяет работу генов: прекращают действовать гены бактерии-хозяина и запускаются гены вируса. Процесс генетически запрограммирован, происходит быстро и эффективно», — делится аспирантка Ксения Пугач.
В январе этого года Ксения провела опыт, по результатам которого открылась возможность прояснить неизвестный нa тот момент oбщий механизм вoзникновения устoйчивости бактериальных клеток к бактериофагам. Для продолжения работы был необходим радиоактивный фосфор-32, но единственный российский завод, где производили заветное вещество, на несколько месяцев закрылся, а поставки из-за рубежа не были организованы, что вынудило Ксению приостановить эксперименты. В августе в журнале Science вышла статья американских и голландских учёных, в которой рассказывалось о похожем исследовании, правда, выведенном на качественно новый уровень.
«Стало бессмысленно продолжать эту работу, — с сожалением говорит Ксения. — Хотя в целом исследования бактериофагов мы продолжаем, и будем стараться вeсти и приоритетные исследования, и публиковать результаты».
По словам профессора Северинова, печальная правда жизни заключается в том, что с точки зрения организации лабораторной работы для учёного в России нет никаких преимуществ, но зато имеется масса очевидных недостатков. «Однако будет неправильно думать, что вся наука делается либо не делается в зависимости от наличия прибора или материала, — считает Константин. — Учёные — люди прежде всего с головой, а не с приборами. Хороший исследователь всегда может оставить свой вклад в науке, просто в более благоприятных условиях этот вклад будет весомее… После этих слов, наверное, обрадуются любители статус-кво и вивисекционных экспериментов над российской наукой — всё равно всегда найдутся люди, которые будут работать, так как для них наука — призвание».
Наталья Быкова, STRF.ru
Фото: Дмитрий Европин
Портал «Вечная молодость» www.vechnayamolodost.ru
14.10.2008