Нанотехнологии в биологии и медицине
Нанобиотехнологии
В рамках совместного проекта ПостНауки и Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого мы публикуем текст кандидата физико-математических наук Михаила Ходорковского, посвященный исследованиям в области life science в рамках лабораторий молекулярной биологии.
Что такое нанобиотехнологии
Чтобы дать определение такому слову, как нанобиотехнология, следует обратиться к его составляющим частям. Попыток дать определение области наук и технологий с приставкой «нано» сделано много, и ни одно из них не кажется удачным. Можем попробовать дать еще одно с похожей неудачностью. Нанометр (а в просторечии «нано») – это одна миллиардная часть метра. Размер, например, молекулы азота составляет примерно третью часть нанометра, а такого большого и важного для человека белка, как гемоглобин, – немного больше шести нанометров. Для того чтобы создать какую-либо эффективную технологию для любой отрасли промышленности, необходимы знания о составе, структуре и механизмах взаимодействия молекул и их комплексов, определяющих протекание технологических процессов.
Так что без понимания процессов, которые протекают где-то там, в наномире, ничего стоящего уже и не сделаешь. Вот такое может быть объяснение этого странного названия применительно к биотехнологиям, которые охватывают все сферы обеспечения жизни человека. Те ее области, которые относятся к медицине, фармацевтике, сельскому хозяйству и экологии, входят в сферу интересов нашего центра, общей задачей которого является получение фундаментальных знаний о биологических процессах на молекулярном уровне с последующим внедрением результатов исследования в «народное хозяйство» в кооперации с соответствующими организациями.
Революционные биотехнологии
Для того чтобы почувствовать сложность перехода от фундаментальных исследований к практическому использованию, рассмотрим типичный пример. К нам обратились коллеги из Санкт-Петербургского клинического научно-практического центра специализированных видов медицинской помощи с предложением разработать метод экспресс-диагностики по определению границы между здоровыми и патологическими клетками ткани. Такой метод необходим нашим коллегам-хирургам, чтобы избежать ошибки во время операции и не удалить лишнее или, наоборот, не оставить проблему нерешенной. Решение этой задачи невозможно без применения большой линейки современных молекулярно-биологических методов, которые, вероятно, позволят выявить специфику «плохих» клеток и найти способ ее идентифицировать в онлайн-режиме.
Аналогичных примеров обращений к нам очень много, и каждый раз мы понимаем, что решение любой из этих задач требует глубоких фундаментальных исследований, чтобы создать работающую нанобиотехнологию. Но есть и обратное движение, когда в процессе исследований, достаточно далеких, казалось бы, от востребованных сегодня прикладных целей, получаются результаты, внедрение которых может привести к созданию совершенно новых, революционных технологий.
Научно-исследовательские лаборатории
Становление Научно-исследовательского комплекса «Нанобиотехнологии» началось в 2007–2008 годах, когда опыта в создании подобного мультидисциплинарного центра у Санкт-Петербургского политехнического университета еще не было. Существовала кафедра биофизики, факультет медицинской физики и отдельные группы на инженерных факультетах, где студенты получали неплохие знания, но современного центра, где студенты могли бы использовать свои знания для занятия научно-исследовательской работой в области «науки о жизни», не было. Создание такого центра в Политехническом университете позволяло интегрировать в одном месте как знание и опыт ученых различных специальностей, так и энергию молодежи.
На сегодняшний день в НИК «НаноБио» существует две научно-исследовательские лаборатории – Лаборатория молекулярной микробиологии (ЛММ) и Лаборатория молекулярной биологии нуклеотид-связывающих белков (ЛМБ), два Центра коллективного пользования (ЦКП) и научно-образовательный центр.
Изучение бактерий и CRISPR/Cas-систем
Основной целью работы лаборатории ЛММ под руководством блестящего ведущего ученого Константина Северинова является изучение взаимодействий бактерий друг с другом (посредством химических сигналов, включая антибиотики) и с мобильными генетическими элементами. Результаты работ только за последний период включали «со стороны» мобильных генетических элементов выделение новых бактериофагов и функциональные и структурные исследования продуктов их генов; со «стороны» бактерий проводились пионерские функциональные и структурные исследования механизмов регуляции систем рестрикции-модификации и их действия на уровне отдельных клеток и молекулярного механизма действия CRISPR/Cas-систем различных типов для обеспечения устойчивости бактерий к мобильным генетическим элементам (включая уникальные опыты, проводимые на уровне отдельных клеток).
С точки зрения взаимодействия клеток друг с другом предсказывались кластеры биосинтеза новых антибиотиков, гены которых распространяются за счет горизонтального переноса, определялась структура и механизм действия полученных новых биоактивных веществ. Были получены полусинтетические вещества с увеличенной биоактивностью, и для трех веществ проведены сертифицированные токсикологические доклинические испытания, создана команда, способная в условиях лаборатории разрабатывать регламенты производства установочных серий биоактивных веществ для их испытаний, и организована соответствующая инфраструктура. Найден суррогатный штамм для конверсии сингаза в полезный продукт, к примеру в этанол, показана активность необходимых для конверсии генов в условиях лабораторного культивирования, и проведены эксперименты, показывающие перспективность микробиологической очистки биогаза от компонентов сингаза.
Взаимодействие белков с ДНК, РНК и АТФ
В лаборатории ЛМБ, созданной в кооперации с Петербургским институтом ядерной физики, проводится исследование механизмов и динамики взаимодействия различных белков с ДНК, РНК, АТФ и другими нуклеотидами как с помощью современных экспериментальных биохимических и биофизических методов, так и с помощью теоретических методов молекулярного моделирования и молекулярной динамики. Получение новых знаний в этой области позволяет углубить понимание механизмов канцерогенеза, наследственных заболеваний, старения, репарации ДНК, клеточного деления, трансляции и многих других биологических процессов и тем самым способствует развитию новых подходов в терапии социально значимых заболеваний (рака, наследственных и инфекционных) на основе знания индивидуальных особенностей пациента, а также в увеличении продолжительности жизни человека.
Эти исследования помогут созданию новых антибиотиков и агентов, препятствующих формированию устойчивости микроорганизмов к антибиотикам, и, кроме того, ускорят разработки биотехнологических штаммов бактерий для обезвреживания радиоактивных отходов и улучшения среды обитания человека.
Одним из последних впечатляющих результатов исследований лаборатории является открытие небольших молекул пептидов, ингибирующих резистентность патогенных бактерий к действию антибактериальных препаратов. Получение этого результата было бы невозможно без объединения усилий теоретической группы лаборатории, обеспечивших полноатомное моделирование молекулярного комплекса «белок – ДНК», и высокопрофессиональных экспериментаторов, подтвердивших эффект с помощью современных молекулярно-биологических методов, включая одномолекулярные. В настоящий момент полученный результат находится в стадии патентования.
Методы исследования
Фундаментальные исследования в НИК выполняются с помощью комплексного подхода, включающего методы геномного анализа, структурной биологии, масс-спектрометрии, биоинформатического анализа, молекулярной и классической генетики бактерий, биохимических подходов, методов масс- и ЯМР-спектрометрии, КД-спектроскопии, спектрофотометрии и флюорометрии, методов витальной флюоресцентной микроскопии и автоматического анализа изображений, субдифракционной флуоресцентной микроскопии, молекулярного моделирования, а также сверхсовременных технологий single cell и single molecule (одномолекулярных).
В отличие от перечисленных выше, одномолекулярные методы практически неизвестны широкому кругу исследователей в России, и, может быть, следует сказать несколько слов об их возможностях на примере имеющейся в НИК установки «Лазерный пинцет».
Методы позволяют изучать свойства индивидуальных молекул, а также получать данные о динамике их изменения в реальном времени, исключая усреднение по ансамблю из тысяч и миллионов молекул, что неизбежно при исследовании в «пробирке». В связи с этим одномолекулярные методы исследований, активно развивающиеся за рубежом на протяжении последних 10–15 лет, стали необходимым инструментом в изучении структурных и механических аспектов, например, ДНК-белковых взаимодействий и взаимодействий ДНК с веществами небелковой природы, а также при исследовании динамики протекания данных процессов.
Одним из таких наиболее перспективных методов исследования является метод оптического захвата, реализуемый в установке «Лазерный пинцет». Исследования на ней позволяют осуществлять манипуляцию молекулами ДНК в водном растворе, а также измерять силы, приложенные к ним в широком диапазоне (от сотен фемтоньютонов до десятков и сотен пиконьютонов). В данный диапазон попадают силы, развиваемые молекулярными моторами, представляющими собой отдельные биологические молекулы (например, ДНК-полимераза), а также силы, приложение которых приводит к изменению структурных свойств отдельных молекул нуклеиновых кислот (например, разрушение вторичной структуры ДНК).
К сожалению, несмотря на широкое распространение этих методов за рубежом, в России на данный момент только у нас существует действующая установка, поэтому мы вынуждены осваивать и разрабатывать методики исследований, изучая статьи и обмениваясь опытом с зарубежными коллегами.
Междисциплинарный комплекс
Коллектив научно-исследовательского комплекса состоит из научных работников разных специальностей. Для освоения и разработки методов с использованием сложной физической аппаратуры необходимы высокопрофессиональные физики и инженеры, без усилий которых исследовательские возможности биологов были бы весьма ограниченны. Практически все работы, проводимые в НИК, являют собой пример взаимодействия групп с различной профессиональной специализацией.
В качестве примера можно привести исследования взаимодействия комплексов эукариотических белков Pontin и Reptin с ДНК и АТФ. Эти белки ответственны за многие процессы жизнедеятельности клетки человеческого организма: известно, что уровень синтеза этих белков напрямую влияет на развитие онкологических заболеваний печени.
Над исследованием этого комплекса белков работают несколько групп с разной специализацией: теоретики, занимающиеся молекулярным моделированием свойств комплекса «белок – ДНК», биохимики, синтезирующие эти белки и их мутантов, биофизики, исследующие их активность классическими биофизическими методами, и физики, исследующие динамику формирования комплексов этих белков на индивидуальных молекулах ДНК с помощью оптического захвата. Сегодня в коллективе НИК более пятидесяти сотрудников, при этом более 70% составляют аспиранты и студенты различных специальностей. Именно за ними мы видим будущие успехи и открытия нашего центра.
Об авторе: Михаил Ходорковский – кандидат физико-математических наук, директор Научно-исследовательского комплекса "Нанобиотехнологии" СПбПУ, заведующий лабораторией молекулярной биологии нуклеотид-связывающих белков.
Портал «Вечная молодость» http://vechnayamolodost.ru
12.07.2016