На недавно прошедшем в Москве Первом кристаллографическом Конгрессе «От конвергенции наук к природоподобным технологиям», организаторами которого стали Национальный комитет кристаллографов России, Национальный исследовательский центр «Курчатовский институт» и Федеральный научно-исследовательский центр «Кристаллография и фотоника» РАН, было заявлено о целом ряде ярких результатов, способных качественно изменить биомедицинскую науку.
Как рассказала ученый секретарь Федерального научно-исследовательского центра «Кристаллография и фотоника», кандидат физико-математических наук Юлия Дьякова, в настоящее время одной из важнейших областей для человечества является развитие медицины и медицинских технологий, поиск новых лекарств, в том числе противовирусных средств, антибиотиков, способных бороться с мутировавшими бактериями. Одна из ключевых проблем, в решение которой во всем мире вкладывается большое количество денег, — это поиск эффективных противораковых средств.
Для того, чтобы найти противораковое средство, надо понять, как происходит запуск механизма роста раковой опухоли, почему раковые клетки не убиваются, с чем связаны мутации и изменения механизма воспроизводства клеток.
Сегодня ученые всего мира говорят о необходимости учиться у природы, переходить к природоподобным технологиям. Для этого важно изучить то, что создала живая природа, а затем научиться создавать принципиально новые системы, подобные природным. Сначала гибридные, сочетающие в себе преимущества органических молекул, белков, липидов и готовых для применения в неорганической промышленности (например, микроэлектронике). Потом — полностью искусственные.
«Чтобы создать новое лекарство, нужно понять структуру белка, — напоминает Юлия Дьякова. — Ведь основная часть процессов, которые происходят у нас в организме, связана с функционированием белковых молекул, взаимодействием их с клеточной мембраной».
Для изучения структуры белка необходимо его закристаллизовать. Есть косвенные методы, которые позволяют эту структуру смоделировать. Самым надежным является дифракционный метод, когда надо упорядочить несколько молекул белка, просветить его рентгеновским излучением и получить некую структуру. В этом деле незаменимы синхротронные источники, помогающие получить дифракционную картину. Ведущие научные центры мира сейчас нацелены на то, чтобы этот процесс автоматизировать.
«В чем сложность? — рассуждает Юлия Дьякова. — Казалось бы, получили кристалл, поставили на синхротрон, и дело сделано. Однако оказывается, белковый кристалл получить непросто. Крайне сложно подобрать условия кристаллизации, еще сложнее — получить «на выходе» кристалл хорошего качества, с неразрушаемой структурой».
Сейчас процесс поиска условий кристаллизации ведется методом проб и ошибок. Всю работу фактически выполняет робот, в который загружается планшет, растворы роста, а затем он просматривает ячейки — получилось там что-то похожее на кристалл или нет. Из сотен тысяч условий может выпасть лишь одно, при котором образовался кристалл, но и он не обязательно окажется белковым кристаллом нужного качества. Для того, чтобы перейти к дифракционной картине, достаточной для решения медицинских задач, проходит очень много времени. И этот этап непредсказуем.
Вычислить условия роста кристалла
И вот у биотехнологов появилось предположение, что существуют условия, необходимые для роста белкового кристалла — иначе процесс нуклеации, или появления первых кристаллитов, ведущих к образованию белковых молекул, организоваться из минерального хаоса просто не сможет. «Мы предположили, что уже на самой ранней стадии кристаллизации могут образовываться некие комплексы молекул, которые являются элементарным «кирпичом» роста будущего кристалла, который внутри себя упорядочен, — говорит Юлия Дьякова. — Именно из такой структуры потом вырастает необходимый нам кристалл».
Такую структуру удалось смоделировать. Для этого был взят модельный белок лизоцим, который легко растет и достаточно доступен. Из его кристаллической решетки, как из мозаики, выделили элементарные мотивы, из которых можно построить этот кристалл, и провели исследование методом малоуглового рассеяния, который позволяет определить распределение частиц в растворе и даже восстановить форму частиц. Ученые называют этот метод «возможностью увидеть невидимое».
В результате удалось показать, что уже на самой ранней стадии кристаллизации в растворе образуются октомеры, на основе которых потом возможно образование кристалла. Для исследования такого раствора требуется всего несколько минут. Меняя вариацию раствора или температуру вокруг, можно найти точку оптимума с максимальным количеством октомеров, где заведомо должен вырасти кристалл. Это принципиально новый подход, требующий значительно меньше времени и сил.
Под руководством президента НИЦ «Курчатовский институт», члена-корреспондента РАН М.В. Ковальчука были подготовлены соответствующие научные работы, которые совсем недавно опубликованы в журналах «Кристаллография» и Crystal Growth & Design американского химического сообщества. Закончены исследования на быстрых нейтронах, результаты сопоставлены с данными, полученными ранее на Курчатовском и европейском источниках синхротронного излучения. Статьи на эти темы также готовятся к публикации.
«Это достаточно важный результат, — говорит Юлия Дьякова. — Он тянет за собой массу новых возможностей в медицине. Мы показали, что от того, в каких условиях берется раствор, будь то кристалл, планарная или ленгмюровская пленка, будет зависеть конечный результат».
«Правильный» белок — эффективные лекарства
Сейчас для исследований взяты другие белки. Предварительные данные на термолизине подтвердили системный результат. Это ноу-хау российских ученых, принципиально новый подход к кристаллизации белка, результатом чего могут стать более быстрые и эффективные способы получения новых лекарств.
Один из примеров — изучение взаимодействия белка цитохрома С с кардиолипином в клеточной мембране. Удалось выяснить, что такое взаимодействие запускает процесс апоптоза клетки. «Если нам удастся полностью воспроизвести условия, в которых происходит разрушение клеточной мембраны, на следующем этапе разработки мы сможем работать с медиками, биологами и биохимиками над созданием конкретного противоракового препарата», — подчеркивает Юлия Дьякова.
Валерия Самыгина, старший научный сотрудник Института кристаллографии РАН, кандидат физико-математических наук, рассказывает: «Тема, которой я, в частности, занимаюсь, — это белковые взаимодействия. Ведь в организме точно так же, как в социуме, белки не живут каждый сам по себе. Они находятся в тесном контакте».
Скажем, при воспалении в организме задействован не один белок, а целый белковый комплекс. Важно понять механизм этих взаимодействий. Существуют маркеры воспалительных реакций. Они прошли клинические исследования, протестированы на больных, и этот комплекс был обнаружен при патологиях, ослабляющих иммунный ответ, — например, туберкулез или онкологические заболевания.
«Один из белков, которым я занимаюсь, церулоплазмин (в переводе с латыни «голубая субстанция плазмы крови»), связывает до 95% меди в крови, — продолжает Валерия Самыгина. — Этот белок используется в России, он зарегистрирован как медицинский препарат. Дело в том, что он обладает антиоксидантными свойствами, то есть нейтрализует опасные радикалы, которые образуются в нашем организме. Он используется, например, для премедикации онкологических больных перед химио- и лучевой терапией».
Однако этот препарат имеет ряд недостатков. Во-первых, активность его недостаточно высока. Во-вторых, сам процесс получения достаточно сложен. Для этого требуется плазма крови человека. Поэтому очень востребована разработка генно-инженерного препарата с такими же свойствами. И Валерией Самыгиной и её коллегами была создана структура такого же белка, но из плазмы крови крысы. Такой белок обладает гораздо большей антиоксидантной активностью, и получить его проще. «Мы уже сегодня готовы подсказать фармацевтам, каким образом надо изменить белок, чтобы он работал эффективнее», — говорит Валерия Самыгина.
Понять структуру, вычислив её
К.В. Шайтан, доктор физико-математических наук, заместитель декана биоинженерии МГУ им. М.В. Ломоносова, предложил принципиально новый подход к изучению строения белка — минуя процесс кристаллизации: «В свое время меня попросили понять, где находится наиболее яркая точка приложения в биологии рентгеновского лазера, — вспоминает он. — Рентгеновский лазер — это большая машина, состоящая из четырехкилометрового тоннеля, как в метро. Чрезвычайная яркость пучка, очень короткие вспышки. Главный фокус связан с тем, что в перспективе с его помощью можно будет изучать структуру и динамику единичных молекул, не кристаллизуя их».
Кристаллизация белка — это тупиковый путь, подчеркивает Константин Вольдемарович. Белков известно уже более шести миллионов, но куда больше не известно, и если мы будем двигаться такими темпами (порядка 20 тысяч структур в год), то до конца века ничего не сделаем. Нужны новые методы. Один из них — рентгеновский лазер.
Второй — это молекулярное моделирование, компьютерный фолдинг, которым у нас в стране также активно занимаются. Используя современные суперкомпьютерные технологии, понимание того, как происходит сворачивание этой цепочки в уникальную трехмерную структуру, в принципе, можно предсказывать пространственные структуры белков. Но, конечно, экспериментальный результат этим не заменишь.
«Дело в том, что молекула, вынутая из живой клетки, и молекула, работающая внутри клетки, — как говорят в Одессе, две большие разницы, — подчеркивает наш собеседник. — Как сердце, вынутое из организма, будет отличаться от того, которое находится внутри него. Или самолет, стоящий на аэродроме, и самолет, летящий в воздухе — это разные вещи. Тот, что стоит, совсем не обязательно полетит и тем более сядет».
К.В. Шайтан предложил своё видение того, какие принципы тут работают. Это такое своеобразное «правило дорожного движения» для молекул белка. Например, сворачивание в вязкой среде, где существует эффект поворотов вокруг связей, конформационная подвижность, равнораспределение скоростей диссипации энергии по степеням свободы. На наш взгляд, зная эти правила, можно многое понять о строении и функционировании белков. А значит, догнать природу и, возможно, обогнать её.
Наталия Лескова
