Ученые КФУ создают механизмы влияния на одну из самых опасных бактерий

Борьба с заболеваниями, тяжело поддающимися лечению или вовсе ныне неизлечимыми – онкологическими, наследственными, а также вызванными различными патогенами, – является целью ученых, изучающих молекулярную структуру клетки.

Это научное направление - структурная биология - появилось более 50 лет назад после описания механизма репликации (разделения) ДНК на две идентичные молекулы, и является сегодня важнейшей частью исследовательских программ ведущих вузов мира. А возможности, которые открывает перед нами глубинное понимание происходящих в клетке механизмов, поражают воображение.

Подробнее об этом, а также том, как наши ученые планируют побороть одну из самых известных и опасных бактерий, почему молекулярных биологов можно назвать «работниками баррикад», а онкозаболевания – «непаханым полем», в интервью с руководителем НИЛ Структурная биология Института фундаментальной медицины и биологии КФУ, профессором Страсбургского университета Маратом Юсуповым.

- То, чем мы занимаемся в университете, можно кратко выразить двумя словами - биохимия и биофизика, то есть, нами используются физические и химические методы для изучения биологических процессов.

Научная цель, которую мы поставили перед собой в лаборатории, – исследование белоксинтезирующего аппарата клетки, причем клетки патогена – стафилококка. Изучить его необходимо для того, чтобы понять, какие у него уязвимые точки, и как, соответственно, прекратить его жизнедеятельность, облегчив жизнь человеку.

В настоящее время бактерии, живущие в нашем организме, уничтожаются с помощью антибиотиков. Проблема в том, что существует множество стафилококковых штаммов, для борьбы с которыми не имеется лекарственных препаратов, и в некоторых случаях воспаление легких у человека, даже при должном лечении, оканчивается летальным исходом. К сожалению, таких примеров в мире множество. Но этого можно избежать, если бактерии, подавляющие человеческую жизнь, будут исследованы.

При множестве существующих для изучения механизмов в клетке, нами, как уже было сказано, был выбран следующий – ингибирование работы белоксинтезирующего аппарата, его основного компонента – рибосомы. Почему именно он? Дело в том, что есть клеточная система, которая в стрессовой ситуации выключает работу рибосомы за счет образования рибосомных димеров. В этой димерной форме рибосома не функционирует, ждет, когда стресс пройдет, и только потом включается в работу и начинает синтезировать белок снова.

Проще говоря, если мы «выключим» систему выработки белка в стафилококковой клетке, она умрет. Действие ровно такое же, как и у антибиотиков, когда маленькие молекулы связываются с рибосомой и «выключают» ее работу.

- Структурная биология – это не только борьба с клетками патогенов, но и попытка регулировать процессы в клетке человека?

- Да, обширной и популярной темой для структурной биологии является терапия онкологических заболеваний, требующая все больше информации о клеточных механизмах человека и необходимости описания их на физико-химическом уровне. Как правило, с пониманием приходит и противоядие. И в этой области наблюдается громадный прогресс. Из-за невероятного количества видов онкологических заболеваний создается видимость того, что направление не очень активно развивается. Но нужно понимать – для достижения прогресса в целом необходимо исследовать онкологический механизм каждого вида.

Одним из наиболее ярких позитивных примеров является очень высокая (90 процентов) вероятность излечения рака молочной железы, что является достижением молекулярных биологов, включая структурных.

В компетенцию структурных биологов входят и исследования для терапии генетических, наследственных заболеваний.

Наше тело – волосы, ногти, мышцы состоят из строительных, двигательных и других белков. Но основная их часть в клетках человека – энзимы, которые выполняют любые другие функции организма. Таким образом, если вы включаете или выключаете работу синтеза белка – рибосомы, то можете регулировать все, что происходит в организме. А это, в свою очередь, этап переворачивания генетической информации, записанной в ДНК. Белок – это аминокислотная последовательность, ДНК – нуклеотидная, то есть, информация в генах записана одним языком, а в белках – другим. Компонента клетки, комплекс, которые «переворачивает» или переводит информацию с одного языка на другой – рибосома. Значимо то, что ее активность мы и пытаемся научиться регулировать.

И именно это особо актуально для терапии генетических, наследственных заболеваний. Дело в том, что генетическое заболевание вызывается мутацией, заложенной в организме с материнской или отцовской стороны. На каких-то этапах развития человека перенос информации из ДНК в белки, осуществляемый рибосомой, нарушается. Известно, что читаемая рибосомой последовательность генов начинается и заканчивается строго в определенной точке, прочитывается строго определенное количество нуклеотидов в ДНК, а затем эта информация превращается в белок, выполняющий какую-то активную функцию в клетке. Предположим, что в середине последовательности возникла мутация, которая не дает считывать информацию дальше, то есть, рибосома дочитывает до этого места и абортирует, соответственно, и белок получается не полным, а абортированным, все равно, что нефункциональные кусочки.

Из-за этого возникает генетическая болезнь. Подобных заболеваний в настоящее время насчитывают 300 видов. Ученые пытаются регулировать работу рибосомы, чтобы она при наличии подобных стоп-мутаций дочитывала информацию до конца. Опять-таки, это проблема структурной биологии.

К счастью, сегодня уже получены первые позитивные результаты – прочитывать поврежденную ДНК рибосому научила группа исследователей из США, Лос-Анджелеса посредством эксперимента. Научного объяснения факту ученые дать не смогли, и он не был принят научным сообществом, что привело к закрытию проекта. Правда медикамент успели успешно опробовать на добровольцах и исследования все же были продолжены после того, как пациенты подали на стартап ученых иск в суд. После инцидента, к слову, компания за год получила 120 млн. долларов инвестиций.

Аналогичные процессы разворачиваются по всему миру. Лаборатории, подобные нашей, активно работают в содружестве с госпиталями и также участвуют в разработке новых лекарств.

И для нас бактериальная тема стафилококка далеко не предел, рассматриваются варианты перехода к изучению эукариотических организмов высокой организации, среди которых – клетки человека. А это уже, как было сказано, работа над решением проблем онкологических и наследственных заболеваний.

- Какие еще патогены являются объектами исследований в мире?

- Их множество. Приведу пару примеров. В Латинской Америке исследуют трипаносомы – паразитарные одноклеточные организмы, распространяемые насекомыми и вызывающие сонную болезнь и болезнь Шагаса; особенность исследования заключается в том, что трипаносома - не бактерия, а эукариот.

Интересным примером является лейшмания, ставшая объектом бурных исследований в области структурной биологии после распространения среди американских военных в Ираке.

Добавлю, было время, когда люди умирали от СПИДа со стопроцентной вероятностью. Так продолжалось до тех пор, пока изучением заболевания не занялась группа профессоров одного из ведущих вузов США - Калифорнийского технологического института. Именно они придумывали первый ингибитор против протеазы СПИДа, который до сих пор является одним из трех лекарственных препаратов, применяемых при терапии, и в комплексном использовании дают человеку возможность вести полноценную жизнь.

Как только происходит всплеск какого-либо заболевания, туда тут же бросаются молекулярные биологи и, проведя исследования, предлагают варианты борьбы с той или иной болезнью. И одна из таких научных групп – НИЛ Структурная биология КФУ.

О методологии

- В нашей работе используются современные биофизические и биохимические методы, группа ученых лаборатории – межинститутская. В нее входят биологи, физики, также планируется подключить к исследованиям химиков. В настоящее время работа выстраивается с биохимической лабораторией, используется ядерно-магнитный резонанс, микроскопия.

Самое главное ограничение, сковывающее проект, - отсутствие в КФУ двух из трех необходимых для исследований методов. Один из них – метод криоэлектронной микроскопии, который даёт возможность исследовать замороженные образцы и изучить структуру макромолекулярных комплексов на очень высоком уровне интерпретации, практически на молекулярном. Другой – метод рентгеноструктурного анализа, позволяет изучить структуру белка на химическом, атомарном уровне, когда каждый атом может быть распространен в трехмерном пространстве, что дает возможность предсказать, какие ингибиторы, малые молекулы могут дезактивировать белок.

Научно-исследовательских центров, в которых имелись бы все три метода, не так много. Также как и тех, где занимаются изучением рибосомы стафилококка. Проблема заключена и в самом объекте, и в методах исследования. В частности, один из немногих примеров – Институт имени Вейцмана в Израиле – ведущий и крупнейший биомедицинский центр мира, имеющий в структуре лабораторию, работающую с той же проблемой, что и мы. Возглавляет научную группу по исследованию стафилококка Ада Йонат – лауреат Нобелевской премии по химии.

О САЕ "Трансляционная 7П медицина"

- Считаю, что в Казанском федеральном университете была проведена грандиозная работа по переориентации биологического факультета, созданию всех условий для сотрудничества с физиками, химиками, медиками. Это, без сомнения, еще принесет свои плоды. Немаловажно, что у университета появилась своя клиника и получился такой замкнутый цикл, когда полное производство фундаментальных исследований, включая фармацевтический кластер, внедрение в клинику, сможет способствовать реализации крупных проектов в рамках одной организации. Проект грандиозный, его результаты, по большому счету, будем фиксировать не мы. Это, я считаю, благородно – сделать что-то масштабное не ради того, чтобы обогатиться, а заложить основу великого для своих детей.