Открыты интеллектуальные материалы, имеющие... память

Скоро Национальная академия наук Украины будет отмечать 90-летие со дня своего основания. Одновременно будет праздновать свой юбилей и президент НАНУ Б.Патон. В преддверии этих событий, считаем, интересно будет услышать ответы на главные вопросы: какая сегодня ситуация в украинской науке и каково ее место в мире?

— В СМИ довольно много критических материалов, нередки и обидные упреки в адрес украинской науки, — рассказывает академик Анна Ельская, директор Института молекулярной биологии и генетики НАНУ. — Убеж­дена, что это несправедливо, поскольку мы выстояли, несмотря на трудные времена и сложную ситуацию, благодаря энтузиазму работников академии — от лаборанта до академика, — для которых наука — призвание, смысл жизни. И, бесспорно, благодаря позиции президента академии.

Сегодня можно уверенно сказать, что дееспособная часть акаде­мии не только выстояла, но и наращивает свой потенциал, активно интегрируется в мировую науку, у нее есть что дать нашему хозяйст­ву, медицине, образованию. Опреде­ленный прогресс наметился в отношениях с научными учреждениями. На мой взгляд, научно-образовательные центры, которые создаются по различным направлениям, — это реальный шанс объединить науку и образование с большими преимуществами для обоих.

Как позитив можно отметить интерес к научным разработкам, в частности биотехнологическим, который начали проявлять представители крупного капитала. Инвестирование в фундаментальную науку, на мой взгляд, дало бы возможность создать, высокие технологии, способные приносить как огромную пользу стране, так и немалые деньги инвесторам. Так что хватит посыпать голову пеплом, как это делают некоторые господа, и плакать, что наука в Украине умерла. Не буду расписываться за всех. Скажу лишь о сфере, в которой работаю и которую знаю не по слухам, — о молекулярной биологии.

Как раз в направлении, связанном с изучением ДНК — главной информационной молекулы жизни, украинские биофизики недавно получили результаты, которые дают возможность говорить о мировом уровне этих достижений. Они, в частности, впервые предложили концепцию динамической стабильности и самоорганизации биомакромолекул в неравновесных условиях, которые моделируют функционирование живой клетки, а также концепцию динамической структурной адаптации макромолекул в процессах узнавания.

Впервые выявлена огромная роль связанной воды в стабильности главной информационной молекулы ДНК.

Впервые установлена природа низкочастотных колебаний двойной спирали ДНК, сформулирована гипотеза о солитонном механизме передачи действия в ДНК, впервые доказано, что максимально возможное количество конформационных состояний ДНК (то есть стойких динамических состояний, которые молекула может приобретать, не разрывая химических связей) определяется конформационными свойствами дезоксирибозы, а также показано, что поддержка биологически важных конформаций ДНК обеспечивается не только классическими водородными связями между комплементарными основами ДНК, но и неканоническими...

Я понимаю, что для среднестатистического читателя это похоже на абракадабру. Тем не менее я перечислила эти «впервые», чтобы подчеркнуть огромный вклад украинских физиков и биологов в понимание физических основ работы главных молекул жизни — ДНК и белков.

Для скептиков приведу такие данные: суммарный импакт-фактор журналов (своеобразный показатель весомости изданий), где опубликованы статьи авторов концепции, превышает 300. Это очень неплохой результат. А количество цитирований этих трудов за последние 15 лет превышает 1500! Все это свидетельствует о незаурядном международном авторитете наших молекулярных биофизиков.

Неудивительно, что междисциплинарный цикл «Фундамен­тальные физические свойства био­полимеров, которые определяют их функционирование», был представлен Институтом радиофи­зики и электроники им. А.Усикова НАНУ на получение Государственной премии Украины в области науки и техники за 2008 год.

Кстати, макромолекулы ДНК и белки, воплощающие закодированную в них информацию в жизнь, изучала и изучает многочисленная армия ученых во всем мире — при этом имея совершенное оборудование. Поэтому абсолютно справедливо возникает вопрос: как смогли украинские ученые с их мизерным финансированием и отнюдь не идеальными условиями работы получить принципиально новые приоритетные результаты в условиях такой конкуренции?

К счастью, в науке не все решают деньги. Глав­ное — талант, серьезная научная школа и, как в нашем случае, синергетический потенциал взаимодействия ученых различных направлений. Эту работу удалось выполнить благодаря тому, что в ней приняли участие специалисты различных направлений. Чтобы было понятнее, о чем идет речь, просто назову авторов и инс­титуты, в которых они работают. Это доктора физико-математических наук Ю.Благой и В.Сорокин (Физико-технический инс­титут низких температур им. Б.Веркина НАНУ), А.Ве­сел­ков (Севастопольский национальный технический университет), С.Волков и Л.Хрис­тофоров (Институт теоретической физики им. Н.Боголюбова НАНУ), В.Ма­леев и М.Семенов (Институт радиофизики и электроники им. А.Усикова НАНУ), В.Харкянен (Институт физики НАНУ) и члены-корреспонденты НАНУ Д.Го­ворун и О.Корнелюк (Институт молекулярной биологии и генетики НАНУ).

Я зашла на официальный сайт Госкомитета по премиям и была при­ятно удивлена полусотней отзывов на эту работу через Интернет. Между прочим, в процессе ее выпол­нения авторы подготовили 77 кандидатов и 15 докторов наук, которые могли бы образовать мощный научно-исследовательский институт. Таким образом, это настоящее исследовательское достижение, про­рыв в очень актуальном направлении, о котором, к сожалению, мало известно в стране даже среди ученых. Я уже не говорю о том, что никто из представителей СМИ даже не пытался рассказать об их достижениях.

Корреспондент еженедельника «ЗН» обратилась к ученым, которые принимали участие в этой работе, с просьбой рассказать о раз­витии украинской школы молекулярной биологии и о перспек­тивах, которые она открывает.

Жизнь с точки зрения физики

В.Малеев. История украинской молекулярно-биофизической школы началась в 1964 году, когда в Институте радиофизики и электроники при поддержке директора академика А.Усикова было создано подразделение по биологической физике.

Лично я заинтересовался молекулярной биофизикой благодаря книге одного из создателей квантовой механики Е.Шредин­гера «Что такое жизнь с точки зрения физики?». Она появилась в переводе на русский в 1947 году, но вскоре ее из библиотек изъяли и уничтожили. Причина абсолютно банальна — книга заканчивалась философскими обобщениями, которые, по-видимому, не понравились тогдашним идеологам. Буквально чудом моему товарищу удалось спасти один экземпляр. Я его храню по сей день и цитирую студентам на лекциях...

Мне посчастливилось работать в годы бурного развития молекулярной биологии, когда один за другим появлялись новые фундаментальные результаты относительно закономерностей живой природы. Уже тогда ученые поняли: нужно выявлять связи между физическими механизмами, которые лежат в основе функционирования живых объектов, и биологическими особенностями их жизнедеятельности.

В.Харкянен. Чтобы раскрыть тайны живой материи, необходимы скоординированные усилия ученых, работающих в различных областях науки. Тридцать лет назад физиков заинтересовало, какие именно свойства биологических молекул выделяют их из неорганического мира? Можно ли описать эти свойства приемлемым для теоретической физики языком математики? Чтобы попытаться ответить на эти непростые вопросы, понадобилась тесная кооперация с биологами.

В.М. Один из семи приоритетов наших фундаментальных исследований связан с изучением системы «ДНК—вода». Возможно, это прозаично, но жизнь на нашей планете возникла в водной среде и поддерживается благодаря постоянному взаимодействию разнообразных биологических объектов различного уровня сложности (био­молекул, клеток, организмов) с водой. Если мы хотим понять закономерности функционирования в клетке таких биологически важных молекул, как ДНК и белки, то должны детально изучить их взаимодействие с молекулами воды и ионами металлов. С помощью специально разработанных физических методов мы впервые проследили за процессом формирования структуры двойной спирали ДНК при различном содержании воды. Анализируя эти данные, получили важный результат — вклад молекул воды в общую энергию стабилизации ДНК превышает 70%. Оказалось, что структурные переходы в ДНК сопровождаются важными изменениями ближайшего водного окружения. Без этого функционирование ДНК в клетке невозможно.

Д.Говорун. Новые результаты в исследовании проблемы конформационной механики макромолекул получены в Институте теоретической физики и Институте молекулярной биологии и генетики с привлечением квантово-механических методов и математического моделирования. Предложенные модели структуры и конформационной динамики биополимеров имеют значение для понимания чрезвычайной стабильности генетической информации, точности ее воспроизведения и передачи. Например, предложен возможный физический механизм минимизации ошибок при синтезе ДНК и наоборот — механизм образования такого состояния комплементарных нуклеотидов двойной спирали ДНК, который приводит к появлению точечной мутации, имеющей отношение только к одной паре нуклеотидов.

В.Х. Изменение конформации биополимеров — действительно чрезвычайно важная проблема. Мы, в частности, выяснили, что белковые макромолекулы, которые обычно играют роль молекулярных процессоров в живом организме, способны перестраивать функциональную часть своей структуры и в определенном смысле приспосабливать ее к внешним условиям. Иначе говоря, уже на молекулярном уровне биологические системы мож­но отнести к так называемым интеллектуальным материалам, которые реагируют на воздействие внешних факторов и хранят о нем память. Предоставленные нами доказательства этих положений на первых порах вызывали серьезные дискуссии с оппонентами, но после многочисленных обсуждений были признаны и опубликованы в ведущих мировых научных изданиях.

Суперустройства для исследования жизни микромира

О.Корнелюк. Хочу подчеркнуть, что эффективные исследования в этой области невозможны без использования самых современных компьютерных технологий. Мы впервые в Украине применили методы компьютерного моделирования динамики биополимеров. Важно, что НАНУ своевременно внедряет эти технологии в научную практику. Да, ученые академии уже несколько лет совместно используют суперкомпьютер СКИТ-3 Института кибернетики, а недавно создан Грид-сегмент НАНУ, дающий возможность объединить вычислительные ресурсы в один сверхмощный суперкомпьютер.

В.М. Полученные нами результаты относятся к разряду так называемых фундаментальных, то есть, на первый взгляд, далеких от практики. Однако на самом деле они создают основу для решения ряда практических задач.

Так, в рамках международного проекта ИНТАС, совместно с Севастопольским национальным техническим университетом, мы исследовали физические механизмы взаимодействия ДНК с серией новосинтезированных биологически активных веществ (БАВ). Это дало возможность выбрать вещества, которые потенциально имеют наибольшую антиканцерогенную активность.

Следующий пример — низкотемпературная консервация ДНК. Эта задача решена в рамках международного глобального проекта «Геном человека» при нашем участии. И еще один, но не последний, пример — влияние ионизирующей радиации на биологические объекты, в том числе ДНК. Наши исследования в рамках чернобыльских программ показали, что влияние ионизирующей радиации может быть существенно уменьшено, если ДНК находится в комплексе с определенными БАВ. Мы очертили круг этих веществ.

В.Х. Указанные результаты открывают многообещающие перспективы для разработки новых методов управления биомолекулярными системами с помощью света различной частоты и интенсивности путем создания нанокомплексов биополимера с так называемым контрактором, который под действием света слабой интенсивности способен генерировать электрическое поле, влияющее на структуру биологической макромолекулы.

О.К. На первый взгляд, методы компьютерного моделирования молекулярной динамики биополимеров не связаны непосредственно с практикой. На самом деле это не так. Мы изучили конформационную подвижность одного из ферментов, а именно — протеазы вируса иммунодефицита человека. Оказалось, что этот белок у мутантов вируса, резистентных к лекарст­венным препаратам против СПИДа, существенно отличается своей динамикой от «чувствительного». Результаты открывают возможность для создания ингибиторов протеазы вируса иммунодефицита человека нового поколения.

В завершение разговора о практической направленности выдвинутого на Государственную премию Украины цикла работ нужно подчеркнуть, что полученные результаты являются надежным теоретико-методологическим обоснованием для высоких технологий в области молекулярной медицины. Первая ласточка, которая, надеемся, сделает весну, — патент с красноречивым названием «Применение цитокинподобного полипептида ЭМАП-ІІ как средства, оказывающего противоопухолевое действие на рост карциномы предстательной железы».

Составляющие международного авторитета

Д.Г. Международный опыт показывает, что страна, которая не заботится о фундаментальной науке, не имеет будущего! Украинская наука достигает высоких результатов за счет двух факторов — высокого качества образования и точной постановки задачи, которые обычно основываются на научной интуиции. А последняя возможная лишь там, где существуют традиции научной школы. Украине в этом смысле повезло — у нее хорошая научная школа молекулярной биофизики.

О.К. Фундаментальные исследования в области молекулярной биофизики и структурной биологии очень пригодятся медицине, прежде всего для создания новых лекарственных препаратов против ряда недугов, в частности СПИДа, рака и туберкулеза.

В.М. Не забывайте также, что ученые, которые занимаются фундаментальной наукой, способны решать значительно более широкий круг задач, чем исключительно профессиональные, — а именно социальные, гуманитарные, и играть роль интеллектуальных авторитетов в обществе…