Миражи высоких технологий

В природе все процессы проходят удивительно согласованно. Логичность неимоверного количества внутренних связей — поразительна, загадочна. Единство природы потрясает воображение.

Человеку трудно осознать целостность окружающей действительности. Мы привычно делим растения на полезные и сорняки, наивно полагаем, что наряду с полезными животными существуют вредные. Наш потребительский взгляд на мир, увы, далек от понимания реального порядка вещей.

Может ли один и тот же биохимический процесс приносить и пользу, и непоправимый вред? Возможно ли, чтобы то, что помогает выжить, с хладнокровностью часового механизма отсчитывало время, оставшееся до роковой минуты? Оказывается, возможно. Уже давно никого не удивляет, что ферменты печени, которые обезвреживают попавшие с пищей опасные вещества, могут превращать некоторые из них, в основном синтетические, в канцерогены. А такое явление, как апоптоз («программированная» смерть клеток), лежащее в основе осеннего листопада, связано также с естественным старением организма.

Тот, кто скрывается
в мембране

Живая клетка постоянно ведет диалог с внешним миром, обмениваясь с ним веществами. Напомним, что белки – высокомолекулярные природные соединения, молекула которых построена из остатков аминокислот. Белки – основа жизни. Мы также состоим в основном из них. Пептид – короткая цепочка из остатков аминокислот, участок длинной нити белка. Для проникновения отдельных белковых молекул внутрь клетки в ее оболочке – мембране – предусмотрены разные пути. Одни проходят через специальные поры или через «каналы», другие путешествуют в пузырьках-везикулах. Однако многие молекулы попадают в клетку, просто проходя «сквозь стену» – ныряют в мембрану с внешней стороны и вскоре оказываются внутри.

Впрочем, такое путешествие зачастую становится настоящим приключением, поскольку белковую молекулу внутри мембраны подстерегают превращения. На самом деле эти превращения необходимы, ведь за пределами клетки многие сложные молекулы, прежде всего белки, перемещаются в виде так называемых предшественников. Предшественник (англ. precursor – прекурсор) – неактивная форма молекулы. Перемещаться вне клетки в виде более защищенного предшественника намного безопаснее – целее будешь. Да и «перья распускать» заранее нет надобности, поскольку рабочее место активной формы белка находится внутри клетки.

В активную рабочую единицу предшественника превращают молекулы-ферменты, находящиеся в мембране. Способы активации предшественников многообразны и для каждого типа молекулярных «пришельцев» – свои. Мы расскажем о ферменте мембран клеток млекопитающих, который называется фурин.

Фурин относится к эндопротеазам. «Эндо» означает «внутренниий», то есть этот фермент действует внутри, в данном случае внутри клетки (внутри мембраны) и не выделяется во внеклеточную среду. А объектом его воздействия являются протеины, т.е. белки, которые он расщепляет.

Что же делает фурин?

Фурин расщепляет белковые молекулы, которые проходят через мембрану внутрь клетки. Разрыв белковых цепей идет по аминокислотным последовательностям, которые включают положительно заряженный остаток аминокислоты аргинина.

Исследования последних 10—15 лет позволяют утверждать, что разрыв белковых молекул фурином – это один из универсальных механизмов активации белков в организме млекопитающего. Причем именно тех белков, которые поступают внутрь клетки извне. А это, например, факторы роста или белки плазмы крови. Таким образом, фурин играет важную роль и в развитии организма, и в поддержании на должном уровне его повседневных функций.

Однако извне в клетку проникают не только собственные белки организма и не всегда, как говорится, с добрыми намерениями. Внутрь клетки пробираются болезнетворные вирусы. Хорошо умеют обеспечивать транспортировку своих токсинов сквозь клеточную мембрану и патогенные бактерии. А все белки, путешествующие сквозь мембрану, встречаются с фурином. Он же активирует белковые молекулы, честно выполняя свою работу.

Распознавать, кто свой, а кто чужой в организме, – прерогатива иммунной системы, но отнюдь не фурина. Вот и получается, что фермент активирует большинство патогенных вирусов, включая ВИЧ-1 или вирус саркомы Рауса. А также многие бактериальные токсины –сибирской язвы, дифтерии и др.

Невольный пособник

Все обитатели нашей биосферы очень хорошо приспособлены к существованию в тесном единстве друг с другом. Чем эффективнее используются связи и взаимоотношения, тем биосфера разнообразнее и изобретательнее в своем развитии. Поэтому нет ничего удивительного в том, что механизмом активации белков фурином пользуются и «свои», и «чужие». Разница только в том, что организм использует свой фурин во благо себе, а агрессоры – вирусы и бактерии – с пользой для себя, но во вред организму-хозяину.

Таким образом, скромный мембранный фермент фурин в случае проникновения в организм инфекции и заболевания становится невольным пособником захватчиков. При этом распространение инфекционных заболеваний и течение эпидемий регулируются естественным образом системой биосферных взаимосвязей.

Однако ситуация может кардинально измениться, если в ход естественных процессов вмешается злая воля человека. Массовый терроризм стал печальной приметой нашего времени. Биологический террор – лишь одна из его разновидностей.

Споры сибирской язвы уже давно стали излюбленным средством шантажа, запугивания и, нередко, агрессии. Для подобных целей могут быть использованы и другие инфекционные агенты. И в случае применения подобного оружия фурин в организме жертв невольно станет проводником злой воли террористов.

Биоорганический антитерроризм

Можно ли эффективно противостоять биотерроризму на биохимическом уровне, укрепив наш организм изнутри?

В отделе структуры и функции белков и пептидов Института биоорганической химии и нефтехимии НАН Украины в течение многих лет занимаются изучением особенностей структурной организации бактериальных токсинов и белков оболочки вирусов растений.

В 1985 году впервые в Советском Союзе учеными отдела был получен в чистом виде сложнейший бактериальный токсин, который продуцируется возбудителем коклюша. Позже объектом изучения стал дифтерийный токсин (работы велись совместно с Институтом биохимии им. А.Палладина НАН Украины). Исследователи выясняли, какие структурные фрагменты белковых молекул-токсинов отвечают за их антигенные, иммуногенные и защитные свойства, то есть какие участки белковых цепей (пептиды) токсинов распознаются иммунной системой организма, на какие из них вырабатываются антитела и какие из этих антител способны защитить организм человека от инфекции. Эти знания были необходимы для создания эффективных вакцин.

Подобные задачи решала и другая группа сотрудников, изучавшая структуру белков оболочки (капсида) вирусов картофеля. Выявление пептидных участков, позволяющих опознавать вирусы, открывало возможность для создания высокочувствительных тест-систем, которые выбраковывают зараженный посевной материал.

Поскольку во всех случаях речь шла об определении пептидных участков в структуре белковых молекул, исследователями были синтезированы многочисленные пептиды разной длины, которые воспроизводили структуру «подозреваемых» отрезков изучаемых белков. Проверяя эти синтетические копии отдельных фрагментов белков-токсинов или вирусных белков в чувствительных иммунохимических тест-системах (иммуноферментный анализ – ИФА), ученые определяли нужные участки. И таким образом устанавливали антигенную и иммуногенную структуру белковых молекул.

Может ли опыт подобных исследований помочь в защите от биологического терроризма? Может. Но, как часто бывает в науке, идея проста по замыслу, однако реализация этого замысла требует научно-технологических решений высокого уровня.

Молекулярные «обманки»

Один из принципов работы ферментов состоит в том, что они идеально распознают свой субстрат – молекулу, которую надо преобразовать. Участок молекулы-субстрата, над которым производится химическая операция, узнается и помещается в так называемый активный центр фермента, где достаточно прочно связывается. Когда же химическое превращение произошло, расщепленная фурином молекула активируется и легко покидает его активный центр.

Однако фермент можно обмануть. Если ему подсунуть молекулярную структуру, очень похожую на субстрат, но при этом не преобразуемую данным энзимом, то в активном центре установится прочная связь между ним и молекулярной «подделкой». В результате фермент с заблокированным активным центром надолго утрачивает свою трудоспособность.

Такие молекулярные «обманки» для ферментов называются ингибиторами, а сам процесс подавления с их помощью ферментативной активности – ингибированием.

Таким образом, вопрос временного – в случае опасности – «отключения» фурина может быть решен путем введения его ингибиторов в организм. Остается только эти ингибиторы синтезировать и научиться доставлять их к мембранам клеток.

Угроза биотерроризма! «Отключить» фурин!

Проблема получения удачных ингибиторов для данного фермента заключается в том, что заранее невозможно предсказать, какое именно изменение, внесенное в химическую структуру субстрата, превратит его в ингибитор. Поэтому поиски надежных ингибиторов фурина предполагают синтез определенного круга пептидов.

Спектр изменений, вносимых в структуру субстрата, довольно широк. Это и замена отдельных аминокислот, и добавление (или исключение) каких-то аминокислотных остатков. В структуру аминокислот могут вводиться определенные химические группы. Перспективным представляется также включение в структуру потенциальных ингибиторов алкалоидов растительного происхождения – кумаринов, достаточно глубоко изученных сотрудниками института биоорганической химии и нефтехимии НАН Украины.

Однако после того как вероятные ингибиторы химически сконструированы, их необходимо проверить на наличие реальной ингибирующей активности. А для этого нужно создать соответствующие тест-системы. В таких тест-системах измеряется активность фурина в различных условиях, то есть можно оценить степень торможения его ферментативной активности разными потенциальными ингибиторами.

Для эффективной защиты необходим не один какой-то ингибитор фурина, а скорее определенный набор пептидов-ингибиторов. Желательно, чтобы такие ингибиторы могли «отключать» фурин внутри организма на разное время и с различной степенью полноты. Это позволило бы использовать подобные ингибиторы для защиты людей в разных ситуациях, при различных условиях и для разных категорий населения.

Позволит ли применение ингибиторов фурина полностью нейтрализовать угрозу биологического терроризма? Очевидно нет.

Однако использование подобных ингибиторов существенно снизит возможные негативные последствия для здоровья людей от применения бактериальных токсинов и вирусов, которые активируются в организме фурином.

Своевременное профилактическое применение метода целенаправленного подавления ферментативной активности фурина в условиях угрозы применения биологического оружия террористами способно спасти жизнь тысячам и тысячам людей.