От лекарств до нефтяных вышек — одна молекула

Крошечная, невидимая невооруженным взглядом молекула способна на многое — защитить человека от инфекции, избавить от страшного заболевания и одновременно помочь ему в добыче полезных ископаемых. Хотя назвать молекулу, «имя» которой на первый взгляд звучит достаточно сложно — липополисахарид, — настоящим другом сложно, поскольку она в равной степени может как помочь, так и навредить. Одним словом, единство и борьба противоположностей в отдельно взятой биологической единице…

Несмотря на широкий спектр применения, изучение гликополимеров (а именно к этой группе относится наша «героиня») находилось на периферии научных исследований, и лишь в последнее время им начали уделять серьезное внимание. В Украине эти исследования ведутся достаточно интенсивно, и в этом году цикл работ «Гликополимеры бактерий: закономерности структурной организации макромолекул, функционально-биологическая активность и аспекты практического использования» представлен на соискание Государственной премии в области науки и техники Украины. Основная часть работ проводились в Институте микробиологии и вирусологии им. Д.Заболотного НАН Украины. Об этих фундаментальных разработках, их практической значимости корреспондент «ЗН» попросила рассказать его директора, академика НАН Украины Валентина ПОДГОРСКОГО.

— Из чего состоит живая клетка? Из оболочки, цитоплазмы, нуклеоида и целого ряда других компонентов. Значительные успехи генетики привели к тому, что основной интерес ученых всего мира был направлен внутрь клетки — главным образом на изучение процессов, связанных с наследственностью. Но при этом все немного забыли, что у клетки есть и другие компоненты, играющие существенную роль в поддержании ее функций. Речь идет о клеточной стенке, которая не только удерживает цитоплазму, но и защищает клетку от многих негативных воздействий, например, от попадания в нее вредных токсинов. Но у нее есть и другая функция — организация адекватного ответа на попадание вредных веществ, то есть антигенная активность, за которую в некоторых бактериях (грамотрицательных) отвечают липополисахариды, — рассказывает Валентин Степанович.

Вообще, гликополимеры (комплекс молекул углеводов с липидами либо протеинами) — важные носители биологической информации, которая закодирована в их структурах и расшифровывается во время их «общения» (взаимодействия) с другими молекулами. Их считают частью языка жизни, а некоторые исследователи называют их третьим алфавитом — после ДНК и белков. Именно гликополимеры отвечают за важные биологические функции в организме, особенно в иммунной системе, что делает их привлекательными мишенями при создании лекарств нового поколения.

— Почему в таком случае на них, в том числе на эндотоксины, открытые более ста лет назад и известные тем, что вызывают серьезные инфекционные заболевания, не обращали серьезного внимания?

— Одна из причин — недостаточное развитие техники, что не позволяло изучить довольно сложную структуру гликополимеров. Однако появление в последние годы новых методов структурного и биохимического анализов, а также оборудования последнего поколения, позволило достичь значительного прогресса. Поэтому сегодня они стали предметом активного изучения специалистов из самых разных областей науки — бактериологов, иммунологов, химиков, биохимиков.

Липополисахариды скрывают в себе многие неразгаданные тайны. Сама природа наделила их пороками и добродетелями в такой пропорции, которая делает их невероятно сложными для изучения даже наиболее любознательным исследователям. Они объединяют в себе как вредные свойства (токсичность, повышение температуры, реакция Шварцмана, лихорадка и др.), так и невероятно полезные — антигенность, противоопухолевая и митогенная активность, способность индуцировать выработку в организме интерферонов, фактора некроза опухоли, интерлейкинов. Когда такие вещества (цитокины) выделяются в организме в оптимальном количестве, это помогает ему бороться с самыми разными заболеваниями, в том числе тормозить развитие опухолевых процессов.

Входящий в состав липополисахарида так называемый липид А придает молекуле уникальные свойства. Этот «зловредный» липид, входя в состав клеток опасных для человека бактерий, не только защищает «свою» бактерию от вредного воздействия, но и, попадая вместе с ней в организм человека или животного, пытается «обмануть» его иммунную систему. Однако с помощью специфических сывороток можно оперативно анализировать клинический материал и в считанные часы идентифицировать возбудителя инфекции.

Об актуальности изучения гликополимеров, в частности липополисахаридов, свидетельствует появление отдельной науки — гликобиологии.

Кроме этого, полисахариды, способные выделяться за пределы клетки, обладают еще одним интересным свойством — они могут повышать нефтеотдачу нефтяных пластов.

— Каким образом?

— Есть несколько методов. К примеру, если в нефтяную скважину закачать этот полисахарид, то он, расширяясь, выталкивает нефть. Кроме того, если буры, которыми бурят скважины, смазать таким полисахаридом, то они будут легче проходить сквозь породу. Эти технологии уже были испытаны в России, а сам препарат — этаполан — вырабатывался на Ладыжинском заводе в Винницкой области.

На основе этого препарата разработан способ изоляции притока пластовых вод, что позволяет при использовании одной тонны этаполана получить дополнительно до 240 тонн нефти и снизить ее обводнение с 84% до 15%! Препарат может иметь и другое, не менее полезное для человека применение — его можно добавлять в косметические кремы, моющие средства. А благодаря способности адсорбировать и выводить из организма соли тяжелых металлов, он может входить в состав хлебопродуктов, рекомендованных для лечебного питания.

— Насколько разные направления — от лекарств до нефтяных вышек! Трудно поверить, что объединяет их всего лишь одна молекула.

— Микроб, в оболочку клеток которого она входит, способен синтезировать разные вещества, и в зависимости от объекта и условий, можно получить либо одно, либо другое.

Хотел бы подчеркнуть, что авторы работы провели невероятно важные и сложные исследования. Они исследовали 110 штаммов бактерий, долгое время находившихся вне поля зрения ученых, выявили закономерности строения полисахаридов и их структурные особенности. Целый ряд методов исследования разработан непосредственно авторами этой работы либо модифицирован ими с учетом особенностей объекта исследования. Благодаря этому, из 48 установленных авторами структур липополисахаридов ими впервые описано 46! Установление структуры позволило открыть закономерности строения и биологической активности биополимеров, то есть охарактеризовать целые виды, а не отдельные штаммы микроорганизмов. Кроме того, что невероятно важно в плане разработки различных лекарственных препаратов, после определения структуры молекул были выявлены механизмы, из-за которых опасные для человека бактерии часто вызывают эндотоксический шок и приводят к смерти.

— Как же это происходит?

— Механизм биологического действия эндотоксинов выглядит следующим образом: липополисахариды взаимодействуют с определенными рецепторами на клетках макрофагов (клеток, способных активно захватывать и переваривать бактерии) и вызывают выработку интерлейкина, гамма-интерферона, фактора некроза опухоли, что может быть использовано для лечения онкозаболеваний.

Однако тут существует серьезная проблема: эти цитокины выделяются в организме в большом количестве, что и приводит к эндотоксическому шоку. Так вот, после того как была определена структура, ученые смогли предложить несколько стратегий, одна из которых заключается в получении нетоксичных липополисахаридов, способных блокировать своих токсичных «собратьев».

Кроме того, были получены полисахариды, не обладающие токсическим действием, уже от грамположительных, не опасных для человека бактерий. Они тоже являются индукторами фактора некроза опухоли, стимулируют репаративный синтез ДНК. Авторы работы показали, что липополисахариды и полисахариды имеют антилейкозные и антиметастатические свойства, то есть их можно использовать в создании лекарств против лейкозов и образования метастазов опухолей.

Так, один из исследованных препаратов в опытах на животных на 90% останавливал процесс образования метастазов. Как известно, в микромире идет постоянная борьба, в том числе и за рецепторы, с помощью которых «больная» клетка присоединяется к здоровой и передает ей свою информацию. Этот препарат как бы «закрывает» рецепторы, не давая метастазирущим клеткам присоединиться.

— Насколько близки авторы работы к непосредственному созданию лекарств, столь важных для человека?

— Следующий этап — циклы клинических испытаний, в том числе и масштабные на людях, на что у современной украинской науки пока нет денег. Эта же проблема тормозит сегодня и внедрение в широкую медицинскую практику диагностикумов для идентификации бактериальных инфекций и средств борьбы с ними.

***

Термин «освоение природы» звучит глобально и вызывает, в первую очередь, ассоциации с покорением Сибири, поворотом рек вспять или добычей полезных ископаемых. Однако часто намного важнее «приручить» не огромную реку, а маленькую бактерию или даже ее молекулу, способную совершить настоящий большой переворот в жизни человека. По всей видимости, это удалось нашим ученым, которые в невероятно сложных с технической точки зрения условиях смогли найти разгадки некоторых наиболее актуальных вопросов современной науки. И очень важно, чтобы эти работы все-таки нашли свое реальное воплощение в лекарствах против рака, диагностике опасных инфекций и средствах борьбы с ними, способах очистки организма человека от медленно убивающих его тяжелых металлов. Но здесь уже вопрос не к ученым…

Справка «ЗН»

Цикл работ «Гликополимеры бактерий: закономерности структурной организации макромолекул, функционально-биологическая активность и аспекты практического использования» (Л.Варбанец, Г.Здоровенко, Ю.Книреля, И.Захаровой, Т.Пирог, Л.Яковлевой, Т.Гринберг) включает четыре монографии, 151 статью, 17 авторских свидетельств и патентов, рационализаторское свидетельство.

За время проведения исследований по теме представленной работы защищены четыре докторских и семь кандидатских диссертаций. Результаты работ опубликованы в ведущих отечественных и зарубежных журналах, таких как Carbohydrate Research, European Journal of Biochemistry, Journal of Bacteriology, Phytopathology, Journal of Endotoxin Research, FEMS Microbiology Immunology, Glycoconjugate Journal, «Журнал микробиологии и иммунологии», «Биохимия», «Микробиология», «Прикладная микробиология и биохимия», «Биотехнология», «Биоорганическая химия» — (Москва).

О высоком уровне исследований и широком признании их мировым научным сообществом свидетельствуют также рейтинг цитирования (около 1300) и суммарный импакт-фактор журналов (около 170), в которых опубликовано значительное количество статей авторов.