ПУТЕШЕСТВИЕ В СТРАНУ МОБ, ИЛИ 900 СЛОВ, КОТОРЫЕ ПЕРЕВЕРНУЛИ МИР

Полвека назад из 900 слов в апрельском номере журнала Nature мир узнал о структуре основной молекулы жизни — ДНК — и механизме ее репликации, лежащей в основе наследственности. И хотя ученые давно знали о существовании этой нуклеиновой кислоты, представляли ее роль в микромире и состав, мощное развитие молекулярной биологии началось именно с исторического определения Уотсона и Крика. Разгадка структуры ДНК объяснила, как работает ген, как передается и реализуется закодированная в нем информация, и тем самым ответила на сакраментальный вопрос — что объединяет все живые существа и определяет преемственность жизни. Поэтому 1953 год считается формальной датой рождения молекулярной биологии, изменившей не только способ научного мышления, но и во многом определившей дальнейший ход развития всего человечества.

Мировой юбилей совпал с большим событием в украинской науке — 30-летием создания Института молекулярной биологии и генетики НАН Украины. Институт, вне сомнения, уникальный. Чтобы убедиться в этом, достаточно совершить небольшую прогулку по сему, так сказать, полномочному «представительству» страны МОБ (молекулярной биологии) и ознакомиться хотя бы с некоторыми исследованиями, ведущимися в его отделах и лабораториях.

Главной «виновницей» торжества — ДНК — непосредственно занимается отдел молекулярной биофизики, которым руководит профессор Дмитрий Говорун. Буквально с порога он сообщает об открытии:

— Считается аксиомой, что составляющие ДНК нуклеотидные основы всегда соединяются определенным образом: аденин с тимином, а гуанин с цитозином, поскольку они идеально дополняют друг друга. Этот принцип внутримолекулярной логики ДНК назван Уотсоном и Криком принципом комплементарности (от латинского «дополнение»). Проведя высокоточные квантово-химические расчеты, которые 50 лет назад были попросту невозможны, мы выяснили: комплементарность не свойственна самим структурным «кирпичикам» ДНК. Если взять их не в составе молекулы, то комплементарность исчезает! На первый взгляд — нонсенс. Но на самом деле наше, не побоюсь этого слова, открытие проливает свет, с одной стороны, на эволюцию нуклеиновых кислот, а с другой — на то, откуда берутся мутации. Считается, что на ранних этапах нуклеиновые кислоты состояли всего из двух основ — аденина и тимина. А как же туда попали гуанин с цитозином? Предполагается, произошли определенные мутации. Но для этого требуется, чтобы родственность аденина и тимина к другим нуклеотидным основам была не меньше, чем к «родным» комплементарным. Кроме того, имея на «вооружении» старенькое оборудование и далеко не мощнейшие компьютеры, нам удалось сделать почти невозможное — выявить в ДНК новые водородные связи, что в современной молекулярной биологии событие невероятное!

Не менее захватывающие вещи происходят в другом «фундаментальном» отделе — белковой инженерии, где с помощью современных компьютерных программ конструируют новые белки с измененными и уникальными свойствами. Сегодня основная тема — поиск препарата против ВИЧ. Как рассказал заведующий отделом профессор Александр Корнелюк, работы в этом направлении ведутся давно, причем на хорошем мировом уровне. Так, скажем, именно наши ученые предложили использовать ВИЧ-протеазу в качестве мишени, против которой должны разрабатываться лекарства: «благодаря» этому белку вирус созревает и размножается. Заблокировав его, можно остановить развитие ВИЧ, попытаться обойти его постоянные мутации, делающие малоэффективными большинство современных препаратов. Пока проведены только компьютерные расчеты, от которых до пробирочных экспериментов — полпути. При этом работа имеет большое практическое значение не только для создания отечественных лекарств против СПИДа, но и других заболеваний, где мишенями для терапии могут быть белки. Например, против вируса, вызывающего атипичную пневмонию.

Интересны разработки института против другого грозного заболевания — рака. Причем как фундаментальные, так и конкретные, практические. Совместно с зарубежными учеными изучаются гены, ответственные за лейкозы, за развитие некоторых опухолей мозга. Создаются не только эффективные методы генной диагностики, но и лечебные препараты — например, амитозин и изатизон. Главное их преимущество в том, что разработаны они на основе натуральных растений — чистотела и барбариса, а значит, оказывают значительно меньший токсический эффект на организм онкобольного. Как пояснил заведующий лабораторией Анатолий Потопальский, молекулы этих препаратов «бьют» в цель, не поражая другие ткани. Первым, еще в начале 60-х годов, был получен амитозин, который, в отличие от большинства современных онкопрепаратов, не только не угнетает кроветворение и иммунитет, но и, наоборот, усиливает их, мобилизуя организм на борьбу. Были проведены экспериментальные и клинические испытания, их результаты направили в Москву, где они, мягко говоря, затерялись. В независимой Украине идея внедрения препарата также не нашла поддержки. Чуть больше повезло изатизону, который не только прошел испытания, но и получил патент. Препарат универсален. Помимо лечения инфекционных заболеваний у птиц, он помог бы справляться с массовыми инфекциями и у людей, таких, как грипп, СПИД, энцефалит, вирусные гепатиты А, В и С, острые заболевания верхних дыхательных путей, туберкулез легких, целым рядом кожных, гинекологических и урологических заболеваний, а также некоторыми предопухолевыми и опухолевыми состояниями — бородавками, папилломами, меланобластомами.

Вообще, удивительно, какие «чудеса» может творить человек, расшифровавший главную молекулу жизни. В той же лаборатории Анатолия Потопальского выращивают диковинные растения: гибриды тыквы и арбуза, алычи и абрикоса, ромашки и эхинацеи, фасоли и капусты, различных злаковых и многих других. Новые растения содержат больше витаминов и микроэлементов, чем «родители», обладают спазмолитическими, иммуномодулирующими и даже антиникотиновыми свойствами. Многие из гибридов дают высокие урожаи на обедненных почвах без внесения удобрений, они стойко переносят засоленность грунта, засуху, заморозки и некоторые болезни, фатальные для обычных растений.

А в отделе генетики клеточных популяций и вовсе решили получать сразу полезную биомассу — без самих растений. Необходимые клетки, ткани и органы растений выращиваются прямо в пробирках, что позволяет получать экологически чистое сырье в кратчайшие сроки и в необходимом количестве. При желании каждую клетку можно вновь превратить в растение. Нет необходимости ездить за редкостными представителями флоры на Алтай, в Китай или Индию. Если учесть, что сегодня половину препаратов для лечения сердечно-сосудистых и онкологических заболеваний получают из растений, а всего в медицине используется около 300 их видов, то перспективы открываются впечатляющие. Взять хотя бы тропическую раувольфию змеиную — источник природных алкалоидов, применяемых для лечения сердечно-сосудистых заболеваний. Получены клетки, которые могут накапливать в 10—20 раз больше алкалоидов, чем природные растения. Этой разработке нет аналогов — лучшие зарубежные образцы отстают по продуктивности в 30—50 раз. Или взять культивируемые клетки арнебии — источник природного красителя шиконина с бактерицидными свойствами. На Западе шиконин вовсю используют при производстве высококачественной косметики, в пищевой и медицинской промышленности и даже для изготовления некоторых видов защитной одежды с бактерицидными свойствами — например, передников для рабочих мясокомбинатов. Между тем и эти разработки украинских ученых лежат «на полке».

Еще одна оригинальная разработка института — биосенсоры. Эти аналитические системы нового поколения сконструированы на принципе соединения живого и неживого. В них белковые молекулы, ферменты тесно взаимодействуют с полупроводниками или электродами, выполняя общую задачу — найти определенное вещество в крови или воде и дать электрический или оптический сигнал. Как уверяет заместитель директора института по науке Ярослав Корпан, разрабатываемые биосенсоры будут компактными, дешевыми и точными. Погрузив миниатюрный датчик, подсоединенный к системе регистрации, в водную среду, можно в считанные секунды количественно определить наличие тех или иных химических элементов, например, токсинов или солей тяжелых металлов. Сенсорный датчик можно создать практически на любое вещество. Их можно использовать в различных областях жизнедеятельности человека — медицине, экологии, контроле за качеством продукции, производством лекарств, различных биотехнологических процессов. Но, к сожалению, эти разработки активно внедряются за рубежом, а не в Украине.

Если во времена СССР в Украине было зарегистрировано 32 открытия, в НАН Украины — 20, то в Институте молекулярной биологии и генетики — два. Ученые института получили более полутора десятка государственных и именных премий, в том числе за первый искусственный синтез гена, за раскрытие ряда механизмов клеточного контроля, за успехи космической биологии и так далее. В «копилке» киевских ученых 143 авторских свидетельства, причем первые патенты зарегистрированы уже в 1974 году, практически сразу после начала работы института.

Это тем более примечательно, что, по большому счету, до начала 70-х молекулярная биология как наука в Украине практически не существовала. Идея создания Института молекулярной биологии и генетики, колоссальная работа по ее осуществлению — заслуга выдающегося ученого Сергея Михайловича Гершензона, обладавшего удивительной интуицией и научным предвидением.

— В СССР исследования по молекулярной биологии начались лишь в начале 60-х с работ академика Белозерского и его ученика академика Александра Спирина, — рассказывает первый директор Института академик Геннадий Мацука. — Но если многие московские ученые к середине шестидесятых успели поработать в ведущих лабораториях мира, ознакомиться с передовой научной мыслью и методиками, то в республиканских институтах молекулярной биологии практически не существовало. В 1963 году московские коллеги, побывав в Киеве, предложили дирекции Института биохимии АН УССР (где тогда работал единственный в республике отдел нуклеиновых кислот) прислать своих сотрудников к ним на стажировку по специальности «молекулярная биология». Мне предложили поехать в Москву учиться, как тогда говорили, «обгонять не догоняя». Возвратившись в 1965 году в Киев в Институт биохимии, я стал заведовать отделом биохимии нуклеиновых кислот, который в январе 1973-го вошел в сектор молекулярной биологии Института микробиологии и вирусологии им. Д. Заболотного, а в июле того же года был трансформирован в Институт молекулярной биологии и генетики АН УССР.

Тогда он был самый «молодой» в системе Академии наук УССР. Таковым он остается и сегодня, но уже по несколько иным причинам: в последние годы снизился средний возраст научных сотрудников, кандидатов и докторов наук, появилось много молодых перспективных ученых.

— Стараемся по мере сил создавать молодым возможности для развития, ознакомления с современными методиками, организуем стажировки в зарубежных институтах, гранты, совместные аспирантуры, — говорит директор института академик Анна Ельская. — У нас изначально проводилась очень разумная кадровая политика, особенно в отношении тех ученых, которые уезжают за рубеж. Если их работа за границей оказывалась связанной с тематикой «родного» отдела института (а, как правило, так оно и происходит), то такого человека не увольняли, а как бы отправляли на стажировку или для выполнения совместной работы с зарубежными коллегами. Практикуется и «челночный метод», когда часть работ ученый выполняет «дома», а часть — в западных институтах. Это позволило не только сохранить научный потенциал, но и завязать тесные отношения с мировыми научными центрами.

— Исследовательская деятельность института охватывает практически все направления современной молекулярной биологии. Какие из них вы видите наиболее перспективными?

— В первую очередь биомедицина, под которой на Западе подразумевают слияние молекулярной биологии, геномики, генной и клеточной терапии с современной медициной. Открытие принципа работы генов стало основой развития генной инженерии, генной терапии, получения трансгенных животных, клонирования как отдельных генов, так и целых организмов. Эту, без преувеличения, революцию в биологии продолжили два других замечательных открытия уже последних лет — полная расшифровка генома человека и открытие эмбриональных стволовых клеток. Появились новые направления, такие как геномика и протеомика, которые в сочетании с современными биотехнологиями, особенно с использованием стволовых клеток, меняют в принципе современную медицину. Если раньше мы говорили «медицинская генетика», то сейчас речь идет о генной медицине. Медицина будущего будет построена на знании генома пациента: от лечения болезни вообще мы перейдем к лечению заболевания у конкретного человека с учетом его генетической карты, сильных и слабых сторон. Сегодня мы получаем в руки мощное орудие для профилактики того же рака, диабета, сердечно-сосудистых заболеваний. Ибо с самого рождения, а вернее еще до него, врачи и родители будут знать, к каким недугам склонен их ребенок и как их победить. Мы расстанемся с наследственной фатальностью, по крайней мере, в отношении здоровья, интеллекта и даже социального поведения людей.

Наш институт начал развивать геномику еще несколько лет назад, организовав единственный в Украине отдел геномики человека. В нем под руководством профессора Людмилы Лившиц уже несколько лет изучаются особенности мутаций генов, которые приводят к наследственным заболеваниям именно жителей нашей страны. Развитие биоинформатики, комбинаторной химии биологически активных соединений, компьютерный поиск лекарственных средств — второе перспективное направление.

И, конечно же, очень важны современные аналитические биотехнологии — биосенсорика и генная диагностика. Мы разрабатываем и внедряем в практику методы ДНК-диагностики (включая пренатальную) и вторичной профилактики таких тяжелых наследственных заболеваний, как муковисцидоз, фенилкетонурия, спинальная мышечная атрофия, гемофилия, дистрофия роговицы и другие. В скором времени человек с помощью сенсорных систем сможет сам себя протестировать, увидеть на дисплее, болен ли он, как протекает заболевание и что при этом нужно делать. То же в отношении загрязнения окружающей среды и продуктов.

Следующее перспективное направление — получение трансгенных животных и растений, накопление полезных веществ в культурах растений. И конечно, мы не забываем о фундаментальных исследованиях, без которых нет движения вперед и которые приводят в конце концов к серьезным практическим результатам. К слову, именно киевские ученые в бывшем СССР стали инициаторами работ по генной терапии — методе, основанном на введении в клетки организма генных конструкций. Сейчас в Институте под руководством академика Виталия Кордюма разрабатываются подходы к генной терапии таких тяжелых заболеваний, как инсулинзависимый сахарный диабет и атеросклероз.

— Несмотря на огромное количество работ по генной терапии, этот метод пока не вошел в широкую практику: ученые пока не научились встраивать генетический комплекс именно в нужное место. Более того, сложно даже предугадать, в какое именно место генома данная конструкция встроится.

— Очень многие из этих проблем решатся именно благодаря установлению структуры генома, развитию функциональной геномики и биологии стволовых клеток. Генная терапия включает в себя и терапию лекарственными препаратами, полученными генно-инженерным путем. Наши сотрудники уже вышли на получение полезных, нужных белков, которые могут вырабатываться в микроорганизмах либо в специальных бесклеточных системах из других организмов. Под руководством академика Виталия Кордюма разработан и внедрен промышленный метод получения человеческого интерферона в микроорганизмах. Им уже несколько лет лечатся наши сограждане, в частности, во время эпидемий гриппа.

— Вы упомянули биоинформатику. Слышала, израильские ученые построили нанокомпьютер, состоящий из биомолекул. Вместо цифр и формул, которыми оперируют современные ПК, механизмы этого микрокомпьютера представлены молекулами ДНК, которые хранят и перерабатывают закодированную генетическую информацию в клетках живых организмов. Конечно, этот компьютер, по словам создателей, еще не может выполнять все функции электронных «собратьев», но вполне способен стать основой для ДНК-компьютеров будущего, которые, возможно, будут вживляться в человеческие клетки в качестве датчиков, способных не только выявлять в организме болезнетворные процессы, но и синтезировать лекарства для их нейтрализации. Не планируете ли заняться подобными разработками?

— В широком плане «биоинформатика» включает и исследования по разработке биокомпьютеров. В частности, отдел молекулярной биофизики сейчас готовит патент на разработанный ими способ нанесения и удаления пленок нуклеиновых кислот с поверхности твердого тела.

Но получение «разумных клеток» уже происходит в наше время. Так, в США удалось генно-инженерным путем получить нейральные стволовые клетки, продуцирующие вещество, смертельное для опухолей головного мозга. Такие «запрограммированные» клетки при введении в мозг продвигаются на достаточно большое расстояние, находят и убивают клетки опухоли, причем даже те, которые отделились от основной. Разве это не та же передача информации? Другой пример — использование взрослых стволовых клеток из костного мозга для доставки в глаза веществ, препятствующих ненормальному образованию новых сосудов при очень тяжелом заболевании — макулярной дистрофии. В результате подобных манипуляций биологическая информация доставляется в нужное место и при необходимости реализуется. Как переносчики генов стволовые клетки намного перспективнее используемых сейчас вирусов. Появилась потенциальная возможность внедрения и достаточно опасных генов, продукты которых, например, под воздействием определенных радиоволн или другого физического влияния, будут нарушать, скажем, функции мышления или каким-либо иным образом влиять на мозг человека, различные системы организма. Это только один пример, и не такой уж фантастический. Принципиально для подобных работ дорога уже открыта.

— А к созданию искусственных микроорганизмов? Ведь, например, всемирно известные генетики Крейг Вентер и Гамильтон Смит планируют сконструировать такой — с минимальным количеством генетического материала, достаточного лишь для самостоятельной жизнедеятельности. Некоторые специалисты утверждают, мол, манипуляции, которые современные биотехнологи проводят с ДНК, достаточны для создания первой искусственной хромосомы, а может быть, и целого организма.

— Тут уже человечество должно решать, что ему нужно. Как с клонированием. Я, кстати, не сторонник «копирования» людей или животных. Вот ткани и органы, нужные для пересадки или замены больных и поврежденных, — другое дело. Например, получение печени или поджелудочной железы из клеток самого пациента. Очень интенсивные работы такого плана проводятся в США, Германии, Великобритании, начаты в России. Заманчивые результаты опубликовал американский профессор Хьюберман с сотрудниками в марте этого года о получении из одной и той же группы стволовых клеток крови нейронов, клеток печени, сосудистой стенки и иммунных клеток. Предполагается, что эта группа клеток крови является в организме своеобразной «ремонтной бригадой». Попадая в поврежденный или больной орган «ремонтники» преобразуются в нормальные ткани этого самого больного органа и ликвидируют повреждение, восстанавливают его нормальную работу. В этом случае не нужна донорская печень, нет проблемы несовместимости, отторжения чужого органа. Хотя отечественные трансплантологи к подобным перспективам в нашей стране относятся с большим скепсисом, в мире в этом плане уже достигнуты огромные успехи. Производится пересадка или «выращивание» в самом организме кожи, мышц, сердечной мышцы «собственного производства». Уже сегодня человеку с инфарктом заменяют поврежденный участок настоящей сердечной мышцей. Но у нас даже обычная трансплантология не получила должного развития. Что уж говорить об органах, выращенных в пробирке. Хотя при должном финансировании наладить выращивание тканей и их последующую трансплантацию можно за пять-шесть лет.

— А как сейчас обстоят у вас дела с финансированием научных исследований?

— Некоторые программы прикладного плана, которые были отобраны на конкурсной основе и могут быть внедрены в ближайшее время, финансируются Министерством образования и науки. Идея хорошая, но на все программы выделена сумма, на которую практически ничего невозможно сделать. А сейчас большие деньги требуются на оборудование. Ведь наука двинулась вперед: сиквенаторы ДНК, белков, синтезаторы за час справляются с задачами, на решение которых вручную потребовался бы год. От государства же за последние десять лет на эти цели мы получили едва ли 50 тыс. грн. То небольшое современное обрудование, что есть в институте, куплено по международным грантам или получено по линии гуманитарной помощи. Либо приходится получать препарат и ехать с ним за рубеж. Иностранцы охотно на это соглашаются, так как им не нужно придумывать идею, получать препарат, а требуется лишь завершить эксперименты на современном оборудовании. Поэтому многие наши работы, в том числе и защищенные зарубежными патентами, совместные.

— По оценкам экспертов, в ближайшие двадцать лет биотехнологии способны приносить до 100% прибыли ежегодно. В России в нынешнем году за счет средств федерального бюджета планируется инвестировать несколько проектов в области биотехнологии. Стоимость каждого из них превышает 30 млн. долл.

— В России действительно очень мощно работает Фонд фундаментальных исследований. У нас тоже есть такой — при МОН, но опять-таки денег он не получает. В России создан и активно работает Межведомственный совет по биотехнологии. Он достаточно весом, так как в него входят не только ученые, но и представители властных структур, предприниматели, то есть те, кто конкретно решает вопросы финансирования. Несмотря на то что биотехнология признана у нас (в том числе и парламентом) приоритетным направлением отечественной науки, на все программы МОН по биотехнологическим разработкам выделяется всего около 250 тыс. грн. в год. Украине как хлеб необходим орган, который бы объединил науку, инвестиции и производство, и тогда все те разработки, о которых говорили наши ученые (а многие из них сегодня практически полностью готовы к выходу в производство), не оставались бы на «полке».