Відкриті інтелектуальні матеріали, які мають… пам’ять

Невдовзі Національна академія наук України відзначатиме 90-річчя від дня свого заснування. Одночасно святкуватиме свій ювілей і президент НАНУ Б.Патон. У переддень цих подій, вважаємо, цікаво буде почути відповідь на головне питання: яка сьогодні ситуація в українській науці, яке її місце у світі?

— У ЗМІ часто-густо можна натрапити на численні критичні, а іноді й образливі закиди на адресу української науки, — розповідає академік Ганна Єльська, директор Інституту молекулярної біо­логії і генетики НАНУ. — Пере­конана, що це несправедливо, оскільки ми вистояли, попри тяж­кі часи і складну ситуацію, завдяки ентузіазму працівників акаде­мії — від лаборанта до академіка, — для яких наука є покликанням, сенсом життя. І, безперечно, завдяки позиції президента академії.

Сьогодні можна впевнено ска­зати, що дієздатна частина акаде­мії не тільки вистояла, а й нарощує свій потенціал, активно інтегрується у світову науку, має що дати нашому господарству, медицині, освіті тощо. Певний прогрес намітився у стосунках із вищими науковими закладами. Як на мене, спільні науково-освітні центри, що створюються за різними напрямами, — це реальний шанс об’єднати науку і освіту з великими перевагами для обох.

Як позитив можна відзначити інтерес до наукових розробок, зокрема біотехнологічних, що його почали виявляти представники великого капіталу. Інвестування у фундаментальну науку дало б змогу створити, на мій погляд, високі технології, здатні приносити як величезну користь країні, так і чималі гроші інвесторам. Отже, годі нам посипати голову попелом, як це роблять деякі добродії, і плакати, що наука в Ук­раїні вмерла. Не розписуватимусь за всіх. Скажу лише про галузь, у якій працюю і яку знаю не з чуток, — молекулярну біологію.

Саме в напрямі, пов’язаному з вивченням ДНК — головної інформаційної молекули життя, українські біофізики нещодавно отримали результати, які дають змогу говорити про світовий рівень цих досягнень. Вони, зокрема, вперше запропонували концепцію динамічної стабільності та самоорганізації біомакромолекул за нерівноважних умов, які моделюють функціонування живої клітини, а також концепцію динамічної структурної адаптації макромолекул у процесах впізнавання.

Уперше виявлено величезну роль зв’язаної води в стабільності головної інформаційної молекули ДНК.

Уперше встановлено природу низькочастотних коливань подвійної спіралі ДНК, сформульовано гіпотезу про солітонний механізм передачі дії в ДНК, уперше доведено, що максимально можлива кількість конформаційних станів ДНК (тобто стійких динамічних станів, яких молекула може набувати, не розриваючи хімічних зв’язків) визначається конформаційними властивостями дезоксирибози, а також показано, що підтримка біологічно важливих конформацій ДНК забезпечується не тільки класичними водневими зв’язками між комплементарними основами ДНК, а й неканонічними…

Я розумію, що для пересічного читача це виглядає, мабуть, абракадаброю. Проте я перерахувала ці «вперше», аби підкреслити величезний внесок українських фізиків і біологів у розуміння фізичних основ роботи головних молекул життя — ДНК та білків.

Для скептиків наведу такі дані: сумарний імпакт-фактор журналів (своєрідний показник вагомості видань), де опубліковано статті авторів концепції, перевищує 300. Це дуже непоганий результат. А кількість цитувань цих праць за останні 15 років перевищує 1500! Усе це свідчить про неабиякий міжнародний авторитет наших молекулярних біофізиків.

Не дивно, що міждисциплінарний цикл «Фундаментальні фізичні властивості біополімерів, що визначають їхнє функціонування», був представлений Інститутом радіофізики та електроніки ім. О.Усикова НАНУ на здобуття Державної премії України в галузі науки і техніки за 2008 рік.

До речі, макромолекули ДНК і білки, які втілюють закодовану в них інформацію в життя, вивча­ла і вивчає численна армія науковців у всьому світі — та ще й маючи досконале обладнання. Тож цілком слушно виникає запитання: як змогли українські вчені з їхнім мізерним фінансуванням і аж ніяк не ідеальними умовами роботи отримати принципово нові пріоритетні результати в умовах такої конкуренції?

На щастя, в науці не все вирішують гроші. Головне — науковий талант, серйозна наукова шко­ла і, як у нашому випадку, синер­гетичний потенціал взаємодії науковців різних напрямів. Цю роботу вдалося виконати завдяки тому, що в ній узяли участь фахівці різних напрямів. Щоб було зрозу­міліше, про що йдеть­ся, просто назву авторів і інститути, в яких вони працюють. Це докто­ри фізико-математичних наук Ю.Благой і В.Со­рокін (Фізико-технічний інститут низьких температур ім. Б.Вєркіна НАНУ), О.Веселков (Севастопольський національний технічний університет), С.Волков і Л.Хрис­тофоров (Інститут теоретичної фізики ім. М.Боголюбова НАНУ), В.Ма­лєєв і М.Семенов (Інститут радіофізики та електро­ніки ім. О.Усикова НАНУ), В.Харкянен (Інститут фізики НАНУ) та члени-кореспонденти НАНУ Д.Гово­рун і О.Корнелюк (Інститут молекулярної біології і генетики НАНУ).

Я зайшла на офіційний сайт Держкомітету з премій і була при­єм­но вражена півсотнею відгуків на цю роботу через Інтернет. Між іншим, у процесі її виконання автори підготували 77 кандидатів та 15 докторів наук, які могли б утворити потужний науково-дослідний інститут. Отже, це справжнє дослідницьке досягнення, прорив на дуже актуальному напрямі, про який, на жаль, мало відомо в країні навіть серед науковців. Я вже не кажу про те, що ніхто з представників ЗМІ навіть не спробував розповісти про їхні здобутки.

Кореспондент тижневика «ДТ» звернулася до вчених, які брали участь у цій роботі, з проханням розповісти про розвиток української школи молекулярної біології і про перспективи, які вона відкриває.

Життя з погляду фізики

В.Малєєв — Історію української молекулярно-біофізичної школи започатковано 1964 року, коли в Інституті радіофізики та електроніки за підтримки директора академіка О.Усикова було створено підрозділ з біологічної фізики.

Мене особисто до молекулярної біофізики навернула книга одного з творців квантової механіки Е.Шредінгера «Що таке життя з погляду фізики?». Вона з’явилася в перекладі російською 1947 року, але невдовзі була вилучена з бібліотек і знищена. Причина абсолютно банальна — книга закінчувалася філософськими узагальненнями, які, очевидно, не сподобалися тодішнім ідеологам. Буквально дивом моєму товаришеві вдалося врятувати один примірник. Я його зберігаю донині і цитую студентам на лекціях…

Мені пощастило працювати в роки бурхливого розвитку молекулярної біології, коли один за одним з’являлися нові фундаментальні результати щодо закономірностей живої природи. Вже тоді вчені зрозуміли: потрібно виявляти зв’язки між фізичними механізмами, які лежать в основі функціонування живих об’єктів, та біологічними особливостями їхньої життєдіяльності.

В.Харкянен — Розкриття таємниць живої матерії потребує скоординованих зусиль учених, що працюють у різних галузях науки. 30 років тому фізиків зацікавило, які ж саме властивості біологічних молекул виділяють їх з неорганічного світу? Чи можна описати ці властивості прийнятною для теоретичної фізики мовою математики? Щоб спробувати відповісти на ці непрості запитання, знадобилася тісна кооперація з біологами.

В.М. — Один із семи пріоритетів наших фундаментальних досліджень пов’язаний із вивченням системи «ДНК—вода». Можливо, це прозаїчно, але життя на нашій планеті виникло у водному середовищі й підтримується завдяки постійній взаємодії різноманітних біологічних об’єктів різного рівня складності (біомолекул, клітин, організмів) з водою. Якщо ми хочемо зрозуміти закономірності функціонування в клітині таких біологічно важливих молекул, як ДНК та білки, маємо детально вивчити їхню взаємодію з молекулами води та іонами металів. З допомогою спеціально розроблених фізичних методів ми вперше з’ясували процес формування структури подвійної спіралі ДНК при різному вмісті води. Аналізуючи ці дані, отримали важливий результат — внесок молекул води в загальну енергію стабілізації ДНК перевищує 70%. Виявилося, що структурні переходи в ДНК супроводжуються істотними змінами найближчого водного оточення. Без цього функціонування ДНК у клітині неможливе.

Д.Говорун — Нові результати в дослідженні проблеми конформаційної механіки макромолекул отримано в Інституті теоретичної фізики та Інституті молекулярної біології і генетики із залученням квантово-механічних методів та математичного моделювання. Запропоновані моделі структури та конформаційної динаміки біополімерів мають значення для розуміння надзвичайної стабільності генетичної інформації, точності її відтворення та передачі. Наприклад, запропоновано можливий фізичний механізм мінімізації помилок при синтезі ДНК і навпаки — механізм утворення такого стану комплементарних нуклеотидів подвійної спіралі ДНК, який призводить до появи точкової мутації, що зачіпає тільки одну пару нуклеотидів.

В.Х. — Справді, зміна конформації біополімерів є надзвичайно важливою проблемою. Ми, зокрема, виявили, що білкові макромолекули, які зазвичай грають роль молекулярних процесорів у живому організмі, здатні перебудовувати функціональну частину своєї структури і в певно­му сенсі прилаштовувати (адаптувати) її до зовнішніх умов. Інак­ше кажучи, вже на молекулярному рівні біологічні системи можна віднести до так званих інтелектуальних матеріалів, що реагують на дію зовнішніх чинників і зберігають про неї пам’ять. Нада­ні нами докази цих положень спочатку викликали серйозні дискусії з опонентами, але після численних обговорень були визнані і опубліковані в провідних світових наукових виданнях.

Суперприлади для дослідження життя мікросвіту

О.Корнелюк — Хочу зазначити, що ефективні дослідження в цій галузі неможливі без використання найсучасніших комп’ютер­них технологій. Ми вперше в Ук­раїні застосували методи ком­п’ютерного моделювання динаміки біополімерів. Важливо, що НАНУ своєчасно впроваджує ці технології в наукову практику. Так, учені академії вже кілька років спільно використовують суперкомп’ютер СКІТ-3 Інституту кібернетики, а нещодавно створено Грід-сегмент НАНУ, який дає змогу об’єднати обчислювальні ресурси в один надпотужний суперкомп’ютер.

В.М. — Отримані нами результати належать до розряду так званих фундаментальних, тобто, на перший погляд, далеких від практики. Однак насправді вони створюють основу для вирішення низки практичних завдань.

Так, у рамках міжнародного проекту ІНТАС, спільно із Севастопольським національним техніч­ним університетом, ми дослідили фізичні механізми взаємодії ДНК із серією новосинтезованих біологічно-активних речовин (БАР). Це дало змогу вибрати речовини, які потенційно мають найбільшу антиканцерогенну активність.

Наступний приклад — низькотемпературна консервація ДНК. Це зав­дання вирішено в рамках міжнародного глобального проекту «Геном людини» за нашої участі. Насамкінець іще один, але не останній, приклад — вплив іонізуючої радіації на біологічні об’єкти, у тому числі ДНК. Наші дослідження в рамках чорнобильських програм показали, що вплив іонізуючої радіації може бути істотно зменшено, якщо ДНК перебуває в комплексі з певними БАР. Ми окреслили коло цих речовин.

В.Х. — Зазначені результати відкривають багатообіцяючі перспективи для розробки нових методів керування бімолекулярними системами з допомогою світла різної частоти та інтенсивності шляхом створення нанокомплексів біополімеру із так званим контрактором, який під дією світла слабкої інтенсивності здатний генерувати електричне поле, що впливає на структуру біологічної макромолекули.

О.К. — На перший погляд, методи комп’ютерного моделювання молекулярної динаміки біополімерів не пов’язані безпосе­реднього з практикою. Насправді це не так. Ми вивчили конформаційну рухливість одного з ферментів, а саме — протеази вірусу імунодефіциту людини. Виявилося, що цей білок у мутантів вірусу, які є резистентними до лікар­ських препаратів проти СНІДу, істотно відрізняється своєю динамікою від «чутливого». Резуль­тати відкривають мож­ливість для створення інгібіторів протеази вірусу імунодефіциту людини нового покоління.

Підсумовуючи розмову про практичну спрямованість висунутого на Державну премію Ук­раїни циклу робіт, потрібно наголосити, що отримані результати є надійним теоретико-методологічним підґрунтям для високих технологій у галузі молекулярної медицини. Маємо вже першу ластівку, яка, сподіваємося, зробить весну, — патент із промовистою назвою «Застосування цитокінподібного поліпептиду ЕМАП-ІІ як засобу, який чинить протипухлинну дію на ріст карциноми передміхурової залози».

Складові міжнародного авторитету

Д.Г. — Міжнародний досвід показує, що країна, яка не дбає про фундаментальну науку, не має майбутнього! Українська наука досягає високих результатів за рахунок двох чинників — високої якості освіти і точної постановки завдання, що зазвичай ґрунтується на науковій інтуїції. А остання можлива лише там, де існують традиції наукової школи. Україні в цьому сенсі пощастило — вона має добру наукову школу молекулярної біофізики.

О.К. — Фундаментальні дослідження в галузі молекулярної біофізики та структурної біології дуже прислужаться медицини, передусім для створення нових лікарських препаратів проти низки недуг, зокрема СНІДу, раку та туберкульозу.

В.М. — Не забуваймо також, що вчені, які займаються фундаментальною наукою, можуть і здатні вирішувати значно ширше коло завдань, ніж суто професійні, — як-от соціальні, гуманітарні, і відігравати роль інтелектуальних авторитетів у суспільстві…