Міражі високих технологій

У природі всі процеси проходять напрочуд узгоджено. Логічність неймовірної кількості внутрішніх зв’язків — разюча, загадкова. Єдність природи приголомшує уяву.

Людині важко усвідомити цілісність навколишньої дійсності. Ми звично розподіляємо рослини на корисні та бур’яни, наївно вважаємо, що поруч із корисними тваринами існують шкідливі. Наш споживацький погляд на світ, на жаль, далекий від розуміння реального порядку речей.

Чи може один і той самий біохімічний процес приносити користь і водночас завдавати непоправної шкоди? Чи можливо, щоб те, що допомагає вижити, із холоднокровністю годинникового механізму відраховувало час, який залишився до фатальної хвилини? Виявляється, можливо. Уже давно відомо: ферменти печінки, котрі знешкоджують небезпечні речовини, що потрапили з їжею, можуть перетворювати деякі з них, в основному синтетичні, на канцерогени. А, скажімо, апоптоз («програмована» смерть клітин) — явище, що лежить в основі осіннього листопаду, пов’язане також із природним старінням організму.

Той, хто ховається в мембрані

Жива клітина постійно веде діалог із зовнішнім світом, обмінюючись із ним речовинами. Нагадаємо, що білки — високомолекулярні природні сполуки, молекула яких побудована з залишків амінокислот. Білки — основа життя. Ми також складаємося в основному з них. Пептид — короткий ланцюжок із залишків амінокислот, ділянка довгої нитки білка. Для проникнення окремих білкових молекул усередину клітини в її оболонці — мембрані — передбачені різні шляхи. Одні проходять через спеціальні пори або через «канали», інші подорожують у пухирцях-везикулах. Проте багато молекул потрапляють до клітин, просто проходячи «крізь стіну», — пірнають у мембрану з зовнішнього боку й незабаром опиняються всередині.

Утім, така подорож найчастіше стає справжньою пригодою, оскільки білкову молекулу всередині мембрани підстерігають перетворення. Насправді ці перетворення необхідні, адже за межами клітини багато складних молекул, насамперед білки, переміщаються у вигляді так званих попередників. Попередник (англ. precursor — прекурсор) — неактивна форма молекули. Переміщатися поза клітиною у вигляді більш захищеного попередника набагато безпечніше — цілішим будеш. Та й «пір’я розпускати» заздалегідь немає потреби, оскільки робоче місце активної форми білка перебуває всередині клітини.

На активну робочу одиницю попередника перетворюють молекули-ферменти, що містяться в мембрані. Способи активації попередників різноманітні й для кожного типу молекулярних «прибульців» — свої. Ми розповімо про фермент мембран клітин ссавців, який називається фурин.

Фурин належить до ендопротеаз. «Ендо» означає «внутрішній», тобто цей фермент діє всередині, у даному разі всередині клітини (усередині мембрани) і не виділяється в позаклітинне середовище. А об’єктом його впливу є протеїни, тобто білки, які він розщеплює.

Що ж робить фурин?

Фурин розщеплює білкові молекули, які проходять через мембрану всередину клітини. Розрив білкових ланцюгів йде по амінокислотних послідовностях, що включають позитивно заряджений залишок амінокислоти аргініну.

Дослідження останніх 10—15 років свідчать: розрив білкових молекул фурином — це один із універсальних механізмів активації білків в організмі ссавців. Причому саме тих білків, які надходять усередину клітини ззовні. А це, наприклад, чинники росту або білки плазми крові. Отже, фурин відіграє важливу роль і в розвитку організму, і в підтримці на належному рівні його повсякденних функцій.

Проте ззовні до клітини проникають не лише власні білки організму й не завжди, як-то кажуть, із добрими намірами. Всередину клітини пробираються хвороботворні віруси. Добре вміють забезпечувати транспортування своїх токсинів крізь клітинну мембрану й патогенні бактерії. А всі білки, що подорожують крізь мембрану, зустрічаються з фурином. Він же активує білкові молекули, чесно виконуючи свою роботу.

Розпізнавати, хто свій, а хто чужий в організмі, — прерогатива імунної системи, а зовсім не фурину. От і виходить: фермент активує більшість патогенних вірусів, включаючи ВІЛ-1 або вірус саркоми Рауса. А також багато бактеріальних токсинів — сибірки, дифтерії тощо.

Мимовільний помічник

Усе населення нашої біосфери дуже добре пристосоване до існування в тісній єдності одне з одним. Що ефективніше використовуються зв’язки та взаємовідносини, то біосфера різноманітніша та винахідливіша у своєму розвитку. Отож недивно, що механізмом активації білків фурином користуються і «свої», і «чужі». Одна різниця: організм використовує свій фурин на благо собі, а агресори — віруси й бактерії — із користю для себе, але на шкоду організму-хазяїну.

Так скромний мембранний фермент фурин у разі проникнення в організм інфекції та захворювання стає мимовільним помічником загарбників. При цьому поширення інфекційних захворювань і перебіг епідемій регулюються природним чином системою біосферних взаємозв’язків.

Однак ситуація може кардинально змінитися, якщо в хід природних процесів утрутиться зла воля людини. Масовий тероризм став сумною прикметою нашого часу. Біологічний терор — лише один з його різновидів.

Спори сибірки вже давно стали улюбленим засобом шантажу, залякування і, нерідко, агресії. З цією метою можуть бути використані й інші інфекційні агенти. І під час застосування такої зброї фурин в організмі жертв мимоволі стане провідником злої волі терористів.

Біоорганічний антитероризм

Чи можна ефективно протистояти біотероризму на біохімічному рівні, зміцнивши наш організм ізсередини?

У відділі структури та функції білків і пептидів Інституту біоорганічної хімії та нафтохімії НАН України протягом багатьох років займаються вивченням особливостей структурної організації бактеріальних токсинів і білків оболонки вірусів рослин.

1985 року вперше в Радянському Союзі учені відділу отримали в чистому вигляді найскладніший бактеріальний токсин, який продукується збудником коклюшу. Пізніше об’єктом вивчення став дифтерійний токсин (роботи велися разом з Інститутом біохімії ім. О.Палладіна НАН України). Дослідники з’ясовували, які структурні фрагменти білкових молекул-токсинів відповідають за їх антигенні, імуногенні та захисні властивості, тобто які ділянки білкових ланцюгів (пептиди) токсинів розпізнаються імунною системою організму, на які з них виробляються антитіла та які з цих антитіл спроможні захистити організм людини від інфекції. Ці знання були необхідні для створення ефективних вакцин.

Подібні завдання вирішувала й інша група співробітників, яка вивчала структуру білків оболонки (капсида) вірусів картоплі. Виявлення пептидних ділянок, які дозволяють розпізнавати віруси, робило можливим створення високочутливих тест-систем, які вибраковують заражений посівний матеріал.

Оскільки в усіх випадках йшлося про визначення пептидних ділянок у структурі білкових молекул, дослідники синтезували численні пептиди різної довжини, які відтворювали структуру «підозрюваних» відрізків досліджуваних білків. Перевіряючи ці синтетичні копії окремих фрагментів білків-токсинів або вірусних білків у чутливих імунохімічних тест-системах (імуноферментний аналіз — ІФА), учені визначали потрібні ділянки і встановлювали антигенну та імуногенну структуру білкових молекул.

Чи можуть такі дослідження допомогти в захисті від біологічного тероризму? Можуть. Та, як часто буває в науці, ідея проста за задумом, проте реалізація задуму вимагає науково-технологічних рішень високого рівня.

Молекулярні «обманки»

Один із принципів роботи ферментів полягає в тому, що вони ідеально розпізнають свій субстрат — молекулу, котру потрібно перетворити. Ділянка молекули-субстрату, над якою провадиться хімічна операція, розпізнається і поміщається до так званого активного центру ферменту, де досить міцно зв’язується. Коли ж хімічне перетворення відбулося, розщеплена фурином молекула активується і легко залишає його активний центр.

Проте фермент можна обманути. Якщо йому підсунути молекулярну структуру, дуже схожу на субстрат, але яка при цьому не перетворюється даним ензимом, то в активному центрі встановиться міцний зв’язок між ним і молекулярною «підробкою». У наслідок цього фермент із заблокованим активним центром надовго втрачає свою працездатність.

Такі молекулярні «обманки» для ферментів називаються інгібіторами, а сам процес пригнічення з їхньою допомогою ферментативної активності — інгібуванням.

Отже, питання тимчасового — у разі небезпеки — «відключення» фурину може бути вирішене шляхом уведення його інгібіторів до організму. Залишається тільки ці інгібітори синтезувати й навчитися доставляти їх до мембран клітин.

Загроза біотероризму! «Відключити» фурин!

Проблема одержання вдалих інгібіторів для даного ферменту полягає в тому, що заздалегідь неможливо передбачити, яка саме зміна, внесена до хімічної структури субстрату, перетворить його на інгібітор. Тому пошуки надійних інгібіторів фурину припускають синтез певного кола пептидів.

Спектр змін, внесених до структури субстрату, досить широкий. Це й заміна окремих амінокислот, і додавання (чи виключення) якихось амінокислотних залишків. До структури амінокислот можуть вводитися певні хімічні групи. Перспективним вважається також включення до структури потенційних інгібіторів алкалоїдів рослинного походження — кумаринів, досить глибоко вивчених співробітниками Інституту біоорганічної хімії та нафтохімії НАН України.

Однак після того, як ймовірні інгібітори хімічно сконструйовані, їх необхідно перевірити на наявність реальної інгібуючої активності. А для цього потрібно створити відповідні тест-системи. У таких тест-системах вимірюється активність фурину в різноманітних умовах, тобто можна оцінити ступінь гальмування його ферментативної активності різними потенційними інгібіторами.

Для ефективного захисту необхідний не один якийсь інгібітор фурину, а, скоріше, певний набір пептидів-інгібіторів. Бажано, щоб такі інгібітори могли «відключати» фурин усередині організму на різний час і з різним ступенем повноти. Це дозволило б використовувати такі інгібітори для захисту людей у різних ситуаціях, за різноманітних умов і для різних категорій населення.

Чи дозволить застосування інгібіторів фурину повністю нейтралізувати загрозу біологічного тероризму? Вочевидь ні.

Проте використання таких інгібіторів істотно знизить можливу шкоду для здоров’я людей від застосування бактеріальних токсинів і вірусів, які активуються в організмі фурином.

Своєчасне профілактичне застосування методу цілеспрямованого пригнічення ферментативної активності фурину за умов загрози застосування біологічної зброї терористами здатне врятувати життя тисячам і тисячам людей.