Від ліків до нафтових вишок — одна молекула

Крихітна молекула, якої не побачиш неозброєним оком, багато що може: захистити людину від інфекції, врятувати від страшного захворювання й водночас допомогти їй у видобутку корисних копалин. Хоча молекулу, чиє «ім’я», на перший погляд, звучить досить складно — ліпополісахарид, назвати справжнім другом важко, оскільки вона однаковою мірою може як допомогти, так і нашкодити. Одне слово, єдність і боротьба протилежностей в окремо взятій біологічній одиниці...

Попри широкий спектр застосування, вивчення глікополімерів (а саме до цієї групи належить наша «героїня») перебувало на периферії наукових досліджень, і лише останнім часом їм почали приділяти серйозну увагу. В Україні ці дослідження проводяться досить інтенсивно, і нинішнього року цикл робіт «Глікополімери бактерій: закономірності структурної організації макромолекул, функціонально-біологічна активність та аспекти практичного використання» представлений на здобуття Державної премії в галузі науки і техніки України. Основну частину робіт виконано в Інституті мікробіології і вірусології ім. Д.Заболотного НАН України. Про ці фундаментальні розробки, їхню практичну значущість кореспондент «ДТ» попросив розповісти його директора, академіка НАН України Валентина ПІДГОРСЬКОГО.

— З чого складається жива клітина? З оболонки, цитоплазми, нуклеоїда та цілої низки інших компонентів. Значні успіхи генетики призвели до того, що основний інтерес учених усього світу був спрямований усередину клітини — переважно на вивчення процесів, пов’язаних зі спадковістю. Але при цьому всі трохи забули, що в клітині є й інші компоненти, які відіграють істотну роль у підтримці її функцій. Ідеться про клітинну стінку, яка не тільки утримує цитоплазму, а й захищає клітину від багатьох негативних впливів, наприклад від потрапляння в неї шкідливих токсинів. Але є в неї й інша функція — організація адекватної відповіді на потрапляння шкідливих речовин, тобто антигенна активність, за яку в деяких бактеріях (грамнегативні) відповідають ліпополісахариди, — розповідає Валентин Степанович.

Взагалі, глікополімери (комплекс молекул вуглеводів із ліпідами або протеїнами) — важливі носії біологічної інформації, що закодована в їхніх структурах і розшифровується під час їхнього «спілкування» (взаємодії) з іншими молекулами. Їх вважають частиною мови життя, а деякі дослідники називають їх третім алфавітом — після ДНК та білків. Саме глікополімери відповідають за важливі біологічні функції в організмі, особливо в імунній системі, що робить їх привабливими мішенями при створенні ліків нового покоління.

— Чому в такому разі на них, у тому числі на ендотоксини, відкриті понад сто років тому й відомі тим, що викликають серйозні інфекційні захворювання, не звертали серйозної уваги?

— Одна з причин — недостатній розвиток техніки, що не дозволяло вивчити досить складну структуру глікополімерів. Проте поява останніми роками нових методів структурного та біохімічного аналізів, а також обладнання останнього покоління дозволили досягти значного прогресу. Тому сьогодні вони стали предметом активного вивчення фахівців з різних галузей науки — бактеріологів, імунологів, хіміків, біохіміків.

Ліпополісахариди приховують у собі багато нерозгаданих таємниць. Сама природа наділила їх вадами й перевагами в такій пропорції, що робить їх неймовірно складними для вивчення навіть найдопитливішими дослідниками. Вони поєднують у собі як шкідливі властивості (токсичність, підвищення температури, реакція Шварцмана, лихоманка тощо), так і неймовірно корисні — антигенність, протипухлинна й мітогенна активність, здатність індукувати вироблення в організмі інтерферонів, фактору некрозу пухлини, інтерлейкінів. Коли такі речовини (цитокіни) виділяються в організмі в оптимальній кількості, це допомагає йому боротися з різними захворюваннями, у тому числі гальмувати розвиток пухлинних процесів.

Так званий ліпід А, який входить до складу ліпополісахариду, надає молекулі унікальних властивостей. Цей «зловредний» ліпід, входячи до складу клітин небезпечних для людини бактерій, не тільки захищає «свою» бактерію від шкідливого впливу, а й, потрапляючи разом із нею в організм людини або тварини, намагається «обдурити» його імунну систему. Проте з допомогою специфічних сироваток можна оперативно аналізувати клінічний матеріал і за лічені години ідентифікувати збудника інфекції.

Про актуальність вивчення глікополімерів, зокрема ліпополісахаридів, свідчить поява окремої науки — глікобіології.

Крім цього, полісахаридам, які мають здатність виділятися за межі клітини, властива ще одна цікава особливість — вони можуть підвищувати нафтовіддачу нафтових пластів.

— Яким чином?

— Є кілька методів. Наприклад, якщо в нафтову свердловину закачати цей полісахарид, то він, розширюючись, виштовхує нафту. Крім того, якщо бури, якими бурять свердловини, змастити таким полісахаридом, то вони легше проходитимуть крізь породу. Ці технології вже пройшли випробування в Росії, а сам препарат — етаполан — вироблявся на Ладижинському заводі у Вінницькій області.

На основі цього препарату розроблено спосіб ізоляції припливу пластових вод, що дозволяє з використанням однієї тонни етаполану отримати додатково до 240 тонн нафти і знизити її обводнення з 84 до 15%! Препарат може мати й інше, не менш корисне для людини застосування, наприклад у вигляді добавки поліпшувати якість косметичних кремів, миючих засобів. А завдяки здатності адсорбувати й виводити з організму солі важких металів він може входити до складу хлібопродуктів, рекомендованих для лікувального харчування.

— Такі різні напрями — від ліків до нафтових вишок! Важко повірити, що об’єднує їх усього лише одна молекула.

— Мікроб, в оболонку клітин якого вона входить, може синтезувати різні речовини, і, залежно від об’єкту та умов, можна отримати або одне, або інше.

Хотів би підкреслити, що автори праці провели неймовірно важливі й складні дослідження. Вони досліджували 110 штамів бактерій, які тривалий час перебували поза полем інтересів учених, виявили закономірності будови полісахаридів та їхні структурні особливості. Цілу низку методів дослідження розроблено безпосередньо авторами цієї праці або модифіковано ними з урахуванням особливостей об’єкта дослідження. Завдяки цьому, із 48 встановлених авторами структур ліпополісахаридів ними вперше описано 46! Встановлення структури дозволило відкрити закономірності будови і біологічної активності біополімерів, тобто охарактеризувати цілі види, а не окремі штами мікроорганізмів. Крім того, що неймовірно важливо у плані розробки різних лікарських препаратів, після визначення структури молекул було виявлено механізми, через які небезпечні для людини бактерії часто викликають ендотоксичний шок і призводять до смерті.

— Як же це відбувається?

— Механізм біологічної дії ендотоксинів такий: ліпополісахариди взаємодіють з певними рецепторами на клітинах макрофагів (клітин, здатних активно захоплювати й перетравлювати бактерії) і викликають вироблення інтерлейкіну, гамма-інтерферону, фактора некрозу пухлини, що може використовуватися для лікування онкозахворювань.

Проте тут існує серйозна проблема: ці цитокіни виділяються в організмі у великій кількості, що й призводить до ендотоксичного шоку. Отож після того, як було визначено структуру, учені змогли запропонувати кілька стратегій, одна з яких полягає в отриманні нетоксичних ліпополісахаридів, здатних блокувати своїх токсичних «побратимів».

Крім того, було отримано полісахариди, які не чинять токсичної дії, вже від грампозитивних, безпечних для людини бактерій. Вони теж є індукторами фактора некрозу пухлини, стимулюють репаративний синтез ДНК. Автори праці довели, що ліпополісахариди і полісахариди мають антилейкозні й антиметастатичні властивості, тобто їх можна використовувати у створенні ліків проти лейкозів та утворення метастазів пухлин.

Так, один із досліджуваних препаратів у дослідах на тваринах на 90% зупиняв процес утворення метастазів. Як відомо, у мікросвіті не вщухає боротьба, у тому числі й за рецептори, з допомогою яких «хвора» клітина приєднується до здорової і передає їй свою інформацію. Цей препарат ніби «закриває» рецептори, не даючи приєднатися клітинам, котрі метастазують.

— Наскільки близькі автори праці до безпосереднього створення ліків, таких важливих для людини?

— Наступний етап — цикли клінічних випробувань, у тому числі й масштабні на людях, на що в сучасної української науки поки що немає грошей. Ця ж проблема гальмує сьогодні і впровадження в широку медичну практику діагностикумів для ідентифікації бактеріальних інфекцій та засобів боротьби з ними.

***

Термін «освоєння природи» звучить глобально й викликає насамперед асоціації з підкоренням Сибіру, поворотом річок або видобутком корисних копалин. Проте часто набагато важливіше «приручити» не величезну річку, а маленьку бактерію або навіть її молекулу, здатну здійснити справді великий переворот у житті людини. Очевидно, це вдалося нашим ученим, які в неймовірно складних, з технічного погляду, умовах змогли знайти розгадки деяких актуальних питань сучасної науки. І дуже важливо, щоб ці розробки все-таки були реально втілені в ліках проти раку, діагностиці небезпечних інфекцій та засобах боротьби з ними, засобах очищення організму людини від важких металів, які повільно її вбивають. Але тут уже питання не до вчених...

Довідка «ДТ»

Цикл робіт «Глікополімери бактерій: закономірності структурної організації макромолекул, функціонально-біологічна активність та аспекти практичного використання» (Л.Варбанець, Г.Здоровенко, Ю.Кніреля, І.Захарова, Т.Пирог, Л.Яковлєвої, Т.Грінберг) включає чотири монографії, 151 статтю, 17 авторських свідоцтв і патентів, раціоналізаторське свідоцтво.

За час проведення досліджень на тему представленої роботи захищено чотири докторських і сім кандидатських дисертацій. Результати робіт опубліковані у провідних вітчизняних та зарубіжних журналах, таких як 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).

Про високий рівень досліджень і широке визнання їх світовим науковим співтовариством свідчать також рейтинг цитування (близько 1300) і сумарний імпакт-фактор журналів (близько 170), у яких опубліковано значну кількість статей авторів.