Новосибирские ученые лекарство от всех болезней

Учёные уже знают, как победить большинство недугов, но пока могут сделать это только в пробирке.

Мифический философский камень имел свойство не только превращать в золото все подряд, но и дарить владельцу вечную молодость. Спустя столетия оказалось, что это не такая уж и утопия. Правда, нынешние подходы к проблеме продления жизни так же отличаются от средневековых, как современные биотехнологии от алхимических опытов. Как бы то ни было, сегодня наука оказалась на пороге величайшего открытия. И есть надежда, что в ближайшие годы – максимум, десятилетия – ученые будут готовы вручить потрясенному человечеству панацею – средство от всех (ну, или почти всех) болезней. Своего рода философский камень наших дней.

Найти и обезвредить

У обывателя такое утверждение вызовет лишь недоверчивую улыбку – о какой панацее может идти речь, если до сих пор не придумано даже средство от банального гриппа? Жаропонижающие и иммуномодулирующие не в счет.
А вот тут вы ошибаетесь. Средство, собственно, уже есть. Принципиальный рецепт известен, над ним давно работают ученые Института химической биологии и фундаментальной медицины СО РАН. Правда, когда готовые таблетки дойдут до реальных больных – еще большой вопрос. Но уже сейчас ясно, что направление это весьма перспективное, сулящее массу успехов и побед.
Строго говоря, ясно это стало не сегодня и не вчера. Почти сорок лет назад основатель института, тогда еще не академик Дмитрий Кнорре и ведущий химик его лаборатории Нина Гринева стали разрабатывать методы синтеза нуклеиновых кислот для воздействия с их помощью на внутриклеточные процессы. Выбранное направление оказалось не просто многообещающим, а прорывным. На рубеже XXI века ученым удалось заглянуть в святая святых природы – внутреннюю структуру гена. И не только заглянуть, но и основательно там похозяйничать.
— Если для физиков объявленная приоритетной область исследований в масштабе «нано» оказалась новой и малоизведанной, то для нас, молекулярных биологов, это мир вполне привычный, — говорит директор ИХМФМ академик РАН Валентин Власов. – Мы всегда работали с нанообъектами, поскольку ДНК, белки, клетка, вирус, бактерии, которые составляют сферу наших интересов, как раз имеют наноразмеры. То, чем мы занимаемся более двадцати лет, иначе как бионанотехнологиями не назовешь.
Сегодня ученые умеют выстраивать целые цепочки нуклеотидов (их называют олигонуклеотидами) – синтетические аналоги фрагментов натуральных ДНК и РНК. Уже есть специальные машины – так называемые ДНК-синтезаторы, которые «клепают» цепочки заранее заданной структуры и длины. Кстати, единственный в России производитель таких машин – компания «Биоссет» — находится в новосибирском Академгородке. Она не только обеспечивает синтезаторами всю отечественную науку, но и экспортирует эти приборы в два десятка зарубежных стран – от США до Малайзии.
Как известно, природный олигонуклеотид умеет находить и распознавать своего комплементарного «собрата». Две цепочки подходят друг к дружке, как ключ к замку, и совпадают, как две половинки застежки-молнии. Точно так же ведет себя олигонуклеотид синтетический. Это свойство ученые и решили использовать для борьбы с возбудителями различных недугов. Пусть синтетическая нуклеиновая кислота будет оружием, а фрагмент враждебного гена – мишенью. Конструируем нужную нам цепочку, запускаем ее в свободный поиск – и она сама находит и поражает заданную цель. Получается, что, в принципе, можно создать лекарство практически от любой болезни – начиная с вирусной инфекции, заканчивая раком и генетическими патологиями.
Этот способ был назван антисенс-технологией и в свое время взбудоражил всю мировую биологическую общественность. Казалось – вот она, панацея, универсальное средство от всех недугов. Однако на деле все оказалось куда сложнее – то, что складывалось на бумаге и работало в пробирке, в живом организме стало давать сбои и осложнения.
— Синтезировать олигонуклеотиды заданной длины и структуры мы умеем. Проблемы здесь нет, — говорит заместитель директора ИХБФМ кандидат химических наук Дмитрий Пышный. – Проблема в другом – как доставить наше «оружие» в клетку. Самой природой клетка защищена от всяких посторонних вмешательств, от любых проникновений чужеродных нуклеиновых кислот. Преодолеть эти барьеры – очень трудная задача.

От гриппа до рака

Сегодня сотрудники института (как, впрочем, и их коллеги во всем мире) ищут способы обмануть природу и протащить синтетический нуклеотид через клеточную мембрану, спрятав его внутри наночастиц. Для этих целей обычно используют безвредные липиды. Попав внутрь клетки и освободившись от липидного камуфляжа, нуклеотид сможет «выстрелить» и поразить вредоносный ген. В ИХБФМ СО РАН этими проблемами занимается лаборатория доктора биологических наук Марины Зенковой. Ученым уже найдено несколько вариантов перспективных наночастиц.
Однако решить задачу транспорта лекарства в клетку – это полдела. Важно еще не нанести организму вред – чтобы доставленное с таким трудом лекарство, как это порой бывает, не превратилось в яд. Мало ли как поведут себя фрагменты созданной человеком ДНК-содержащей структуры – куда они потом захотят неожиданно для исследователя встроиться и какую побочную реакцию вызвать. Организм – не пробирка, здесь все процессы протекают куда более сложно и менее предсказуемо.
С такими и подобными им проблемами приходится сталкиваться ученым на пути создания «лекарства от всех болезней». Но случаются на этом пути и неожиданные открытия. Вдруг оказывается, что некое соединение дает уникальный биологический эффект – и его можно патентовать как новый действенный препарат.
Именно так было и найдено пресловутое средство от гриппа. Сотрудники института обнаружили химические группы, способные разрушать РНК – буквально рвать ее на части. Разработчики, Марина Зенкова и ее коллега доктор химических наук Владимир Сильников, предполагали присоединять эти группы к олигонуклеотидам, чтобы расщеплять и инактивировать РНК-мишени. Но оказалось, что сами по себе эти соединения можно использовать как препараты – в том числе, для борьбы с гриппом.
Надо сказать, что геном вируса гриппа целиком состоит из РНК (в отличие от генома человека). Найденное соединение ведет себя весьма любопытно: оно уничтожает генетическую информацию вируса, а сам вирион остается целым и с виду невредимым. Он не может больше размножаться, не может вызывать температуру, насморк и другие привычные для гриппа симптомы. Зато способен, попав в организм, возбуждать иммунный ответ – грубо говоря, действовать как своего рода прививка. Таким образом, ученые получили лекарство и вакцину в буквальном смысле в одном флаконе.
— Потенциально мы способны сегодня регулировать любые молекулярные клеточные процессы с участием нуклеиновых кислот, — говорит Дмитрий Пышный. – А это означает почти безграничные возможности для терапии.
Причем если раньше считалось, что олигонуклеотиды в рамках антисенс-технологии способны воздействовать лишь на генетический материал, то сейчас выяснилось, что нуклеиновое «оружие» можно использовать для «охоты» практически на любые вредные соединения – как низкомолекулярные (наркотики, яды), так и высокомолекулярные (белки, вирусы).
Дело в том, что олигонуклеотидная цепочка умеет не только связываться с комплементарным фрагментом, но и устанавливать межатомные связи внутри себя, принимая самые разные пространственные формы. И если найдется соответствующая этой форме молекулярная мишень, то такой олигонуклеотид ее распознает, захватит и лишит таким образом активности. Сейчас уже существуют технологии отбора этих оформленных в пространстве полимеров (аптамеров), нацеленных на определенные типы лигандов. Берут молекулу-мишень и выливают на нее целый пул самых разных нуклеиновых кислот. Какие-то из них закрепляются, остальные проскакивают, биологи нужные формы вычленяют, копируют – и вот, пожалуйста, готово оружие против очередного биологического врага.
— Создание аптамеров и прочие варианты антисенс-технологий – все это очень перспективно, — поясняет Дмитрий Пышный. – И у нас уже имеется целый ряд интересных патентов – взять хотя бы то же средство от гриппа. Почему это не доходит до практического применения? Проблема в отсутствии заинтересованного заказчика в лице фармкомпаний. Задача ученых – умножать научные знания, что мы и делаем. А будет реальный заказ и соответствующее финансирование – мы готовы превратить наши наработки в конкретные препараты.

Здоров? Предъяви паспорт!

Если лекарства на основе антисенс-технологий существуют пока лишь в идее, в теории, в пробирке, то молекулярную диагностику используют уже очень широко. Принцип, в общем, тот же самый: есть так называемый маркер – белок или генетическая информация, которые надо отыскать и распознать, и есть некое соединение (зонд), которое сможет это сделать. А чтобы зонду было проще, используется полимеразная цепная реакция. Это та самая всем известная ПЦР-диагностика, которая сейчас применяется во всех клинических лабораториях. Заражение вирусом клещевого энцефалита, туберкулезом или иной серьезной инфекций определяется как раз этим способом. Суть в том, чтобы увеличить копийность строго определенных фрагментов генетического материала. Одну молекулу «засечь» практически невозможно, а когда таких молекул будет миллион, тут уж зонд точно не промахнется.
Сейчас ученые во всем мире и в Институте химической биологии в частности заняты поиском молекулярных маркеров для каждой конкретной болезни и соответствующих им соединений-зондов. Конечно, самая горячая тема сегодня – онкология. Как отыскать именно тот, специфический фрагмент ДНК, который и определит, что это – действительно рак или иной недуг? А если рак, то молочной железы, желудка или кишечника?
Это невероятно сложная, трудоемкая задача, требующая огромного количества клинических испытаний. Особенно если учесть, что одного маркера для достоверной диагностики той же онкологии бывает недостаточно. А в случаях с многофакторными заболеваниями – такими, как гипертония, — описаны уже не один, не пять, не десять, а сотни маркеров и, соответственно, сотни зондов.
Если взять целый комплекс зондов, то получится диагностический чип. Идеологию чиповой диагностики одними их первых предложили и реализовали московские ученые из Института молекулярной биологии РАН под руководством академиков Мирзабекова и Макарова. У их сибирских коллег есть собственные ноу-хау, например, последняя нашумевшая разработка лаборатории Александра Синякова – единственный в мире микрочип, определяющий все известные штаммы гриппа типа А, от птичьего и свиного до обычных сезонных вирусов. Задействовано более 300 зондов, каждый – для достоверности – кластеризован, то есть повторен десяток раз, и все это «хозяйство» расположено на маленькой стеклянной пластинке. Незаменимый инструмент для эпидемиологов и яркий пример бионанотехнологий.
Несколько лет назад та же лаборатория в содружестве с ГНЦ «Вектор» разработала чип для определения всех типов оспы. А их коллеги из лаборатории бионанотехнологий сделали чип для анализа разных форм гепатита С. В ближайшие два года должен появиться чип для распознавания ГМО – генно-модицифированных организмов.
– Технология создания таких чипов у нас в институте уже хорошо отработана, — говорит Дмитрий Пышный. – И если завтра к нам придет ученый и скажет: вот, у меня есть 350 маркеров на такую-то болезнь, мне нужно 350 зондов, — то наши сотрудники за неделю смогут сконструировать эти зонды, еще неделя другая уйдет на синтез, затем готовые олигонуклеотиды зафиксируют на чипе – и получившийся «комплект» уже можно использовать для диагностики.
На той же чиповой технологии основана и генная диагностика. Только если обычный чип, предназначенный для анализа, скажем, гриппа, содержит сотни элементов, то в больших, сложных, аналитических чипах этих элементов – миллионы. Представьте: пациент сдает несколько капель крови на анализ и получает практически полную диагностическую картину – чем он болел, чем болеет сейчас и чем рискует заболеть в будущем. Называется – паспорт здоровья. Над созданием такого универсального диагностикума ученые сегодня еще только работают, но некоторые страницы паспорта можно заполнить уже сегодня.
— В настоящее время известны тысячи генетических мутаций, для которых точно установлена связь с определенным заболеванием. Но чтобы одна-единственная мутация определяла какой-то конкретный недуг – такое в природе случается редко, — говорит академик Власов. – Обычно мутаций должно быть много – так что оставшиеся странички генетического паспорта нам предстоит в ближайшие годы заполнять и заполнять.

Игры, в которые играют биологи

В 1990 году биологи и генетики озвучили сенсацию: мировая наука берется расшифровать геном человека. Поделили участки работы между ведущими странами, и пошел отсчет – расшифровано пять процентов, десять процентов, четверть генома… Предполагалось, что проект будет реализован в течение 15 лет и обойдется в три миллиарда долларов. Однако наука за это время сделала шаг вперед, и план удалось выполнить досрочно.
Сегодня расшифрованы геномы не только человека, но и пчелы, риса, пшеницы, китайского медведя панды и даже неандертальца. Сейчас выясняют, чем различается генетическая информация у людей разных национальностей. Уже созданы специальные машины – секвенаторы нуклеиновых кислот, которые считывают гены из генома, как из открытой книги. Пока такие машины производятся в основном в США, но в ближайшее время подобный проект будет запущен и в СО РАН. Наши ученые надеются, что сибирский секвенатор окажется не хуже импортного аналога.
Темпы развития и успехи, которые демонстрируют современные биотехнологии, ошеломляют. Чуть более четверти века назад была открыта полимеразная цепная реакция, за что ее авторы получили Нобелевскую премию. Сегодня ПЦР-диагностика стала вполне будничным явлением и используется во всех лабораториях. Двадцать лет назад российский ученый академик Андрей Мирзабеков выдвинул идею создания чипов. Тогда это казалось фантастикой – теперь признано одним из 100 лучших изобретений тысячелетия, и сегодня чиповые технологии бурно развиваются во всем мире.
Еще одно направление бионанотехногий – создание новых материалов. Это называется ДНК-оригами – когда белки и нуклеиновые кислоты сами собой укладываются в пространстве, образуя различные узоры, ленты, замысловатые трехмерные фигуры. Можно синтезировать цепочку, которая сложится в птичку, в мячик или даже в какое-нибудь слово.
— Это не просто эксперименты для забавы, — поясняет академик Власов. – Сферы применения таких конструкций могут быть самыми неожиданными. К примеру, из свернутой определенным образом ДНК получается шершавая поверхность – плата, на которую удобно фиксировать молекулы-элементы. И вот мы уже имеем новый материал для микроэлектроники, причем его наноразмеры дают совершенно иные возможности.
В ближайшее время в Институте химической биологии и фундаментальной медицины будут отработаны достоверные методы диагностики рака молочной железы, поджелудочной железы, простаты. На финишную прямую выходит создание лекарства от гриппа и чипа на генно-модифицированные организмы. Это то, о чем ученые говорят уже с уверенностью.
Но каждый год приносит новые открытия и достижения. И сегодня, судя по всему, молекулярная биология оказалась на пороге колоссального прорыва. Пока идет накопление знаний, возможностей, способов воздействия на клетку – чтобы потом, еще через десять лет, «выстрелить» большим качественным скачком.
И очень может быть, что в конце концов мы действительно получим панацею – абсолютное лекарство от всех или почти известных сегодня недугов, а средняя человеческая жизнь станет длиннее на лишние пару десятков лет. Правда, сами ученые предпочитают говорить об этом с осторожностью.
— Конечно, все зависит не только от того, что медики и биологи сумеют предложить, но и от того, как сам человек будет к себе относиться, — говорит Дмитрий Пышный. – Но в любом случае жить мы станем дольше, лучше и здоровее.
И в конце концов, как раньше случалось уже не раз, надолго обмануть природу вряд ли удастся. Наверняка у нее есть в запасе для нас новые неприятные сюрпризы – новые, неизвестные сегодня недуги, с которыми еще предстоит столкнуться человечеству. Так что расслабиться не получится. И следующему поколению ученых-биологов и медиков-практиков найдется к чему приложить талант и силы.
Автор: Нина Пашкова
sibkray.ru/news