История науки

(окончание, начало см. в №207-208, №209-210)

Из работ группы М. И. Мосевицкого следует отметить открытие в 1970-х годах явления "сплошного мутагенеза" у бактерий при дефиците одного из предшественников синтеза ДНК (тимидиловой кислоты), которое было опубликовано в Nature и Mutation Res. Примерно к этому же времени относится прямое наблюдение рекомбинантных хромосом в электронном микроскопе (публикации в Мол. Биол., BBA и J. Molec. Biol.). Из текущих исследований  следует отметить открытие белка нервных окончаний человека BASP1 и обнаружение его олигомерных форм (наноструктур), опубликованное в Биохимии, Biochimie и J. Neurochem.

Важным фактором адаптации организмов к условиям существования является их способность эффективно удалять из клеток и организма животные и растительные токсины, ксенобиотики, лекарственные препараты (включая антибиотики), а также продукты их детоксикации. Это обеспечивается наличием в клеточных мембранах специальных белков-переносчиков, обладающих уникальным свойством − мультиспецифичностью к разным химическим структурам. В группе Ю.Н. Орлова в ОМРБ изучаются системы транспорта чужеродных органических веществ через мембраны клеток почки. Идентифицированы переносчики почечной системы транспорта, исследован механизм их работы, построена модель их кооперативного функционирования. Ведутся работы по изучению структурных факторов, лежащих в основе явления мультиспецифичности белков-переносчиков.

 В лаборатории общей радиобиологии (зав. А.Г. Свердлов) на протяжении многих лет совместно с лабораторией органического синтеза (зав. С.А.Грачёв) традиционно изучалось биологическое действие на организм различных видов ионизирующего излучения, велись поиски химических соединений, способных защищать от поражающего действия излучения, исследовались факторы, влияющие на радиопротекторный эффект таких соединений (1969, 1974, 1975, 1988, 2004). Прежде всего, было установлено, что у мышей и крыс критически поражаемым является эпителий пищеварительного аппарата, тогда как у высших приматов на первый план выступают повреждения кроветворной системы. Далее, как на клеточном, так и на организменном уровне не наблюдалось каких-либо качественных изменений при действии разных видов излучения: гамма, рентгеновского, нейтронного. Различия были только количественными: равные дозы нейтронного и гамма-излучения приводили к одним и тем же изменениям.

 Наиболее эффективными радиопротекторами  оказались аминотиолы и их производные. С лучшими из них при гамма- и рентгеновском облучении мышей и крыс удавалось достигать фактора изменения  дозы (ФИД) порядка 1.6 в присутствии аминоэтилизотиурония, тогда как при облучении нейтронами в присутствии цистамина и гаммафоса максимальные значения ФИД достигали, соответственно, до 1.2 и 1.35. Из этих исследований следует, что при облучении нейтронами происходит поражение критических органов крупных животных не столько от собственно нейтронов, сколько в результате вторичной гамма-радиации.

 Основными препятствиями на пути эффективного использования радиопротекторов являются их крайне ограниченный срок действия в организме и высокая токсичность аминотиольных препаратов. В лаборатории органического синтеза впервые были синтезированы производные аминотиолов, содержащие на серном конце молекулы по два, три атома серы – тиоцистафос, тиогаммафос, гуанидиноэтансульфенилтиосерная кислота, а также полиглюкофос – пришитые по аминогруппе к полимеру декстрану молекулы цистафоса. Действующим защитным началом в этих соединениях продолжает быть аминотиольная составляющая, но в этих соединениях она дольше сохраняется из-за более медленного её гидролиза в организме млекопитающего по сравнению с традиционными аминотиолами. В результате, время эффективного действия радиопротекторов возросло в 3 – 4 раза.

 Существенно уменьшить токсичность препаратов аминотиолов удалось путём присоединения аминотиольного остова радиопротектора к унитиолу в реакции совместного окисления этих соединений с образованием соответствующего смешанного дисульфида. Меньшая токсичность полученных соединений позволила увеличить вдвое концентрацию вводимого радиопротектора, и при гамма-облучении ФИД на этих протекторах достигал значений 1.8. К сожалению, эффект унитиола при нейтронном облучении существенно меньше, чем в случае защиты от радиации с низкими ЛПЭ. С целью исследования механизма радиолиза нуклеиновых кислот в лаборатории в период 1983 – 2001 гг. проводилось подробное сравнительное изучение продуктов радиолиза  нуклеозидов, нуклеотидов и их звеньев в составе ДНК и РНК.

 Молекулярная диагностика наследственных заболеваний (1989, 1995, 2005 гг) получила в ОМРБ мощный толчок к развитию после первых сообщений об использовании термофильной ДНК-полимеразы для осуществления полимеразной цепной реакции (1987 г). ПИЯФ был более других академических институтов страны готов к адаптации этой чрезвычайно прогрессивной методики и по своей технической оснащенности (быстро были разработаны термоциклеры и источники питания для электрофореза) и тем, что в ОМРБ ещё раньше для иных исследовательских целей было налажено производство термофильной полимеразы (О. К. Кабоев). Уже летом 1988 г. были развернуты работы по анализу молекулярной природы моногенных заболеваний – фенилкетонурии, кистофиброза, бета-талассемии, а несколько позже – работы по природе сердечно-сосудистых патологий в  лаборатории молекулярной генетики человека (зав. Е.И. Шварц, А.Л. Шварцман). По анализу азербайджанской популяции на бета-талассемию был выявлен широкий спектр мутаций, характерных для бета-глобинового гена. В результате этой работы были созданы предпосылки для пренатальной диагностики этого тяжелейшего заболевания.

 Широкий спектр мутационных повреждений был выявлен и в генах, ответственных за развитие кистозного фиброза. В результате исследования природы фенилкетонурии впервые для популяции Петербурга создана мутационная карта гена фермента фенилаланингидроксилазы, ответственного за развитие болезни. Это позволяет решить проблему профилактики фенилкетонурии в регионе и резко сократить рождение больных детей. В настоящее время в лаборатории ведутся исследования молекулярных механизмов нейродегенерации при болезнях Альцгеймера, Паркинсона.

 В первой части настоящего обзора упоминался поражавший в 1930 – 1940-х годах высоколобых физиков, да и далёких от науки людей, беспрецедентно высокий консерватизм наследственного аппарата, заставивший предположить Шредингера, что «полимерная генная молекула должна представлять собой апериодический кристалл». Сегодня их любопытство о природе этого явления могли бы удовлетворить работы, подобные тем, что ведутся в лаборатории клеточной биологии ОМРБ (зав. М. В. Филатов), где в результате многолетних исследований факторов, возмущающих стабильность генетического материала клеток млекопитающих, была обнаружена активная спонтанная нестабильность этого материала. Геномная ДНК соматических клеток ведет себя не просто как консервативное хранилище генетической информации, защищенное от внешних воздействий, но представляет собой активную динамическую систему, в которой без всяких повреждающих событий постоянно происходят восстановительные работы, сопровождающиеся репаративным синтезом ДНК. То есть за кажущейся необычайной статической стабильностью «генной молекулы» кроется высокая в динамике активность репарирующих ДНК систем клетки. Уровень упомянутых спонтанных возмущений, происходящих за 1 сутки, сопоставим с тем, который вызывает доза редко ионизирующего излучения в 1-2 Гр. Значение и механизм этого явления – предмет дальнейших исследований, но уже сегодня очевидна возможность использования этих знаний для разработки новых вариантов терапии злокачественных опухолей.

 В сотрудничестве С. А. Булата и О. К. Кабоева к 1992 году был предложен вариант полимеразной цепной реакции с использованием неспецифических праймеров, что позволило осуществлять тогда идентификацию грибов и проводить анализ их генетической изменчивости. Позже и в настоящее время эти методические достижения были востребованы в международной программе «Биогеохимическая Оценка Экосистемы Подледникового Озера Восток (Восточная Антарктида) Путем Исследования Керна Озерного Льда». Этот крупный подледниковый водоём является экстремальным местом для жизни микроорганизмов. Последние результаты указывают на весьма низкую микробную биомассу в озёрном льду. Выявленный биогеохимический потенциал озера будет использован для научного обоснования, какие типы микробного метаболизма следует ожидать и, следовательно, с какими свойствами микроорганизмы (какие гены) следует направленно искать в озере Восток. Полученные знания внесут вклад в общее понимание в формирование экологии подледниковых антарктических озер и сходных местообитаний на Марсе и спутнике Юпитера Европе.

 Одно из успешных направлений исследований в области биофизики было связано с изучением структуры фермента глюкоамилазы, который имеет важное прикладное значение, являясь участником процесса «осахаривания» крахмала, т. е. процесса превращения крахмала в глюкозу, а затем – во фруктозу. Сейчас в мире таким образом производятся многие миллионы тонн этих продуктов. Кроме того, фермент может быть использован для получения биотоплива – биоэтанола в качестве добавки к бензину. В группе Л.М. Фирсова лаборатории биофизики макромолекул (1996 г.) фермент был закристаллизован и на этих кристаллах был выполнен рентгеноструктурный анализ с разрешением до 2.2 ангстрем, причём были также закристаллизованы его комплексы с ингибиторами и установлена их структура. Всё это позволило определить точную структуру активного центра фермента, и на основании этого сделать обоснованное предположение о том, какие мутации могут приводить к улучшению технологических свойств фермента – повышению термостойкости и активности.

 В ходе этой работы под руководством Фирсова сформировалось ядро молодых учёных ( К. Н. Неустроев, А. М. Голубев, Ф.М. Ибатуллин), несколько позже энергично вышедших на простор самостоятельных исследований сложных процессов гликозилирования белков, вобравших в себя изучение механизма формирования микрогетерогенности углеводного компонента секреторных гликопротеинов, структурные исследования О-сахаров, изучение взаимосвязи постсекреторного углеводного и протеолитического процессинга, взаимосвязи между гликозилированием и секрецией ферментов, изучение механизма расщепления О-гликозильных связей в гликопротеинах. Взятые молодой лабораторией (зав. К. Н. Неустроев, А. А. Кульминская)  темпы исследования феноменологических и структурных особенностей изучаемых систем, активная публикация своих результатов (2001, 2003), в том числе и в солидных зарубежных журналах, интенсивные рабочие контакты с российскими и зарубежными коллегами восхищают. Особенно поражает большое число колаборантов  лаборатории – это и А. Н. Савельев из ЛПИ, Н.В. Бовин из лаб. химии углеводов ИБХ РАН, и Dr. Harry Brumer из Department of Biotechnology, Royal Institute of Technology (KTH), Stockholm Center for Physics, Astronomy, & Biotechnology, Stockholm, Sweden, профессор M. L. Sinnott из University of Huddersfield, UK, профессор Igor Polikarpov из National Synchrotron Light Laboratory,Campinas, SP, Brazil, Dr. K. Рiens из University of Ghent, Belgium, Dr. R. M. Kelly Alcoa Professor из Department of Chemical Engineering, Director of NCSU Biotechnology Program. Из проявляемой творческой активности лаборатории и этих интенсивных контактов следует ожидать её скорых успехов в постижении общих механизмов гликозилирования белков.

 Большое внимание в ОМРБ уделялось и уделяется прикладным исследованиям. С.Е. Бреслер полушутливо, а может быть и всерьёз, считал, что сотрудники Академии наук относятся к той категории людей, которая удовлетворяет за государственный счёт собственное любопытство к распознанию порядка вещей в природе, и поэтому, когда в ходе фундаментальных исследований просматривается выход на полезные для страны приложения, то этим всегда следует заниматься  тщательно и серьёзно. 

 В 1952 г. СЕ внедряет важнейший для страны  процесс по очистке антибиотика стрептомицина с помощью ионообменной хроматографии, ещё нигде в промышленности до того не применявшейся. К концу 1960-х годов на кафедре биофизики ЛПИ им разворачиваются работы по хроматографической очистке вирусов для производства вакцин. В 1971 г. была создана первая инактивированная жидкая противогриппозная вакцина, которая впоследствии с легкой руки президента АН СССР на съезде КПСС получила название «бомба против гриппа». Этот способ (1975 г.) был запатентован в 9 странах, включая Германию, Францию, США и Японию.

 После обнаружения в 1967 г. за рубежом у комплексов полирибонуклеотидов способности индуцировать синтез интерферона в клетках млекопитающих, по инициативе С.Е. Бреслера  в лаборатории биополимеров были начаты исследования  по разработке синтеза комплекса поли(Г) – поли(Ц) с последующим изучением его интерферон-индуцирующей и противовирусной активности. Дело в том, что зарубежные высокоактивные комплексы поли(И) – поли(Ц) обладали, к сожалению, очень высокой токсичностью, видимо за счёт минорного нуклеотида И, а менее токсичные комплексы поли(А) – поли(У) проявляли и более низкую активность, синтезировать же комплексы поли(Г) – поли(Ц) никто толком не умел. После синтеза этого комплекса Тимковским были определены условия взаимодействия цепей поли(Г) и поли(Ц) и исследованы основные структурные параметры, определяющие биологическую активность этого комплекса (1985 г.), которая существенно возрастала при непродолжительном прогреве комплексов при 100 град. Разработанные препараты прошли успешные испытания в Институте вирусологии им. Ивановского РАМН. 

 Исследуя каталитическое окисление аминотиолов, группа Г.А. Багияна обнаружила эффективное окисление меркаптанов в присутствии в водных растворах комплексов меди с аминотиолами, что послужило основой для создания нового способа очистки нефтепродуктов от меркаптанов. С 1979 г. после обсуждения этих эффектов на Ученом совете ОМРБ, С. Е. Бреслер далее принимал самое активное участие на разных этапах этой рабоы, в начале 1980 г. организовав обсуждение этой разработки в головных институтах нефтехимической отрасли, где и были проведены совместные лабораторные испытания, по результатам которых далее было рекомендовано провести промышленные испытания катализаторов на действующих установках отрасли. Испытания были проведены в 1980 – 1981 гг. на  нефтехимкомбинатах в Новокуйбышевске и в Салавате, на которых были продемонстрированы серьёзные преимущества разработанных в ПИЯФ катализаторов. На очередном съезде КПСС снова в речи Президента АН СССР прозвучали слова об «очередной бомбе», разработанной в ПИЯФ, и вскоре на коллегии Министерства Нефтехимпрома  была принята программа внедрения в отрасль  катализаторов, которую, правда, реализовывать  так никто в министерстве не стал. Преодолеть отраслевую рутину на соответствующих чиновных верхах мог только человек с авторитетом Бреслера, но его безвременная кончина остановила тогда дальнейшее развитие этой разработки.

 Исследование реакционной способности  серосодержащих органических соединений явилось базой для двух других прикладных работ этой группы: в начале 1990 годов впервые на пространстве СНГ был разработан способ синтеза меченых изотопом сера-35 дезоксинуклеотидов высокой удельной активности для секвенирования ДНК. В настоящее время близка к завершению разработка способа  анализа плазмы крови на содержание в ней гомоцистеина, имеющая преимущества перед другими способами тем, что позволяет определять разные его молекулярные формы, а не только тотальную его концентрацию.

 К середине 1980-х годов экспериментальный арсенал мировой молекулярно-биологической науки начал обогащаться разнообразными генно-инженерными методиками, и для адаптации их в ОМРБ понадобились немалые валютные средства на соответствующее оборудование, инструмент, специфические реактивы. Здесь как нельзя кстати оказалось внимание со стороны Третьего главного управления при Минздраве СССР к разработкам в ОМРБ техники цитофлюорометрии ДНК и лазерной корреляционной спектроскопии для целей диагностики факторов риска здоровью персонала на промышленных предприятиях , контролируемых этим главком. Участие в проектах по части приложения этих методических разработок ПИЯФ под руководством Л А. и В А. Носкиных, а также М.В. Филатова позволило отделению в течение пяти лет обеспечить работы по самым современным генно-инженерным методикам  на сумму около 1 млн. долларов. Эти биофизические методики прежде широко использовались в ОМРБ при изучении механизмов клеточной чувствительности к действию радиации, апоптотической формы гибели клеток от различных поражающих факторов, в изучении природы динамической организации генома (Л.А. Носкин, М.В. Филатов, 1987, 1991, 1997). На площадях ОМРБ была создана совместная проблемная лаборатория института ВНИИГП под кураторством Третьего Главка Минздрава СССР и под научным руководством Л.А. Носкина, что существенно сокращало пути реализации конкретных прикладных медицинских разработок ПИЯФ, но потом грянула ПЕРЕСТРОЙКА...! После преодоления связанного с ней шока группе Л.А. Носкина удалось в новых условиях продолжить плодотворное сотрудничество с прежними ведущими учреждениями здравоохранения и санэпиднадзора Федерального управления медико-биологических и экстремальных проблем, результатами которого явились разработки методической литературы и рекомендаций по мультисистемному саногенетическому мониторингу здоровья. Эта работа завершилась созданием комплекса биофизических методик для медицинских целей, состоящего из установки лазерной корреляционной спектроскопии, спиро-артерио-кардио-ритмографии, компьютеризованной системы измерения параметров движения и оптической топографии осанки, предназначенного для массового обследования персонала промышленных предприятий.

 Примерно в то же время, к середине 1980-х годов, был заключён большой хозяйственный договор лабораторией биофизики макромолекул и ГОИ на разработку модуляционного ЭПР-спектрометра с автоматической системой управления установкой, регистрации и обработки спектров, позволявший в связи со своей высокой чувствительностью работать в водных растворах. В рамках договора было закуплено два ЭПР-спектрометра в традиционном исполнении у польской академической фирмы РАДИОПАН, так как нужен был качественный магнит и было изготовлено, соответственно, две установки, одна из которых после окончания срока действия договора осталась в ОМРБ для обеспечения собственных исследований. Этот трёхлетний договор был заключен на сумму 2 млн. руб., и немалая его часть была использована для других текущих нужд ОМРБ и института.

 Отдельную яркую страницу в жизни ОМРБ составляли зимние биологические школы ПИЯФ, причём первые из них имели явную радиобиологическую направленность, так как с середины 1960-х годов в Мозжинке проводились школы для молодых ученых по молекулярной биологии и генетике, организаторами и составителями программ которых были С.И. Алиханян, Р.Б. Хесин и С.Е. Бреслер, которых школьники окрестили «тремя папами». Интересные лекции тщательно подобранных лекторов необычайно возбуждали умы молодёжи, только-только начинающей свой путь в совсем новой для страны науке. Однако постепенно это культовое место становилось обязательно посещаемым для высокопоставленных академических функционеров, и прежний демократизм общения на этих школах стал выветриваться.

 Спустя десять лет моторные братья Носкины убедили СЕ  в необходимости организации в окрестностях Ленинграда своей молекулярно-биологической школы, куда будут съезжаться лишь школьники и лекторы-учителя, действительно заражённые лихорадочным вирусом современной биологии. Способность Носкиных легко налаживать контакты в любой творческой среде гарантировала школьникам и живую, интересную культурную программу. Одним словом, с 1974 г. прежние радиобиологические школы ПИЯФ были преобразованы в зимние школы ПИЯФ по молекулярной биологии, биофизике  и генетике, которые в разные годы устраивались под Лугой, на Карельском перешейке или в Усть-Нарве. Молодежь валом валила  на эти школы со всех биологических концов великой страны, число участников которых не ограничивалось её организаторами, и обычная численность их была в пределах 400 – 600 человек, что в сравнении с 200 – 250 участниками Мозжинских школ говорило о большой популярности школ ПИЯФ. По подбору лекторов обе школы были сравнимы, и притягательная сила школ ПИЯФ, видимо, заключалась в какой-то неуловимой атмосфере нерядового, праздничного и доброго общения закалённых воинов науки с начинающими рыцарями её. Возможно, что это была та самая атмосфера научного романтизма, которою ещё в 1920-х – 30-х годах были одурманены умы наших замечательных физтеховских предков.