Поиск - новости науки и техники

Вычислить и вылечить. К созданию новых лекарств подключаются суперкомпьютеры.

О рекомбинантных препаратах хотя бы что-то знает каждый. А если и не знает, то, скорее всего, захворав, принимает их, не задаваясь вопросами о том, кто и как эти лекарства изобрел и произвел. Помогают – и прекрасно!
Между тем всего три десятилетия назад ничего такого не было ни в одной аптеке мира. К счастью для человечества, в восьмидесятые грянула – без преувеличений – революция, перевернувшая устои и в биологии, и в фармацевтике.
Наступившая эпоха генной инженерии уже преподнесла массу приятнейших сюрпризов, но еще больше можно и нужно ожидать в ближайшем будущем. Поверить в это нашего корреспондента заставила беседа с заместителем директора Института биоорганической химии им. академиков М.М.Шемякина и Ю.А.Овчинникова Российской академии наук членом-корреспондентом РАН Александром ГАБИБОВЫМ.

– Александр Габибович, ваш доклад на предстоящей научной сессии Общего собрания РАН будет посвящен рекомбинантным белкам и антителам как лекарствам пролонгированного действия. Тема, по мнению экспертов, архиактуальная. Но сперва хотелось бы, что называется, припасть к истокам, оглянуться в прошлое.
– Тогда начнем с того, что в медицине традиционно использовались вещества, создаваемые самим организмом человека. В первую очередь, это белки, закодированные ДНК. Давным-давно были освоены методы их получения, например, из крови. Но количество такого натурального “сырья” всегда было ограничено, поэтому шел постоянный поток заменителей. Их источником был, в основном, домашний скот, так что многими достижениями в фармацевтике мы обязаны лошадям, поросятам и прочей живности.
В середине восьмидесятых ученым удалось добиться гигантского прорыва. Мы научились клонировать ДНК, копировать белки и воспроизводить их вне организма. Настоящим подарком для первых биотехнологов стала обыкновенная кишечная палочка (Escherichia coli – E.coli), чьи клетки стали активно эксплуатировать при изготовлении фармакологически важных препаратов. Классический пример – рекомбинантный инсулин, массовый выпуск которого с применением E.coli был налажен в считаные годы.
– Так вроде та же палочка используется и сейчас?
– Верно. И это, пожалуй, оптимальный выбор для промышленного производства многих из наиболее распространенных лекарственных средств. Технологии отработаны, затраты сравнительно невелики. Однако и здесь есть свои существенные ограничения. Главное из них – в лимите на длину молекулы, которую можно получить с помощью E.coli.
– Боюсь, тут нужны пояснения.
– Из школьной программы известно, что белки (они же – полипептиды) представляют собой цепочки, состоящие из связанных друг с другом звеньев. Их протяженность может быть очень разной. Если вы хотите получить на выходе молекулу определенной длины, то вынуждены иметь дело с соответствующей матрицей.
– Теперь понятно.
– Так вот, при всех достоинствах E.coli практически сразу возникла потребность в альтернативах. На это были направлены основные усилия биотехнологов в девяностые годы. В зону особого внимания специалистов попали отдельные виды дрожжей и клетки некоторых млекопитающих, прежде всего китайского хомячка (Cricetulus griseus), который в силу природных особенностей очень популярен у генетиков.
Новый материал открыл новые возможности и перспективы. Он позволил не только получать более крупные молекулы, но и осуществлять их посттрансляционную модицификацию.
– Ну уж об этом нам в школе точно не говорили!
– Объясняю. В организме белки фактически не существуют в чистом виде. К ним тут же присоединяются так называемые модифицирующие остатки. Исходная цепочка как бы “облепляется” другими молекулами, предназначенными для ее защиты от пагубных внешних воздействий, сохранения или, наоборот, изменения заданной структуры, обеспечения правильного “поведения” белка.
Дальше. Раз уж такая “упаковка” предусмотрена природой, то очевидно, что нужна она и для рекомбинантных полипептидов, которые используются как лекарства. Иначе иммунная система в два счета распознает чужака и моментально начнет с ним бороться. Все силы организма будут мобилизованы на то, чтобы как можно скорее избавиться от непрошеного гостя.
Мы же должны решать прямо противоположную задачу: как задержать лекарство в организме, продлить время его целительного действия? На определенном этапе для этого стали активно применять поли-этиленгликоль (ПЭГ) – вещество достаточно простое и недорогое в производстве. Для некоторых препаратов, того же инсулина например, ПЭГ-модификация используется до сих пор, но во многих случаях приходится искать иные варианты.
Один из самых многообещающих, на мой взгляд, связан с предложенным сравнительно недавно методом полисиалирования, при котором белки модифицируются с помощью сиаловых кислот. Эти вещества легкодоступны, поскольку широко распространены в живой природе, и по сравнению с ПЭГ обладают целым рядом неоспоримых преимуществ. Очень важно, что они тропны организму человека, то есть не воспринимаются им как чужеродные. Кроме того, полисиалирование значительно снижает иммуногенность самих исходных белков, лучше сохраняет их полезную биологическую активность. Все это позволяет применять такие препараты для продолжительного лечения хронических заболеваний и высокодозовой терапии.
– Наверное, столь перспективный метод привлек внимание ученых не только у нас в стране, но и за рубежом?
– Разумеется. Но именно в нашей лаборатории биокатализа ИБХ РАН была разработана и апробирована запатентованная технология полисиалирования, которая уже сегодня применяется при производстве высокоэффективных лекарств.
На основе рекомбинантного гормона роста человека создан препарат пролонгированного действия растан, предназначенный для длительной терапии детей с дефицитом природного гормона. При лечении вирусных инфекций, в том числе таких опасных, как гепатиты В и С, востребованы также предложенные нами интерфероны альфа-2b и бета. Еще более развернутые технологические разработки сопровождали получение рекомбинантного интерферона бета-1b, доказавшего свою эффективность в борьбе с опухолями, а также рассеянным склерозом и болезнью Бехтерева.
– Складывается впечатление, что у вас тут конвейер по выпуску новых лекарств. А на “чистую” науку время остается?
– Неправильный вопрос. Наши практические разработки – не что иное, как результат серьезнейших фундаментальных исследований, без которых на свет не появляется ни один препарат. Глубокое изучение происходящих в природе процессов, молекулярных механизмов порой наталкивает на идеи с прикладным потенциалом, но это отнюдь не самоцель.
– Знаю, что вы имеете дело даже с ядами. Это тоже важно для науки?
– Представьте, да. И вместе с тем проблема нейтрализации высокотоксичных фосфорорганических соединений, которой мы действительно занимаемся, сохраняет свою злободневность и в практическом плане.
– Имеете в виду боевые отравляющие вещества типа зарина или зомана?
– В том числе. Хотя почти две сотни государств присоединились к международной Конвенции о запрещении химического оружия, большой объем токсинов до сих пор хранится на военных складах многих стран. Сохраняется угроза их использования в ходе вооруженных конфликтов или для террористических атак. Примеров, к сожалению, достаточно. Вспомним хотя бы столкновение между Ираком и Ираном или акты сектантов в Японии.
Однако самый серьезный урон наносят фосфорорганические токсины, которые в отдельных странах все еще используются как пестициды. По разным данным, ежегодно в мире летальные отравления получают от 150 до 300 тысяч человек. В большинстве своем это крестьяне с невысоким уровнем образования, не представляющие, какому риску подвергаются в борьбе за урожаи.
Такая ситуация не может не тревожить, и ученые, естественно, стараются ее исправить. Создано уже множество лекарств, но все они имеют те или иные недостатки. Или время действия слишком короткое, или побочные эффекты неприемлемые. Сегодня большинство специалистов сходится во мнении, что основой для “идеального антидота” может послужить рекомбинантная версия бутирилхолинэстеразы – белка, содержащегося в плазме крови человека. Вопрос в том, каким образом оптимизировать “поведение” препарата в организме пострадавшего. Решить его нам удалось в рамках той самой стратегии полисиалирования, о которой уже было сказано.
– Коллеги аплодируют?
– Во всяком случае, заметили и оценили нашу статью, опубликованную два года назад одним из ведущих американских журналов. А совсем недавно в США вышла книга с чем-то вроде руководства для профессионалов, которое мы подготовили по заказу крупного научного издательства.
– Впечатляет! Но пора вернуться к теме вашего доклада на Общем собрании РАН. С белками в целом мы, кажется, разобрались, поговорим теперь об антителах. Как я слышал, вокруг них сейчас бум?
– Да, ведь это главное оружие иммунитета, особый, уникальный класс белков, обладающий способностью к суперизменчивости. Реагируя на внешние воздействия, антитела могут перестраивать свою структуру, приобретать новые качества. В каждый конкретный момент времени они имеют разный вид и разные функциональные возможности. Благодаря этому свойству антител наш организм приспосабливается к текущим обстоятельствам, справляется со многими болезнями.
– Так вот из чего надо делать лекарства!
– Согласен. Однако с точки зрения практической это очень непросто. Для успешной терапии необходимо точно знать, какая из вариаций потенциального “правильного” антитела даст оптимальный результат. Обычно для этого применяют технологию скрининга, когда подходящие молекулы выбираются из заранее созданной “библиотеки”. Но такой сценарий не гарантирует удачи. Есть вероятность, что в доступном вам массиве ничего пригодного просто не окажется или за неимением лучшего придется мириться с какими-то проблемными характеристиками найденного.
– И где же выход?
– Нами впервые предложено решение, уже проверенное на практике. Суть нашей концепции в том, что вместо традиционного скрининга применяется виртуальный, при котором используются методы квантово-механических расчетов.
– Сложновато…
– Смотрите. Мы знаем, какую именно реакцию должно осуществлять искомое антитело. С помощью суперкомпьютера просчитываем все ее характеристики, моделируем модификации, которые должна пройти исходная молекула, и в итоге получаем виртуальный прототип требуемого препарата.
Конечно, рассказывать проще, чем делать. В действительности, путь этот долог и тернист. В конкретном случае, имея дело с хорошо нам знакомой фосфорорганической молекулой, пришлось провести виртуальный скрининг 193 тысяч мутантов. Зато порадовал конечный результат.
– Но метод, если я правильно понял, универсален?
– В том-то и дело! Надеюсь, в ближайшее время в этом смогут убедиться многие наши коллеги.
– Не у всех под рукой суперкомпьютер. Кстати, вы какой использовали?
– Знаменитый “Ломоносов” в МГУ. С университетом мы вообще взаимодействуем очень активно. Его сотрудник Андрей Головин оказал нам громадную помощь в разработке программного обеспечения и проведении вычислений.
– Он программист? Математик?
– Нет, вообще-то химик. Как и наш старший научный сотрудник Иван Смирнов, с которым они работали вместе.
– Мастера, выходит, на все руки?
– Точно. Конвергенция научных дисциплин – явление не новое. Можно вспомнить имя выдающегося биохимика XX столетия академика Владимира Александровича Энгельгардта. При организации Института молекулярной биологии в системе Академии наук СССР он руководствовался “правилом трети” – треть физиков, треть химиков и треть биологов. Похожие подходы используются и сегодня, например в Курчатовском институте. Уверен, что в будущем союз наук будет только укрепляться.

Беседу вел Дмитрий МЫСЯКОВ
Фото Николая СТЕПАНЕНКОВА

Нет комментариев