Здоровье — самое ценное, что у нас есть, и, чтобы чувствовать себя хорошо, не стоит пренебрегать медпрофилактикой. Она помогает на ранних стадиях обнаружить самые разные недуги: ишемическую болезнь, диабет, наследственные патологии и др. Внедрение массовой экспресс-диагностики социально значимых заболеваний — важная задача, над решением которой трудятся не только медики, но и биологи, химики, физики… Один из таких междисциплинарных коллективов, выигравший конкурс Российского научного фонда на “Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами”, уже второй год ведет разработку новых материалов для неинвазивной биомедицинской диагностики, основанной на эффекте плазмонного резонанса. Темой проекта молодых ученых МГУ им. М.В.Ломоносова стала “Самосборка полифункциональных коллоидосом для создания новых плазмонных материалов”. Недавно статья об уникальной методике российских исследователей, благодаря которой в биологической практике впервые появилась возможность избирательно исследовать процесс переноса электронов между белковыми комплексами в живой митохондрии неразрушающими методами анализа, была опубликована в журнале Scientific Reports (http://www.nature.com/articles/srep13793).
Подробнее о проекте и таинствах внутриклеточной жизни, открывшихся ученым, рассказал руководитель проекта член-корреспондент РАН Евгений ГУДИЛИН (на верхнем снимке):
— Существующие сегодня методы биомедицинской диагностики являются разрушающими: у человека берется какой-либо биоматериал, разделяется на составляющие вещества, которые потом и анализируются. Если мы хотим изучать глубинные, важные с фундаментальной точки зрения внутриклеточные процессы, этот способ не подходит в принципе. Чтобы изучать эти процессы, надо научиться не разрушать сами клетки и клеточные структуры, анализируя процесс их работы.
Способов для этого пока, увы, не так много. Клетка — создание нежное: разрушается при воздействии нейтральных жидкостных сред, электричества, при термической обработке… Однако ее не губит слабый свет. И если придумать способ, как неинвазивно воздействовать на клетку, например, лазером, можно будет записать спектр белков или других веществ внутри нее через мембрану. Тогда-то и появится возможность получить новые знания о внутриклеточной жизни.
Митохондрия — важнейшая двумембранная внутриклеточная структура диаметром всего лишь 1-2 микрона. Часто ее еще называют “энергетической станцией” клетки, основная функция которой — окисление органических соединений и синтез молекулы АТФ, которая, в свою очередь, служит универсальным “топливом” для организма. При распаде АТФ высвобождается энергия, необходимая для жизни клетки.
Особую роль в энергоснабжении выполняет процесс переноса электронов между белковыми комплексами, расположенными во внутренней мембране митохондрии. Важное место тут занимает главный объект изучения ученых МГУ — белок цитохром С. Дело в том, что при определенных условиях он может менять свои свойства и запускать процесс запрограммированной клеточной гибели — апоптоз.
Стоит отметить, что энергообеспечение клетки — хоть и основная, но не единственная функция митохондрии, которая также содержит в себе носитель генетической информации — митохондриальную ДНК. И это одна из причин, по которой исследование митохондрий — тема работ многих институтов и лабораторий как в России, так и за рубежом. Если строение и функции митохондрий изучены достаточно подробно, то изменения, которые происходят с цитохромом С при транспорте электронов и запуске апоптоза, пока изучены мало.
В рамках проекта РНФ команда ученых МГУ решила использовать для исследований в данной области метод спектроскопии гигантского комбинационного рассеяния (SERS — Surface-Enhanced Raman Spectroscopy), который уже с середины 1990-х годов применяется в физических и химических экспериментах по изучению свойств и строения молекул в живых клетках.
Надо сказать, что, хотя метод SERS-спектроскопии и является многообещающим для неинвазивного извлечения информации о структуре и работе молекул внутри живых структур, но до сих пор попытки его применения в этом направлении успеха не приносили. Неудачи были, в основном, связаны с тем, что наноповерхности для применения метода спектроскопии гигантского комбинационного рассеяния или не подходили для таких работ, или оказывались токсичны для митохондрий.
Благодаря междисциплинарному подходу — вовлечению в работу и биологов, и химиков, и физиков — ученым МГУ удалось создать уникальные наноструктурированные поверхности и разработать новый подход к
изучению митохондрий…
Как не раз подчеркивал в ходе беседы Евгений Гудилин, успех исследований вряд ли был бы возможен без участия в этих работах коллег с факультета наук о материалах МГУ. Именно они — молодые сотрудники и магистранты факультета — нашли нужную, а самое главное, нетоксичную наноструктуру, использование которой и привело к успеху в дальнейших исследованиях.
— Этот задел, созданный стараниями молодых ученых МГУ, позволил сегодня нашей научной команде вести успешную реализацию проекта РНФ, — продолжает Евгений Гудилин. — Пути поиска решения проблемы были долгими и непростыми. А итогом стало, как всегда, “простое чудо”: на серебряную, уникально структурированную наноповерхность была помещена суспензия митохондрий, облучив которую слабым лазерным пучком мы получили возможность анализировать спектры SERS. Оказалось, что при такой постановке эксперимента происходит многократное усиление комбинационного рассеяния только от молекул цитохрома С. В результате можно детально исследовать изменения его структуры в процессе переноса электронов и синтеза АТФ.
Свой вклад в исследования внесли научные группы из Дании и Германии, с которыми сотрудничали коллеги из МГУ. Важно, что это было реально: и межфакультетское, и междисциплинарное, и международное взаимодействие, результатом которого стали как наша публикация в журнале Scientific Reports, так и деятельность в рамках проекта РНФ.
В проекте РНФ заявлены методы создания микроносителей, “оснащенных” наночастицами, которые могут быть использованы при проведении самых разных исследований. В том числе и электроскопии. Созданная структура позволяет отобрать у природы еще один из ее секторов и исследовать клетки, не разрушая их.
— С моей точки зрения, — говорит Евгений Гудилин, — основной смысл и главный плюс проекта РНФ заключается в том, что он позволяет в полной мере задействовать силу уже сформированной команды молодых ученых. Не будь поддержки фонда, тему использования наноструктурированных специальных подложек для неинвазивных исследований пришлось бы оставить.
— Сложно ли было участвовать в конкурсе РНФ?
— Надо было заявить оригинальную тему. Наша оказалась достаточно оригинальной. Таких исследований в РФ проводится немного: есть буквально пара групп, которые пытаются что-то делать в этом направлении. Но у них другие материалы и задачи. Так что все соответствовало требованиям конкурса: тема оригинальна, молодежный квалифицированный коллектив — в наличии, имелся и серьезный задел в области данных исследований.
Мы много обещали и много сделали. Названная выше статья в Scientific Reports — не единственная по тематике проекта. Сейчас опубликовано еще четыре научные статьи.
— Трудно ли растить молодых успешных ученых?
— По большому счету, не я их растил. Например, сотрудничество с Анной Семеновой (кандидат химических наук, факультет наук о материалах) началось еще во время работы по ее кандидатской диссертации. Она и сегодня продолжает активно трудиться в проекте, благодаря поддержке РНФ. Именно Анна — автор идеи “волшебных” серебряных подложек.
Другой участник проекта — старший научный сотрудник кафедры биофизики биологического факультета МГУ кандидат биологических наук Надежда Браже. Ее наставник — профессор биологического факультета МГУ Георгий Максимов. Надежда — один из основных авторов статьи в Scientific Reports. В этом году Надежда получила национальную стипендию L’Oreal-Unesco “Для женщин в науке” — “For Women in Science”, отчасти за исследования клеточных процессов и биомакромолекул при помощи SERS. Большой вклад в исследования внесли коллеги из Дании и Германии.
Предшествующие работы в данном направлении нас сплотили, а грант РНФ позволил сохранить команду и получить новые междисциплинарные результаты, которые, в частности, нашли отражение в статье, опубликованной Scientific Reports. Кстати, по проекту РНФ у нас запланировано минимум пять публикаций в высокорейтинговых научных изданиях ежегодно — вполне нормальный “выход” для серьезной рабочей группы.
— Проведение междисциплинарных исследований дается легко?
— Сейчас — да. Но прежде все было непросто. Например, мы очень долго “притирались” с биологами. Инициатором такого междисциплинарного взаимодействия всегда выступал основатель факультета наук о материалах МГУ и его первый декан академик Юрий Третьяков. Именно он в свое время призвал нас сотрудничать с биологами. Мы послушались и не пожалели, хотя, повторюсь, налаживание научной кооперации было длительным: биологи говорят на своем языке, мы — на своем. Мы хорошо можем понять химиков, частично понимаем физиков, плохо — математиков… И вот постепенно нашли общий язык с биологами, которые, по сути, скорее являются биофизиками и биохимиками.
— Реализация проекта РНФ имеет несколько этапов. Каковы основные итоги сделанного на данный момент?
— В программе проекта прописано несколько вполне логичных стадий. Первая была поисковой: мы мониторили и проверяли те системы, которые заявили, в том числе желая понять возможность их практического использования. Это была стадия выбора наиболее перспективных систем с точки зрения дальнейшего их внедрения. Сегодня мы можем сказать, что наиболее перспективны кольцевые наноструктуры серебра.
На следующем этапе будем заниматься исследованием митохондрий, выделенных из сердечных мышц крыс c различными сердечно-сосудистыми заболеваниями и сахарным диабетом. Надеемся, что полученные результаты помогут нам разработать методику диагностики патологий на начальном этапе развития этих болезней, которая, в свою очередь, позволит начинать лечение заболеваний намного раньше и вести его эффективнее.
— Написание отчетов по грантам — процедура сложная и длительная. Как вы справляетесь?
— Получившие грант РНФ могут быть благодарны фонду: отчетность здесь минимальна. Требования — четкие, упор — на фундаментальность материала. Надо отметить, что этот момент фондом хорошо продуман и в полной мере учитывает интересы ученых. Здесь смотрят суть отчета и публикации. Одним словом, РНФ заточен под ученых.
— Что порекомендуете как эксперт тем, кто планирует подавать проект на конкурсы РНФ?
— Всегда грустно, если подаваемый проект — “завиральный”. Пишите реалистичные вещи, которые выполнимы в рамках заявленного финансирования. Кроме того, необходимо делать упор на фундаментальность и новизну работ. Если тема проекта уже звучала ранее, и в нем не ожидается генерация новых, в том числе фундаментальных знаний, то, скорее всего, заявка поддержана не будет. Технические проекты не столь интересны фонду, для них существуют другие варианты финансовой поддержки.
Так что “правила игры” РНФ просты: основная ставка — на молодежный коллектив и новые знания, которые в дальнейшем будут иметь значимость для фундаментальной науки. Важен при подаче заявки и уже имеющийся научный задел, ведь любая, даже самая гениальная, идея без этого вряд ли может быть реализована.
Беседовала Нина ШАТАЛОВА
На нижнем снимке
коллектив авторов статьи
Фотоснимки предоставлены
Е.Гудилиным
Нет комментариев