Немецкая премия будущего 2004 года (часть 2)
В прошлом выпуске радиожурнала я рассказал о разработке электрического биочипа – проекте, награждённом Немецкой премией будущего за нынешний год, – и ещё об одном проекте-финалисте, хоть и не получившем премию, но вполне её достойном. Сегодня же речь пойдёт об остальных двух проектах, также вышедших в финал этого конкурса и также, по мнению экспертов, заслуживающих самой высокой оценки. Напомню, что Немецкая премия будущего присуждается не за фундаментальные изыскания, какими бы выдающимися они ни были, а за новаторские работы прикладного характера, реализованные на практике.
Итак, начнём с проекта, получившего название «Антикалины – биологически активные вещества для фармацевтики, полученные методом дизайна белков». В качества главных разработчиков на соискание премии были выдвинуты – это стало уже, можно сказать, традицией, – трое учёных. Между тем, в данном случае немалый вклад в успех проекта внесло и ещё одно существо – обитающая в средней полосе, а потому всем нам с детства прекрасно известная бабочка-капустница. Именно это насекомое, пусть и невольно, сыграло важную роль в разработке упомянутых загадочных антикалинов. Антикалины – это совершенно новый класс искусственных биомолекул, предназначенных для использования, прежде всего, в медицине... Но лучше эту историю излагать по порядку.
Как известно, иммунная система организма реагирует на антигены, то есть любые вещества, которые она воспринимает как чужеродные или потенциально опасные, образованием так называемых антител. Антитела – это как бы узко специализированные белки, циркулирующие в плазме крови и способные связываться с антигенами и обезвреживать их. В последнее время всё более широкое применение в медицине находят искусственно созданные антитела, поскольку они обладают более избирательным действием, чем традиционные низкомолекулярные химические медикаменты.
Профессор Технического университета в Мюнхене Арне Скерра (Arne Skerra), заложивший теоретические основы проекта, поясняет:
Антитела – это, в принципе, чрезвычайно полезные молекулы, позволяющие организму успешно справляться с целым рядом проблем. Но у антител есть и существенные недостатки, осложняющие их медицинское применение. Например, размеры: это довольно крупные молекулы, поэтому они лишь с трудом проникают в межклеточное пространство. Это и побудило нас взяться за поиски других белков – с более подходящими свойствами.
Тем более что и с экономической точки зрения искусственное производство антител очень невыгодно: оно требует сложного оборудования, биореакторных мощностей в мире не хватает, себестоимость препаратов растёт. Поэтому группа во главе с профессором Арне Скерра сформулировала свою задачу так:
Наша цель состояла в создании новых белков, которые можно было бы видоизменять и модифицировать в строгом соответствии с медицинскими потребностями и использовать для того, чтобы целенаправленно связывать определённые клетки или молекулярные структуры внутри клетки.
На помощь исследователям пришла удача – правда, лишь после многолетних упорных поисков. Профессору Скерре случайно попалась на глаза публикация коллег, из которой он узнал, что пространственная структура одного из белков, обнаруженных в организме бабочки-капустницы, может оказаться подходящей для его целей. Этот белок имел весьма компактные размеры, а тот структурный элемент, который способен связывать другие белковые субстанции, имел форму кубка и легко мог быть модифицирован. На основе этого белка и были созданы антикалины. Но что означает само это название – «антикалины»? Профессор Арне Скерра поясняет:
Это искусственное образование, соединившее части двух слов. Антитела – это средство, посредством которого организм борется против чужеродных клеток или ядовитых субстанций, вызывающих иммунный ответ, отсюда первая часть слова – «анти». А «калины» – от греческого слова «calix», что означает «кубок». Поскольку главный элемент пространственной структуры наших белков имеет форму кубка, мы и назвали их антикалинами. Кстати, сходные белки имеются не только в организме бабочки, но и в человеческом организме, и называются они «липокалины», так что наш термин кажется нам вполне удачным. Он защищён европейским патентом, как, впрочем, и вся технология производства антикалинов. Но мы руководствовались и ещё одним соображением: нам нередко приходится объяснять результаты достаточно сложных научных исследований неспециалистам, и тут очень важно найти подходящий образ.
Несколько упрощая, антикалины можно представить себе как те же антитела, у которых отсекли всё «лишнее». Так, если антитело содержит обычно 4 белковых цепочки, то антикалин состоит всего из одной, а та – лишь примерно из 180-ти аминокислотных остатков. Антикалины не только обладают более простой и стабильной структурой, но и отличаются значительно меньшими – примерно в 8 раз – размерами, чем антитела. Это существенно упрощает технологию их производства: вместо сложных, дорогих и дефицитных биореакторов вполне можно обойтись самыми простыми культурами микроорганизмов, например, трансгенными бактериями Escherichia coli. Они способны в кратчайшие сроки произвести многие миллионы вариантов этих бесценных молекул. Каждому варианту свойственна немного отличная от прочих структура той группы, которая ответственна за связывание антигенов. На сегодняшний день эта уникальная молекулярная «библиотека» насчитывает уже 10 миллиардов «томов». Учёным остаётся лишь выбрать из них нужный. Для этих целей отлично зарекомендовал себя так называемый фагодисплей. Это устройство, созданное с использованием методов генной инженерии, позволяет решить задачу быстро и эффективно. Второй участник проекта – Штеффен Шлехубер (Steffen Schlehuber) – говорит:
Первый шаг состоит в том, чтобы с помощью нашего фагодисплея резко сузить выбор, отсеять большую часть неподходящих антикалинов. На этом этапе из 10-ти с лишним миллиардов белков остаются лишь примерно 10 тысяч. Затем производится дальнейший, всё более точный – можно сказать, прицельный, – многоступенчатый отбор, в ходе которого число возможных кандидатов продолжает уменьшаться, пока не будет найден тот самый единственный оптимальный антикалин, который необходим для связывания данной молекулярной структуры. Это весьма элегантная методика отбора, которая позволяет получить результат всего за 2-3 недели.
Когда подходящий антикалин найден, он может быть использован, например, для борьбы с раковой опухолью. Оснащённый молекулой ядовитого для клеток вещества, такой антикалин прицельно ищет только клетки опухолевой ткани, связывается с ними и уничтожает их, не оказывая вредного воздействия на здоровые клетки. По крайней мере, именно так эту практически лишённую побочных действий терапию представляют себе разработчики антикалинов. Третий в группе – Мартин Пёльхен (Martin Pöhlchen) – говорит:
Мы уже работаем над терапией раковых заболеваний, однако пройдёт ещё несколько лет, прежде чем антикалины найдут применение в клинической практике. А вот в деле создания эффективных противоядий, средств борьбы с лекарственными отравлениями, мы продвинулись значительно дальше. Здесь нам уже удалось провести первую серию экспериментов на животных.
Касаясь противораковой диагностики и терапии, профессор Скерра уточняет:
Мы планируем начать первые клинические испытания в конце будущего года. Тут все этапы и процедуры закреплены в нормативно-правовых документах, за соблюдением этих требований зорко следит ведомство, ответственное за допуск лекарственных препаратов. Мы полагаем, что первые медикаменты на базе антикалинов могут появиться на рынке года через три-четыре.
Что касается бабочки-капустницы – по латыни Pieris brassicae, – поделившейся с учёными своим замечательным белком, то она увековечена в названии фирмы, которая образована для практической реализации результатов фундаментальных исследований, проводимых в Техническом университете Мюнхена. Эта фирма носит название «Pieris proteolab».
А теперь – о совсем другом проекте, хотя сферы применения обеих разработок могут оказаться весьма близкими. Этот проект называется «Конфокальный лазерный сканирующий микроскоп LSM 510 META». Представьте себе, что вы смотрите телерепортаж о футбольном матче, в котором игроки обеих команды выступают в одинаковых зелёных формах, в такой же форме и судья на поле, ну а газон, как известно, тоже зелёный. Ясно, что следить за ходом такой встречи вам будет очень непросто, и вы вряд ли поймёте, кто ведёт в счёте. Примерно такая же проблема, но только чреватая гораздо более тяжёлыми последствиями, встаёт перед медиками и биологами, которые пытаются, используя микроскоп, разобраться, что же происходит с живыми клетками. Лазерные сканирующие микроскопы можно сегодня встретить во многих биомедицинских лабораториях. Они позволяют получать детальное трёхмерное изображение пространственных клеточных структур. Для этого учёные маркируют объекты специальными флуоресцентными красителями, которые под воздействием луча лазера сами начинают испускать свет. Особенно широкое распространение в области фундаментальных исследований получили биолюминисцентные маркеры – особые протеины, позаимствованные, например, у медуз. В отличие от обычных, то есть неорганических люминофоров, которые часто просто разрушают пробу, флуоресцентные белки морских животных дают исследователям возможность заглянуть внутрь живых клеток, своими глазами увидеть происходящие в них процессы. Главный недостаток таких биолюминофоров состоит в том, что все помеченные ими структуры излучают одинаковое зеленоватое свечение, что, естественно, чрезвычайно затрудняет их идентификацию. Как быть? Этим вопросом задались специалисты знаменитой фирмы «Карл Цейсс Йена» – двое физиков и один биолог. Физик Ульрих Зимон (Ulrich Simon), возглавляющий на фирме отдел перспективной визуализирующей микроскопии, вспоминает:
С нашей постановкой задачи мы нашли партнёра в лице НАСА, потому что специалистам Американского национального управления по аэронавтике и исследованию космического пространства действительно уже довелось решать сходную проблему, только в совершенно иной области. Анализируя видеоматериал, снятый разведывательными спутниками, они столкнулись с необходимостью надёжно идентифицировать зелёные танки под зелёными деревьями. В конечном счёте они разработали специальную компьютерную программу для высокоскоростной обработки поступающих со спутников оптических сигналов, и таким образом смогли решить проблему анализа изображения и идентификации наземных объектов. Именно эту технологию мы и положили в основу нашей разработки.
Сочетание позаимствованных у НАСА высоких информационных технологий с собственным ноу-хау в области лазерной сканирующей микроскопии позволило создать прибор, совершивший, можно сказать, переворот в биомедицинских исследованиях. Он способен идентифицировать совершенно одинаковые, на первый взгляд, зеленоватые структуры и придавать им различные цвета. Ральф Воллешенски (Ralf Wolleschensky) – второй физик в трио авторов разработки – поясняет:
Хотя эти зелёные цвета для человеческого глаза совершенно неотличимы один от другого, на самом деле им присущи немного разные спектральные составы, пусть даже эти различия крайне незначительны. Технология идентификации цветовых оттенков, используемая в микроскопе «LSM 510 META», сводится к трём основным операциям. Первый шаг заключается в разложении цвета на его составляющие, для чего используется высокопрецизионная дифракционная решётка. Затем особый детектор измеряет параметры этих составляющих. И, наконец, специальная компьютерная программа анализирует результаты этих измерений, эффективно выявляет мельчайшие различия в оттенках одного и того же цвета и присваивает им разные цвета, что делает их различимыми для человека.
Ульрих Зимон добавляет:
В нашем приборе оптическая дифракционная спектроскопия сочетается с традиционной микроскопией. Конечно, это и само по себе уже прогресс, но небольшой. А действительно значительный прогресс стал результатом использования в этой сфере компьютерных технологий и специального программного обеспечения. Таким образом, нам удалось разработать совершенно новую визуализирующую технологию, а тут одними лишь техническими знаниями не обойдёшься, тут нужно детально разбираться в прикладных задачах, стоящих перед пользователями нашего оптического оборудования.
Ульрих Зимон особо подчёркивает, что история создания этого уникального прибора несколько необычна:
Обычно – так было в ходе подавляющего большинства разработок – заказчики, потребители, сами обращаются к нам, излагают возникшие у них проблемы и ждут от нас их решения. В данном же случае всё было иначе. Потребители, похоже, просто смирились с этой проблемой, видимо, сочли её неразрешимой, а потому никто перед нами и задачи такой не ставил. То есть в этом проекте мы сами проявили инициативу, сами задались вопросом, что могло бы найти высокий спрос у исследователей, обрадовать их. Конечно, такой путь связан с немалым риском, но этот риск, как мы теперь знаем, в полной мере оправдался.
Сегодня детище йенских учёных поставляется ведущим биомедицинским лабораториям во всём мире. Большинство заказов поступает из европейских страны, США и Японии. Что до сферы применения, то она чрезвычайно широка, – говорит третий участник проекта, биолог Бернхард Циммерман (Bernhard Zimmermann):
Сфера применения охватывает такие разные направления исследования как молекулярная биология клетки, онкология, биология развития и даже селекция растений. Оглядываясь назад, можно сказать, что мы сами были поражены тем успехом, который выпал на долю нашего микроскопа. Судя по всему, этим прибором мы, как говорится, попали в точку: очевидно, он отвечает насущным потребностям исследователей во всём мире.
Ульрих Зимон добавляет:
В принципе наши приборы находят широкое применение во всех биомедицинских исследованиях. Онкология – одно из важнейших направлений, однако далеко не единственное. Можно сказать, что везде, где изучают происхождение и течение болезней, любых болезней, эти приборы практически незаменимы. Более того, они необходимы и в фармакологии, там, где синтезируются или анализируются биологически активные вещества, призванные стать основой лекарственных препаратов.