Институты подмосковного Пущина — а здесь их больше десятка — настоящая биологическая Мекка страны. Разработка режимов криоконсервации клеток и органов, создание новейших средств для борьбы с болезнями Альцгеймера и Паркинсона, «оживление» ископаемых растений и беспозвоночных, найденных в вечной мерзлоте... Это лишь малый перечень достижений здешних ученых, известных не только в нашей стране, но и за рубежом. Для того чтобы поближе познакомиться с самыми интересными работами, корреспондент «МК» побывала в пущинских научных владениях. Конечно, на фоне наложенных на страну санкций проводить исследования стало сложнее, а потому помимо научных сенсаций биологи поделились с нами и своими проблемами.
Капли от Альцгеймера
В Институте биофизики клетки РАН, который входит в ФИЦ «Пущинский научный центр биологических исследований РАН», меня встретила заместитель директора по научной работе Ирина Масулис. С ней мы проходим в лабораторию клеточных механизмов патологии памяти, где под руководством Натальи Бобковой исследуются механизмы болезни Альцгеймера и ведется поиск потенциальных препаратов для коррекции нарушений памяти при этой тяжелой патологии. Исследования проводят на животных с наследственной и приобретенной формами болезни Альцгеймера. Ученые используют поведенческие тесты на способность мышей запоминать важные для них сигналы. У лабораторных подопытных животных наблюдаются серьезные нарушения памяти, портится внешний вид, порой они начинают вести себя слишком раздражительно, а иногда затихают, выражая полную апатию.
Кроме животных объектами исследования становятся также клеточные культуры, в которых имитируют развитие нейродегенерации. Биологам важно понимать, что происходит внутри клетки при развитии заболевания.
Раньше считалось, что болезни Альцгеймера подвержены только пожилые люди, но, согласно последним данным и зарубежных, и наших исследователей, неправильный образ жизни, особенности питания могут приводить к развитию данного нейродегенеративного заболевания гораздо раньше генетически «запланированного» времени.
— В нашем институте проводят поиск и испытывают на лабораторных животных прототипы будущих лекарств биологической природы, — комментирует Масулис. — К примеру, так называемые стрессовые белки (или белки теплового шока). При болезни Альцгеймера собственные белки пациента сворачиваются и слипаются между собой, вызывая гибель нервных клеток. Введение животным белка теплового шока помогает остановить развитие заболевания. Испытывая средство на больных мышах, сотрудники лаборатории пришли к выводу, что оно наиболее эффективно при закапывании в нос при ранних признаках.
Вкусовые различия
Название «лаборатория молекулярной физиологии клетки» сначала наводит на мысль о каких-то совершенно далеких от практики исследованиях. «Не спешите с выводами, — советует Ирина Станиславовна, — работы сотрудников этой лаборатории связаны с одним из самых волнующих наших граждан (особенно во времена пандемии) вопросом: вкусовыми восприятиями».
По-научному это называется сенсорной рецепцией. К примеру, все существующее в мире разнообразие вкусов делится всего на пять модальностей: горькое, кислое, сладкое, соленое и вкус глутамата натрия. Из их тонких оттенков и слагаются кулинарные шедевры. А вот каким образом, при помощи каких медиаторов (веществ, связывающих нейроны) клетки нашего периферического вкусового органа передают информацию о типах вкуса, пока неизвестно. Это выясняет коллектив ученых под руководством члена-корреспондента РАН Станислава Колесникова. Ученым удалось установить, что во вкусовом органе млекопитающих присутствуют сенсорные клетки трех типов, каждому типу соответствует определенный «рисунок» рецепторов на мембране. Оказывается, что белковые молекулы, образующие рецептор, по-разному могут сочетаться друг с другом в клетках определенного типа. Чтобы понять, как работают отдельные белки, ученые научились клонировать гены рецепторных белков и получать клеточные линии только с определенным типом рецепторов.
Сердце лягушки
Современная наука еще не дошла до замораживания крупных органов, пока трансплантологи об этом только мечтают. В лаборатории криобиологии и биофизики воды ИБК РАН в свое время удалось разработать технологию замораживания клеток спермы, эмбрионов на уровне 7–8 клеток... Они выживают после глубокого замораживания за счет своих маленьких размеров и особого состава внутриклеточной среды.
— Выяснилось, что клетки спермы изначально снабжены природными соединениями, которые играют роль криопротекторов, — поясняет Масулис. — А потому повреждения их при образовании и разрушении микрокристаллов при замораживании или размораживании минимальны. В институте имеется экспериментальный криобанк, на базе которого проводится апробация разных криопротекторов и режимов замораживания и оттаивания. Образцы в среде, содержащей различные криопротекторы, подвергают замораживанию в жидком азоте. В разные периоды времени после замораживания (это могут быть часы, дни и годы) семена редких и исчезающих видов растений проверяют на всхожесть, репродуктивные клетки животных — на способность к оплодотворению.
Но ученые не оставляют попыток снабдить подобными криопротекторами извне более крупные органы, в которых нуждаются, чтобы преодолеть кристаллизацию воды в тканях при заморозке. В этой кристаллизации, которая разрывает клеточные структуры, — главная проблема сохранности органов.
Однажды вопреки всем теориям ученым лаборатории все-таки удалось заморозить, а потом «воскресить» целое сердце живого существа. Оно принадлежало травяной лягушке. Задача, конечно, несколько облегчалась тем, что лягушка — хладнокровное существо, которое изначально способно переживать температуры, близкие к нулю градусов. Но в институте сердце лабораторной квакши заморозили до кристаллического состояния, погрузив в жидкий азот с температурой минус 196 по Цельсию! В таком состоянии оно пролежало в криохранилище 45 суток, а после ученым удалось восстановить его активность. Для сравнения, при существующих технологиях сохранять отделенный от организма орган можно лишь от 6 часов до суток, в зависимости от типа органа.
В случае с сердцем в лаборатории под руководством заведующего Евгения Фесенко был опробован новый, разработанный в институте способ заморозки органа с минимальными его повреждениями. Новизна подхода здесь состоит в использовании инертных газов и повышенного давления в различных комбинациях. Предложенные способы могут быть использованы и для существенного продления сроков хранения органов, предназначенных для трансплантации в условиях охлаждения. А это уже совсем близко к решению насущных проблем практической медицины.
Интересуюсь у специалистов по криобиологии, можно ли будет теоретически в будущем перенести этот метод на целого человека, о чем говорят некоторые околонаучные группы?
— Нет! Заморозка человека невозможна, — ответили мне. — Мы очень мало знаем клеточную структуру своего тела, а особенно нервную ткань. Есть все-таки пределы вмешательства в природу!
Что за растение подарили Медведеву
Пущинские институты благодаря плотному сотрудничеству между собой часто обмениваются найденными во время полевых работ образцами. Так в ИБК РАН попали и семена древнего растения смолевки, найденные в вечной мерзлоте Якутии сотрудниками Института физико-химических и биологических проблем почвоведения РАН.
— Наши коллеги из лаборатории криологии почв часто находят почвенные разломы, обнажающие остатки ископаемых животных, их норы, — рассказывает Масулис. — Ценность в них представляет все — от остатков самих живых существ до соломы, которыми зверьки обкладывали свои жилища. Так была найдена нора суслика, жившего на земле 30 тысяч лет назад. А в ней — семена древних растений.
Первым делом, по словам замдиректора, доставленные в Пущино в специальных холодильниках семена решили прорастить. Отмачивали их очень долго, но так ничего и не вышло — структуры семечек оказались сильно поврежденными.
Тогда старший научный сотрудник института Светлана Яшина попробовала применить к древней смолевке метод микроклонального размножения, когда из маленьких фрагментов ткани зерна, помещенных в питательную среду, добиваются развития целого растения.
Пробуя разные питательные среды, Яшина смогла все-таки пробудить жизнь в маленьких частичках и клонировать высокоорганизованное цветковое растение, жившее десятки тысяч лет назад.
— Когда Светлана Георгиевна поняла, что сделала, у нее был форменный восторг! Ощущение было сродни победе на Олимпийских играх, — вспоминает Масулис. — Это было «оживление» самого древнего цветка в мире (до Яшиной ученые проращивали гораздо более молодые экземпляры).
К сожалению, пообщаться с «мамой» смолевки нам не удалось, — Светланы Яшиной не стало вскоре после получения удивительного научного результата.
Несмотря на то, что его отметили в свое время и у нас, и за рубежом, продолжения работа пока не получила. Хорошо еще, что на фоне мизерного финансирования науки в нашей стране ученым удается сохранять потомство от той первой прародительницы.
Ирина Станиславовна проводит нас в хранилище ИБК РАН, где при пониженной температуре растут «дети» 30-тысячелетнего растения, выращенные из семян и ткани первого регенерированного растения.
— Сразу вам скажу, что не очень хорошо растет у нас якутская смолевка, — словно извиняется одна из сотрудниц хранилища, Юлия Карпова. — Ей климат якутский нужен. Мы пытались связываться с коллегами, но они заявили, что у них нет возможности заниматься ее размножением и генетикой. Везде не хватает людей. Пытались мы как-то даже включиться в международный проект с Австрией. Получили положительные отзывы, но денег все равно никто не дал.
Чтобы привлечь внимание к уникальной работе со смолевкой, сотрудники института даже преподнесли ее однажды на каком-то важном заседании, касающемся развития науки, тогдашнему премьер-министру Дмитрию Медведеву, но, увы, даже это не помогло.
А между тем изучение таких медленно стареющих и стойких к похолоданию растений (ведь в обнажающихся норах Якутии еще очень много подобных семян) могло бы принести не только абстрактные фундаментальные знания об их природе (хотя они тоже важны). Это, в частности, помогло бы спрогнозировать, как может измениться ландшафт Якутии в будущем, когда вечная мерзлота совсем отступит к северу и все замерзшие в древности семечки прорастут.
Танец древней коловратки
Попрощавшись с Ириной Масулис, перехожу в уже упомянутый Институт физико-химических и биологических проблем почвоведения РАН. Ведущий научный сотрудник лаборатории криологии почв Елизавета Ривкина проводит для меня небольшой исторический экскурс. Оказывается, этот пущинский институт первым в мире начал изучать микроорганизмы в вечной мерзлоте.
— Мы изучаем вечную мерзлоту Арктики и Антарктиды с 80-х годов, — рассказывает Елизавета Михайловна. — Помимо прочего, изучаем, как долго могут сохранять жизнеспособность в вечной мерзлоте микроорганизмы. Мы добываем их из обнажений многолетнемерзлых отложений или из бурового керна. Север Колымской низменности является уникальным регионом, где горизонты возраста от нескольких тысяч до миллиона лет расположены на глубинах, доступных для бурения небольшой буровой установкой.
За 30 лет ученые выделили и пробудили от тысячелетней «спячки» самые различные типы микроорганизмов: от архей и бактерий (то есть прокариотов) до эукариот, к которым относятся водоросли, грибы и дрожжи. В рабочей коллекции лаборатории есть разнообразные представители бактерий и одноклеточных микроорганизмов. А в 2018 году из многолетнемерзлых отложений позднеплейстоценового периода возрастом в 25–30 тысяч лет научным сотрудником лаборатории криологии почв Анастасией Шатилович был выделен первый многоклеточный организм, нематода. В 2021 году другие сотрудники лаборатории, Станислав Малявин и Любовь Шмакова выделили и описали еще один многоклеточный организм — коловратку.
Ривкина проводит меня в кабинет, где Любовь Шмакова изучает древних коловраток, выделенных из мерзлоты.
— Конечно, это уже потомки той исходной коловратки, — комментирует Любовь Шмакова. Век у коловраток недолгий, после нашей находки сменилось уже несколько ее поколений.
На мониторе, подключенном к микроскопу, мы наблюдаем удивительный «танец» беременной коловратки, которая ползает и поедает бактерий. Кстати, она воспроизводит себе подобных без участия самцов — все коловратки женского пола.
Взорвется ли арктическая «метановая бомба»
— Расскажите, а какое существо вы обнаружили в самом древнем слое возрастом миллион лет? — прошу я Елизавету Ривкину.
— Это была метанобразующая бактерия Methanobacterium veterum.
— Многие опасаются, что если вся вечная мерзлота растает, и весь метан, скованный сейчас льдами, вырвется наружу, человечество ждет настоящий метановый «взрыв», усиление парникового эффекта и пр. Вы с этим согласны?
— Я не сторонник апокалиптической версии про метановую бомбу, потому что кроме бактерий, которые образуют метан, в мерзлоте есть бактерии, которые метан окисляют. Кроме того, те, кто говорит о «небывалом» потеплении, забывают, что климат на Земле менялся и в сторону похолодания, и в сторону потепления много раз. Например, последний теплый период, который был связан с масштабным таянием мерзлоты, так называемый голоценовый оптимум, начался приблизительно 11 тысяч лет назад и продолжался 5–6 тысяч лет. После началось похолодание, и растаявшие породы снова замерзли.
Спрашиваю ученую даму о наиболее волнующей всех теме — высвобождении опасных инфекций из-под земли при таянии вечной мерзлоты.
— Я сторонник того, что никакие болезни нам не грозят из-за таяния мерзлоты, — говорит Елизавета Михайловна, — поскольку мерзлота, с одной стороны, закрыта на вход, но открыта на выход. Другими словами, мерзлота постоянно, в течение сотен тысяч лет разрушается и тонны мерзлых отложений вместе с микроорганизмами, которые в ней находились, ежегодно попадали и попадают в реки и Северный Ледовитый океан, включаясь в современные экосистемы. Таяние мерзлоты ничего в этой картине не изменит.
Гибернация по-пущински
Перемещаемся в другой не менее важный Институт теоретической и экспериментальной биофизики РАН, знаменитый ИТЭБ. Здесь очень много направлений — от создания новых лекарственных препаратов до разгадки тайн памяти. Но меня интересует одна из еще не законченных работ — изучение одной из особенностей организма сусликов во время их зимней спячки, связанной с изменением мышечной ткани. Надо сказать, что впервые исследования этого уникального природного явления начали ученые соседнего ИБК РАН. Там была организована и продолжает работать лаборатория механизмов природного и искусственного гипобиоза, которая и координирует работы, связанные со спячкой животных. В чем загадка потрясающей активности этих зверьков и отличного состояния мышц после пробуждения? Можно ли позаимствовать их секрет для того, чтобы помочь космонавтам, длительное время не использующим свои мышцы в невесомости и чувствующим себя потом гораздо хуже, чем суслики?
Для впадающих в спячку грызунов в ИБК РАН соорудили целую «спальню» со множеством клеток. Здесь очень прохладно, темно, пахнет сеном и немножко — зоопарком. В общем, все максимально приближено к природе.
— По сути, при сотрудничестве двух институтов изучается гибернация впадающих в спячку животных, — поясняет сотрудница ИТЭБ РАН Мария Грабарская. — Гибернация — это эволюционно закрепленная способность некоторых организмов адаптироваться к низким температурам с понижением всех функций. Почему эту тему часто вспоминают в связи с космическими полетами? Потому что на орбите происходит атрофия мышц из-за их бездействия, как если бы космонавты пребывали все время в лежачем состоянии. Сейчас им надо тратить по два часа в день на физические нагрузки, чтобы поддерживать форму. Не зря же физкультурный комплекс на МКС называют в шутку «самым дорогим тренажерным залом». Вот и возникла идея обратиться за опытом к животным-зимовщикам, у которых не бывает острой необходимости в физических нагрузках: проснулся и побежал.
Гибернантам после зимней спячки, по словам заведующего лабораторией Ивана Вихлянцева, достаточно всего двух-трех часов на восстановление сократительной функции мышц. Это проверялось и на сусликах, и на медведях. А проследив жизненные циклы сусликов, находящихся в виварии, ученые выяснили, что готовиться к зимней спячке их организм начинает еще с осени. И это не ограничивается только накоплением подкожного жира, о чем мы читали в школьном учебнике природоведения. Сотрудники лаборатории Вихлянцева выяснили, что происходит с мышцами зверьков на молекулярном уровне.
Есть два гигантских белка — титин и обскурин. Они отвечают за поддержку структуры, а также за растяжение и сокращение мышц. Так вот осенью, за несколько месяцев до впадения в спячку, организм суслика начинает накапливать длинные изоформы титина. Пока животное спит, этот белок не тратится, он как бы консервируется в организме до пробуждения. А после него очень быстро запускается в действие.
Кстати, ученые выяснили, что именно происходит в норках сусликов во время зимней спячки.
— Широко распространено мнение, что они спят, и все, — говорит завлаб. — Это не так. Да, 5–8 месяцев суслики не выходят из норы. Но за этот период они много раз просыпаются, через каждые 11–14 суток, чтобы опорожнить мочевой пузырь. Когда суслик спит, температура тела падает до 2–5 градусов, а сердце работает со скоростью четыре удара в минуту. Но стоит ему пробудиться, как температура подскакивает до 37, а сердце начинает работать со скоростью до 400 (!) ударов в минуту. Изменения в организме происходят на глобальном уровне за считаные минуты! Человеку для полного восстановления после длительной неподвижности или условий невесомости приходится ждать несколько месяцев. Сейчас мы думаем, как помочь космонавтам преодолевать атрофию мышц, используя наши знания в области физиологии гибернантов. Как вариант рассматривается метод генной инженерии для выработки нужных белков в нужное время.
Как красная тряпка для... капусты
Удивительно, но в ИТЭБе есть лаборатория, которая производит… текстиль. Это лаборатория тканевой инженерии, где ведущий научный сотрудник Роберт Храмов представляет нам свою разработку — агротекстиль на основе нового органического люминофора. Он, по мнению Храмова, просто необходим растениям для более эффективного роста.
— Из солнечного спектра для всего живого на Земле полезней всего красный свет, — объясняет суть своего изобретения Роберт Николаевич. — Как сделать так, чтобы его было больше? Родилась идея использовать для целенаправленной подачи растениям синий и зеленый свет Солнца, но преобразованные при помощи нашего люминоформа в красный. Так и получился наш новый агротекстиль, который, кстати, можно не убирать с грядок после использования, поскольку он сделан из биоразлагаемого материала.
Красный свет, по словам Храмова, хорошо стимулирует рост растений. Однако может он быть полезен и для человека. Что касается одежды или преобразующих свет штор на окнах — тут надо еще проводить исследования, а польза для глаз от красных светофильтров в очках — тема доказанная.
Чем ответим на санкции?
Переход в новую эпоху, который произошел для всех жителей нашей страны в одночасье, не мог не затронуть научный мир. Из разговоров с пущинскими биологами я поняла, что они настроены работать, несмотря ни на какие санкции. Уже назрели проблемы с реактивами и прочими расходниками, хотя на ближайшие месяцы многие сотрудники успели ими запастись после первых же сообщений о спецоперации, еще 24 февраля.
Научное сообщество в области физико-химической, молекулярной и клеточной биологии не имеет иллюзий относительно быстрого и эффективного импортозамещения. По самым оптимистичным оценкам, по пластику (а вся современная биология использует полипропиленовую посуду и пробирки) собственное производство в достаточном количестве можно наладить не ранее чем через год. Если учесть все остальное — от реактивов до качественных секвенаторов, — для их разработки и налаживания производства потребуется лет пять.
Но есть не менее важная проблема, которая волнует ученых. Как ими будут дальше руководить, как будут выбираться приоритеты?
— Существующая системы формирования госзаданий «снизу» сложилась в условиях катастрофического недофинансирования научных организаций по принципу «вы делаете вид, что платите, мы делаем вид, что работаем», — рассказал мне один из сотрудников. — Грантовая система позволила поддержать сильные коллективы, но и она в полной мере не решает проблемы из-за короткого горизонта планирования. Три года занимаемся одной проблемой, потом дружно переключаемся на другую, в том числе по соображениям научной моды. В то же время, как правило, успешным оказывается тот ученый, который достаточно долго (10 лет и более) разрабатывает одну проблему.
Из мегаважных фундаментальных научных направлений, которые нуждаются сейчас в особой поддержке, невзирая ни на какие трудности, биологи выделили следующие:
1. Исследования рецепторных и сигнальных систем клеток. Нарушения в этих системах (генетические дефекты, соматические мутации, последствия сбоев в метаболизме) являются первопричиной многих заболеваний. Чем больше ученые узнают о молекулярной структуре клеточных рецепторов у разных типов клеток, тем больше возможностей появляется для разработки способов адресной доставки лекарств и дизайна новых фармакологических препаратов. Если это направление отодвинуть на задний план, то о разработке собственных новых лекарственных препаратов можно забыть. А пущинские ученые мечтают о создании конкурентоспособных препаратов на основе результатов своих фундаментальных исследований.
2. Создание генетических моделей заболеваний с помощью геномного редактирования. «Это не прихоть и не дорогостоящая «игрушка», а современный способ ускорения и удешевления доклинических испытаний лекарств», — говорят ученые.
В целом настроение у многих складывается сейчас из напряженного ожидания и осознания ответственности и желания делать что-либо полезное. Надеемся, что первая фаза вот-вот закончится, а вторая в самое ближайшее время претворится в жизнь.
Наталья Веденеева
