Двойная спираль ИБХ РАН

Сотрудники ИБХ РАН уже собрали целую коллекцию образцов эмбриональных, опухолевых и здоровых тканей человека и нашли группу белков, которая отвечает за развитие самого сложного для лечения вида рака — рака поджелудочной железы. Кроме того, ученые создали простой и дешевый способ синтеза нуклеотидов — соединений, которые приводят к гибели опухолевых клеток и останавливают развитие вирусов в организме. Эти и многие другие разработки Института биоорганической химии РАН станут хорошей фундаментальной опорой для дальнейших исследований и выхода на создание социально значимых вещей. Институт биоорганической химии им. академиков М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова (ИБХ) РАН — крупнейший центр физико-химической биологии и биотехнологии в России. Здесь работает более 1000 сотрудников в более чем 40 лабораториях. В 1978 году Юрий Овчинников, академик, второй директор ИБХ РАН, пытался установить структуру мембранного белка бактериородопсина — реагирующего на свет белка, применимого во многих областях жизни, особенно в голографии и микроэлектронике. В условиях жесткой конкуренции лаборатория Овчинникова опередила лабораторию лауреата Нобелевской премии Хара Гобинда Корана и первая расшифровала структуру этого белка. Сегодня изучение мембранных белков, начатое Овчинниковым, является одним из наиболее актуальных направлений в постгеномных исследованиях. Лаборатории Института проводят исследования молекулярных механизмов различных процессов жизнедеятельности, разрабатывают фундаментальные и прикладные аспекты биотехнологии. Именно в ИБХ РАН создали гормон роста для детей методами генной инженерии и некоторые иммуномодулирующие лекарства, наладили выпуск отечественного генно-инженерного человеческого инсулина. Здание Института построено в виде двойной спирали и на картах в нем угадывается ДНК. Такой дизайн имеет и практическое значение. Оно гармонично сочетает в себе пространства для всех видов научной работы: химической, биологической и физической, фундаментальной и прикладной — здесь есть опытное производство для выпуска первых партий лекарств. Игорь Чернов, кандидат химических наук, старший научный сотрудник Лаборатории структуры и функций генов человека ИБХ РАН, работает в ламинарном боксе, чтобы обеспечить равномерный вертикальный поток стерильного воздуха для работы с раковыми клетками и защитить их от микробного заражения. Чернов вместе с коллегами во главе с академиком Евгением Свердловым изучает ключевые для развития эмбриона гены и их белки, которые одновременно играют большую роль в зарождении и эволюции раковых опухолей и их метастазов. Исследования проходят на культурах раковых клеток и мышах с привитыми опухолями. Если в клетках нет нужного белка, сотрудники Лаборатории с помощью модифицированных лентивирусов доставляют в них необходимые гены. Так можно заставить клетку вырабатывать отсутствующий белок. В Лаборатории углеводов исследуют биологические процессы, которые в движущихся клеточных системах (а это, в первую очередь, кровь) протекают иначе, чем в статике, без движения. Большинство тех экспериментальных систем, которые используются в лабораториях сейчас, динамическую составляющую биологических взаимодействий не учитывают. Это приводит к потере важной информации. Возможно, именно по этой причине большинство потенциальных лекарств, успешно прошедших испытания в пробирке на культуре клеток (in vitro), проваливают испытания на животных (in vivo). Для изучения процессов в движении перспективен принцип плазмонного резонанса, когда один из взаимодействующих партнеров закреплен на чипе, а второй двигается в потоке жидкости, имитирующей кровь. Скорость этого потока регулируется, а взаимодействие измеряется в реальном времени и без дополнительных реагентов. На поверхности эритроцитов и других клеток крови находятся гликопротеины и гликолипиды, которые могут действовать как сильные антигены. В Лаборатории углеводов смотрят, что происходит при переносе гликолипидов с клетки на клетку или с клетки на бактерии. Как это ни странно, до сих пор такой простой процесс мало изучен. Чтобы его изучить, сотрудники встраивают в клетки, выстилающие кровеносные сосуды, искусственно созданный гликолипид и в потоке жидкости, имитирующей кровь, определяют, как гликолипид попадает на бактерию. Этот эксперимент проводили с помощью флуоресцентного («светящего») микроскопа, он помогает проследить за движением гликолипидов при помощи нанесенных на них «светящихся» меток. Лаборатория клеточной биологии рецепторов изучает тирозинкиназные рецепторы — белки в оболочках клеток, контролирующие множество процессов в клетке: деление, миграцию, метаболизм и специализацию клетки. Нарушения в работе рецепторов могут привести к проблемам, в частности, к развитию опухолевых заболеваний. Лаборатория изучает рецептор, подобный рецептору инсулина. Этот рецептор открыли еще в 1989 году, но все попытки ученых определить его роль в организме и найти природный лиганд, то есть молекулу, приводящую к активации рецептора, были тщетны. До сегодняшнего дня считалось, что для активации такого рецептора необходим достаточно крупный лиганд в виде белка. Но лаборатории клеточной биологии рецепторов удалось показать, что этот рецептор активирует не белок, а слабощелочная среда. Чтобы понять механизм этой активации, сотрудники Лаборатории получили рецептор, а потом очистили его на хроматографе (на фото). Компьютерный анализ 3D-структуры рецептора позволил показать, что в щелочной среде белок принимает более компактную форму, что доказывает его зависимость от состояния раствора. Чтобы определить роль рецептора из семейства рецептора инсулина, ученые ИБХ РАН получили генно-модифицированных мышей, в которых ген, кодирующий этот рецептор, удалили. Сравнивая измененных и обычных мышей, ученые определяют, на какие процессы влияет отсутствие рецептора. Так, например, оказалось, что организм мыши без этого рецептора с трудом выводит избыток щелочи. Исследования продолжаются. Если гипотеза о том, что слабощелочная среда может активировать в организме изучаемый рецептор, подтвердится, это существенно изменит представления ученых о способах активации рецепторных тирозинкиназ и регуляции кислотно-щелочного равновесия у живых существ. Белки являются главными машинами живой клетки, выполняя множество функций — от производства энергии до передачи информации. Одной из главных характеристик белков является их уникальная 3D-структура. Сотрудники Лаборатории биомолекулярной ЯМР-спектроскопии используют сверхпроводящие магниты, создающие мощнейшие магнитные поля, для измерения расстояний между ядрами атомов в молекулах различных белков. Это позволяет определять их 3D-структуры. Старший научный сотрудник Учебно-научного центра ИБХ РАН Екатерина Финкина исследует активность белков растений, защищающих их от грибков. Для этого в пробирки помещают эти белки и патогены, а результаты наблюдают при помощи микроскопа. Например, на экране — изображение спор фитопатогенного гриба Fusarium oxysporum, вызывающего гниение корневой системы растений (увеличено в 40 раз). Для фундаментальных исследований ученые часто используют модельные организмы, которые могут не иметь практического значения для человека, но обладают рядом преимуществ и удобств для работы. Одно из новых и интересных модельных объектов биологии растений — мох зеленый Physcomitrella patens. Мхи очень близки первым растениям, которые несколько сотен миллионов лет назад появились на суше и изменили облик биосферы Земли. Их изучение позволяет заглянуть в прошлое и изучить новшества, которые позволили растениям колонизировать сушу. В Лаборатории протеомики ИБХ РАН ученые используют мох зеленый для изучения фундаментальных процессов, связанных с ответом клеток растений на стрессовые факторы внешней среды. Растения мха выращиваются на твердой питательной среде. Их гены, кодирующие регуляторные пептиды (короткие белки), не работают. Мох удобен тем, что в нем легко «выключать» некоторые гены или делать их работу интенсивнее. Гаметофоры (на фото), зрелая жизненная форма мха зеленого, удобный объект для изучения защитных механизмов клеток растений в ответ на недостаток влаги. Мхи способны переживать экстремальные условия, в том числе практически полное высушивание и регенерировать после этого в полноценные растения. Такие особенности дали возможность первым наземным растениям адаптироваться к жизни в условиях суши. Изучение этих механизмов защиты поможет в получении устойчивых к засухе сельскохозяйственных растений Руководитель Учебно-научного центра ИБХ РАН, доктор химических наук Татьяна Овчинникова проводит занятия с аспирантами Института. Исследования в рамках пятилетней программы Института позволили привлечь к участию в научной работе большое число студентов, аспирантов и молодых ученых. Всего в проекте заняты 140 человек, больше половины из которых — молодые ученые. Редакция благодарит за помощь в создании материала Российский научный фонд.