«У молодых исследователей есть все возможности проявить себя и добиться результатов»

Как рассмотреть и зачем исследовать структуру молекулы, как создавалась лаборатория структурной биологии КФУ и есть ли в России настоящая наука, для проекта «Я в науке» рассказал Константин Усачев, кандидат физико-математических наук, руководитель научно-исследовательской лаборатории структурной биологии, доцент кафедры медицинской физики Казанского федерального университета.

— Константин, расскажите, зачем нужно устанавливать точную 3D-структуру биологических комплексов? Как можно применить это знание?

— Появление новых научных знаний и развитие экспериментальных методов в области физики, биологии и химии привело к синергетическому эффекту в представлении о процессах, протекающих в живых организмах. Все чаще используется термин «Наука о жизни» или «Life science», который объединяет в себе все естественнонаучные дисциплины. Такой подход позволил перейти к новому восприятию научной картины мира. В частности, в молекулярной биологии и химии стало возможным наблюдать, как протекают химические реакции в трехмерном пространстве, то есть знать, как расположены отдельные атомы и как они взаимодействуют с другими атомами внутри одной молекулы или с атомами соседних молекул. Наличие такой информации позволяет ученым создавать новые (или изменять существующие) молекулы для приобретения ими нужных свойств.

Мои исследования посвящены изучению механизма синтеза белка у патогенных бактерий, таких как золотистый стафилококк, и поиску новых потенциальных мишеней для разработки антибиотиков. За биосинтез белка в клетке отвечает специальный аппарат, главной компонентой которого является рибосома – макромолекулярный комплекс, состоящий из молекул РНК и белков. Согласно генетическому коду, записанному в матричной РНК (мРНК), рибосома последовательно синтезирует полипептидную цепь белка. Таким образом, рибосома является молекулярным и ферментативным мотором клетки. Более 40% клинически используемых антибиотиков нацелены против активности рибосомы. Развитие методов структурной биологии позволило увидеть в 3D, как молекулы антибиотиков могут вмешиваться в работу рибосомы. Тем не менее, существуют штаммы патогенных бактерий, таких как золотистый стафилококк, обладающих множественной устойчивостью к известным на сегодняшний день антибиотикам. Такие штаммы являются опасными патогенами для человека, они вызывают множество внебольничных и внутрибольничных инфекций, которые нередко приводят к летальному исходу. Эта проблема ставит перед учеными задачи по поиску новых соединений, которые могли бы применяться в борьбе с данными патогенами. Но для этого, прежде всего, необходимо знать, как устроена трехмерная структура объекта, являющегося мишенью для антибиотика, а также знать, какой именно процесс антибиотик будет блокировать.

— Каким способом можно «увидеть» рибосому или сложный белок? Как, например, из обычных «плоских» изображений белка, полученных с помощью электронной микроскопии, получается восстановить его объемную структуру?

— Для визуализации структур биомолекул используются методы структурной биологии, включающие в себя рентгеноструктурный анализ, спектроскопию ядерно-магнитного резонанса (ЯМР) высокого разрешения, просвечивающую криоэлектронную микроскопию, а также биоинформатические методы расчета структур. Зачастую для получения полной картины используется комбинация этих методов, что позволяет обходить ограничения, имеющиеся в каждом из них. Если говорить о каждом методе по отдельности, то, например, достоинством рентгеноструктурного анализа является высокое разрешение, однако для применения этого метода необходимы кристаллы исследуемого соединения, а их не всегда удается получить. Спектроскопия ЯМР высокого разрешения может дать уникальную информацию о динамике протекающих процессов, так как объект исследуется в растворе. Криоэлектронная микроскопия позволяет получать трехмерные изображения объектов без их кристаллизации, путем замораживания исследуемых соединений в тонком слое жидкости в жидком этане и последующем получении проекций молекулы в просвечивающем электронном микроскопе. Затем с помощью расчетных методов по полученным проекциям одного и того же соединения производится реконструкция трехмерного изображения. В настоящее время данный метод переживает активное развитие и постоянно совершенствуется, позволяя достигать атомарного разрешения. В 2017 году за развитие метода криоэлектронной микроскопии была присуждена Нобелевская премия по химии.

— Какие глобальные цели стоят сейчас перед вами и вашими коллегами?

— Глобальной задачей, стоящей перед учеными, является создание новых (или модификация существующих) антибиотиков с высокой селективностью к резистентным штаммам патогенов. Что касается нашего вклада в изучение проблемы устойчивости золотистого стафилококка, то в 2016 году совместно с французскими учеными методом криоэлектронной микроскопии с высоким разрешением была решена первая структура рибосомы грамположительной бактерии (золотистого стафилококка). Это позволило выявить новые специфические участки в структуре рибосомы и перейти к изучению их функций.

— Лаборатория структурной биологии довольно молодая, но уже можно говорить о значительных успехах. Как вы оцениваете результаты вашей коллективной работы и каким видите будущее лаборатории?

— В марте этого года мы отмечали пять лет с момента создания лаборатории. В начале это были пустые помещения и всего пять человек, которые хотели работать вместе над новым междисциплинарным проектом. В рамках программы по повышению конкурентоспособности Казанского университета (Проект 5-100) был создан коллектив из ученых двух институтов (Института физики и Института фундаментальной медицины и биологии КФУ) под руководством приглашенного ученого с мировым именем — Марата Юсупова из Института генетики, молекулярной и клеточной биологии (г. Страсбург, Франция). На первом году работы, пока проводились закупки и запуск оборудования в Казани, молодые ученые и аспиранты проходили стажировки во Франции и обучались новым методам. Спустя год это была уже функционирующая лаборатория, оснащенная всем необходимым современным лабораторным оборудованием для молекулярной биологии. Кроме того, огромным преимуществом было наличие в Казани двух старинных школ: по магнитному резонансу (ведущей свою историю с открытий Евгения Завойского и Семена Альтшулера) и по биохимии (первая кафедра биохимии в Европе была организована в 1863 году профессором Александром Данилевским). Таким образом, получилось собрать команду профессионалов из разных областей знаний, которые взаимно дополняли друг друга.

Сегодня в нашем коллективе уже 15 человек, 10 из которых — это молодые ученые до 35 лет, чьи работы были поддержаны грантами фондов РНФ и РФФИ. Более того, в нашей лаборатории ежегодно обучаются и выполняют свои курсовые и квалификационные работы порядка 20 студентов, как физиков, так и биологов. Работая в парах, они учатся друг у друга различным методам, что в результате позволяет готовить новых специалистов с более широким кругозором и говорящих на одном языке. Мне кажется, это наш самый главный результат, поскольку он закладывает основы для проведения новых совместных междисциплинарных проектов.

Что касается планов на будущее, то главная задача — чтобы наши выпускники имели все необходимые знания и умения для проведения самостоятельных исследований в области структурной биологии в любой исследовательской лаборатории.

— Ваше исследование невозможно без специального (и дорогостоящего) оборудования. Удается ли вам оснастить лабораторию всем необходимым?

— Действительно, стоимость современного научного оборудования очень высока, однако благодаря наличию биомедицинского кластера в Казанском университете, наличию современных приборов в институтах физики и химии многое из необходимого оборудования имеется и доступно в рамках центров коллективного пользования. Кроме того, есть активная поддержка со стороны администрации университета. Так, например, месяц назад мы открыли новую лабораторию по кристаллографии белков, оснащенную современным монокристальным дифрактометром, благодаря чему мы теперь можем проводить часть экспериментов, не выезжая на синхротроны. Также у нас появилась возможность обучать наших студентов новому методу непосредственно в лаборатории. Это очень серьезное вложение в материальную базу. Также в лаборатории ЯМР института физики имеется ЯМР-спектрометр с частотой 700 МГц по протонам, оснащенный криодатчиком, который позволяет решать структуры белков в растворе. Таким образом, в Казанском университете на данный момент есть возможность проведения экспериментов по двум из трех основных методов структурной биологии: методом рентгеноструктурного анализа и спектроскопии ЯМР. Надеюсь, со временем появится и криоэлектронный микроскоп. Также мы сотрудничаем с научными центрами в Москве, Пущино, Санкт-Петербурге и с зарубежными лабораториями во Франции и Германии.

— Есть ли у вас мечта как у ученого? Какое большое открытие вам хотелось бы совершить в будущем?

— Моя мечта — увидеть, что результаты наших исследований позволят решить проблему устойчивости патогенов.

— Теперь вопрос немного не про науку. На вашей страничке в Instagram много кадров из лаборатории – и фотографии рибосом под электронным микроскопом, и видео работы дифрактометра – настоящий научно-популярный блог! Вы ведете страничку для себя или планируете расширять аудиторию?

— В первую очередь я хочу заинтересовать людей своими исследованиями, показать, какие работы и на каком оборудовании ведутся в лаборатории. Оснащение лаборатории сделано по лучшим мировым стандартам, оно не простаивает и используется в реальных научных проектах. К сожалению, на просторах интернета часто встречаются комментарии, что в России никакой науки нет (а уж в регионах особенно), что все давно потеряно, а ученые просто прожигают бюджетные деньги. Важно показывать, что это не так. Показать, что у молодых исследователей есть все возможности проявить себя и добиться результатов.

— Что вам больше всего нравится в исследовательском процессе?

— Каждый день узнавать что-то новое и творчески подходить к решению задач.

— Какой совет вы бы дали молодым ученым?

— Не бояться выходить за рамки своей области, ведь очень много интересных задач, которые находятся на стыке наук.

Материал подготовлен при поддержке Фонда президентских грантов.

Понравился материал? Добавьте Indicator.Ru в «Мои источники» Яндекс.Новостей и читайте нас чаще.

Подписывайтесь на Indicator.Ru в соцсетях: Facebook, ВКонтакте, Twitter, Telegram, Одноклассники.