«Школьница, влюбленная в биологию, стала заведующей той самой лабораторией»

Лаборатория биохимии стрессов микроорганизмов ФИЦ Биотехнологии РАН выросла из школы академика Опарина и его идеи происхождения жизни, а сегодня занимается тем, как «бессмертные» бактерии переживают стресс, уходят в латентное состояние и возвращаются обратно. Здесь открывали белок Rpf, придумали модели латентного туберкулеза и подошли к фотодинамической терапии, в которой микобактерии буквально убивают себя под действием света. Заведующая лабораторией Маргарита Шлеева во второй части интервью объединенной редакции проектов «Индикатор» и InScience.News вспоминает, как путь от школьницы, влюбленной в биологию, привел ее к руководству легендарным подразделением, и объясняет, как фундаментальная биохимия оборачивается реальными технологиями диагностики и лечения.

— Когда и при каких обстоятельствах появилось ваша лаборатория, кто стоял у ее истоков? Какие корифеи и научные звезды, основатели целых направлений работали в ней раньше? Как менялись название, структура и тематика исследований со времени основания до наших дней?

— Лаборатория биохимии стрессов микроорганизмов была создана в 1996 году на базе лаборатории функциональной биохимии мембран, которой руководил профессор Дмитрий Николаевич Островский — известный российский биохимик, специалист в области мембран бактерий. Его лаборатория, в свою очередь, была создана в 1981 году в результате реорганизации лаборатории эволюционной биохимии, которой руководил академик Александр Иванович Опарин — выдающийся ученый, автор теории происхождения жизни. До 2022 года лабораторией руководил профессор Арсений Сумбатович Капрельянц — биохимик, изучавший молекулярные механизмы адаптации неспорообразующих бактерий к стрессовым условиям. Он является автором идеи динамического ансамбля для описания дыхательной цепи в мембранах бактерий и концепции топодинамической регуляции метаболических процессов в живой клетке. Под его руководством и при непосредственном участии в 1998 году был открыт белок Rpf (фактор, стимулирующий реактивацию покоящихся бактерий).

Тематика исследований лаборатории эволюционировала, но всегда была связана с изучением адаптации микроорганизмов к стрессовым условиям. Первоначально акцент делался на биохимию мембран и стрессовые реакции бактерий.

В настоящее время лаборатория продолжает исследования молекулярных механизмов адаптации бактерий к стрессовым условиям и обратимому переходу в покоящееся состояние, разработку новых методов диагностики и лечения туберкулеза, в том числе с использованием фотодинамической терапии.

— Был ли момент «перелома» — проект или событие, после которого лаборатория заметно усилилась или сменила фокус? Можете привести примеры каких-то самых ярких открытий, сделанных в ней?

— Да, в истории лаборатории биохимии стрессов микроорганизмов можно выделить несколько ключевых моментов, которые стали «точками перелома» и существенно повлияли на ее развитие. Один из таких моментов связан с открытием белка Rpf (resuscitation promoting factor) в 1998 году. Это открытие не только укрепило позиции лаборатории в научном сообществе, но и кардинально изменило направление ее исследований.

Под руководством профессора Капрельянца и в сотрудничестве с учеными из Уэльсского университета (Великобритания) впервые был обнаружен белок Rpf, который стимулирует реактивацию покоящихся бактерий. Rpf — это фактор, секретируемый активными бактериями, который способен «пробуждать» покоящиеся (некультивируемые) клетки, возвращая их к активному росту. Rpf-подобные белки были найдены у Mycobacterium tuberculosis (возбудителя туберкулеза) и других микобактерий. Это позволило предположить, что подобные механизмы могут лежать в основе перехода туберкулеза из латентной в активную форму. Лаборатория начала изучать роль Rpf в реактивации покоящихся клеток, механизмы его действия и возможности блокировки этого процесса для разработки новых методов лечения. Позже было установлено, что белки семейства Rpf являются пептидогликангидролазами — ферментами, расщепляющими пептидогликан клеточной стенки бактерий. Их активность приводит к высвобождению муропептидов, которые, в свою очередь, индуцируют реактивацию покоящихся клеток.

В лаборатории была разработана уникальная модель in vitro образования длительно выживающих покоящихся микобактерий (в том числе Mycobacterium tuberculosis и Corynebacterium jeikeium). Она основана на адаптации бактерий к условиям плавного понижения рН внешней среды с последующим хранением культур в микроаэрофильных условиях. Такая модель имитирует условия, возникающие в макрофагах при захвате микобактерий. Было обнаружено, что свободные ненасыщенные жирные кислоты (СНЖК) и цАМФ в низких концентрациях являются факторами реактивации покоящихся клеток микобактерий. Также была установлена роль мембраносвязанной аденилатциклазы в этом процессе.

Еще одним «переломным» событием было установление факта накопления «спящими» микобактериями порфиринов (в том числе необычных тетраметилированных форм) — пигментов, которые под действием света генерируют активные формы кислорода, повреждающие белки и ДНК бактерий.

Недавно был обнаружен новый фермент, способный осуществлять тетраметилирование копропорфирина III, и, что еще более важно, выявлен ранее неизвестный биохимический путь метаболизма тетрапирролов в микобактериях. Оказалось, что в состоянии покоя (некультивируемости) микобактерии переключают метаболизм тетрапирролов с синтеза гема (содержащего железо) на накопление фотодинамически активных порфиринов, что представляет собой уникальный адаптивный механизм и одновременно «ахиллесову пяту» патогена.

Обнаружение накопления порфиринов в покоящихся микобактериях привело к развитию в лаборатории совершенно нового направления — антибактериальной фотодинамической терапии (аФДТ) заболеваний, вызываемых микобактериями, включая латентный туберкулез и инфекции, вызванные нетуберкулезными микобактериями.

Помимо использования эндогенных фотосенсибилизаторов (самих накопленных порфиринов, которые активируются светом с длиной волны 565–617 нм), в лаборатории активно разрабатываются экзогенные фотосенсибилизаторы с таргетной доставкой в микобактерии. Примером являются конъюгаты фотосенсибилизаторов (например, трикарбоцианина, производных хлорина e6) с трегалозой, специфично транспортирующейся в микобактерии.

Таким образом, последовав за открытием белка Rpf (1998), лаборатория биохимии стрессов микроорганизмов совершила «перелом» от фундаментального изучения реактивации покоящихся форм к созданию инновационных фотодинамических подходов для эрадикации персистирующих микобактерий, устойчивых к стандартной антибиотикотерапии. Это яркий пример того, как обнаружение нового биохимического феномена (накопление порфиринов) генерирует целое прикладное направление.

— Расскажите про Ваш собственный путь в науку: как Вы решили стать исследователем? Давно ли работаете в ФИЦ Биотехнологии РАН? Как Вы стали руководителем лаборатории?

— Мой путь в науку начался не с одного мгновенного озарения, а скорее с цепочки счастливых встреч и людей, которые своим примером и увлеченностью заразили меня исследовательской деятельностью. Решающую роль сыграли три человека. Первый — моя школьная учительница биологии Галина Михайловна Гуревич: она умела показывать живую, а не сухую науку, и именно на ее уроках я впервые поняла, что хочу понимать, как устроена жизнь на самом глубинном уровне. Второй — преподаватель биохимии в университете Нина Федоровна Баширова, которая открыла для меня красоту молекулярных превращений и научила видеть за формулами живые процессы. И третий — мой научный руководитель Арсений Сумбатович Капрельянц, который не просто дал мне первую тему, а показал, как из любопытства рождаются настоящие открытия, и на долгие годы стал для меня образцом ученого и лидера. Именно благодаря этим людям я выбрала биохимию и исследовательский путь.

В Институте биохимии имени А. Н. Баха (который сегодня входит в состав ФИЦ Биотехнологии РАН) я работаю с 1999 года. Начинала с должности младшего научного сотрудника, постепенно осваивая всё новые методы и темы. В 2004 году защитила кандидатскую диссертацию, а в 2021 году — докторскую, посвященную биохимическим механизмам покоя у микобактерий. Все это время я продолжала работать в одной лаборатории — лаборатории биохимии стрессов микроорганизмов, что позволило мне не просто сменить несколько проектов, а вырасти внутри единого научного направления от начинающего исследователя до руководителя проектов.

Руководителем лаборатории я стала благодаря естественной преемственности. До 2022 года лабораторией руководил профессор Арсений Сумбатович Капрельянц — мой учитель и основатель всего направления. Когда он принял решение передать руководство, он предложил мне возглавить лабораторию, и основной коллектив меня поддержал. Так для меня закрылся важный круг: школьница, влюбленная в биологию, стала заведующей той самой лабораторией, в которую пришла больше двух десятилетий назад младшим сотрудником. И теперь моя задача — не только продолжать исследования, но и, как когда-то мои учителя, зажигать наукой следующее поколение.

— Приходится ли вам балансировать между фундаментальными исследованиями и прикладными задачами? Насколько сложно это делать?

— Да, балансировка между фундаментальными исследованиями и прикладными задачами это наша постоянная реальность, и она действительно нетривиальна.

К фундаментальным исследованиям лаборатории сегодня относятся: изучение молекулярных механизмов адаптации бактерий к стрессам (закисление среды, антибиотики, окислительный стресс, выживание в макрофагах); исследование метаболизма порфиринов и их метилированных форм у микобактерий.

Прикладные задачи включают: тестирование новых антимикробных соединений; поиск веществ, активных против покоящихся форм микобактерий; разработку новых подходов к диагностике туберкулёза; создание методов антимикробной фотодинамической терапии.

Основные сложности балансировки обусловлены несколькими факторами.

Фундаментальные исследования нацелены на понимание принципов и механизмов — успех здесь измеряется публикациями в высокорейтинговых журналах. Прикладные проекты ориентированы на конкретный продукт или метод — их успех оценивается патентами, доклиническими испытаниями и внедрением в практику. Фундаментальные работы могут длиться годами без гарантированного результата. Прикладные проекты, напротив, требуют четких сроков и измеримых промежуточных результатов. Фундаментальные исследования обычно поддерживаются грантами научных фондов, где акцент сделан на новизне и глубине. Прикладные разработки чаще привлекают индустриальных партнеров или целевые программы министерств, где важны практическая отдача и перспективы коммерциализации. В фундаментальной науке аудитория — коллеги-ученые, язык специализирован. В прикладных проектах приходится взаимодействовать с врачами, фармацевтами, инженерами, инвесторами — нужен «перевод» научных результатов на понятный им язык.

Приходится требовать от себя и от сотрудников компетенций одновременно в глубинной биохимии/микробиологии и в понимании медицинских и фармацевтических требований. Молодым ученым бывает сложно сориентироваться в приоритетах: писать статьи или доводить разработки до прототипа.

В лаборатории часть грантов и проектов целенаправленно ориентирована на «чистую» науку, другая часть — на доклинические испытания и прототипирование. Любое значимое открытие (например, роль Rpf или метилирования порфиринов) сразу оценивается с точки зрения прикладного потенциала. Сотрудничество с медиками, химиками, биоинформатиками и инженерами помогает понимать, что сейчас наиболее востребовано в нашей области, и быстрее превращать знания в развитие технологий.

Наш опыт показывает, что баланс между фундаментальным и прикладным в лаборатории не просто возможен — он органичен. Открытия в области биохимии стресса бактерий сами подсказывают пути создания новых диагностических и терапевтических подходов. Главная же сложность сегодня смещена во внешнюю плоскость — это поиск инвесторов для финансирования клинических испытаний.

— Если заглянуть на 10–15 лет вперед, каким вы хотели бы видеть ваше подразделение: чем известным, каким по масштабу и по команде?

— Если заглянуть на 10-15 лет вперед и позволить себе помечтать, я хотела бы видеть нашу лабораторию признанным мировым центром по изучению биохимии покоящихся форм патогенных неспорообразующих бактерий и разработке методов диагностики и борьбы с ними. Ключевые направления, которые принесут ей известность, это прежде всего фотодинамическая терапия туберкулеза: метод уничтожения микобактерий с помощью света должен перейти в клиническую практику, а лаборатория стать разработчиком первых протоколов лечения туберкулеза и микобактериозов без антибиотиков.

Второе направление — идентификация специфических порфиринов, белков Rpf и метаболитов в качестве маркеров перехода бактерий в латентное состояние, что позволит создать диагностические тесты для выявления риска реактивации туберкулеза.

Третье — разработка соединений, блокирующих реактивацию покоящихся микобактерий или, напротив, усиливающих накопление фотосенсибилизаторов в покоящихся клетках. Важнейшей составляющей станет интеграция биохимии стресса с биоинформатикой, микрофлюидикой и биосенсорикой для мониторинга состояния бактерий в реальном времени.

По мере развития новых направлений и взросления молодёжи внутри лаборатории, как я надеюсь, сформируются несколько специализированных групп — например, фотодинамических технологий, метаболомного профилирования, разработки диагностических платформ, а возможно, и других. Расширение экспериментальной базы неизбежно, и я вижу перспективу в том, чтобы вырасти до создания собственного центра доклинических испытаний для оценки новых соединений и методов антибактериальной терапии, с биобанком покоящихся форм микобактерий и других стрессоустойчивых бактерий. Также я рассчитываю на постоянное партнерство с клиниками для проведения пилотных исследований разработанных диагностических и терапевтических подходов.

Таким образом, через 10-15 лет лаборатория биохимии стрессов микроорганизмов может превратиться в научно-клинический кластер, задающий стандарты в изучении и лечении латентных бактериальных инфекций: его бренд будет ассоциироваться с прорывными методами борьбы с туберкулезом, масштаб — с междисциплинарной командой из нескольких групп и собственной доклинической инфраструктурой, а главное — в ней сохранится та уникальная атмосфера, где глубина фундаментальных знаний органично сочетается с готовностью решать самые актуальные медицинские задачи.