Русский фермент оказался на порядки более активен

«Русский фермент оказался на порядки более активен»

Лауреат мегагранта Александр Кабанов о результатах работы в России

ТЕКСТ: Александра Борисова

ФОТО: rsc.org

Нанозимы работают гораздо эффективнее обычных ферментов

Борьба с последствиями отравления пестицидами, уничтожение активных форм кислорода при воспалении и направленная доставка лекарств прямо в очаг опухоли — часть результатов работы по мегагранту Александра Кабанова. Лауреат рассказал«Газете.Ru» о достижениях и проблемах, с которыми пришлось столкнуться.

– Как вы оцениваете программу мегагрантов после двух лет работы?

– По опыту первой волны мегагрантов уже можно точно сказать, что программа по-существу удалась. С помощью этих грантов в российскую науку привлекли крупных ученых, которые успешно развернули проекты во многих областях науки, в которых Россия либо отставала, либо вообще не имела никаких серьезных позиций, так как эти области науки в основном возникли в 90-е и последующие годы, когда российские ученые были в очень тяжелой ситуации. Кроме того, поддержку с помощью мегагранта получил ряд достаточно молодых и активных российских ученых, таких как академик Сергей Лукьянов, которые, работая в России, несмотря на трудности делали работы на мировом уровне. Не все проекты мегагрантов одинаково успешны, наверняка есть неудачи и есть гранты, которые, возможно, не стоит продолжать. Но в целом программа оказалась успешной.

Вообще в чем идея мегагрантов? Вот пример: вы отстали в автомобилестроении, но хотите создать у себя автомобильную промышленность, конкурентоспособную со всем миром. Есть два пути - постепенное улучшение своих технологий и заводов или, как было сделано в Советском Союзе, вы привозите завод под ключ и делаете«Жигули», которые потом адаптируете. Или строите в Калининграде БМВ. Пойдя по первому пути, вы никогда не обгоните лидеров, если будете идти за ними по пятам. Если вы успешно реализуете второй путь, то у вас быстро появятся современные автомобили и современная промышленность. Используя это как основу, можно вскоре прийти с какими-то новыми идеями, которые вам дадут возможность опередить других. В этом заключается идея мегагрантов.

– А что программа мегагрантов смогла изменить в России уже сегодня?

– Отвечу на нашем примере. До этого гранта в МГУ и в целом в России не было исследовательского центра мирового уровня в области наномедицины. А сейчас он стал формироваться вокруг нашей лаборатории. И, кстати, включает не только МГУ, но и другие группы, проводившие серьезные исследования в этом направлении, например, подразделения академика РАМН Владимира Чехонина, с которым мы активно сотрудничаем. Благодаря объединению усилий существенно возрос общий уровень и потенциал нашей работы. Думаю, что будет отдача и в других местах. Мы начинаем многообещающее сотрудничество с двумя мегагрантниками первой волны, профессором Животовским и профессором Студитским, в области наномедицины рака. В общем, получается одновременно и эффект«критического зародыша», и эффект«критической массы». Думаю, что и с другими успешными лабораториями, созданными с помощью мегагрантов, сложилась похожая ситуация.

Ведь отставание в российской науке произошло не столько из-за того, что мы в России стали двигаться медленнее в областях, где мы были сильны – просто за рубежом за эти 10-20 лет произошло взрывное развитие новых областей науки, которых у нас никогда не было!

И теперь нам нужно искать свой путь в этой науке, и мегагранты – один из серьезных способов достижения такой цели.

Именно эту задачу я поставил перед своими сотрудниками в России. Я сказал им, что мы не можем делать то же, что и другие, бежать вслед уходящему поезду. Мы также никогда не догоним, если будем смотреть на этот поезд со стороны. Поэтому мы решили задействовать весь ресурс и потенциал сотрудничества университета Небраски и Московского университета в области наномедицины. Пока здесь строилась лаборатория, я возил студентов учиться в Омаху, они смотрели, как там работают - это плюс. А потом мои сотрудники оттуда стали приезжать, стали посылать препараты, образцы, начали делать совместные работы. Так мы создали необходимую инфраструктуру. В результате появились совместные заявки на патенты, совместные статьи. Вместе с тем, я понимал, что в Москве я не могу повторять то, что делаю в США, это пустое и вредное занятие. Я здесь должен был поставить другие задачи, воспользоваться теми преимуществами, что есть здесь в России для того, чтобы нащупать прорывные направления и попытаться«пробежать напрямки».

– Удалось это сделать?
– Да, я считаю, что нам это удалось. Одна интересная фундаментальная работа, сложилась из комбинации этих двух подходов. Она была бы невозможна без опыта, который я получил в Америке, и тех экспериментов, которые там начали делать мои американские сотрудники. И также она была бы невозможна без мегагранта. История вот какая. Я давно занимался самособирающимися полимерами для доставки лекарств. Во всей этой области науки основная идея следующая: возьмем лекарство, упакуем в контейнер, изменятся физико-химические свойства лекарства – например, молекула была нерастворимая, а в контейнере она прекрасно путешествует по организму и попадает туда, куда нужно(подробнее я рассказывал об этом в своей лекции на«Газете.Ru»). Но это все просто только на словах. На деле эти молекулы, во-первых, нужно прочно связать, чтобы они не«потерялись» по дороге, а во-вторых – распаковать в четко указанном месте. А как? Во всей нашей области до сих пор толком не умеют распаковывать. Полагаются на то, что контейнер со временем растворится или выбирают в упаковку полимеры, которые должны расщепляться ферментативными системами организма. А если я просто хочу взять и открыть крышку там на месте! Ни кислотность, ни восстановительный характер среды, ни локальный нагрев пока не дают четкого результата. Эта сторона технологии в наномедицине не развита. И мне всегда хотелось придумать системы, которые можно в организме двигать на нано уровне.

Давно вертелась в голове простая идея – магниты. Играя в маленькие детские магнитные шарики, можно создавать магнитные поля и двигать шарики и то, что к ним прикрепишь. Маленькие суперпарамагнитные частицы под воздействием магнитного поля могут агрегировать, их тоже можно двигать. Мы для этой цели начали использовать наночастицы магнетита – Fe₃O₄. На протяжении 10-20 лет с этими наночастицами были связаны большие надежды на так называемую магнитную гипертермию. Эти маленькие магниты могут испускать тепло при взаимодействии с переменным магнитным полем.

Следовательно, их можно дистанционно нагреть, и они смогут«сварить» и убить раковую клетку – это и есть магнитная гипертермия.

Но я в ней сразу разочаровался, потому что мне стало ясно, что в отдаленный очаг заболевания, в маленькую опухоль никогда не удастся доставить достаточное количество магнитных наночастиц, чтобы что-то там разогреть. Для объемного разогрева концентрации должны быть гораздо выше. А что может получиться? Я подумал, что, может быть, получится разогреть не во всем объеме, а локально? Создать вязкую среду, чтобы тепло не уходило так быстро? Тогда вам удастся вызвать фазовые переходы полимеров, движения полимерных цепей, вызывающие структурные изменения в контейнере, чтобы«открывать крышки». Я стал конструировать системы, чтобы это попробовать. Мы взяли магнитные наночастицы и стали пришивать к ним молекулы фермента как детектор, надеясь денатурировать их теплом. Это было до мегагранта, и у нас то получалось, то не получалось. Объяснить наблюдаемое не удавалось.

Когда мы получили этот мегагрант, передо мной открылась прекрасная возможность сотрудничества с физиками. В то время я работал в Небраске в медицинском центре, там физиков не было, а в Москве по мегагранту со мной стал сотрудничать физик из Тамбова, профессор Юрий Головин. Физик и химик говорят, конечно, на разных языках, но мы изучили литературу, он приехал в Омаху и посмотрел, как мы делаем эксперименты и пришел к выводу, что невозможно ничего нагреть в объеме наночастицы локально, потому что энергия так быстро диссипирует, что создать заметный градиент температуры в принципе нельзя. Но системы-то работают, что-то у нас получается! И тогда Головин предположил, что магнитные частицы создают механические напряжение на пришитой к ним полимерной цепи, двигаясь в переменном внешнем магнитном поле. Вот эти напряжения уже могут деформировать или даже разорвать белковую цепь – профессор Головин провел соответствующие расчеты. Так и появилась эта работа: с помощью переменного магнитного поля сверхнизкой частоты можно вызывать переориентацию частиц, и при этом, если вы научились правильно соединять эти магнитные частицы с полимером(а мы это умеем очень хорошо), то вы можете создать наноразмерное«реле» и на расстоянии его переключать.

То есть вы можете встроить эти частицы в контейнер доставить в нужное место в организме, а потом включить реле и открыть крышку.

Здесь в Москве мы сделали совсем не то, что делают все. Люди обычно используют относительно высокочастотные поля – порядка 300 тыс. Гц, а профессор Головин создал установки, которые используют поле всего в 50 Гц. И даже такие, абсолютно не нагревающие(и совсем безопасные для живых клеток) поля, как оказалось, могут совершать эту механическую работу. Мы также стали понимать, как этими полями управлять, чтобы их действие было более эффективным. Эта работа описана в статье, которая у нас выходит на днях в Angewandte Chemie, и я думаю, что она для нас будет важной вехой.

Мы открыли дверь в совершенно замечательную для себя область, и если мегагрант продолжится, мы здесь в России еще очень много нового узнаем.

И это будет не там, где мы нагнали Запад, а там, где мы как раз вместе пробежали напрямки. Оказалось, что догонять эту магнитную гипертермию и не нужно было, этот поезд идет в никуда. Правда расслабляться не надо, потому что мы не одни в этом направлении думаем, и в этой области начинается новая гонка.

– Ваш мегагрант работает только над фундаментальными проблемами?

– Отнюдь нет. Мне хотелось в рамках этого гранта сделать не только фундаментальную работу, которая подвинет наш горизонт исследований, но и препараты для реального практического применения, лекарства. Сейчас мои прикладные разработки в МГУ связаны с технологией нанозимов для доставки ферментов в организме. В принципе, ферменты можно вводить в организм и напрямую, но они нестабильны, они инактивируются, расщепляются в клетках, и вообще они в большинстве случаев не идут туда, куда нужно. А технология нанозим позволяет упаковать фермент и добиться его стабилизации и доставки. Мы ранее работали в США с белком, бутирилхолинэстеразой, который способен связывать различные токсичные органофосфаты, которые содержатся не только в отравляющих веществах, но и в пестицидах. Упаковав этот белок в нанозиме мы успешно доставили его в мозг, это был хороший задел. Затем я использовал тот же подход – соединить мои наработки, сделанные в Небраске, с тематикой, по которой в России, на химическом факультете МГУ есть хороший задел. Оказалось, что у моих коллег с химфака доктора биологических наук Елены Ефременко и члена-корреспондента РАН Сергея Варфоломеева есть фермент – органофосфатгидролаза.

Мы с таким ферментом работали в США, но«русский» фермент оказался на порядки более активен!

Это конкурентное преимущество, но оно само по себе недостаточно, так как он нестабилен. Мы решили эту проблему, упаковав этот замечательный фермент в нанозим так, что он стал стабильным, сохраняя свою каталитическую активность в расщеплении органофосфатов. Эту технологию мы уже патентуем. Уже проведены опыты на крысах, и оказалось, что полученный фермент-нанозим защищает их от отравляющих веществ. Значит, у нас в руках антидот, но не только на случай, например, атаки террористов типа той, которая случилась в Токийском метро. Например, в моем штате Небраске высокая частота рака и паркинсонизма, и возможно, что это следствие активного применения пестицидов в сельском хозяйстве. То же верно и для Китая, других стран, где пестицидами отравляются люди, скот, и наш простой в изготовлении нанозим может вполне найти свое применение на рынках многих стран. Это второй результат мегагранта, и сейчас на его основе мы думаем над новым проектом, полностью посвященным внедрению этой разработки в практику.

Другой практически важный результат тоже связан с нанозимами – на основе ферментов, которые способны расщеплять реактивные формы кислорода.

Эти токсичные формы кислорода накапливаются в организме при нейродегенеративных и множестве других заболеваний. Они поражают ткани и приводят к их разрушению. Если бы можно было использовать эти ферменты как«очистители» для детоксификации организма, удаления этих форм кислорода, то можно было бы эффективно бороться с последствиями таких болезней. Эту задачу мы тоже решаем с помощью нанозимов. В США у нас был задел в этой области по инсульту, паркинсонизму, гипертонии. В России мы, в частности, сосредоточились на глазных воспалительных процессах. В качестве экспериментальной модели был выбран увеит(воспаление сосудистой оболочки глаза). Мы сделали нанозим, который снижает воспаление при этой болезни. Это прототип лекарственного препарата, который мы теперь хотим двигать в практику.

– Каковы перспективы развития программы мегагрантов?

Но успешное начало еще не означает успешное продолжение. Представьте себе, что вы построили автозавод, но не построили дорог, которые эти автомобили будут отвозить. Электричество давали два года, а потом его отключили. Завод стоит, у вас все растаскивается. Это то, что изначально должно было произойти с программой мегагрантов, рассчитанной на два года. Никогда такие масштабные программы не делаются на короткий срок, минимум – пять лет, иногда десять лет. А в случае мегагрантов не было понятно, что после двух лет работы должно произойти с коллективом, с аспирантами, с оборудованием. Поэтому, когда мы встречались с Дмитрием Медведевым, мы выделили два принципиальных вопроса для обсуждения: федеральный закон 94 о госзакупках и судьба программы мегагрантов после начального периода. По первом вопросу вместе с научной молодежью, которая также боролась против этого закона, и бывшим министром образования и науки Андреем Фурсенко удалось в закон внести принципиальные поправки, облегчившие работу ученым. Вы об этом уже писали.

Правительство приняло решение, что часть мегагрантов продлят. Хорошая новость, но есть одна деталь: продление будет дано только тем коллективам, которым университет даст ровно столько денег, сколько государство. Если вы работаете в бизнесе, это разумно. Но в университетской науке это не так работает, даже в США.

– А как это устроено в США, есть ли у университетов в США эти деньги?

– В США, где я работаю, каждый грант имеет«indirect cost» – накладные расходы, которые рассчитываются от суммы, направляемой на собственно научную работу, и которые нередко составляют 50% этой суммы и более. Эта ставка разная для разных университетов и она включает в себя плату за электричество, использование площадей, оборудования, администрацию и массу других вещей. Она утверждена государством, и все грантовые агентства придерживаются ее. Например, если я получаю грант на 10 миллионов долларов, 30% получает университет, остальное я. Иногда в случае таких крупных стратегических грантов университет может дополнительно поддержать получателей гранта, в моем примере выделить полтора миллиона на стратегический наем профессуры или оборудование. Но вуз уже с этого же гранта получил более трёх миллионов накладных расходов. А в мегагрантах, насколько я понимаю, нет накладных расходов. При продолжении мегагрантов в 2013-2014 гг., например, дополнительно к финансированию Правительством в 30 млн рублей университет должен добавить еще 30 миллионов из собственных средств. В МГУ сейчас шесть таких грантов, которые подходят к продлению, а всего их девять. Университет нам помогает, нам платят за оборудование, электричество, воду, нам дают административную и другую помощь, но это не имеет рублевого эквивалента, учитываемого в гранте. То есть выходит, что мы хотим сделать лучше, по-западному, а получается, что и университеты и мегагранты поставлены в невыносимую ситуацию. Такая система уничтожит лучшие лаборатории. Поэтому мегагрантники первой и второй волны объединились и вышли с предложением оценивать проекты для продления в первую очередь по успешности, по научному вкладу, а не по способности университета вложить дополнительные деньги.

Мы написали об этом в письме министру Дмитрию Ливанову, но ответа мы пока, насколько я знаю, не получили.

– С каким проблемами пришлось столкнуться при работе по мегагрантам?

– Мегагранты не исключение и сталкиваются со всеми проблемами, характерными для российской науки. А главная проблема российской науки заключается в том, что она так архаично организована, что работающий в ней хороший ученый, даже имеющий приличные деньги, работает в несколько раз менее эффективно, чем ученые в США и других ведущих странах. Это складывается из многих вещей: в первую очередь излишней бюрократии и отчетности, сложности закупок, почтовых посылок, более высокой стоимости оборудования. Но ведь наука – как спорт, вам хочется быть первым. И когда вы объективно знаете, что вас«там» все равно победят, вам конкурировать не хочется. В результате создается своя собственная наука, вы выбираете для исследования вещи маргинальные, те, которыми другие не занимаются, заявляете, что вас несправедливо обходят, устанавливаете собственные рейтинги журналов и т.д. Иногда, если вы гений, то что-то получается. Однако, гении не распределены равномерно: гении концентрируются в локальных областях, потому, что они зажигают друг друга, а обстоятельства зажигают их. При разбавлении таланта потери происходят в самом начале линейно, а потом резко – как обвал - вот вы разбавили концентрацию в 10 раз, и у вас стало в 1000 раз меньше гениев. К сожалению, колоссальная проблема в России – демографический провал ученых в возрасте 40-60 лет.

Многие сильные ученые в этой возрастной категории в 90-годы уехали работать в другие страны, а многие ушли в бизнес, как, например, товарищ моей молодости Юра Мильнер.

Немногие действительно крупные ученые в этой возрастной группе, оставшиеся в российской науке – исключение, подтверждающее правило. А ведь эта группа в науке уникальна и совершенно необходима, так как, с одной стороны, она сохраняет энергию, а с другой стороны – накопила значительный творческий и организационный опыт. Талантливой молодежи, сформировавшейся в 2000-е годы, сейчас не на кого опереться. В результате оказывается, что в одном хорошем американском университете больше специалистов по биоинформатике или наномедицине, чем во всей России. А таких лучших университетов в США десятки.