Как открывают новые антибиотики и зачем переоткрывать уже известные? Как можно победить антибиотикорезистентность? Какие тут существуют пути и решения? Почему некоторые ученые работают без выходных? Об этом рассказывает член-корреспондент РАН Иван Витальевич Смирнов, заместитель директора по научной работе Института биоорганической химии им. акад. М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова РАН.
— Иван Витальевич, ваша лаборатория занимается изучением химии протеолитических ферментов. Что это такое?
— Моя лаборатория занимается совместными научными исследованиями всего нашего отдела пептидно-белковых технологий. В этот отдел входят лаборатория биокатализа, которую возглавляет директор нашего института Александр Габибович Габибов; лаборатория антибиотикорезистентности, новая лаборатория, которая создана молодым кандидатом наук Станиславом Сергеевичем Тереховым; моя лаборатория химии протеолитических ферментов, лаборатория белков гормональной регуляции, которую возглавляет профессор РАН Алексей Анатольевич Белогуров.
Наши четыре лаборатории занимаются смежной научной областью, связанной с различным использованием комбинаторных подходов для задач биомедицины и биотехнологий. Собственно, моя лаборатория занимается непосредственной разработкой и реализацией микрофлюидной технологии с ультравысокопроизводительного скрининга биологической активности. Эта технология лежит в основе большинства наших исследований, ее задача — попробовать изолировать какие-то биологические элементы, например микроорганизмы, в отдельные маленькие капельки двукратной эмульсии.
— Что они собой представляют?
— По сути, эти капельки — своего рода маленькие пробирки, микробиореакторы, в которых происходят разные процессы. Эти процессы мы изучаем. Один из них — убийство одной клетки другой. Это дает нам возможность поиска метаболитов, которые осуществляют либо бактерицидную, либо бактериостатическую активность. По сути, это поиск антимикробных препаратов.
— Вам удалось найти какие-то новые антимикробные препараты?
— Новые препараты у нас сейчас в разработке. Есть несколько прототипов, которые мы исследуем. Это достаточно непростая область, и зачастую исследования в ней приводят к тому, что мы открываем уже известные биологические молекулы. Это доказывает, что наша платформа работает и с ее помощью мы можем находить действительно эффективные биотические агенты.
Но поскольку перед нами стоит задача найти новые, то мы проводим проверку большого количества таких метаболитов, и уже те, информации о которых нет в существующих базах данных, начинаем исследовать более подробно. Пока таких метаболитов несколько. Но в ходе наших многолетних изысканий мы открывали уже известные. В частности, нам удалось «переоткрыть» антибиотик амикумацин, который эффективно действует на рибосому, убивает бактерии с очень хорошей активностью. Но у него есть минус: он нестабилен и использовать его в явном виде нельзя. Когда его в первый раз открыли, увидели, что он нестабилен, и перестали с ним работать. Мы его переоткрыли и видим в нем определенный потенциал, который связан с элементами синтетической биологии.
— Что дает переоткрытие? Ведь это то же самое соединение.
— Факт переоткрытия был для нас сигналом того, что этот антибиотик действительно обладает высокой активностью, соответственно, имеет смысл обращать на него внимание. Раньше он был неэффективен из-за своей нестабильности. Его рассматривали как потенциальное цитостатическое средство. Можно его использовать, например, при онкологических заболеваниях, но эти исследования были не очень активны, потому что существовало большое количество параллельно исследуемых соединений. Больше обращали внимания на те, с которыми просто работать, просто синтезировать.
Тем не менее наши коллеги из дружественной лаборатории под руководством Ильи Викторовича Ямпольского смогли наладить полный синтетический путь получения этого соединения, и это позволило нам вносить нужные модификации. Получилось так, что с помощью нашей технологии, с одной стороны, мы смогли найти штамм-продуцент, который производит этот антибиотик в больших количествах, больше, чем было раньше. С другой стороны, мы смогли полностью определить механизм его биосинтеза: понять, как микроорганизм его производит, и таким образом узнать, что влияет на его биосинтез и как можно достичь его увеличенной продукции или, наоборот, обеспечить то, что микроорганизмы от него не погибали. Определили естественный механизм резистентности.
— Как вы это сделали?
— Мы провели его полный химический синтез, определили те самые точки в молекуле, на которые можно влиять, чтобы не потерять его активность. С другой стороны, нашей задачей было найти такие точки, которые повысили бы его стабильность, чтобы его можно было использовать как препарат. Мы это нашли и с помощью возможности его синтезировать можем вводить определенные группы в эти точки и модифицировать его стабильность и активность. Этим мы сейчас занимаемся, у нас есть вариант на основе антибиотика амикумацина, который примерно в 100 раз более стабилен, чем исходный антибиотик, при небольшой потере активности.
— Есть ли у вас какие-то переоткрытые или новые антибиотики, которые удалось довести до фармацевтической промышленности, до аптеки?
— Пока нет. Но у нас есть несколько потенциальных кандидатов, которые ранее не были открыты. Сейчас мы их изучаем. Доведение именно до аптеки требует необходимости показать, что эта молекула не только новая, активная и способная убивать бактерии, но и безопасная, не обладающая избыточно токсическим действием на другие клетки организма, чтобы это не было вредоносным соединением для человека. Все это требует сначала проведения подробных доклинических исследований, потом — клинических, и уже только после этого может дойти до аптеки. На это нужно несколько лет работы. Но мы в пути, даже не на первом этапе.
— Вы сказали, что у вас есть лаборатория антибиотикорезистентности. Это актуальная проблема, о которой кричат все врачи. Что с устойчивостью в отношении ваших новых антибиотиков? Эта проблема их тоже будет касаться?
— Эта проблема глобальная, ее никак не миновать. Действительно, лаборатория антибиотикорезистентности в нашем отделе создана по программе молодежных лабораторий, которая была предложена Минобрнаукой. Безусловно, в задачи этой лаборатории входит поиск новых антибиотиков, и это один из способов борьбы с антибиотикорезистентностью. Мы ищем новые антибиотики, к которым пока резистентности нет. Пока. Но это не единственный и не основной способ борьбы с антибиотикорезистентностью.
— А какой основной?
— Я бы не стал сейчас выделять основной. Хотя мы дискутируем с большим количеством очень уважаемых исследователей о том, что более перспективно, что менее. Мое личное мнение: необходимо работать по всем направлениям, не забрасывать ни одно. Претензии к направлению поиска новых антибиотиков связаны с тем, что мы находим новые антибиотики, а это подразумевает полный цикл их исследований: доклинические исследования, клинические, вывод на рынок. Обычно на это требуются годы. За это время может возникнуть резистентность к найденному препарату. Это недостаток.
Но если мы откажемся от поиска новых антибиотиков, есть вероятность, что мы лишим себя возможности что-то найти, и, когда не будет возможности борьбы с антибиотико-устойчивыми штаммами, просто останемся ни с чем. Поэтому это направление нужно развивать.
Параллельно активно развивается направление поиска факторов устойчивости: почему бактерия резистентна к антибиотикам. Поиск этих факторов и веществ, соединений, методов борьбы с этими факторами очень важен. Это могут быть ингибиторы ферментов устойчивости, потому что бактерии разными способами пытаются уйти от отравления, они создают специальные ферменты, которые разрушают антибиотики, которые их модифицируют, превращая в неактивные. Они меняют себя, чтобы антибиотики на них не действовали. Можно выделить еще такие исследования, как поиск принципиально других способов борьбы с антибиотикорезистентностью, вообще с бактериями.
— Что это за способы?
— Например, использование бактериофагов. Этот способ дискуссионный. Эта проблема выходит за пределы обычной микробиологии. Там включаются проблемы, связанные с регуляторикой, а это не связанные с медициной проблемы. Но они есть. Бактериофаги — это вирусы, и в их отношении существует неприятие сообщества. Если рассказать людям, что мы их будем лечить вирусами, возникнет предубеждение.
— Почему? Ведь вирусами сейчас даже рак лечат.
— Онколитические вирусы существуют. Но когда говорят «рак», это воспринимается как тяжелое заболевание. Поэтому здесь все методы хороши — лишь бы помогло. Когда люди лечат кашель, они не хотят чего-то очень жесткого. А вирусы воспринимают как что-то очень жесткое.
На самом деле это не совсем так. Использование бактериофагов оправданно. Но здесь возникают другие вопросы, связанные со специфичностью действия бактериофагов, которые будут действовать преимущественно на патогенные бактерии и не затрагивать собственную микрофлору. Бактериофаги очень активные, они начинают делиться, размножаться и могут убить все вокруг себя. Но мы знаем, что бактерии бывают и полезные. Значит, нужны надежные способы контроля действия такого препарата.
— Но ведь они выводятся из организма?
— Здесь тоже проблемы. Если вы перестали пить таблетки, рано или поздно антибиотик связался в крови, вывелся из кровотока — все, он не действует. Бактериофаг же воспроизводится постоянно. Таким образом, контроль действия этого препарата тоже очень важен. Такие подходы существуют, люди над этим работают. Но эту работу нельзя назвать законченной.
— По вашим словам, признак того, что ваша платформа работает, — в том числе и то, что вы переоткрываете известные антибиотики. Означает ли это, что ваша платформа — что-то уникальное, созданное именно вами?
— Да, изначально эта платформа создана в нашем институте. Работа начиналась в лаборатории биокатализа, а сейчас она развивается внутри нашего отдела. Эта платформа уникальна тем, что с ее помощью мы можем искать не только антибиотики, но и любую биологическую активность, что раньше было крайне сложно сделать. Когда говорят о науке, показывают разные роботосистемы, планшеты с маленькими и большими лунками, чипы… Роботизация таких скрининговых технологий существует. Только наша платформа переводит этот скрининг на совершенно другой уровень. Мы работаем даже не с тысячами или десятками тысяч, а с сотнями тысяч и миллионами образцов. Одновременно. В короткое время. Соответственно, мы можем ее использовать для большинства задач поиска какой-либо активности.
В свое время была получена Нобелевская премия за разработку и использование фагового дисплея. Действительно, эта прорывная технология достойна Нобелевской премии, потому что она позволила найти большое количество лекарств на основе антител, пептидов, имеющих принципиальное значение для лечения социально значимых заболеваний. Эта технология основана на связывании бактериофага с какой-то мишенью.
Тут возможен и поиск новых ферментов, полезный для биотехнологий, когда фермент будет работать быстрее и его потребуется меньше. А можно получать уникальные ферменты с очень узкой специфической активностью, которая будет разрушать конкретную часть белка. Эта идея реализована в природе в случае нуклеиновых кислот. Существует большое количество ферментов, которые очень специфично разрушают определенные части ДНК. Это ферменты эндонуклеазы рестрикции, другие ферменты с нуклеазной активностью, а самые популярные сейчас в обсуждении — это системы редактирования генома. С помощью нашей технологии мы надеемся в перспективе то же самое сделать с ферментами — найти фермент, который будет обладать уникальной специфической активностью к конкретной последовательности белка. Это может потребоваться, например, для разрушения каких-нибудь патогенных белков или контроля их количества в клетке.
— Вы сказали, что вам часто приходится выходить на работу в выходные и в праздники и у вас вообще нет выходных. Почему так?
— Наука подразумевает постоянную работу с объектами своей научной деятельности. Объекты нашей научной деятельности — живые организмы. Они не люди, у них нет выходных, Трудовой кодекс для них неактуален. В нашей деятельности главное — добиться результата исследований, получить продукт. Если клетки вырастут в воскресенье утром, значит в это время надо быть на работе, а не спать дома. Так можно проспать результат всей своей жизни.
— Что на данный момент вы считаете результатом всей жизни?
— Не смогу ответить — он впереди, я к нему стремлюсь. Если же говорить о достижениях, считаю, что именно разработка нашим коллективом технологии скрининга биологической активности — очень важный этап моей научной деятельности. Но говорить сейчас о финальных результатах сложно. 39 лет — это молодой ученый. Мне 40 лет, я уже не молодой, но недалеко ушел от этой границы. Глядя на своих учителей, понимаю, что можно активно заниматься научной деятельностью еще многие десятилетия.
Интервью проведено при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ и Российской академии наук