Scienty

Инженерная энзимология – это область, изучающая ферменты с точки зрения принципов конструирования и оптимизации технических систем. Её развитие в России прошло несколько этапов, тесно связанных с общими тенденциями развития биохимии и молекулярной биологии. Какие значимые открытия были сделаны и какие перспективы ещё предстоит реализовать? Почему современному исследователю-энзимологу все чаще необходима поддержка искусственного интеллекта? И в чем заключаются различия между нынешним поколением студентов и теми, кто обучался полвека назад? Об этом рассказывает академик Алексей Михайлович Егоров, главный научный сотрудник химического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова, главный научный сотрудник Института полиомиелита и вирусных энцефалитов им. М.П. Чумакова, заслуженный деятель науки Российской Федерации.

— Алексей Михайлович, вы трудитесь в МГУ уже 65 лет. Этот выдающийся университет стал для вас настоящим домом. Что же послужило причиной такого тесного соединения с МГУ?

— Прежде всего, я живу неподалеку. А еще, когда мне было десять лет, моя сестра привела меня в недавно построенное в 1953 году общежитие МГУ имени М.В. Ломоносова. Я был поражен, увидев это здание. Что мы видели после войны? В основном, бараки, и вдруг такое великолепие… И тогда я решил, что буду учиться в университете.

— На вашем столе множество книг, и, очевидно, каждая из них имеет для вас значение. Особенно книга под названием «Наш дорогой Илья Васильевич Березин». О чём в ней рассказывается?

— Обстоятельства сложились так, что я оказался под личным влиянием Ильи Васильевича Березина, когда он являлся научным руководителем лабораторного корпуса А МГУ ( И.В. Березин, физикохимик и член-корреспондент АН СССР, занимал должность декана химического факультета имени М.В. Ломоносова в период с 1969 по 1981 год. — Примеч. ред. ). Он оказывал мне значительную поддержку и давал ценные советы, поэтому я воспринимаю его как своего наставника. Ошибки случаются у всех, но найти того, кто поможет выбраться из сложных ситуаций, — большая редкость. Илья Васильевич был именно таким человеком. Возможно, это объясняется его военным опытом, ведь у людей, прошедших войну, часто развито особое чувство ответственности. Я не раз замечал это в МГУ, и недавно в разговоре с Виктором Антоновичем Садовничем выразил мысль о необходимости возведения мемориала профессорам, пришедшим в университет после войны. Хотя многие из них уже ушли из жизни, память о них должна быть сохранена. Это люди, оказавшие огромное влияние на формирование нашего поколения, и Илья Васильевич был среди них.

Он испытывал глубокую привязанность к химическому факультету и в 1969 году занял должность декана. Илья Васильевич был учеником Николая Николаевича Семенова, и они совместно исследовали механизмы окислительных реакций, в которых участвуют свободные радикалы. Однако после годичной командировки в Америку, вернувшись оттуда, он принял решение принципиально изменить направление своих исследований. Его внимание было сосредоточено на трех областях: механизмах формирования специфических антител и их взаимодействии с антигенами; изучении ферментов как катализаторов биохимических реакций, а также экономической организации общества.

— Это прозвучало неожиданно. Почему был выбран экономический аспект?

— Его привлекала американская экономика, и он стремился внести изменения в советскую систему.

— Но это было нереально.

— Да. Это при условии, что он был членом парткома МГУ и вообще был весьма разумным человеком. Он осознал, что в экономике ему не добиться успеха. В то время в СССР существовала острая нехватка антител, реактивов практически не было. А ферменты были доступны — пепсин, папаин, пищеварительные ферменты. Учитывая, что у Ильи Васильевича с первой группой учеников (Сергеем Варфоломеевым, Карлом Мартинеком, Новеллой Казанской, Натальей Угаровой) был хороший научный фундамент в области физической химии, он решил организовать новую кафедру химической энзимологии для изучения механизмов ферментативного катализа. Коммерчески доступные ферменты были использованы как исходные модели для изучения механизмов биокатализа. Потом научились выделять новые ферменты. Основной задачей первого этапа исследований было решение задачи низкой стабильности ферментов, поэтому мы занялись вопросами: каким образом их можно стабилизировать, каковы механизмы их денатурации? Это было интересно тогда для многих групп во всем мире, поэтому буквально через пять лет, когда мы открыли направление инженерной энзимологии, американские ученые организовали совместную с нами группу по Enzyme Engineering (мы провели значительный объем исследований, посвященных изучению механизмов действия ферментов, в области инженерии ферментов. Я принимал активное участие в организации кафедры под руководством И.В. Березина и внес вклад в определение ряда новых научных направлений.

— Почему это называется инженерной энзимологией?

— Причиной того, что к изучению ферментов (энзимов) решили подступиться с химической точки зрения, стало желание понять, как обеспечить их стабильность и как использовать их в практических целях?

— Зачем их нужно делать стабильными?

— Для обеспечения их длительной и эффективной работы, рассчитанной не на 15 минут, а на круглосуточный цикл, важно учитывать, что многие биологические процессы основаны на участии ферментов. Например, гидролиз целлюлозы или окисление сахаров, благодаря которым производится вино и другие продукты, – это примеры таких процессов.

— Но ведь это не ограничивается только вином? Какие еще практические результаты дала эта работа?

— Созданы технологии биокаталитического производства синтетических антибиотиков. Значительные усилия были приложены к работам в области органического синтеза, особенно в части получения аминокислот. Аминокислоты востребованы для разнообразных задач — например, для создания белков: лекарственных средств, искусственной крови и тому подобное. Коммерческих препаратов на основе аминокислот ранее не существовало, поэтому необходимо было разрабатывать системы, которые, подобно процессам в организме, осуществляли бы их синтез. В области органических реакций было множество возможностей для использования ферментов, поскольку такие реакции обычно протекают в суровых условиях, а ферменты функционируют в водных растворах при обычных pH и температуре. Это меняло всю технологию производства получения тех или иных веществ, особенно тех, которые лабильны, неустойчивы. Было также много идей по использованию ферментов в энергетике. Например, мы занимались ферментами, с помощью которых можно было получать водород из метанола, а потом этот водород в топливных элементах превращать в электричество. И то, что сейчас у нас бегают электромашины, — отчасти наша заслуга. Мы этим начинали заниматься еще в 1970-е гг.

— Сколько же лет потребовалось, чтобы электробусы стали доступны в нашем городе!

— Да, но в настоящее время эта методика основана на иных принципах. Мы провели значительную работу в области термодинамики. В связи с этим существует книга, посвященная этой теме — «Термодинамика биологических процессов». Вместе с моим учеником Михаилом Рехарским мы исследовали все эти процессы, условия их реализации, включая получение водорода.

— Благодаря пандемии COVID-19, аббревиатуры ИФА и ПЦР стали знакомы всему населению нашей страны. Многие даже знают их расшифровку: иммуноферментный анализ и полимеразная цепная реакция. А недавно я узнала, что, оказывается, ИФА были разработаны и придуманы именно вами. Причем это произошло во многом благодаря… хрену. Это правда?

— Изначально все было не совсем так. Экспериментальная работа по разработке методов иммуноферментного анализа началась еще в 1972 году. В Институте эпидемиологии и микробиологии имени Н.Ф. Гамалеи мой друг разработал весьма чувствительный анализ, основанный на использовании частицы фага, к которой «прикрепляли» гаптен, например, инсулин. Если в систему вводить антитела против инсулина, то формируется крупный комплекс, препятствующий проникновению фага в клетку. Однако, при отсутствии антител фаг проникает в клетку и там размножается. Таким образом, можно проводить анализ соединения с очень высокой чувствительностью. Я рассказал об этом Илье Васильевичу. Он заметил: «Размножение фага – это биокатализ. А мы вместо фага используем фермент, пероксидазу». Это очень стабильный фермент, по свойствам напоминающий гемоглобин, поскольку в его структуре присутствует железо. Мы решили выяснить, возможно ли достичь такой же чувствительности аналитической системы с помощью фермента, как и у методов иммуноанализа с использованием изотопов йода. Этот разговор был спонтанным, мы вернулись в кабинет, быстро провели расчеты, определяющие чувствительность анализа, и пришли к выводу, что это перспективная идея. Для получения пероксидазы не требовалось проведения длительных поисков – препараты, полученные из хрена и очищенные, были доступны для приобретения.

— Я тоже представляла, как вы ходите по огородам и собираете это ароматное растение…

— Нет, это не потребовалось. Благодаря наличию препаратов пероксидазы хрена, мы приступили к изучению ее структуры. Для разработки метода необходимо было в первую очередь определить способ связывания белковой молекулы пероксидазы в качестве метки с антителами или другими белками. Мы разработали и реализовали это решение. Затем ключевым этапом стала разработка технологии проведения анализа, позволяющей автоматизировать диагностику. Метод используется в специальных планшетах из полимерного материала с 96 лунками, что обеспечивает одновременное тестирование 96 образцов. Это было важно для практического применения.

Значительное развитие иммуноферментного анализа (ИФА) в нашей стране было стимулировано проведением Олимпиады-80, для которой были организованы допинговый и инфекционный контрольные центры. В этих центрах проводилось тестирование с применением методов ИФА, разработанных как отечественными, так и зарубежными специалистами.

— Однако не все задачи лабораторной диагностики поддавались решению с помощью ИФА и пероксидазы хрена?

— Не всегда это возможно. Для выявления определенных биологически значимых веществ, таких как кардиомаркеры, требовалась крайне высокая чувствительность. В тот период мы поддерживали дружеские отношения со специалистами из Лундского университета и компании LKB, их разработка представляет собой новый способ измерения АТФ с использованием люциферазы светляков, предназначенный для мониторинга сердечно-сосудистых заболеваний.

— Вы действительно собирали светлячков сами, или приобрели уже готовых?

— Это оказалось куда увлекательнее, чем можно было себе представить. Летом планировалось путешествие в экспедицию на Кавказ, в Пицунду, к сталинской даче. Там очень красиво. Мы формировали команду около ста человек, у нас было два автобуса. По вечерам мы выезжали на виноградники и ловили светлячков сачками.

— С какой целью необходимо было посетить виноградные плантации?

— Вечером там можно было наблюдать множество светлячков. Самка располагается на листьях, а самцы летают вокруг. Самки привлекают к себе светящихся самцов своим светом. Дело в том, что светляки летают всего два часа, поэтому необходимо успеть их поймать. Нашей экспедиции требовалось собрать около 100 тысяч светляков, чтобы получить достаточное количество люциферазы. Поскольку фермент содержится только в двух последних сегментах хвостика светляка, нам нужно было извлечь именно эти фрагменты, высушить их и затем, в Москве, выделить из них люциферазу.

— Вы не нанесли урон экосистеме светлячков?

— Нет. Они размножаются очень весело и быстро.

— Какой же был результат этой работы?

— Мы начали совместно со шведскими коллегами разрабатывать метод иммуноанализа, в котором в качестве маркера используются молекулы АТФ, а для их обнаружения — молекулы люциферазы. На основе этой концепции был создан высокочувствительный метод гомогенного биолюминесцентного иммуноанализа инсулина в крови человека. Чувствительность разработанного метода была на три порядка выше, чем у иммуноферментного анализа (ИФА). Другим преимуществом являлась его оперативность: определение инсулина занимало всего несколько минут, в то время как ИФА требовал нескольких часов. Впоследствии интерес к люциферазе значительно возрос. Лаборатории молекулярной биологии стали клонировать этот фермент, выделять, подвергать различным модификациям и широко использовать в качестве маркера для контроля различных процессов в клетках. Если в клетке происходит процесс синтеза люциферазы, она начинает излучать свет. Если в клетку добавляется вещество, влияющее на синтез белка, то этот процесс прекращается. Это очень распространенный сегодня метод в молекулярной биологии.

— На вашем столе находится книга, изданная в 1949 году и посвященная пенициллину. Вы посвятили много лет изучению антибиотиков и занимали должность директора Научного центра антибиотиков. Поделитесь, каких успехов удалось достичь в этой области?

— В 1947 году И.В. Сталин подписал Постановление Совета Министров СССР, посвященное обеспечению оборудованием пенициллиновых заводов Министерства медицинской промышленности. В кратчайшие сроки был создан Всесоюзный научно-исследовательский институт пенициллина, занимавшийся разработкой технологий синтеза антибиотиков. Благодаря этому СССР занял второе место в мире по объему производства антибиотиков, уступая только США. Это событие имело огромное значение не только для системы здравоохранения нашей страны, но и для всего мира, поскольку антибиотиками советского производства лечили инфекционные заболевания в развивающихся странах. В стране действовали крупные производственные предприятия. После кончины последнего директора Государственного научного центра антибиотиков (ГНЦА), академика С.М. Навашина, мне предложили занять его место. Это произошло в 1990-е гг., к тому времени уже действовала политика Брынцалова ( В.А. Брынцалов – российский бизнесмен, являющийся владельцем фармацевтической компании «Брынцалов-А». — Примеч. ред. ), у него был разработан план по захвату центра. Мне удалось защитить и центр, и прилегающий к нему завод, создать необходимые условия и привлечь финансирование, что стало возможным благодаря поддержке Министерства экономики, Министерства медицинской промышленности, ГКНТ. В результате, Центр антибиотиков и ряд других заводов, производящих антибиотики, были восстановлены. В составе центра функционировала кафедра антибиотиков, относящаяся к Академии постдипломного образования. Я был назначен заведующим этой кафедрой, которая впоследствии была названа именем З.В. Ермольевой.

Приватизация центра и заводов, а также последующее управление ими посредством частно-государственного партнерства, повлекли за собой фактическую утрату отечественного производства антибиотиков.

— Сейчас ее нет?

— В настоящее время мы закупаем за границей действующие вещества и производим из них готовые лекарственные препараты для аптек. Однако, собственное производство действующих веществ у нас отсутствует, и это критическая ситуация. Антибиотики являются важной составляющей национальной биобезопасности, и прекращение отечественного производства может привести к утрате нашей независимости.

По мере увеличения использования антибиотиков, у бактерий-возбудителей развивается все более выраженная устойчивость к ним. Необходимо разрабатывать соединения, способные предохранять антибиотики от разрушения внутри бактериальных клеток. Для этого важно иметь возможность изучать все существующие механизмы резистентности, и именно этим мы сейчас и занимаемся. Требуется синтезировать молекулы, способные подавлять бактериальные ферменты, которые разрушают структуру антибиотиков. Это позволит восстановить эффективность антибиотиков первого поколения, которые ранее были активны против широкого спектра инфекций. Синтез новых антибиотиков в настоящее время серьезно ограничен на мировом уровне.

— Каким способом можно вернуть им жизнь?

— Препарат «Амоксиклав» содержит амоксициллин, относящийся к пенициллинам, и клавулановую кислоту, выступающую в роли ингибитора. Объединение этих компонентов позволяет сохранить активность пенициллина. Пенициллин – это уникальный антибиотик, поскольку в организме человека отсутствуют структуры, на которые он воздействует, что позволяет применять его в довольно высоких концентрациях. Пенициллин-связывающие белки, являющиеся ферментами бактерий, участвуют в формировании клеточной стенки, и пенициллин полностью блокирует их действие. В результате бактериальная клетка теряет способность к росту и погибает. Широкое применение пенициллина началось во время Второй мировой войны. Впоследствии, из-за его массового использования, у бактерий возникла устойчивость к нему.

Устойчивость к пенициллину обусловлена наличием у бактерий других ферментов – бета-лактамаз, которые разрушают структуру этого препарата. Пенициллин, с точки зрения науки, является бета-лактамным антибиотиком, содержащим в своей структуре бета-лактамное кольцо. В настоящее время группа бета-лактамных антибиотиков включает довольно широкий спектр молекул и составляет около 60% от общего объема производимых в мире антибиотиков. Ферменты, которые расщепляют бета-лактамное кольцо антибиотиков, именуются бета-лактамазами. Ингибирование этих бета-лактамаз позволяет пенициллину сохранять свою эффективность. Ингибиторы бета-лактамаз были впервые обнаружены еще в 1980-х годах. К примеру, клавулановая кислота – это природная молекула, которая защищает пенициллин, подавляя активность бета-лактамазы.

— Значит, вы ищете новые ингибиторы?

— Да. Наша компания занимается поиском новых ингибиторов бета-лактамаз. Эти ферменты характеризуются высокой скоростью мутаций и изменениями в их свойствах. Сейчас существуют бета-лактамазы, в активном центре которых находятся два иона цинка, и они способны разрушать все бета-лактамные антибиотики.

— А что значит «появились»? Откуда они взялись?

— В генах бактерий происходят мутации. Бактерии существуют уже 3 миллиарда лет — значительно больше, чем люди. Благодаря этому они приобрели множество знаний: одни синтезируют антибиотики для борьбы с другими бактериями, а другие — бета-лактамазы, чтобы защитить клетки от антибиотиков. В мире микроорганизмов межвидовая борьба всегда была характерна, однако широкое применение антибиотиков в качестве лекарственных средств значительно ускорило развитие защитных механизмов у микроорганизмов. Одной из ключевых задач современной молекулярной биологии является выяснение того, как эти мутации, под воздействием различных факторов, включая сами антибиотики, влияют на свойства бета-лактамаз. В последние два десятилетия количество новых антибиотиков практически не увеличилось, поэтому разработка методов защиты их активности является крайне важной задачей. В настоящее время во всем мире ведутся интенсивные исследования в этой области, поскольку они позволяют сохранить существующие антибиотики для клинического применения.

— Многие ученые вашего возраста высказывают критические замечания в адрес искусственного интеллекта, полагая, что следует полагаться на собственные, естественные способности. Вы, насколько мне известно, являетесь сторонником ИИ и считаете, что он способен оказать значительную помощь ученым. Действительно ли это так?

— И.В. Березин как-то очень точно заметил: «Открытий не бывает, существуют неохваченные знания». Те, кто сомневается в результативности искусственного интеллекта, вероятно, недостаточно много читают. Когда Илья Васильевич вернулся из Америки, он первым делом организовал в корпусе А большой информационный отдел. Мы поддерживали дружеские отношения с Институтом научной информации. Трижды в неделю из института привозили журналы по молекулярной биологии, которые мы изучали. Мы могли заказывать копии — тогда существовали громоздкие устройства для ксерокопирования — и таким образом получать сведения о текущем состоянии науки. В настоящее время уже разработаны новые препараты, созданные с использованием искусственного интеллекта. Основная задача ИИ — поиск принципиально новых молекул.

— ИИ это делает эффективнее и быстрее, чем человек?

— Важно не скорость выполнения задачи. Человек физически не способен на это: для выполнения этой работы необходимо проанализировать сотни миллионов молекул, что требует огромных баз данных, мощных компьютеров для обработки информации и, что немаловажно, доступа к этим данным. Значительная часть информации из этих баз данных находится за рубежом, и нам в скором времени могут прервать доступ к ним. Что тогда предпринять?

С другой стороны, необходимо учитывать характеристики мишеней. В частности, свойства ферментов, для которых мы создаем ингибиторы. По моему мнению, около 60% лекарственных препаратов, используемых нами, являются ингибиторами ферментов. Это крайне перспективное направление, которое в настоящее время активно развивается в фармацевтической индустрии.

— Это книга Дмитрия Кудлая, вице-президента по внедрению новых медицинских технологий компании «Генериум», и она называется «Искусственный интеллект в фармразработке». Она посвящена этой теме?

— Да. Необходимо находить новые молекулы, способные взаимодействовать с целевым ферментом, поэтому требуется постоянный мониторинг большого числа соединений. Это сопряжено с необходимостью использования мощных вычислительных ресурсов. В МГУ установлены суперкомпьютеры, обеспечивающие такую возможность. В настоящее время у нас создан крупный центр, посвященный искусственному интеллекту, и наша приоритетная задача — установить взаимодействие между математиками, создающими новые методы ИИ, и лабораториями, занимающимися практическими разработками для решения конкретных задач. Фармацевтика представляет собой одно из наиболее перспективных направлений развития ИИ, и все ведущие мировые фармацевтические компании сейчас активно работают в этой области.

— Можете ли вы поделиться своими наблюдениями о современных студентах? Они отличаются от тех, кого вы видели в студенческие годы?

— Я учился на биологическом факультете, который был единственным в университете, где существовала кафедра биофизики. Безусловно, сейчас выросло новое поколение. Оно сформировалось в иные времена, в иных условиях – семейных, бытовых, социальных. Возможно, они отличаются, но среди них есть очень способные и талантливые молодые люди. Сейчас основной вопрос заключается в том, что материальные интересы молодежи очень велики. Я бы сказал, они преобладают. В наше время главным для человека было приобретение знаний. Мы очень много времени уделяли учебе. Сейчас такого стремления нет.

— А что у них лучше, чем у вас?

— Возможно, сейчас их приоритет сместился в сторону применения знаний на практике. К слову, я, как профессор и прочее, организовал внутри университета компанию «Иммунотех», которая производит иммуноферментные наборы для определения различных гормонов и осуществляет их продажу.

— Вы приобрели такую предприимчивость, переняв ее у молодежи, или это качество вам свойственно от природы?

— Скорее это я их научил.

— У вас работает молодежь?

— К сожалению, их не так много. Однако у нас проходят практику молодые специалисты. Студенты приходят в нашу компанию для обучения непосредственно процессу изготовления диагностических наборов. Это очень полезно для «Иммунотех», а также позволяет предприятию оказывать финансовую поддержку кафедре.

— Какая у вас научная мечта?

— Моя последняя задача — разработать новые антибиотики и ингибиторы.

— Почему последняя? Наверняка появятся еще и еще.

— Вспоминается фраза Маяковского: «Лет до ста расти нам без старости». Однако все мы осознаем, что наши возможности в этом отношении ограничены. Я предпочитаю жить за городом, и мне это очень нравится. Сейчас у меня проблемы с суставами, поэтому я передвигаюсь неспешно, любуясь растениями. И меня поражает многообразие растительного мира, окружающего нас.

— Возможно, там можно найти потенциальные ингибиторы?

— Может быть. Однако их невозможно увидеть невооруженным глазом. Требуется извлечение и изучение. Именно этим сейчас занимаются молодые исследователи. При этом следует отметить, что наша кафедра охватывает широкий спектр научных направлений. Мы продолжаем работу над созданием новых методов биоспецифического анализа, основанных на использовании антител и ДНК, с применением иммунохроматографических методов, разработкой высокочувствительных биосенсоров, внедрением нанотехнологий в диагностику и для создания систем адресной доставки лекарственных препаратов. На кафедре также начали исследования, посвященные изучению мозга — выяснению взаимосвязи между ферментами и процессами, протекающими в нем, и нашими мыслительными способностями. Нас также интересуют вопросы, связанные с энергетикой, в частности, использование солнечной энергии посредством фотосинтеза. В экологии в настоящее время также возникают актуальные задачи, касающиеся охраны окружающей среды от различных угроз. Таким образом, у нас огромное количество задач, которых хватит не на одно поколение ученых.

Интервью состоялось при содействии Министерства науки и высшего образования РФ