Оригинал статьи

Наука в Сибири от 07.10.2016 г.

Аутофагия, фазовые переходы и молекулярные машины

Научный руководитель стратегической академической единицы «Синтетическая биология» НГУ, заведующий лабораторией геномной и белковой инженерии Института химической биологии и фундаментальной медицины СО РАН доктор биологических наук Дмитрий Олегович Жарков шутит, что концепция аутофагии (именно за нее в этом году была вручена Нобелевская премия по физиологии и медицине) известна со средних веков, но в наше время получила новое молекулярно-клеточное содержание.




Впрочем, так далеко в историю копать не стоит: все-таки змея, пожирающая свой хвост, — аллюзия достаточно абстрактная. Если серьезно, то процесс аутофагии открыл во второй половине 1950-х годов бельгийский ученый Кристиан де Дюв — гигант клеточной биологии, которому также принадлежит заслуга обнаружения лизосом (впрочем, он вообще внес неоценимый вклад в изучение внутреннего строения клетки). Термин «аутофагия» в 1963-м году ввел все тот же де Дюв.

«Однако, как это часто бывает, в биологии можно открыть то или иное явление, но не знать о нем ничего, за исключением того, что оно существует, пока не возникнет нужных инструментов для его изучения», — комментирует Дмитрий Жарков.

Что же такое аутофагия? Само слово подсказывает — процесс, при помощи которого клетка способна переваривать собственное содержимое. Происходит это либо в условиях голодания, либо если какие-либо компоненты по каким-то причинам пришли в негодность. «Сначала образуется небольшой плоский мешочек, он окружает участок клеточной цитоплазмы, обычно содержащий различные поврежденные органеллы — митохондрии, которые постарели из-за большого объема окислительного стресса, участки внутренних мембран и так далее, — объясняет Дмитрий Жарков. — Такой пузырек называется аутофагосомой. Затем он сливается с лизосомой — она содержит большое число ферментов, расщепляющих различные вещества: белки, углеводы и так далее, так что все захваченное аутофагосомой превращается в продукты, которые клетка просто пускает в свой метаболизм».

Аутофагосома существует всего 20-30 минут, ее очень трудно изучать, поэтому долгое время исследования механизма оставались на уровне описания бабочек: было понятно, что существует некий клеточный процесс, была гипотеза, что он включается, когда клетка голодает, и что она использует часть своего внутреннего содержимого для получения энергии и строительных блоков. Ситуация получила развитие только в 1988-м году, пока этим вопросом не занялся победитель нобелевской гонки-2016 Ёсинори Осуми.

«Первое, что он сделал — переключился с человеческих клеток на дрожжевые, — рассказывает Дмитрий Жарков. — Последние в большинстве случаев содержат одну-единственную пищеварительную вакуоль, которая, собственно, аналогична большой переваривающей структуре в клетках млекопитающих. Осуми вывел дрожжи, дефицитные по трем белкам из состава лизосомы — в результате она сливается с аутофагосомой, но дальше ничего не переваривается. На электронной микрофотографии видно: если полученную Осуми разновидность поместить в условия голодания, накапливаются большие структуры с частями клетки внутри».



Затем с помощью методов молекулярной генетики были идентифицированы те же самые гены у млекопитающих. «У них все обстоит гораздо хуже: если сделать мышь, дефектную по системам аутофагии, она рождается, хочет есть и начинает переваривать сама себя прежде, чем научается сосать молоко», — отмечает Дмитрий Жарков.

Как механизм, который связан с многими важными для нашего существования процессами, аутофагия в последнее время оказалась в самом центре внимания. По словам Дмитрия Жаркова, наиболее модное направление — увеличение долголетия. «Довольно давно на микроскопических червячках было открыто такое явление как продление жизни, вызванное голоданием, — поясняет доктор биологических наук. — Если червяка кормить мало, он живет в два-три раза больше. То же самое выявили и на других организмах — вплоть до мышей. С высшими млекопитающими сложнее, так как эксперимент будет длиться очень долго».

Подходит ли человеку такой вариант — есть в 4 раза меньше, чтобы жить дольше? В этом случае, как отмечает Дмитрий Жарков (и подтверждают Кнут Гамсун и Абрахам Маслоу) все мысли будут только об одном. Однако существует способ обойти излишне прямой путь: в 1980-х годах на острове Пасхи взяли пробу почвы, из которой был выделен грибок, производящий рапамицин. Последний ингибирует фермент (m)TOR, замедляющий аутофагию. Соответственно, отключенный (m)TOR заставляет аутофагию работать интенсивнее — тем лучше у нас обновляются поврежденные в ходе работы органеллы клетки, это в конечном итоге приводит к тому, что клетка живет дольше, накапливает меньше повреждений, и человек вслед за ней. Такая схема сейчас рассматривается как один из самых перспективных способов химического продления жизни.

Кроме того, аутофагия борется с нейродегенеративными заболеваниями, ведь для очень многих из них характерны накопления агрегатов белков внутри клеток. В процессе «самоедства» часть цитоплазмы с этими агрегатами перерабатывается, тем самым оздоровляя нервные клетки. То же самое относится и к мышечным. «Также аутофагия противостоит тем видам бактериальных и вирусных инфекций, которые протекают внутри клетки, — говорит Дмитрий Жарков. — Наконец, рак. Но в этом случае аутофагия — палка о двух концах. С одной стороны она за счет расчистки поврежденного внутриклеточного содержимого помогает уничтожать раковые клетки, с другой — в некоторых случаях помогает последним выживать, например, когда мало кислорода или питания».

Дмитрий Жарков подчеркивает, что теоретически аутофагией можно управлять: это как раз то, над чем работают исследователи в данной области: «Допустим, в случае онкологии могут быть и хорошие для человека последствия, и плохие. Зная молекулярные механизмы и влияя на нужные белки классическими фармакологическими способами, можно сделать так, чтобы процесс работал либо сильнее, либо слабее, либо избирательно. Это требует большой научной работы, но в целом реализуемо — не фантастика, а план развития».

Про Нобелевскую премию по физике, присужденную за открытие топологических фазовых переходов и топологических состояний материи, рассказал заведующий лабораторией Института физики полупроводников им. А. В. Ржанова СО РАН, профессор НГУ академик Александр Владимирович Чаплик.

«Не раз бывало, что учёным вручали Нобелевскую премию за открытие явления, которое к этому времени уже носило их имя. А Дэвид Таулес, Дункан Холдейн и Майкл Костерлитц получили её за открытие сотрудника Института теоретической физики им. Л. Д. Ландау РАН Владимира Львовича Березинского, работы которого, выполненные в 60-70-хх годах, послужили началом этих исследований», — отметил исследователь.



По его словам, здесь речь идёт о таком физическом явлении как фазовые переходы второго рода. Фазовые переходы первого рода нам всем хорошо известны — к ним относится, например, испарение воды или превращение её в лёд. В этом случае разные состояния могут сосуществовать одновременно. В случае фазовых переходов второго рода видимых изменений с телом не происходит, однако изменяется его внутренняя структура — это переход некоторых металлов из сплавов в сверхпроводящее состояние, магнитных систем во внемагнитные и так далее. И здесь разные фазы не могут сосуществовать. Свойство меняется скачком и проявляется макроскопически, то есть мы наблюдаем его в целом ряде интересных и важных для применения явлений.

Для иллюстрации Александр Владимирович показал, как происходят фазовые переходы в магентиках — материалах, из которых делаются хорошо нам известные магниты (к таким материалам относятся железо, кобальт, марганец). «Можно представить себе, что в них есть маленькие стрелки, которые подобно стрелкам компаса, «следящим» за сторонами света, чувствуют внешнее магнитное поле и выстраиваются относительно него. Кроме того, они ещё и взаимодействуют между собой. Это взаимодействие и является самой главной физической причиной, приводящей к фазовым переходам», — объясняет учёный. При температуре абсолютного ноля состояние термодинамического равновесия старается минимизировать энергию, стрелки выстроены строго параллельно. Однако с её повышением атомы начинают двигаться, изменяется температурная флуктуация, и стрелки постепенно разупорядочиваются, отклоняются от заданного равновесия (хотя их общее направление пока продолжает сохраняться). В этой фазе ещё присутствует порядок, но уже не вполне параллельный. Так происходит до тех пор, пока магнит не нагреют до критической температуры, после чего случается резкий переход и разупорядочивание структур, и намагниченность обращается в ноль.

«Теория фазовых переходов занимает особое место в теоретической физике, она очень трудна математически. Любой прогресс в этой области является важным событием, — отмечает Александр Чаплик. — Нобелевские лауреаты этого года сумели решить ряд важных задач, разработали методы, которые привнесли в физику новые идеи».

В чём сущность их открытия? Эта работа относится к двухмерным системам — к тем, в которых есть только длина и ширина, а толщины почти нет (например, тонкие плёнки, которые сегодня широко применяются во многих областях, в основном, в портативной электронике). Поначалу считалось: в таких системах не может быть дальнего порядка, и нельзя ожидать от них сверхтекучести или сверхпроводимости. Однако потом экспериментально было показано, что они обладают этими качествами, но понять, как и почему такое происходит, учёные не могли. Первые работы Березинского, а после — нобелевских лауреатов пролили свет на указанные явления. Им удалось выявить, какими механизмами регулируется переход от упорядоченной фазы к неупорядоченной в двумерной системе (в связи с этим был открыт новый тип возбуждения), и описать закон, по которому это происходит.

«Это очень важное достижение для теоретической физики. В науку были введены новые понятия, и сами идеи оказались очень плодотворными — они вышли далеко за пределы физики конденсированных состояний и нашли применение даже в физике элементарных частиц. Оказалось, что уравнение, описывающее фазовый переход второго рода, и многие уравнения, описывающие квантовые свойства элементарных частиц, математически очень похожи, — говорит Александр Владимирович. — В то же время эта теоретическая область имеет вполне ощутимые практические применения. Плёнки магнетиков используются в создании систем памяти счётно-решающих устройств, а кроме того эти открытия применяются в создании квантовых компьютеров, за которыми наше будущее».

Заместитель директора Института химической биологии и фундаментальной медицины СО РАН по научной работе, преподаватель ФЕН НГУ доктор химических наук Дмитрий Владимирович Пышный полагает, что результаты исследований, за которые была получена Нобелевская премия по химии, пока применимы скорее в лабораторных экспериментах, чем в практике.



Жан-Пьер Саваж, Джеймс Фрэйзер Стоддарт и Бернард Лукас Феринга были отмечены за разработку и синтез молекулярных машин — ансамблей некоторого числа компонентов, которые под воздействием внешних стимулов могут совершать механическое движение.

Дмитрий Пышный отмечает: первоисточником этих идей является супрамолекулярная химия. Ученые уже в 1970-х–1980-х годах хотели создать такие неразрывные системы, чтобы они обладали свойствами как отдельных молекул, так и их ансамблей. Подобные конструкции должны были активно реагировать на те или иные внешние эффекты и перестраиваться при появлении нового вещества.

Учеными-лауреатами были созданы абсолютно новые типы молекулярных конструкций. Жан-Пьер Саваж разработал катенаны, состоящие из двух соединяющихся между собой, как звенья цепи, колец. На основе его работ Стоддарт создал молекулу ротаксана. Она представляет собой муфту, перемещающуюся вдоль оси. На ее концах находятся крупные навершия и группы атомов, способных связываться с движущейся частью.

Бернард Лукас Ферринга же на основе разработок Стоддарта создал первый в истории молекулярный мотор — соединение, которое продолжало вращаться, пока на него воздействовал источник энергии — тепло или свет. Если применять эти стимулы последовательно, можно направленно осуществлять движение в заданном направлении. На основе этой конструкции ученый даже построил четырехколесный «наноавтомобиль», способный двигаться в заданном направлении под действием света.

— Как функционируют подобные структуры? В отдельно взятой кольцевой молекуле есть особые части, на которых можно закрепить, скажем, атом меди. Он будет центром взаимодействия всей системы, убирая или добавляя его, мы можем влиять на текущее состояние. Например, у модельной химической мышцы две точки разведены в одном состоянии, а если добавить стимул — частицу металла — они сойдутся, — рассказывает Дмитрий Пышный.

В природе на уровне низкомолекулярных химических соединений такого не было. Впервые химикам удалось спланировать и осуществить синтез такого рода систем в 1983 году.

— Уже есть попытки использовать это в практических целях, — говорит Дмитрий Пышный. — Если мы можем изменять состояние вещества, это позволяет создать некие элементы памяти. Видимо, в конечном итоге появятся органические компьютеры.

Работы по созданию больших объемных конструкций уже проводятся на уровне ДНК. Ученые могут создавать из молекул различные объекты, чей размер приближается к микронам. Формы этих фигур достаточно сложны — кубик с открывающейся крышкой, кувшин, конструктор, из деталей которого собираются те или иные предметы. Все это — развитие идей нынешних лауреатов. Как полагает Дмитрий Владимирович Пышный, в будущем будет вручена Нобелевская премия по ДНК-архитектонике.



Екатерина Пустолякова, Диана Хомякова, Павел Красин

Фото Юлии Поздняковой