Нанотехнологическое сообщество Нанометр, все о нанотехнологиях
на первую страницу Новости Публикации Библиотека Галерея Сообщество Объявления Олимпиада ABC О проекте
 
  регистрация
помощь
 

Постнаука. Где рождается наукоемкий бизнес. Выпуск 10

Ключевые слова:  Кристаллизация, Медицина, Мембранные белки, Монетизация науки, Наукоемкий бизнес

Автор(ы): Постнаука

Опубликовал(а):  Доронин Федор Александрович

02 ноября 2014

В проекте «Где рождается наукоемкий бизнес?» ученые в своих лабораториях рассказывают о перспективных исследованиях, разработках и их технологическом применении в различных сферах бизнеса. В этом выпуске мы беседа проходит с заведующим лабораторией перспективных исследований мембранных белков МФТИ профессором Георгом Бюлдтом.

До получения степени PhD я занимался только физикой, а уже после перешел в биологию, в очень хороший институт в Базеле (Швейцария), центр биологических исследований Базельского университета. Когда вы приходите из физики в совершенно новую область — биологию, вы испытываете трудности с пониманием коллег, все, чем вы занимаетесь, для вас в новинку. Я начал с изучения липидных мембран, структура которых тогда не была известна. Спустя некоторое время я понял, что это направление мне уже не так интересно, и как раз тогда я познакомился с человеком, ставшим впоследствии моим другом, который рассказал мне о мембранных белках.

О роли мембранных белков в человеческом теле

Когда ученые открыли клетки, то вместе с этим обнаружили, что они окружены некой стеной, которая, как выяснилось позже, состоит из липидов и белков. Важность изучения белков в этой стене-мембране стала очевидна сразу же. В течение 70 лет ученые один за другим выделяли и изучали эти белки.

Межклеточные связи, как и передача информации внутри тела в целом, осуществляются маленькими молекулами, такими как гормоны. Эти гормоны связываются именно с белками в мембране, иначе они не могут повлиять на поведение клетки. Сразу стало ясно, что знать структуру и функции этих белков очень полезно, так как это имеет непосредственное отношение к здоровью и в целом к пониманию процессов, происходящих в нашем теле. Специальные органы, например, в мозге выделяют гормоны, которые взаимодействуют с клетками, посылающими, в свою очередь, сигналы в мозг. То есть эта система работает в обоих направлениях. Поэтому изучение передачи сигналов и веществ мембранными белками является ключевой частью понимания работы тела.

Первым мембранным белком, которым я заинтересовался, был бактериородопсин архей. На тот момент исследования его структуры длились уже на протяжении 40 лет. Затем в Базеле был придуман метод, с помощью которого стало проще кристаллизовать мембранные белки. Первым белком, кристаллизованным традиционным способом, стал реакционный фотосинтетический центр бактерий. Его кристаллизовал Хартмут Михель, получивший за это Нобелевскую премию. Новый же метод, придуманный Юргом Розенбушем, отличался от него. Ранее белки растворяли в непохожем на мембрану детергенте. Розенбуш же придумал метод кристаллизации непосредственно в мембране. Со временем этот метод стал очень успешным. Например, структура сопряженного с G-белком рецептора (GPCR) была выявлена Вадимом Черезовым из МФТИ именно этим методом.

Мембранными белками, помимо прочего, я заинтересовался еще и потому, что физику стоит заниматься определением строения, так как в таких исследованиях он может применять методы физики. Изучая мембранные белки, я понял, что они выполняют очень интересную функцию, поэтому стал также заниматься спектроскопией. Тогда я выяснил, что такие белки играют очень важную роль в коммуникации и переносе веществ, что привело меня к изучению мембранных белков в контексте всей клетки. Совсем недавно я решил выяснить, как передаются сигналы в клетке и как переносятся белки, например, в митохондриальный матрикс. Этим я сейчас занимаюсь в Исследовательском центре г. Юлих (Forschungszentrum Julich), а также здесь, в МФТИ.

О лаборатории перспективных исследований мембранных белков

Лаборатория перспективных исследований мембранных белков МФТИ связана с Институтом структурной биологии в Гренобле. Мой друг Валентин Горделий возглавляет группу в этом институте, и у нас есть общие проекты. Таким образом, получается сотрудничество трех государств: России, Германии и Франции. Недавно мы также стали сотрудничать с Институтом Скриппса в Калифорнии. Я считаю, что такое сотрудничество — лучший способ сделать науку более доступной, в том числе и в России. Потому что если есть связи с разными странами, то студенты могут обучаться различным методам и по возвращении применять их на родине.

Основанием для будущей лаборатории стало мое знакомство с Валентином Горделием в 1989 году. В то время он был сотрудником МФТИ и работал большую часть времени в Дубне, изучая рассеяние нейтронов. Я тогда тоже занимался рассеянием нейтронов в Гренобле, в Институте Лауэ — Ланжевена. Мы стали обсуждать общие интересы в области исследования липидов, он навещал меня в Свободном университете Берлина, где был в течение нескольких лет приглашенным исследователем. После этого университета я перебрался в Юлих, где проработал 15 лет, а Валентин стал членом моей группы, которая провела очень хорошие исследования кристаллизации мембранных белков. Благодаря этим исследованиям он стал известен в научных кругах и получил хорошую должность в Институте структурной биологии в Гренобле. С тех пор мы сотрудничаем с этим институтом. После моего ухода с работы в Германии в конце 2012 года он убедил меня приехать в МФТИ. Поэтому я и Валентин можем считаться основателями этой лаборатории. Затем мы получили финансирование на два с половиной года от компании «ОНЭКСИМ». Эти деньги были потрачены на ремонт и обновление помещений, а также на покупку приборов.

После этого мы получили деньги по программе «5-топ-100», что позволило закупить оборудование для группы Вадима Черезова, необходимое для кристаллизации GPCR. Возможно, в будущем мы создадим еще две группы, но для этого понадобятся дополнительные источники финансирования. В планах также начать сотрудничать с другими научными центрами, например с Шанхаем.

Вскоре у нас появится международный консультативный совет, который возглавит Реймонд Стивенс. Он очень успешный управленец и умеет налаживать сотрудничество между исследователями GPCR и фармацевтическими компаниями. Он основал четыре компании в США, ставшие вполне успешными. Надеемся, что он поможет и нам выбрать правильный путь и коммерциализировать наши открытия.

Вадим Черезов, кстати, раньше работал в группе Реймонда Стивенса, а сейчас он здесь, у него независимая группа, появившаяся после того, как он успешно кристаллизовал мембранный белок.

Биофизик Георг Бюлдт о мембранных белках, трудностях их кристаллизации и роли в лечении тяжелых заболеваний

О трудностях кристаллизации белков

Исследования в МФТИ мы начали с изучения структуры и функций мембранных белков. Основное направление работы лаборатории — это кристаллизация таких белков. Но у нас также есть аппаратура для определения структуры, и мы хотим наблюдать, как эти белки работают внутри клеток. Для этого был приобретен микроскоп Zeiss стоимостью 2 млн евро. Обычно о микроскопе думают как о компактном, удобном инструменте, но этот микроскоп наполнен различными приборами. Это по-настоящему прекрасный аппарат, позволяющий использовать все доступные на данный момент методы изучения клеток и решать другие биологические задачи. В дальнейшем мы будем использовать ИК-Фурье спектроскопию, рамановскую спектроскопию, сортинг клеток.

В этой лаборатории работают с растворами. Например, чтобы создать кристалл вещества, необходимо проделать многие операции. Надо выделить нужный ген из генома, синтезировать белок, скажем, в клетке бактерии, или дрожжей, или насекомого. Обычно начинают с клеток E. coli (кишечной палочки), потому что они чаще всего используются для синтеза белков. Когда получен очищенный материал, можно переходить к кристаллизации. Вернее, к попыткам получить кристалл.

Трудности здесь состоят в следующем. Современные технологии позволяют работать с объемами, измеряемыми в фемтолитрах (10−15 л). У нас есть плашки с 96 ячейками, каждая из которых соответствует одной попытке. Затем мы их автоматически заполняем и получаем изображения, которые можно посмотреть на компьютере, и можем увидеть, получен желаемый результат или нет. Иногда приходится использовать сотню таких плашек, то есть предпринимать 10 000 попыток для получения одного кристалла, но все равно не получить результата. Так много попыток необходимо, потому что можно варьировать многие параметры: можно использовать различные детергенты, различные буферные растворы, различные температуры — все это приводит к большому разнообразию результатов. Чтобы добиться нужного результата, все лаборатории в мире прибегают к автоматизации получения кристаллов белков.

С новым методом кристаллизации в мембране этот процесс стал немного более сложным. Для мембранных белков процесс кристаллизации также автоматизирован, чего не было раньше, но он сложнее, чем для водорастворимых белков. В МФТИ мы занимаемся именно мембранными белками.

Биофизик Георг Бюлдт о мембранных белках, трудностях их кристаллизации и роли в лечении тяжелых заболеваний

Об оптогенетике и лечении слепоты

Мы уже получили результаты по различным ретиналь-содержащим белкам, над которыми работаем уже давно. Они стали важны в контексте оптогенетики. Здесь можно было бы спросить: зачем так много заниматься ретиналь-содержащими белками сейчас? Ведь они были важны раньше, так как их первыми пытались кристаллизовать. Но сейчас кристаллы уже получены, мы знаем их функции. Так зачем продолжать работу с ними? Это связано с открытием возможности с помощью ретиналь-содержащих белков создавать и управлять нервными импульсами.

Например, есть белок канальный родопсин-2 (Channelrhodopsin-2, chr2), который служит каналом прохода катионов сквозь мембрану, но для этого необходим сигнал в виде синего света. В этом случае меняется конформация белка, канал открывается, и катионы могут пройти. Если поместить эту систему в нервную клетку, то можно создать нервный импульс всего лишь вспышкой света. Для прерывания этого импульса есть другой белок — галородопсин (Halorhodopsin), который также относится к ретиналь-содержащим и отвечает за транспорт ионов хлора. Положительные заряды, которые изначально были в клетке, теперь можно компенсировать отрицательными и таким образом прекратить импульс.

Таким образом, у нас есть прекрасный способ создания и остановки нервного импульса. Это один из способов использования таких белков в оптогенетике, исследования в которой сейчас поддерживаются правительствами многих стран. Были многочисленные прогнозы, что за это дадут Нобелевскую премию в этом году.

В перспективе в этом направлении может быть получено множество полезных результатов. Лично я мечтаю о лечении слепоты, то есть разрушения сетчатки глаза. За сетчаткой расположены ганглионарные клетки, в которые можно поместить, например, два этих белка. Тогда под воздействием света будут появляться нервные импульсы, которые пойдут в мозг. Возможно, однажды такие люди получат хотя бы черно-белое зрение.

Другое направление — это болезнь Паркинсона. Сейчас ее пытаются лечить путем введения электродов в определенные области мозга и импульсного воздействия через них. Группа, занимающаяся этим, есть в Исследовательском центре г. Юлюх. С помощью света, возможно, это удастся делать намного эффективней и точней, потому что светом можно управлять в маленьком объеме, в то время как электрический импульс распространяется на значительную часть мозга.

В мире сейчас развивается множество проектов, связанных с оптогенетикой, поэтому мы тоже этим занимаемся. Также мы ищем другие ретиналь-содержащие белки, строение которых мы уже знаем и которые можно будет использовать похожим способом.

Об исследовании старения и перспективах коммерциализации

В группе Вадима Черезова пытаются кристаллизовать новые белки. Выше я упоминал участвующие в коммуникации белки GPCR. Все они образуют множество из более чем 800 рецепторов, которые можно разделить на насколько семейств. Мы бы хотели узнать структуру белка из каждого семейства, так как надеемся, что сможем получить структуры других белков с помощью моделирования. Это требует много времени, но это очень важно, потому что связано с разработкой новых методов лечения.

В нашей группе мы исследуем белки, служащие каналами для переноса веществ сквозь мембрану. Также мы с Валентином Горделием интересуемся вопросами старения. Мы хотим заняться изучением клеточной смерти, старения и выяснить роль мембранных белков, а также всей мембраны в старении.

В современном мире люди обычно умирают от таких проблем, как опухоли и сердечные приступы. Но если вы не умрете от этого, то что станет причиной смерти? Допустим, мы излечим опухоли и сердечные приступы. Что тогда? У ученых есть различные идеи на этот счет. Например, когда вы едите, вы производите свободные радикалы, которые могут повредить ДНК. Является ли это конечной причиной смерти или нет? По всему миру над этими вопросами работают многие исследователи. А так как это связано с клеточной коммуникацией, то частично пересекается и с исследованием клеточных мембран.

Коммерциализация возможна для каждого мембранного белка — как для участвующих в передаче сигналов, так и ответственных за перенос веществ, так как все они связаны со здоровьем клетки. Для медицинских целей очень важна возможность создавать вещества, взаимодействующие с такими белками. Причем фармацевтические компании должны улучшить эти вещества еще до медицинского применения. Существуют большие лаборатории, занимающиеся получением более эффективных лекарств на основе существующих с помощью компьютерных методов. Мы могли бы заняться тем же самым. Но нам придется работать с этими компаниями, потому что когда у вас есть хороший медикамент, но вы работаете в небольшом институте, то недостаточно денег, чтобы донести его до пациентов. Необходимо пройти много этапов дорогостоящих клинических испытаний. Поэтому маленькие институты вроде нашего работают над общими проблемами, и если мы найдем хорошее вещество или структуру, то продадим ее крупной компании или сделаем достоянием общественности, не получая за это денег. Тогда фармацевтические компании смогут начать производство лекарства.

Биофизик Георг Бюлдт о мембранных белках, трудностях их кристаллизации и роли в лечении тяжелых заболеваний

В будущем мы надеемся на помощь Реймонда Стивенса в создании в России маленьких компаний по образцу его собственных в Калифорнии. Мы будем получать структуру белка, а они будут работать с ней далее, чтобы передать наработки большим фармацевтическим компаниям, так как обычно у таких маленьких компаний все равно не хватает денег на проведение дорогостоящих испытаний.


В статье использованы материалы: Постнаука


Средний балл: 10.0 (голосов 1)

 



Для того чтобы оставить комментарий или оценить данную публикацию Вам необходимо войти на сайт под своим логином и паролем. Зарегистрироваться можно здесь

 

Няшечки
Няшечки

Пятый междисциплинарный научный форум с международным участием «Новые материалы и перспективные технологии»
С 30 октября по 1 ноября 2019 г. в Москве пройдет Четвертый междисциплинарный научный форум с международным участием «Новые материалы и перспективные технологии» (www.n-materials.ru). Ключевой задачей Форума является укрепление междисциплинарных связей в научном сообществе, содействие интеграции науки и промышленности в России по созданию новых материалов перспективных технологий.

VIII Международная Конференция «Деформация и разрушение материалов и наноматериалов»
VIII Международная Конференция «Деформация и разрушение материалов и наноматериалов» (http://dfmn.imetran.ru/) пройдет в Москве (ИМЕТ РАН) с 19 по 22 ноября 2019 г. В рамках Конференции пройдет Молодежная школа-конференция.

Более 770 площадок пожелали присоединиться к Всероссийскому химическому диктанту с международным участием 18 мая
Более 770 площадок подали заявки на участие во II Всероссийском химическом диктанте, который в этом году пройдет с международным участием 18 мая в 13:00. Мероприятие организовано Московским государственным университетом имени М.В. Ломоносова, Химическим факультетом МГУ и корпорацией «Российский учебник» при поддержке Ассоциации учителей и преподавателей химии.

Новые гибридные перовскитоподобные материалы для солнечной энергетики
Тарасов Алексей Борисович, Постнаука
Как сохранить энергию солнца или ветра? Как может измениться стационарная энергетика в будущем? В проекте «Мир вещей. Из чего сделано будущее» совместно с Фондом инфраструктурных и образовательных программ (группа РОСНАНО) Постнаука рассказывает о последних открытиях и перспективных достижениях науки о материалах.

Материалы к защитам квалификационных работ бакалавров на ФНМ МГУ в 2019 году
Коллектив авторов
4-7 июня 2019 г. (11-00) в аудитории 221 корпуса Б пройдут защиты магистерских диссертаций выпускниками ФНМ МГУ.

Материалы к защитам магистерских квалификационных работ на ФНМ МГУ в 2019 году
Семенова Анна Александровна
21-24 мая 2019 года в лабораторном корпусе Б пройдут защиты магистерских диссертаций выпускниками ФНМ МГУ.

Технопредпринимательство на марше

Мы традиционно просим вас высказать свои краткие суждения по вопросу технопредпринимательства и проектной деятельности школьников. Для нас очевидно, что под технопредпринимательством и под проектной деятельностью школьников каждый понимает свое, но нам интересно ваше мнение, заодно вы сможете увидеть по мере прохождения опроса, насколько оно совпадает или отличается от мнения остальных. Ждем ваших ответов!

О наноолимпиаде замолвите слово...

Прошла XII Всероссийская олимпиада "Нанотехнологии - прорыв в Будущее!" Мы надеемся, что нам для улучшения организации последующих наноолимпиад поможет электронное анкетирование. Мы ждем Ваших замечаний, пожеланий, предложений. Спасибо заранее!

Опыт обучения в области нанотехнологического технопредпринимательства

В этом опросе мы просим поделиться опытом и Вашим отношением к нанотехнологическому технопредпринимательству и смежным областям. Заранее спасибо за Ваше неравнодушие!



 
Сайт создан в 2006 году совместными усилиями группы сотрудников и выпускников ФНМ МГУ.
Сайт модернизирован для ресурсной поддержки проектной деятельности учащихся в рамках ГК 16.647.12.2059 (МОН РФ)
Частичное или полное копирование материалов сайта возможно. Но прежде чем это делать ознакомьтесь с инструкцией.