Какую роль в нашей жизни играют учителя? Что такое рибосома и в чем ее функция для жизни клетки? Почему знания о рибосоме могут помочь в создании новых антибиотиков и как решить проблему антибиотикорезистентности? Об этом мы беседуем с главным научным сотрудником Института физико-химической биологии им. А.Н. Белозерского академиком Алексеем Алексеевичем Богдановым.
― Алексей Алексеевич, обычно, когда мы приходим к кому-либо в кабинет, видим на стенах портреты либо руководителей государства, либо выдающихся ученых. А у вас на стене интересная картинка ― дилетанту сразу и не понять, что это такое. Что на ней изображено?
― Надо сказать, портреты моих выдающихся учителей тоже в моем кабинете есть, только на другой стене. А структура, о которой вы спросили, называется «рибосома». Рибосомы ― это такие биологические макромолекулы, которыми наполнены все наши клетки. Если вы будете рассматривать любую живую клетку в микроскоп с достаточно высоким разрешением, то увидите там большое количество сферических частичек ― это и есть рибосомы. Почему их так много? Потому что их основная задача в клетке ― синтезировать белки. Все белки, которые синтезируются в наших клетках, благодаря которым мы живем, осуществляем все наши функции и действия, ― все они синтезируются вот этими частицами. И чем эта частица интересна сейчас даже для широкой публики ― тем, что это прежде всего РНК.
― Долгое время мало кто знал, что такое РНК, хотя практически все слышали о ДНК…
― Совершенно верно. ДНК ― дезоксирибонуклеиновые кислоты, о которых в последние годы все узнали благодаря тому, что анализ ДНК позволяет определить, кто наш настоящий биологический родитель. Это стало своего рода модой, историей, которая очень широко распространилась и в быту, и в криминалистике. Царская семья была идентифицирована тоже по ДНК.
А про РНК не знал никто. И вот сейчас благодаря тому, что произошла пандемия, про РНК тоже стало известно многим. Сегодня практически любая домохозяйка вам скажет, что она знает о существовании РНК, хотя, может быть, ее не расшифрует. Но для нее рибонуклеиновая кислота, или РНК, ― это такая злая штучка, которая сидит в вирусе и вызывает болезнь. Вот она-то как раз и вредит, вызывает инфекции, и все наши неприятности, связанные с пандемией, ― это «проделки» РНК.
― Это так и есть?
― Да, между прочим, это правда. Действительно, РНК ― важнейший компонент очень многих вирусов, в том числе ВИЧ, и вплоть до последнего варианта COVID-19 «омикрон». Когда эта РНК при помощи всяких изощренных действий, производимых вирусами, попадает в клетку, в клетке она занимается тем, что направляет синтез вирусных белков. Это и есть инфекция. Так что теперь человек вместе со своими собственными РНК живет и с вирусной РНК.
― Но мы, наверное, и жили с ними.
― Безусловно, но в массе своей не подозревали об этом. А я живу с РНК с 1958 г., это даже трудно себе представить. Когда я окончил университет, мой профессор М.А. Прокофьев, основоположник химии нуклеиновых кислот в нашей стране, и Е.Г. Антонович, которая учила меня работать руками, сказали: «Все, Алексей, ты начинаешь заниматься РНК».
― Почему?
― Они считали это перспективным — и не ошиблись. С тех пор я работаю с РНК. В какой-то момент я занялся рибосомой, частицей, которая синтезирует белок в клетке, потому что это прежде всего основная РНК, притом полезная, которая не вредит человеку, но без которой жизнь невозможна. 90% РНК в ваших клетках, и вообще в любых клетках, ― это РНК из рибосомы. Так что я начал заниматься РНК благодаря этому человеку, а также благодаря А.С. Спирину.
― Он тоже ваш учитель?
― Он один из моих основных учителей. Это выдающийся ученый. Когда мы познакомились, ему было 30 лет. Но уже в 29 лет он стал заведующим большой академической лабораторией в главном академическом институте ― Институте биохимии им. А.Н. Баха. При этом он всегда был очень тесно связан с университетом, его руководителем был А.Н. Белозерский, имя которого сегодня носит наш институт.
― Знаю, что вы открыли явление разворачивания рибосом и совместно с А.С. Спириным показали принципиальную возможность их самосборки.
― Да, это была одна из первых наших совместных работ, сделанных в лаборатории А.С. Спирина. Об этом, в частности, я подробно рассказываю в книге о нем, которая недавно вышла из печати. Мы сделали ее некоммерческой, мы ее дарим, раздаем всем заинтересованным людям. Туда вошли мои воспоминания, воспоминания очень многих людей ― учеников, коллег, друзей, просто соседей по даче. А.Н. Белозерский был оппонентом у меня на защите кандидатской диссертации. Это уж потом он основал этот институт, всех нас туда взял. Я был его прямым заместителем несколько лет. Так вот, А.Н. Белозерский меня спросил: «Что вы вообще собираетесь делать?» И я ему сказал, что очень хотел бы заняться рибосомой. Но для этого нужно специальное оборудование, которое называется центрифугами, ― препаративные центрифуги, ультрацентрифуги. У нас этого ничего не было. И он говорит: «Пойдите к Сашке».
― Имея в виду Спирина?
― Я же тогда этого не знал. Я говорю: «К какому Сашке?» ― «Да к Сашке Спирину». Он до конца жизни так его и называл. Спирин был его студентом, дипломником, аспирантом. Я к нему обратился. Он был в университете уже знаменит, хотя все называли его Сашей. Я говорю: «Какой он вам Саша? Он Александр Сергеевич». В общем, я приучил всех называть его Александром Сергеевичем. А тогда я к нему пришел с предложением: «Давайте попробуем взять отдельно РНК, отдельно белки, смешаем — и, может быть, получится рибосома?»
Это было не просто так. Есть знаменитый вирус табачной мозаики, между прочим, открытый в России. Русский вирусолог Д.И. Ивановский в конце XIX — начале XX в. обнаружил у табака и выделил такие палочки: это вирус табачной мозаики. А потом немецкий вирусолог Хайнц Френкель-Конрат, который работал в Америке, показал, что если из этого вируса взять только РНК и отдельно вирусный белок и смешать их, то в определенных условиях снова можно получить вирус. Это называется «реконструкция из РНК и белка». Я говорю: «Давайте, Александр Сергеевич, будем реконструировать рибосомы из РНК и белка».
― А он?
― Он ответил, что давно уже об этом думает. И предложил конкретную работу. Так я понял, что могу работать в его лаборатории, хотя у меня, конечно, оставались обязанности в университете. Нам удалось получить полноценные рибосомы не из отдельной РНК, а из предшественников рибосом, добавив белок.
Все это делалось с его сотрудником Р.С. Шакуловым, с которым мы вместе замечательно работали полтора года и стали друзьями на всю жизнь. Сегодня вечером я с ним встречаюсь, и мы с ним поедем ко мне на дачу.
― Каким вам запомнился академик Спирин?
― Его карьера развивалась стремительно. Я пришел к нему в 1962 г., в том же году он защитил докторскую диссертацию. Сейчас на защиту кроме ученого совета приходят 20 человек болельщиков. А здесь большая биологическая аудитория биофака. Она, наверное, человек на 400. Так вот, она ломилась, понимаете? Люди на этой защите были повсюду ― на балконах, на ступеньках.
― То есть это было настоящим событием?
― Это было общемосковское событие ― защита его докторской диссертации. Он был первым человеком, который начал ездить на Гордоновские конференции в США. На них вообще было очень трудно попасть. Туда приглашались люди только с очень серьезными научными успехами. Причем запрещалось рассказывать об опубликованных работах ― только то, что еще не издано. Работы Александра Сергеевича уже были известны. У него было несколько сенсационных исследований.
Кроме того, он подружился с президентом Академии наук СССР М.В. Келдышем, хотя они очень сильно различались по возрасту. На Келдыша Спирин произвел сильнейшее впечатление, вплоть до того, что Александр Сергеевич регулярно к нему приходил и читал ему индивидуальные лекции по молекулярной биологии. А Келдыш был человек всесильный, и он организовал так, что Спирин мог ездить в Америку на эти конференции. Потом его очень быстро избирают в члены-корреспонденты АН СССР, а в 1967 г., когда начинает развиваться Пущино, он там организует Институт белка. В первые 20 или 30 лет это был институт абсолютно мирового класса, с очень сильными учеными, с очень необычной обстановкой. У них, например, дирекция была по воскресеньям. Спирин считал, что нельзя на всякие заседания тратить рабочее время.
― А что за история с золотой медалью Кребса?
― Это тоже знаковое событие, которое я тоже описал в этой книжке. На очередном конгрессе Федерации европейских биохимических обществ в Мадриде в 1969 г. ему вручили золотую медаль Кребса. Он там читал пленарную лекцию. Это высшая награда для биохимиков. Из российских и советских ученых больше никто ее не получил. А удостоился он ее вторым в истории этой медали, первым был суперзнаменитый английский кристаллограф Макс Перуц, который сделал первые атомные структуры белков ― в том числе гемоглобин. Я на этой лекции присутствовал. Зал приветствовал Спирина стоя. Вскоре после этого он был избран академиком, получил Ленинскую премию уже не за рибосомы, а за открытие информосом, комплексов информационных РНК с белками.
А еще он был выдающимся педагогом, читал лекции, на которые приходил весь биофак. Он был прекрасным оратором. Это было так интересно! Он писал учебники, причем он сильно перерабатывал каждое издание. Последний учебник вышел в 2019 г., с ним я очень много возился. Вообще я тесно сотрудничал с некоторыми лабораториями в его институте, прежде всего с электронно-микроскопическими, где мы сделали, наверное, нашу лучшую работу по рибосомам. Я как начал у него заниматься рибосомами, так уже и не мог все это бросить.
― Почему? Это настолько захватывает?
― Это захватывает на всю жизнь. Казалось бы, нельзя заниматься одним и тем же. Но на самом деле это не одно и то же, потому что это огромная макромолекула, с ней происходят самые невероятные вещи.
― А что с ней происходит?
― Например, в 2000 г., тоже во многом благодаря работам А.С. Спирина, вернее его института, ее удалось закристаллизовать и получить ее структуру с атомным разрешением. Это самая сложная биологическая молекула, которую можно получить в кристаллическом состоянии. Химику, физику понятно, о чем здесь идет речь. В ней больше 3 млн атомов, и это вообще самый сложный закристаллизованный объект в мировой науке.
― Зачем нужно ее кристаллизовать?
― Чтобы сделать доступной для изучения ее атомную структуру. На самом деле такая структура отображает положение каждого из этих 3 млн атомов в молекуле. Сейчас она получена с разрешением в два ангстрема. Это высочайшее разрешение для таких сложных молекул. В этом плане она совершенно уникальна, и мы все больше и больше узнаем о ее деталях и особенностях.
― Например?
― Мы обнаруживаем некоторые вещи, позволяющие лучше и глубже понимать всю молекулярно-биологическую науку, все истории, связанные с функционированием сложных молекул, той же самой ДНК, ферментов, воспроизводящих ДНК, всей системы, синтезирующей белки. Здесь я опять должен обратиться к Спирину 1960-х гг., который как раз в это время формулирует выдающуюся гипотезу нобелевского уровня о том, что рибосома ― это молекулярная машина. Она производит работу. Первая его гипотеза заключалась в том, что субчастицы, которые ее составляют, могут двигаться друг относительно друга и это движение помогает протаскивать матрицу, в которой записана информация о структуре белка. Каждый шаг при движении этой матрицы приводит к тому, что рибосома добавляет одну аминокислоту к полипептидной цепи белка, и в конце концов синтезируется полная молекула белка. Так начинает формироваться нормальная белковая молекула.
― Эту гипотезу приняли?
― Нет, ученый мир ее не понял, не воспринял. Экспериментальная работа лаборатории А.С. Спирина была направлена на то, чтобы как-то это проверить ― доказать или опровергнуть. Гораздо позже, уже в 2000-х гг., все это было доказано. Сейчас любая статья про рибосому начинается с фразы: «Рибосома ― это молекулярная машина, которая синтезирует белки». Это была гениальная догадка моего учителя, опередившего время.
― Алексей Алексеевич, знаю, что в последние годы вы занимаетесь антибиотиками. Какая здесь связь с рибосомами?
― Вот как я к этому пришел. Антибиотиков вообще очень много. Но по сравнению с тысячами антибиотиков, уже открытых на сегодня, как лекарства используется несколько десятков. Причем с момента открытия, когда нашли такое вещество, до того, как оно становится лекарством, проходит от 12 до 15 лет. Ученые, врачи, фармацевты должны быть уверены, что те деньги, которые они вложили, а в конечном счете это примерно $1,5 млрд, себя оправдают и что это эффективно и безопасно. Поэтому сейчас мы наблюдаем, либо как очень многие фирмы вообще отказываются от производства каких-то антибиотиков, либо как происходят истории, подобные одной с моим учеником в Америке не так давно. Они находились уже на третьей стадии клинических испытаний, а потом фирма взяла и сказала: «Все, мы не будем делать этот антибиотик». И все прикрыли.
― Как обидно!
― Не то слово! Но их экономисты посчитали, что это будет невыгодно. За последние 30 лет всего три новых антибиотика стали лекарствами.
― А ведь еще существует такая грандиозная проблема, как антибиотикорезистентность, о которой кричат все врачи.
― Совершенно верно. И тут мы подходим к ответу на ваш вопрос: какая связь с рибосомой? Если мы посмотрим на этот гигантский объем знания об антибиотиках, то оказывается, что для 50% (или даже, может быть, для 60%) антибиотиков объектом в клетке служит рибосома. То есть бактериальная клетка, которая придумала этот антибиотик для того, чтобы убивать своих соседей, способных ей навредить, «поняла», что для этого достаточно просто остановить работу рибосомы. Тогда в клетке больше нет синтеза белка, а значит, нет жизни. Иногда она может застыть, иногда умереть, превратиться в ничто. Так что рибосома занимает очень серьезное место во всей этой антибиотической науке.
В 2000 г. стала известна полная структура рибосомы с очень высоким разрешением. Я тогда работал в Германии. Мне дали одну престижную премию, которая требовала, чтобы я проводил там какое-то время. В этой лаборатории была компьютерная программа, позволяющая очень легко «залезать» внутрь рибосомы и смотреть вокруг себя.
― Как будто вы находитесь внутри нее?
― Да. А у нее есть такой тоннель, по которому движутся синтезирующиеся здесь белки, и в этом тоннеле я проводил часы. Этот тоннель ― как раз одно из тех мест, с которыми связываются антибиотики. Стали возникать мысли о том, что мы можем очень хорошо разобраться, как эти антибиотики действуют на рибосому в этом тоннеле, если из готовых антибиотиков делать производные, навешивать на них кусочки тех белков, синтезирующихся в клетке.
Там я познакомился с людьми, которые очень заинтересовались этой работой. Больше всего мне повезло в том, что на кафедре химии природных соединений и в НИИ физико-химической биологии им. А.Н. Белозерского были люди, очень хорошо владеющие необходимыми методами химического синтеза. Я пришел к ним за советом, как все это сделать. А они мне сказали: «Давай мы будем этим заниматься», ― у них был в это время некоторый простой. И мы начали работу по модификации известных антибиотиков. На их базе мы стали делать их производные, изучать…
― И вам удалось получить модифицированные, более эффективные антибиотики?
― Идея заключалась не в получении более эффективных производных известных антибиотиков, а в том, чтобы понять, как эти классики работают, ― это первое. А вторая интереснейшая проблема ― поведение растущего пептида, который идет по тоннелю, и это тоже очень перспективный путь для управления работой рибосомы. Нам интересно было понять, что же происходит в этом самом тоннеле. Мы вообще получали многие производные, когда исходный антибиотик лишался своей антибиотической активности. И это тоже было очень любопытно, почему она вдруг пропала.
― А можно, наоборот, усилить эффективность?
― Вы уже абсолютно справедливо упоминали резистентность, поэтому проблема не в усилении действия антибиотиков, а в преодолении этой резистентности. Что вообще такое резистентность, или устойчивость, бактерии к антибиотику: ее лупят, а она растет, как ни в чем не бывало?
― Да, бактерия не погибает. Почему?
― Вот как это все происходит, если мишенью для действия антибиотиков служит рибосома. Известно, что РНК и ДНК состоят из нуклеотидов. Из нуклеотидов в основном формируются участки связывания антибиотиков на рибосоме. Если клетка вносит в один из таких нуклеотидов даже совсем небольшие изменения, то рибосома перестает связывать антибиотик и клетка становится резистентной к этому антибиотику. Наша задача заключается в том, чтобы понять, как это происходит и как этого избежать.
― То есть вы ищете механизмы этой резистентности?
― Да, и находим. Можно сделать какие-то изменения в антибиотиках, найти самый главный путь модификации самого антибиотика. Но есть другой путь, который лично меня всегда интересовал гораздо больше. Мы можем внести изменения в функциональные центры рибосомы, с помощью которых она работает. Сейчас я косвенно причастен к этим работам, а руководит ими мой молодой коллега, член-корреспондент РАН П.В. Сергиев. Они, в частности, недавно наткнулись на очень интересный антибиотик. В его лаборатории работал И.А. Остерман, который придумал мощнейший метод, позволяющий анализировать огромное количество проб. Методика дает возможность автоматически вылавливать вещества, которые воздействуют на рибосому, останавливая синтез. После этого их нужно фракционировать, выделять, определять их химическую структуру. В конце концов вы доходите до какого-то интересного вещества: оно сильно действует на рибосому, и, кроме того, вы видите, что оно во многих случаях борется с резистентностью, то есть подавляет рост резистентных, устойчивых патогенов, и это вещество нужно изучать дальше. Эта работа сейчас активно продолжается. Надеюсь, она будет завершена и мы получим принципиально новый антибиотик, лишенный существенного недостатка в виде резистентности.
