«От молекул до планеты»

Кто сказал, что российская наука переживает худшие свои времена? Как выясняется, это не более чем миф, и у наших ученых есть абсолютно все основания смотреть в будущее с оптимизмом. По крайней мере, именно к такому выводу пришел корреспондент 1-LINE после беседы с Егором ЗАДЕРЕЕВЫМ, ведущим научным сотрудником и ученым секретарем Института биофизики СО РАН, кандидатом биологических наук, вице-президентом Международного общества по исследованию соленых озер.

Егор Сергеевич рассказал нашему изданию об основных направлениях работы Института биофизики, которые, по его выражению, простираются «от молекул до планеты».

Мы, как дилетанты, на этом умолкаем и предоставляем слово ученому.

Маленькая копия Земли

Над замкнутыми системами жизнеобеспечения «БИОС» работа в нашем институте началась еще в 1970-е годы. Изначально комплекс этот предназначался для космических станций. Условно говоря, это маленькая копия Земли.

В подвале института был оборудован бункер площадью примерно 15 на 8 метров, полностью герметичный. В одном из отсеков жили люди, в другом — выращивались водоросли и другие растения для очистки воздуха и производства кислорода. В третьем росли овощи, дававшие пищу участникам эксперимента. 

Вообще, если троих человек закрыть в таком герметичном помещении, они погибнут в течение суток из-за нехватки воздуха. А в институтском комплексе самый длинный эксперимент продолжался полгода — люди жили там исключительно на том, что производилось внутри, вода перерабатывалась, очищалась, вновь поступала для потребления.

До прошлого года никто в мире, кроме нас, красноярцев, не смог это повторить. А год назад китайцы начали подобный проект. Они сейчас активно рвутся в космос — вот и скопировали то, что было у нас, и получили примерно такой же результат, как мы в 70-е. 

У нас же в какой-то момент эти работы были приостановлены из-за отсутствия финансирования, и только сейчас к ним вновь появляется интерес.

Сейчас речь идет уже о том, чтобы создать полностью самодостаточную систему. В ходе давних наших экспериментов только 50% продовольствия выращивалось в бункере, вторая половина — запас в виде консервов. А это, если мы работаем, ориентируясь на космос, разумеется, создает проблемы.

Конечно, не так просто создать на 100% автономную систему жизнеобеспечения, тем более полностью «копирующую» земную жизнь. На нашей планете живут тысячи видов растений, животных — и все друг другу нужны. И если хотя бы приблизиться к этому и провести полномасштабный эксперимент с людьми, чтобы они находились в этом комплексе год или два, — нужно серьезное финансирование.

Кстати, в усеченном виде эту разработку можно применять и на Земле. В частности Минобороны заинтересовалось нашей технологией в связи с активно идущим сейчас освоением Арктики. 

Он живой и светится

Еще направление, которое у нас активно развивается, — изучение биолюминесценции, или свечения живых организмов, и применение результатов исследования на практике, прежде всего в медицине.

Если объяснять просто, биолюминесценция происходит потому, что в организме у некоторых животных есть молекулы, которые при совершении ряда химических реакций излучают свет.

Работа по этому направлению началась тоже довольно давно — с отбора таких организмов в экспедициях и их изучения.

Со временем были найдены гены, отвечающие за образование «светящихся» молекул. Затем эти гены выделили и научились пересаживать в другие организмы.

Сейчас эта технология активно применяется в медицине (к сожалению, пока не в российской). Как именно? Во-первых, эти молекулы можно использовать в качестве маркеров — к светящейся молекуле «пришивается» другая, которая реагирует, например, на некое заболевание или наличие какого-то химического соединения.

Когда образец крови (других тканей организма) соединяется с нашим реагентом, можно выявить присутствие в образце даже небольшого содержания некого вещества. На этом, в частности, основаны новые методы диагностики некоторых вирусных или онкологических заболеваний, причем на самых ранних стадиях, когда все другие методы диагностики не работают.

Кроме того, активно развивается сейчас такое направление, как биоимиджинг. Технология эта состоит во введении подобного же препарата непосредственно в организм. С помощью специальных приборов точечно детектируется там, где локализовано заболевание.

Кроме того, последние лабораторные исследования, направленные на изменение формы, структуры этих белков, позволяют создавать тесты, дающие реакцию не на уровне «да — нет», а более сложно, позволяющие, например, выявлять несколько разных гормонов.

Есть и совсем простое и прикладное применение этого открытия — биотесты состояния окружающей среды. Такие экспресс-системы реагируют на наличие загрязнений в воздухе, воде, почве, не «углубляясь» в их состав. Просто сообщают о том, есть токсиканты или нет. Сейчас в Сибирском федеральном университете молодыми биофизиками разработан портативный прибор, работающий по такому принципу и доступный практически каждому. У нас, кстати, был заключен многолетний договор с фирмой Bayer, по которому мы должны были получить соединения для выявления конкретных веществ.

Вообще за открытие флуоресцентного белка в 1960-х годах была вручена Нобелевская премия японскому ученому Осаме Симомуре, который затем какое-то время работал и в Красноярске. Его открытие сейчас используется широко и разнообразно, область это активно растущая, в этой сфере все время открывают что-то новое. 

Пластик для сердца

Производство и использование биополимеров — сейчас одна из самых раскрученных тем.

Пластики мы все используем ежедневно, кажется, что все вокруг сделано из них. Но это пластики синтезированные, полученные искусственно.

А между тем есть и биопластик — тот, что производится в организме некоторых бактерий. Его главное отличие от синтезированных в том, что через некоторое время он распадается сам собой, разлагаясь на углерод и воду.

В институте биофизики исследования в этом направлении начались еще в 1980-е годы. Изучались и бактерии, производящие пластик, и условия, в которых они вырабатывают его наиболее активно.

На следующем этапе встал вопрос — где биопластик использовать?

Первое, что приходит в голову, — в производстве пакетов, упаковок для, например, шампуней. Представьте, что такие пакеты или упаковки сами собой полностью разлагаются, исчезают.

Понятно, что изделия из такого материала окажутся существенно дороже, чем из синтезированного пластика. И вряд ли бы нашлось много желающих платить за шампунь вдвое больше только потому, что бутылка из-под него когда-то растает без следа... Но у биопластика нашлось другое применение — в той сфере, где цена материала не имеет значения: в медицине.

Опять же — первое, что приходит в голову, — это операционные нити, которые со временем рассасываются сами собой. Но в действительности это далеко не самое интересное. Куда интереснее — применение пластиковых органов или же других объектов в хирургии, и прежде всего в трансплантологии. Из биопластика могут быть изготовлены сосуды, костные матриксы, другие «копии» внутренних органов. 

Сейчас уже широко известно главное свойств стволовых клеток — из них можно «вырастить» любой орган, поскольку эти клетки не «специализированные». Сейчас и из обычной клетки научились «делать» стволовую, а уже из нее — то, что надо. Таким образом, мы вплотную подошли к возможности искусственного выращивания органов. И если мы сможем создать матрикс органа, который затем «обрастет» стволовыми клетками, то и получим орган, который можно будет пересадить человеку.

Это, конечно, далекая перспектива. Но уже сейчас биополимеры применяются при производстве тканевых покрытий, стентов, которые в нужное время «уходят» из организма без следа. Причем разлагаться они могут с заданной скоростью.

На этом же их свойстве основан и наш совместный с аграрным институтом проект по целенаправленной доставке удобрений. Благодаря биополимерам удобрения питают участок с нужной скоростью и в нужных объемах. По этому же типу в медицине используют капсулы из биополимера для целенаправленной доставки лекарств. Это и эффективнее, и безопаснее. 

Озеро как модель

Еще одно большое наше направление – «природное».

Мы, в частности, исследуем соленые озера края и соседних регионов — да-да, те самые, на которых мы так любим отдыхать: Шира, Беле, другие...

Они представляют большой интерес для биологов — всё: их обитатели, то, как они живут в течение года, как реагируют на загрязняющие вещества, как влияют на жизнь озера в целом...

Мы пытаемся всё это описать, выстроить математические модели, описывающие все связанные с этим закономерности.

Скажем, для соленых озер нормально, когда сильно меняется уровень воды — ведь преимущественно они расположены там, где много испарений и мало осадков. А от этого меняется и уровень солености, а уже из-за этого – «состав» живущих в озере организмов, качество воды и т. д.

Проблема изучения того, как «ведут себя» соленые озера, существует во всем мире: ведь и Аральское озеро, и Мертвое море к таковым относятся. И когда такие озера исчезают или меняются, вместе с ними меняется не только экосистема, но и в конечном счете образ жизни людей — то есть это уже социальная проблема.

Поэтому мы наши маленькие сибирские озера используем как модельные объекты, на которых можно изучить закономерности и прогнозировать, что будет проходить с солеными озерами Земли в принципе.

Долгий путь на рынок

Сколько пройдет лет между лабораторными исследованиями и выпуском продукта на массовый рынок — сказать сложно.

Вот, скажем, те же биополимеры. Изучение их началось в 1980-е – пусть и без «прицела» на применение в медицине. Активно ими занялись в 90-е. Решили, что это однозначно продуктивный путь и исследования надо продолжать, причем именно применительно к медицинской отрасли, – на рубеже веков. Сейчас биополимеры уже пришли в клиники — правда, не массовые, а экспериментальные.

То есть в данном случае весь цикл работ по данному направлению составляет лет тридцать, если в связи с медициной — больше десяти.

Вообще вывод лекарства на рынок — это миллиарды долларов. Но перед учеными, к счастью, такая задача и не стоит. Обеспечить выход на рынок их разработок должны либо государство, либо бизнес. Ученые же работают широким фронтом и копают везде. Сейчас много говорится про инновационные стартапы, технопарки – вот они и призваны подхватывать научные идеи. Хотя и там считается, что «выстреливает» один проект из десяти – зато он окупает затраты на все остальные...

В целом же сроки исследований сокращаются — но и тут часто роль играет конкретный инвестор. Наш пример сотрудничества с Bayer: они сделали заказ — и мы выполнили его за три года. Хотя и тут не все исследования, которые они финансировали, привели в итоге к тому результату, которого они ожидали...

То же и с нашей системой «БИОС». В свое время создатель академической науки в Красноярске академик Киренский встретился с Королевым — тот сказал Леониду Васильевичу, что подобная система нужна ему вчера. Естественно, тут же было открыто финансирование проекта, начались работы. Но от первых экспериментов, скажем так, с «ведром», в котором росли одноклеточные водоросли, перед которым человек сидел и несколько часов в него дышал, до создания комплексной системы жизнеобеспечения прошло 5 лет. И это очень хороший результат. Китайцы, с современными возможностями и их традиционным энтузиазмом, создавали такую систему дольше, чем мы в 70-е...

Ну а самое главное — если эксперимент начался, он идет столько, сколько должен: опыт не может дать результат быстрее, чем это возможно в принципе.

Ну и материальный аспект роль играет, конечно. Например, в Красноярске сейчас нет вивария с лабораторными животными, которые соответствовали бы требованиям, предъявляемым к медицинским исследованиям. Таковой есть только в Новосибирске. В Красноярске же вопрос о создании вивария только обсуждается.

То же касается и оборудования. Но если есть ресурсы — материальные, человеческие — то все будет сделано.

Вообще надо сказать, что наука в классическом понимании как раз в Сибири и сохранилась. Приезжали к нам москвичи — завидовали. Пока наука в Москве простаивала (в частности, потому, что слишком уж велик был разрыв между зарплатами в нашей отрасли и в других), в Сибирском отделении РАН были и публикации, и высокие научные рейтинги, и молодежь к нам приходила. Так что жизнь у нас кипит. И в будущее мы в целом-то смотрим с оптимизмом — собственно, а как еще в него можно смотреть?

Беседовала Юлия Старинова