Интерактомика создаст панацею

№21 (367) 25 - 31 мая 2007 г. 25 Мая 2007 0

В ближайшие годы в науке может произойти переворот: молекулярные биологи создают принципиально новые пути разработки лекарственных препаратов на основе карт сложнейших молекулярных взаимодействий в организме человека.

Столь многообещающие прогнозы дает новое направление в системной биологии — интерактомика, наука о взаимодействии белков внутри клетки. Это одна из революционных технологий, способных перевернуть мир, утверждает издание Массачусетского технологического университета Technology Review.

Исследования курирует молекулярный биотехнолог Трэй Айдекер, руководитель лаборатории комплексной сетевой биологии при Калифорнийском университете (США). Он и прочие пионеры интерактомики полагают, что их труд поможет открыть новые виды лекарств, улучшить характеристики уже существующих препаратов и даже создать компьютерную модель проверки токсичности медикаментов, что позволит избежать исследований на животных.

В Украине с интерактомикой только начинают знакомиться в лаборатории белковой инженерии и биоинформатики Института молекулярной биологии и генетики НАН Украины под руководством члена-корреспондента НАН Украины, д-ра биологических наук, профессора Александра Корнелюка.

Время холестического подхода

«Философия выделяет два подхода к науке: редукционистский и холестический. В биологии последние 200—300 лет преобладает первый подход, — рассказывает младший научный сотрудник лаборатории Федор Терещенко. — Редукционистский подход — это когда мы, изучая частное, пытаемся понять целое. Допустим, ребенок разбирает будильник, затем пытается собрать заново. Однако при этом остаются лишние детали. Будильник, правда, работает, но вскоре ломается.

В основном биологические и генетические лаборатории исследуют какую-то часть целого. Например, берут белок, описывают его, всячески изучают и потом пытаются из таких кусочков собрать целое.

Анри Пуанкаре однажды сказал: «Как дом не является простой кучей кирпичей, так и наука не является простой совокупностью фактов». Грубо говоря, человеческий организм — это нечто большее, чем сумма его частей. Они, образуя целое, обретают новые свойства, и организм нельзя понять, разобрав его, собрав заново и посмотрев, как он работает.

Чтобы было понятно, приведу следующую аналогию. Если не разбирающемуся в автомобилях человеку дать карбюратор, он может посмотреть, как устроен этот прибор, для чего существует и какую роль играет. Но определить, чем является машина (а главное — какую функцию в ней выполняет карбюратор), по одной только детали довольно сложно.

Поэтому и появился холестический подход. Мы смотрим на дом, и нам безразлично, сколько весит каждый кирпич, сколько в нем силикатов и т. п. Когда архитектор строит здание, ему также не нужно знать каждый кирпич, но важно, как они будут сочетаться вместе».

В биологии до недавних пор довольно трудно было быть «архитектором», ведь геном человека, а это сотни тысяч генов, ранее не был расшифрован. Каждый ген кодирует отдельный белок или несколько белков. Соответственно все эти белки также не были известны.

Холестический подход в биологии начал применять австриец Карл-Людвиг фон Берталанффи еще в 1920 — 1930 гг. Суть его в том, что необходимо знать, какие существуют части биологической системы, но чтобы понять ее, тщательно изучать каждую из них не нужно.

Белки и интерактомы

Складывается впечатление, что современные исследования в области биологии и медицины сосредоточены исключительно на всех мыслимых «омах»: геномах, протеомах, метаболомах и т. п. Прародителем всех упомянутых «омов», по мнению Трэя Айдекера, является так называемый интерактом. В каждой из клеток организма происходит множество взаимодействий с участием генов, РНК, метаболитов и белков. Невероятно сложная и запутанная их карта — и есть интерактом.

Белки не присутствуют в клетке сами по себе. Они друг с другом взаимодействуют. В частности, молекулы белков актина, миозина и др. образуют мышечные волокна. Другой пример — каскады передачи сигналов. Когда в крови накапливается много сахара, специфические клетки выделяют гормон инсулин, который связывается на поверхности клетки еще с одним белком, и по цепочке белков сигнал передается внутрь клетки — в ядро, которое позволяет «лечить кровь».

«Чтобы понять, как работает клетка, представим себе такую картину. Пусть геном будет, грубо говоря, набором запчастей к машине. Тогда протеом — картинки этих запчастей. А интерактом — чертеж целой машины — позволяет собрать ее по картинкам, так, что видно, какая запчасть с какой и на каком уровне взаимодействует, — рассказывает г-н Терещенко.

Почему это важно? Во-первых, потому, что дает целостную картину клетки. А во-вторых, одно из направлений интерактомики — патологическая интерактомика. Например, в нашем организме что-то произошло, и мы заболели. При этом одна часть какого-то белка преобразовалась, одна аминокислота перешла в другую и т. п. А почему, неизвестно.

Но когда мы видим, с чем и как взаимодействует этот белок, анализируем интерактом, то можем сказать, что из-за мутации белок не может взаимодействовать со вторым, тот не может активировать третий и т. д. по каскаду. Главное — это позволяет более детально изучить, что и как происходит в клетке.

Если повредить некоторые системы в организме человека, ничего существенного не случится. В то же время нарушишь какие-то другие — и человек умирает. Почему так? Ответ даст анализ интерактома.

Новые методы, в частности, применяются для исследования мутаций, связанных с нарушением нормального взаимодействия белков, — их агрегации. Примеры — помутнение роговицы, нервное заболевание Шарко-Мари-Тута, болезнь Альцгеймера».

В прошлом году Трэй Айдекер занялся сравнительным анализом «принципиальных схем» интерактомов различных живых существ. Он считает, что реализация столь грандиозного проекта позволит науке собрать и изучить принципиально новые данные, характеризующие биологические организмы, а в итоге — создать четкую схему взаимодействия всех клеток.

Впервые имя Айдекера прогремело в научном мире в 2001 г. после публикации его работы (в соавторстве с Лероем Худом) в авторитетном издании Science. Тогда Айдекер был аспирантом Института системной биологии в Сиэтле (США). Молодые ученые чрезвычайно подробно описали, как клетки дрожжевых грибков используют сахар, снабдив свои выводы диаграммой, отражающей все процессы: от набора задействованных генов и взаимодействия белков до резкого изменения системы под влиянием разнообразных биохимических факторов. Именно тогда проявился талант Айдекера в области создания средств наглядного представления комплексных процессов.

В ноябре 2006 г. команда Айдекера вновь поразила научный мир, сообщив в популярном журнале Nature о создании сводной базы данных всех интерактомов (взаимодействий) белков в клетках дрожжевых грибков, мушки дрозофилы, круглых червей и вызывающего малярию паразита Plasmodium falciparum. Сама идея сравнения белков различных видов живых существ не нова, но именно лаборатория Айдекера одной из первых занялась систематизацией сходств и различий между реакциями взаимодействия белков совершенно разных существ.

«Это очень полезная разработка, — продолжает Федор Терещенко. — База данных позволяет понять, что происходит в организме, получить его карту. Следует отметить, что, исходя из анализа интерактома, некоторые очень интересные свойства живых организмов были выявлены венгерским ученым Ласло Барабашем.

Он показал, что, например, биологический интерактом является нескалируемой системой. Если взять, допустим, кочан цветной капусты, то его часть при увеличении будет выглядеть приблизительно так же, как и весь кочан.

Затем он обнаружил у интерактомов существование так называемых хабов. Чтобы понять, что это такое, приведу такую аналогию. Некоторые международные аэропорты называют хабами. Туда слетается много маленьких самолетов, а потом пассажиров из них сажают в один большой, и они летят в пункт назначения. В биологии хаб — это такой белок, который взаимодействует с большим количеством белков и передает эти взаимодействия в разные участки клетки. Важно обнаружить такой хаб, ведь если вновь произойдет мутация, то в системе может случиться сбой (вплоть до смерти).

Практическая ценность интерактомов состоит в том, что они дают знать, на уровне какого белка произошла мутация. Таким образом можно ее остановить».

Украинские перспективы

Сейчас в Украине формируется GRID — система объединенных друг с другом компьютеров, которые выходят и в Европейскую научную компьютерную сеть.

«У нас, — утверждает г-н Терещенко, — есть около десяти институтов, где есть суперкомпьютеры. Они еще называются кластерами, так как собраны из материнских плат простых машин.

Суперкомпьютер в Институте молекулярной биологии и генетики имеет восемь так называемых нодов, в каждом из которых находится эквивалент четырех процессоров, т. е. это 32-процессорная система. Для сравнения: то, что на самом мощном домашнем компьютере будет считаться год, суперкомпьютер посчитает за две недели.

Если не хватает мощности местного суперкомпьютера, можно загрузить работой целую сеть суперкомпьютеров и соответственно считать части общей задачи. Всего в GRID сейчас 592 процессора, поэтому наша система очень производительная.

На это выделила деньги НАН Украины (один суперкомпьютер с лабораторией стоит несколько сотен тысяч гривен. — Авт.). Перспективы огромны. Есть доступ к уже готовым интерактомам, но некоторые исследования можно проводить и в Украине на мировом уровне».

Следует отметить, что в нашей стране очень мало специалистов-интерактомиков, всего 5—7 человек. Федор Терещенко получил специальное образование в США, еще один его коллега сейчас учится в Эдинбурге (Великобритания). В лаборатории белковой инженерии и биоинформатики, хоть она и финансируется ограниченно, также есть высококачественное оборудование.

«Безусловно, у нас есть возможности задействовать западные лаборатории, — продолжает г-н Терещенко. — Евросоюз предлагает рамочные проекты, и наша лаборатория вполне может сотрудничать с научными учреждениями стран ЕС. Все это в стадии разработки.

В конце мая я еду на конференцию в Будапешт, где буду обсуждать возможности сотрудничества. В Венгрии, кстати, такой системы GRID, как у нас, нет. Мы можем им предложить свои услуги в этом направлении, а они нам — полученные лабораторным путем данные, на что у нас здесь нет финансовых возможностей. Мы развиваемся».

Фармацевтический скептицизм

Ученые не скрывают: для того чтобы применять результаты интерактомики на практике, понадобится время. «Например, на одно лекарство американская фармацевтическая промышленность тратит около 25 млрд. долл. Однако, имея интерактомы и зная, как работает вся биологическая система, можно сэкономить средства. Пока что расшифровано мало интерактомов, да и первые из них были получены только шесть лет назад», — говорит Федор Александрович.

«На данном этапе практических результатов в виде лекарств нет, и я, будучи аккуратен в прогнозах, могу сказать, что еще десяток лет их, скорее всего, не будет, но без интерактомов разработка медпрепарата обычно длится больше 20—25 лет!»

Для фармацевтических компаний открытие уникальных биологических характеристик взаимодействий на клеточном уровне означает появление новых возможностей, так как сократится вероятность проявления нежелательных побочных эффектов.

Но это в теории, а на самом деле фармацевтические компании вовсе не прыгают от счастья при известии о возможности создания нового препарата, избавляющего от недуга, поражающего огромное количество людей. Тем не менее идея, предложенная Айдекером, обладает огромным потенциалом. Так, лаборатория планирует провести сравнительный анализ интерактомов разных штаммов вируса СПИДа. Вполне возможно, данная работа поможет разработать новый тип лекарств, спасающих от этого заболевания.

«Фармацевты всегда аккуратны в оценках, — объясняет г-н Терещенко. — Здесь роль играет и научный консерватизм. Наука и в частности биология очень инертна. Старшее поколение с трудом воспринимает новые методы. А некоторые ученые считают их несерьезными.

Стоит указать и на ошибку западного маркетинга. Когда собирались расшифровывать геном, его подали как панацею от любых бед. Мол, получим геном человека и после этого можем делать все. Это, конечно, было упрощенно, в исследования вложили много денег, а когда инвесторы увидели, что геном не панацея, сразу отвернулись. Так что сейчас уже соблюдают гораздо большую осторожность».

Несмотря на критику, интерактомики полны оптимизма. Трэй Айдекер, в частности, утверждает: «За пять лет мы надеемся накопить достаточно данных по интерактомам для построения моделей клеточных принципиальных схем. Это позволит заранее прогнозировать механизмы действия лекарственных препаратов, еще до начала клинических испытаний на людях».

Уважаемые читатели, PDF-версию статьи можно скачать здесь...

Новый виток милитаризации космоса

Демонстрация Китаем собственных достижений в области создания многоразовых...

Неугодне дзеркало

Тому, хто працює у закритій системі, навіть висококласному професіоналові, складно...

А судьи кто?!

Удивляет неумение авторов «загальних висновків» учитывать специфические...

Эйфория приватного космоса

Амбиции главы ГКАУ, рассчитывающего за короткое время озолотить космическую отрасль...

Стартует 25-я антарктическая: неоднозначный юбилей

На днях из Киева в путешествие по сверхдальнему маршруту отправится 25-я украинская...

Глобальные земные проблемы

Большой комплекс многогранных научных и прикладных проблем был всесторонне...

Суть медреформы — убить науку?

Министерство здравоохранения должно быть заинтересовано не в разрушении...

Надеюсь на взаимопонимание

Нравственность — важнейший элемент любого производственного и общественного...

Министерство образования, науки и профнепригодности

Конкурс WorldSkills International становится так же популярен, как Олимпийские игры

Как нам получать Нобелевки

Опыт Китая и его Единой платформы выглядит именно тем, что требуется украинской науке...

ЗНО з історії України — рівність для усіх чи...

Щороку в завданнях ЗНО присутні питання, яких немає ані в програмі, ані в підручниках

Комментарии 0
Войдите, чтобы оставить комментарий
Пока пусто
Авторские колонки

Блоги

Ошибка