В январе были названы победители конкурса ФЦП “Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014-2020 годы” по мероприятию 2.1 с участием научно-исследовательских организаций Республики Корея. Сфера приложения усилий — нанотехнологии и новые материалы, науки о жизни и биотехнологии. Претендовали на гранты 15 научных коллективов, из которых победили четверо: НИЯУ МИФИ, Институт биоорганической химии им. академиков М.М.Шемякина и Ю.А.Овчинникова РАН, Уфимский государственный авиационно-технический университет и МГУ им. М.В.Ломоносова. Чтобы познакомить читателя с работами, которые они выполняют, мы обратились ко всем исполнителям с одними и теми же вопросами:
- В чем заключается суть вашего проекта?
- Каковы перспективы применения его результатов для развития науки, экономики страны, жизни людей?
- Почему вы будете вести проект именно с исследователями Республики Корея?
- Как будет организована работа?
- Чем будут измерять успех проекта?
- Какие подводные камни могут ждать вас на пути к цели?
Сегодня мы представляем результаты этого медиаопроса читателю, дабы показать явную перспективность отобранных работ для нашего будущего.
Лучше с теми, кто не кусается
Игоря Набиева, руководителя Межкафедральной лаборатории нано-биоинженерии, нам повезло застать в МИФИ за день до его отлета во Францию. Будучи одновременно профессором Университета г. Реймса, ему приходится делить свое рабочее время между Москвой и столицей провинции Шампань. Говорят, за 2014 год у него было 42 авиаперелета. И при этом его проекты стали победителями в серии конкурсов Российского научного фонда, Министерства образования и науки РФ, международных конкурсов с полностью западным финансированием, сейчас на рассмотрении экспертов Союзного государства амбициозный проект по созданию технологической платформы… МИФИ для Набиева — альма-матер, но после перестройки он уже четверть века работает за рубежом — сначала в США, а потом, на постоянной позиции “полного профессора”, в Европе. Когда Минобрнауки стало привлекать ведущих мировых ученых в российскую систему образования, Игорь Руфаилович сам предложил МИФИ идею исследований, выиграл конкурс и организовал лабораторию нано-биоинженерии. Тут и будет вестись “разработка новых нанозондов для молекулярной визуализации с помощью конъюгатов квантовых точек, флуоресцирующих в инфракрасной области спектра, и однодоменных антител” — так называется проект, занявший первое место в конкурсе ФЦП “Исследования и разработки…” 2014-2020 годов.
— Когда вирус попадает в организм, начинают вырабатываться антитела, которые связывают инфекцию, подавляют ее размножение и позволяют выздороветь, — начинает объяснять идею совместного с Кореей проекта Набиев. — Зная специфические свойства антител, вырабатывающихся только при присутствии строго определенного вируса или опухолевого заболевания, их можно использовать и для ранней диагностики. Если, например, ввести животному онкоматериал, в ответ на появление “чужих” молекул станут вырабатываться антитела. Эти антитела и являются основой лечения или диагностики. Но для диагностики важно, чтобы маркер заболевания был заметен. Ученые научились метить антитела органическими флуоресцентными красителями, но они неяркие и быстро разлагаются на свету. Поэтому настоящей революцией в ранней диагностике стало появление неорганических флуоресцирующих нанокристаллов, которые абсолютно не выгорают и видны как отдельные кристаллики в стандартный оптический микроскоп. При введении нанокристаллов в живую клетку процессы ее деления и функционирования можно наблюдать месяцами…
— Только все это уже известно, — неожиданно прерывает ликбез для журналиста Игорь Руфаилович. — Статьи на эту тему появились у американцев в конце девяностых годов, у меня первый европейский патент датирован 2000 годом — по переводу нанокристаллов в жидкую фазу, чтобы адаптировать их к биологическим исследованиям. Нынешний же наш проект возник при поиске ответа на вопрос “Как создать диагностическую метку, лучшую по всем параметрам?”. Чтобы обеспечить сверхранний диагноз, да еще и без причинения вреда организму, во-первых, необходимо иметь нанокристалл с квантовым выходом около 100 процентов. Такой должен обладать идеальной кристаллической структурой, чтобы светил, не мерцая. Во-вторых, нужны идеальные распознающие молекулы, минимальные по размеру, стабильные и позволяющие специфически распознавать инфекции. Мы остановили выбор на уникальных распознающих молекулах, “однодоменных антителах”. Получить их можно, используя кровь акул или представителей семейства камелоидов: одногорбых верблюдов или лам.
— С акулами, — смеется И.Набиев, — работать нам не захотелось — кусаются, а вот с мягкими и пушистыми ламами иметь дело оказалось куда приятнее. Получаемые из их крови распознающие молекулы мы научились связывать с флуоресцирующими нанокристаллами, и размер создаваемых диагностических меток оказался в 13 раз меньше известных ранее. Маркеры состоят из одного домена, причем фантастически стабильные — грейте хоть до 90 градусов, белок цел останется. Плюс методами наноинженерии мы умеем связывать их вместе так, чтобы все распознающие части были повернуты “рецепторами” наружу, в исследуемый раствор.
— Где же вы лам добудете?
— Мы работаем с уже созданными нами библиотеками ДНК нужных нам однодоменных антител и на дрожжах в инкубаторах производим требующийся белок. Таким путем получаем большие количества тех однодоменных антител, которые нам нужны для диагностики и лечения.
— А зачем вам в проекте корейцы?
— Мы владеем технологией производства нанокристаллов, которые светятся в диапазоне от голубой до красной области спектра, тогда как свет в инфракрасном диапазоне проникает в ткань на существенно большую глубину. Профессор Санджей Ким (Sungjee Kim) из Похангского университета науки и технологий (Pohang University of Science & Technology) в Южной Корее умеет производить квантовые точки, флуоресцирующие в инфракрасной области. Воспользовавшись ими, можно разглядеть то, что происходит в глубине живого организма. Эта технология не требует дорогостоящего тяжелого оборудования, а рождена опытом и интеллектом исследователей на базе глубоких знаний химии. Про работы профессора Санджея Кима по имейджингу опухолей крупных животных я знал по литературе. Корейцы, например, сделали модель рака печени свиней и с помощью своих квантовых точек прямо пронаблюдали динамику развития этого заболевания на целом животном, сравнимом по весу с человеком. Идея участия в российско-корейском проекте родилась по инициативе профессора Кима, который оказался впечатлен нашими результатами по нано-биоинженерии диагностических меток, сообщил мне об этом в телефонном разговоре и предложил подать совместный проект двух лабораторий.
Цель общего проекта — создать сверхмалые диагностические метки путем связывания наших однодоменных антител, специфичных к маркерам онкозаболеваний, с нанокристаллами корейской группы. Полученные продукты будут использованы для визуализации динамики развития опухолей в Корее и в экспериментах по нанотоксичности в клеточных культурах в Москве. Также в Москве совместно с сотрудниками лаборатории профессора А.Ю.Барышникова в РОНЦ им. Н.Н.Блохина созданные диагностические метки будут применены для диагностики микрометастаз.
— Поздняя и неточная диагностика — бич лечения онкологии, а ваш способ может спасти многих людей за счет более раннего выявления болезни?
— Думаем, что так и будет. Потому упорно работаем каждый над своей технологией, каждый на своей территории, используя финансирование своих стран и опираясь и воспитывая именно свои национальные кадры. С другой стороны, результат складывания двух прорывных технологий обязательно даст огромный синергетический эффект: в этом случае суммирование “два плюс два” должно дать не четыре и даже не пять, а четыреста или более! Именно поэтому сотрудники как российской, так и корейской групп работают с большим энтузиазмом!
— Это все мифисты?
— Нет, хоть лаборатория и находится в НИЯУ МИФИ, сотрудников лаборатории нано-биоинженерии отбирали из разных вузов. По 10 человек на место претендовали. Отбирали персонально, после длительных собеседований. В конкурсной документации проекта записано: не менее 50 процентов участников — не старше 35. У нас 68-70 процентов молодежи в команде. Им положено выплатить не менее 30 процентов фонда заработной платы. У нас получают больше. И это хорошо — за время проекта подрастут кадры для науки. Ребята отличные, им только надо смелее и раньше определяться, куда идти дальше — в фундаментальную науку или в индустрию. Соответственно, и готовим мы их целенаправленно. Базовая вузовская подготовка у них хорошая, добавить бы еще курсы по “научному письму” и “научному изложению” материалов, как делают в вузах Англии, США. Результат проявится в большом количестве высокорейтинговых публикаций.
А вот с чем совсем плохо — так это с закупкой оборудования и материалов. Говорят, ФЗ №94 мешал, поменяли. Получилось еще хуже. В конце 2014 года произошла просто катастрофа с закупками.
Порой кажется, что так называемые департаменты “экономического развития” или “управления перспективных исследований”, на которые возложен внутренний контроль за закупками, организуют направленный саботаж — с единственной задачей показать свою значимость и не позволить ученому правильно потратить средства и достичь научного результата! В условиях, когда рубль в основном слабеет, из-за контролеров, отслеживающих цены только через Интернет и не задумывающихся ни о чем, кроме формальной стороны, мы теряем не просто миллионы, отпущенные на научные исследования, но и научные результаты, которые не достигаются, людей, которые не выздоравливают. И с них, с этих “контролеров”, за это никто не спрашивает! С их стороны — полная безответственность за совершаемые ими безграмотные действия и саботаж!
— Боятся “Росатома”, министерства?
— Дело не в ведомстве. Я спрашивал коллег из РАН, там то же самое. Дело в глупых правилах, а также в людях, которым поручено следить за выполнением правил, но которым абсолютно безразличен результат научных исследований. И тех и других менять надо — и чем скорее, тем лучше для науки!
Прибавит сил
Нариман Еникеев, участник проекта от Уфимского государственного авиационно-технического университета (УГАТУ), вместе с коллегами будет заниматься исследованием наноструктурных сталей, полученных методом интенсивной пластической деформации.
— Этот метод, — сообщил Нариман Айратович, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Института физики перспективных материалов УГАТУ, — был развит и применен еще в начале 90-х годов прошлого века в Уфе для повышения свойств металлических материалов за счет создания в них наноструктур. Дело в том, что материал с одним и тем же химическим составом, но в наноструктурном состоянии, может демонстрировать в два-три раза более высокую прочность, чем обычный. А в таких нуждается промышленность. Причем режимы интенсивной пластической деформации отражаются на параметрах возникающих наноструктур, а те, в свою очередь, сказываются на свойствах получаемых материалов. В данном проекте мы хотим осуществить масштабное компьютерное моделирование вариантов создания наноструктурных промышленных сталей — самой распространенной в России аустенитной нержавеющей и корейской TWIP-стали, известной тем, что ее упрочняют двойкованием — поворотом одной части кристалла симметрично другой его части.
На недавней международной конференции был представлен доклад японских авторов, которые пробуют применить наноструктурные стали в инжекторах автомобильных двигателей. Эти весьма миниатюрные детали должны обеспечивать однородное распыление топлива, для чего в них проделаны специально рассчитанные микроотверстия. В инжекторе из наноструктурной стали они получаются более однородными, что повышает равномерность распыления топлива, а значит, улучшает производительность самого двигателя. А он уже прибавит сил тому, чему будет служить, — машине, самолету…
Своих партнеров из Кореи мы знаем лет пятнадцать, с того времени, как, работая в Чунгнамском национальном университете города Теджона, профессор Хйонг Сеоп Ким зарекомендовал себя как один из ведущих экспертов по моделированию различных материалов, в том числе наноструктурных. Тогда мы впервые провели совместные работы, которые нашли отражение в докладах на ведущих международных конференциях и в статьях в высокорейтинговых журналах. А профессор Хйонг Сеоп Ким вместе с руководителем российской группы профессором Русланом Валиевым вошли в международный совет по объемным наноматериалам, полученным интенсивной пластической деформацией.
Некоторое время назад профессор Ким перешел на работу в исследовательский университет Пхохана — Postech, который находится под эгидой одной из крупнейших сталелитейных компаний мира — POSCO. Уфимская команда тоже имеет огромный международный авторитет в деле получения и исследования объемных наноматериалов и интенсивной пластической деформации. Не зря у руководителя группы профессора Р.Валиева индекс Хирша — 74. Объединив в проекте две сильные научные команды (каждая до десятка основных исполнителей), мы решили использовать опыт группы профессора Кима в моделировании и наш потенциал по получению и экспериментальному исследованию наноструктурных материалов. Мы применим современные исследовательские возможности корейской стороны для сбора данных о тонкой структуре наноматериалов, а опыт российских участников — для разработки многоуровневых моделей. Особое внимание будет уделено процессу получения наноматериалов. Как с научной, так и с технологической точки зрения он нетривиален. Итогом работы станут совместные публикации, подача общего патента, ну и, как всегда, новый ряд тем для продолжения исследований.
Что может осложнить выполнение задуманного? Например, международная пересылка материалов для исследования. Зачастую она превращается в тяжкую с формальной точки зрения процедуру. Надеемся, что в нашем случае эти трудности не станут камнем преткновения.
Фото предоставлено Н.Еникеевым
Дышать станет легче
“Наполнилась вся бездна серным газом —
И стены ада лопнули, и разом
Потрескалась земная вся кора:
Здесь очутилась пропасть, там — гора”.
Менее всего я ожидала увидеть строфы “Фауста” Гете в пояснительной записке, которую Леонид Кустов, профессор, возглавляющий лабораторию экологической химии МГУ, подготовил мне в помощь по проекту “Разработка и применение инновационных гибридных адсорбентов для удаления кислых газов в природном газе”, с которым лаборатория победила в конкурсе ФЦП.
Увидев мое недоумение, он пояснил:
— Цель проекта — очистить попутные нефтяные газы от сероводорода, содержание которого может достигать 15-25 процентов. Если это вредное вещество не удалять, после сжигания на факеле (они горят по всему миру) сера возвращается на землю кислотными дождями, неприятностями глобального потепления. Ведь масштаб выбросов H2S в мире огромен. У нас эта проблема еще осложнена тем, что мест добычи много и они очень разбросаны по территории страны.
Чтобы решить эту проблему, ученые предложили создать наноразмерные адсорбенты сероводорода, которые позволят селективно поглощать его из попутных газов, с тем чтобы затем, используя известные технологии, превратить H2S в элементную серу, серную кислоту, сульфиты и сульфаты. Всему этому найдется применение в народном хозяйстве. А очищенный от сероводорода углеводородный газ дальше можно будет без опаски трансформировать в топлива, тепловую или электроэнергию. Но это — потом, а задача начального этапа — найти способ удаления сероводорода.
— Известно, что можно удалять сероводород с помощью мембран, но для их эффективного использования требуется высокое давление, — вводил в курс проекта ученый. — Гораздо эффективнее — применять порошкообразные наноразмерные адсорбенты… Почему наноразмерные? Потому что они обладают огромной поверхностью (площадь футбольного поля в 1 грамме твердого материала), способствующей поглощению сероводорода. В эту высокопористую матрицу дополнительно помещают более мелкие наночастицы или фазы, которые прочно связывают сероводород. Цель работы — достичь максимальной емкости адсорбции. Сегодня лучшие адсорбенты могут поглотить около 10 весовых процентов сероводорода. Мы рассчитываем выйти на 20-25 процентов. У нас уже есть наработки по трем группам материалов, отличающихся по пористости, типу и химической природе, по механизмам взаимодействия с газами. За основу для модификации будем брать те сорбенты, которые сейчас выпускаются промышленностью, ибо надо ориентироваться на практический результат. А дальше, работая с базовым материалом, снижая себестоимость процесса и улучшая свойства адсорбента, мы добьемся желаемых результатов. Важно, чтобы работе адсорбента не мешала вода, которая, как правило, присутствует в виде паров в любой газовой смеси. Ведь регенерация адсорбента — энергоемкая процедура. Нужно сделать сорбент рециклизуемым, чтобы можно было работать долго, не теряя емкости. Вот всем этим и будет заниматься российская команда, в которой четверо весьма молодых ребят — кандидат наук, аспирант и двое студентов.
— Выполнив этот проект, они обретут хороший задел на будущее. Потому что мой подход — пытаться убить двух-трех зайцев, — признается Кустов. — Создав эффективные методики получения адсорбента для H2S, мы сможем эти наработки использовать для дизайна и других адсорбентов и материалов, например для поглощения оксидов азота, метана или этилена из смесей с другими газами.
— А какую роль берут на себя корейцы?
— Наши партнеры из Национального университета провинции Кьонгбук рассчитывают тепловые эффекты, массоперенос, балансы, моделируют реактор, вырабатывая оптимальную конструкцию… Все это — химический инжиниринг, в котором они сильны. Показательно, что в этом конкурсе оценки давались обеим сторонам: и российской, и корейской. И если участники проекта сильно отличались по опыту, мастерству, возможностям, проект не получал поддержку. В нашем случае оба партнера оказались на высоте. У нас уже есть совместный план работ, где указано, когда мы передаем в Корею первый базовый образец адсорбента, чтобы они начали моделирование, когда — следующую генерацию, с учетом их рекомендаций и пожеланий… Ездить друг к другу будем не чаще раза в год, а вот телеконференции проводить намерены регулярно. Однако в соглашении оговорено, что патенты мы можем брать независимо друг от друга. Совместно патентовать имеет смысл только установку… Она, кстати, будет пока на пол-литра адсорбента, в конце проекта — на пять. До промышленных масштабов сразу не дорасти: что идеально работает в лабораторных условиях, при масштабировании может забуксовать. Помешать, например, может тепловой эффект адсорбции или специфика регенерации сорбента, ведь тут еще и экономика свое веское слово скажет. Но, как говорят на Западе, “There is a will — there is a way” — дорогу осилит идущий.
Врага запоминает навсегда
Алексей Шульга, c.н.с. лаборатории молекулярной иммунологии Института биоорганической химии им. академиков М.М.Шемякина и Ю.А.Овчинникова РАН, оказывается, не сомневался, что их проект выиграет.
— Потому что “Перепрограммирование активности микробного комплекса иммунной интерференции путем направленного встраивания в его состав функциональных модулей”, — говорит он, — представляет собой работу, которая приблизит людей к умению управлять активностью генов, при необходимости с точностью до нуклеотида исправить ошибочную последовательность звеньев в генах. Это то, о чем мы читали в фантастических романах, когда пришельцы взглядом перепрограммировали организмы людей, делая их из больных здоровыми. Нет, речь идет не о жонглировании генным материалом, а о возникновении возможности манипулировать им на уровне технологий.
— В природе, даже у бактерии или простейшего микроорганизма, есть несколько степеней защиты, — рассказывает А.Шульга. — Есть те, которые условно можно отнести к системе врожденного иммунитета, а есть — приобретенного. Это когда клетка, сталкиваясь с бактериофагом, если не гибнет от этого, то выживает, встраивая в свой геном кусочки ДНК врага. Это схоже с альбомом, на страницах которого красуются снимки разыскиваемых преступников — будьте бдительны! И потомки клетки, живущей очень недолго, едва тот бактериофаг появляется, распознают его благодаря “фото” — сохранившемуся кусочку ДНК. Заметив, не дожидаясь нападения, сами кидаются в бой, рубя на части геном “чужого”. В научной среде эту защитную систему называют CRISPR/Cas (Clustered Regulatory Interspaced Short Palindromic Repeats/Crispr ASsociated proteins). У многих видов бактерий есть множество кусочков ДНК, взятых от врагов. Бактерия их постоянно считывает, режет на кусочки, связывает с Cas-белками и в виде рибонуклеотидопротеинового комплекса отправляет циркулировать по цитоплазме, выискивать неприятеля. Обнаружил? ДНК врага тут же инактивируют, то есть уничтожают.
— Считается доказанным, — продолжает ученый, — что CRISPR/Cas встречается более чем у половины бактерий и у большей части архей. Они могут быть весьма полезными для диагностики и терапии, в том числе и при онкологии. Наша лаборатория под руководством члена-корреспондента РАН Сергея Михайловича Деева накопила большой опыт в построении сложных супрамолекулярных белковых комплексов. В качестве “молекулярного клея”, скрепляющего функциональные модули различной природы, в таких комплексах используются пары белков, прочно взаимодействующие между собой. Благодаря их “сопряжению усилий” можно выстраивать молекулярные ансамбли высокого порядка, имеющие наноразмеры. Строго говоря, это уже бионанотехнология. Причем комплекс нужен такой, чтобы долго не терял своих свойств. Например, есть смысл работать с CRISPR/Cas-системой, полученной от бактерий, живущих в термальных источниках, — ее белки очень стабильны. Значит, препараты и лекарства на их основе можно будет хранить не в холодильнике, а при комнатной температуре. Совсем другая экономика.
Что поразительно: в 2012 году были опубликованы первые статьи на тему практического применения Crispr/Cas, а сейчас, по словам ученого, за скромные деньги в Интернете можно заказать весь инструментарий для таких работ. Другое дело, что инструментарий можно и нужно совершенствовать. Ради этого и создан международный проект. Группа доктора Ву из Сеула, с которым профессор С.Деев сотрудничает не первый год, займется молекулярно-биологическими и биохимическими работами с Crispr/Cas, вплоть до определения кристаллической структуры белков, входящих в комплекс. А российская команда, в составе которой будут и зрелые ученые, и студенты, и аспиранты, сосредоточится на дизайне и разработке белковых пар для встраивания в комплекс различных функциональных модулей. В качестве таких пар выступят белки, полученные генно-инженерным путем. Замена и модификация пар белков, если это понадобится, тоже войдет в круг обязанностей наших соотечественников. Но решение о выполнении таких работ будет приниматься после тщательного анализа учеными обоих государств. Окончательную характеристику перепрограммированного интерферирующего комплекса проведут обе группы. Причем каждой из сторон есть чему друг у друга поучиться. Благо инструментальное оснащение лабораторий и у корейцев, и у россиян достойное.
— Просто мы идем к цели с разных сторон, — утверждает Алексей Шульга. — Но я нисколько не сомневаюсь, что система получит самое широкое применение и в народном хозяйстве, и в медицине, ибо это целенаправленная инженерия геномов. И пока я не вижу преград, которые могут нам помешать сделать задуманное.
Спецвыпуск подготовили
Елизавета ПОНАРИНА
и Светлана БЕЛЯЕВА
Фото Николая Степаненкова
ПОЛНОСТЬЮ МАТЕРИАЛ СПЕЦВЫПУСКА ДОСТУПЕН В ФОРМАТЕ PDF
Нет комментариев