Лауреат национальной премии «Вызов» в области будущих технологий, доктор химических наук, главный научный сотрудник лаборатории химии метаболических путей Института биоорганической химии имени М.М. Шемякина и Ю.А. Овчинникова (ИБХ) РАН Илья Викторович Ямпольский рассказал порталу «ПОИСК» о механизмах свечения живых организмов, создании первых в мире светящихся растений, московских школах с сильным естественнонаучным профилем и тонкостях внедрения научных результатов в практику.
— Как складывался Ваш путь в науку? Получилось ли это случайно, или с детства у Вас был такой интерес?
— С детства, еще с дошкольного возраста, я интересовался живой и неживой природой, причем интерес этот возник сам собой, как бы изнутри: никто не пытался меня агитировать. Довольно рано я стал читать все, что было доступно на эту тему. Сначала родители покупали мне детские книжки, а классе в пятом я раздобыл в школьной библиотеке учебники по химии и это, наверное, был первый осознанный шаг.
С восьмого по одиннадцатый класс я учился в специализированном классе московской гимназии №1543. Формирование классов с биологическим уклоном в нашей школе было совершенно уникальной историей. Это была инициатива выпускников МГУ, которые решили организовать для школьников углубленное изучение биологии. Во многом эта инициатива была основана на опыте самых первых в России классов с биологическим уклоном, которые появились в 1970-е годы. Так, основателем профильного направления в нашей Гимназии был выпускник «исторически первого» биокласса школы № 57 кандидат биологических наук Сергей Менделевич Глаголев. В старших классах мы проходили университетскую программу, а нашими учителями были профессора и выпускники биологического факультета МГУ. Наша углубленная программа по биологии была поделена на двенадцать спецкурсов: зоология позвоночных, зоология беспозвоночных, анатомия, систематика, молекулярная биология, генетика и т.д. И для каждого раздела приглашали отдельного специалиста. Например, ботанику нам преподавал Владимир Викторович Чуб — нынешний директор Ботанического сада МГУ и профессор кафедры физиологии растений биофака. Надо сказать, что наш биокласс и его предшественник, основанный в школе № 57 выдающимся педагогом, заслуженным учителем РФ Галиной Анатольевной Соколовой, выпустили целую плеяду специалистов в нашей области. Многие их них достигли больших высот на своем поприще.
— Какие самые яркие воспоминания у Вас остались о школьных и университетских годах?
— В школе каждые каникулы вместе с нашими учителями мы выезжали на природу в разные регионы России: в Подмосковье, в Туапсе, на Белое море. Ехали большой командой, брали с собой микроскопы, разбивали палатки, собирали и изучали растения и животные организмы. Это были настоящие полевые практики, как у студентов биофака — а у нас такое устраивали в школе. Было очень весело, и необычно, и интересно. Мне очень нравилось.
— Как Вы вышли на свою тему в науке, и что определило выбор области исследования, когда Вы были студентом?
— Меня всегда привлекала область на стыке химии и биологии, и в школе я все никак не мог определиться, куда же мне поступать — на биологию или на химию. Но в конце концов я решил, что биологии нас достаточно хорошо научили в школе, и выбрал химию, потому что хотел усилить то, в чем был послабее. В итоге я занимаюсь как раз теми исследованиями, к которым тяготел изначально, — на стыке биологии и химии. Что касается выбора конкретной темы, то в науке он очень часто определяется личностью твоего руководителя: ты сначала выбираешь наставника, а уж потом становится ясно, какая тема тебе попадется. Это нередко происходит случайно.
— Расскажите про Вашего первого наставника, почему Вы выбрали именно этого человека?
— У меня было несколько наставников. Моим первым научным руководителем был химик-органик, профессор МХТИ (прим. ред: Московский химико-технологический институт, сегодня — Российский химико-технологический университет) им. Менделеева Юрий Исаевич Смушкевич, причем свое первое научное исследование под его руководством я провел еще в старших классах. А познакомились мы с ним так. Будучи старшеклассником, я участвовал в Московской олимпиаде по химии и занял призовое место. Вместе с другими призерами и победителями я вошел в команду, представлявшую Москву на Всероссийской олимпиаде, к которой нас готовили преподаватели химического лицея №1303. Наша команда ездила на сборы в разные институты. В частности, мы ездили в Казань, где с нами занимался профессор-химик Петр Аркадьевич Гуревич. Я как-то к нему подошел и сказал: «Я еще школьник, но хочу поработать в химической лаборатории. Не посоветуете мне кого-нибудь в Москве?». Вот он и порекомендовал мне своего друга Юрия Исаевича Смушкевича, и дал мне его телефон. Юрий Исаевич согласился взять школьника в лабораторию. Так что я еще в 11 классе сделал научную работу под его руководством.
А после школы я учился в Высшем химическом колледже Российской академии наук, основанном академиком РАН Олегом Матвеевичем Нефёдовым. И если в других вузах студентов пускают в лабораторию только на старших курсах, то в Высшем химическом колледже нас уже с первого курса поощряли заниматься экспериментальной работой в одной из московских химических лабораторий: при Институте органической химии (прим. ред.: ИОХ РАН) или при Институте элементоорганических соединений (прим. ред.: ИНЭОС РАН). Я поработал сначала в ИОХ и ИНЭОС под руководством академика Бубнова, а на старших курсах колледжа познакомился с Сергеем Анатольевичем Лукьяновым, который, кстати, был выпускником того самого биокласса школы №57. Сейчас он академик РАН, ректор Второго меда (прим. ред.: Российский национальный исследовательский медицинский университет имени Н.И. Пирогова), лауреат множества премий за открытие флуоресцентных белков, недавно ему удалось разработать первое в мире лекарство от аутоиммунных заболеваний. А когда мы встретились впервые, он был заведующим лабораторией в Институте биоорганической химии, где, кстати, я сейчас нахожусь, сидя в его бывшем кабинете. Именно знакомство с Сергеем Анатольевичем сыграло решающую роль в выборе темы моего исследования: сначала я понял, что хочу в команду к этому человеку, а затем нашлась и тема.
— Вы упомянули, что свою первую научную работу провели еще в 11 классе. Помните ли Вы, чему она была посвящена?
— Конечно. Если коротко — есть такой класс органических соединений — иминоэфиры, и довольно давно была описана реакция разложения этих соединений при нагревании. Мой первый наставник Юрий Исаевич Смушкевич предложил мне изучить некоторые другие условия разложения иминоэфиров, которые раньше не были изучены.
— Был ли у этой работы какой-то практический результат?
— До практического результата мы тогда не добрались: для этого пришлось бы пройти очень большой путь. Чтобы фундаментальное исследование могло проторить себе дорогу к практике, нужно иметь наметанный глаз, умение оценивать риски и перспективы такого продвижения. Все мы хотим, чтобы из нашей работы получилось извлечь практическую пользу, но удается это далеко не всем — большинство научных исследований не имеют прямого выхода на практику. Уметь находить практическое применение фундаментального знания — это особое искусство, доступное очень немногим. Именно к таким редким исключениям относится мой бывший научный руководитель из ИБХ РАН Сергей Анатольевич Лукьянов.
— Ваша кандидатская диссертация была посвящена изучению структуры хромофоров в GFP-подобных флуоресцентных белках, а докторская —новым люциферинам. Это были практически-ориентированное или фундаментальное исследования?
— В то время, когда я попал в лабораторию к Лукьянову, он нащупал очень плодотворную тему — флуоресцентные белки. Последние десятилетия их активно изучают, они нашли широкое применение в разных сферах. Можно сказать, что эта тема оказалось для биохимиков «золотой жилой». А я попал к Сергею Анатольевичу как раз в тот момент, когда этот проект только начинался, и моя кандидатская диссертация была посвящена исследованию в этой области. Практических выходов из нее найти не удалось, хотя в плане развития того навыка прогнозирования рисков и перспектив, о котором я говорил, этот опыт многому меня научил. Я приходил к моему руководителю с какими-то идеями, а он мне объяснял, почему из этого ничего не выйдет: тут слишком сложно, здесь есть такие-то риски, там такие-то факторы могут помешать и т.д. А вот с моей докторской уже все было иначе. На основе тех результатов, которые были получены, удалось создать светящиеся растения. Когда я приступал к этой работе, таких растений не существовало в природе, и даже трудно было представить, что они могут появиться.
— Не могли бы Вы описать простыми словами механизмы свечения живых организмов?
— Механизмы свечения в процессе эволюции возникали независимо около 50 раз. Таким образом, сейчас существует около тысячи видов живых организмов, которые умеют светиться. Они разбросаны по эволюционному древу довольно беспорядочно. Светящиеся организмы есть в четырех из пяти царств живой природы: в животных, микробах, бактериях и грибах — во всех, кроме растений. В каждом царстве изобретался свой механизм биолюминесценции, но все они непременно включают три компонента: органическое вещество, кислород, окисляющий органическое вещество, и белок — специальный фермент, который играет роль катализатора реакции окисления. Органическое вещество называется люциферином, а фермент — люциферазой. Поскольку, как я сказал, есть около 50 различных механизмов свечения, которые существуют в природе и при этом друг с другом никак не связаны, каждый механизм приходится изучать как бы заново. И чтобы понять, как светится тот или иной организм, нужно узнать структуру молекулы люциферина и строение белка люциферазы. До работ нашей научно-исследовательской группы было известно семь люциферинов и люцифераз. А мы смогли открыть еще четыре новых пары люциферина и люциферазы. До нас было известно, например, как светятся светлячки, а мы открыли механизм свечения грибов. Но надо сказать, что большинство механизмов на сегодняшний день еще не изучено.
— Какие теории, объясняющие люминесцентные свойства некоторых животных и грибов, существовали до открытия люциферинов?
— До открытия молекул, которые отвечают за такие свойства, и вообще до того, как возникло представление о молекулярном строении веществ, выдвигались некоторые идеи, впоследствии нашедшие подтверждение. Так, британский ученый XVII века Роберт Бойль изобрел воздушную помпу, при помощи которой он показал, что некий компонент воздуха необходим для тех или иных биологических процессов, например, для дыхания и для горения. Бойль также обнаружил, что этот же компонент нужен и для биолюминесценции — для свечения светлячков и гнилушек. Он был абсолютно прав, и теперь мы знаем, что этот компонент — кислород.
— Как возникла идея создать светящиеся растения?
— Изначально такой цели мы перед собой не ставили. Идея возникла, когда мы с коллегами расшифровали механизм свечения грибов. Оказалось, что центральную роль там играет молекула кофейной кислоты. Эта молекула представлена во всех растениях и участвует в их метаболизме: из нее формируются клеточные стенки и растительные пигменты, необходимые для фотосинтеза. Когда мы увидели, что в механизме свечения грибов фигурирует кофейная кислота, мы тут же подумали о том, что в растениях ведь уже есть ключевой компонент – осталось добавить несколько генов, которые в грибах отвечают за превращение кофейной кислоты с выделением света.
— А какое было первое растение, на котором Вы то реализовали?
— Это было стандартное модельное растение — табак.
— Как работает генно-инженерная технология, которую Вы применяли – если угодно, «POV: в лаборатории»?
— Для растений есть общепринятый генно-инженерный инструмент — так называемые агробактерии. Это особого рода бактерии, которые могут вызывать болезни растений. Впрочем, они не всегда для них вредны: иногда агробактерии выполняют симбиотическую функцию. У этих бактерий есть специальная генетическая машинерия для переноса своих генов в геном растений.
Но для того чтобы перенести какой-то ген в растение, сначала нужно «построить» этот ген. Такие искусственные гены получают в виде ПЦР-продукта либо синтетически. Это быстро развивающаяся технология, сейчас уже есть много разных подходов. Один из самых распространенных методов реализуется так: на твердой подложке друг к другу присоединяются по одной букве нуклеотиды. Так получаются фрагменты по 100-200 олигонуклеотидов — это такие одноцепочечные молекулы. Потом эти олигонуклеотиды смешиваются в пробирке, прилипая друг к другу комплементарными участками — получается двухцепочечная ДНК с «дырками». Потом в эту же пробирку добавляют фермент ДНК-полимеразу, который помогает достраивать «дырки» в полученных ДНК. При этом однобуквенные фрагменты, трифосфаты, присоединяются к комплементарным участкам, достраивая цепочку там, где есть дырки, а фермент лигаза «зашивает» одноцепочечные разрывы.
Так получаются цельные последовательности — ферментативные генетические конструкции. В нашей лаборатории непосредственно этим процессом не занимаются. Мы просто посылаем текстовый файл с нужной последовательностью в компанию, которая предоставляет такой сервис, и через некоторое время приезжает пробирка, где находится нужный нам ген.
Затем наступает стадия клонирования: готовые генетические конструкции встраивают в кишечную палочку, в которой нарабатывается плазмида — кольцевой кусочек ДНК. Затем плазмиду выделяют из кишечной палочки и переносят в агробактерии. «Внедрение» плазмиды в агробактерию происходит через химическую либо электрическую трансформацию. Грубо говоря, под действием электрического поля плазмиду «простреливают» через клеточную стенку бактерии, и она попадает внутрь. Потом агробактерии, которые несут плазмиду, отделяют от тех, в которые она не попала, и размножают их в чашке Петри. Наконец, размноженной колонией агробактерий с плазмидой можно «заражать» растения.
— Помимо коммерческого производства интерьерных диковинок – светящихся комнатных растений, какие возможности применения еще есть у флуоресцентных белков?
— Если вы биохимик или молекулярный биолог, вы изучаете что-то в клетке, вам нужны какие-то методы визуализации. Один из таких методов основан на использовании флуоресцентных белков, о которых мы до этого говорили. А второй метод — на биолюминесценции. Существует очень много коммерческих технологий на основе биолюминесценции. Технологии скрининга лекарственных препаратов, технологии визуализации всяких биологических процессов: наблюдения за клетками, ферментами, органеллами и т.д. Также биолюминесцентный метод применяют для изучения живых систем и скрининга лекарственных препаратов, в клинических тестах, в животноводстве и проверках при различных пищевых технологических производствах. В частности, чистоту материалов или предметов, поверхностей проверяют с помощью биолюминесцентных тестов. К примеру, в каком-нибудь заведении общепита служба контроля берет ватку и протирает стол, потом эту ватку опускает в специальный реагент и считывает сигнал, указывающий на наличие или отсутствие живых микроорганизмов.
— И как это работает?
— Дело в том, что одна из биолюминесцентных реакций, кроме люциферина, люцифераза и кислорода, включает АТФ — молекулу, которая есть только в живых клетках. Соответственно, если у вас где-то есть живые клетки, значит это бактерии или микробы — значит, там грязная поверхность. А обнаруживаются они так. С помощью биолюминесцентных систем сделаны аналитические тесты на различные компоненты, в том числе на АТФ. Грубо говоря, ваткой протерли стол, опустили ватку в реагент, затем поместили в пробирку. Потом в специальный прибор с экраном и счетчиком фотонов опускают эту пробирку, и на экране отображается, есть ли излучение или нет. Если есть — значит, на ватке бактерии и микробы. Аналогичным образом это происходит в животноводческих хозяйствах. Они закупают эти приборы и реагенты для того, чтобы на потоке проводить скрининг молочных ферм, проверять на наличие бактерий молоко, например.
— Существует ли для вас дилемма между наукой и частной жизнью? Если да, как Вы ее разрешаете?
— Конечно, существует, но я стараюсь уделять время другим вещам, помимо работы. Например, я достаточно много занимаюсь разными видами спорта: йогой, бадминтоном, фитнесом, зимой катаюсь на лыжах. Иногда хожу в театр и в консерваторию. Детей воспитываю – так что приходится находить баланс.
Беседовала Наира Ковалева
Изображение на обложке: пресс-служба фонда «Вызов»
