Молодые, талантливые, перспективные, амбициозные — это все про команду лаборатории структурного анализа и инжиниринга мембранных систем МФТИ. Она существует с 2016 года и входит в Центр исследований молекулярных механизмов старения и возрастных заболеваний. Несмотря на то, что лаборатории всего два года, ребятам уже есть чем похвастаться. И ясно, почему. В распоряжении молодых ученых современное оборудование, сотрудничество с Исследовательским центром Юлиха и Институтом структурной биологии (Гренобль) и возможность стажироваться в Европе у ведущих ученых. Что же придумали в лаборатории и чем это поможет человечеству — рассказываем в нашем материале.
Руководитель лаборатории — Иван Гущин — окончил Факультет общей и прикладной физики МФТИ в 2011 году, потом три года учился в аспирантуре в Гренобле (Франция), после защиты почти год провел в Исследовательском центре Юлиха (Германия) и в 2016 вернулся на Физтех, где выиграл грант на открытие молодежной лаборатории.
Руководитель лаборатории Иван Гущин
«Во время учебы в МФТИ я работал в лаборатории Валентина Ивановича Горделия. Но в то время такой большой науки, как сейчас, здесь не было, поэтому лаборатория была маленькой. У Валентина Ивановича также были лаборатории в Юлихе и Гренобле, была возможность учиться в аспирантуре и там, и здесь. Так я оказался в Германии, а потом и во Франции, — рассказывает Иван. — В Гренобле есть супермощный синхротрон, и находится он в ста метрах от научного института, поэтому эксперименты можно делать очень быстро и проводить их очень много. Там я освоил кристаллографию. Туда и сейчас довольно регулярно ездят ребята из нашей лаборатории, потому что Россия входит в консорциум стран, которые финансируют этот синхротрон. После увлекся биологией, связанной с бактериями и клетками, и уехал этим заниматься в Юлих».
В лаборатории три основных блока работы. Первый — это родопсины, цветные мембранные белки, которые под действием света выполняют свою функцию. Очень широко используются в оптогенетике. Второе направление — это двухкомпонентные сигнальные системы. Первая компонента — сенсор, сидящий в мембране живой клетки. Вторая — белок, который передает сигнал от сенсора куда-то внутрь клетки, где этот сигнал должен быть получен. «Это направление нас очень привлекает тем, что есть множество натуральных сенсоров. У бактерии тысячи сенсоров для тысяч разных сигналов. Интересно научиться делать на их основе искусственные сенсоры разнообразных сигнальных химических молекул», — поясняет Иван Гущин.
В процессе работы над этим блоком родилось третье направление — флуоресцентные белки, так называемые LOV-домены, которые могут работать в отсутствие кислорода (это важно при изучении анаэробных процессов). Флуоресцентные белки необходимы для того, чтобы наблюдать клеточные процессы: какие белки в клетке образуются, с кем они взаимодействуют, сколько они живут, как они рождаются, как умирают, как на клетку действуют лекарства, какие изменения эти лекарства вызывают.
Главное достижение лаборатории сегодня заключается в том, что получилось идентифицировать очень термостабильный и фотостабильный белок, который флуоресцирует в отсутствие кислорода. За короткое время студенты и аспиранты Физтеха смогли найти этот белок, охарактеризовать и решить структуру. На базе этих данных получилось заняться дизайном белков — тем, ради чего все замышлялось. Удалось сделать мутанта со смещенным спектром и получить структуру очень высокого разрешения. И сейчас в лаборатории работают над более хитрыми устройствами на его основе, например, сплит-белками, когда белок разделяется на две части.
«Мы делим белок на две части и можем повесить одну часть на один белок в клетке, уже присутствующий, а вторую часть — на другой белок, — объясняет Иван. — Если мы теперь будем наблюдать за свечением, мы будем понимать, что эти два белка подошли друг к другу, и в этой клетке в данный момент времени они взаимодействуют. Таким образом, мы можем сказать, что там запустился какой-то клеточный процесс».
Самый распространенный способ «достать» необходимый белок из разрушенной бактерии — это хроматография. Смысл хроматографии в том, что образец прогоняется сквозь носитель, который имеет какое-то сродство к нашему белку. Тот белок, который взаимодействует с носителем, задерживается, тот, который не взаимодействует, проходит мимо. Самый распространенный тип носителя — так называемая гель-фильтрация, или эксклюзионная хроматография. Она показывает, правда очень грубо, характерный размер белка, но это всегда важные данные. Таким образом можно оценить, это белок идет сам по себе или он с чем-то связан, или он собирается в какие-то большие комплексы из этого же белка. Далее хроматограф (на фото) работает как насос. Он создает очень высокое давление, постоянный поток, и регистрирует образец на входе и выходе. Это позволяет оценить, насколько чистым был образец, насколько его очистили и сколько его в итоге получили.
За почти два года существования лаборатория крепко встала на ноги.
По словам Ивана, поначалу было очень тяжело с людьми: «Сначала сложно выработать идею — такую, которая бы нравилась и мне, и студентам, и при этом за свою бакалаврскую и магистерскую работу они бы успевали сделать что-то законченное и полезное для науки. Поэтому сначала довольно много людей приходило-уходило. Сейчас схема набора студентов довольно проста. Я с ними говорю, даю им какие-то маленькие задания. Если им нравится то, что они делают, если мне нравится то, как они это делают, и нам нравится друг с другом работать, то мы приглашаем их делать бакалаврскую работу».
Неформально люди делятся в лаборатории на экспериментаторов и теоретиков. Например, Алина Ремеева работала с Иваном в Гренобле, а после — в университете Гента в Бельгии, сейчас является заместителем зав. лабораторией по экспериментальной части. Здесь же работают два аспиранта: Иван Гончаров и Вера Назаренко. Павел Буслаев, защитившийся буквально в конце сентября, возглавляет компьютерную группу. С ним работают Халит Мустафин, который сейчас уехал на стажировку в Гренобль, и Ольга Новицкая, которая успела поработать в эксперименте, но потом ей стало интересно компьютерное моделирование, которым она занимается уже больше года.
Также часть времени в лаборатории проводит Анна Юденко, аспирантка Санкт-Петербургского академического университета. Есть и студентки-бакалавры: Настя Смоленцева и Дарья Мелихова. И наконец, в лаборатории работает Максим Дидин, который выиграл Международную олимпиаду по математике не только среди школьников, но и среди студентов буквально в этом году. Вообще лаборатория богата на медалистов: Иван Гущин и Павел Буслаев завоевывали золото Международной олимпиады среди школьников по физике.
У молодых ученых далеко идущие планы. Сейчас все исследования, как это принято говорить, проводятся «на столе». Но, как поясняет Иван, скоро будет сделан шаг к тому, чтобы начать применение достижений «вживую»: «В сотрудничестве с лабораторией перспективных исследований мембранных белков МФТИ в ближайшее время мы собираемся тестировать наш белок на настоящих живых человеческих клетках. Это одно направление. Второе — это биотехнологии. Некоторые химические вещества синтезировать очень сложно, поэтому используют бактерии. Но чтобы бактерия их хорошо синтезировала, нужно уметь их отбирать. И это вторая наша идея — создать инструмент, помогающий отбирать бактерии, которые потом будут производить даже из отходов что-то полезное, например, те же аминокислоты, которые используются для кормления скота в агротехнике. За этим будущее: что может быть натуральнее? Бактерия берет свет, берет отходы, производит полезное вещество полностью натуральным способом. Ей не нужны полезные ископаемые или еще что-то особенное». Этот проект ведется совместно с Институтом молекулярных энзимных технологий (Institute of Molecular Enzyme Technology) Исследовательского центра г. Юлих и институтом биотехнологии Аахенского университета (RWTH Aachen University), и в будущем поможет перейти к коммерциализации достижений и разработок лаборатории.
