Сегодня трудно себе вообразить какую-либо монументальную научную работу в области биологии без использования надстроек в виде физики и химии с добротным «флигелем» вовлеченного математического аппарата и анализа данных. Однако так каркас биологического исследования стал выглядеть лишь несколько десятков лет назад.
Дивный новый синтез
XX век был отмечен не только небывалыми успехами физической науки, но и стремительным прогрессом в области биологических знаний. Это послужило стимулом к созданию принципиально новых практических разработок, нашедших свое применение в самых разнообразных сферах деятельности человека. Последние десятилетия ознаменованы удивительными открытиями в области наук о жизни, которыми современная биология обязана тесному сплетению ее идей с методами физики и химии и рождению новой области науки — физико-химической биологии. Благодаря этому синтезу на службу современному человеку наряду с электроникой, информатикой и атомной энергетикой пришли биотехнология и биомедицина.
Достаточно давно стало понятно, что отдельные направления естественно-научного знания не самодостаточны, а путь к успешному исследованию лежит на стыке нескольких областей знания. Если вспомнить значимые открытия в биологии XX века, то многие из них были сделаны с использованием физики и химии. Например, расшифровка структуры ДНК Уотсоном, Криком и Франклин опиралась на дифракцию рентгеновских лучей. Современные биологические лаборатории невозможно представить без хроматографов (адсорбция), конфокальных микроскопов (оптика, флюоресценция, красители), установок для измерения ионных токов в клеточных мембранах (электрохимия) и т. п. Все это требует исследователей, обладающих знаниями в совершенно разных науках. Сорок лет назад подобных специалистов нигде не готовили.
С одной стороны, у студентов биологических факультетов отсутствовала должная подкованность в вопросах химии, физики, также возникали вопросы в отношении математического аппарата, которым необходимо было владеть. Что касалось специалистов технических и инженерных направлений, они, в свою очередь, не имели добротной биологической базы. Подобная профессиональная рассинхронизация должна была каким-то образом разрешиться.
В 1982 году директор Института биоорганической химии (ИБХ РАН, ныне ИБХ РАН имени академиков М. М. Шемякина и Ю. А. Овчинникова) Юрий Овчинников выдвинул предложение о реализации совершенно нового направления, задачей которого он видел грамотную «коллаборацию» всех естественно-научных, технических и математических знаний вокруг проблем современной биологии . Убедив правительство СССР в целесообразности этого смелого замысла, Овчинников настоял на издании постановления, которое бы положило начало воплощению его замысла.
Юрий Овчинников, директор Института биоорганической химии с 1970 по 1988 год:
«Прогресс современной биологии является сейчас столь стремительным, а крупные открытия совершаются здесь настолько часто, что не всегда легко выделить, почувствовать наиболее мощные течения, определяющие данный этап развития этой области естествознания. Тем не менее, если говорить о разделах биологии, изучающих явления жизнедеятельности на физико-химическом уровне, то здесь, наряду с захватывающими событиями в молекулярной генетике, познанием механизмов синтеза белка в клетке и выяснением природы биологического катализа, набирает силы новое направление, связанное с изучением уникальных систем живой клетки, — биологических мембран. Отдавая дань необычайно мощному каскаду исследований в этой области в последние годы, сейчас даже часто говорят о становлении новой научной дисциплины — мембранной биологии — и предсказывают ее бурный расцвет в течение ближайшего десятилетия». 1982 год.
Академик Юрий Овчинников со студентами
Основанием научной инициативы должна была стать подготовка специалистов соответствующего профиля . Образовательной базой для этого был выбран МФТИ. Незакономерный на первый взгляд выбор мотивировался «распахнутостью» Физтеха научному новому. Еще в 1965 году ректор Олег Белоцерковский вместе с физиологами Василием Париным и Олегом Газенко взяли на себя инициативу создания межфакультетской базовой кафедры, которая бы давала студентам возможность не только получить знания в области точных наук, но и обрести представление о том, как они могут их применить на благо медицинской науки и здравоохранения.
Постановлением правительства в 1982 году был создан Факультет физико-химической биологии (ФФХБ), ныне Физтех-школа биологической и медицинской физики. Одной из первых базовых кафедр нового факультета в том же году стала созданная Овчинниковым кафедра физико-химической биологии и биотехнологии, которая располагалась именно в ИБХ. Он на тот момент являлся лидирующей организацией в СССР в области изучения структуры природных соединений, в основном пептидов и белков, в институте было множество биологических лабораторий, которые нуждались в постоянном притоке физиков из МФТИ. Самой «физической» оказалась лаборатория ЯМР-спектроскопии, поэтому ее руководитель Владимир Быстров стал заведующим кафедрой после смерти академика Овчинникова, а с 1990 года кафедру возглавляет профессор Александр Арсеньев.
Эдуард Трухан, декан факультета ФФХБ с 1982 по 1997 год, заслуженный профессор МФТИ
Владимир Быстров, член-корреспондент РАН, заведующий кафедрой физико-химической биологии и биотехнологии МФТИ с 1988 по 1990 год
Благодаря физтехам свежий ветер перемен ворвался и в другие уголки института: появились иные методы исследования, позволившие проверить отложенные в долгий ящик, «запылившиеся» гипотезы и развить новые, которые требовали не существовавших прежде технологических ресурсов.
О сегодняшнем дне
Как показывает опыт прошлых десятилетий и дней настоящих, ЯМР-спектроскопия ─ это та научная ниша, в которой выпускник ФМБФ МФТИ может в полной мере рассчитывать на актуальность своих теоретических знаний и практических навыков. Здесь придется кстати весь физтеховский общеинститутский инструментарий по квантовой механике: волновые функции элементарных частиц, матрицы плотности и многие другие вещи, постигаемые студентами на третьем курсе. И навык в построении релевантных физических моделей под конкретные задачи, и высшая математика, и программирование ─ все это может помочь в решении тех или иных вопросов методологии ядерного магнитного резонанса.
Из небольшой научно-исследовательской структуры лаборатория ЯМР-спектроскопии выросла в отдел структурной биологии. В настоящее время большая часть сотрудников отдела ─ студенты и выпускники Физтеха, среди которых молодые сотрудники, совсем недавно получившие докторскую степень: Константин Минеев ─ доктор химических наук, Захар Шенкарев ─ доктор физико-математических наук.
Сотрудники отдела структурной биологии, 2019 год, на фоне пятиметрового сверхпроводящего магнита ЯМР-спектрометра. Все молодые сотрудники кафедры на фото, за исключением четырех человек, ─ студенты либо выпускники МФТИ. Заведующего отделом Александра Арсеньева можно найти в центре композиции
Предмет для гордости
В свое время у лаборатории ЯМР-спектроскопии появились весьма известные в мире науки друзья за рубежом. Швейцарский ученый Курт Вютрих, лауреат Нобелевской премии по химии 2002 года, дважды приглашал руководителя лаборатории ЯМР-спектроскопии Александра Арсеньева в свою лабораторию ядерно-магнитного резонанса при Государственном технологическом институте Цюриха. В результате работы по прошествии нескольких месяцев были опубликованы совместные статьи: по идентификации сигналов в спектре белка и по пространственной структуре сложных белковых молекул.
Вютрих был своего рода революционером в мире молекулярных биологов, так как подтвердил применимость ЯМР-метода к исследованию крупных молекул. Но то, что вызывало поначалу еще более серьезный скепсис со стороны научного сообщества, — так это доказанный им впоследствии факт: анализ этих самых молекул возможен без предварительной кристаллизации, то есть, по словам исследователя, белковые структуры могли быть апробированы и в более естественном для них состоянии ─ в составе раствора.
Совместные исследования Вютриха и Арсеньева, запущенные на базе цюрихской лаборатории ЯМР-методов, имели продолжение в виде научных проектов в рамках московской лаборатории. Сам же Курт Вютрих неоднократно приезжал в Россию, в частности, бывал с визитами в лаборатории ЯМР-спектроскопии.
На передовой
С момента основания кафедры в отделе были получены более 100 структур различных белков и разработаны новые методы ЯМР. Только в 2021 году было опубликовано множество интересных работ. Спроектирована самая незначительная по габаритам генетически кодируемая флюоресцентная метка nanoFAST. Способность молекул переизлучать поглощенный свет с увеличением его длины волны является чрезвычайно удобной для визуализации процессов, происходящих в живых системах. Флуоресцентные метки (молекулы, которые пришиваются к объекту, за которым требуются следить) очень широко используются в биологии для определения их локализации в клетке, для изучения взаимодействий между белками и прочих целей. Флуоресцентные белки — важнейший инструмент в современных биологических исследованиях. При этом размер белка — одна из его ключевых характеристик: чем меньше флуоресцентная метка, тем слабее она влияет на поведение изучаемого объекта.
Еще одним немаловажным прорывом этого года является завершенный проект по анализу роли цинка в функционировании внутриклеточных частей рецепторов системы врожденного иммунитета: были «очерчены» структуры новых антибиотиков и токсинов. Актуальность этого научного проекта продиктована напряженной мировой эпидемиологической обстановкой с COVID-19. Работа над аналоговыми структурами антибиотиков и токсинов породила череду новых исследований в области тестирований на антитетела, а также предпосылок к созданию новой версии вакцины.
Структуры FAST и nanoFAST в комплексе с флуорогенами N871B и HBR-DOM2 и в свободном состоянии. Источник: пресс-служба ИБХ РАН
Микрофотографии клеток HeLa, окрашенных при помощи пространственной структуры nanoFEST/HBR-DOM2. Источник: пресс-служба ИБХ РАН
С учетом динамичного развития образовательных программ МФТИ есть основания полагать, что будущее сотрудничество между институтом и ИБХ РАН принесет еще больше плодов.
Автор благодарит за помощь в подготовке материала Константина Минеева, ведущего научного сотрудника лаборатории биомолекулярной ЯМР-спектроскопии и Татьяну Овчинникову, руководителя отдела «Учебно-научный центр» ИБХ РАН.
