Пора извлекать пользу: в России ускорят разработку новых лекарств

• Просветить молекулу рентгеном
• Синхротрон в помощь биологам
• Увидеть невидимое
• Лекарства внутриклеточного действия

В Сибири строят суперсовременный источник синхротронного излучения для решения фундаментальных и прикладных задач. Одна из его станций предназначена для исследования структуры биологических макромолекул, таких как белки и их комплексы. Это поможет создавать новые лекарства направленного действия, в том числе против вирусных инфекций и злокачественных опухолей.

Просветить молекулу рентгеном

В 1953 году Джеймс Уотсон и Френсис Крик опубликовали структуру ДНК, положив начало структурной биологии. Теперь мало расшифровать состав и последовательность главных биологических молекул, играющих ключевую роль в живой клетке и всем организме. Нужно понять их пространственную организацию — как они свернуты. Такую информацию получают главным образом методом рентгеновской кристаллографии.

Рентгеновские лучи — невидимый глазу диапазон электромагнитного излучения — благодаря очень короткой длине волны взаимодействуют с соразмерными объектами — от сотой доли до нескольких нанометров. При встрече с атомным ядром пучок фотонов рассеивается. Это называется дифракцией. Если за облучаемым образцом поместить фотопластину, на ней возникнет дифракционный рисунок расположения атомов.

Кристалл представляет собой естественную дифракционную решетку. Поэтому рентгеновский метод подходит только для тех молекул, которые удается кристаллизовать. Это несложно, если они маленькие, из нескольких атомов. В биологических макромолекулах, таких как ДНК, РНК и белках, — сотни тысяч атомов, десятки тысяч аминокислотных остатков, и далеко не все они кристаллизуются.

Синхротрон в помощь биологам

Биологические макромолекулы — это очень длинные полимерные цепи, закрученные и многократно сложенные. Их кристаллизуют, исследуют рентгеном, получают дифракционную картину, а по ней, решая обратную задачу Лауэ, вычисляют координаты каждого атома и строят трехмерную структуру.

«Интересная проблема, но фундаментальная. Ученые давно хотели извлечь практическую пользу из этого. Как структура связана с функциями белков, как на это влиять, создать, например, ингибиторы, энхансеры реакций, за которые они отвечают», — рассказывает Владимир Коваль, заместитель директора Института химической биологии и фундаментальной медицины СО РАН, руководитель Объединенного центра геномных, протеомных и метаболомных исследований.

Владимир Коваль, заместитель директора Института химической биологии и фундаментальной медицины СО РАН

Особого прогресса долго не было — эксперименты требовали слишком много времени и средств. Между тем установки, позволяющие перейти на качественно новый уровень, уже имелись.

В 1944-м советский физик Владимир Векслер впервые описал принцип работы синхротрона — кольцевого ускорителя элементарных частиц. Если электроны разогнать до релятивистских скоростей, то, летя по кругу, они сбрасывают часть энергии в виде рентгеновского излучения. Его называют синхротронным.

Синхротроны строили для фундаментальных исследований. В России и сейчас действуют две такие машины на встречных электрон-позитронных пучках — ВЕПП-3 и ВЕПП-4М в ИЯФ имени Будкера СО РАН.

«Рентгеновское излучение в них считалось паразитным, снижающим энергию пучка. Ученых из других областей, которые хотели им воспользоваться, пускали туда по остаточному принципу. Приходилось работать по ночам, выходным», — продолжает Владимир Коваль.

Ускорительный комплекс электрон-позитроного коллайдера ВЭПП-2000 — первая часть Сибирского кольцевого источника фотонов (СКИФ)

Затем в мире стали строить самостоятельные источники синхротронного излучения (ИССИ) сугубо для прикладных задач. С помощью этих огромных установок большой мощности и светимости ученые разных стран исследуют разные материалы и процессы, в том числе биологические. Число открытых белковых структур росло экспоненциально. Сейчас в Protein Data Bank, основанном в 1970-м в Брукхейвенской национальной лаборатории США, их примерно двести тысяч.

В 1980-1990-е появилось множество ИССИ. Материаловедческая станция есть в Москве в Курчатовском институте, в ИЯФ СО РАН для прикладных задач модернизировали синхротроны. Однако эти установки уже устарели и неудобны для биологов. Поэтому в Новосибирской области строят еще один синхротрон — СКИФ. Он станет третьим в мире источником поколения 4+.

В первую очередь возведут станции для химиков-органиков и неоргаников, материаловедов, исследователей быстрых процессов и станцию «Микрофокус» с секцией «Макромолекулярная кристаллография», где будут изучать структуру белков. Операции сбора, подачи образцов, хранения данных во многом автоматизированы. На установке находится только инженер по управлению пучком.

Архитектурная концепция ЦКП «СКИФ» — источника синхротронного излучения поколения 4+

Увидеть невидимое

В распоряжении биологов есть и другие инструменты. Один из них — криоэлектронный микроскоп.

«Он исследует быстрозамороженные водные растворы в аморфном состоянии. Преимущество в том, что для белка не нужно получать кристалл, однако он должен быть достаточно крупным, потому что разрешение прибора уступает ИССИ. На рентгене можно рассмотреть детали в доли ангстрема, на криоэлектронном микроскопе — максимум 2,5 ангстрема. Впрочем, для большинства задач этого достаточно», — объясняет Владимир Коваль.

Небольшие водорастворимые белки также изучают с помощью ЯМР-спектроскопии. Для химиков это один из основных методов, биологи его освоили недавно.

«Это своего рода GPS для атомов. Устройство определяет взаимодействие частиц друг с другом, измеряет расстояние между ними и, решая обратную задачу, вычисляет координаты. Метод интенсивно развивается, но пригоден для небольших молекул, пептидов», — уточняет ученый.

Схематичный путь прохождения знаний от исследования структуры белка с помощью синхротронного излучения к созданию лекарства направленного действия

Лекарства внутриклеточного действия

В январе 2020-го, спустя месяц после первых случаев COVID-19 в Китае, ученые уже расшифровали геном возбудителя — SARS-подобный коронавирус. Как у всех представителей этой группы, на его поверхности есть крупные белки-шипы, которые первыми контактируют с клеткой человека и создают условия для проникновения внутри вирусной РНК. Вскоре установили и структуру S-белка.

В Protein Data Bank первые структуры S-белка и главных протеаз (ферментов, участвующих в разрезании вирусных белков) появились в марте 2020-го — полученные сначала криоэлектронной микроскопией, затем рентгеноструктурной кристаллографией.

Одна из первых 3D-моделей S-белка коронавируса

«Зная пространственное строение белка, можно попытаться повлиять на него. Например, придумать молекулу, которая будет его связывать и подавлять. Это уже задача для биофармацевтики — создание соединений, регулирующих различные функции белков», — говорит Владимир Коваль.

Биолог приводит в пример препарат паксловид компании Pfizer, доступный в США и ряде стран ЕС. Это ингибитор (подавитель) главной вирусной протеазы SARS-CoV-2. Лекарство связывает ее, и она уже не способна разрезать длинные белковые цепочки, репликация вируса в клетке прекращается.

Сначала получили структуру главной вирусной протеазы, выяснили расположение активного центра, затем смоделировали химические соединения, которые должны хорошо связываться с ним и необратимо подавлять активность фермента. Получилось приблизительно 12,5 тысячи структур. Их синтезировали и отобрали наиболее эффективные. Дальше уже проводили эксперименты на культурах клеток, лабораторных животных. «Обычно разработка лекарства занимает десять-пятнадцать лет. Но здесь особый случай: за неполные два года препарат вышел в практику», — констатирует исследователь.

За последние семь лет в мире разработали 214 лекарств — таргетных, антибактериальных, противовирусных, онкопрепаратов. Львиная доля — на основании знаний о структуре белков. Скоро этот мощный метод получат в свое распоряжение и российские ученые: к концу 2024-го, первые шесть станций установки СКИФ введут в строй.

Комплекс протеазы вируса SARS-CoV-2 c ингибитором Paxlovid

Комплекс основной протеазы вируса гепатита С с ингибитором Boceprevir (Victrelis)

Комплекс протеазы вируса SARS-CoV-2 c ингибитором Paxlovid

Комплекс основной протеазы вируса гепатита С с ингибитором Boceprevir (Victrelis)