Биология в России: люди и открытия

Обычно, когда говорят о научных открытиях, особенно в биологии, имеют в виду хорошо финансируемые научные учреждения «первого мира», а о России если и вспоминают, то лишь в свете лучей былой славы. Переломим же этот тренд и расскажем, что не перевелись еще науки о жизни на земле русской! С патриотизмом в душе в хорошем смысле этого слова, в этом спецпроекте поговорим с нашими современниками — исследователями из России, изучающими основы жизни: от молекулярных биологов до зоологов и ботаников. Здесь вас ждет серия интервью — как текстовых, так и в форме научно-популярных фильмов, образующих серию «Суперлаба».

---

Спецпроект реализуется при поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации в рамках инициативы «Десятилетие науки и технологий».

Партнер спецпроекта — компания BioinnLabs.

---

Министерство образования России активно содействует популяризации науки, поддерживает молодых исследователей и формирует передовую инфраструктуру для отечественных институтов и университетов.

«Десятилетие науки и технологий» — это масштабная государственная инициатива в России, проводимая с 2022 по 2031 год. Проект включает в себя комплекс инициатив, проектов и мероприятий. Все они направлены на усиление роли науки и технологий в решении важнейших задач развития общества и страны.

Компания BioinnLabs обеспечивает научно-исследовательские лаборатории высококачественными реагентами собственного производства и передовым оборудованием для биотехнологических и медицинских задач.

Всеволод Белоусов — последователь научной школы ведущих российских ученых, академиков РАН Сергея Анатольевича Лукьянова, и, к сожалению, недавно ушедшего из жизни Евгения Давидовича Свердлов . В Институте биоорганической химии (ГНЦ ИБХ РАН) он прошел путь от молодого исследователя до руководителя отдела метаболизма и редокс-биологии. Здесь Всеволод занимался созданием генетически кодируемых биосенсоров — молекулярных инструментов, позволяющих наблюдать процессы внутри живых клеток, а затем перешел к разработке технологий, с помощью которых этими процессами можно управлять. Становление в такой «научной семье» позволило впитать и практически на молекулярном уровне осознать, как делать классную науку. Об этом — третье видео интервью серии «Суперлаба».

Философский взгляд Евгения Давидовича Свердлова на некоторые вопросы современной науки читайте в его статье «Нерешаемые проблемы биологии: нельзя создать два одинаковых организма, нельзя победить рак, нельзя картировать организм на геном» [1].

Этот опыт и принципы организации научной работы Всеволод Белоусов перенес в Федеральный центр мозга и нейротехнологий (ФЦМН) ФМБА России, который возглавляет с 2019 года. Это место, где фундаментальная наука встречается с клинической медициной, инженерией и производством. Здесь изучают механизмы работы мозга и развития неврологических заболеваний, разрабатывают новые подходы к их диагностике и лечению, создают технологии управления активностью нервных клеток, нейроинтерфейсы и бионические протезы. По словам Всеволода Белоусова, главная цель Центра — находить решения для лечения заболеваний, которые пока не умеют лечить или лечат недостаточно эффективно. Для этого необходимо не только использовать существующие методы, но и создавать принципиально новые технологии, объединяя усилия биологов, врачей, физиков и инженеров.

Как ни странно, для Всеволода Белоусова управление таким большим Центром во многом похоже на руководство научной лабораторией, где постоянно возникают новые задачи и приходится искать нестандартные решения. И, хотя в научной школе Сергея Лукьянова не было четко прописанных правил управления и руководства, в нашем разговоре мы все-таки выделили несколько важных принципов, которые, по словам Всеволода, помогают ученому раскрывать свой потенциал, воплощать идеи в сильные научные статьи и новые технологии и продвигаться в еще не освоенных областях науки. Именно эти принципы, усвоенные в «научной семье», сегодня живут в ФЦМН.

Технология как цель

Один из принципов лежит в основе постановки цели. Если в идее заложено создание новой технологии, то ее воплощение позволяет не только решить исходную задачу, но и получить инструмент, который затем смогут использовать другие исследователи, возможно, для совершенно неожиданных применений. Так, например, термогенетику можно применять для управления отдельными нейронами мозга или ритмом сердца. С помощью вирусов-носителей можно доставить гены термочувствительных ионных каналов (TRPV1 ) в нужные клетки и ткани, а затем с помощью света или сфокусированного ультразвука воздействовать на нужные зоны.

Термогенетика до сих пор ускользала от внимания «Биомолекулы», а вот о самих TRP-каналах можно прочесть в статье «Найти и обезболить: чего мы достигли в разработке анальгетиков?» [2]. О термогенетике можно подробнее прочесть ниже, хотя, безусловно, эта технология дождется и отдельной публикации.

Термогенетика изучает возможность удаленного управления активностью клеток (например, нейронов или кардиомиоцитов) с помощью локального нагрева (часто с использованием инфракрасного излучения или сфокусированного ультразвука). Еще в 2017 году команда В. Белоусова опубликовала статью в Nature communications [6], в которой было продемонстрировано, что можно перенести гены термочувствительных каналов TRPA1 змеи мышам и рыбкам Danio rerio так, чтобы они экспрессировались в нейронах, а затем с помощью инфракрасного (ИК) излучения активировать единичные нейроны in vivo.

Однако перенос этой технологии на людей с использованием змеиных термочувствительных каналов имеет очевидное ограничение — чужеродный белок будет иммуногенным. Теперь и это препятствие практически преодолено. В одной из недавних работ команды Всеволода Белоусова [7] показано, что можно экспрессировать человеческий термочувствительный ионный канал hTRPV1 в возбуждающих нейронах головного мозга мыши и активировать их в безвредном температурном диапазоне с помощью ИК-лазера (рис. 1), причем такое локальное нагревание не повреждает окружающие ткани головного мозга. Но, прежде чем транслировать эту технологию на людей, необходимо ее тестирование на более крупных животных.

Научная семья: свобода идей и самостоятельность

Всеволод Белоусов также отмечает, что для здоровой научной атмосферы в коллективе очень важна свобода обсуждения проектов. Каждый может сам придумать, чем заниматься в рамках направления лаборатории или института. Главное — не бояться предлагать свои идеи, уметь обосновать их значимость и сохранять ощущение, что нет ничего невозможного. При этом не стоит выбирать слишком узкие темы, чтобы всегда было с кем обсудить то, что тебя интересует.

Как и в настоящем родительстве, когда понимаешь, что в твоей «научной семье» научный сын или дочь становятся зрелыми, важно вовремя «перерезать пуповину» и выделить их в отдельную научную группу или лабораторию, чтобы дальше развитие шло уже само.

Еще одним важным компонентом в «счастливой научной семье» является внутреннее взаимодействие, вдохновляющая конкуренция и общая доступная всем ресурсная база. Эта постановка в равные внешние условия позволяет смотреть на свои внутренние особенности, возможности и преграды, и искать, где и в чем ты можешь подтянуться, чтобы добиваться таких же результатов, как более успешные коллеги.

От фундаментальной науки к медицинским технологиям

Особенностью ФЦМН является тесное взаимодействие науки, медицины, инженерии и производства. В центре активно занимаются развитием нейротехнологий для диагностики и лечения различных неврологических и нейродегенеративных заболеваний, в том числе эпилепсии , болезней Паркинсона и Альцгеймера. Во время визита в ФЦМН мы побывали в гостях в Лаборатории электрофизиологии, одно из направлений работы которой — исследование механизмов взаимодействия нейронов на срезах мозга пациентов с эпилепсией. На электрофизиологической установке (рис. 2) на живых срезах мозга, полученных от нейрохирургов, можно изучать причины развития эпилепсии, связанной с нарушением развития мозга, а также влияние разных противоэпилептических препаратов для лечения фармакорезистентной эпилепсии. Такие тесты позволяют ученым дать лечащему врачу рекомендации по выбору препарата, который с наибольшей вероятностью окажется эффективным для конкретного пациента с эпилепсией.

Читайте статьи про методы лечения эпилепсии на «Биомолекуле»: «Эпилепсия, методы ее лечения и роль вальпроевой кислоты в терапии заболевания» [8] и «Калиевые каналы как перспективное средство для генной терапии эпилепсии» [9]. И, как говорится, more to come!

Наука, медицина, инженерия и производство тесно сошлись для решения проблемы создания бионических протезов с обратной связью. Главное преимущество таких протезов (например, протеза руки) — возможность управления им без визуального контроля: так, как будто это настоящая рука, чувствующая размер предметов, боль, тепло и холод, положение в пространстве и, главное, передающая все эти сигналы в мозг. Это направление развивается в Центре кибернетической медицины и нейропротезирования, созданного совместно ФЦМН ФМБА России и исследовательским центром «Моторика». Для создания таких протезов реализуются два проекта по созданию системы очувствления и управления протезом. Рассматриваются две таких системы: инвазивная — на основе стимуляции периферических нервов; и неинвазивная — на основе, например, вибротактильных моторов. На данный момент в исследованиях демонстрируется, что обучающиеся пациенты уже могут вслепую различать размеры предметов и силу давления на предмет. В процессе взаимодействия пациента с протезом происходит взаимная коадаптация и пациента, и протеза. На первых этапах исследований после имплантации электродов в периферическую нервную систему происходит сенсорное картирование — подаются электрические микроимпульсы с разными параметрами (длительность, амплитуда, частота), а пациент описывает свои ощущения. Постепенно формируется набор стереотипных восприятий, соответствующих параметрам электрических микроимпульсов, которые затем связываются с состоянием протеза (например, с показателями давления на кончиках пальцев протеза или уровнем раскрытия кисти). Для управления протезом создается система алгоритмов, созданных и обученных на определенной выборке пациентов, и генерализованных таким образом, что даже пациент, который не участвовал в обучении протеза, может выполнять необходимые жесты рукой-протезом (рис. 3).

Что дальше?

Впереди у Всеволода Белоусова и его команды немало амбициозных задач. В Центре развиваются новые направления генной и клеточной терапии, строятся производственные площадки для создания биологических лекарственных препаратов, бионических технологий и инвазивной электроники. Предстоит доработать имплантируемые электроды и сделать компактной систему нейростимуляции для нейропротезирования и восстановления поврежденных нервных тканей. Для этого предстоит решить множество фундаментальных научных вопросов, создать новые молекулярные и инженерные инструменты и научиться объединять их в работающие медицинские технологии. Новые технологии помогают находить ответы на сложные научные вопросы и решать проблемы, которые еще недавно казались неразрешимыми. Но как понять, какая технология нужна для решения задачи, и где искать идеи для ее создания? Как говорит Всеволод Белоусов, за многомиллионную эволюцию природа уже все придумала. Нужно только поискать!

О том, как находить новые идеи в природе, создавать технологии, управлять работой живых клеток и объединять фундаментальную науку с медициной — смотрите в нашем новом видеоинтервью «СуперЛаба #3» с Всеволодом Белоусовым.

Литература

1. Нерешаемые проблемы биологии: нельзя создать два одинаковых организма, нельзя победить рак, нельзя картировать организм на геном;
2. Найти и обезболить: чего мы достигли в разработке анальгетиков?;
3. Нобелевская премия по физиологии и медицине 2026: куда приводит интерес к водорослям (спойлер: к оптогенетике);
4. Светлая голова;
5. Горячая линия: новый способ общения с клетками;
6. Yulia G. Ermakova, Aleksandr A. Lanin, Ilya V. Fedotov, Matvey Roshchin, Ilya V. Kelmanson, et. al.. (2017). Thermogenetic neurostimulation with single-cell resolution. Nat Commun. 8;
7. Dmitry I. Maltsev, Maxim A. Solotenkov, Liana F. Mukhametshina, Rostislav A. Sokolov, Georgy M. Solius, et. al.. (2024). Human TRPV1 is an efficient thermogenetic actuator for chronic neuromodulation. Cell. Mol. Life Sci.. 81;
8. Эпилепсия, методы ее лечения и роль вальпроевой кислоты в терапии заболевания;
9. Калиевые каналы как перспективное средство для генной терапии эпилепсии.