Будучи биофизиком, я крайне люблю новые хитроумные технологии. Поэтому как только я увидела объявление о школе «Применение SPR-биосенсоров Biacore в разработках лекарств», то без сомнений решила в ней поучаствовать. К сожалению, дедлайн остался далеко позади, как это часто бывает. Поэтому школу я посетила как репортер и всего на один день, но зато очень насыщенный и интересный.

О методе

Большинство белков в живых системах работает в парах и группах, то есть в составе надмолекулярных комплексов. То же можно сказать и о ДНК. Ее нормальное функционирование в клетках возможно только благодаря множеству белков и молекул РНК, постоянно с ней взаимодействующих. Поэтому чтобы понять, как функционируют биомолекулы, недостаточно знать их структуру. Необходимо знать, с чем и как они взаимодействуют. Тогда мы (наверное) сможем понять их функцию, научимся выявлять патологии и разрабатывать новые лекарства.

Интерактомика — так называется область исследований взаимодействия молекул живых организмов между собой [1]. Существуют разные экспериментальные методы: от классических, например, по биологическому ответу, если таковой имеется, или по связыванию с радиоактивным лигандом, до инновационных, таких как микротермофорез [2], интерферометрия обратного рассеяния [3] и, наконец, точный и неприхотливый поверхностный плазмонный резонанс, или SPR-технология (surface plasmon resonance) [4]. Метод SPR позволяет исследовать взаимодействие молекул в реальном времени без какой-либо предварительной модификации (см. видео). С помощью SPR можно рассчитать самый главный параметр, характеризующий силу связывания молекул (иначе говоря, степень сродства), — константу диссоциации (K_d), а также исследовать кинетику связывания и определять термодинамические параметры реакции взаимодействия молекул.

О школе

Освоению метода SPR для изучения взаимодействий между молекулами и посвящена научная школа, которая проходит в Институте биомедицинской химии имени В.Н. Ореховича (ИБМХ) уже в пятый раз. Школу организует лаборатория межмолекулярных взаимодействий под руководством д.б.н. профессора Алексея Сергеевича Иванова, а главным партнером является компания GE Healthcare. На этой школе читают лекции ведущие российские ученые, как правило, занимающиеся разработкой лекарств или фундаментальными исследованиями. Но главная особенность школы — это практикумы. В лаборатории межмолекулярных взаимодействий стоят аж четыре прибора Biacore для SPR-измерений, которые непрерывно функционируют. И на этой базе проводят мастер-классы, на которых каждый участник школы может сам научиться работать с прибором и выполнить какую-нибудь научную задачу.

Участники заранее разбиваются на 4 группы по 10 человек для выполнения практикумов. Программа школы устроена следующим образом: утром участники слушают 2–3 лекции, затем приглашаются на кофе-брейк, после которого расходятся по своим группам на один из четырех мастер-классов.

Лекции

В этом году слушателям школы цикл лекций прочитали:

• Алексей Сергеевич Иванов — о работе с биосенсорами типа Biacore для самых разных научных задач;
• Андрей Александрович Гилеп — о разработке лекарств-ингибиторов цитохромов Р450 с помощью SPR-технологии;
• Сергей Николаевич Кочетков — о создании новых лекарств от социально значимых заболеваний.

Так как у меня был всего один день, то мне удалось посетить последнюю лекцию Иванова. К началу выступления зал почти весь заполнился слушателями.

Алексей Сергеевич посвятил свою лекцию достижениям ИМБХ и, в частности, своей лаборатории (рис. 1). Оказалось, что круг интересов лаборатории межмолекулярных взаимодействий очень большой. Это исследование взаимодействий самых разнообразных молекул: ДНК—пептид [5], белок—ДНК—аптамер [6], белок—липид [7], антиген—антитело [8], фермент—кофактор [9] и т.д. Лаборатория постоянно участвует во множестве совместных проектов. Например, в рамках космической программы БИОН-М № 1 сотрудники лаборатории изучили свойства изатин-связывающих белков в мышках, совершивших космический полет [10]. Но основное направление — это исследование функционирования белков, закодированных в 18-й хромосоме человека. Именно эту хромосому (из 23-х) выбрала Россия для исследования в рамках международного проекта «Протеом человека», стартовавшего в сентябре 2010 года (о чем писала «биомолекула» [11]). 18-я хромосома человека содержит 285 генов и кодирует, предположительно, около 300 белков, в том числе ответственных за развитие диабета, болезней Паркинсона и Альцгеймера [12], нескольких видов рака, псориаза [13] и некоторых других заболеваний. На базе ИМБХ имени В.Н. Ореховича был создан Центр коллективного пользования (ЦКП) «Протеом человека», что объединило исследователей всего института.

Кофе-брейк

Вопросов в зале сразу после лекции было немного — ведь можно задать их лично на кофе-брейке. Мне тоже захотелось подробнее расспросить Алексея Сергеевича о текущих проектах лаборатории и о новых разработках, но не тут-то было. Его уже обступили участники школы с самыми разными вопросами.

«Вы слышали о Розеттском камне? — интригующе спрашивает их Алексей Сергеевич. — Когда его нашли в Египте, все уже давно изучали пирамиды, множество древнеегипетских иероглифов было задокументировано, но никто не мог их расшифровать. На Розеттском же камне было написано 3 текста: один на древнегреческом (который более-менее знали), другой — на египетской скорописи (поздний египетский, который тоже умели расшифровывать), а третий — с помощью древних египетских иероглифов. Ученые предположили, что это 3 одинаковых текста, и смогли расшифровать древнеегипетские иероглифы с помощью двух других текстов. Так вот, задокументировать — не значит расшифровать. А наш геном пока что только задокументирован». То же можно сказать и о протеоме. «Проект „Протеом человека“ — это не просто поиск и „документирование“ белков. Самое интересное и важное — определить, как и с чем эти белки взаимодействуют, чтобы расшифровать их функцию», — поясняет Алексей Сергеевич.

Поэтому для протеомного анализа нужно сочетать так много методов: и различные виды хроматографии, и масс-спектрометрию, и методы интерактомики, конечно. ИМБХ — удивительное место, где все эти этапы могут быть реализованы в результате коллабораций соседних лабораторий. Кстати, биоинформатики здесь всегда нарасхват, так что, как говорится, you are welcome ☺ [14].

Для эффективной работы приходится постоянно разрабатывать и внедрять технологические ноу-хау. Сейчас лаборатория межмолекулярных взаимодействий разрабатывает новые подходы «молекулярного фишинга» (молекулярной рыбалки) — поиска белков-партнеров на «наживку» в виде известного белка. Например, с использованием парамагнитных нано- и микрочастиц [15].

Практикумы

Наконец, подкрепившись и помучив вопросами лекторов на кофе-брейке, я вместе с участниками отправилась на практические занятия. В этом году организаторы предложили четыре практикума, которые ведут сотрудники лаборатории. Я посетила один мастер-класс с самым длинным названием «SPR-биосенсор Biacore Т200: анализ взаимодействия низкомолекулярных соединений с белком-мишенью. Скрининг библиотеки низкомолекулярных аналитов для поиска потенциальных прототипов новых лекарств». Вел его м.н.с. к.б.н. Леонид Александрович Калужский (рис. 2). В нашей группе было восемь человек самой разной подготовки: от студентов старших курсов до профессионалов в SPR-измерениях. География тоже поразила: и Москва, и Санкт-Петербург, и Нижний Новгород, и даже Минск. На удивление, я даже встретила знакомую с европейского биофизического конгресса EBSA, который проходил в Дрездене в 2015 году. Мир тесен, а научный мир — еще теснее!

Леонид очень подробно рассказывал про каждый этап, который мы выполняли, про прибор и программное обеспечение, дал нам всем повертеть в руках золотой чип для SPR. В середине практикума началось самое интересное — Леонида стали закидывать каверзными вопросами участники-специалисты в SPR. С горящими глазами он отвечал каждому, показывал лайфхаки и делился сокровенными тайнами работы на биосенсоре Biacore. В это время из-за двери раздался громкий смех участников — соседний практикум, видимо, тоже проходил успешно.

Во время практикума на нас с улыбкой поглядывала Оксана Валентиновна Гнеденко, с.н.с. лаборатории, — оказалось, Леонид когда-то был ее дипломником. «Мне все нравится в нашей работе, — отвечает на мой вопрос Оксана Валентиновна, — особенно исследование новых объектов. Как они взаимодействуют, почему именно так, почему именно эти молекулы, а, например, похожие молекулы уже не будут взаимодействовать. Конечно, нам очень повезло с приборами Biacore, имеющими высокий уровень автоматизации и программирования измерений. Например, можно запрограммировать на ночь серию измерений, а утром уже заниматься творческой работой по анализу результатов».

После практикумов участники весело доедают оставшиеся булочки и пирожки, ведя самые непринужденные разговоры.

В последний день школы участникам выдали сертификаты (ИБМХ имеет соответствующую лицензию) и флешки со всеми лекциями, литературой по SPR-технологии и публикациями лаборатории межмолекулярных взаимодействий. Но главный результат школы — это новые друзья, контакты, навыки и воспоминания о столь приятном и полезном времяпрепровождении.

Литература

1. «Омики» — эпоха большой биологии;
2. Термофорез;
3. Лазерно-интерференционная слежка за мембранными белками;
4. Миграция энергии плазмонного резонанса: вторая жизнь оптической спектроскопии;
5. Sergey A. Kozin, Yuri V. Mezentsev, Alexandra A. Kulikova, Maria I. Indeykina, Andrey V. Golovin, et. al.. (2011). Zinc-induced dimerization of the amyloid-β metal-binding domain 1–16 is mediated by residues 11–14. Mol. BioSyst.. 7, 1053;
6. S. Yu. Rakhmetova, S. P. Radko, O. V. Gnedenko, N. V. Bodoev, A. S. Ivanov, A. I. Archakov. (2011). Comparative thermodynamic analysis of thrombin interaction with anti-thrombin aptamers and their heterodimeric construct. Biochem. Moscow Suppl. Ser. B. 5, 139-143;
7. Stepanov G., Gnedenko O., Mol’nar A., Ivanov A., Vladimirov Y., Osipov A. (2009). Evaluation of cytochrome c affinity to anionic phospholipids by means of surface plasmon resonance. FEBS Lett. 583, 97–100;
8. A. G. Gabibov, A. A. Belogurov, Y. A. Lomakin, M. Y. Zakharova, M. E. Avakyan, et. al.. (2011). Combinatorial antibody library from multiple sclerosis patients reveals antibodies that cross-react with myelin basic protein and EBV antigen. The FASEB Journal. 25, 4211-4221;
9. Alexis S. Ivanov, Oksana V. Gnedenko, Andrey A. Molnar, Alexander I. Archakov, Larissa M. Podust. (2010). FMN Binding Site of Yeast NADPH-Cytochrome P450 Reductase Exposed at the Surface Is Highly Specific. ACS Chem. Biol.. 5, 767-776;
10. A. S. Ivanov, A. E. Medvedev, O. A. Buneeva, O. V. Gnedenko, P. V. Ershov, et. al.. (2016). The influence of gravity discharge on the content of isatin-binding proteins in mice: The results of ground-based and space research under the program BION-M no. 1. Biochem. Moscow Suppl. Ser. B. 10, 227-229;
11. Миллиард на протеомику;
12. На руинах памяти: настоящее и будущее болезни Альцгеймера;
13. Псориаз: на войне с собственной кожей;
14. Я б в биоинформатики пошёл, пусть меня научат!;
15. Alexis S. Ivanov, Alexei Medvedev, Pavel Ershov, Andrey Molnar, Yury Mezentsev, et. al.. (2014). Protein interactomics based on direct molecular fishing on paramagnetic particles: Practical realization and further SPR validation. Proteomics. 14, 2261-2274.