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.

Доктор биологических наук Андрей Владимирович Кульбачинский (АК) уже больше 20 лет заведует Лабораторией молекулярной генетики микроорганизмов, которая сегодня входит в состав Курчатовского института. Там он исследует важный фермент — РНК-полимеразу, которая отвечает за процесс транскрипции у бактерий [1]. Но сегодня мы поговорим с Андреем Кульбачинским не о ней. Дело в том, что несколько лет назад под его руководством родилась еще одна лаборатория, уже в Институте биологии гена РАН — Лаборатория иммунных систем прокариот. В ней молодой коллектив генетиков изучает иммунные системы бактерий, в частности — белки-аргонавты [2], которым пророчат будущее, схожее с нашумевшей системой CRISPR/Cas. Эти белки и станут главной темой разговора ученого с редакцией (БМ).

Приют генетиков

БМ: Как прокладывался ваш путь в науке?

АК: Рассказ будет долгим, но хорошо, начнем издалека. Исходно лаборатория, в которой я вырос и воспитывался, была основана Романом Бениаминовичем Хесиным — учеником генетика Александра Сергеевича Серебровского, который, в свою очередь, относился к научной школе Николая Константиновича Кольцова (рис. 1).

Будучи молодым ученым, Хесин работал на биологическом факультете МГУ, но после печально знаменитой сессии ВАСХНИЛ летом 1948 года, где прозвучал доклад Т. Д. Лысенко, призвавшего бороться с классической «буржуазной» генетикой, ученых-генетиков стали массово увольнять и преследовать. Хесину пришлось менять специальность — становиться биохимиком. Какое-то время он работал в Институте биологической и медицинской химии АМН СССР, а потом, когда его выгнали оттуда уже как еврея, в Каунасском медицинском институте. И в 1956-м году его, наконец, пригласили в Институт биофизики в Лабораторию радиационной генетики под руководством Николая Петровича Дубинина. В то время генетиков собирали в группы «под крылом» физиков, где они могли проводить полноценные генетические исследования под предлогом изучения воздействия радиации на живые организмы. В этом случае всем было очевидно, что эти исследования важны, и никакой Лысенко туда уже добраться не мог. В 1959 году Хесин и сам стал заведующим такой лабораторией. Он возглавил один из секторов в Радиобиологическом отделе (РБО) Курчатовского института (тогда он назывался Институтом атомной энергии), и вскоре стал одним из идеологов развития новой науки, которая сначала называлась биохимической генетикой, а впоследствии превратилась в молекулярную генетику.

Одни из первых его работ в РБО были посвящены РНК-полимеразе и переключению активности генов при развитии бактериофага. В 1978 году Радиобиологический отдел выделили из Курчатовского института, на его основе возник Институт молекулярной генетики, где Хесин стал заведующим Лабораторией молекулярных основ генетики и продолжал управлять ею до своей смерти в 1985 году. А моей кандидатской диссертацией [3] в лаборатории руководил уже его преемник, Вадим Георгиевич Никифоров. Защитился я в 2002 году, а в 2005 году при поддержке старших коллег — прежде всего тогдашнего директора института Евгения Давидовича Свердлова и заведующего нашим отделом Владимира Алексеевича Гвоздева, — меня выбрали заведующим лабораторией, коим я остаюсь и сейчас. Мы много лет изучали РНК-полимеразу и механизмы транскрипции у бактерий и, как мне кажется, сделали несколько интересных открытий. Но сейчас я увлечен новым направлением исследований, во многом благодаря Алексею Аравину — моему одногруппнику из МГУ, открывшему под руководством Владимира Алексеевича один из основных путей РНК-интерференции у эукариот. Оказалось, что в чем-то сходные, но совершенно неисследованные механизмы действуют у бактерий. Именно этим мы и занимаемся последние годы в Институте биологии гена РАН.

Путеводная РНК

БМ: Тогда давайте поговорим о вашей работе в ИБГ, тем более мы встретились именно здесь, где вы руководите недавно созданной лабораторией. Как она была организована?

АК: Лабораторию иммунных систем прокариот мы организовали в 2022-м году по приглашению дирекции ИБГ. Вместе с нами тут располагается также Лаборатория антимикробных агентов, поддержанная проектом Минобрнауки по созданию молодежных лабораторий. Ее возглавляет Дарья Гельфенбейн, в прошлом выполнявшая работу над кандидатской и докторской диссертациями под моим руководством. Мы с этой лабораторией очень тесно сотрудничаем, даже кабинет у нас с Дарьей Михайловной общий. Мы исследуем иммунитет бактерий, а Дарья — их антибиотикоустойчивость. Она изучает на молекулярном уровне, как разные генетические процессы связаны с возникновением антибиотикоустойчивости, как конфликты транскрипции и репликации влияют на нестабильность генома и многое другое. Оказывается, эти процессы в клетке начинают очень интересно перекрываться — все влияет друг на друга, и иммунитет бактерий оказывается тесно связан с их стрессоустойчивостью и чувствительностью к антибиотикам.

БМ: Расскажите подробнее про ваши исследования в ИБГ РАН.

АК: Предыстория тут такая. Начиная с конца 1990-х я и мои друзья работали в Институте молекулярной генетики РАН. Я занимался транскрипцией, а мой друг и одногруппник Алексей Аравин, находясь в лаборатории В. А. Гвоздева, изучал, как регулировалась активность специфических генов в семенниках дрозофилы. В норме они не экспрессировались, то есть находились в подавленном состоянии. Если же эти гены включались, мухи становились стерильными, и всем было интересно узнать, благодаря какому механизму гены молчали.

В это самое время, в 1998 году, Эндрю Файером (Andrew Fire) и Крейгом Мелло (Craig Mello) был открыт процесс РНК-интерференции [4], [5]. Они показали, что двунитевая РНК, гомологичная какому-то гену, подавляет активность этого гена у нематод. В лаборатории Гвоздева после этого открытия возникла мысль, что в их случае гены дрозофилы тоже подавляются с помощью РНК. Они это проверили и оказались правы. Начали эту естественную РНК-интерференцию изучать, и в 2001 году опубликовали статью, где описали новый класс регуляторных РНК — piРНК (которые тогда еще не получили этого названия). Суть механизма РНК-интерференции такая: сначала РНК нарезается на маленькие кусочки длиной 20–27 нуклеотидов (piРНК или другие классы коротких РНК), которые загружаются в специальный белок-аргонавт, и далее этот белок использует РНК в качестве «гида», чтобы найти комплементарный ей РНК-транскрипт и разрезать его или как-то иначе подавить трансляцию или транскрипцию соответствующего гена. Иногда для разрезания РНК белок-аргонавт использует разные белки-партнеры, а если нужно подавить сам процесс синтеза РНК, белком могут привлекаться факторы, которые модифицируют уже ДНК, чтобы перевести нужный участок генома в неактивное состояние. В разных организмах по-разному.

БМ: Этот механизм нужен, чтобы выключать собственные гены, если они приводят к появлению патологических, вредных для организма транскриптов?

АК: Это универсальная система подавления экспрессии генов, и она может быть направлена на разные элементы. И на собственные «вредные» гены, и на вирусную РНК. При этом для регуляции активности множества собственных генов эукариоты используют иной путь. Он включает другой класс коротких РНК — микроРНК. А piРНК нужны специально для того, чтобы подавлять активность нежелательных генов и чужеродных мобильных генетических элементов, прыгающих по геному, — транспозонов [6]. Большинство транспозонов у эукариот — это ретротранспозоны [7]. То есть сначала с их геномной копии синтезируется РНК, с которой с помощью обратной транскриптазы синтезируется ДНК и впоследствии вставляется в новое место генома. Хуже всего, когда транспозоны прыгают по ДНК зародышевой линии в половых клетках, так как это сильно влияет на потомство, то есть дестабилизирует геном в ряду поколений. Геному, чтобы выжить, в первую очередь нужно заботиться именно о своей стабильности. В этом ему помогают piРНК. Они работают в зародышевой линии и с помощью белков-аргонавтов подавляют транспозоны. Для эукариотов это очень важный инструмент, предотвращающий опасные мутации.

БМ: После открытия piРНК вы тоже увлеклись ими?

АК: В какой-то момент наши интересы, мои и Алексея Аравина, встретились. Алексей начал изучать гомологи белков-аргонавтов у бактерий. И тут ирония в том, что система РНК-интерференции у эукариот на тот момент была уже неплохо исследована, к 2010-м годам были описаны все ее основные компоненты. Но сделано это было с помощью гомологов этих белков, взятых у бактерий и архей, так как с эукариотическими белками работать сложнее. При этом про функции прокариотических белков не знали практически ничего. Для чего они и откуда? Какую роль они выполняют? Было только предположение в статье Киры Макаровой и Евгения Кунина, что они имеют защитную функцию, но действуют, по-видимому, по-другому, чем белки эукариотов.

Алексей Аравин и Иван Оловников, который работал в его лаборатории в Caltech (California Institute of Technology), попытались ответить на эти вопросы, и выяснилось, что мишенью бактериальных белков-аргонавтов выступает не РНК, а ДНК, причем в основном чужеродная. У них возникло предположение, что эти белки, узнав свою ДНК-мишень, влияют на транскрипцию, мешая работе РНК-полимеразы. Я, конечно, заинтересовался, ведь я как раз и занимался РНК-полимеразой, а значит, мог проверить такую гипотезу и узнать, действительно ли аргонавт и полимераза мешают друг другу. И пусть этого у нас так и не получилось, эта попытка инициировала нашу дальнейшую совместную работу. В 2017 году мы получили совместный мегагрант, в рамках которого должны были изучать механизмы образования и функций некодирующих РНК у прокариот и эукариот. Оказалось, что в клетках бактерий «прячутся» совершенно неизведанные механизмы, обеспечивающие иммунную защиту от «чужаков», и мы оказались на пороге целой череды открытий. Сейчас эта тематика активно развивается в ИБГ РАН, при поддержке дирекции и грантов.

Иногда, чтобы съесть чужую ДНК, нужно откусить и от собственной

БМ: То есть в ИБГ РАН вы исследуете бактериальные белки-аргонавты и их гидовые РНК? Что сейчас происходит в этой области, и что уже удалось сделать?

АК: После 2018 года, как раз когда мы занялись белками-аргонавтами, в мире начался бум исследований в области иммунитета бактерий. И тут удачно оказалось, что мы с нашими белками изучаем то же самое. Фактически на наших глазах возникла новая область науки, и нам посчастливилось активно включиться в эту работу. Сейчас мы знаем, что белки-аргонавты лежат в основе целого класса защитных систем прокариот, которые призваны защищать клетки бактерий от чужеродных генетических элементов — плазмид и вирусов. В 2020 году в совместной работе с Антоном Кузьменко и Алексеем Аравиным мы впервые показали, что аргонавты защищают бактерии от бактериофагов, и предложили механизм, по которому это может происходить [8]. Если в двух словах, когда бактериофаг с ДНК-геномом попадает в бактериальную клетку, белки-аргонавты могут захватывать короткие кусочки вирусного генома и, будучи нагружены этими ДНК-гидами, атаковать геном вируса.

БМ: Белок-аргонавт использует для наведения на мишень кусочки ДНК этой же мишени?

АК: Да. Но тут возникает вопрос: как белки отличают собственную ДНК от чужеродной? Такого механизма, казалось бы, на поверхности нет. Допустим, если взять систему CRISPR/Cas, там есть гидовые РНК (CRISPR-РНК), закодированные в геноме у бактерий в специальных кассетах. Туда в процессе предыдущих раундов инфекции встраиваются фрагменты ДНК бактериофагов, и дальше бактерия использует эту библиотеку, сталкиваясь с вирусами повторно. Это классически адаптивный иммунитет, работающий благодаря молекулярной памяти. Здесь же никаких кассет, где хранились бы последовательности для синтеза гидовых ДНК, мы не нашли. Значит, это не приобретенный иммунитет, а врожденный.

БМ: Как же клетка заранее может узнать чужеродную ДНК независимо от ее последовательности?

АК: Мы обнаружили, что аргонавт действует не один. Ему помогают клеточные системы, которые в норме чинят собственную ДНК клетки в случае ошибок при репликации. Увидя разрыв в ДНК, бактериальная клеточная система начинает эту ДНК поедать, пока не дойдет до специального мотива, который этот процесс останавливает и стимулирует восстановление бреши за счет гомологичной рекомбинации с другой копией генома. Так вот, белкам репарации все равно, какую ДНК съедать — свою или чужую. Поэтому, если при репликации в ДНК вирусов и плазмид происходит спонтанный разрыв, что нормально, их ДНК в местах этих разрывов тоже начинает подъедаться клеточными системами репарации. И вирусной ДНК приходится хуже, чем бактериальной. Во-первых, она короче и съедается быстрее. Во-вторых, в ней может быть меньше мотивов, обеспечивающих рекомбинацию и лечение.

Но главное, при попадании вируса в бактерию благодаря наличию системы репарации в ней в любом случае начнет накапливаться множество фрагментов чужеродной ДНК. И аргонавты, видимо, хватают эти фрагменты ДНК и начинают уже прицельно кусать комплементарный им чужеродный геном. Получается что-то сродни циклу амплификации [9]. Чем больше аргонавты нападают, тем больше ДНК-осколков образуется, следовательно, атаки усиливаются. При этом свой геном аргонавты тоже кусают, но для бактерии это не настолько смертельно, как для вируса. Клетка бактерии выживает, потому что успешно репарирует свою ДНК, в которой присутствует множество мест, с которых эта репарация может начаться. Но даже если клетка случайно и погибнет — не беда. Рядом есть соседи с таким же геномом. В клональных популяциях бактерий случайная гибель части клеток не критична, если при этом вы можете избавить всю популяцию от вируса. Как итог: часть клеток благополучно избавляется от вируса, ну а другая, возможно, гибнет в результате аутоиммунности.

БМ: Выходит, аргонавты полезны бактериям только тогда, когда в среде есть вирусы?

АК: Да. В безвирусной среде такие клетки, безусловно, будут проигрывать тем, у которых нет системы, кусающей собственный геном. Но как только вирус появляется, они выигрывают. Поэтому в популяции бактерий всегда некая конкуренция между клетками с иммунной системой и без нее. Не у всех бактерий есть система защиты, использующая белки-аргонавты. Ее имеют всего лишь около 10% всех родов бактерий, а в каждом роде — далеко не все индивидуальные представители вида и генома.

Не белок, а швейцарский нож

БМ: Вы занимались исследованиями распространенности белков-аргонавтов у бактерий?

АК: Ее не так-то легко оценить, ведь надо смотреть данные секвенирования, а это всегда либо конкретная популяция (метагеном), либо конкретные геномы выделенных бактерий, которые представляют собой ограниченную выборку. В основном это клинические или промышленные штаммы. Как минимум, хорошо культивируемые. Такие бактерии секвенируют, а результаты складывают в базы данных, и мы видим, у каких из них есть аргонавты. Но надо учитывать, что выборка эта специфическая — в нее входят микроорганизмы, которые зачем-то нужны ученым.

БМ: А если мы знаем, в каких конкретно бактериях аргонавты есть, мы можем предположить, в каких еще видах они могут встретиться с большей вероятностью? Например, выбирать бактерии, растущие в похожих условиях или относящиеся к одному биотопу.

АК: Это интересный вопрос экологии защитных систем бактерий, и им занимается пара лабораторий в мире. Пока эта проблема не решена, и мы сами это не исследуем. Самый простой способ узнать что-то о наличии определенных механизмов защиты — это отсеквенировать бактериальный геном. Мы можем, например, изучать разные популяции бактерий, находя в базах данных результаты их секвенирования. Стоимость секвенирования уже настолько небольшая, что прочитать геном конкретной бактерии или метагеном сообщества и найти гомологи белков-аргонавтов не так сложно. Но после этого нужно еще исследовать, как эти белки работают. Например, бывает непросто сопоставить конкретную иммунную систему с определенным вирусом.

БМ: Когда вы изучаете, как работают белки-аргонавты, вы вносите какие-то фаги к бактериям, для которых эти системы защиты являются родными?

АК: Вообще, у нас есть модельная культура — кишечная палочка. В то же время, мы работаем и с другими бактериями, но их сложнее культивировать, а если эта проблема и решается, с ними не так легко производить генетические манипуляции. Все знают, как работать с кишечной палочкой, а для новых микроорганизмов нужно корректировать методики. В ДНК других бактерий может хуже проникать чужая, для них сложнее подобрать плазмиды. Некоторые бактерии (например, цианобактерии) долго растут. Если, исследуя новую защитную систему в E. coli, результат можно узнать на следующий день, то тут это может быть несколько недель или даже месяцев.

БМ: Расскажите, как происходит работа с модельной культурой?

АК: Как вообще это устроено? У каждой бактерии есть свой набор иммунных систем, при этом даже у соседних штаммов кишечной палочки этот набор разный. Большинство аргонавтов, которые мы исследуем, в кишечных палочках отсутствуют. Поэтому мы берем стандартный модельный штамм и вводим в него нужные нам системы защиты из других микроорганизмов по очереди, чтобы посмотреть, защитят ли они нашу лабораторную культуру от бактериофагов. Оказывается, что очень многие системы защищают. В модельной культуре так или иначе действует примерно половина всех кандидатных систем. Это показывает их большую универсальность, которая существует благодаря общности в строении фагов. Именно благодаря этой общности даже неспецифичный для конкретной системы защиты фаг при встрече с ней будет погибать. Получается, что вирус более специфичен к бактерии, чем защитная система бактерии — к вирусам.

БМ: Не аргонавты, а какие-то универсальные ножи. Подходят для всех фагов подряд.

АК: Что-то вроде того. И эти системы, так как они универсальные, отлично передаются в популяциях бактерий с помощью горизонтального переноса генов. Есть такое понятие — пан-иммунная система бактерий. Его придумали биологи Од Бернхайм (Aude Bernheim) и Ротем Сорек (Rotem Sorek) [10]. Идея в том, что каждый из штаммов бактерий, будь то в почве, в море или в вашем кишечнике, несет далеко не все защитные системы, а лишь часть из них. Другая часть постоянно теряется, потому что те бактерии, что меньше нагружены иммунными механизмами, выживают лучше других. Но из-за вирусного давления они не стираются из популяции полностью. Гибнущие бактерии отдают фрагменты своей ДНК соседкам, те поглощают ее и потом успешно защищаются от фагов. В общем, бактериальные иммунные системы все время тасуются, составляя общую иммунную систему популяции. И выживание этой популяции зависит от того, насколько хорошо система будет работать против широчайшего спектра вирусов.

БМ: Насколько вообще важно бактериям защищаться от фагов? Раз лишь их малая часть обзавелась аргонавтами.

АК: Очень важно. Бактериофагов в штуках на нашей планете минимум в 10 раз больше, чем бактерий. То есть на каждую бактерию приходится десяток бактериофагов. И далеко не всегда можно понять, какие вирусы какую бактерию заражают. Но по оценкам, примерно 40% бактерий погибают от вирусных инфекций. Это гораздо больше, чем у людей. Взаимодействие между бактериями и бактериофагами настолько глобально, что влияет на геохимические циклы на Земле: на цикл углерода, азота. В океане огромные количества органических остатков образуются за счет действия бактериофагов.

Такой разнообразный иммунитет бактерий

БМ: Почему же не у всех есть аргонавты?

АК: Но и когда вирус уже попал в клетку и активно размножается в ней, бороться с этим клетка может по-разному. Есть CRISPR/Cas, есть система рестрикции-модификации (когда ферменты атакуют чужеродную ДНК, ориентируясь на отсутствие в ней специфических модификаций) [11]. Эти механизмы защиты очень популярны у бактерий, что показывает их надежность. Они успешно передаются между геномами и сохраняются там за счет постоянного вирусного давления. Ведь наличие лишних генов не так уж хорошо — на них тратятся ресурсы клетки. Но раз они есть, значит, они полезны для популяции.

БМ: А есть у бактерий в запасе еще какие-то неизвестные механизмы, которые только предстоит открыть? Наподобие того, как открыли и изучили бактериальные белки-аргонавты.

АК: Да, и очень много. У прокариот есть способы бороться с вирусными инфекциями на всех стадиях, ведь атаковать можно не только чужеродную нуклеиновую кислоту, но и различные вирусные белки, которые нужны вирусам для репликации и сборки новых вирионов. Многие иммунные механизмы у бактерий начали «всплывать» совсем недавно — в последние 8–9 лет. Сейчас уже обнаружено больше 200 защитных систем прокариот, и из них лишь у нескольких десятков понятен механизм действия. Одни системы более редкие, другие — очень распространенные, но люди долгое время не знали, зачем они нужны. А тут выясняется, что около 5–10% бактериального генома, возможно, предназначены для защиты от бактериофагов. Что конкретно делает каждая из обнаруживаемых систем, не всегда удается понять сразу, но от того их и интересно исследовать.

БМ: А как это делают? Как найти в геноме бактерии новую защитную систему?

АК: На первых порах ученые пытаются предсказать функции неизвестных систем с помощью методов биоинформатики, опираясь на их место в геноме. Защитные системы любят собираться в геноме кучками. Видимо, так они переносятся с места на место, и это выгодно для их регуляции и поддержания. Поэтому, зная, где расположена одна защитная система, можно начать искать поблизости, и шанс что-то найти будет неплохой.

Другой способ — взять всю ДНК, какая у вас есть, измельчить эту ДНК, вставить ее фрагменты в плазмиды и клонировать. Так вы получите гигантскую генетическую библиотеку. Далее миллионы ваших плазмид потребуется поместить в какой-то штамм бактерий и заразить трансформанты бактериофагами. Теперь остается посмотреть, кто выживет, и отсеквенировать их геном, чтобы изучать защитные гены уже прицельно. Таким образом, прямо сейчас обнаруживаются удивительные вещи. Например, мы уже знаем, что значительная доля эукариотических защитных систем, судя по всему, произошла от предшественников, имеющихся у прокариот. То есть, многие бактериальные белки, несущие защитную функцию, являются гомологами эукариотических систем иммунитета. TIR-домен [12], SIR-белки, каспаза, газдермины — все они имеют прокариотические корни.

БМ: Получается, когда вы видите у бактерии гомолог эукариотической системы, вы сразу можете понять, как он действует?

АК: Или, наоборот, у человека видим гомолог бактериальной иммунной системы — такое тоже бывает. Нет, мы должны это изучить. Пока мы только в процессе понимания, как те или иные бактериальные системы узнают конкретные элементы вируса. Ведь любая иммунная система должна состоять из двух частей: сенсора и эффектора. Сперва нужно узнать чужеродный элемент, а затем — что-то с ним сделать. Иногда роль сенсора и эффектора играет всего один белок, но иногда путь намного сложнее и включает и сенсор, и промежуточные молекулы, и эффекторы. Эффекторы, в свою очередь, могут действовать на вирусную ДНК или на какой-то вирусный белок, мешая его репликации, упаковке или выходу из клетки.

Мы пока очень мало знаем про работу сенсоров, хотя каждый год выходят новые статьи о том, как сенсорные белки защитных систем бактерий узнают вирусные элементы (например, по форме определенных «кирпичиков» вирусного капсидного белка). Опять же, если мы вернемся к белкам-аргонавтам, то сенсором являются они сами, загруженные гидами. И часто они же и эффекторы, разрезающие мишень. Но у многих систем механизм совершенно другой.

Больше половины защитных программ делают с зараженной клеткой что-то, из-за чего она умирает вместе с бактериофагом, и это мешает его распространению в популяции. У эукариотических многоклеточных организмов мы, конечно, такого представить не можем. Это прерогатива клональных популяций, где у всех клеток (почти) одинаковый геном. Если же у млекопитающих зараженная особь будет сразу умирать, ответственные за это гены просто элиминируются, а у выживших организмов их не будет. То есть гены самоубийства организма в случае инфекции у нас поддерживаться не могут (только гены самоубийства инфицированной клетки), а у бактерий это массовое явление. Когда в популяции бактерий зараженная клетка погибает, не давая вирусу захватить соседей, это рабочая схема. В сестрах и братьях этой клетки этот ген будет идентичен и сохранится.

БМ: Как осуществляется такое самоубийство?

АК: Большинство таких систем вызывают остановку деления или гибель клетки за счет воздействия на ключевые клеточные компоненты и метаболиты. Например, в клетке может резко упасть концентрация нуклеотидов или центральных коферментов. Но бывает и еще драматичнее. У клетки могут образовываться дырки в мембране, через которые выливается все клеточное содержимое, или в ней могут начать синтезироваться протеазы, пожирающие все белки без разбора. Или нуклеазы, тогда в клетке расщепляется ее ДНК или РНК [13]. Есть много систем, которые воздействуют на транспортную РНК. Разрезают ее, и трансляция останавливается. С этим, кстати, бактериофаги хорошо борются. Они набирают десятки вариантов тРНК в свой геном и путешествуют вместе с ними. В результате, когда бактерия вздумает расщепить свою собственную тРНК, чтобы победить вирус, он достает свою.

Зачем белку-аргонавту партнер

БМ: Давайте вернемся к белкам-аргонавтам. Что интересного вы узнали о них?

АК: Итак, сперва были открыты бактериальные белки-аргонавты, которые загружаются гидами, с помощью них узнают свои ДНК-мишени и режут их. Но потом оказалось, что разнообразие этих белков очень большое, и системы на их основе работают по-разному. Во-первых, одни белки-аргонавты узнают ДНК, а другие — РНК, то есть вирусные транскрипты. Во-вторых, существует множество аргонавтов, которые не имеют собственной нуклеазной активности. То есть мишень они узнают, а разрезать ее не могут. Чтобы такая система работала, рядом с геном аргонавта должны присутствовать гены других, вспомогательных белков, которые будут образовывать с аргонавтами комплекс и выступать эффекторами.

Последние несколько лет мы исследуем несколько таких систем [14]. В них белок-аргонавт представлен в усеченном виде — он как бы половинчатый и работает вместе с другим белком, состоящим из второй половинки аргонавта и дополнительного домена. Иногда можно предсказать, что это за домен.

БМ: Он, судя по всему, нужен как раз для разрезания?

АК: Да, это может быть нуклеаза. Работает все вместе так. Белок-аргонавт и его союзник с дополнительным доменом образуют комплекс, способный нагружаться гидовой РНК и атаковать ДНК-мишень. Нуклеаза при этом сначала неактивна. Она активизируется только в случае, если белок загружается правильным гидом и находит комплементарную ему мишень — бактериофага или плазмиду. Но и этого еще недостаточно. Для того, чтобы нуклеаза заработала, белковая структура должна собраться в длинные филаменты — очень красивые, спиральные, вытянутые в длину нити, где десятки отдельных протомеров соединяются в мультиметры, а несколько нуклеаз оказываются рядом друг с другом, становясь активными. Раньше мы уже видели системы, где активный центр состоит из четырех нуклеаз [15], а теперь обнаружили и такую, для работы которой нужно, чтобы вместе собрались минимум шесть нуклеазных доменов, при этом из них лишь два активны, а остальные поддерживают этот активный центр. И сами нуклеазы здесь неспецифичны — они режут все подряд. То есть, хотя аргонавт и узнает конкретную мишень, в клетке исчезает вся ДНК — и вирусная, и своя. Такую стратегию клеточного самоубийства называют «абортивной инфекцией», потому что инфекция началась, но до образования вирусного потомства не дошла, так как клетка погибла.

В расшифровке первой структуры одной из таких систем приняли участие наши коллеги из Пенсильванского университета, Манджу Нарвал (Manju Narwal) и Кацухико Мураками (Katsuhiko S. Murakami). А Андрей Моисеенко и Ольга Соколова с биологического факультета МГУ, к моему большому восхищению, смогли проследить разные стадии сборки активного комплекса следующей системы — как раз той, где нужно шесть нуклеаз. Мы сейчас написали большую статью по этим исследованиям.

БМ: Я так поняла, что и лаборатория Николая Случанко принимала участие в этом проекте?

Подробно о том, чем занимаются в Лаборатории белок-белковых взаимодействий ФИЦ биотехнологии РАН, читайте в нашем интервью с Николаем Случанко: «Белковые отношения: как узнать все о тайной жизни белков и зачем это нужно» [16].

АК: Да, безусловно, я должен сказать обо всех соавторах. Сперва мы обнаружили, что наши аргонавты работают не в виде мономера, а только в виде длинного комплекса. Николай Случанко тогда сделал такой анализ и сейчас помогает нам увидеть олигомерное состояние разных белковых комплексов. И в нашем случае оказалось, что, когда комплекс активен, мы имеем дело не с мономером, а с длинными олигомерами. В подобных исследованиях мы продолжаем сотрудничать и с Алексеем Аравиным. Он в настоящее время работает в Корнельском университете в штате Нью-Йорк. Они там тоже обнаружили комплекс с большими филаментами, и мы ждем совместную публикацию.

БМ: Но это сотрудничество не в рамках какого-то гранта или проекта?

АК: Нет, здесь гранта никакого нет. А вот с известным биоинформатиком и специалистом по CRISPR/Cas Сергеем Шмаковым с Кафедры биоинженерии Биологического факультета МГУ мы работаем в рамках его мегагранта РНФ, который был получен весной 2026 года. Цель проекта — найти у прокариот новые защитные или другие программируемые системы, которые, как и CRISPR/Cas, можно было бы нацеливать на нужные места генома с помощью гидовых молекул.

Аргонавты — это новое золотое руно?

БМ: Кажется, мы вплотную подошли к практическому применению прокариотических белков-аргонавтов.

АК: Как я уже сказал, выяснилось, что аргонавты могут работать по-разному. Они или нацеливаются на конкретные мишени, либо участвуют в убийстве всей клетки целиком (и больше половины всех известных аргонавтов работают именно так). Разнообразие белков большое, и есть чем заняться. Сейчас мы начинаем исследовать взаимодействие аргонавтов с другими иммунными системами: с CRISPR/Cas, с системами рестрикции-модификации. Взаимодействия разных иммунных систем исследует и лаборатория Артема Исаева в Сколтехе , с которой мы сотрудничаем.

О Лаборатории анализа метагеномов, которой руководит Артем Исаев, на «Биомолекуле» уже вышел отдельный материал: «Не CRISPR единым: как в Сколтехе изучают защитные системы бактерий» [17]. Не пропустите!

БМ: Раз белки-аргонавты режут ДНК, сравнения с CRISPR/Cas им было не избежать.

АК: В этом нам как лаборатории повезло. Обращаясь за финансированием, мы можем легко обосновать практическую пользу наших исследований, достаточно только указать на другую бактериальную защитную систему — CRISPR/Cas, которая успешно используется в разных сферах [18]. Хотя мне идея принуждать науку быть в первую очередь полезной не близка. Порой такое принуждение выглядит и вовсе комическим. Не могут все без исключения ученые выдавать новое лекарство каждые три года. Я твердо придерживаюсь мнения, что во главе угла должно стоять фундаментальное знание. Без него ничего не будет, а фундаментальные исследования финансируют все хуже. На эту тему ярко высказывались и Владимир Алексеевич Гвоздев, и Евгений Давидович Свердлов, которые сыграли большую роль в моей научной жизни.

У нас же, к счастью, польза следует из работы сама собой. Хотя в нашей стране использование систем редактирования пока очень ограничено, в том числе из-за законодательного запрета на использование генетически модифицированных организмов. Редактировать растения и животных в коммерции запрещено, генная терапия тоже почти не развита (впрочем, как и везде в мире, она лишь делает первые шаги), а биотехнологический рынок очень мал.

БМ: Но ведь это не значит, что исследование новых систем генетического редактирования не имеет практического смысла?

АК: Конечно, не значит. Постепенно эти технологии будут входить в нашу жизнь, препятствовать им бесполезно. Да, пока общественное мнение во многом тормозит развитие генного редактирования, но будущее медицины, сельского хозяйства, биотехнологий, несомненно, связано с внесением направленных изменений в геномы бактерий, растений, животных. Новые технологии помогают экономить ресурсы, производить больше продуктов питания, в конечном счете, они будут спасать и человеческие жизни.

Поэтому, работая в области, где мы можем открыть что-то принципиально новое, мы должны это делать, пусть даже прямо сейчас на основе наших открытий и не возникнет готовая и востребованная технология, хотя мы стараемся!

БМ: А у белков-аргонавтов действительно есть шанс обойти CRISPR/Cas и стать новым любимым инструментом генетиков?

АК: Я могу перечислить несколько причин, почему аргонавты способны стать альтернативой CRISPR/Cas. Во-первых, сами по себе они меньше. Если в белке Cas9 1300–1400 аминокислотных остатков, у аргонавтов — 600–700. Это лучше для их доставки с помощью аденовирусных векторов. Во-вторых, они не зависят от дополнительных «мотивов» в ДНК. Чтобы система CRISPR/Cas работала, рядом с ее мишенью в ДНК должен быть короткий PAM-мотив. А с аргонавтами такой проблемы нет. Наконец, у белков-аргонавтов короче гиды (значит, их проще синтезировать), причем это может быть и РНК, и ДНК, и могут быть разные мишени — они могут резать ДНК или РНК.

Все это говорит о том, что при доработке технологии и ее грамотном использовании у белков-аргонавтов могут быть преимущества перед другими инструментами редактирования. У них есть проблемы, которые мы сейчас активно решаем, и наши белки приближаются к практическому применению.

БМ: Что за проблемы?

АК: Первая — как их «загрузить» нужными гидами в клетках, заставив работать направленно, то есть разрезать геном в нужном нам месте. Вторая — они хорошо режут однонитевую ДНК, а хотелось бы, чтобы резали и двунитевую. Третья — они могут быть токсичны для клетки, так как захватывают «неправильные» гиды. Все эти проблемы мы видим, исследуя действие аргонавтов в клетках эукариот, и находимся в процессе их решения. Есть надежда, что улучшить эффективность белков получится с помощью искусственного интеллекта. Он, возможно, поможет нам подобрать такие варианты белков, которые будут хорошо работать с двунитевой ДНК и загружаться именно нужными нам гидовыми молекулами.

БМ: Есть ли у аргонавтов перспектива стать успешными биосенсорами?

АК: Если мы возьмем аргонавт, который при узнавании специфических мишеней начинает резать все подряд, эту его способность можно использовать в качестве сенсора. Нужен только субстрат, который при расщеплении будет издавать какой-то сигнал, например, флуоресцировать. Это может быть, допустим, ДНК со шпилькой, где флуорофор и гаситель находятся рядом, но если цепь разрезать, они расплывутся, и флуорофор начнет светиться. На такую систему мы даже получили патент. В общем, что-то наподобие диагностической платформы SHERLOCK [19], использующей CRISPR/Cas13 для детектирования вирусных геномов, но проще.

БМ: Но тут речь не только о медицинских тестах?

АК: Разумеется. Искать нужную ДНК или РНК можно везде: в продуктах, растениях, воде, почве. Аргонавты можно также применять для связывания определенных мишеней, которые нужно выделить из сложных смесей нуклеиновых кислот. Мы над такими технологиями тоже работаем.

БМ: А в каких странах находятся ваши основные конкуренты в плане публикаций?

АК: Конечно, мы видим, что в Китае сейчас выходит очень много статей, где акцент сделан на практическое применение различных белков, в том числе аргонавтов, в биотехнологиях. Наверное, у них, как и у нас, для получения финансовой поддержки требуется, чтобы это практическое применение обязательно было. У нас, кстати, есть совместный грант с китайскими учеными, где мы исследуем взаимодействие аргонавтов с другими защитными системами прокариот. Он уже подходит к концу, и мы готовим серию совместных публикаций по результатам работы. А самые главные конкуренты — это лаборатории, которые на высоком уровне занимаются исследованиями конкретных иммунных систем. Так получилось, что в Китае таких групп мало — две или три, большая их часть сосредоточена в Европе и Америке.

Молодая лаба

БМ: У вас большой опыт в управлении научным коллективом, ведь вы так рано стали завлабом в ИМГ РАН.

АК: Да, практически сразу после защиты кандидатской. Здесь надо отметить смелость нашей дирекции и поддержку всех моих коллег. Видимо, я приглянулся старшему поколению и в меня поверили, несмотря на почти полное отсутствие публикаций — проявили авантюризм.

БМ: Получается, вы были моложе, чем другие сотрудники? Это не доставляло дискомфорта? Ваши старшие коллеги советовались с вами, выстраивая трек развития своих проектов?

АК: Да, сотрудники Хесина были старше меня. Софья Захаровна Миндлин, одна из учениц Серебровского, — значительно старше. Она работала в нашей лаборатории вплоть до 2023 года, до 98 лет. Выдающийся ученый. Разумеется, это я скорее полностью поддерживал то, чем она занималась, чем управлял ее работой (рис. 4). Среди ее тематик были горизонтальный перенос генов и распространение антибиотикоустойчивости в бактериальных популяциях — направление, начатое еще Р. Б. Хесиным.

БМ: Расскажите про атмосферу в вашей лаборатории здесь, в ИБГ РАН. У вас лаборатория хотя и не «молодежная», но все равно молодая. Как к вам попадают новые аспиранты? Кого вы берете?

АК: Да, сотрудники у нас в основном молодые люди, и аспиранты и студенты, которые пришли в последние несколько лет. Стандартной системы массового набора аспирантов и студентов у меня нет, но, так как я преподаю в МГУ на кафедре молекулярной биологии — читаю лекции и веду семинары, — кто-то из студентов приходит в лабораторию, а кто-то поступает в аспирантуру. Я читаю лекции и в РХТУ, и оттуда к нам тоже приходят студенты. Кроме того, в ИБГ мы стали проводить дни открытых дверей, это случается весной. На конференциях тоже всех приглашаю к нам прийти. И из других мест люди тоже приходят, просто прочитав о нас в сети.

БМ: А есть аспиранты, которыми занимаетесь лично вы?

АК: Конечно. В данный момент их три человека.

БМ: А если сравнить аспирантов, которые приходили условно 10 лет назад, с теми, кто приходит сейчас, вы видите у них какую-то разницу в уровне образования или в стиле работы?

АК: Нет, наверное, 10 лет — это слишком маленький срок. К сожалению, за это время уехало много молодых людей, это, естественно, осложняет нашу работу.

БМ: А у вас есть свой биоинформатик в команде? Я знаю, что для многих биологических лабораторий найти такого специалиста — проблема.

АК: У нас есть несколько молодых людей, девушек и юношей, которые овладели или овладевают нужными навыками, учась в Институте биоинформатики или самостоятельно, с помощью коллег. Конечно, и проекты, и сотрудники меняются. Кто-то берет эту часть работы в свои руки, потом защищается и уходит, на его место приходит новый аспирант, которому тоже приходится стать хотя бы немного биоинформатиком. Иногда такого человека приходится ждать. Также мы сотрудничаем с группой биоинформатики в ИБГ РАН. Сейчас вот у нас появился совместный проект с Сергеем Шмаковым. Надеюсь, ему удастся найти новые защитные системы и инструменты для генетического редактирования. Посмотрим, что получится.

Ресурсы для науки

БМ: Если говорить о рабочей рутине, ваша лаборатория чувствует себя независимо? Вы сами осуществляете все стадии исследования неизвестных генов и белков, которые за них отвечают?

АК: Найдя нужные гены и защитные системы, их нужно синтезировать. Это не так сложно, но сейчас это приходится делать окольными путями. У нас, к сожалению, пока нет собственных дешевых, быстрых и качественных сервисов химического синтеза генов. Основной синтез генов происходит в Китае, и какими-то способами их перевозят посредники сюда, в Россию. После этого мы проверяем, действует ли эта система при ее экспрессии в модельной бактерии, и как бактерия с ней себя ведет, и уже потом пытаемся выделить этот белок, чтобы посмотреть на его активность в пробирке. И передаем его коллегам из других лабораторий, которые занимаются структурными исследованиями. Так и работаем.

БМ: А с реактивами или оборудованием есть проблемы?

АК: В целом, нам удалось «собрать» почти все необходимое для нашей работы оборудование, и мы активно пользуемся общими приборами в ИБГ (где есть центр коллективного пользования, посвященный генетическим технологиям). Но чтобы расшифровывать структуру белков, хорошо бы иметь в стране хотя бы один криоэлектронный микроскоп, которых у нас нет. Поэтому, выполняя такие исследования, сегодня мы обращаемся к зарубежным коллегам. Фактически доступные нам микроскопы находятся в Китае.

БМ: А реактивы для генетики у вас зарубежные или уже российские?

АК: Реактивы для молекулярной генетики в значительной степени мы покупаем китайские, как и все лаборатории в стране, так как большинство американских и европейских ввозить нельзя. Что-то оказывается достойного качества, что-то — нет, приходится каждый раз проверять. Базовые химические реактивы, конечно, производятся в России. Здесь качество тоже бывает разным. При этом российский рынок реактивов растет медленно, и он пока слишком маленький, чтобы у нас появились крупные компании по производству всего разнообразия высококачественных реактивов и тем более приборов.

БМ: Маленький спрос?

АК: Пока да. Но мы усердно растим новое поколение ученых. К счастью, новые студенты и аспиранты продолжают учиться и приходят в лабораторию. Мне кажется, это самое важное, поддерживать высокий уровень фундаментальных знаний и научной работы.

Литература

1. РНК-полимераза, горизонтальный перенос генов и связь поколений в лаборатории молекулярной генетики микроорганизмов ИМГ РАН;
2. Спасайся кто может!;
3. Кульбачинский А. В. Сравнительное исследование взаимодействий РНК-полимераз термофильных и мезофильных бактерий с нуклеиновыми кислотами: дис. ... канд. биол. наук. — Москва, 2002. — 173 с.;
4. Andrew Fire, SiQun Xu, Mary K. Montgomery, Steven A. Kostas, Samuel E. Driver, Craig C. Mello. (1998). Potent and specific genetic interference by double-stranded RNA in Caenorhabditis elegans. Nature. 391, 806-811;
5. Обо всех РНК на свете, больших и малых;
6. Alu: история одной последовательности;
7. Мода на ретро. Где встречается обратная транскрипция, и как она эволюционировала;
8. Anton Kuzmenko, Anastasiya Oguienko, Daria Esyunina, Denis Yudin, Mayya Petrova, et. al.. (2020). DNA targeting and interference by a bacterial Argonaute nuclease. Nature. 587, 632-637;
9. 12 методов в картинках: полимеразная цепная реакция;
10. Aude Bernheim, Rotem Sorek. (2020). The pan-immune system of bacteria: antiviral defence as a community resource. Nat Rev Microbiol. 18, 113-119;
11. Противофаговая линия Мажино в клетках прокариот: новые открытия;
12. Толл-подобные рецепторы: от революционной идеи Чарльза Джейнуэя до Нобелевской премии 2011 года;
13. D. M. Gelfenbein, A. A. Kanevskaya, B. K. Godneeva, E. V. Kropocheva, L. A. Lisitskaya, et. al.. (2025). Bacterial Immune Systems: to See the Virus and Die. Генетика / Russian Journal of Genetics. 61, 217;
14. Maria Prostova, Anna Kanevskaya, Vladimir Panteleev, Lidia Lisitskaya, Kristina V. Perfilova Tugaeva, et. al.. (2024). DNA-targeting short Argonautes complex with effector proteins for collateral nuclease activity and bacterial population immunity. Nat Microbiol. 9, 1368-1381;
15. Anna Kanevskaya, Manju Narwal, Lidiya Lisitskaya, Andrey V. Moiseenko, Olga S. Sokolova, et. al.. (2025). Argonaute-HNH filaments triggered by invader DNA confer bacterial immunity. Nat Commun. 16;
16. Белковые отношения: как узнать все о тайной жизни белков и зачем это нужно;
17. Не CRISPR единым: как в Сколтехе изучают защитные системы бактерий;
18. РНК, ножницы, геномы: объявлены лауреаты Нобелевской премии по химии 2020;
19. SHERLOCK — молекулярный сыщик спешит на помощь!.