— Системная биология, наука об устройстве и регуляции биологических систем, — пожалуй, самая бурно развивающаяся ветвь современной науки о жизни, — рассказывает заведующий лабораторией Михаил Пантелеев, доктор физико-математических наук и профессор кафедры медицинской физики физфака МГУ. — В любой области знаний сначала идет накопление информации и только потом осмысление. Периодом накопления для биологии был XX век. Сейчас осталось немало неизвестного, но проблема в том, что даже известные вещи мы не понимаем. Возьмем, например, классический и давно изученный фермент типа гликогенсинтазы. Он сам по себе может переключаться примерно в тысячу разных состояний под действием киназ и аллостерических регуляторов. Реальный метаболизм включает сотни таких ферментов, влияющих друг на друга в куче реакций (рис. 1). Как понять их работу невооруженным мозгом? А сигнализация, защитные системы, морфогенез устроены еще сложнее: там добавляются нетривиальные изменения сигнала во времени, а часто — и в пространстве. Все школьники знают про то, что клетки делятся. А если спросить, как клетка «без глаз и линейки» точно определяет свою середину и делит пополам все свои компоненты, особенно генόм, то даже профессиональный биолог крепко задумается...

Поэтому сейчас для биологии так важно не просто знание, а понимание. Поэтому в нашей команде мы не столько хотим открывать новые реакции и феномены (хотя и не пренебрегаем ими), сколько пытаемся понять: а почему жизнь устроена так, как она устроена? Кто чем управляет, кто за что отвечает в биологических системах? Как на них можно воздействовать? Ответы на эти вопросы не просто проливают свет на саму основу жизни, они позволяют создавать новые лекарства и методы диагностики не случайным тыком, а осмысленным образом. Для их решения мы используем разнообразные биофизические и биохимические методы, привлекая все — от математического и компьютерного моделирования (которое является основой системной биологии) до экспериментов на животных. Исследования гемостаза и тромбоза тут очень уместны: сама система гемостаза очень сложна, а ее роль как ведущей причины смертности и инвалидности колоссальна.

Как получилось, что биофизическая (или системно-биологическая) лаборатория образовалась в детской гематологической клинике? И «биосистемность», и «кровавость» в деятельности лаборатории Михаила Пантелеева не случайны. Много лет назад, в начале 1970-х годов, два молодых биофизика из Пущино — Фазли Атауллаханов и Анатолий Жаботинский — взялись за дерзкую задачу: создание полной математической модели живой клетки (надо сказать, что наукоград Пущино в этой истории тоже возник не случайно: в те годы именно там, в новом Институте биофизики АН СССР, бурно формировалась отечественная школа математической биофизики клетки). В качестве объекта они выбрали простейшую клетку — эритроцит. Когда стало ясно, что без эксперимента в такой задаче не обойтись, они обратились в Институт переливания крови имени Богданова (ныне Гематологический научный центр МЗРФ). И задержались там на десятилетия.

В 1989 году Фазли основал и возглавил в ГНЦ лабораторию физической биохимии, которая, несмотря на общий обвал науки в стране, начала бурно развиваться и стала одним из главных в нашей стране центров биофизики клетки и теоретической биологии (модное словосочетание «системная биология» тогда еще не было известно). Там занимались самыми разными биологическими системами, пытаясь понять их работу: ионный гомеостаз эритроцита, энергетический метаболизм, редокс-метаболизм, клеточный цикл и митоз, метаболизм фолатов и метионина в гепатоцитах, обмен гликогена и внутриклеточная сигнализация, каскад комплемента, свертывание крови... Именно в группу свертывания крови пришел в 1999 году студент кафедры биофизики физфака МГУ Миша Пантелеев.

— Если честно, то меня изначально просто зацепили красивые термины «синергетика» и «теория хаоса». Это звучало круто и привлекательно. В моем случае забавно отметить, что как раз «синергетическими» вещами я так и не занимался, а сразу погрузился в детальное моделирование биохимии свертывания. Но это вообще характерная история — для того, чтобы понять свои интересы в науке, необходимо ею позаниматься. Почти все студенты выбирают себе первую лабораторию вслепую, ориентируясь скорее на репутацию руководителей и личные впечатления. Мне повезло.

В настоящее время сам Фазли Атауллаханов возглавляет большой отдел биофизики и системной биологии в ФНКЦ ДГОИ, в котором по-прежнему ведутся работы с разными биологическими системами. А лаборатория Михаила Пантелеева сосредоточилась на гемостазе и тромбозе с упором на тромбоциты.

— Для биофизика и системного биолога тромбоцитарный гемостаз представляет собой раздолье, непаханое поле для исследований. Эти якобы простые клетки имеют сложнейшую систему сигнализации, загадочный метаболизм, кучу плохо понятных органелл...

Взаимодействия тромбоцита со свертыванием крови  — сложные мембранные реакции, в которых нереально разобраться без математических моделей и которые никто на свете толком не понимает. Надя Подоплелова, которая пришла к нам в аспирантуру и исходно собиралась только немного уточнить параметры этих процессов, закончила тем, что перевернула эту область вверх дном. Наташа Захарова проверяла противоречия в механизме активации фактора XII секрецией тромбоцитов (одни верили, что эта реакция существует, другие — что нет) и также совершила переворот: она показала, что секреция тромбоцитов ингибирует фактор XII, а вот поверхность — активирует [1]. Пятнадцать лет весь мир верил, что сверхактивированные тромбоциты имеют на поверхности «шубу» из плотно прикрепленных белков. Настя Абаева открыла биохимический механизм этого процесса, а Сергей Обыденный показал, что это на самом деле не шуба, а очень специфическая конструкция — «шапка» (рис. 2) [2], [3].

А знаете ли вы, что большинство смертей в развитых (ну или почти) странах мира — «на совести» нарушений в системе свертывания крови? Ведь чаще всего именно они ставят фатальную точку в развитии онкологических и сердечно-сосудистых заболеваний. Почему возникают эти нарушения, еще предстоит выяснить. А вот о факторах свертывания, механизмах формирования спасительно-губительного кровяного сгустка кое-что известно, как и о стимулирующих этот процесс сложных, многофункциональных, удивительных структурах, неуважительно именуемых «кровяными пластинками». Узнать то, что уже окончательно установлено, и (самое интересное!) то, что еще занимает умы гематологов, можно прямо из первых рук — от Михаила Пантелеева и его коллег: «Как работает свертывание крови» [4], «Этот загадочный тромбоцит» [5]. — Ред.

— Внутриклеточная сигнализация и метаболизм тромбоцитов — это просто тайна, покрытая мраком. В хитросплетении сигнальных путей теряются даже опытные специалисты-гематологи. Именно у нас Насте Свешниковой удалось создать полноценную модель кальциевой сигнализации в тромбоцитах и объяснить загадку, которая мучила людей двадцать пять лет — как тромбоциты делятся на популяции при активации [6]. А ее студенты объяснили, как при этом пересекаются и взаимодействуют разные сигнальные пути [7].

Но «хуже» всего рост тромба в потоке, где переплетается все — и биохимия, и сигнализация, и очень нетривиальная гидродинамика. Тут тоже активно живут и теория, и эксперимент; так, Алексей Беляев в нашей команде недавно разработал очередную гипотезу для объяснения остановки роста тромбов [8], и мы сейчас пытаемся ее проверить экспериментально.

А есть еще взаимодействия гемостаза с иммунитетом, и его активация при раке, и его воздействие на раковые опухоли, и запрограммированная смерть тромбоцитов при активации, и роль в заживлении ран и формировании сосудов, и кучка прикладных задач... У меня есть ощущение, что если нормально разобраться в этих вопросах, то можно будет претендовать на создание «теории всего живого» — слишком много намешано в этой системе. Есть образцы почти всего, что есть в биологии. И я уже не говорю о самόм каскаде свертывания крови... Мы недавно выпустили обзор по его регуляции, где подвели итоги десятилетий работы и выделили в его составе ряд модулей — аналогов такого разбора для других систем организма человека пока нет [9].

Среди сотрудников лаборатории (рис. 3, 4) далеко не только биофизики. Есть и медицинские физики, и биохимики, и инженеры, и даже врачи. Студенты и выпускники физфака, химфака, биофака МГУ, РНИМУ имени Пирогова, МГАТХТ, ВятГУ, МФТИ...

— Мы вообще тесно связаны с вузами: Дима Нечипуренко и Настя Свешникова — преподаватели физфака МГУ, причем Настя также доцент РНИМУ, я сам профессор МГУ и МФТИ (в ФНКЦ ДГОИ есть базовая кафедра Физтеха). Практически все в лаборатории в то или иное время вели практикумы, летние школы, руководили или руководят дипломниками. Иногда даже добирались до центрального телевидения. Преподавание здорово закаляет и структурирует мозги, а приток молодежи в лабораторию делает жизнь веселее. Каждый год к нам приходит довольно много студентов из разных мест и с разных курсов. С учетом объема наших задач и разнообразия интересов мы приветствуем людей из почти всех областей естественных наук. Кто-то пробует и уходит, кто-то задерживается на курсовую или диплом, кто-то остается в аспирантуру и после нее. Некоторые на разных этапах уезжают за границу, уходят в бизнес; и те, и другие иногда возвращаются. Аспиранты и «постдоки» извне тоже появляются, но значительно реже. В целом, это типично для России: и живых лабораторий, и хороших ученых мало, так что когда они друг друга находят, то держатся друг за друга.

Жизнь в лаборатории по утрам начинается рано — во всяком случае, по меркам академических институтов. Помимо чистых исследований тут выполняют клинические тесты на функциональную активность тромбоцитов (разработанные в этой же лаборатории Ириной Деминой). С их помощью врачам ФНКЦ удалось поставить ряд сложных диагнозов. Работающие по исследовательским проектам могут позволить себе прийти попозже (но не слишком поздно) — их работа зависит от донорской крови. Теоретики могут вообще подолгу не появляться на рабочем месте, но так поступают немногие: общение друг с другом, с экспериментаторами — важная часть деятельности теоретика, и семинары по скайпу не заменяют его полностью. К тому же многие теоретики не боятся брать в руки пипетку. Но без скайпа тоже не обойтись: слишком часто задачи разбрасывают людей по Москве и за ее пределами.

— Володя Колядко работает с мышиными моделями кровотечений в дружественной лаборатории Института иммунологии, так как у нас здесь с животными работать нельзя. Дима Нечипуренко только что вернулся из Страсбурга, где он — при поддержке стипендии Мечникова — изучал механизмы роста тромба. Лёша Беляев провел июнь в Амстердаме, работая с голландскими коллегами над моделированием тромба с помощью суперкомпьютеров... Надя сейчас собирается в Марсель: там — наши старинные партнеры, у которых много уникальных пациентов с необычными нарушениями функций тромбоцитов.

В целом, если сотрудников лаборатории клеточного гемостаза и тромбоза ФНКЦ ДГОИ спросить, где они работают или кто они по специальности, то ответом часто бывает задумчивая пауза. За время работы многие осваивают методы, далекие от исходной специальности: врачи возятся с уравнениями, физики — с образцами крови пациентов. Да и с местами работы не все так просто...

— Я возглавляю две лаборатории — одна в Центре теоретических проблем фармакологии РАН (ЦТП ФХФ РАН), вторая — в Центре детской гематологии Минздрава (ФНКЦ ДГОИ им. Рогачёва). Первая появилась в 2008 году, когда я выиграл конкурс грантов на новые группы по программе Президиума РАН «Молекулярная и клеточная биология», курируемой академиком Георгиевым (кстати, совершенно уникальная программа, направленная на появление молодых коллективов, до сих пор не имеющая аналогов). Но у института было мало площадей и совсем не было необходимой нам крови. Так что физически мы работали в Гематологическом научном центре до тех пор, пока руководство ФНКЦ ДГОИ в лице академика Румянцева и его команды не предложило мне создать в Детском центре новую лабораторию, посвященную тромбоцитам. Так у нас появилась своя «настоящая» лаборатория. ФНКЦ — совершенно уникальное место, клиника с мощной научно-исследовательской базой и яркими, активными, заинтересованными врачами. Здесь удается проводить исследования, о которых раньше приходилось только мечтать. И часто сами врачи ставят нам интереснейшие задачи.

Кроме этого я еще преподаю биохимию и биофизику клетки в двух вузах — МГУ (физфак) и МФТИ (факультет биологической и медицинской физики). В целом, это довольно обычная для России схема выживания. Многие из моих знакомых имеют две лаборатории в разных институтах (желательно — принадлежащих разным ведомствам). Это очень сильно помогает, когда в одном из мест нет ставок, или нет денег, или начинаются какие-то гонения. А из вузов приходит молодежь с горящими глазами, которая задает дурацкие вопросы, заставляющие крепко задуматься.

Основным источником финансирования команды служат гранты — РНФ, РФФИ, Президента РФ, программы Президиума РАН. Прикладные проекты и договоры пока на втором месте, хотя в некоторые годы бывали исключения. Среди молодых сотрудников (а лаборатория в целом молодая) есть трое стипендиатов Президента РФ, четверо победителей конкурса «Мой первый грант» РФФИ, трое лауреатов Премии Европейской академии, да и другие премии ребята получают регулярно.

— Насколько сейчас сложно в науке? Для моего поколения, кто помнит если не 1990-е, то хотя бы начало 2000-х, сейчас условия для работы почти сказочные. Тогда не было ни оборудования, ни реагентов, ни зарплат. И тем не менее люди вокруг меня делали науку мирового уровня, собирая уникальные установки буквально на соплях и компенсируя недостаток всего изобретательностью и математическим моделированием. Я помню ночевки при длинных экспериментах в Гематологическом центре, когда мы запирались в единственном блоке с железной дверью, потому что прочие комнаты регулярно взламывали и выносили компьютеры, и вообще по ночам в центре и стрельба бывала. И помню свою первую международную конференцию (я попал туда, получив дорожный грант от организаторов), когда на вопрос о месячной зарплате честно отвечал американцам «15 долларов»; боюсь, мне тогда так и не поверили... Однако сравнивать надо не с историей, а с современностью. Условия для работы в науке все равно очень тяжелые, и нужно иметь огромное шило в одном месте, чтобы стараться двигать науку в России, сражаясь с бюрократией, маразматической организацией почти всего вокруг, относительной (по сравнению с другими областями деятельности) нищетой и прочими обстоятельствами. Соблазн уйти из науки или уехать из страны для молодежи остается очень большим.

Приведу буквально сегодняшний пример. В этом, 2015, году деньги по главному источнику работы для институтов Академии наук — программам Президиума РАН — до сих пор не пришли: а на дворе сентябрь. Мы в целом привычны к тому, что бюджетные деньги сгорают в декабре и приходят с апреля по июнь, и научились выживать, но сентябрь! Как чиновники представляют себе жизнь ученых в первые девять месяцев года (и хорошо, если девять) без зарплат и реагентов? Я слишком плохо знаю политико-административную кухню, чтобы обвинять кого-то конкретно, но сам факт печальный. Спасибо РНФ, что по его грантам деньги приходят рано и четко. Но дальше начинается другой традиционный маразм, связанный с закупками. Трое моих сотрудников в мае убили месяц времени на оформление бумаг по закупкам, и в итоге ничего не удалось купить: им радостно сказали, что надо было оформлять иначе... Сроки поставки реагентов, несмотря на все мольбы ученых на протяжении десятилетий упростить таможенное оформление, по-прежнему составляют 2-3 месяца. Для сравнения — когда я в аспирантуре ездил в командировку в США, то там закупки выглядели так: я говорил секретарше департамента «Jean, can you order this, please», и через три дня реагент доставлялся; если требовалось срочно, то с небольшой доплатой он приходил назавтра. При этом деньги с гранта были доступны круглый год. Надо ли комментировать, насколько эффективнее работать в таких условиях? Серьезная наука по определению непредсказуема, наряду с постоянно нужными вещами есть куча того, что не поддается планированию за год или даже месяц. В США ученый может проверить гипотезу за неделю и затем действовать дальше; русский будет три месяца ждать реагент. И это хорошо, если идея придет к нему в тот момент, когда деньги по гранту уже пришли.

Прошу прощения, я увлекся. Тема больная, но десятки намного более уважаемых, высокопоставленных и заслуженных ученых пытались тут что-то сделать или устроить скандал, но покамест все бесполезно.

Но тем не менее объективные факты внушают некоторую надежду. Пятнадцать лет назад молодежь совсем не оставалась после защиты диссертации, ребята уезжали сразу же. Все сотрудники делились на две категории — моложе 25 или старше 50, — и так же обстояли дела по всей стране. А сейчас только в лаборатории клеточного гемостаза целых семь кандидатов наук, все в возрасте от 25 до 40 лет, некоторые из них недавно защитились под руководством Миши и остались работать в команде (впрочем, уехавшие за границу или ушедшие в бизнес тоже есть). Некоторые опубликовали не по одному десятку статей и уже думают про докторские. Впрочем, люди в лаборатории думают не только про докторские. В жизни команды находится место и праздникам, и шуткам, и творчеству (рис. 5, 6); по крайней мере пара спектаклей «для своих» среди ее достижений имеется, и не только это...

— Хочется думать, что нам удается сохранять атмосферу, в которой интересно жить и работать. Проблемы окружающего мира никуда не исчезают, и разнообразные кризисы регулярно нас навещают, но общими силами с ними пока получается бороться. В этом году у нас третий раз подряд было два устных доклада на главной конференции в нашей области — «ежедвухлетнем» Международном конгрессе Общества по гемостазу и тромбозу, который в этот раз проходил в Канаде. Это означает, что пока стабильно получается удивлять мир своими открытиями.

Видеоматериалы

1. Пантелеев М.А. (2010). «Свертывание крови: жизненно необходимо, смертельно опасно». Лекция на канале «Культура» в программе ACADEMIA;
2. Пантелеев М.А. (2012). «Кровь: как она устроена». Лекция на Зимней Пущинской школе;
3. Материал про лабораторию и видеозаписи в проекте «Постнаука», 2014.

Ссылки

1. Официальный сайт отдела биофизики и системной биологии в ФНКЦ ДГОИ;
2. Официальный сайт лаборатории в ЦТП ФХФ РАН;
3. Официальная страница М.А. Пантелеева на кафедре медицинской физики ФФ МГУ.

Литература

1. Natalia V. Zakharova, Elena O. Artemenko, Nadezhda A. Podoplelova, Anastasia N. Sveshnikova, Irina A. Demina, et. al.. (2015). Platelet Surface-Associated Activation and Secretion-Mediated Inhibition of Coagulation Factor XII. PLoS ONE. 10, e0116665;
2. Abaeva A.A., Canault M., Kotova Y.N., Obydennyy S.I., Yakimenko A.O., Podoplelova N.A. et al. (2013). Procoagulant platelets form an α-granule protein-covered «cap» on their surface that promotes their attachment to aggregates. J. Biol. Chem. 288, 29621–29632;
3. «Шубы» на тромбоцитах оказались «шапками», выяснили ученые. Пресс-релиз на сайте ФНКЦ ДГОИ им. Дмитрия Рогачёва;
4. Как работает свертывание крови?;
5. Якименко А.О., Свешникова А.Н., Артеменко Е.О., Пантелеев М.А. (2014). Этот загадочный тромбоцит. Природа. 4, 3–8;
6. Sveshnikova A.N., Ataullakhanov F.I., Panteleev M.A. (2015). Compartmentalized calcium signaling triggers subpopulation formation upon platelet activation through PAR1. Mol. Biosyst. 11, 1052–1060;
7. Shakhidzhanov S.S., Shaturny V.I., Panteleev M.A., Sveshnikova A.N. (2015). Modulation and pre-amplification of PAR1 signaling by ADP acting via the P2Y12 receptor during platelet subpopulation formation. Biochim. Biophys. Acta. 1850, 2518–2529;
8. Belyaev A.V., Panteleev M.A., Ataullakhanov F.I. (2015). Threshold of microvascular occlusion: injury size defines the thrombosis scenario. Biophys. J. 109, 450–456;
9. Panteleev M.A., Dashkevich N.M., Ataullakhanov F.I. (2015). Hemostasis and thrombosis beyond biochemistry: roles of geometry, flow and diffusion. Thromb. Res. 136, 699–711.