30 октября 2015
Открытия совершаются, когда биология, физика и химия встречаются вместе

В среду, 28 октября, в КФУ прошла торжественная церемония вручения Казанской премии им. Е.К.Завойского. Дипломом первой степени за структурное исследование цитотоксичных пептидов был отмечен доцент кафедры медицинской физики, с.н.с. лаборатории ЯМР и НИЛ «Структурная биология», кандидат физико-математических наук Константин Усачев.

В научной лаборатории ядерного магнитного резонанса Института физики под руководством профессора Владимира Клочкова занимаются фундаментальными исследованиями в области установления структуры молекул в растворе, в том числе биомолекул.

- Методика ЯМР позволяет изучить структуру молекул, растворенных в жидкости. Одним из наиболее информативных методов ЯМР является спектроскопия ядерного эффекта Оверхаузера, позволяющая определять межпротонные расстояния между магнитными ядрами, отстоящими друг от друга на расстоянии до 5 ангстрем (0,5 нанометра).

Этот эффект зависит от массы молекулы: для маленьких – он будет отрицательным, для больших – положительным. Но есть некоторая область молекулярных масс, для которых эффект равен нулю. А это значит, что нельзя понять, как собрана молекула и какие расстояния между атомами из разных ее частей. И тогда ученые решили «связать» невидимую молекулу с более крупной, чтобы эффект стал виден, что дало возможность определить неизвестную структуру молекулы.

Эту возможность физики решили использовать, чтобы вычислить механизм действия цитотоксичных пептидов, которые, связавшись с клеткой в организме, потом приводят эту клетку к гибели.

Физики исследовали амилоиды – базовые кирпичики, из которых потом формируются бляшки при болезни Альцгеймера, постепенно уменьшая количество фрагментов с 40 до 7 аминокислот. И в результате были выявлены отдельные аминокислотные остатки, отвечающие за связывание амилоидов друг с другом. Так был установлен механизм, показывающий, как амилоид может связываться с моделью клетки. Позже ученые установили структуру амилоида, который носит название «арктический мутант» – у него один аминокислотный остаток (глютаминовая кислота) в 22 позиции меняется на глицин.

Генетическая мутация, выраженная в замене всего одной аминокислоты, приводит к совершенно иной клинической картине пациентов с очень ранним началом течения болезни Альцгеймера.

На основе экспериментальных данных были вычислены и структурные изменения протегринов – антимикробных пептидов, обладающих широким спектром действия против различных бактерий, которые могут быть использованы как потенциально новые антибиотики.

Мы исследовали два протегрина (PG-2; PG-3) и показали, что взаимодействие этих протегринов в модельных системах клетки происходит по схожему сценарию, как и для амилоидов. Также нами экспериментально была получена структура димеров молекул протегрина и показана возможность их дальнейшего взаимодействия и образования пор в клеточной стенке, что приводит к гибели клетки.


– Изучение механизмов возникновения заболеваний на молекулярном уровне с целью получения возможностей управлять ими, создавая для этого новые эффективные лекарственные препараты – одно из приоритетных направлений современных исследований, в том числе и в стенах нашего университета, – считает Усачев. – Но успех в этом общем деле зависит только от слаженной работы, когда физики, медики и химики будут действовать сообща.


Константин также является старшим научным сотрудником лаборатории структурной биологии ИФМиБ, в рамках которой совместно с лабораторией «Структуры рибосомы» Страсбурского университета под руководством Марата Юсупова, занимается поиском потенциально новых антибиотиков (например, для золотистого стафилококка) и препаратов для терапии рака.

Одна из основных проблем в структурной биологии – это проблема биосинтеза белка в клетке. Для этого у клетки есть «молекулярная фабрика» по производству белков – рибосома. И если на каком-то этапе воздействовать на рибосомы, можно остановить синтез белка, и тогда прекратится воспроизводство клетки, что приведет к ее гибели.

Мы ищем такие химические молекулы, которые будут действовать только на рибосому «плохих» клеток (например, бактерий или клеток рака), но не трогать рибосому человека. Этим удастся уменьшить концентрацию лекарственного препарата, увеличив его эффективность и снизив вред организму, – рассказал К.Усачев.

В лаборатории Марата Юсупова работы ведутся и по установлению структуры димера рибосомы (димер – комплекс из двух одинаковых молекул).

Обычные антибиотики не действуют на рибосомы бактерии золотистого стафилококка. И если совместными усилиями удастся определить структуру рибосомы стафилококка, то можно заставить ее не димеризовываться при стресс-условиях. Тогда антибиотики смогут с ними связываться, и, возможно, будет найдено лекарство против этой неизлечимой болезни, – объяснил Константин.

Источник информации: Галина Хасанова, газета "Казанский университет"
Комментарии
ХИМИК 03.11.15, 22:59
Физики молодцы! мы, химики, открыты для сотрудничества!
М. Булат 03.11.15, 16:39
+1 
Мои искренние поздравления, Костя, успехов!
читатель-математик 02.11.15, 10:50
+1 
-1 
Очень интересная работа!!! Было бы здорово, если бы продолжение написали т.е. что в итоге получится потом... Как все же справиться с рибосомами золотистого стафилококка.
Шеф 31.10.15, 13:02
+4 
Костя, молодец! Успехов тебе!
Амир 30.10.15, 17:21
+7 
-2 
Костя, поздравляю! Успехов!