Ферменты обучат бороться с зарином
Антидот против фосфорорганических веществ, в частности пестицидов и боевых отравляющих веществ, таких как зарин и зоман, Vx-газы разрабатывают в Институте биоорганической химии им. акад. М.М.Шемякина и Овчинникова РАН. Исследователи уже получили ген-кодируемый антидот, способный находиться в токе крови относительно долгое время, до нескольких часов.
Справка STRF.ru:
Антидот представляет собой фермент-бутирилхолинэстеразу человека, способную достаточно эффективно «захватывать» своим активным центром фосфорорганические яды. Биотехнологический процесс получения антидота основан на получении рекомбинантного белка из клеток яичника китайского хомячка (СНО). Фермент подвергся дополнительной химической модификации полисиаловыми кислотами с целью защиты белковой молекулы от воздействия протеаз крови. В опытах с животными антидот защищал мышей от 4,7 летальной дозы отравляющего вещества VR.
Вещество находится на стадии доклинических испытаний. А сама разработка, поддержанная ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014-2020 годы», стала возможна благодаря применению особой, сложнейшей системы отбора активных ферментов, к которой учёные нашли свой собственный подход.
Микрофлюидный чип для генерации двойной эмульсии, используемой для капельного анализа
Ферменты, или биокатализаторы, казалось бы, способные на любые действия в человеческом организме, до сих пор не раскрыли весь свой потенциал, к примеру, по разрушению вредоносных для организма веществ. Те из ферментов, что заложены в генах человека самой природой, работают лишь в определённых, привычных для них условиях, а при незнакомых им процессах, например, при отравлении организма ядами, бессильны. Наука, во многом подражающая природе, стремится создать искусственные биокатализаторы, способные выполнять свою функцию «мусорщиков» в заданных условиях, и не подвергаться при этом атакам иммунной системы, быстро распознающей чужеродные агенты. Для этого природные ферменты посредством замены в них аминокислотных остатков превращают в катализаторы абсолютно других реакций, и из миллионов полученных вариантов выбирают наиболее оптимальный. Без суперкомпьютеров и определённых технических решений это было бы, конечно, фантастикой: ведь в природе процесс отбора нужных ферментов проходит тысячелетия. Но сегодня это возможно. Исследователи давно работали над различными системами эффективного отбора наиболее производительных клонов.
В лаборатории биокатализа ИБХ РАН для этих целей применили систему микрофлюдики. Она уже сейчас позволяет использовать систему отбора биокатализаторов, позволяющую анализировать сразу 108 их вариантов, заключенных в множество мельчайших капель.
Если в какой-то из них фермент вступает в реакцию с определенным субстратом, то подается флуоресцентный сигнал. Затем из ферментов, проявивших себя катализаторами нужных реакций, посредством суперкомпьютеров отбирают наиболее эффективные.
Впрочем, у каждой научной группы биохимиков, освоившей этот наиболее прогрессивный способ отбора модификаций ферментов, при котором все процессы и устройства сильно миниатюризированы и требуют чрезвычайно тонкого подхода и применения дорогого оборудования, есть свои «научные фишки».
В России с помощью подобной системы ученые лаборатории биокатализа ИБХ РАН стремятся найти ферменты - антидоты опасных химических поражений организма, неминуемо ведущих к смерти.
Двойная эмульсия с клетками, в которой пошла реакция (зеленый продукт)
«Наш секрет в том, что мы особым образом подходим к приготовлению эмульсии для капельного анализа, - поясняет участник проекта, инженер-исследователь лаборатории Станислав Терехов. - Все капли у нас получаются одинакового размера, и по их флуоресцентному сигналу мы сразу видим, в какой из них быстрее протекает реакция. А когда делают эмульсию другими способами, капли получаются разные, и светиться больше может просто та, которая больше по размеру. Таким образом, контролируя размер капель, мы можем хорошо контролировать и ход реакции, и концентрации реагентов».
Однократная эмульсия
Биокатализаторы, которые стремятся найти учёные в данном проекте, должны противостоять фосфорорганическим ядам. Несмотря на то, что большинство стран отказалось от использования таких веществ как зарин и зоман, эти смертоносные химикаты могут стать оружием террористов. Почти также опасно отравление пестицидами (их губительный потенциал близок к зарину и зоману), от неправильного применения которых ежегодно в странах третьего мира умирают до 200 000 человек.
«Мы разработали биотехнологически оправданный процесс по производству антидота на основе бутирилхолинэстеразы - фермента, который может каталитически акцептировать фосфорорганические яды, - рассказывает руководитель проекта, заведующий лабораторией биокатализа Александр Габибов. - Этот фермент мы выделили из клеток китайского хомячка, затем создали его мутантную форму, облепив сиаловыми кислотами, и сделали его долгоживущим в токе крови. Чтобы защитить человека от самых ударных доз боевых отравляющих веществ, известных сегодня, потребуется введение небольшого количества этого вещества, которое не принесет организму никакого вреда. В мире пока нет столь эффективного антидота против таких ядов как зарин и зоман, если не считать тот, что получили американские ученые, встроив человеческий ген, кодирующий бутирилхолинэстеразу, в геном козы, и вынудив таким образом трансгенное животное давать молоко с нужным антителом. Но этот способ получения искомого биокатализатора обходится слишком дорого, и, как шутят коллеги, его хватит только на то, чтобы защитить Барака Обаму от химической атаки потенциальных террористов».
Прижизненное биораспределение препарата тетрамерной рекомбинантной бутирилхолинэстеразы человека в мыши
Российский вариант биокатализатора находится на стадии доклинических испытаний. И если они пройдут успешно, на что у разработчиков сегодня есть основания надеяться, все необходимые этапы его исследования, включая клинические, завершатся примерно через четыре года.
Помимо этого, учёные создают искусственный биокатализатор, способный конвертировать такое фосфорорганическое соединение как паратион, используемый в качестве пестицида, а также работают над получением антител к протеазе ВИЧ - , важнейшему белку этого вируса, участвующего в связывании вирусной частицы с поверхностью лимфоцита.
На вопрос о том, все ли научные идеи лаборатории будут воплощены в конкретные лекарственные препараты, разработчики отвечают отрицательно:
«За границей идет вал препаратов, но проходят проценты. А мы хотим, чтобы из 10 веществ-кандидатов получилось 8 новых эффективных лекарств. Но природу не обманешь даже с помощью суперкомпьютеров, - отмечает Александр Габибов. - Надо признать, что исследования для фарминдустрии в России находится в зачаточном состоянии. Что же касается конкретного проекта, то основные надежды мы связываем с бутирилхолинэстеразой, что подкрепляется и интересом к этой разработке фармкомпаний. Активность других полученных ферментов пока нас не устраивает, и мы их продолжаем модифицировать».
http://www.strf.ru/material.aspx?CatalogId=221&d_no=103340#.VdgZkGcY5Ix