Топология ДНК

Какое практическое применение имеет измерение скорости превращения супервитков ДНК? Что такое метод линейного дихроизма? Как с помощью скрининговых методов и робототехники разрабатывают противоопухолевые лекарства и новые антибиотики? На эти и другие вопросы отвечает доктор химических наук Александр Габибов.

Молекула жизни, ДНК, действительно лежит в основе всех процессов, благодаря которым живут бактерии, высшие и мы с вами.

После открытия двойной спирали Уотсоном и Криком в Nature 50-х годов было очень много исследований по биокатализаторам, модифицирующим структуру ДНК, различным собственно структурам ДНК. К исследованию ДНК подключились не только биологи, физики, химики, специалисты в области рентгеноструктурного анализа, а это был широкий комплекс исследований, которые развивались и в нашей стране. Был создан Институт физико-химической биологии, Институт молекулярной биологии под руководством нашего классика, известнейшего в мире ученого академика Энгельгардта — он был иностранным членом американской академии, так что имел всемирное признание. Он очень интересовался проблемами структуры ДНК. И наша страна здесь, надо сказать, не совсем уж и отстала.

Почему вопрос о топологии ДНК (топология — это область математики) встал на повестку дня достаточно серьезно? Дело в том, что ДНК в организме существует в виде суперскрученных систем, она уложена в структуре хроматина, нуклеосомы, и здесь встает вопрос о том, как происходит считывание информации, как эта информация переходит в белок и так далее. Все эти механизмы очень хорошо изучены, получено достаточно много Нобелевских премий.

Сегодня наш предмет — это топологические формы ДНК, и связано это с интересом к развитию биомедицины и современных подходов к фармацевтике.

Двойная спираль ДНК закручена, и с точки зрения математики к проблемам раскручивания ДНК применима теория узлов. Теория узлов была прекрасно развита для целого ряда инженерных специальностей, здесь наша наука находится на неплохом уровне. Наш бывший соотечественник — он до сих пор сотрудничает с российскими институтами — профессор Франк-Каменецкий был одним из лидеров этого направления в 70–80-е годы. Ныне он работает в университете Бостона. Тем не менее это были основополагающие работы, прекрасно цитируемые.

Интерес к топологии ДНК был также у математиков из Института теоретической и экспериментальной физики, в частности у профессора Монастырского — очень известного тополога, который и модифицировал некоторые уравнения, применимые для замкнутой ленты — а ДНК рассматривалась именно как замкнутая лента, — и предложил механизмы разрыва ребер ленты. Это легло в основу целого направления дальнейших исследований ДНК, потому что экспериментально разрывы в молекуле ДНК можно наблюдать с помощью метода линейного дихроизма. Когда вы помещаете в поток суперскрученную молекулу ДНК, то путем математических преобразований можно применить целый ряд формул для исследования гидродинамики, можно эти разрывы в ДНК связать в явной форме с параметрами, измеряемыми с помощью метода линейного дихроизма.

Таким образом, изменение суперскрученности ДНК, производное по суперскрученности во времени, дает скорость изменения супервитков на ДНК. Поэтому эти теоретические основы, заложенные в начале XXI века с использованием математических выкладок конца прошлого века, позволили математически описывать состояние ДНК в растворе.

Появление математически обоснованного экспериментального метода наблюдения за состоянием ДНК позволило измерять скорость изменения этих супервитков и исследовать различные соединения.

Для чего это нужно в практическом плане? Дело в том, что многие современные лекарственные препараты — как противоопухолевые, так и новые антибиотики — являются ингибиторами ферментов-биокатализаторов, которые изменяют топологическую структуру ДНК, — это гираза, топоизомераза. Бывают топоизомеразы первого типа и второго типа. Топоизомераза первого типа раскручивает без существенных затрат энергии, топоизомераза второго типа использует молекулу аденозинтрифосфорной кислоты. Это энергетический запасник, и если реакция нуждается в энергетике, то молекула АТФ здесь очень хорошо используется. Таким образом, реакция АТФ-зависимая. Оказалось возможным измерять изменения скорости превращения с использованием этого метода линейного дихроизма с описанием соответствующих уравнений. В частности, онкологическое, противораковое средство Этопозид — это классический ингибитор топоизомеразы, и таким методом удалось достаточно хорошо проанализировать скорость.

Но это существующие соединения, а нужно смотреть на перспективы. Я считаю, что отправной точкой современных исследований в области биологии и химии являются комбинаторные подходы. Конец XX века, XXI век — это время комбинаторной химии и биологии, это поиск новых структур белков, структур антител с помощью скрининга. Скрининг химических библиотек, двухпараметрический скрининг библиотек и белков против низкомолекулярных соединений и современные подходы робототехники — все это позволяет осуществить эти подходы.

Возникновение такого математически обоснованного физического метода аналитической биохимии позволяет осуществлять такой скрининг. Я считаю, что с помощью, в частности, метода линейного дихроизма — могут быть и другие подходы, основанные, например, на микрокалориметрии, — удастся создать (и это уже делается) новые ингибиторы превращающих топологию молекулы ДНК ферментов-биокатализаторов, являющиеся противораковыми средствами и новыми антибиотиками.

ДНК находится в неких структурах, это не свободно плавающие молекулы. В частности, в токе крови при раковых заболеваниях можно найти фрагменты ДНК, и это один из перспективных диагностических тестов в онкологии, и вообще внеклеточная ДНК сейчас также является предметом исследований. Но здесь мы говорим о структурированных формах ДНК, которые упакованы, суперспирализованы, и, чтобы остановить патологический процесс на каком-то начальном этапе, конечно, хорошо бы ударить по биокатализатору, который осуществляет эти превращения, — вы останавливаете, фермент не работает, и с ДНК ничего не происходит.

Раковые трансформированные клетки особенно предрасположены к делению, это особенно активные клетки, где происходят топологические изменения ДНК. Если вы предложите эффективный препарат, который затормозит действие биокатализатора, вы будете иметь эффективное противораковое средство. Но здесь возникает проблема. Суперскрученная структурированная ДНК имеется и в нормальных клетках, поэтому это соединение будет действовать как на нормальные клетки, так и на раковые. Здесь вы видите основы сайд-эффектов химиотерапии. Почему она так тяжела? Потому что не только ингибиторы топоизомераз, но и препараты, действующие на ферменты, изменяющие топологию ДНК, действуют и на нормальные клетки, значит, человек действительно плохо себя чувствует. Поэтому нужно проводить скрининг в сторону препаратов, которые будут наиболее активно действовать на раковые клетки и меньше действовать на здоровые клетки.

Та же самая проблема существует и в антибиотиках. Бактерии — это прокариоты, поэтому можно осуществить разницу, терапевтическое окно более эффективного действия на ту клетку, которую вам надо убить, по сравнению с той клеткой, которая необходима для жизнедеятельности. Поэтому скрининговые методы с помощью новых физических подходов очень важны для поиска новых лекарственных соединений. Здесь опять же робототехника, возможности анализа множества клонов, множества соединений, выбор более эффективных соединений очень важны.

В заключение я хотел бы остановиться на современных методах анализа библиотек химических соединений и анализа клонов биокатализаторов или белков, которые мы хотим использовать для терапии. Дело в том, что современные приборы позволяют приобретать или создавать модифицированные образцы роботов, которые могут анализировать сотни клонов белков или химических соединений, действующих на определенные биологические системы, причем присутствие человека здесь нужно минимально — можно задавать программой.

Эти приборы используются для получения кристаллов белков, когда нужно модифицировать наборы условий изменения внешней среды для получения нужных кристаллических структур.

Это, кстати, очень важно в изменении топологии ДНК, потому что часто бывает нужно сокристаллизовать фермент с соответствующим ингибитором. Поэтому такие технические приемы робототехники очень важны.

Методы органического синтеза — сейчас клик-химия и различные методы органического синтеза — позволяют фактически получить огромные массивы химических соединений с небольшими изменениями, что позволяет автоматически выбрать наиболее эффективные нужные препараты. И третье — возможность манипуляции широкими библиотеками белков и антител, когда вы также можете выбрать с помощью аппаратов робототехники наиболее эффективные необходимые клоны, которые будут связывать или превращать нужные соединения.