Фантастика становится былью

ФАНТАСТИКА СТАНОВИТСЯ БЫЛЬЮ

Человечество уже не на пороге, оно живет в эпоху новой технологической революции. Эта революция связана со стремительным развитием биотехнологий. Даже самое дерзкое предсказание фантастов может стать реальностью в ближайшее время.

Мы остановимся только на нескольких прорывных технологий в отечественной биофизике, которые подтверждают тезис, с которого мы начали эту статью.

Историческая справка. Биофизика в России

История научных институтов биологического профиля в России идет с конца ХIХ века и начинается с укусов бешеных собак. Под впечатлением от успеха прививок от бешенства, разработанных Пастером, в конце ХIХ века в Санкт-Петербурге был создан Институт экспериментальной медицины.

Биофизика в Советской России стала на какое-то время «баловнем судьбы». Большевики были одержимы обновлениям в обществе и демонстрировали готовность поддерживать новые направления в науке. Позже именно из этого Института вырос Институт физики Российской Академии наук.

В Советском Союзе власти были заинтересованы в проведении научных исследований «широким фронтом». Нельзя было пропустить ни одного из перспективных направлений, которые могли бы сулить в будущем военные или экономические преимущества. До начала 90-х годов государственная поддержка обеспечивала приоритетное развитие молекулярной биологии и биофизики. В 1992 году новые власти послали ученым недвусмысленный сигнал: зарплата научного сотрудника стала меньше прожиточного минимума. Многим биофизикам, не помышляющим прежде об эмиграции, пришлось уехать на Запад.

В первое время российская биофизика от «экономической» эмиграции пострадала незначительно. Развитие таких средств коммуникации, как электронная почта и интернет, позволило сохранить связи ученых с коллегами. Многие стали оказывать помощь своим институтам реактивами и научной литературой, продолжили исследования по «своим» темам. Из-за невозможности прожить на академическую зарплату уменьшился приток студентов в науку. Возник разрыв поколений, который теперь, после 15 лет перемен, начинает сказываться все сильнее: средний возраст сотрудников в некоторых лабораториях Академии наук уже превышает 60 лет.

Достижения и открытия

Российская биофизика не утратила ведущих позиций в ряде направлений, которые возглавляют ученые, получившие образование в 60-80-е годы ХХ века. Значительные открытия в науке сделаны именно этими учеными. Так, в качестве примера можно привести создание в последние годы новой науки — биоинформатики, основные достижения которой связаны с компьютерным анализом геномов. Основания этой науки были заложены еще в 60-е годы молодым биофизиком Владимиром Туманяном, который первым разработал компьютерный алгоритм анализа последовательностей нуклеиновых кислот.

Биофизик Анатолий Ванин еще в 60-е годы открыл роль оксида азота в регуляции клеточных процессов. Позже оказалось, что оксид азота имеет важное медицинское значение. Оксид азота является основной игнальной молекулой сердечно-сосудистой системыс. За исследование роли оксида азота в этой системе была присуждена Нобелевская премия в 1998 году. На основе оксида азота был создан самый популярный в мире лекарственный препарат для повышения потенции «Виагра».

Многие достижения в области биофизики связаны с открытой еще советскими учеными автоколебательной реакцией Белоусова-Жаботинского. Эта реакция дает пример самоорганизации в неживой природе, она послужила основанием для многих моделей модной ныне синергетики. Олег Морнев из Пущино недавно показал, что автоволны распространяются по законам оптических волн. Это открытие проливает свет на физическую природу автоволн, что также может считаться вкладом биофизиков в физику.

Одно из самых интересных направлений современной биофизики — анализ связывания малых РНК с матричной РНК, кодирующей белки. Это связывание лежит в основании явления «РНК-интерференции». Открытие этого явления было отмечено в 2006 году Нобелевской премией. Мировое научное сообщество возлагает огромные надежды на то, что это явление позволит бороться со многими заболеваниями.

Важнейшим направлением молекулярной биофизики является изучение механических свойств одиночной молекулы ДНК. Развитие тонких методик биофизического и биохимического анализа позволяет следить за такими свойствами молекулы ДНК, как жесткость, способность к растяжению, изгибу и прочность на разрыв.

Традиционно сильны позиции российских биофизиков в области теории. Георгий Гурский и Александр Заседателев разработали теорию связывания биологически активных соединений с ДНК. Они предположили, что в основании такого связывания лежит феномен «матричной адсорбции». Исходя из этой концепции, они предложили оригинальный проект синтеза низкомолекулярных соединений. Такие соединения могут «узнавать» определенные места на молекуле ДНК и регулировать активность генов.

Александр Заседателев успешно применяет свои разработки для создания отечественных биочипов, которые позволяют диагностировать онкологические заболевания на ранних стадиях. Под руководством Владимира Поройкова был создан комплекс компьютерных программ, позволяющих предсказывать биологическую активность химических соединений по их формулам.

Если судить по финансовым показателям, то «пальму первенства» за наибольшие достижения следует отдать биофизику Армену Сарвазяну, который создал ряд уникальных разработок в области исследования организма человека с помощью ультразвука. Эти исследования щедро финансируются военным ведомством США: Так, Сарвазяну принадлежат открытия связи между гидратацией тканей (степенью обезвоживания) и состоянием организма.

Мировоззренческие потрясения сулят открытия Симона Шноля: он обнаружил влияние космогеофизических факторов на течение физических и биохимических реакций. Речь идет о том, что известный закон Гаусса, или нормального распределения ошибок измерений. В реальности все происходящие процессы обладают определенными «спектральными» характеристиками, обусловленными анизотропией пространства.

Наиболее значимыми для всех людей, живущих на нашей планете, могут оказаться исследования биофизика Алексея Карнаухова. Его климатические модели предсказывают, что нас ожидает глобальное похолодание, которому будет предшествовать потепление. Течение Гольфстрим, которое согревает Северную Европу, перестанет приносить тепло из Атлантики из-за того, что встречное ему Лабрадорское течение из-за таяния ледников и увеличения стока северных рек будет опресняться, благодаря этому станет легче и перестанет «подныривать» под Гольфстрим.

Исследования Роберта Бибилашвили из Кардиологического центра привели к значительным результатам в вопросах излечения ряда заболеваний, считавшихся ранее неизлечимыми. Оказалось, что своевременное вмешательство (впрыскивание в участки мозга больных, пораженных инсультом, фермента урокиназы) способно полностью снять последствия даже очень тяжелых приступов! Урокиназа — это фермент, который образуется клетками крови и сосудов и является одним из компонентов системы, препятствующей развитию тромбозов.

Из последних достижений зарубежных ученых можно отметить два: во-первых, группа американских исследователей из Университета Мичиган под руководством С.Дж. Вайса открыла один из генов, ответственных за «трехмерность» развития биологической ткани, во-вторых, ученые из Японии показали, что механические напряжения помогают создать искусственные сосуды. Японские ученые поместили стволовые клетки внутрь полиуретановой трубки и пропускали через трубку жидкость под переменным давлением. Параметры пульсирования и структуры механических напряжений были примерно теми же, что и в реальных человеческих артериях. Результат обнадеживает — стволовые клетки «превратились» в клетки выстилки кровеносных сосудов.

Магнитные поля превращают бактерий в пожирателей железа

«Всеядные» пурпурные микроорганизмы Rhodospirillum rubrum быстрее поглощают ионы железа, если на них воздействовать несколькими слабыми магнитными полями.

Сотрудники Института биохимии и физиологии микроорганизмов им. Г.К. Скрябина РАН и Института теоретической и экспериментальной биофизики РАН (Пущино) совместно с бразильским коллегой исследовали, как влияет на бактерий вида Rhodospirillum rubrum воздействие слабых комбинированных магнитных полей. Они выяснили, что в таких условиях обмен веществ в клетках этих организмов ускоряется. Полученные сведения позволят лучше понять, как живые организмы реагируют на электромагнитное излучение. Научная статья опубликована в журнале BioElectroMagnetics.

В качестве объекта исследования выбрали штамм VKM B-1621 пурпурных бактерий Rhodospirillum rubrum. Случаи, когда они вызывали инфекционные заболевания, не известны, поэтому для медицины они не имеют особого практического значения. Эти организмы интересны тем, что могут получать органические вещества тремя путями: фотосинтезом, поглощением уже готовых соединений (т.е. быть гетеротрофами) и с помощью кислорода фиксировать азот — переводить его из формы газа, практически ни с чем не реагирующего, в соединения с атомами других элементов, нужных для построения клеток. Таким образом, они способны питаться, как несколько совершенно разных организмов. Поэтому ученые предположили, что влияние слабых комбинированных магнитных полей на таких бактерий будет отражать большинство возможных эффектов подобного воздействия на разных живых существ.

Бактерий подвергали действию двух магнитных полей с одинаковой напряженностью 46,80 мкТл — геомагнитного и переменного электромагнитного. Поля имели частоту вращения 807 и 38,3 Гц соответственно, то есть совпадали с циклотронными частотами фосфора и ионов железа Fe³+. Фосфор встречается в соединениях, обеспечивающих клетку энергией, главное из них — аденозинтрифосфат (АТФ). Ионы Fe³+ образуют магниточувствительные включения в клетках бактерий и других живых существ. Теоретически магнитные поля влияют на организмы главным образом потому, что они влияют на фосфор и железо, входящие в состав критически важных для жизни молекул. Поэтому их нужно было «заставить вибрировать», чтобы прицельно посмотреть, какое влияние оказывают магнитные поля на ключевые процессы в клетках.

Авторы проводили две серии экспериментов. В одной на Rhodospirillum rubrum три дня воздействовали комбинированными магнитными полями в темноте и бескислородной атмосфере, когда фиксировать азот из воздуха они не могли и единственным источником электронов для них служили соединения азота. Во второй серии бактерий в течение того же времени подвергали аналогичному воздействию на свету. В этом случае микроорганизмы могли фотосинтезировать. Активность обмена веществ определяли по концентрации нитратов и Fe³+. Кроме экспериментальных групп микроорганизмов были и две контрольные. На них воздействовали только геомагнитным полем, в котором обитатели Земли находятся постоянно.

И в темноте, и на свету Rhodospirillum rubrum, подвергшиеся действию комбинированных магнитных полей, поглощали больше ионов железа из питательной среды, чем бактерии соответствующей контрольной группы. А лишенные возможности фотосинтезировать и поглощать кислород микроорганизмы использовали больше нитратов, если к ним применяли не только геомагнитное, но и переменное электромагнитное поле. Это означает, что в клетках микроорганизмов под действием комбинированных магнитных полей возникали магниточувствительные включения, а обмен веществ ускорялся. Включения можно было увидеть на ультратонких срезах бактериальных клеток с помощью трансмиссионной электронной микроскопии.

Авторы делают из собственной работы очень общие выводы. Они пишут, что воздействие комбинированных слабых магнитных полей изменяет активность процессов обмена веществ в клетках микроорганизмов. Какие конкретно ферменты при этом затрагиваются, пока непонятно.