На пути к созданию искусственной крови

 Лауреаты премии имени выдающихся учёных

Ольга Ильинична НЕДАШКОВСКАЯ, Лариса Анатольевна БАЛАБАНОВА и Ирина Юрьевна БАКУНИНА

     Время от времени в открытой печати появляются сообщения о создании искусственной крови. Над проблемой создания крови на базе донорских эритроцитов, безопасной для трансфузии, более 40 лет продолжают работать учёные всего мира. Как показывает многолетний опыт учёных Тихоокеанского института биоорганической химии им. Г.Б. Елякова ДВО РАН, морские бактерии, которых можно назвать «фабриками» различных уникальных ферментов, приобретают возрастающее значение в решении этой проблемы.

В 2020 году Ирина Юрьевна Бакунина, ведущий научный сотрудник, доктор химических наук; Ольга Ильинична Недашковская, ведущий научный сотрудник, доктор химических наук; Лариса Анатольевна Балабанова, старший научный сотрудник, кандидат биологических наук (ТИБОХ ДВО РАН) стали лауреатами премии имени академика Г.Б. Елякова за цикл работ, связанный с изучением и практическим применением в медицине α-Гликозидаз морских бактерий, модифицирующих антигенную структуру эритроцитов.

Сегодня И.Ю. БАКУНИНА, О.И. НЕДАШКОВСКАЯ и Л.А. БАЛАБАНОВА у нас в гостях. Мы попросили их рассказать о себе, исследованиях и вкладе в цикл работ, за который удостоились премии.

Ирина Юрьевна БАКУНИНА:

– В 1973-м я окончила физический факультет Дальневосточного государственного университета и поступила на работу в ТИБОХ ДВО РАН, в должности старшего лаборанта. В 1986-м защитила диссертацию на соискание степени кандидата химических наук. В 2011-м – диссертацию на соискание степени доктора химических наук. Общий список опубликованных мною работ включает 150 наименований, в том числе 72 статьи и пять патентов РФ.

– Ирина Юрьевна, расскажите о целях и задачах цикла работ, выдвинутых на соискание премии ДВО РАН имени академика Г.Б. Елякова – за работы в области органической и биоорганической химии, благодаря которым вы и группа авторов стали лауреатами премии.

– О-Гликозидгидролазы – обширная группа ферментов класса гидролаз. Они катализируют гликолитические расщепление О-гликозидной связи в углеводах, углеводсодержащих биополимерах и гликоконъюгатах. Эти ферменты играют ключевую роль в углеводном обмене всех организмов. О-гликозидгидролазы находят применение в современной биотехнологии и биомедицине. Целью работы было изучение О-гликозидгидролаз из облигатно морских гетеротрофных бактерий, имеющих биотехнологический потенциал: α‑N‑ацетилгалактозаминидаз и α‑галактозидаз, инактивирующих серологическую активность эритроцитов групп крови А, В и АВ при нейтральных значениях рН. Исходя из цели, был сформулирован ряд задач: во-первых, поиск продуцентов ферментов среди морских бактерий; во-вторых, оптимизация культивирования штаммов-продуцентов, выделение и очистка ферментов, изучение их свойств, субстратной специфичности и механизма действия; в-третьих, установление первичной структуры бактериальных ферментов и, наконец, в-четвёртых, создание генноинженерных конструкций для получения рекомбинантных ферментов с требуемыми свойствами.

– Какие исследования были выполнены в рамках этого проекта? Предусматривалось ли участие в экспедициях?

– Исследование началось в экспедиции № 7 НИС «Академик Опарин» в 1988 году. Все выделенные микробиологами бактерии в этой и последующих экспедициях анализировались на содержание α‑N‑ацетилгалактозаминидаз и α‑галактозидаз. Всего нами был проведён скрининг около 3000 штаммов морских бактерий. Были найдены новые ферменты с уникальными свойствами в новых уникальных морских бактериях.

Поставленные задачи были успешно решены при сотрудничестве исследователей трёх специальностей: химика, микробиолога (Ольги Ильиничны Недашковской) и молекулярного биолога (Ларисы Анатольевны Балабановой). Следует отметить, что без соавторов, которые упомянуты во всех публикациях, эта работа также не могла быть успешно выполнена. Это – коллеги из Гематологического научного центра РАМН и Института органической химии РАН им. Н.Д. Зелинского (Москва) ныне покойный старший научный сотрудник, кандидат химических наук Роберт Августович Кульман и старший научный сотрудник, кандидат химических наук Леонид Михайлович Лихошерстов. (Однокурсники академика Юрия Семёновича Оводова). Наши работы в этом направлении поддерживали академик Георгий Борисович Еляков, доктор химических наук Людмила Алексеевна Елякова и ныне член-корреспондент РАН Валерий Викторович Михайлов. Позже, когда начались молекулярно-генетические исследования этих ферментов, работа перешла под покровительство кандидата биологических наук Валерия Александровича Рассказова.

– Какие результаты и в какие сроки были получены?

– В результате проделанной работы уже к 1994 году были найдены уникальные морские бактериальные продуценты, впервые выделены и охарактеризованы морские А- и В-ферменты. Это было очень тяжёлое время и для науки, и для всей страны. Но мы не прекращали исследования. К 2005 году были созданы генетические конструкции для получения высокоактивных рекомбинантных форм этих ферментов, показан высокий терапевтический потенциал морских α‑гликозидаз.

– В каких областях могут быть использованы результаты цикла работ?

– Подобные ферменты с хорошо охарактеризованной субстратной специфичностью могут использоваться в структурной химии углеводов, в трансфузионной медицине и трансплантологии.

– А в чём практическое значение?

– Наиболее важным достижением в медицине переливания крови и трансплантации тканей и органов стало открытие групп крови (0, А, В, АВ), сделанное в 1900 году Карлом Ландштайнером, австрийским и американским врачом, химиком, иммунологом, инфекционистом. За прорыв в исследованиях, касающихся безопасности переливания крови, он был заслуженно награждён Нобелевской премией в 1930-м.

При переливании крови с несоответствующей группой, возможны агглютинация (склеивание) и гемолиз (разрушение) эритроцитов. Агглютинацию вызывают антигены, цепочки углеводов определённой структуры, находящиеся на поверхности эритроцитов. Эритроциты группы 0 (I), не содержащие антигенов A и B, могут быть благополучно перелиты людям с любой группой крови. Таким образом, кровь группы 0 считается «универсальной».

В основе технологии ферментативного конвертирования донорской крови лежит обработка А-, В- и АВ-эритроцитов соответствующими ферментами. Ферменты удаляют иммунодоминантные остатки сахаров и ликвидируют серологическую активность этих красных клеток, конвертируя их в эритроциты группы 0. Красные клетки крови, обработанные по соответствующей технологии, авторы метода называют универсальными или конвертированными.

– Какими исследованиями планируете заниматься в ближайшие годы?

– Я всегда работала в рамках программы исследований лаборатории химии ферментов. Моими объектами были ферменты O-гликозидгидролазы из морских беспозвоночных или из морских бактерий, а также субстраты, превращение которых они катализировали. Каждый новый фермент – это целая неизведанная планета. Поэтому работать мне было всегда интересно.

Я уже давно вошла в пенсионный возраст. Но у меня остались незаконченные дела. Хотелось бы их завершить в ближайшие два года. Это касается гранта РФФИ, который профинансировали на 2021 год.

Ольга Ильинична НЕДАШКОВСКАЯ:

– В 1977 году я окончила биолого-почвенный факультет ДВГУ по специальности биолог-цитолог и поступила на работу в лабораторию медицинской географии Тихоокеанского института географии ДВНЦ АН СССР, в которой изучались природные очаги вируса клещевого энцефалита.

– Ольга Ильинична, как вы оказались в ТИБОХе?

– В 1985 году я прошла по конкурсу в группу микробиологии, которая позже была преобразована в лабораторию микробиологии. В ней и работаю в настоящее время. Задачами коллектива лаборатории являются изоляция морских бактерий из различных районов Мирового океана, изучение их биологической активности и метаболического потенциала, а также таксономического статуса новых изолятов.

Сотрудники лаборатории участвовали почти во всех рейсах НИС «Академик Опарин», в которых изолировали бактерии из разнообразных биологических объектов, включая беспозвоночных животных, водорослей, а также из проб морской воды и донных отложений. Для гарантированного хранения полученных штаммов бактерий была создана Коллекция морских микроорганизмов при ТИБОХ ДВО РАН, куратором которой был назначен заведующий лабораторией доктор биологических наук (в настоящее время – член-корреспондент РАН) В.В. Михайлов.

– Расскажите немного о ваших научных достижениях.

– В 1998 году я защитила кандидатскую диссертацию по теме «Биология и особенности распространения морских бактерий-продуцентов a-галактозидаз и a-N-ацетилгалактозаминидаз», в которой были представлены результаты поиска данных ферментов среди большого пула морских бактерий и охарактеризованы штаммы Pseudoalteromonas sp. KMM 701 Arenibacter latericius KMM 426^T, способные конвертировать клетки крови человека группы А и В в универсальную группу 0. Изучение пигментированных грамотрицательных культивируемых бактерий, ассоциированных с бурыми, зелёными и красными водорослями, а также с серым морским ежом Strongylocentrotus intermedius, показало их необычайное разнообразие и выявило значительное число неизвестных науке видов и родов. Полученные результаты легли в основу диссертации на соискание степени доктора биологических наук «Морские аэробные гетеротрофные бактерии типа Bacteroidetes», которая была защищена в 2007 году. Всего за время работы в ТИБОХе, мной в соавторстве с другими коллегами было опубликовано 219 работ, из них 135 статей в ведущих научных журналах мира, 41 глава в определителе бактерий Bergey's Manual of Systematics of Archaea and Bacteria и три патента РФ. Изучение бактерий морского происхождения вылилось в описание 73 новых видов, 23 новых родов и 2-х семейств, которые относятся к 4-м филумам домена Bacteria: Actinobacteria, Bacteroidetes, Firmicutes и Proteobacteria.

Лариса Анатольевна БАЛАБАНОВА:

– Несмотря на достижения в области исследования ферментов, катализирующих отщепление углеводных детерминант всех групп крови, остаются нерешёнными вопросы совместимости красных клеток крови с условиями работы этих ферментов и очистки крови от продуктов ферментативной реакции.

Для проведения комплексного исследования морских ферментов, способных конвертировать эритроциты крови группы А и В в эритроциты группы 0, надо было осваивать методы молекулярной биологии и генной инженерии, которые на момент открытия ферментов были мало кому известны на Дальнем Востоке.

– Как выходили из этого затруднительного положения?

– Какие-то навыки и знания пришлось перенимать у коллег из Института биоорганической химии им. М.М. Шемякина АН СССР, а какие-то самостоятельно вырабатывать на основании имеющихся литературных источников. На тот момент методы установления первичной структуры белков (нуклеотидной последовательности) и биоинформатический анализ кодирующих их последовательностей (структурных генов) были впервые применены именно к нашим гликозидгидролазам в лаборатории морской биохимии под руководством В.А. Рассказова в 2004 году. В те времена было лишь начало развития ДНК-технологий, которые позволяли расшифровывать последовательности небольших фрагментов генов на основе имеющейся информации об известных структурах и функциях белков, которой постепенно пополнялись международные интерактивные базы данных (GenBank, UniProt и пр). Прежде всего, предметом исследований являлись прокариотические и эукариотические белки наземного происхождения, которые имели низкую идентичность структуры с белками морского генеза, несмотря на выполнение схожих биологических функций в организмах.

Используя вырожденность генетического кода и наличие консервативных участков генов этих белков-ортологов (то есть гомологичных белков из других организмов) в их активных центрах удалось подобрать пары праймеров для синтеза фрагментов генов наших ферментов методом полимеразной цепной реакции. В некоторых белках смогли расшифровать аминокислотные последовательности N-конца белка методом аминокислотного секвенирования, что облегчило задачу конструирования праймеров, которые являлись более специфическими для генов наших белков.

– Сейчас ситуация изменилась к лучшему?

– Да, появились высокотехнологичные методы секвенирования полноразмерной геномной ДНК бактерий, что облегчает выделение кодирующей последовательности любого белка для получения его рекомбинантного аналога в любых количествах с целью изучения его свойств и областей применения.

Работа по масштабированию безопасных методов применения морских гликозидгидролаз в обработке крови, которую можно будет использовать в переливании, ещё не окончена. Надо привлекать молодых мотивированных специалистов и разного уровня инвестиции для успешного завершения задуманного. Более того, появилась возможность наладить биотехнологическое производство рекомбинантных ферментов, в том числе и полученных нами, на территории Приморского края благодаря программам развития отечественного производства. Одним из участников этого направления стала группа компаний «ОАО Арника» под руководством генерального директора Л.А. Текутьевой, которая также является соавтором наших публикаций.

– Благодарю вас, Ирина Юрьевна, Ольга Ильинична, Лариса Анатольевна за содержательную и познавательную беседу. Здоровья вам, успехов во всех начинаниях, новых научных побед. Продолжайте своими достижениями совершенствовать этот мир.

Фото Леонида МАКОГИНА