Лауреаты премии Правительства Москвы молодым учёным за 2022 год
Премии Правительства Москвы молодым учёным присуждаются за достижение выдающихся результатов фундаментальных и прикладных научных исследований в области естественных, технических и гуманитарных наук, а также за разработку и внедрение новых технологий, техники, приборов, оборудования, материалов и веществ, содействующих повышению эффективности деятельности в реальном секторе экономики и социальной сфере города Москвы. Премии по итогам конкурса 2022 года были присуждены в феврале 2023-го. Представляем работы нескольких лауреатов.
ДНК как биосенсор
Коронавирусная эпидемия вызвала всплеск интереса к молекулярным механизмам разных диагностических методов. Даже те, кто от этого далёк, знают, что такое полимеразная цепная реакция (ПЦР) и как устроены антитела. Вирус можно обнаружить косвенно, то есть по антителам, которые против него наработал иммунитет. Или же его можно обнаружить напрямую, то есть по его нуклеиновой кислоте, — и тогда используется ПЦР, или по его белкам — в этом случае нужны лабораторные антитела против вирусных белков. Естественно, у разных методов будет разная специфичность, разная чувствительность, разная скорость и разная стоимость.
Вообще проблемы специфичности, чувствительности, скорости и стоимости — это общие проблемы любых методов анализа, идёт ли речь о вирусе или о какой-то небольшой молекуле. Исследования доцента кафедры химии природных соединений химического факультета МГУ им. М. В. Ломоносова, доктора химических наук Елены Завьяловой и её коллег посвящены особой группе методов, которые можно использовать в биомедицинских целях и которые отличаются высокой чувствительностью и скоростью. Суть их в объединении аптамеров и гигантского комбинационного рассеяния света — и здесь, конечно, нужно хотя бы кратко пояснить, что это значит. Аптамерами называют короткие искусственно синтезированные нуклеиновые кислоты, длиной в несколько десятков нуклеотидов. Их специально конструируют так, чтобы они специфично связывались с другими молекулами. По сути, аптамеры работают как антитела. В антителах полипептидная цепь принимает такую пространственную форму, чтобы совпасть с пространственной формой какого-нибудь вирусного белка или клеточной стенки бактерии, липида и т. д. Структура «хватательной» части антител обеспечивает высокую специфичность «хватания», а физико-химические связи между антителом и схваченной молекулой получаются чрезвычайно прочными.
С аптамерами можно добиться того же самого, варьируя последовательность нуклеотидов. Здесь вступают в дело специальные методы расчёта пространственных структур и физико-химических взаимодействий: готовый аптамер должен изогнуться и скрутиться особым образом, чтобы крепко поймать именно то, что нужно. Аптамеры во многих отношениях выигрывают у антител. Синтезировать нуклеиновые кислоты проще, чем полипептиды, и рассчитать требуемую структуру нуклеиновой кислоты проще, чем структуру белка. Собственно, антитела никто и не синтезирует искусственно. Если требуется получить антитела против определённой молекулы, то эту молекулу вводят подопытному животному, чтобы его иммунитет сделал то, что нужно. Но далеко не все вещества способны настолько побеспокоить иммунитет, чтобы тот начал производить антитела. Некоторые же соединения просто токсичны и могут убить подопытное существо до того, как образуются антитела. В таких ситуациях аптамеры определённо выручают. Кроме того, их сравнительно просто модифицировать, пришивая к нуклеотидам те или иные химические группы. Эти модификации могут повлиять на то, как сильно аптамер взаимодействует со своей мишенью.
Но вот синтезирован нужный аптамер — как увидеть, что он провзаимодействовал с мишенью? И как оценить количество мишеней по их взаимодействию? Тут в дело вступает гигантское комбинационное рассеяние света. Комбинационное рассеяние иначе называют эффектом Рамана, или рассеянием Рамана. Когда свет (например, лазерный луч) падает на молекулы, он изменяет их состояние. Конечно, всё зависит от того, что это за молекулы и какая частота у светового излучения. Молекула может поглотить часть энергии света, а может отдать часть своей энергии фотонам, причём порции этой энергии будут строго соответствовать строению молекулы. Свет на молекулах будет рассеиваться, и наблюдая за рассеянным излучением, можно понять, какие энергетические события происходили между фотонами и молекулами вещества. В рассеянном излучении появятся спектральные линии, соответствующие тому веществу, на которое упал свет, — это и называется комбинационным рассеянием. На нём основана спектроскопия комбинационного рассеяния света (или рамановская спектроскопия) — один из мощнейших методов химического анализа.
Но выше говорилось не просто о комбинационном рассеянии, а о гигантском комбинационном рассеянии света. В англоязычной литературе его называют SERS — surface-enhanced Raman scattering, то есть усиленное поверхностью рамановское рассеяние. Имеется в виду вот что: эффект Рамана можно усилить, если анализируемое вещество будет лежать на металле или просто находиться очень близко к металлу. Например, есть кремниевая подложка с напылением из серебра, и вот на это серебро ложатся те молекулы, у которых надо снять рамановский спектр. Лазер попадает не только на интересующую исследователей молекулу, но и на металл рядом с ней. Металл реагирует на излучение, усиливая спектральный сигнал, который идёт от молекулы. Кстати, металл для усиления сигнала не обязательно должен быть в виде подложки, можно использовать коллоидные частицы — коллоид серебра получать значительно проще, что снижает стоимость метода. А прикрепить аптамеры к серебру можно через серу. К аптамерам во время синтеза добавляют тиоловую группу — особый химический хвостик с очень реакционноспособным атомом серы. В определённых условиях сера прикрепит аптамер к серебру — и получится аптамерный SERS-сенсор.
Теперь надо добавить к SERS-сенсору то, что должен схватить аптамер, — мишень. Сенсор без мишени и сенсор с мишенью будут давать разные сигналы. Рамановская спектроскопия чувствует пространственные изменения молекул. Любым аптамерам свойственна та или иная пространственная конфигурация, но если аптамер провзаимодействует со своей мишенью — например с вирусом, — его конфигурация слегка изменится, что и будет видно по рамановским спектрам. Эффективность метода можно усилить, если к аптамеру присоединить какую-нибудь небольшую молекулу, которая очень хорошо, очень ярко показывает себя в рамановской спектроскопии, — её называют рамановской краской. Когда аптамер свяжется с мишенью и изменит свою конфигурацию, то молекула-довесок передвинется относительно аптамера и металлической подложки под ним — соответственно, изменится рамановский сигнал.
Есть и другие варианты анализа, когда на металлической подложке формируются настоящие «бутерброды» из нескольких молекул. Например, на сидящие на металле аптамеры садятся вирусы, а потом к аптамерно-вирусному комплексу добавляются новые, свободноплавающие аптамеры, которые тоже связываются с вирусом. Но фокус в том, что свободноплавающие аптамеры сами связаны с рамановской краской. Эта краска вместе со вторыми аптамерами окажется в многослойном «бутерброде» из аптамеров и вирусов, и по её количеству можно будет оценить, сколько вирусов связал SERS-сенсор. Тут есть и другие варианты, но в самом общем виде суть одна: аптамеры и их мишени формируют большие комплексы, и эти комплексы мы видим по изменению сигнала рамановской спектроскопии. На самом деле и металлическое усиление сигнала, и аптамерные «бутерброды», и рамановские краски придумали не вчера. Тем не менее, даже используя все возможные хитрости, нельзя создать универсальный сенсор, который одинаково эффективно чувствовал бы что угодно, от мелких молекул-метаболитов до вирусов.
Аптамер синтезируется для конкретной мишени, причём его разборчивость можно регулировать как разными вариантами нуклеотидной последовательности самого аптамера, так и с помощью вышеупомянутых химических модификаций. Если перед аптамером окажутся несколько схожих молекул, то в зависимости от модификаций и вариантов последовательности он или будет взаимодействовать одинаково с ними со всеми, или будет выбирать что-то одно. С модификациями и разборчивостью (селективностью) аптамеров связаны некоторые важные результаты, полученные Еленой Завьяловой и её коллегами: стало понятно, как в принципе можно усилить сродство ДНК-аптамеров к белковым мишеням. Кроме того, работая с похожими друг на друга гемагглютининами* разных штаммов вируса гриппа А, исследователи создали аптамеры, нацеленные только на гемагглютинин определённого штамма.