Быстро и в каплях: технология поиска новых биопрепаратов

Наука и жизньНаука

Вести из институтов, лабораторий и экспедиций

Лауреаты премии Правительства Москвы молодым учёным 2019 года

Премия Правительства Москвы молодым учёным, работающим в научных центрах и университетах столицы, вручается уже в седьмой раз. Лауреатами конкурса становятся исследователи моложе 36 лет (для докторов наук граница 40 лет). Сейчас премия присуждается в 22 номинациях, включая достижения в фундаментальных и прикладных исследованиях в области естественных и гуманитарных наук, а также за разработку и внедрение новых технологий. Лауреаты в каждой номинации получают по 2 миллиона рублей; если премия присуждается научному коллективу, тогда сумма делится поровну между исследователями. В феврале 2020 года состоялось вручение премий за 2019 год, а с 20 апреля по 10 июля 2020 года открыт приём новых заявок на участие в конкурсе за 2020 год (подробности: https://nauka.mos.ru).

В прошлом номере журнал рассказывал о работе двух лауреатов 2019 года, Сергея Ильина и Антона Лядова из Института нефтехимического синтеза им. А. В. Топчиева РАН, создавших низкотемпературную биоразлагаемую смазку на основе целлюлозы и её производных (см. «Наука и жизнь» № 5, 2019 г.). Представляем работы ещё нескольких лауреатов конкурса.

Быстро и в каплях: технология поиска новых биопрепаратов

Борьба с коронавирусной инфекцией приковала к себе внимание всего земного шара, но это совсем не повод забыть о других патогенах, которые могут представлять опасность для человечества. Микроорганизмы, а это и вирусы, и бактерии, и грибы, и некоторые другие формы жизни — вся эта мелкая братия, что называется, не дремлет и, как любое живое существо, эволюционирует, приспосабливаясь к меняющимся условиям окружающей среды. Один из таких факторов изменчивости — сам человек, точнее его борьба против микробов. Чтобы не умирать от инфекций, вызванных бактериями, или не умереть от голода, если инфекции поразят сельскохозяйственные культуры или животных, мы широко используем антибиотики. Ответом на это стало возникновение и распространение бактерий, устойчивых к традиционным антибиотикам. К тому же разные микроорганизмы могут передавать друг другу устойчивость к антибиотикам благодаря такому эффекту, как горизонтальный перенос генов. В результате меньше чем за век с начала широкого использования антибактериальных препаратов мы столкнулись с новой проблемой, грозящей поставить жирную точку золотому веку антибиотиков — антибиотикорезистентностью, или, что то же самое, устойчивостью к антибиотикам (см. «Назад в доантибиотиковую эру?», «Наука и жизнь» № 5, 2019 г.).

Принципиальная схема поиска антибиотической активности с помощью технологии высоко-
производительного скрининга: 1) отбор проб, содержащих бактериальное сообщество; 2) ин-
капсуляция в каплях эмульсии индивидуальных клеток вместе с клетками-мишенями; 3) рост
колоний бактерий в изолированных каплях; 4) отбор с помощью микрофлюидной технологии
капель с колониями, в которых «дикие» бактерии подавили рост бактерий-мишеней. Именно
в них находятся интересующие исследователей бактерии-«убийцы» со способностью продуцировать антибиотики. 

В самой антибиотикорезистентности нет ничего нового — большинство антибиотиков представляют собой природное «оружие», которое разные микроорганизмы используют против бактерий (например, грибы против бактерий, бактерии против других бактерий и т. д.). Соответственно у тех же бактерий существуют эволюционно выработанные механизмы химического нападения и защиты. Проблема заключается в том, что человек, если так можно выразиться, ввязался в «чужую» войну, взяв химические вещества, вырабатываемые одними микроорганизмами, чтобы использовать их против других, опасных для себя возбудителей болезней. Разумеется, те вторые ответили ускоренной эволюцией методов защиты и их передачей своим «братьям по оружию».

Одержать окончательную победу в этой эволюционной гонке не получится, но неплохо попытаться быть на шаг или хотя бы на полшага впереди и иметь в кармане новый антибиотик, когда старый уже утратит свою силу. Для этого нужно уметь находить новые средства борьбы быстрее, чем бактерии успевают к ним адаптироваться. Большинство современных антибиотиков обязаны своим появлением простому и эффективному методу, получившему название «платформа Ваксмана» (по имени первооткрывателя стрептомицина Зельмана Ваксмана). Его суть в том, что на слой питательной среды высевались бактерии из почвы, а затем поверх первого слоя заливался второй, в который уже высевали бактерии-мишени. Если в слое, где росли колонии бактерий-мишеней образовывалась зона просветления, то есть бактерии росли плохо или вовсе погибали, это означало, что какая-то бактерия из нижнего питательного слоя вырабатывала вещество-антибиотик, отравляя жизнь «соседям» сверху. Дальше задача состоит в том, чтобы выделить полезную бактерию и определить действующее вещество. Однако с помощью такого метода можно находить только хорошо культивируемые бактерии, к тому же вырабатывающие антибиотики в больших количествах. Собственно, их довольно быстро и нашли, а вот дальше так искать стало сложнее.

Помочь в поиске новых антибиотиков могут методы высокопроизводительного скрининга, позволяющие в автоматическом режиме исследовать миллионы различных вариантов взаимодействия в биохимических системах. За разработку микрофлюидных технологий и методов синтетической биологии для ультравысокопроизводительного скрининга на уровне единичных живых клеток, которая может быть использована в том числе для поиска новых антибиотиков, двое исследователей, доктор химических наук Илья Андреевич Остерман и кандидат химических наук Станислав Сергеевич Терехов, получили в феврале 2020 года премию Правительства Москвы молодым учёным за 2019 год. Илья Остерман — выпускник химфака МГУ им. М. В. Ломоносова, в настоящее время совмещает должности главного научного сотрудника Центра наук о жизни Сколтеха и старшего научного сотрудника на кафедре химии природных соединений химического факультета МГУ. Станислав Терехов — научный сотрудник Лаборатории биоинформационных методов комбинаторной химии и биологии Института биоорганической химии им. академиков М. М. Шемякина и Ю. А. Овчинникова. Так как же устроена эта технология и какие результаты с её помощью можно получить?

Основа метода — помещение индивидуальной живой клетки, например, бактерии, в каплю жидкости, которая становится для неё своеобразным домом, говоря по-современному — клетку принуждают к «самоизоляции». Сама же капля не висит в воздухе и не лежит на поверхности, а находится в другой жидкости — вместе они образуют микрофлюидную эмульсию. Система подобна той, что образуется, если встряхнуть смесь масла и воды: в одной жидкости начинают плавать капли другой. В зависимости от условий можно получать эмульсии с очень малым размером таких капель. Чтобы клетка «не скучала» на самоизоляции, в её каплю-дом можно подселить соседа — бактерию-мишень. Тогда, если первая бактерия умеет делать антибиотики, действующие против бактерий-мишеней, то в таких каплях бактерии-мишени не будут размножаться. Подсмотреть за тем, что происходит в каждой отдельной капле, можно с помощью флуоресцентных маркеров — белков, которые светятся при облучении лазером с определённой длиной волны. Например, если в капле размножается бактерия, производящая флуоресцентный белок, то она будет светиться под лазером зелёным светом, а вслед и вся капля спустя некоторое время будет светиться зелёным. Если же рост этих бактерий подавляется токсичной бактерией-соседкой, тогда зелёного свечения у капли не будет. Это самый простой случай, на деле, как правило, используется несколько красителей, и информации о жизни внутри капли получается больше.

Метод помогает создавать огромное количество таких капель и с очень большой скоростью их исследовать, пропуская поток эмульсии через специальное устройство — микрофлюидный чип. В нём капли выстраиваются друг за дружкой, поэтому можно не просто просветить лазером каждую каплю в отдельности, но даже отсортировать капли в зависимости от того, что мы в них увидим, и подвергнуть их дальнейшему анализу — изучить их геном и т. д. Например, отобрать капли, в которых один вид бактерий подавил рост других. За одну секунду можно проанализировать до 30 000 отдельных капель. Легко посчитать, что на скрининг миллиона капель потребуется чуть больше половины минуты, а для миллиарда капель — порядка 10 часов. С помощью такой технологии можно не только изучать, как бактерии подавляют друг друга, используя антибиотики, но и оценивать воздействие лекарственных препаратов на бактериальные сообщества или использовать скрининг для направленной эволюции ферментов.

В ходе работы исследователями была разработана система для высокопроизводительного поиска новых антибиотиков с одновременным определением механизма их действия, получившая название pDualrep2. Антибиотики могут как убивать бактериальные клетки, например, разрушая клеточные стенки, так и тормозить их рост и размножение, облегчая организму борьбу с инфекцией силами собственного иммунитета. Мешать бактериальной клетке жить и плодиться можно разными способами, но примерно половина известных антибиотиков делают это, вставляя палки в колёса одной из важнейших молекулярных машин клетки — рибосоме. В рибосоме происходит синтез необходимых клетке белков, соответственно, если антибиотиком «испортить» рибосому, то и вся бактерия на некоторое время выйдет из строя. С помощью биохимической системы pDualrep2 можно в высокопроизводительном режиме определить, какое из тестируемых веществ действует как антибиотик, и работает ли оно по принципу «остановки» рибосомы. В ходе исследований были найдены несколько новых ингибиторов синтеза белка. Например, клебсазолицин — новый пептидный антибиотик, вырабатываемый штаммом бактерии Klebsiella, закупоривает туннель, через который пептид покидает рибосому.

Авторизуйтесь, чтобы продолжить чтение. Это быстро и бесплатно.

Регистрируясь, я принимаю условия использования

Рекомендуемые статьи

Девушка года Playboy-2018» From Siberia with love Девушка года Playboy-2018» From Siberia with love

«Девушка года Playboy-2018»: Лидия Пономарева – из Сибири с любовью

Playboy
«Живопись — легальная взятка»: коллекционер Валерий Дудаков о вкусах бизнесменов 90-х «Живопись — легальная взятка»: коллекционер Валерий Дудаков о вкусах бизнесменов 90-х

Сколько тратили на искусство российские бизнесмены 1990-х?

Forbes
Индивидуальная мобилизация Индивидуальная мобилизация

Рынок электросамокатов быстро растет и срочно требует норм регулирования

Эксперт
«Цилокар»: все о новом летающем автомобиле из России «Цилокар»: все о новом летающем автомобиле из России

В России запустили проект необычного транспортного средства

РБК
Эффект Новой Земли, или История одного миража Эффект Новой Земли, или История одного миража

Эффект Новой Земли — так называется редкое оптическое явление

Наука и жизнь
«Много обещаний, мало результата»: почему беспилотники не стали повсеместным транспортом, как обещали разработчики «Много обещаний, мало результата»: почему беспилотники не стали повсеместным транспортом, как обещали разработчики

Времени и денег на создание безопасных машин нужно еще много

VC.RU
«Он Ленина на *** послал!» «Он Ленина на *** послал!»

Третьего ареста он ждал в 1937 году, однако его арестовали уже после ежовщины

Дилетант
Правила жизни Тима Рота Правила жизни Тима Рота

Правила жизни британского актера Тима Рота

Esquire
Лима, Перу Лима, Перу

Перу заслуженно сравнивают с Крымом

Maxim
Бургер после тренировки и запреты для беременных: разоблачаем мифы о фитнесе Бургер после тренировки и запреты для беременных: разоблачаем мифы о фитнесе

Мифы о фитнесе

Psychologies
Анатомия нидерландского алтаря Анатомия нидерландского алтаря

Алтарный триптих — один из самых узнаваемых форматов нидерландской живописи

Arzamas
Фантастические фотографии Юпитера в трех диапазонах световых волн Фантастические фотографии Юпитера в трех диапазонах световых волн

NOIRLab опубликовала потрясающие фотографии планеты-гиганта

Популярная механика
Торговля на Amazon: как заработать в американском интернет-магазине Торговля на Amazon: как заработать в американском интернет-магазине

E-commerce становится все более популярным бизнесом среди новых предпринимателей

СНОБ
Как избавиться от «пивного» живота мужчине: 6 простых советов, которые работают Как избавиться от «пивного» живота мужчине: 6 простых советов, которые работают

Причины появления «пивного живота»

Playboy
Главный по теплице. Интервью во время карантина Главный по теплице. Интервью во время карантина

Родриго де ла Калле — человек, который придумал термин «гастроботаника»

Bones
Почему спам называется спамом: неожиданная история популярного термина Почему спам называется спамом: неожиданная история популярного термина

Как название консервов превратилось в обозначение массово рассылки сообщений?

CHIP
Французский пасхальный пирог Французский пасхальный пирог

Le Tourteau Fromage – французский пасхальный пирог

Weekend
Что такое шоссейное-кольцевые гонки, и как устроен этот вид спорта? Что такое шоссейное-кольцевые гонки, и как устроен этот вид спорта?

Десять вопросов профессиональному гонщику

GQ
Кто есть кто: 10 лучших парикмахеров Петербурга Кто есть кто: 10 лучших парикмахеров Петербурга

Кто стрижет солистку Little Big Соню Таюрскую: лучшие парикмахеры Петербурга

Собака.ru
Вне зоны доступа Вне зоны доступа

Проверь – не забываешь ли ты ухаживать за «секретными» зонами лица и шеи

Лиза
Поехали к своим Поехали к своим

Где на Руси хорошо отдохнуть?

Robb Report
Лионелла Пырьева. О друзьях и недругах Лионелла Пырьева. О друзьях и недругах

Жизнь и профессия Лионеллы Пырьевой

Коллекция. Караван историй
Таруса, или куда поехать на выходные Таруса, или куда поехать на выходные

Таруса: так близко и так далеко одновременно

Seasons of life
Мария Смольникова: «Если я кого-то играю, все обретает смысл» Мария Смольникова: «Если я кого-то играю, все обретает смысл»

Мария Смольникова — о переходе в новый театр и работе с Дмитрием Крымовым

Эксперт
Почему современный асфальт портится быстрее, чем старый? Почему современный асфальт портится быстрее, чем старый?

Японские ученые нашли объяснение проблемам дорожных и строительных работ

National Geographic
Сомалийское побережье оказалось крупным перевалочным пунктом средневековой торговли Сомалийское побережье оказалось крупным перевалочным пунктом средневековой торговли

Археологи обнаружили крупные поставки импортных товаров для торговли

N+1
Любимые советские анекдоты Рональда Рейгана (в том числе рассказанные им самим) Любимые советские анекдоты Рональда Рейгана (в том числе рассказанные им самим)

Президент США Рональд Рейган и советские анекдоты: краткая история любви

Maxim
Почему вам пора заняться медитацией: полезный гид по практике осознанности Почему вам пора заняться медитацией: полезный гид по практике осознанности

Почему всем нам нужно начать медитировать?

GQ
Угли — всему голова Угли — всему голова

Наши предки не знали слова «барбекю», но мясо на костре жарили с удовольствием

Bones
Мальчик на мосту. О новом фильме Александра Молочникова «Скажи ей» Мальчик на мосту. О новом фильме Александра Молочникова «Скажи ей»

Новый фильм Александра Молочникова

СНОБ
Открыть в приложении