Методические материалы, статьи

Великолепная пятерка

Талант — единственная новость, которая всегда нова.

Б. Пастернак

В октябре этого года Нобелевская премия по физиологии и медицине присуждена трем американским исследователям — Роберту Форчготту, Фериду Мьюрэду и Луису Игнарро — за открытие роли «оксида азота как сигнальной молекулы в сердечно-сосудистой системе». Читая газетные сообщения об очередных нобелевских лауреатах, невозможно представить себе, каким невероятно напряженным, сложным и одновременно великолепным маршрутом пришли они к этому дню. Какие блестящие спутники их сопровождали! Сколько интереснейших экспериментов ручейками влилось в общее русло и превратилось в бурное научное течение, которое сегодня называют «биологией оксида азота»! Об этом наш корреспондент Екатерина Павлова беседовала с доктором биологических наук, профессором А. Ф. Ваниным.

Форпост мировой науки.

В день нашей встречи в Институте химической физики отключили отопление. Мой собеседник, блистательный Анатолий Федорович Ванин, встретил меня на пороге своей лаборатории в пальто. Сама лаборатория размещалась в подвале института. Ох, умеют у нас «создать условия»! По длинному коридору мы прошли в самый дальний конец подвала — там кабинет заведующего лабораторией Ванина. Не было бы счастья, да несчастье помогло: приборы бездействовали, не рассчитанные на наши ноябрьские температуры, и времени для разговоров у нас было много.

Мне сразу бросилась в глаза длинная полка над письменным столом, вся плотно уставленная толстыми цветными скоросшивателями. В них — материалы исследований оксида азота. Ванин работает в этой области уже более тридцати лет. Любой студент-медик сегодня расскажет вам о роли оксида азота в кардиологии, но вряд ли назовет авторов этих исследований. Только после присуждения Нобелевской премии мы услышали о том, что, оказывается, среди ее лауреатов по праву мог бы быть наш, российский ученый — Анатолий Федорович Ванин.

Так как же все происходило на самом деле?

Шаг первый. Открытие аспиранта Ванина.

Еще лет пятнадцать — двадцать назад сама постановка вопроса об универсальной биологической роли оксида азота казалась дикой: оксид азота — сильнейший промышленный загрязнитель, его рассматривали исключительно с точки зрения вредности для всего живого: окисление оксида азота в атмосфере оборачивается кислотными дождями. Огромное его количество, содержащееся в табачном дыме, образует канцерогенные вещества. В общем, представить себе то, что известно сегодня, было невозможно, ноЕ 

Все началось в середине шестидесятых. В Институте химической физики сотрудник лаборатории Л. А. Блюменфельда Толя Ванин обнаружил сначала в дрожжевых клетках, а затем и в клетках животных загадочные «парамагнитные центры». Приборы регистрировали не известный до сих пор сигнал. Что за соединение его испускает?

Надо сказать, что в 60-е годы Россия в значительной степени опережала остальные страны в физико-химических и биохимических исследованиях, благодаря тому, что Е. П. Завойский изобрел способ изучения сложных соединений в электромагнитном поле — метод электронного парамагнитного резонанса (ЭПР). У нас в стране ЭПР вошел в биологию с легкой руки Блюменфельда. Сигналы ЭПР разных химических соединений весьма специфичны, что и делало метод Завойского очень удобным.

Так вот, непонятный сигнал был открыт именно этим методом.

Как в подобных случаях поступают биохимики? Они начинают выделять соединение в чистом виде, а потом физико-химическими методами определяют, что это такое. Таким путем пошли американцы и ничего толком не узнали, потому что при выделении неизвестного вещества необычные парамагнитные свойства исчезали, и единственное, что удалось предположить, — его возможную белковую природу.

Второй путь  — ''а если?'' Если попробовать найти соединение, которое дает точно такой же сигнал? С точки зрения западных ученых это была авантюра, но по свойствам «загадочной русской души» и по молодости лет Анатолий Ванин поступил именно так.

В это время американские химики показали, что сигналы ЭПР того же диапазона дают при комнатной температуре низкомолекулярные серосодержащие (тиоловые) комплексы железа с оксидом азота.

Поразмышляв над этим, Ванин понял, что их результаты имеют какое-то отношение к его собственной работе. В это время он уже установил, что полученные им сигналы связаны с белками, а точнее, с их тиоловыми группами.

И снова авантюрная на первый взгляд идея. При комнатной температуре белковые центры малоподвижны, этим определяются характеристики сигнала ЭПР. Что, если попробовать заморозить раствор соединений, которые исследовали американцы, и тем самым как бы приблизить их парамагнитные свойства к свойствам белка? Когда это было сделано, полученный сигнал совпал с тем, который обнаружил Ванин. Итак, замороженный раствор динитрозильного комплекса железа с тиолами дает точно такой же сигнал как, в биосистеме. Просто повезло? Нет, скорее это пример блестяще сработавшей научной интуиции.

Так или иначе, дорога открылась, стало ясно, что искомое соединение — какой-то тиолсодержащий белок, связывающий железо и оксид азота. Ванин начал изучать его по частям: воздействовать разными реагентами и на  железо, и на тиоловые группы, и на оксид азота. Исследования вели параллельно на модельных соединениях и на биосистемах. И все сходилось.

Подозрение пало на белки, функционирующие в митохондриях. Ведь если на них «сядет» NO, то в результате получится искомое соединение. Но это была ошибка. Оксид азота реагирует с железосерными белками довольно сложным образом и сам по себе не способен их разрушать с образованием динитрозильных комплексов железа. Через двадцать лет ту же ошибку сделали американцы, когда, в свою очередь, нашли уже известные Ванину комплексы. Вопрос остался открытым.

Очень скоро ученые снова вплотную столкнутся с этим загадочным соединением.

А пока в 1980 году Анатолий Федорович Ванин защищает докторскую диссертацию, в которой показывает, что оксид азота действительно включается в ткани животных и может существовать в клеточных системах, что он способен влиять на статус и обмен железа в организме и предполагает, что возможно образование NO в организме без поступления его извне. Это предположение не давало ему покоя, мысль о том, что в живых системах есть какие-то собственные источники NO с течением времени казалась все более правдоподобной.

Догадка Ферида Мьюрэда

Уже в середине 70-х годов начали появляться работы, в которых сообщалось, что оксид азота способен активировать гуанилатциклазу — важнейший фермент, связывающий гормональные воздействия на клетку с внутриклеточными процессами.

Это были исследования американца Ферида Мьюрэда. Они стояли в цепи изучения многих межклеточных передатчиков. Совершенно неожиданно оказалось, что гуанилатциклаза, в отличие от других подобных ферментов, может функционировать в растворимом состоянии, то есть не нуждается в рецепторах, на которые бы воздействовал гормон или иное биологически активное вещество. Что же заставляет ее работать? Теперь осталось только удивляться и гадать, каким образом Мьюрэд так быстро понял, что гуанилатциклаза активируется нитро- и нитрозосоединениями, вызывающими расслабление сосудов. Но, поняв, он немедленно предположил, что эти соединения выделяют оксид азота, именно он и является их активным началом. Эксперименты полностью подтвердили его предположение, оказалось, что оксид азота сам по себе вызывает расслабление сосудов. Таким образом была разгадана более чем столетняя загадка механизма действия нитроглицерина.

Вот тут уже Анатолий Федорович Ванин полностью осознал всю важность собственных исследований и начал проверять действие нитрозильных комплексов железа как доноров NO. В 1985 году ему удалось показать, что эти соединения обладают мощным гипотензивным действием, причем в отличие от других препаратов не вызывают резких перепадов давления. По сути дела, Ванин изобрел новое лекарство, безвредное и очень эффективное. К концу 80-х стало очевидно, что наше государство не в состоянии запустить его в производство.

Его величество Случай

Однако все изученные соединения попадали в организм извне. Возникает ли оксид азота как естественный продукт обмена веществ, было по-прежнему неизвестно. Кроме Ванина, такую возможность предполагал и Мьюрэд. И уже в 1980 году произошло открытие, подтвердившее их правоту.

Роберт Форчготт, американский физиолог и биохимик, обнаружил, что один из передатчиков нервной системы, ацетилхолин, вызывает расслабление изолированных сосудов. Обычно ацетилхолин, воздействуя на гладкую мускулатуру сосудов в эксперименте, наоборот, сокращал их. Что касается эндотелиального слоя — клеток, выстилающих внутреннюю поверхность сосудов, — ему отводили роль механического барьера, который защищает гладкомышечные клетки от повреждений. Поэтому в опытах по изучению сократительного действия ацетилхолина, эндотелиальный слой всегда удаляли.

Однажды, из-за невнимательности молодых сотрудников Форчготта, эндотелиальный слой клеток случайно сохранился на подготовленном препарате. И когда стали добавлять ацетилхолин, вдруг вместо ожидаемого сокращения началось чрезвычайно сильное расслабление сосудов. Естественно, Форчготт быстро сообразил, что все дело в эндотелии, выделяющем некое вещество, которое и расслабляет сосуды. Доказал он это в изящном эксперименте. Расположив два препарата друг под другом — один с эндотелиальным слоем, а другой — содержащий только глакомышечные клетки сосудов, он капал на них ацетилхолин. Стекая с первого препарата на второй, капля вызывала эффективное расслабление сосуда. Роберт Форчготт открыл «эндотелиальный фактор релаксации сосудов» (ЭФР).

ЭФР оказался очень короткоживущим, что можно было определить, меняя расстояние между препаратами, а следовательно, и время пролета капли от препарата-донора ЭФР к препарату-акцептору. Но что же это такое? Вот тут-то мы и вспомним «парамагнитные центры», открытые аспирантом Ваниным.

Анатолий Ванин и Роберт Форчготт познакомились в 1989 году в Москве. Они встретились во Всесоюзном кардиологическом научном центре. Пораженный результатами своего коллеги, Форчготт предложил Ванину поработать в Лондоне, тот предложение принял. Всем, кто окружал Анатолия Федоровича в те годы и окружает его сейчас, понятно, что проводимые им исследования — «нобелевского» уровня, не понял этого только сам нобелевский комитет: Анатолий Ванин не попал в число лауреатов.

К середине 80-х, благодаря работам Мьюрэда, очень большое количество исследователей уже занималось определением влияния оксида азота на расслабление сосудов. В том числе активно работал и Луис Игнарро. Разговоры о биологической роли оксида азота густо наполнили атмосферу в научных кругах. Научный мир был подготовлен к восприятию новых открытий. И вот началосьЕ

Уже в 1985 году А. Ф. Ванин делает предположение, что ЭФР имеет прямое отношение к NO, и говорит об этом публично. Но его статья, написанная в соавторстве с Натальей Александровной Медведевой отправленная в «Бюллетень экспериментальной биологии и медицины», провалялась там три года и вышла, датированная годом публикации, а не годом сдачи ее в редакцию!

Тем временем в 1986 году Р. Форчготт на одной из конференций сообщает результаты своих исследований, в которых сравнивает расслабляющее действие оксида азота и ЭФР и влияние на них разных ингибиторов. Например, гемоглобин подавляет действие NO, поскольку связывает его. Исходя из многочисленных сравнений, Форчготт предполагает, что ЭФР и NO  — это одно и то же.

В том же году такую же мысль на другой конференции высказывает и Луис Игнарро.

В 1987 году Сальвадор Монкада, молодой талантливый исследователь, приехавший из Латинской Америки работать в Лондон, находясь под впечатлением результатов Форчготта и Игнарро, проводит биохимический анализ ЭФР. Ему удается показать, что окись азота действительно входит в состав ЭФР. Более того, судя по его данным, введение в организм одинакового количества ЭФР и NO дает одинаковые результаты. Казалось бы, их идентичность доказана.

Его статья о природе ЭФР, опубликованная в «Nature», в течение десяти последующих лет была процитирована более пяти тысяч раз. Его «нобелевское будущее» представлялось бесспорным. Наступил 1998 год иЕ имени Сальвадора Монкады тоже не оказалось в списке нобелевских лауреатов. Но вернемся назад, в 80-е годы.

«Ловушка» для оксида азота

Исследования оксида азота развивались стремительно, назрела острая необходимость научиться определять его наличие в организме не косвенным путем, а напрямую. В 1984 году А. Ф. Ванин предложил такой метод. Препарат для лечения алкоголиков — тетурам — вместе с железом образовывал комплексы, которые жадно ловили оксид азота в организме, давая при этом характерные сигналы ЭПР. В начале девяностых годов, работая в Германии, А. Ф. Ванин еще раз повторил все эксперименты с «ловушкой» NO и показал, что свободный оксид азота — непосредственный продукт работы ферментов NO-синтаз. Это был чрезвычайно важный результат.

Метод стал быстро распространяться. Он позволил установить наличие собственного оксида азота в организме. Выяснилось, что NO производится непрерывно ферментативным путем из аминокислоты L-аргинина.

Анатолий Федорович Ванин выступает в Лондоне на первой конференции, посвященной биологической роли оксида азота. В сборнике конференции опубликована его статья, в которой он утверждает, что оксид азота не идентичен ЭФР, но «гвоздь программы» — сообщение главного организатора конференции Сальвадора Монкады, доказывающее обратное. Вечером на банкете к Анатолию Федоровичу подходили участники конференции и тихо говорили: «Конечно, ЭФР — это — не NO, конечноЕэто какое-то соединение, которое его переносит». Ванин публикует статью, в которой пишет, что ЭФР — это комплексы железа с оксидом азота. Статья вызывает огромный интерес. Затем он усложняет свою гипотезу, предположив, что ЭФР представляет собой «компот» из нитрозотиолов, нитрозильных комплексов железа и оксида азота. Не с этим ли «компотом» имел дело аспирант Толя Ванин в шестидесятые годы?

И что скажет о природе «эндотелиального фактора» Роберт Форчготт в Нобелевской речи? Ведь он получил премию в том числе и за идею идентичности ЭФР оксиду азота! Когда выйдет этот номер журнала, он уже объявит свое мнение.

Наука XXI века — биология оксида азота.

Довольно давно и совершенно независимо от будущих нобелевских лауреатов ученые изучали, как работают макрофаги и нейтрофилы  — клетки, ответственные за поддержание иммунитета. В 70-е годы было обнаружено, что активность макрофагов связана с накоплением нитритов и нитратов во внеклеточной среде. Начала приоткрываться природа клеточного иммунитета, то, каким образом макрофаги и нейтрофилы убивают клетки-мишени (бактерии, злокачественные клетки). Уже в 1983 году ученые предположили, что орудием макрофагов служит оксид азота. Большое количество оксида азота действительно может убивать клетки-мишени. При очень сильном его избытке погибают и сами клетки-макрофаги, более защищенные, чем другие.

Опираясь на данные о роли оксида азота в сосудистой системе, в 1988 году английский исследователь Герсвэйт выяснил, что специально обработанные тонкие срезы мозга расслабляют сосуды, то есть выделяют ЭФР-подобный фактор. Потом узнали, что, действительно, центральная нервная система вырабатывает оксид азота. И он совершенно необходим, в частности, для формирования долговременной памяти, а ведь она лежит в основе мышления. Около десяти процентов нейронов в мозгу имеют ферменты, способные высвобождать оксид азота из разных химических соединений.

При действии биологически активных веществ фермент, вызывающий продукцию оксида азота, может появиться где угодно, например, в иммунной системе мозга. Громадный синтез оксида азота в этой системе приводит к тому, что мозг начинает отмирать, клетки разрушаются — это основа многих заболеваний.

Но NO может регулировать и процесс апоптоза — запрограммированную гибель клеток. Апоптоз — один из путей предотвращения онкологических заболеваний, наш собственный механизм «выбраковки» злокачественных клеток. Причем в малых дозах оксид азота его подавляет, а в больших — усиливает. Таким образом, вызывая гибель клеток, в одних случаях он приносит вред, а в других — оказывается спасительной соломинкой.

Вегетативная нервная система тоже производит оксид азота. Он выделяется в синапсах, нервных окончаниях, иннервирующих разные органы. Разработка этого направления привела к созданию виагры — действенного средства против импотенции.

Интересное направление касается способности оксида азота воздействовать на геном. По-видимому, он влияет на белки, активирующие или репрессирующие те или иные гены. Причем это влияние осуществляется не только на уровне транскрипции, то есть непосредственно в геноме, но и на уровне трансляции, то есть на уровне рибосом. Оксид азота может подавлять фермент, ответственный за синтез ДНК.

В последние семь — восемь лет молекулярные биологи буквально набросились на оксид азота. Биологической роли NO посвящается около четырех тысяч статей в год. Теперь уже совершенно очевидно, что это — не только универсальный регулятор процессов жизнедеятельности, но и эффектор иммунной системы. Сегодня трудно найти метаболические пути, к которым бы оксид азота не имел отношения. Но проблема состоит в том, что до сих пор не до конца ясно, в какой форме оксид азота действует, в какой форме путешествует по организму.

Пятеро ученых — А. Ванин, Л. Игнарро, С. Монкада, Ф. Мьюрэд и Р. Форчготт — смелыми идеями и удивительными экспериментами сформировали новое направление — биологию оксида азота. Все они хорошо знакомы друг с другом, хотя движутся в науке разными путями, они ошибаются и делают открытия. И пусть двое из пяти не стали лауреатами нобелевской премии, для настоящих ученых не это — главное, есть вещи поважнее. Да и может ли  официальное признание быть мерилом истины? Исследования «великолепной пятерки» продолжаются.

Андрей Маленков — Неожиданные плоды Нобелевской премии

Современному научному сообществу очень не хватает объективной информации о том, как развивались идеи. В Российской Академии естественных наук возникла мысль создать информационный банк истории идей, который можно изучать, пополнять и развивать через «Интернет». Это в значительной мере уменьшит желание людей необъективно отражать свои успехи, потому что станет ясно, кто сказал «А», кто сказал «Б». Такой банк идей представляет очень большой интерес и, в частности, как мне кажется, поможет расчистить нравственный климат в науке, который сейчас далеко не идеален.

Один из примеров — история выяснения роли окиси азота. Ведь это вещество очень трудноуловимое, оно существует какие-то мгновения, и нужны специальные «ловушки», чтобы его обнаружить, — в этом залог успеха. Так вот метод аналитического определения окиси азота разработал А.Ф. Ванин. То, что его работы — первые, знали все, кто общался с Анатолием Федоровичем. Он много выступал на международных симпозиумах, конференциях.

Мы как-то не привыкли мыслить категориями нобелевских премий, тем не менее было понятно, что его работа примерно такого уровня. Об этом не говорили, пока не произошло вручение Нобелевской премии 1998 года. Вот тут-то стало немного обидно, ведь лауреаты начали свои исследования значительно позже. Не знаю, как насчет присуждения премии, но упомянуть работы Ванина нужно было хотя бы из приличия, ведь он опередил всех примерно на десять лет. Эта ситуация и подстегнула меня взяться за давно вынашиваемые планы создания банка истории идей. Тогда у мировой научной общественности будет возможность скорректировать свои действия, хотя, конечно, главная цель проекта не в этом.

Наши ученые не получают нобелевских премий по двум причинам. Во-первых, у нашей науки немного другое амплуа. Наша наука — синтетическая, а их — более конкретная. Еще Николай Владимирович Тимофеев-Ресовский говорил, что если эту работу может сделать немец, никогда ее не делай. Тут нет ничего обидного для немцев. Дело в том, что романо-германский мир в большей мере использует аналитический подход, а синтетический там развит очень слабо. В этом смысле их работы «плоскостные». Ведь исследований, сопоставимых по масштабу с исследованиями Вернадского, Чижевского, Докучаева, там нет. Но в ближайшем будущем как раз такая наука и будет востребована.

Вторая причина в том, что в области чисто аналитических исследований нашим ученым трудно соперничать с Западом из-за отставания приборной базы и особенно в реактивах.

Наша Академия естественных наук очень хорошо относится к нобелевскому движению, но ведь можно учредить и другую премию. История с Ваниным — далеко не единственный случай, когда нобелевский комитет «забывает» о российских ученых.

Екатерина Демидова



См. также:
Доставка воды в городе Жуковский
Шоу на детский праздник - организация и оформление
ПРОЕКТ
осуществляется
при поддержке

Окружной ресурсный центр информационных технологий (ОРЦИТ) СЗОУО г. Москвы Академия повышения квалификации и профессиональной переподготовки работников образования (АПКиППРО) АСКОН - разработчик САПР КОМПАС-3D. Группа компаний. Коломенский государственный педагогический институт (КГПИ) Информационные технологии в образовании. Международная конференция-выставка Издательский дом "СОЛОН-Пресс" Отраслевой фонд алгоритмов и программ ФГНУ "Государственный координационный центр информационных технологий" Еженедельник Издательского дома "1 сентября"  "Информатика" Московский  институт открытого образования (МИОО) Московский городской педагогический университет (МГПУ)
ГЛАВНАЯ
Участие вовсех направлениях олимпиады бесплатное
купить видеонаблюдение SAF-395C600IR (цвет, ИК Ден. . . Подробнее. SAF-ZP650/30 (уличная, купо. . .

Номинант Примии Рунета 2007

Всероссийский Интернет-педсовет - 2005