Лаборатория биоэлектрохимии

Разработка методов молекулярно-генетической диагностики и контроля саногенеза здоровых людей

Современная медицинская практика носит реактивный характер. Ежегодные осмотры измеряют лишь несколько основных фенотипов и часто не могут предсказать возникновение серьезных угроз здоровью, таких как рак, слабоумие или воздействие патогенов. Вместо этого большинство заболеваний не выявляется до появления критических симптомов, что часто бывает слишком поздно для значимого или экономически эффективного медицинского вмешательства. Из-за недостатка данных нынешняя модель здравоохранения носит периодический характер и направлена на устранение симптомов заболевания в самом начале, а не на предотвращение или устранение основной этиологии. Cовременная медицина будет по-настоящему эффективной только тогда, когда она перейдет от реактивного лечения заболеваний к системе, построенной по правилу четырех “P” «предиктивность, превентивность, персонификация и взаимодействие». Чтобы совместить доступность носимых устройств с надежностью и качеством клинической медицины, необходим третий вариант, который обеспечит количественное измерение здоровья и механистическое понимание происхождения и прогрессирования заболеваний, а также позволит оценивать комплекс защитно-приспособительных механизмов, направленный на восстановление нарушенной саморегуляции организма, – саногенеза.

Гомеостаз представляет собой сложный динамический процесс, происходящий на всех структурных и функциональных уровнях организма и в различных органах и тканях для обеспечения жизнедеятельности организма и выполнения многочисленных функций, необходимых для нормальных биологических и продуктивных взаимоотношений с окружающей средой. Организм постоянно подвергается патогенным воздействиям, вызывающим патологические изменения в тканях, различные по степени и форме. Однако эти изменения устраняются защитными саногенетическими механизмами, предотвращающими трансформацию локальной патологии в болезнь. Патологический процесс трансформируется в болезнь только тогда, когда механизмы саногенеза становятся нарушенными или не достаточными, и организм не может функционировать в необходимой и оптимальной степени. В качестве меры уровня саногенеза здорового человека возможно использование физиологической устойчивости его организма, измеряемого как скорость восстановления после возмущающего патогенного воздействия [Gijzel, S. M. W. et al., J. Am. Geriatr. Soc. 2019; Whitson, H. E. et al., J. Gerontol. Series A: Biomed. Sci. Med. Sci. 2015.]. Установлена связь физиологической устойчивости и смертности [GM, O. R. et al. Crit. Care Med. 2016], таким образом, изменения ее показателей могут служить ранним предупреждающим признаком надвигающихся последствий для здоровья. Следовательно, для рационального проектирования, разработки и проверки эффективных мер здоровьесбережения необходимо лучшее количественное понимание сложной взаимосвязи между медленной динамикой физиологического состояния, устойчивостью и экспоненциальным ускорением заболеваемости с возрастом и смертности. Для этого требуется разработка методов оценки физиологической устойчивости организма здорового человека.

Мы предполагаем, что признаки здоровья — это не просто индикаторы жизненной силы, а, скорее, причинно связаны с поддержанием его гомеостаза. Нормальное состояние гомеостаза человека может быть представлено в виде набора измеримых вариативных параметров, изменение которых в допустимых пределах «индивидуальной нормы» не представляет опасности для здоровья. При длительном наблюдении за широким спектром параметров, включая физиологические и биохимические показатели, возможно методами статистического анализа выделить драйверные параметры, модулирующие изменение целой группы показателей «индивидуальной нормы».

Данная задача решается нами в рамках государственного задания «Разработка методов молекулярно-генетической диагностики и контроля саногенеза здоровых людей». Нами начато лонгитюдное исследование – наблюдения за изменениями специально отобранного набора молекулярно-генетических маркеров, клеточного скрининга, физиологических показателей здоровья и частотой заболеваемости здоровых добровольцев. Кроме того мы также планируем использовать метод оценки физиологической устойчивости [Pyrkov T.V. et al, Nat Comm 2021]. На основе большой базы данных результатов общего анализа крови, используя методы машинного обучения, удалось выделить динамический индикатор состояния организма, показатель которого коррелировал с возрастом и количеством хронических заболеваний человека. Мы используем аналогичный подход, применяя его к базе данных общего клинического анализа крови человека, полученных в период с 2016 по настоящее время в не менее трех различных географических областях РФ.

Наномеханика липидного бислоя в процессах его топологической перестройки (деление и слияние биологических мембран) в норме и при патологии и липид-белковые взаимодействия, ответственные за морфогенез биологических мембран

Установлено, что целый ряд патологий, таких как болезнь Шарко-Мари-Тута, мальабсорбция, различные нейро- и миопатии, шизофрения, болезнь Альцгеймера, болезнь Гентингтона связаны с нарушениями деления и слияния мембранных компартментов в различных процессах, включая эндоцитоз, внутриклеточный транспорт, деление органелл, слияние синаптических пузырьков. В некоторых случаях это видно в образовании органелл и компартментов неправильной формы и с дефектными функциями. За деление/слияние мембран отвечают специализированные белки, чья функциональная активность сводится к созданию сильно искривленных мембранных структур, в которых, по неизвестной пока причине, происходит дестабилизация липидного бислоя и последующая его реорганизация – объединение двух бислоев в один, или, разделение одного на два. При этом крайне важно сохранение барьерных свойств липидного бислоя. Предполагается, что именно формирование проводящих дефектов в мембранах при их большой изгибной деформации, в том числе во время слияния и деления, может быть причиной возникновения или развития патологии. Нормализация процессов топологической перестройки мембран может являться одним из способов борьбы с вышеуказанными заболеваниями. И, наоборот, противодействие нормальной работе вирусных белков слияния – путь к предотвращению инфицирования клетки оболочечными вирусами (вирусы гепатитов В и С, вирусы гриппа, коронавирусы). Наше понимание принципов работы и эволюционного развития белков, специализирующихся на перестройке мембран, равно как и причин патологий, ассоциированных с нарушением работы этих белков или нарушением липидного гомеостаза, невозможно без количественного знания о пределе устойчивости/прочности липидного бислоя при изгибе, о характере его упругости при экстремальных значениях его геометрической кривизны; без представлений о молекулярных механизмах, ведущих к потери им структурной стабильности и роли липидного состава в этом процессе. В нашей лаборатории мы разрабатываем тест-систему для оценки изгибной прочности липидного бислоя, выявляем физические факторы, которые индуцируют потерю его структурной устойчивости при изгибе, и молекулярные пути его последующей топологической реорганизации и стараемся определить роль липидного состава и ионного окружения в данном процессе. Получаемые нами знания о фундаментальных свойствах липидного бислоя как материала имеют универсальный характер и, следовательно, являются важными для понимания работы любого белка, ответственного за морфогенез клеточных мембран. Определение связи между физико-химическими свойствами мембраны и молекулярными механизмами работы белков, ответственных за морфогенез клеточных мембран, равно как и определение траекторий структурной реорганизации липидного бислоя в норме и патологии необходимо для качественного перехода к персонализированной медицине и высокотехнологичному здравоохранению, когда речь идет о заболеваниях, ассоциированных с патологическими изменениями формы клеточных органелл.

На примере белка S (spike, белок шипа) вируса SARS-CoV-2 мы определяем детерминанты эффективности работы белков слияния/деления мембран, а именно пытаемся установить, какие именно изменения физико-химических свойств липидного бислоя должны быть индуцированы белками, чтобы вызвать его локальную дестабилизацию и структурную перестройку по заданному пути (с сохранением барьерных свойств липидного бислоя). Мы используем модельные системы слияния мембран с вирусоподобными частицами, собранными из структурных белков вируса SARS-CoV-2, для проведения рационального поиска потенциальных ингибиторов вирусного слияния среди природных полифенолов и коротких пептидов, способных растворяться в липидном бислое и, тем самым, оказывать влияние на его упругие и прочностные характеристики. В случае успеха мы сможем предложить новое стратегическое направление в поиске и разработке терапевтических средств, направленных на борьбу не только с SARS-CoV-2, но и с большим количеством других коронавирусов, в силу высокой консервативности пептидов слияния в них.

Разработка экспериментальной платформы для поиска антибиотиков нового поколения к лекарственно-устойчивому золотистому стафилококку

В рамках данного проекта создается суперпродуцент РНК полимеразы S. aureus на базе E. coli. Получение большого количества РНК полимеразы S. aureus необходимо для кристаллизации этого белка и решения его трёхмерной структуры с помощью рентгеноструктурного анализа. Данная система позволит получать комплексы РНК полимеразы S. aureus с низкомолекулярными соединениями, обладающими антимикробной активностью. Решение трёхмерных структур таких комплексов позволит осуществлять направленную разработку высокоспецифичных антибиотиков нового поколения активных в отношении золотистого стафилококка и родственных бактериальных патогенов.

Исследование механизмов транскрипционного мутагенеза у эукариот

Мутации, связанные с включением РНК полимеразой неправильных нуклеозидов, с некоторой частотой встречаются во всех клеточных РНК. Частота таких ошибок считается невысокой для общего пула РНК, однако для некоторых клеточных РНК доля молекул с мутациями может быть значительной. Известно, что точность транскрипции варьирует в зависимости от последовательности транскрибируемой ДНК и физиологического состояния клетки. Повышенная частота транскрипционных мутаций наблюдается при старении и, по крайней мере, некоторых видах рака. Повышенная частота транскрипционного мутагенеза ведет к развитию протеотоксического стресса в клетке и снижению её жизнеспособности. Молекулярный механизм мутагенеза при транскрипции последовательностей ДНК, где его частота наиболее высока, в настоящее время неизвестен. Использование методов криоэлектронной микроскопии и рентгеноструктурного анализа позволит определить структурную основу транскрипционного мутагенеза. Это, в свою очередь, даст возможность изучить роль транскрипционного мутагенеза в клетках и животных, путём регуляции его интенсивности.

Создание сенсорных клеточных тест-систем in vitro

В рамках данного проекта создается суперпродуцент РНК полимеразы S. aureus на базе E. coli. Получение большого количества РНК полимеразы S. aureus необходимо для кристаллизации этого белка и решения его трёхмерной структуры с помощью рентгеноструктурного анализа. Данная система позволит получать комплексы РНК полимеразы S. aureus с низкомолекулярными соединениями, обладающими антимикробной активностью. Решение трёхмерных структур таких комплексов позволит осуществлять направленную разработку высокоспецифичных антибиотиков нового поколения активных в отношении золотистого стафилококка и родственных бактериальных патогенов.