подробнее о направлениях

Основные направления научных исследований учебно-научной лаборатории
биотехнологического экомониторинга
1. Молекулярная энзимология.
Аминоацил-тРНК-синтетазы
(АРСазы)
катализируют
реакцию
специфического присоединения
аминокислот к гомологичным тРНК. Их
каталитическая активность лежит в основе «распознавания» генетического
кода и в связи с этим, они являются критически важными для обеспечения
высокой точности биосинтеза белка, а значит и жизнеспособности клетки.
Значимость ферментов заключается в том, что без них невозможен
белковый синтез, который останавливается, при их дефектности, на ранних
стадиях. Важнейшей характеристикой АРСаз является их раннее возникновение
в эволюции и их уникальная роль «посредника» между кодом ДНК генов и
последовательностью аминокислот в белках. Возможно, из-за их присутствия с
самых ранних этапов формирования клеточных (а может быть и доклеточных)
форм жизни, синтетазы всегда были доступны для адаптации и постепенно
вовлекались в появляющиеся сигнальные маршруты в клетке и, впоследствии,
в тканях. То есть клетка, как бы «научилась» использовать АРСазы для
множества других, не связанных с основной,
дополнительных или
неканонических функций. В результате, уже показана вовлеченность АРСаз
в механизмы, определяющие судьбу клеток - регулируемая гибель (апоптоз),
или деление дифференциация и развитие. Одна из класса АРСаз триптофанил-тРНК-синтетаза подробно изучалась и изучается в настоящее
время автором. В цикле проведенных автором исследований удалось
открыть существенный для активности ион цинка и участие фермента в
синтезе важнейших для клетки регуляторных молекул с формулой АрnА.
Впоследствии было установлено наличие у ТРСазы важных регуляторных
функций, а именно, была четко показана способность модифицированной,
частично протеолизованной формы фермента тормозить развитие опухолей,
что представляет большой интерес в связи с потенциальной возможностью
создания противораковых препаратов.
Не смотря на то, что существует много преспективных направлений
исследований АРСаз (участие в нейрологических, аутоиммунных болезнях,
контроль активности генов и белкового синтеза), на начальном этапе
планируется сосредоточиться на активно разрабатываемой и перспективной
теме исследований дополнительных неканонических регуляторных функций
ТРСазы. Предполагается глубже исследовать тонкие молекулярные
механизмы участия ТРСазы в регуляции критически важных для клетки и
всего организма процессов, например, ангиогенеза и роль связанного на
ферменте цинка и ковалентных модификаций фермента в переключениях с
одной функции на другую и способов усиления и ослабления этих функций
природными внутриклеточными механизмами.
Другой перспективной темой является изучение деацетилаз гистонов
(ДАГ). ДАГ ферменты выполняют одну из ведущих функций по регуляции
ключевых генов обмена веществ и, в особенности, роста и развития клеток.
Практически все основные механизмы обратного влияния факторов
окружающей среды на активности генов, генных комплексов и геном
человека, (и всех других высших организмов) осуществляются через
активность ацетилирующих и деацетилирующих гистоны ферментов. ДАГ
являются антагонистами ацетилаз, осуществляющих противоположные
реакции
присоединения
или
отщепления
ацетильных
групп
на
специфические «свободные» концевые части гистонов. При этом меняется
степень «доступности» генов на хромосоме регуляторным воздействиям
белковых факторов соответствующего уровня. В последнее время внимание
к ДАГ резко возросло в связи с установлением наличия патологического
деацетилирования приводящего к «замалчиванию» важных генов и
стимулированию
развития
ранних стадий определенных
видов
онкологических заболеваний. Было высказано предположение, что процесс
торможения деацетилирования в клетках мог бы реактивировать нужные
гены, и тормозил бы развитие опухолей. Это и было установлено для
некоторых соединений. Таким образом, открытие новых ингибиторов ДАГ
ферментов позволяет открыть новые противоопухолевые препараты. Важным
в этой серии исследований является то, что в составе ДАГ обнаружен
существенный для активности ион цинка, а многие ингибиторы ДАГ, как
раз и направлены на блокирование цинка на ферменте. Налаживание
сотрудничества с научными учреждениями, способными осуществлять
направленный синтез нужных соединений (предварительная работа в этом
направлении уже проводится), открывает перспективы создания новых
высокоэффективных противораковых препаратов.
2. Исследования генов личностных характеристик человека.
Проблема генного контроля личностных признаков человека
предполагает интенсивные фундаментальные исследования, которые будут
иметь прямой выход в практику. Сложность механизмов контроля
психических и психофизиологических признаков человека, не смотря на
интенсивные
исследования, не
позволяла длительное
время достичь
значительного прогресса. Научный проект «Программа Геном человека»,
позволив осуществить прорыв в прочтении генома человека, параллельно
создала комплекс геномных методик, которые позволили существенно
продвинуться в изучении молекулярно-генетических основ личностных
признаков человека. В частности, методы включают исследования по
ассоциации маркерных локусов с различными признаками, методика «генакандидата» и др. Изучение генов – кандидатов оказалось
наиболее
2
продуктивным. С его помощью, например, удалось обнаружить и начать
исследования роли генов-кандидатов в обеспечении параметров организма
важных для спортсменов. Среди, в той или иной степени изученности генов,
можно назвать следующие гены - a-актина-3 (ACTN3), каоктиватора 1a гаммарецептора активируемого пролифераторами
пероксисом (PPARGC1A),
ангиотензинпревращающего фермента (ACE), В2-адренергического рецептора
(ADRB2), М изоформы аденозинмонофосфатдеаминазы 1 (AMPD1),
аполипопротеина Е (APOE) и рецептора 2 брадикинина (BDKRB2).
В связи с вышесказанным стоит отметить один аспект проблемы,
недооцененный на первых этапах исследования молекулярной генетики
личностных признаков человека. В последнее время вскрылась важная (если
не рашающая) роль эпигенетических механизмов в регуляции недавно
открытых или ранее известных генов контроля личностных признаков. Через
эпигенетические процессы опосредуются воздействия самых различных
факторов, включающих условия жизни, питания, характер и интенсивность
физической активности. Причем часто решающую роль играют условия
роста и развития организма в раннем детском и юношеском возрасте.
Кроме наличия оптимального сочетания генов в геноме необходимо
обеспечить еще и их оптимальное взаимодействие и активности. Уровень
активности генов высших организмов, как стало очевидным в последнее
время, зависит от так называемого «гистонового кода», определяющимся
модифицирующим гистоны воздействием белковых факторов.
Одним из перспективных локусов является
комплекс генов
рецепторов допамина - DRD2 и DRD4. С этим же и родственными ему
локусами связывают признаки различных зависимостей человека (алкоголизм,
различные виды наркотической зависимости, никотиновую зависимость).
Подробное изучение локуса с выявлением вариаций в аллельных формах
гена и связь их с конкретными признаками позволяет сделать значимый
шаг в пониманиии столь важных и злободневных проблем. Еще одной
важной задачей прикладного характера в данном блоке исследований
является изучение проблемы «генного допинга». Актуальность темы связана
с реальностью генетической модификации спортсменов с целью достижения
улучшенных
соревновательно
важных
физических
и
психических
показателей. Методики диагностики «генного допинга» позволят мировому
спортивному сообществу избежать распространения опасного явления
направленного
искусственного
изменения
генома
человека. Среди
возможных кандидатов для процедуры генного допинга можно назвать ген
инсулиноподобного фактора роста, гены синтеза эритропоэтина, индукции
ангиогенеза.
3
3. Исследования планктонных сообществ пресноводных и морских
экосистем, в связи с глобальными процессами изменения климата
и катастрофического загрязнения окружающей среды.
Не менее значимым видится направление, связанное с изучением
планктонных сообществ морских и пресноводных экосистем вплоть до
мирового океана. Правомерность выбора планктонных сообществ в качестве
объектов для экологических мониторинговых исследований основывается на
факте наибольшей чувствительности микробных сообществ экосистем к
локальным и глобальным изменениям окружающей среды. Среди
глобальных факторов можно отметить не только изменения температуры,
но и течения, значение рН, доступ к питательным веществам в связи с
увеличением выбросов, загрязнения воздуха, эвтрофикация. Огромным
вызовом
всей
современной
науке
является
раскрытие основных
закономерностей взаимодействия микробных сообществ с окружающей
средой. Конечной целью данных исследований является достижения такого
уровня понимания проблемы, который позволит предсказывать изменения
планктонных сообществ и всей биоты в ответ на глобальные и локальные
изменения среды.
Несмотря на длительные и интенсивные исследования еще не до
конца изученным являются закономерности реакций (в том числе и на
молекулярном
уровне)
морских и пресноводных микроорганизмов
и
экосистем ими поддерживаемых на изменения окружающей среды. Не
поняты еще в нужной степени ближайшие и отдаленные последствия этих
взаимодействий. До последнего времени решение столь масштабных задач
было трудновыполнимым. Однако, применение современных методов
молекулярной генетики, генетической инженерии, биотехнологий и, в
перспективе, нанотехнологий, практически революционизировало данную
область экологической науки. Молекулярные геномные, и метагеномные
методы, включающие анализ определенных филогенетических маркерных
генов, в частности генов рибосомальной РНК и др., позволили четко
идентифицировать отдельные виды и, даже, штаммы микроорганизмов в
сообществе. Критически важным является возможность осуществлять анализ
природных образцов прямо на месте, после простой и надежной процедуры
выделения ДНК. Биоразнообразие исследуемых сообществ, как с точки
зрения качественного состава, так и количества, исследования степени
родства выявляемых микроорганизмов - весь этот блок вопросов решается
путем применения ПЦР технологий. Среди проделанных работ нужно
отметить разработку методик сбора планктона, высокоэффективного
выделения ДНК из образцов планктона, различные вариации постановок
ПЦР экспериментов, налаживание методик секвенирования, выявление
критически важных показателей, характеризующих изменения состава микрои нанопланктонных сообществ в ответ на регистрируемые изменения
параметров водной среды. То есть практически уже налажена методическая
4
часть проекта, налажена связь с институтами РАН
заинтересованными в проблеме коллективами.
и
другими
В заключении хочется отметить, что формат документа не
позволяет подробно изложить теоретические и методические положения
основных разделов общего проекта. Некоторые ее положения представляют
собственные разработки автора и сотрудничающих с ним коллективов. Эти
положения активно осуществляются, и предполагается их реализация в
форме научных статей в солидных отечественных и зарубежных изданиях,
авторских свидетельств и патентов, разработанных конкурентоспособных
технологий и ноу хау. Чрезмерно подробное изложение, в связи с этим,
является неразумным.
Кадровая политика планируемого исследовательского центра, по
мнению автора, должна основываться на разумном минимуме и медленном
формировании
и
расширении,
вызванном
только
объективными
потребностями. Так как автор является активно работающим над
теоретическими, методическими разделами научных проектов и их
экспериментальным воплощением (хотя бы на стадии обучения персонала),
решение большого количества не связанных напрямую с производственной,
научной и организационной работой вопросов было бы неразумным и, в
конечном итоге, снижало бы эффективность всего подразделения. В связи с
этим, предлагается на начальном этапе ограничиться 2-мя сотрудниками
по каждому из крупных разделов общей программы исследований (одним
ведущим и другим младшим) и одним, или 2-мя лаборантами (в связи с
планируемым большим парком оборудования необходимо следить за его
состоянием и правильностью эксплуатации, своевременным ремонтом и т.д.,
сотрудники в этих вопросах малоэффективны). Итого 8-9 единиц, включая
руководителя центра. Причем около половины персонала рекомендуется
брать на ½ ставки (за исключением лаборантов) с последующим переводом
на ставку (для притирки к коллективу).
5