Член-корреспондент С.А. Варфоломеев: «Человечеству бояться нечего, пока существует Институт биохимической физики»
В стенах Института биохимической физики имени Н.М. Эмануэля Российской Академии Наук решается множество проблем, и большинство из них связаны с революционными изменениями в современной науке. Это энергетика, медицина, супервычисления и другие сферы, которые вскоре должны коренным образом изменить нашу жизнь.
При этом внешне лаборатории института кажутся вполне уютными и домашними. В некоторых из них, например, растет картошка и другие овощи.Однако это не просто зреет урожай – это решаются глобальные проблемы человечества, подчеркивает Сергей Дмитриевич Варфоломеев, член-корреспондент РАН, научный руководитель Института.
– Сергей Дмитриевич, какие задачи, решаемые в стенах этого института, вы считаете наиболее приоритетными?
– Хотел бы начать с того, что зачастую мы не осознаем, как быстро развиваются те или иные отрасли науки и технологии, потому что не ощущаем динамики процессов и революционных ситуаций. Занимаясь наукой продолжительное время, я наблюдал много качественных скачков. И сегодня я как раз хотел бы обсудить четыре глобальных сложнейших проблемы, которые на научном уровне решаются и детерминированно входят в технологическое развитие. Одна из самых серьезных, как нынче молодежь говорит, крутых проблем, которая была решена за последние 10-15 лет, – это мощные суперкомпьютерные вычисления. Ведь многие науки имеют абсолютно качественный характер, но большинство наук со временем переходят на количественный уровень, когда вы можете формально записать какие-то уравнения. Вот приведу такой пример: люди всю свою предыдущую историю наблюдали Солнце, планеты и считали, что Солнце вращается вокруг Земли. Только после того как Ньютоном и сообществом были открыты законы механики, стало понятно, что это не так. А самое главное, с точностью до сотых долей процента можно предсказать поведение всей системы в целом – например, Солнечной системы.
За последние десять лет приблизительно такого же класса скачок от качественного восприятия до понимания глубоких корней явлений произошел в области вычисления молекулярных процессов. Если небесной механикой управляют законы механики, то поведение молекулярных систем определяется законами квантовой механики. Квантовая механика имеет довольно интересный путь развития. У нее есть шикарная область применения, которая называется квантовая химия. И вот сейчас мы имеем уникальнейшую возможность рассчитывать поведение молекул с точно такой же достоверностью, с точно такой же надежностью, как раньше рассчитывали поведение механических систем. Это действительно большой скачок. Он определяется, во-первых, пониманием фундаментальных законов и гигантскими вычислительными возможностями. В настоящее время мы методами молекулярной механики, квантовой механики, квантовой химии можем рассчитать поведение гигантских макромолекул.
Один из глубочайших и широких классов макромолекул – это катализаторы, ферменты. Все мы с вами состоим из катализаторов, которые в организме осуществляют приблизительно 10 тысяч химических реакций. И когда я студентам начинаю рассказывать о свойствах катализаторов (а я заведующий кафедрой химической энзимологии на химическом факультете Московского университета), то привожу такой пример. Ферменты в 1012-1016 раз более активны, чем все известные химические катализаторы. Самый классный химический катализатор – это протон, ион водорода. Так вот, если сравнивать одну и ту же каталитическую реакцию, катализируемую протоном и ферментом, то соотношение следующее. Если ферментативная реакция протекает 1 секунду (а в нашем организме таких реакций приблизительно10 тысяч), то та же самая реакция под действием протона при тех же условиях, при тех же концентрациях будет идти 200 тысяч лет.
Это показывает, насколько потенциально широка область биологического катализа с точки зрения скоростей. Но, кроме того, ферменты являются абсолютными катализаторами с точки зрения селективности. Они осуществляют одну реакцию. Химическая реакция в организме, если она идет с накоплением побочного продукта, – это патология, которая заканчивается уничтожением организма.
– Ферменты сегодня имеют огромные сферы применения – в первую очередь, в медицине, фармакологии, биотехнологии.
– Да, это так. Сейчас все крупные компании, производящие лекарства, используют для синтеза ферменты. Компании, которые производят продукты питания, применяют ферменты для получения сахаров, облагораживания продуктов питания, соков и так далее. Но сохранилась задача понять, как они работают. Как на молекулярном уровне происходят изменения? Эта область, которая занималась молекулярными механизмами биологического катализа, довольно бурно развивалась. В нашей стране инициировал эти работы Николай Николаевич Семенов. Один из его учеников, член-корреспондент Российской Академии Наук Илья Васильевич Березин, стал крупным основоположником гигантской школы, к которой я принадлежу. Он создал кафедру на химическом факультете Московского университета. Эта область медленными, но достоверными шагами приближалась и приближается к пониманию, как устроены катализаторы и как они функционируют. Но только благодаря гигантским возможностям, связанным с вычислениями, мы сейчас видим, прогнозируем и визуализируем, как молекула и группа атомов перемещаются, какие энергетические барьеры возникают на тех или иных стадиях.
– И что же вы видите?
– В каталитическом центре фермента при осуществлении химической реакции возникает от 3 до 10-15 короткоживущих интермедиатов, которые существуют примерно 10-10 секунды. Выделить их и исследовать экспериментально очень сложно, хотя экспериментальные методы непрерывно совершенствуются. Но мы можем вычислить их поведение, мы их видим, и это качественно меняет понимание молекулярных структур, определяющих биологический катализ. И как следствие – зная фундамент, у нас появляется довольно много приложений.
– О каких конкретно приложениях идет речь?
– Приведу один из примеров. В нашем мозге довольно сложная организация клеточных структур нейронов, которые реализуют процесс памяти, съем информации и мышление. Мышление – это оперирование образами, которые возникают и записываются в структуре мозга с выявлением новых количественных или качественных связей. Ключевыми системами в мозге являются ферменты. В последние 5 лет мы активно занимались механизмом действия двух ферментов. Один называется холинэстераза, или ацетилхолинэстераза, бутирилхолинэстераза, а другой называется N-ацетиласпартатгидролаза, или аспартаза, N-ацетиласпартат гидролаза. Запись информации происходит в контактах нервных клеток, и возникает такой структурный образ, который мы запомнили. Осуществляется это с помощью синапсов, где ключевым ферментом является холинэстераза. Кстати, холинэстераза – это центры, по которым действуют все сильные яды: химические агенты, так называемые «Новички». Это ингибиторы: они убивают фермент. Но в норме это синаптическая передача, которая может быть открыта и закрыта.
Так вот, изучение поведения этих ферментов открыло удивительную возможность этих структур определять процессы записи информации. Дело в том, что во всех системах записи информации работает триггер «открыт-закрыт», 0-1. Этот фермент ацетилхолинэстераза является ферментом, который определяет в силу своих структурных особенностей возможность открыть или закрыть синапс. Связано это с тем, что фермент является в высшей степени активным катализатором, но ингибируется собственным субстратом. И когда субстрата много, этот самый синапс представляет собой структуру типа 0: он закрыт. А когда субстрата мало, он открыт.
– Что это знание может нам дать?
– На мой взгляд, это проект глобальный, которым нам предстоит довольно активно заниматься. Я имею в виду, человечеству в целом. Потому что мы много знаем о мышцах, об органах, о тканях, мы много имеем структурной информации о мозге. Но, к сожалению, мы очень мало пока понимаем, как это функционирует. То, что я вам рассказал, – это вот продукт последних нескольких месяцев анализа поведения этих ферментов. У нас появились совершенно удивительные возможности наблюдать мозг.
– Здесь, в стенах вашего института?
– Да. У нас есть партнеры, и мы делаем эти работы вместе с клиникой Рошеля, Институтом детской травматологии и ортопедии. Приборы находятся у них. Там работают наши сотрудники, и руководителем этой лаборатории является Наталья Александровна Семенова.
– И что же вам удалось понять о работе мозга?
– Если вы хотите что-то сделать, ну, например, поднять вот эту ручку, вы производите операцию памяти и мышления с некоей последовательностью. При этом триггерные механизмы «открыт-закрыт» включаются в миллисекунды, память включается и выключается порядка со скоростью от 3 до 12-15 секунд. Кто-то очень умный быстрее соображает. Это означает, что фермент N-ацетиласпартаза работает очень эффективно. Когда я задаюсь какой-нибудь задачей, а именно, например, хочу что-то взять, то в определенных органах мозга возникает расширение сосудов, и мы видим, как этот орган, например, гиппокамп, становится более проницаемым для крови. Как мы это видим? Мы используем ЯМР-спектроскопию, томографию и при этом мы смотрим не только на структуру: мы смотрим на химические соединения, которые возникают в мозге, видим расширение сосудов, и, как следствие, включается фермент N-ацетиласпартаза, который гидролизует один из ключевых реагентов мозга. N-ацетиласпаргиновая кислота есть только в мозге, и представлена она там в бешеных количествах: где-то 5 миллимолей.
– Для чего же она там нужна в таких количествах?
– Мы долго размышляли на эту тему и только недавно поняли: для того, чтобы включить механизм записи и стирания информации. При гидролизе N-ацетиласпаргиновой кислоты возникают интермедиаты. Первый интермедиат – уксусная кислота, которая делает ацетилхолин. Он является субстратом ацетилхолинэстеразы и производит, в конечном счёте, другой класс нейромедиаторов. Это область, которая потрясающе интересна. Она имеет малопредсказуемые сферы применения. Конечно, все мы хотим быстрее мыслить, лучше запоминать…
– Наверное, с помощью этих открытий возможно излечение каких-то нейродегенеративных заболеваний головного мозга?
– Да, и это обязательно произойдет. А по поводу заболеваний я могу сказать, что, например, у шизофреников не наблюдается пика волны BOLD, который есть у всех.
– Значит, таким методом возможна еще и диагностика шизофрении?
– Да, это одно из конкретных применений. Думаю, что в ближайшие пять-десять лет в этой области будет созданы десятки химических агентов, управляющих поведением систем. Это удивительно красивая область, и я с удовольствием в этом направлении работаю. В Институте биохимической физики и на химическом факультете имеется прекрасная лаборатория Александра Владимировича Немухина, который занимается молекулярным моделированием. Мы являемся одним из главных потребителей суперкомпьютера в Московском университете. Твердо могу сказать, что вычислительных возможностей абсолютно не хватает даже для Московского университета. Уже в течение 3-5 лет идет речь о том, что надо увеличить производительности и сделать «Ломоносов-3». Но еще не сделан.
– Сергей Дмитриевич, я знаю, что ваши медицинские проекты этим не ограничиваются. Вы занимаетесь и другими разработками в этой области. Расскажите, пожалуйста, что вы делаете в онкологическом направлении.
– Надо сказать, что Институт биохимической физики традиционно связан с онкологическими задачами. Николай Маркович Эмануэль, основоположник физико-химической биологии, довольно много занимался количественными аспектами онкологического роста. Это один из факторов, который в этом плане довольно бурно развивался и развивается. Было сделано много препаратов антиоксидантного характера. Нитрозометилмочевина, например, – это препарат, широко применяемый для подавления опухоли. Но, как показывает глобальный опыт, лучше всего опухоль предвидеть и зафиксировать развитие, перерождение на самом раннем этапе.
– … Чем потом лечить.
– Именно. Тут есть два подхода. Один из наиболее неприятных видов рака – это рак легких. Он практически не диагностируется. Когда делают флюорографию и видят там изменения, – это уже следствие глубокого перерождения тканей. Мы вместе с академиком Александром Григорьевичем Чучалиным и Евгением Николаевичем Николаевым разработали метод ранней диагностики рака легких по конденсату выдыхаемого воздуха. Дело в том, что, когда мы дышим, довольно большое количество белка мы выделяем в окружающую среду. Если взять охлаждающий агент – трубочку и подышать в течение 10 минут, то мы будем иметь от полмиллилитра конденсата. При этом белки представлены в ничтожных количествах. Институт биохимической физики вообще стремится использовать физические методы для решения вот таких биохимических задач. И оказалось, что в этом полумиллилитре конденсата выдыхаемого воздуха, если его сконцентрировать и внести в аппарат, который называется масс-спектрометр, мы можем видеть до 500 белков. Из них 19 белков являются биомаркерами рака.
– Не так мало.
– Да, 19 белков, и если вы увидели хотя бы один из них, это сигнал тревоги. А если два или три, то это почти гарантия того, что начинается злокачественный процесс, который другими методами еще не диагностируется. Потенциально это очень тонкий современный метод, и мы рассчитываем на то, что через какое-то время он станет рутиной. Станет использоваться в поликлиниках при диспансеризации.
– Только рак легкого можно таким образом «поймать»?
– Нет, не только. Там видно почти всю совокупность легочных заболеваний. С помощью этого метода можно диагностировать астму, ХОБЛ, туберкулез. При этом сам анализ занимает 10 минут. Это просто дыхание в трубочку. Не больно, не страшно. А масс-спектрометр позволяет делать за час до 20-30 анализов. Один большой масс-спектрометр может обслуживать четверть Москвы. Мы к этому стремимся.
– Замечательный, актуальный проект. Но, я так понимаю, мы сейчас переживаем ещё одну революцию – энергетическую, и в этом вы тоже участвуете?
– Да. Дело в том, что современная цивилизация за последние 50-60 лет базируется исключительно на углеводородах. Все, что мы имеем – большую часть материалов, в том числе, лекарственные препараты – это все производные органической химии из углеводородов нефти. Но в истории человечества это очень маленький период. До этого люди использовали какие-то другие источники энергии, и в будущем, совершенно очевидно, тоже так будет. Как вы думаете, сколько нам осталось качать этот замечательный продукт?
– Нефть? Лет тридцать.
– Поменьше: от 10 до 15-20 лет, при тех интенсивностях, которые мы имеем.
– При том, что всё время стараются разработать глубоко залегающие запасы, которые трудно добыть.
– Да, и нефть становится дороже. Но вопрос ведь не только в том, что нефти мало. Еще Николай Николаевич Семенов в 1974 году публиковал популярную статью, в которой все посчитал. И мы строго следуем динамике, которую он предсказал. Появление углекислоты – это внутренний нагрев планеты. Это тепличный эффект.
– Это глобальное потепление. Климатическая катастрофа.
– Понимаете, это всё общеизвестные и уже банальные слова, но они имеют под собой абсолютно реальную почву. Есть некая точка невозврата. Она заключается в том, что, как только температура поднимется дополнительно на 2 градуса, вскроются залежи метана, метангидратов в полярных областях. У нас в стране – в Якутии и других северных регионах – дикое количество метана лежит не в виде газа, а в виде комплексов с водой. Это твердый порошок: он горит. Он превращается в газ при повышенных температурах и уменьшенных давлениях. Точка невозврата была посчитана разными людьми: это ближайшие 15 лет. Если мы за эти 15-20 лет не прекратим интенсивное эксплуатацию внутренних энергетических ресурсов, произойдет нечто страшное.
– Но что вы предлагаете вместо этого?
– Это предлагается человечеству уже давно. Использование возобновляемых ресурсов. Это солнечные панели. Это ветровая энергия, энергия биомассы. Вот мы недавно выпустили большущую книгу под названием «Химия биомассы».
– Но разве этой энергии будет достаточно?
– Эти источники по емкости очень большие. Но химия очень большой период времени занималась проблемами углеводородного сырья. А теперь нужно перейти от химии углеводородов к химии углеводов. Чувствуете, маленькая семантическая разница?
– Да, четыре буквы.
– Но смысл меняется кардинально. Химия углеводов – это биомасса. Это гигантское количество микроводорослей. Это лигноцеллюлозный материал. Эта область ежегодно производит в нашей стране огромное количество ресурсных возможностей. Они в 1000 раз превышают возможности нефти и газа. Но для этого надо много знать и понимать. Один из главных вопросов использования возобновляемой энергии – это накопление и хранение электрической энергии. Дело в том, что революция не происходит линейно. Революция развивается взрывом - экспоненциально. Сейчас мы с вами в течение десятилетия будем наблюдать экспоненциальный рост транспорта на электричестве. Это электромобили. Человечество еще со времен Ван-Гоффа понимало, как сделать аккумулятор. Но до настоящего времени сделаны прилично только литий-ионные аккумуляторы, на которых будут кататься и катаются уже довольно большое количество людей. Вся Европа в больших столицах использует электроавтобусы. Сергей Собянин открывает в этом году первую линию электробусов в Москве. Некий сдерживающий фактор – инфраструктура заправки. Но если вы поедете брать интервью в Японию…
– Мы не против!
– …То вы увидите стоянки солнечных преобразователей: панели около домов 15-20 квадратных метров. Стоит одна машина, и ей, для того чтобы кататься, этого достаточно. Современный электромобиль пробегает порядка 400-500 километров без зарядки. Это довольно много. Зарядка идет несколько часов, но идут непрерывные работы, чтобы ускорить процесс, и мы в этой гонке участвуем. Мы ориентируемся на то, что в ближайшее 3-х-5-летие будут сделаны накопители не на литии. Лития мало, он дорогой.
– А на чем?
– Они будут сделаны на магнии в первую очередь. Это очень хороший материал. И на графенах. В ближайшее время эта задача будет решена. Кто, вы думаете, лидер в этой области в мире?
– Китайцы?
– Да, китайцы тоже. И мы. Но только не надо забывать, что китайцы вкладывают в такого рода тематику в полторы тысячи раз больше денег, чем мы.
– А ведь вы еще хотите накормить человечество. Это тоже энергетические вещи?
– Да! Мы долго не осознавали, что сельское хозяйство – это на самом деле отрасль энергетики. Все удобрения – это энергетика. Это фиксированный азот. А фиксированный азот – это модифицированный метан. Значит, транспорт, вспашка, распределение, доставка – это всё энергетика. При этом надо сказать, что почвенные ресурсы все время сужаются, потому что происходит так называемое истощение почвы. Это известный феномен.
– Что же с этим делать?
– Это решаемая проблема. Например, можно абсолютно без почвы выращивать картофель.
– На открытом грунте? Гидропоника?
– Нет. Это технология, которая была развита в институте сельскохозяйственной биотехнологии. Вы можете выращивать практически любое сельскохозяйственное растение методами аэропоники.
– Это как же?
– Суть заключается в том, что, когда у вас что-то растет, нужен свет. А корни вы питаете минеральными компонентами: фосфор, калий, магний, марганец. Вот те компоненты, которые являются солями. Всё это идет в виде аэрозолей. И растение развивается как бы само по себе. Если я вам скажу, что картофель – это вечнозеленое растение, вы не поверите. Но это так. Оно растет – вы снимаете урожай, и через какое-то время это же растение даёт новый урожай.
– И где же всё это происходит? В теплицах?
– Нет, это фитотроны. Есть такая замечательная компания под названием «Татнефть». Мы имеем с ними проект по выращиванию и получению натурального каучука. А начали с того, что научились выращивать практически все сельскохозяйственные культуры. В этом году на выставке, которая называлась «Армия-2018», был представлен контейнер с полной начинкой. Это питание не только для военных – пустыни, Арктика, многое другое.
Еще раз хочу сказать, что сельское хозяйство – это трансформатор энергии. Так вот, если вы сравните аэропонное культивирование с культивированием в почве, где вы имеете один урожай в сезон, расходуя множество минеральных компонентов, которые потом оказываются в реках и происходит гигантское засорение, в том числе ядами… Гербициды, пестициды ингибируют холинэстеразу, о которой мы говорили. Так вот, если сравнить эти два метода, то перевес во всех смыслах будет на стороне аэропоники. И в экологическом, и в экономическом, и в энергетическом смыслах. До их массового внедрения- несколько шагов.
– Сергей Дмитриевич, послушаешь вас – и страшновато становится. Оказывается, мы в одном шаге от планетарной катастрофы…
– Нет, я бы так не сказал. Конечно, предупрежденный вооружен, но вообще-то человечеству бояться нечего, пока существует Институт биохимической физики. Ну, и другие институты Российской академии наук.
Беседу вела Наталия Лескова.
