06.05.2018

Глубокое погружение: как дайвинг помогает ученым в поисках новых лекарств против рака

Жизнь на морской глубине может быть прекрасной и опасной. Многие обитатели океана, которые поражают своей красотой, вырабатывают токсичные химические вещества, чтобы отбиваться от хищников. Эти же вещества могут стать компонентами лекарств против опасных болезней человека, в том числе против рака. Теперь ученые меняют лабораторные халаты на гидрокостюмы и отправляются в подводные экспедиции за целебными «ядами».

Кто не рискует, тот не делает открытий

Акулы – еще не самая большая опасность в океане для ученых, которые ныряют на работу. Мощные течения у дна океана могут быть столь же смертоносными. «Вы можете утонуть всего за пару минут, не в состоянии сопротивляться давлению», – отмечает Марсель Джаспарс, химик, который когда-то спасся от такого течения. Однажды он столкнулся с течением, фотографируя морскую губку неподалеку от берегов Индонезии. К счастью, он вовремя надул свой спасательный жилет, смог выплыть на поверхность и избежать потенциально опасного потока воды.

Дайвинг – занятие очень рискованное. Но ученые, которые работают под водой, учатся справляться с опасностями. Для Марселя Джаспарса новые открытия и подводные приключения перевешивают риски. С помощью подводных роботов и небольших подводных лодок он и другие ученые бороздят моря – от мелководных рифов до огромных глубин океанов. Их цель – найти химические вещества, синтезированные морскими организмами, которые можно будет использовать для лечения заболеваний человека.

Море может показаться странным местом для поиска новых лекарств. Но жители Мирового океана должны были каким-то образом адаптироваться к непростой среде обитания. Выжить им помогают некоторые биологически активные вещества, которые могут принести пользу и людям. К примеру, 50 лет назад ученые обнаружили, что морская губка вырабатывает вещество, которое борется с раком. С тех пор исследователи все чаще отправляются на морскую охоту за натуральными «ингредиентами» для медицинских препаратов.

Марсель Джаспарс загорелся дайвингом после просмотра телепрограмм об исследователе океана Жаке Кусто. К тому времени, когда Джаспарсу исполнилось 16 лет, он прошел обучение и получил сертификат, который позволил ему погрузиться в холодные воды Северного моря, омывающие Великобританию. Затем в университете он изучал химию и биологию. Все полученные знания и навыки теперь помогают ему понять, как превратить «морские» молекулы в человеческие лекарства.

Один раз ему помогли в этом морские асцидии. Эти мягкие беспозвоночные животные прирастают к поверхности морского дна. Они всасывают воду в специальное отверстие и фильтруют из нее пищу. Некоторые из асцидий, которые обитают на Большом Барьерном рифе Австралии, также производят химические вещества, которые могут убивать раковые клетки человека. Вероятно, эти вещества помогают животным защищаться. Джаспарс помог выяснить, как в лаборатории получить бактерии для производства того же химического вещества. Это позволило ученым исследовать их свойства, не собирая морские асцидии и не принося им вреда.

Теперь Джаспарс руководит Центром морской биоразведки (Marine Biodiscovery Centre), который находится в шотландском Университете Абердина. Сейчас он занимается исследованием микробов, живущих в очень холодных условиях: например, в Северном Ледовитом океане. «Там слишком холодно и глубоко, чтобы нырять», – говорит Джаспарс. Поэтому ученые, которые работают на исследовательских кораблях, вытаскивают ведра глубоководных морских осадков и отправляют ему небольшие образцы того, что удалось поднять со дна океана.

Микробы, обитающие в холодных водах Арктики, измельчают свою пищу не так, как организмы на суше. В процессе метаболизма (превращения пищи в энергию для роста, активности и размножения) они также синтезируют так называемые «вторичные метаболиты». Это органические вещества, которые не участвуют в росте, развитии и репродукции. И тем не менее, они могут быть полезны для микробов. Однажды они также могут помочь и людям.

Во время четырехлетнего проекта под названием PharmaSeas ученые выбрали тысячи экземпляров из полученных образцов морского дна. Работая с исследователями со всей Европы, Джаспарс сократил это число до примерно 700 – они представляли наибольший интерес. Примерно в дюжине из них исследователи обнаружили соединения, способные убивать бактерии, которые не могут уничтожить некоторые из современных антибиотиков. Три других открытых вещества сокращают число эпилептических припадков у мышей. Еще одно соединение может ослабить симптомы болезни Альцгеймера – оно было получено из морской губки, ранее собранной у Филиппинских островов.

Вскоре Джаспарс начнет аналогичное исследование с новыми образцами грунта морского дна – на этот раз из Антарктиды. Они были подняты с глубины 5000 метров. Давление на такой глубине намного выше, чем на уровне моря. С помощью нового лабораторного инструмента Джаспарс может смоделировать это давление, что поможет микробам с морского дна почувствовать себя как дома. Исследователи должны воссоздать такие суровые условия, к которым привыкли микроорганизмы, чтобы посмотреть, какие метаболиты они производят в естественной для себя среде обитания.

Секреты морских губок

В отличие от Джаспара, Ширли Помпони никогда не мечтала стать глубоководным дайвером. Она планировала стать медсестрой. Но после ее первого погружения она поняла, что не собирается проводить всю свою жизнь на суше.

«Ощущение свободы было потрясающим, – говорит Помпони, вспоминая ее первые погружения в Карибском море. «Ты дышишь под водой – почти в невесомости – и видишь удивительные вещи».

Больше всего ее очаровали морские губки. Эти простые животные распространены повсюду: и на мелководье, и на глубине. Поскольку они всегда привязаны к морскому дну, они не могут двигаться, если их «атакует» другая – еще молодая – губка, которая ищет себе удобное место для жизни. Таким образом, губки вырабатывают вещества для защиты от враждебных захватчиков: некоторые из них отравляют вторгающуюся губку, лишая ее клетки способности делиться. Замедление роста клеток является также ключевым способом остановить рак. Развитие этой опасной болезни в основном и состоит в том, что раковые клетки вторгаются в здоровую ткань, где начинают бесконечно делиться или расти.

Помпони нашла одно такое многообещающее вещество во время одного из самых запоминающихся погружений в Карибском бассейне. Исследователь была частью команды, которая обнаружила противораковое соединение, которое вырабатывает глубоководная губка по имени Discodermia dissoluta. Позже исследователи превратили губчатое соединение в лекарственное средство – дискодермолид. Открытие метода палладиевого катализа, с помощью которого удалось завершить полный синтез этого вещества, было удостоено Нобелевской премии по химии в 2010 году.

С тех пор, как открыли дискодермолид, Помпони совершила еще бесчисленное множество погружений. Более 300 ее подводных поездок проходили в мини-подводных лодках. Эти суда могут опускаться на глубину до 900 метров.

Помпони специализируется на классификации губок и изучает, насколько тесно они связаны с другими губчатыми видами. Идентификация и классификация губок важна, потому что эти знания помогают определить близких родственников губок, которые часто вырабатывают полезные химические соединения. То, что Помпони узнала о них, побудило других исследователей пригласить ее в подводные экспедиции. И через много лет это привело к тому, чем она занимается сегодня: Помпони руководит институтом CIOERT, который занимается исследованием Мирового океана и разработкой новых технологий для его изучения. Институт находится в Форт-Пирсе (США, штат Флорида) – оттуда биолог отправляется в путешествия по миру в поисках большего количества губок, которые могут дать новые лекарства. Во время своих экспедиций Помпони срезает лишь небольшие образцы, оставляя большую часть губки и ее крепления на дне, чтобы морское животное могло расти дальше.

Биолог также выращивает губки в лаборатории. Добавляя питательные вещества к нескольким клеткам губки, она пытается добиться того, чтобы животные росли, делились и производили свои необычные химические вещества в колбе. Создать необходимые условия нелегко. Но когда это получится, исследователям не нужно будет собирать губки на морском дне.

Это может помочь ученым ответить на многие вопросы. Например, почему морские губки никогда не болеют раком. Когда это станет известно, возможно, мы будем способны вылечить заболевание или разработать специальную диету и другие стратегии, которые предотвращают рак у людей.

Светящийся в темноте

По словам биолога Дэвида Грубера, ночь – лучшее время для подводного плавания. Именно тогда он ищет морских животных, которые светятся в темноте: красные кораллы, зеленых мурен, рыб с сияющими глазами. Ученый хочет знать, почему и как они могут «включать» светящийся механизм в своем организме.

Любовь к серфингу вызвала у Грубера интерес к океанологии. Он хотел узнать о море все, что мог. Сейчас он является биологом в Городском университете Нью-Йорка и исследователем Американского музея естественной истории.

Солнечный свет не распространяется очень глубоко и не достигает морского дна. Глубины ниже примерно 30 метров достигают лишь волны синего света. Морские обители, которые живут в этом темном мире, с помощью биофлуоресценции превращают синий в зеленый, оранжевый и красный цвета.

«То, как животные используют этот светящийся механизм, звучит как научная фантастика», – говорит Грубер. Глубоководные животные используют цветные молекулы – пигменты, – которые поглощают синий свет и затем посылают его обратно. Перенаправленный свет имеет меньшую энергию и большую длину волны. Он может выглядеть зеленым, оранжевым или красным. Этот способ отличается от биолюминесценции – процесса, при котором животные производят свой собственный свет с помощью химических реакций. Цвета и свет могут помочь животным найти друг друга, заманить добычу или спрятаться от хищников.

Один пигмент, используемый биофлуоресцентными существами, называется зеленым флуоресцентным белком (сокращенно – GFP). Исследователи используют эту молекулу на протяжении многих лет. С его помощью можно выделить определенные клетки в тканях из широкого круга организмов. Он может отмечать молекулы во время химических реакций и следовать за их движением внутри клеток. В одном исследовании его даже использовали для маркировки меха кошек, несущих важный ген. В темноте эти кошки действительно светились зеленым. Но ученые хотели бы работать не только с зеленым, но с большим диапазоном цветов.

Впервые GFP был обнаружен у медуз. Поэтому одной из первых миссий Грубера было найти другое морское существо, которое будет светиться красным. Он объединился с нейробиологом, который также любит нырять. Вместе они отправились к Большому Барьерному рифу в Австралии.

Он и его команда берут с собой специальные камеры, которые распознают флуоресценцию. Как только они находят то, что ищут, они берут крошечный образец. Вернувшись в свою лабораторию, Грубер исследует гены морского организма, которые кодируют цветной белок. Затем он использует их для создания светящегося вещества в лабораторных условиях. После этого биолог может определить, как работает белок.

Во время поездки в Австралию два ученых обнаружили морской анемон, который открыл науке новый красный белок. В лаборатории Грубер и его исследовательская группа использовали это красное свечение в тестах лекарств от рака. Они маркировали раковые клетки этим белком. Когда клетки были активны, они излучали красный цвет. Если какой-либо препарат останавливал работу этих клеток, те переставали создавать новые белки и свечение прекращалось.

Во время еще одного погружения в поисках коралловых рифов на Багамах команда Грубера натолкнулась на небольшую мурену, которая светилась зеленым. Поначалу исследователь даже не заметил необычного морского зверька и обнаружил его лишь нескольких недель спустя, когда просматривал свои фотографии, сделанные под водой. Как оказалось позже, белок, который отвечает за свечение мурены, происходит из нового семейства флуоресцентных белков – совершенно отличных от GFP.

«Найти флуоресценцию у другого животного – это все равно, что открыть очередной ящик Пандоры», – отмечает Грубер. Исследование может занять годы, прежде чем выяснится, как у животного «включается» и «выключается» тот или иной цвет.

Совсем недавно еще один «сюрприз» проплыл мимо Грубера во время ночного погружения на Соломоновых островах. В то время как синие огни его камеры сияли на коралловом рифе, в блики попала морская черепаха бисса. Впервые камера Грубера уловила зеленый и красный флуоресцентный рисунок на панцире черепахи. Сейчас он только начинает выяснять, какую химическую реакцию использует бисса, чтобы «включать» свой светящийся механизм.

У Грубера нет недостатка в «красочных тайнах». Он также хочет понять, как морские существа могут смотреть друг на друга. Что действительно видят морские черепахи?

«Это выглядит как приглашение на психоделическую вечеринку, – считает Грубер. – Мне так повезло, что я ученый, который надевает гидрокостюм и проводит много времени в воде. Мне нравится думать о том, как использовать наши открытия не только для медицины, но и для того, чтобы приблизить нас к пониманию природы».

Источники:

1. scientificrussia.ru