Евгений Свердлов — один из архитекторов отечественной геномики

От химического чтения ДНК до диагностики лекарственной устойчивости: как одна научная биография связала молекулярную биологию XX века с медициной XXI

Когда последовательность ДНК еще нельзя было просто «прочитать»

Начало 1970-х. Само выражение «расшифровать геном» еще не имеет сегодняшнего смысла. Не существует автоматических секвенаторов, массивов коротких прочтений, портативных приборов для анализа ДНК и коммерческих лабораторий, обещающих результат через несколько дней.

Чтобы узнать порядок нуклеотидов — букв молекулярного текста ДНК или РНК, — исследователю приходится фактически разбирать молекулу химическими методами и по отдельным фрагментам восстанавливать ее структуру.

Именно в такой научной среде работал Евгений Свердлов.

Он родился 16 ноября 1938 года в Днепропетровске, окончил химический факультет МГУ и в 1960-е годы пришел в Институт химии природных соединений АН СССР, позднее ставший Институтом биоорганической химии имени М. М. Шемякина и Ю. А. Овчинникова.

В 1972–1973 годах Свердлов и его коллеги опубликовали в FEBS Letters серию работ, посвященных химическому анализу олигонуклеотидов. В них развивался принцип последовательного химического определения положения различных оснований в коротких цепях нуклеиновых кислот.

Сегодня подобная задача выглядит почти рутинной. Тогда она находилась на переднем крае молекулярной биологии.

Важно, однако, правильно понимать исторический масштаб этих работ. Метод Свердлова не был прямым предшественником всех современных секвенаторов и не стал тем единственным технологическим путем, по которому затем пошла мировая геномика. Во второй половине 1970-х появились методы Фредерика Сэнгера и Аллана Максама с Уолтером Гилбертом, которые определили дальнейшее развитие секвенирования.

Но исследования советской школы были частью той более ранней интеллектуальной революции, в которой сама возможность систематически читать последовательность нуклеотидов переставала быть теоретической задачей и превращалась в экспериментальную технологию.

От букв генетического текста к работающей клеточной машине

Следующий этап оказался еще показательнее.

В 1980-е годы группа Свердлова вместе с коллективами Юрия Овчинникова и Романа Хесина занялась бактериальными РНК-полимеразами.

РНК-полимераза — фермент, который считывает информацию ДНК и синтезирует на ее основе РНК. Без этого механизма генетическая информация практически бесполезна: клетка должна не только хранить ген, но и уметь его прочитать.

Исследователи определяли структуру субъединиц бактериальной РНК-полимеразы и кодирующих их генов. Это был переход от химии отдельных фрагментов нуклеиновых кислот к функциональной молекулярной генетике: теперь вопрос звучал уже не только «какая здесь последовательность?», но и «что изменение этой последовательности делает с клеткой?».

И здесь история Свердлова неожиданно выходит непосредственно в современную медицину.

Рифампицин: когда изменение одной буквы меняет действие лекарства

В начале 1980-х Свердлов и его коллеги исследовали мутации в гене rpoB, кодирующем бета-субъединицу бактериальной РНК-полимеразы.

Этот белок является мишенью рифампицина (rifampicin) — одного из важнейших антибиотиков, прежде всего в лечении туберкулеза.

Исследователи показали, что определенные замены нуклеотидов в rpoB изменяют аминокислоты РНК-полимеразы и делают бактерию устойчивой к препарату. В одной из работ 1984 года были описаны, например, изменения аминокислотных остатков 516 и 526 бета-субъединицы Escherichia coli, связанные с различной степенью устойчивости к рифампицину.

На языке фармакологии это означает почти идеальный пример связи «мишень — лекарство — мутация — клинический фенотип».

Антибиотик связывается с определенной молекулярной структурой. Генетическая мутация меняет эту структуру. Препарат перестает эффективно взаимодействовать с мишенью. Возникает лекарственная устойчивость.

Четыре десятилетия назад это было фундаментальное исследование бактериального фермента.

Сегодня тот же принцип лежит в основе молекулярной диагностики лекарственно-устойчивого туберкулеза.

От публикации 1980-х до диагностического картриджа

Современные тесты способны искать характерные изменения rpoB непосредственно в генетическом материале Mycobacterium tuberculosis.

Всемирная организация здравоохранения указывает, что большинство случаев устойчивости к рифампицину можно выявлять путем анализа небольшого участка гена rpoB. Молекулярные тесты позволяют делать это значительно быстрее традиционного выращивания микобактерий и последующей проверки их чувствительности к антибиотикам.

Именно здесь хорошо видна особенность фундаментальной науки.

Между исследованием структуры бактериальной РНК-полимеразы и диагностическим тестом у постели пациента может лежать несколько десятилетий. Первая работа зачастую вообще не создается как будущий продукт.

Но без знания молекулярной мишени продукт создать невозможно.

В фармацевтической отрасли XXI века эта логика стала центральной. Значительная часть разработки лекарств теперь начинается с поиска генов, белков, сигнальных путей и мутаций, которые объясняют заболевание или ответ на терапию.

В 1980-е подобная модель только формировалась.

Генная инженерия перестает быть лабораторным экспериментом

Работы Свердлова не ограничивались чтением генов.

С конца 1970-х его коллектив занимался генной инженерией, в том числе клонированием генов человеческих интерферонов и созданием штаммов-продуцентов этих белков.

Интерфероны — сигнальные белки иммунной системы. До развития рекомбинантных технологий получение человеческих белков в количествах, необходимых для массового медицинского применения, было чрезвычайно сложной задачей.

Генная инженерия изменила саму производственную модель фармацевтики.

Вместо извлечения вещества из человеческих или животных тканей можно было встроить человеческий ген в микроорганизм или другую клеточную систему и заставить биологическую фабрику производить нужный белок.

Сегодня на этом принципе основана огромная часть биофармацевтики — от инсулинов и факторов роста до моноклональных антител и сложных рекомбинантных белков.

За цикл работ, связанный с генной инженерией и интерферонами, Свердлов и его коллеги получили Ленинскую премию 1984 года.

Для советской фармацевтической науки это был важный переход: молекулярная биология начинала становиться производственной технологией.

Ученый, который застал две разные эпохи геномики

Есть еще одна деталь, особенно хорошо показывающая масштаб научной биографии Свердлова.

В начале его карьеры последовательность короткого фрагмента нуклеиновой кислоты приходилось восстанавливать сложными химическими экспериментами.

А с 1992 по 2009 год он участвовал уже в российской части международного движения, связанного с проектом «Геном человека».

То есть одна профессиональная жизнь вместила переход от ручного анализа олигонуклеотидов к эпохе, когда объектом исследования становится весь человеческий геном.

С 1988 по 2006 год Свердлов возглавлял Институт молекулярной генетики РАН. Его научные интересы постепенно смещались от структуры отдельных генов и ферментов к организации генома, функциональной геномике, биотехнологии и молекулярным механизмам заболеваний.

В последние годы он продолжал работать в геномных программах и возглавлял Курчатовский геномный центр.

Это редкий пример научной карьеры, в которой технология, первоначально бывшая предметом фундаментального исследования, успела превратиться в самостоятельную отрасль экономики.

Почему эта история важна сегодня

Современная фармацевтика все чаще продает не просто молекулу. Она работает с биологической информацией.

Для выбора противоопухолевой терапии определяют мутации опухоли. При наследственных заболеваниях ищут конкретный генетический дефект. При инфекциях молекулярные методы позволяют определять не только возбудителя, но и признаки лекарственной устойчивости. При разработке препаратов геномные базы данных помогают выбирать новые мишени.

Даже привычное разделение между лекарством и диагностикой постепенно становится менее жестким.

История Свердлова показывает, откуда возникла эта модель.

Сначала ученые научились читать молекулярный текст. Затем — связывать конкретные изменения последовательности с функцией белка. Потом стало возможным использовать эти знания для создания лекарственных мишеней, диагностических тестов и биотехнологических продуктов.

Для фармацевтического рынка здесь есть важный профессиональный вывод.

Технологическая платформа почти всегда появляется раньше очевидного коммерческого применения. В момент рождения новой технологии рынок еще может не понимать, какой именно продукт из нее получится.

Секвенирование прошло путь от трудоемкого лабораторного метода до инфраструктуры современной медицины. Рекомбинантная ДНК — от экспериментальной техники до основы биофармацевтической промышленности. Анализ мутаций устойчивости — от исследования бактериального фермента до быстрой клинической диагностики.

Поэтому долгосрочная конкурентоспособность фармацевтики зависит не только от портфеля зарегистрированных препаратов. Она зависит от того, существует ли вокруг отрасли фундаментальная школа, способная создавать знания, коммерческая ценность которых сегодня еще не очевидна.

Для российского рынка эта мысль особенно существенна. Импортозамещение готовой молекулы и технологическая независимость — разные задачи. Настоящая независимость начинается значительно раньше производства препарата: с методов исследования, приборов, геномных данных, биоинформатики, клеточных платформ и способности самостоятельно понимать биологическую мишень.