Ген в нокауте
Лидерство на мировом рынке лекарств давно и прочно удерживают антибиотики. Но мало кто знает, что на втором месте идут cтероидные препараты. Это различные гормоны, прогестины, желчные кислоты, витамины и другие стероиды, которые применяются не только в медицине, но и в пищевой промышленности, сельском хозяйстве, ветеринарии. В целом рынок стероидных препаратов только для фармацевтики оценивается в 10 миллиардов долларов. На сегодня в России нет ни одного предприятия полного цикла, которое способно выпускать как стероидные субстанции, так и лекарства из них. Хотя мы обладаем огромными запасами исходных продуктов, чтобы производить их самим. В частности, отходы лесохимического комплекса, которые являются ценным сырьем, зачастую просто сжигаются. А ведь наша наука считается одной из ведущих в данной области, но разработки как стероидных субстанций, так и лекарств из них остаются в "пробирке", не доходят до внедрения. Отметим, что это очень наукоемкие исследования, ими занимаются всего несколько стран. Одна из причин в том, что главным "работником", производителем важных стероидов являются специальные и нередко довольно капризные микроорганизмы. Отходы лесохимии - их пища.
- Заложенный от природы алгоритм запускает в бактериях каскад реакций, чтобы полностью разложить пищу и получить энергию для жизни. Наша задача - найти самый оптимальный момент, когда этот каскад следует остановить и перенаправить в нужную нам сторону, - объясняет главный научный сотрудник пущинского Института биохимии и физиологии микроорганизмов РАН доктор биологических наук Марина Донова. - Словом, нужно найти такие варианты, чтобы бактерия производила необходимые нам стероиды, из которых можно получать фармацевтические субстанции и лекарства из них.
Это общий подход. А вначале надо из множества бактерий выбрать лучших "едоков". Изучить их геном, найти именно те гены, от которых зависит ход реакций, исследовать варианты управления ими. И еще создать для микроорганизма наилучшие условия жизни, чтобы, несмотря на все манипуляции с ним, он продолжал активно работать. Как же действует эта стероидная "фабрика"?
- Разобравшись в функциях генов бактерии, мы так отключаем некоторые из них, чтобы изменить метаболические пути и заставить бактерии производить нужный нам стероид , - говорит Донова.
Но оказывается, что это только полдела. Дело в том, что вместе с продуктом бактерия производит и вредную "побочку". Ложку дегтя в бочке меда. Чтобы ее подавить, ученые отправляют в нокаут другие гены. В итоге стероиды получаются идеально чистыми.
Но на этом манипуляции с генами не заканчиваются. Например, можно получать разные биоактивные стероиды, вводя в бактерии гены из других организмов. "Так мы расширяем линейку продуктов. Ведь, начиная эти исследования, мы знали, что из отходов можно получить с помощью микроорганизмов 2-3 востребованных стероида, а сейчас речь может идти о десяти и более. И это уже готовые технологии, производство конечных соединений высокой степени очистки", - отмечает Марина Донова.
И здесь важно подчеркнуть главное, чем отличаются работы ученых из Пущино от исследований многих коллег. По словам Марины Доновой, они с самого начала ориентируются не только на научный результат, но и на его промышленное использование. Дело в том, что далеко не всегда подобное удается.
- Например, одна из крупнейших французских фирм потратила свыше 13 лет и вложила много миллионов евро в создание штамма дрожжей, которые продуцировали один из самых востребованных в мире стероидов. Если бы разработка вышла на промышленный уровень, то многим химическим заводам, производящим этот стероид, грозило бы закрытие. Но разработка так и не смогла "выйти из пробирки", оказалась немасштабируемая.
Какие же стероидные субстанции и лекарства уже можно выпускать, используя разработки российских ученых? "У нас есть целый ряд готовых к внедрению разработок. Например, дексаметазон, которым спасают от многих болезней, в том числе применяют в терапии последствий COVID, - говорит Донова. - При поддержке минпромторга России мы разработали цепочки полного цикла производства этого препарата. Сегодня он приобретается по импорту. Кроме того, созданы технологии по выпуску таких важнейших лекарств, как преднизолон, метилпреднизолон, дегидроэпиандростерон. Этот список можно продолжить, но главное, что отечественные технологии позволяют выпускать самые различные стероиды от многих болезней. Что-то требует доработки, но принципиальных барьеров для налаживания собственных производств нет".
Расшифровщик в трех поколениях
Секвенатор для генетика то же, что телескоп для астронома. С его помощью ученые расшифровывают самые различные геномы. Устанавливают, в какой последовательности расположены четыре нуклеотида, из которых состоят все молекулы ДНК. Кстати, эта четверка повторяется в нашем геноме в разных вариантах около трех миллиардов раз.
Сделать собственный секвенатор сегодня способны очень немногие даже из развитых стран. В мире уже работают тысячи таких приборов, которые условно делят на три поколения. Те, что относятся к первому, используют метод электрофореза. Секвенаторы второго поколения используют технологию параллельного копирования, третьего - расшифровывают геном параллельно, но без копирования. В чем суть каждого?
- Приборы первого поколения созданы давно, они последовательно анализируют цепочки ДНК, - говорит директор Института аналитического приборостроения РАН, доктор технических наук Анатолий Евстрапов. - В принципе, метод всех устраивает, но у него есть серьезный минус - низкая производительность. Дело в том, что анализ гигантских цепочек ДНК ведется последовательно, позволяет изучать только короткие фрагменты. Для несложных геномов это вполне приемлемо, а для расшифровки полного генома человека требуются годы.
Кардинально изменили ситуацию секвенаторы второго поколения. Они ведут расшифровку параллельно. Для этого геном разбивается на отдельные фрагменты, которые запускаются в прибор. Кстати, примерно также работают суперкомпьютеры, где для параллельного счета задача тоже делится на кусочки. В итоге скорость анализа выросла во много раз, и сегодня получить расшифровку своего генома вы можете через 24 часа.
- Но и этот секветатор имеет недостатки, так как необходимо несколько раз копировать фрагменты ДНК. Это серьезно усложняет технологию, а самое главное - может внести ошибки в конечный результат, - говорит Евстрапов. - Поэтому самыми эффективными сегодня считаются приборы третьего поколения, которые ведут параллельную расшифровку без копирования и не дают ошибок.
Понятно, от возможностей приборов зависит их цена. Первое поколение самое дешевое - за один секвенатор надо заплатить около 10 миллионов рублей, за прибор второго поколения - 20 миллионов, третьего - 40 - 50 миллионов рублей. Сегодня в России работает более 200 секвенаторов, из которых около 80 российских первого поколения. Других мы пока серийно не выпускаем.
- Уже созданы опытные образцы приборов второго поколения, - говорит Евстрапов. - Они рассчитаны в основном на расшифровку небольших геномов. Это сегодня наиболее актуальная задача. Важно подчеркнуть, что под эти приборы созданы отечественные реагенты. Как вы знаете, их получение из-за границы всегда были головной болью наших генетиков. Что касается российского прибора второго поколения для анализа сложных геномов, скажем человека, то он ненамного сложней уже созданного. Так что принципиальных преград для его разработки у нас сегодня нет.
А вот с третьим поколением, по словам Анатолия Евстрапова, есть серьезные проблемы. Для производства таких требуются специальные технологии, которыми обладают только США, Китай, Великобритания. "Ищем варианты, которые должны нам позволить использовать технологии, которыми на сегодняшний день располагает наша промышленность",- говорит ученый.
Аналогов не имеют
О разработках по импортозамещению медицинской техники рассказал журналистам директор Томского национального исследовательского медицинского центра РАН, член-корреспондент РАН Вадим Степанов.
По его словам, "на базе одного лишь НИИ кардиологии создаются десятки различных технологий, которые могут заместить зарубежные аналоги". В частности, это комплекс, который позволяет точно локализовать нарушения ритма сердца и проводить прицельное, точечное лечение его нарушений. Есть зарубежные аналоги, но наш комплекс значительно дешевле и не менее эффективен. Уже создан прототип этого прибора. Впереди его серийное производство", - сказал Степанов.
Есть и принципиально новые решения, не имеющие импортных аналогов. Это, например, операционный катетер для экстракции тромба из коронарной артерии при коронарном атеросклерозе. Он вводится через сосуды и проникает в место, где расположен тромб, он всасывается и извлекается вместе с катетером.
По словам Вадима Степанова, в области генетики снизить зависимость от зарубежных производителей поможет технология, применяемая в диагностике хромосомных нарушений, - сравнительная геномная гибридизация. "На каждую хромосому мы делаем зонд, эти зонды помещаем на биочип, а беря биологический образец от пациента, можем поставить ему диагноз при подозрениях на хромосомные нарушения, как, например, синдром Дауна или синдром Патау", - пояснил директор Томского НИМЦ.
Один из вариантов использования этой разработки - технология ЭКО, когда необходимо пересадить заведомо здоровый эмбрион и гарантировать рождение здорового ребенка. Сейчас фактически 100 процентов биочипов для диагностики хромосомных нарушений выпускают американские компании. Томские ученые работают над отечественным аналогом.
Важно подчеркнуть, что разработками российских ученых заинтересовались отечественные производители. Так, проект по созданию стероидов софинансирует холдинг "Оргхим" - один из мировых лидеров в области "зеленой химии". Что касается секвенаторов, то для серийного выпуска создан консорциум "Российские генетические технологии", куда вошли Институт аналитического приборостроения РАН, фирма "Синтол" и Экспериментальный завод научного приборостроения в Черноголовке. Консорциум готов к выполнению госзаказа на изготовление секвенаторов второго поколения. Напомним, что на развитие научного приборостроения правительство выделило 8 миллиардов рублей.