Pro космос всегда рад узнать и поделиться с вами историями о практическом применении космоса. На этот раз мы узнали, почему кристаллизация белков в невесомости может дать более интересные научные результаты, чем все предыдущие результаты на Земле. Поможет нам в этом Юсеф Хесуани, соучредитель и управляющий партнёр лаборатории «3D Биопринтинг Солюшенс». Его компания создала магнитный биопринтер Organ.Aut, в котором на МКС были выращены кристаллы белков коронавируса.
Эксперименты с кристаллизацией белков проводятся в космосе достаточно давно. Но возвращение кристаллов экипажем корабля «Союз МС-19» 30 марта привлекло внимание всего мира. Официально эксперимент называется «Магнитная фабрикация». Роскосмос и «Агат» (входит в госкорпорацию «Роскосмос») взяли на себя сопровождение эксперимента, выступив, по сути, интеграторами процесса постановки.
В результате космонавты Роскосмоса в биопринтере на МКС вырастили кристаллы белка коронавируса (Covid-19 или SARS-CoV-2). После анализа они будут использованы для расшифровки структуры белка и изучения механизмов внедрения коронавируса в организм человека. Это позволит быстро и эффективно разрабатывать вакцины и лекарства от вируса.
Для чего кристаллизуют белки в невесомости
Эксперименты по кристаллизации белков (они же — биокристаллы) в невесомости проводятся уже достаточно давно. Это делается для получения и изучения третичной структуры белка: свои свойства белок проявляет только когда свёрнут в пространстве. Например, из яйца может вылупиться цыплёнок. Но если вы яйцо сварите, белок денатурирует, то есть потеряет свою пространственную структуру и заодно утратит свои функции — цыплёнок уже не вылупится.
Итак. Белок состоит из аминокислот, этот состав постоянен. Но только кристаллические образцы белка имеют упорядоченную пространственную конфигурацию множества составляющих его аминокислот. Её изучение помогает определить свойства белка, как он взаимодействует с другими белками. Например, как вирус коронавируса узнаёт наши клетки, чтобы присоединиться и проникнуть в них. И точно также позволяет разработать защиту от них, — чем лучше знаем третичную структуру белка коронавируса, тем эффективнее лекарство можем разработать.
«Основой кристаллизации белка является свойство биомолекул образовывать кристаллы, способные рассеивать рентгеновские лучи. Выявление зависимости между углами и фазами падающих и отражённых волн, а также расстояния между атомами в кристаллической решетке позволяет воссоздать трехмерную кристаллическую структуру. Таким образом, кристаллизация белка – это по сути «получение слепка» его третичной структуры», — поясняет Юсеф Хесуани.
Цель кристаллизации в образовании регулярного массива отдельных молекул с образованием кристаллических (очень стабильных) контактов. Магнитная ловушка в условиях невесомости (точнее микрогравитации) позволяет позиционировать эти процессы в определенной точке пространства без воздействия посторонних сил (например, гравитации) на процессы кристаллизации. В результате в условиях микрогравитации удаётся получить более чистые кристаллы значительно больших размеров (микрометры или миллионные доли метра, а в ряде случаев даже миллиметры). Для сравнения — на Земле их размеры измеряются нанометрами.
Есть рекордсмен — белок лизоцима, который сам по себе большой. Из этих белков «3D Биопринтинг Солюшенс» удалось вырастить в космосе кристаллы размерами 1,5–1,7 мм, тогда как на Земле кристаллы из них удаётся вырастить в три раза меньше — 400–500 мкм.
Но Юсеф уверяет, что достаточно спокойно относится к таким рекордам — лизоцимом не занимаются уже 15—20 лет, он был одним из первых белков, чья пространственная структура была расшифрована. В компании начали работать в 2019 г. на МКС с лизоцимом как раз для того, чтобы проверить технологию на давно и хорошо отработанном белке. Но теперь перешли к более сложным (и практически полезным) объектам.
«Да, у нас оказалась высокая разрешающая способность, самая высокая из тех, что существует сегодня в базах данных», — рассказывает Хесуани о текущих достижениях.
Но тут сработал принцип Серендипити, соучредитель «3D Биопринтинг Солюшенс» добавляет:
«Куда важнее, что мы получили очень интересный побочный эффект. Для создания «магнитных ловушек» в нашем 3D-биопринтере Organ.Aut мы используем химические соединения (соли гадолиния Gd3+). Они хорошо известны как контрастные вещества при проведении МРТ. Однако оказалось, что Gd3+ используется и для исследования белковых кристаллов на Земле — при проведении различных методов рентгеноструктурного анализа белковых кристаллов, позволяя получать картинки более высокого разрешения».
В результате выяснилось, что можно использовать магнитный 3D-биопринтер на МКС не только для печати трёхмерных тканей из живых клеток и биоматериалов, но и в области кристаллографии. Поэтому текущий эксперимент «Магнитная фабрикация» на МКС «3D Биопринтинг Солюшенс» проводит с коллегами из Института биоорганической химии (ИБХ РАН), Института металлургии и материаловедения (ИМЕТ РАН), ФИЦ «Фундаментальные основы биотехнологий» РАН и Московского физико-технического института (МФТИ).
«Именно эти профессионалы выступили идеологами-постановщиками экспериментов с точки зрения того какие именно белки-кандидаты следует изучать в условиях микрогравитации. Коллеги приложили колоссальные усилия для того, чтобы эксперимент состоялся и сейчас можно было провести ренгеноструктурный анализ полученных результатов. И, конечно, спасибо госкорпорации «Роскосмос», ЦПК им. Гагарина, РКК «Энергия», ИМБП и нашим космонавтам, кто непосредственно проводил этот эксперимент на МКС», — отмечает Юсеф.
Подготовка и ход эксперимента
Сначала на Земле были подобраны условия кристаллизации, а экипаж прошёл обучение. Чтобы белок сформировал кристалл — нужна концентрация определённых веществ (осадителей). И подбор их концентраций — достаточно долгий и серьёзный процесс. Делать это в космосе — просто долго и дорого (в совместных экспериментах JAXA и Роскосмоса используется множество микрокапиллярных систем, что даёт возможность эмпирически подбирать условия кристаллизации прямо в космосе, но это совсем иной подход).
Как правило, для обучения космонавтов постановке научных экспериментов специалисты компании ездят в Звёздный городок, кроме того, они знакомят их с теоретической частью эксперимента. Но в этот раз, по словам Хесуани, подготовку всего экипажа корабля «Союз МС-21» (Олег Артемьев, Денис Матвеев и Сергей Корсаков) проводили специалисты «3Д Биопринтинг Солюшенс» при участии самого Олега Кононенко, командира отряда космонавтов. Именно он ставил самый первый эксперимент на МКС с трёхмерной биопечатью на Organ.Aut ещё в 2019 году. В результате удалось этот крайне важный эксперимент подготовить в беспрецедентно короткие сроки: постановка задачи в декабре 2021 года, а получение результатов уже 30 марта.
«На всё про всё, с обучением космонавтов, отправкой, проведением эксперимента и возвращением результатов с МКС ушло четыре месяца. Это фантастически быстрые сроки — обычно подготовка такого сложного эксперимента занимает несколько лет (подготовка наших первых экспериментов занимала чуть больше полутора лет)», — радуется Юсеф Хесуани.
По его словам, во многом это удалось благодаря тому, что 3D-биопринтер Organ.Aut был сертифицирован для работы на МКС ещё в 2018 г. и до сих пор находится там. Вдобавок, сама компания не меняла конструкцию кювет, хотя потребовалось внутренними поршневыми системами изменить их объём (одно дело, когда вы работаете с клетками и другое дело — когда вы работаете с совсем маленькими объектами типа белков). Такой подход позволил избежать дополнительных испытаний.
На МКС выращивали кристаллы двух белков. Это RBD-белок штамма «Омикрон» коронавируса SARS-CoV-2 в комплексе с ACE2-рецептором. У коронавируса есть шипики, которые образованы S-белками. На их конце находится исследуемый RBD-белок, которым коронавирус цепляется к ACE2-рецептору клетки.
«Уже были описаны методы математического моделирования, как RBD-белок штамма “Омикрон” коронавируса сцепляется с ACE2-рецептором клетки человека. По результатам эксперимента мы как раз посмотрим, насколько они правильны», — объяснил Юзеф практическое применение исследования.
Вторым исследуемым белком был нуклеокапсидный: он отвечает за высвобождение генетического материала вируса после его проникновения в клетку. В данном случае задача эксперимента «Магнитная фабрикация» — найти способы заблокировать проникновение коронавируса в клетку. Понимание этих процессов приведёт уже к разработке более эффективных лекарственных препаратов. По словам Юсефа, в следующий раз нуклеокапсидный белок планируется отправить на МКС уже в комплексе с подобранным блокатором, чтобы оценить его эффективность. Эта задача не только интересна учёным, но и имеет важнейшее практическое значение для всего человечества — мы же только что перенесли двухлетнюю пандемию.
Первые результаты
Кюветы с результатами эксперимента вернулись на Землю 30 марта, вместе с экипажем корабля «Союз МС-19». Размеры и частоту кристаллов можно будет только проанализировав их методами рентгеноструктурного анализа. Тут вопрос не столько в размерах кристаллов, — главное, чтобы они не были деформированы. Без этого нельзя понять их структуру, предсказать поведение в комплексе с рецепторами и т.д. Поэтому при получении результатов экспериментов из космоса в «3D Биопринтинг Солюшенс» всегда аккуратны и сдержаны.
Сначала нужно получить результаты анализа, а это как раз крайне сложный в текущих условиях вопрос. Ранее проведение экспериментов по исследованию структуры получившихся кристаллов проводилось в Гренобле, однако сейчас в компании ищут альтернативные варианты, и, возможно будут проводить анализ в Китае. Однако такого опыта еще не было, соответственно, логистика и возможности китайских коллег еще не до конца известны.
«Наши коллеги там [в Китае] ещё не проводили исследования, мы не знаем, как это будет работать на практике. Логистика еще не отработана. И, честно говоря, очень жалко и страшновато отправлять полученные в космосе кристаллы белков в качестве первых экспериментальных, пробного шара. Поэтому вероятно, мы сначала наработаем в Китае определенную статистику», — делится Юсеф.
Это разумный подход, хотя, конечно, всем в «3D Биопринтинг Солюшенс» и научных организациях-постановщиках этого эксперимента хочется получить результаты как можно быстрее.
Дальнейшие планы
По словам Юсефа Хесуани, компания надеется в дальнейшем создать платформу для технологии кристаллизации белков в космосе. Речь идёт не только о коронавирусных (в этом очень заинтересована ФМБА), но и других вирусных агентах (для изучения механизмов проникновения в клетки), а также для получения новых материалов.
«Как это ни парадоксальной звучит, но биологи и кристаллографы действительно пытаются сейчас ставить эксперименты по разработке новых материалов. К примеру, наши коллеги из МФТИ работают с бактериородопсином. Это бактериальный белок, высокоэффективно переносящий энергию фотонов света через мембрану клетки. На его основе учёные планируют разработку материалов для солнечных батарей с колоссальным ростом КПД», — делится планами Хесуани.
Состав и общие черты структуры бактериородопсина уже известны. Но для понимания точной внутренней структуры белка надо определить атомарные связи между частями белка. Для этого нужно вырастить очень большой его кристалл. Сейчас получают кристаллы белков размерами 100-200 мкм, а нужно получить чуть больше 1 мм, то есть увеличить их на целый порядок. Поэтому для специалистов «3D Биопринтинг Солюшенс» — это очень сложная, амбициозная и интересная задача.
Кроме того, вместе с Институтом металлургии и металловедения им. Байкова (ИМЕТ РАН) был проведён эксперимент по перекристаллизации октакальций фосфатных материалов или фосфатов кальция (ОКФ). Их сложно получить в стабильной форме на Земле, но в космосе удалось подобрать идеальные условия для их кристаллизации. И сейчас уже на Земле компания начинает работу по масштабированию их производства — с моделированием условий микрогравитации в специальных ротационных биореакторных системах. ОКФ обладает хорошими свойствами для регенерации костной ткани, также компания планирует использовать его в качестве добавки к зубным пастам. В рамках проведённых доклинических испытаний он уже показал очень высокие свойства реминерализации зубной эмали.
«Понятно, что чуда не произойдёт: если кариес уже есть, он его не вылечит. Но при регулярном использовании такой пасты с ОКФ, кариес просто не возникнет никогда. Я очень надеюсь, что уже в этом году мы начнём клинические испытания такой зубной пасты и она выйдет на массовый рынок. Мы, наконец, сможем увидеть, что фундаментальные исследования не просто могут иметь прикладные результаты, а использоваться в товарах широкого потребления. И это очень важно, для этого космос и нужен», — отмечает Хесуани.
Начиная разговор с Юсефом Хесуани мы, честно сказать, не предполагали, что довольно узкая и прикладная тема выращивания биокристаллов коронавируса на МКС выльется в столь фундаментальное обоснование космической деятельности в целом. С конкретными и практическими результатами в самых разных сферах здесь на Земле. Отрадно, что компания выходит в новые для себя сферы фудтеха и разработки новых материалов, не ограничиваясь медициной (в 2019 г. ею были впервые в мире напечатана хрящевая ткань человека). И это даёт отличный пример, как наука и космос могут окупить себя многократно.
Беседовал Сергей Мальцев
