Цивилизация
Беседа корреспондента «Газеты.Ru» с нобелевским лауреатом Осаму Симомурой состоялась в аэропорту Шереметьево, когда профессор вместе со своей женой и научным ассистентом Акеми Симомурой возвращался из Красноярска. Он посещал Лабораторию биолюминесцентных биотехнологий Института фундаментальной биологии и биотехнологии Сибирского федерального университета , в которой идут исследования по мегагранту. Кончается второй и последний год, на который было отпущено финансирование, кончается деятельность Осаму Симомуры как руководителя проекта. Если будет удовлетворена заявка ученых на получение следующего мегагранта, Симомура уже не станет возглавлять проект. Одной из причин является требование Минобрнауки к приглашенному руководителю не менее четырех месяцев в году проводить в лаборатории, где проводятся исследования. Требования нереальные для 85-летнего профессора и необоснованные в сегодняшних условиях, когда электронные средства связи обеспечивают не четырехмесячный, а постоянный контакт исследователей в разных странах.
Свою годовую зарплату по мегагранту Осаму Симомура отдал в лабораторию на продолжение работы.
Осаму Симомура известен во всем мире как первооткрыватель знаменитого зеленого флуоресцентного белка (GFP), в 2008 году он вместе с Роджером Тсьеном и Мартином Чалфи получил Нобелевскую премию по химии.
GFP стал исключительно ценным инструментом в руках молекулярных биологов: он играет роль универсальной генетической метки, позволяющей визуализировать работу генов, поведение клеток, различные физиологические процессы.
Но для Симомуры, который открыл зеленый белок еще в 1960-х годах, это пройденный этап. Его привлекает не прикладная сторона науки, а процесс познания неизвестного. Он настоящий рыцарь фундаментальной науки, как сказал корреспонденту «Газеты.Ru» Иосиф Гительзон, профессор Сибирского федерального университета.
Осаму Симомура посвятил жизнь исследованию биолюминесценции — одного из самых загадочных явлений в живой природе. Но изучению биологического свечения предшествовала другая вспышка.
В 1945 году он пережил взрыв атомной бомбы в Нагасаки, находясь в пригороде, всего лишь в 15 км от эпицентра.
Тогда он на несколько недель потерял зрение. Преодолев болезнь, поступил учиться фармации, по его словам, потому, что это было недалеко от дома. Стал биохимиком. Уехал работать в США, но американским гражданином так и не стал, сохранил японское подданство.
Главное открытие своей жизни Симомура совершил в 1960-х годах, работая в лаборатории Фрэнка Джонсона в Принстонском университете. Для разгадки тайны свечения медузы экворея (Aequorea) ученый и его помощники на морской биостанции вылавливали и перерабатывали тонны медуз, вырезая ножницами светящиеся кольца.
Симомура выделил из медуз белок экворин, который дает ярко-голубое свечение при взаимодействии с ионами кальция, а затем обнаружил еще один белок, который не светится самостоятельно, но, поглощая фотоны в синем диапазоне от свечения экворина, начинает флуоресцировать зеленым.
В течение последующих лет удалось распознать его структуру и механизм свечения. А затем зеленый белок начал свое триумфальное шествие по миру, в лабораториях появились зеленые мыши и зеленые обезьяны. Но Симомура, который пустил его в плавание, не следит за успехами своего детища: ему гораздо милее белок экворин, который светится самостоятельным, а не переизлученным светом.
В красноярской лаборатории идут исследования по выявлению механизма свечения почвенных червей и грибов. В отличие от биолюминесценции морских организмов свечение наземных живых организмов — это совсем неизведанная область. Этим и привлекательна она для Осаму Симомуры, который и сам много лет пытался расшифровать эту биолюминесцентную систему. Причем после официального ухода на пенсию он продолжал проводить эксперименты у себя дома.
— Как продвигается ваша работа в Красноярске?
— Я, собственно, ничего не делал. Я только посетил лабораторию, не проводил никаких экспериментов. Эксперименты проводят сотрудники лаборатории.
— Вы исследуете биолюминесценцию грибов. Почему именно грибов?
— Это совершенно неизученная область.
— А в чем проблема? Никто не знает, как они светятся или почему они светятся?
— Ни то ни другое. Я пытаюсь это изучать начиная с 1990 года.
— Весь мир знает зеленый флуоресцентный белок. Но вы говорите, что вас не интересует практическое приложение ваших исследований. Это так?
— Да, это так. Ведь GFP — это только побочный продукт экворина. А экворин биолюминесцирует, и это гораздо более интересно.
Я не был счастлив, когда получил Нобелевскую премию, это все отнимало очень много времени. Я был счастлив два раза в жизни: когда мне удалось кристаллизовать люциферин и когда мы изучили рентгеновскую кристаллографию экворина.
В это время я был очень-очень счастлив.
— Почему вы согласились работать с российскими учеными в Красноярске?
— Российские ученые в Красноярске — единственная группа, которая сегодня изучает биолюминесценцию, разнообразные виды люциферина. Никто больше это не изучает, все занимаются только прикладными исследованиями.
— А что вами движет в фундаментальных исследованиях? Любопытство?
— Да, любопытство, интерес лежит в основе всего.
Я считаю, что фундаментальная наука более важна, чем прикладная.
Более подробно про исследования по мегагранту «Газете.Ru» рассказал профессор Сибирского федерального университета, научный руководитель Института фундаментальной биологии и биотехнологии, советник Института биофизики СО РАН, академик РАН Иосиф Гительзон .
— В рамках мегагранта с Осаму Симомурой в лабораториях Института фундаментальной биологии и биотехнологии и Института биофизики СО РАН вы изучаете биолюминесценцию червей и грибов. А почему именно эти объекты вас интересуют?
— Мы занимаемся не только ими. Если перечислять все наши объекты, то это грибы, черви, точнее, олигохеты, так называются эти почвенные черви, морские беспозвоночные, в частности кишечнополостные. У всех этих организмов мы изучаем механизмы свечения.
Есть еще одна ветвь нашей работы — это использование молекулярных светящихся систем как диагностических инструментов в медицине и биотехнологии.
Кроме того, еще одна область, которую я считаю очень важной, — это использование биолюминесценции как метода визуализации биологических процессов для преподавания биологических дисциплин. То есть вы делаете видимыми процессы, которые идут в организме, биохимические и физиологические, например дыхание, пищеварение. Превращение процесса в видимый, демонстративный очень важно для преподавания как в школе, так и в университете.
— Как давно вы занимаетесь биолюминесценцией и почему вас привлекло именно это направление?
— Считайте, что с 1960 года, то есть полвека уже с лишним. А почему привлекло? Ну это сложная логическая цепочка. В фундаментальной науке обычно не внешние факторы руководят направлением, не то, что кто-то заказывает, кто-то поручает, а внутренние. А внутренний фактор заключался в том, что мой предыдущий период работы, в 1950-е годы, был связан с изучением дыхательной функции крови. А дыхательная функция связана с энергетикой.
И оказалось, если посмотреть шире, что наиболее эффективный из всех процессов использования энергии в живой природе — это превращение светящимися организмами химической энергии в излучение, биолюминесценция.
В этом процессе очень высокий коэффициент преобразования. Если сравнить с тем, что в наших лампах электричество преобразуется в свет на 20–30%, остальное — в тепло, то живые организмы химическую энергию превращают в излучение на 80–90%. На это способны те организмы, у которых есть специальные ферменты — люциферазы. Вот это меня и заинтересовало. Ну а они в основном живут в океане. Из наземных организмов светятся жуки-светляки, грибы и некоторые черви. Поэтому я обратился к изучению свечения в море.
Для этого мы разработали погружаемую в толщу воды зондирующую аппаратуру и с ней приняли участие в морских экспедициях Института океанологии. Тогда по всем океанам работали суда Академии наук, неся академический флаг. И я со своими молодыми учениками предложил способ, как можно измерять биолюминесценцию, не извлекая организмы из воды, погруженными приборами-батифотометрами. В океанологии биолюминесценция оказалась полезной для визуализации жизни морских, в основном планктонных, экосистем. Погруженный прибор позволяет вам видеть и мерить проявления жизни в толще морских вод, не извлекая организмы на борт. Измеряя биолюминесценцию, можно оценивать продуктивность и пространственное распределение экосистем и их повреждения природными и человеческими факторами, такими как разлитие нефти и тому подобное.
Таким образом, мы вооружили науку об океане физическим инструментом прямого измерения проявления жизни в толще морских вод,
а это очень важно и для фундаментальной океанологии, изучающей Мировой океан, и для практической деятельности в море флота, морского рыболовства и рыбоводства, бурно развивающейся морской биотехнологии, и для охраны морских вод. К сожалению, сейчас корабли академии почти не ходят в океан из-за отсутствия денег, и это направление у нас свернуто.
А вот направление лабораторного изучения молекулярных механизмов люминесценции продолжается. И оно нашло поддержку в этом мегагранте. Хотя и до него мы работали, но грант позволил нам приобрести новое оборудование, привлечь университетскую молодежь и сделать сильный рывок.
Новость буквально последних дней — удалось расшифровать молекулярный механизм свечения этих самых сибирских почвенных червей.
То есть мы теперь знаем, как выглядит структура молекулы их люциферина, которая излучает свет. Ну и по грибам мы существенно продвинулись.
Почему эти два объекта, вы спрашиваете? Потому что они до сих пор не были расшифрованы. Ранее были открыты молекулярные механизмы десятка разных биолюминесцентных систем, существующих в природе, теперь к ним добавились сибирские черви.
Грибы остаются наиболее трудно поддающимися.
Осаму Симомура ими тоже очень интенсивно занимался с 1960-х годов. До сих пор не удалось еще расшифровать их механизм свечения, но сделан существенный шаг: мы научились выделять эту систему в раствор, и она в нем работает, продолжает излучать. Это открывает дорогу для следующего шага — расшифровки химической структуры и механизма свечения.
— У каждого изучаемого организма люциферин имеет свою молекулярную структуру?
— Люциферин — это определение функции молекулы, а не структуры. Субстрат, который при окислении излучает свет. Но люциферины имеют совершенно разную структуру у разных групп организмов. Поэтому для каждой группы нужно изучать механизм. Мегагрант кончается, но за рамками мегагранта следующая стоящая перед нами задача — это расшифровать механизм грибного свечения и свечения ряда морских организмов.
Каждый новый расшифрованный механизм живого света — это новый аналитический инструмент для медицины, биотехнологии, экологии.
— Как состоялось ваше знакомство с Симомурой? И почему вы предложили ему возглавить проект по мегагранту?
— Ну знакомство у нас старое: я бывал в его лаборатории в Вудсхоле. Есть такая знаменитая морская биостанция на Атлантическом побережье США. Он работал в Америке, хотя остался японцем по гражданству. Мы познакомились, наверное, в начале 1990-х. Тогда он занимался морскими биолюминесцирующими организмами и я тоже. Ну а затем мы с интересом следили за работами друг друга, переписывались, на конференциях встречались. А когда были объявлены условия мегагрантов, нужно было пригласить человека со стороны, наиболее погруженного в эти работы.
Что мне в нем очень симпатично — он настоящий рыцарь фундаментальной науки. Он не соблазняется прикладными исследованиями, хотя это гораздо проще, быстрее, приносит деньги и славу.
Симомура обнаружил у медуз зеленый белок, знаменитый теперь GFP, но не стал заниматься прикладной стороной. Он его открыл. А применением стали заниматься два его соучастника по Нобелевской премии. Вот его фундаментальность в науке меня очень привлекает. И поэтому я провел с ним переговоры, мы встретились на международном большом конгрессе в Китае, и тут я ему предложил эту работу — руководить мегагрантом. Но первой его реакцией был отказ, не потому, что он не хотел с нами работать, он сразу сказал, что это ему очень интересно и что, по его мнению, кроме нас, никого не осталось в фундаментальном поле работ по биолюминесценции. По его мнению, все втянулись в прикладные исследования. Ну это, пожалуй, преувеличение с его стороны, что, кроме нас, никого не осталось. Но мы неуклонно держимся этого принципа — прежде делать фундаментальное исследование, а затем находить практическое применение его результатам.
Доктор Симомура очень высоко это оценил, но не решился ехать к нам, потому что там в гранте условие — четыре месяца в году проводить время здесь. Это бессмысленно при современных средствах связи. Что значат сейчас четыре месяца в году, когда мы можем ежедневно общаться сколько угодно через интернет, обсуждать, что мы делаем, неограниченно видеть друг друга посредством скайпа. И его первая реакция была, что он не может — по возрасту, по состоянию здоровья — так надолго уезжать. И вообще он никогда не был не то что в Сибири, он в России никогда не бывал. Я признал его доводы с сожалением, и мы расстались. Через пару дней я получаю от него письмо, что он передумал и соглашается. Вот так это началось.
— Симомура, по вашим словам, рыцарь фундаментальной науки. Но вы-то находите применение своим открытиям, занимаетесь и прикладными исследованиями. Расскажите немного подробнее про перспективы применения биолюминесценции в диагностике.
— Я сначала скажу, в чем разница. Симомура никогда не имел большой лаборатории. Он экстра-класса химик, работающий только сам, своими руками. Когда я был у него в лаборатории, его жена, которая его всю жизнь сопровождает и как супруга, и как ассистент, она в той же комнате готовила препараты, тут же он их исследовал. Пришло время ланча — и все это отодвинули в сторону, и мы «ланчевались» за тем же столом. Жена фактически единственный его ассистент. Кроме того времени, когда он должен был собрать тонны биомассы медузы, чтобы выделить белок, вот тогда у него были еще студенты. У нас другая ситуация: большая лаборатория, в которой десятки людей, и мы можем позволить себе вести фундаментальную линию и в то же время не бросать прикладную.
Теперь пример. Сейчас очень много всякого рода биохимически важных веществ — ферментов, антител, антигенов — измеряется с помощью радиоактивной метки. Это очень удобно, потому что есть чувствительные приборы. Но если это делать массово, то это тысячи анализов, а потом надо куда-то девать использованные реагенты, и получается, что вы таким образом загрязняете окружающую среду радиоактивными элементами, которые никакими силами уничтожить невозможно, пока они сами не распадутся, а для некоторых изотопов время распада измеряется тысячами и более лет.
Оказалось, что по чувствительности биолюминесцентные метки сопоставимы с радиоактивными метками. Но от них нет никакого загрязнения.
— Мегагрант кончается. Но насколько мне известно, Симомура отдал в лабораторию свою зарплату по гранту на продолжение исследований. Это поможет работе?
— Сначала по поводу этого его благородного жеста. Он действительно отдал свою зарплату за последний год. Но размер этой зарплаты несравним с целым грантом, поэтому, конечно, для продолжения работы это не представляет такого существенного вклада.
Но что мы хотим сделать: скорее всего, это будет фонд его имени, с тем чтобы молодые ученые — студенты, аспиранты, молодые сотрудники — получали каждый год две-три премии его имени за работы по биолюминесценции.
Это будет хорошим стимулом для молодых.
А что касается продолжения, то ситуация такая. Осаму Симомура получил приглашение Министерства образования подать заявку на продолжение гранта на тех же условиях: проводить у нас по четыре месяца в году, но, так как состояние здоровья не позволяет ему так надолго отлучаться, мы подали заявку на новый мегагрант. Теперь мы пригласили другого японского ученого, которого Симомура хорошо знает, широко известного специалиста по использованию биолюминесцентных методов в аналитике. Он бывал у нас в университете и согласен проводить по четыре месяца в год у нас, работая в созданной по мегагранту лаборатории биолюминесцентных технологий. Но я не ставлю продолжение работы в абсолютную зависимость от этого нового гранта. Мы же и до этого работали многие годы, а сейчас закупили хорошее оборудование, открыли новую лабораторию, в основном из молодых ученых. Работа будет продолжаться, на это настроен весь коллектив. Но развить успех, конечно, можно гораздо быстрее, если грантовая поддержка будет продолжаться. Таким путем средства, потраченные по первому гранту, смогут работать с наибольшей отдачей.