Самая красивая молекула

Ольга Андреева
29 ноября 2007, 00:00

Таинственное слово «фуллерен» появилось в научном лексиконе всего 22 года назад. После графита и алмаза это третья форма углерода с уникальными физико-химическими и биологическими свойствами. История этого вещества — драматическая летопись создания новой отрасли науки. Фуллерены — это неорганическая химия, квантовая физика и нанотехнологии. А сейчас они добрались и до живого организма. Корреспондент «РР» присутствовала при эксперименте, в котором исследовалась возможность фуллеренов возвращать потерянную память. С их помощью ученые из Пущино надеются остановить старческое слабоумие — болезнь Альцгеймера, которой страдают миллионы людей на Земле

Место действия — Институт теоретической и экспериментальной биофизики РАН в подмосковном Пущино. Большой конференц-зал напоминает о былом величии 70-х. Огромные окна в оправе темно-деревянных рам, изысканный лаконизм белых стен и квад­ратных колонн.

В зале — научное совещание «Фуллерены и мозг». Когда я говорила знакомым физикам, что еду на мероприятие с таким названием, они недоуменно пожимали плечами: «Какая связь? Почему тогда не “Бетонные конструкции и глаголы языка суахили”?» Ну, как тут было не поехать!

Выступает Зоя Подлубная, доктор биологических наук из Пущино. На экране — странные палочки в разных комбинациях.

— Вот мы увидели такие бета-амилоиды. Посмотрите, какие они жирные, хорошие… — с гордостью говорит Зоя Александровна.

Бета-амилоиды — это особые белки (точнее, пептиды), присутствующие в нервных клетках мозга. В состоянии нормальной активности они полезны, но вдруг по непонятной причине начинают накапливаться, слипаться, объединяться в цепи, и однажды у человека появляются проблемы с памятью: он, скажем, не может найти свой дом — так начинается болезнь Альц­геймера. Бета-амилоиды на электронной фотографии именно в таком состоянии. Перед нами молекулы забвения. Восстановить память — значит разрушить бета-амилоидные цепочки. Увы, до сих пор ни одного полноценного препарата для этого не создано.

Следующая картинка: те же бета-амилоиды, но уже облепленные странными прозрачными шариками. Видно, как нити разрушаются — шарики их как бы пожирают. Эти шарики на фотографии, сделанной под электронным мик­роскопом, и есть фуллерены…

В перерыве после доклада Подлубной подхожу к Игорю Подольскому, пожилому застенчивому человеку, удивительно похожему на Эйнштейна. Работа Подлубной сделана по его инициативе и при его участии.

— Игорь Яковлевич, но ведь это удивительно! Можно ли сказать, что…

— Нет, нет! Нельзя! — Подольский машет руками. — Проблема слишком сложна.

В области патологии мозга болезнь Альцгеймера — самая большая головная боль ученых. Тысячи работ, десятки тысяч экспериментов. Механизм потери памяти изучен довольно хорошо, но нет никаких средств, которые задерживали бы развитие болезни.

16 млн человек во всем мире страдают болезнью Альцгеймера. Согласно научным прогнозам, уже лет через 20 каждый третий житель Земли старше 75 забудет собственное имя. Поэтому ученым интересно все, что может как-то на это влиять. Но почему именно фуллерены?

Углеродный футбол

Фуллерены открыли в 1985 году, а уже в 1996-м авторы открытия получили за это Нобелевскую премию. Атомы углерода создают конструкцию, по форме больше всего напоминающую футбольный мяч. Кстати, поначалу новое вещество так и называли — футболен. Но настоящее имя новому углероду дал американский архитектор Ричард Бакминстер Фуллер. В разгар 80-х, когда в моду вошло все экологически чистое, в том числе и архитектура, он предложил использовать шестигранные элементы строительных конструкций: удобно, красиво, надежно. О фуллерене можно сказать примерно то же самое.

Открыть фуллерены значило создать их. Существование третьего углерода в природе до сих пор остается под вопросом. Вроде бы в микроскопических дозах он присутствует в вулканическом пепле. Вполне вероятно, есть он и в межзвездном пространстве, что, правда, подтвердить сложнее.

Существует легенда о Марциальных водах, первом российском курорте, созданном по указу Петра I. Знаменитые воды протекают через залежи минерала под названием шунгит. Вроде бы нигде в других местах на планете такого минерала больше не обнаружено. Говорят, метеорит. Состав шунгита очень сложный. Есть некоторые основания полагать, что одним из его элементов являются фуллерены. Именно их присутствие и обеспечило Марциальным водам славу русского Баден-Бадена.

 pic_text1

Каноническая молекула фуллерена — так называемый фуллерен С60 — состоит из 60 атомов углерода, предельно плотно упакованных. Идеально симметричная форма и малый размер — два физических свойства, делающие фуллерен неодолимо привлекательным для исследователей: в их руках появляется абсолютно новый инструмент, а значит, и новый спектр возможностей. Пока еще захватывающе неизвестный.

Внешне фуллерен выглядит скромно: черный порошок. Главное — его химическая структура. При такой плотности углеродной упаковки связи между электронами обретают необычные квантовые свойства. Одним из следствий этого является возможность оттягивать на себя свободные радикалы и преобразовывать молекулярные структуры среды, в которой фуллерен находится. Отдельная тема — производные фуллерена, то есть его соединения с другими молекулярными группами. Сегодня количество синтезированных соединений фуллеренов исчисляется многими десятками. И у каждого свои возможности.

А еще фуллерен чувствителен к свету. Да так, что на свету меняет свойства на прямо противоположные. Если в темноте он выступает как антиоксидант, то есть восстановитель, то под воздействием света начинает бурно активировать кислород, то есть делается мощным окислителем.

Энтузиасты и скептики

Между тем перерыв закончился. В конференц-зале по мере выступления докладчиков накаляются страсти.

Исследователь Андреев демонстрирует результаты опытов, из которых следует, что фуллерен не распознается иммунной системой и легко проникает в клетку. Тут же вопрос из зала:

— А как он проникает в клетку?

Андреев честно разводит руками.

— Механизм еще не раскрыт. Известно, что проникает, но как — не знаю.

В зале гул. Ведущий предлагает отложить вопрос до дискуссии в конце конференции.

Пока готовится следующий докладчик, встает молодой химик из Черноголовки Павел Трошин. Только что он сделал блестящий и дельный доклад о химии фуллеренов.

— Господа биологи, вот вы скажите нам, химикам, что вам интересно? Ну, мы чего-то синтезируем, но мы ведь не знаем, что вам нужно. Какие соединения и свойства вам нужны в первую очередь? Мы же одно дело с вами делаем.

Вопрос повисает в воздухе. Кажется, биологи сами хотели бы это знать.

Тему продолжает Левон Пиотровский из Санкт-Петербургского института экспериментальной медицины. Его интересует больной вопрос о токсичности фуллеренов.

 pic_text2

— Есть куча работ, которые показывают, что фуллерен токсичен, и куча работ, где показано, что фуллерен нетоксичен. С этой трибуны я могу точно сказать, что ни одной грамотно выполненной работы по токсичности фуллерена я не знаю. Вот наши собственные данные. Мы прибавили водный раствор фуллерена в культуру при росте клетки. Мы ничего не увидели кроме того, что он исчез из клеточной среды, то есть вошел в клеточный слой. Клетки как были хорошие, так и остались. Плохого точно нет. Давайте поищем хорошее, может, что и найдем.

Кое-что хорошее уже нашли. В одном из исследований, выполненных под руководством Пиот­ровского, удалось доказать, что фуллерены могут успешно бороться с гриппом. В отличие от обычных лекарств типа ремантадина, углеродные шарики действуют на всех стадиях репродукции вируса, а не только вначале. Кроме того, фуллерен способен победить вирус гриппа типа В, против которого ремантадин вообще бессилен.

Фактически каждый доклад вызывает вопросы. Как работают производные фуллерена? Как определить структуру этих производных? Как установить, что эффект вызывается не химическими примесями, а именно производным фуллерена?

Как во всяком новом деле, здесь присутствуют энтузиасты и скептики. На трибуну выходит харьковский ученый Григорий Андриевский.

— Активность фуллерена не укладывается ни в какие рамки, — начало явно подозрительное, — но дело не в фуллеренах, а в упорядоченной структуре воды, которую фуллерены вокруг себя организуют.

Андриевский любовно смотрит на обычную пластиковую бутылку, наполненную водой, тоже по виду совершенно обычной. По его словам, эта жидкость уникальна.

— Традиционно считалось, что фуллерены не могут растворяться в воде. Нам удалось создать технологию, когда мы бросаем в воду фактически по одной молекуле фуллерена. Растворов, подобных нашему, пока никто не получил. Когда фуллерены попадают в организм, они стабилизируют структуры воды, которые поддерживают нашу жизнь. Они мобилизуют силы организма для борьбы с множеством заболеваний.

 pic_text3

Он приводит длинный список полезных свойств своей «фуллереновой воды». По крайней мере, сам он регулярно ее пьет и даже носит на шее оберег — ампулу с «фуллереновой водой». По его словам, эта вода улучшает самочувствие, даже если ее просто держать рядом с собой:

— Это пока невозможно объяснить. Многие ученые воспринимают это с большим скепсисом. Но эффект есть…

Скептиков долго искать не приходится. Я тихонько подсаживаюсь к химику Трошину. Осторожно спрашиваю его про «фуллереновую воду».

— Про шунгит слышали? — мрачно переспрашивает он. — Его чудодейственные свойства объясняют наличием фуллеренов. Хотя на самом деле фуллеренов там нет. И чудодейственных свойств тоже нет. Как и у самого фуллерена. У него, по всей видимости, есть определенные перспективы. Но когда вам говорят, что он будет лечить от всего, — это несерьезно.

Один — ноль в пользу фуллерена

Интерес к фуллеренам со стороны биологов вспыхнул во всем мире в 90-х годах. Тогда американцы исследовали их возможности как средства против СПИДа. Результаты получились самые интригующие. Оказалось, что молекула фуллерена взаимодействует с протеазой вируса СПИДа — ферментом, который, собственно, и делает вирус патогенным. В молекуле протеазы имеется небольшая полость, точно соответствующая размеру фуллерена. «Футбольный мяч» фуллерена загоняется туда, как в ворота. В результате патогенная активность вируса сильно тормозится. Но спустя 14 лет исследования остались на уровне фундаментальных, так и не перейдя в клинические.

Команда ученых под руководством Лауры Дуган из Вашингтонского университета обнаружила, что производные фуллерена сокращают гибель нервных клеток, атакованных агрегированными бета-амилоидами. Правда, механизм процесса, протекавшего «в пробирке», вскрыт так и не был. Сокращают — и все! Но уже одно это превращало фуллерен в перспективнейший инструмент в руках нейрофизиологов.

 pic_text4

Следующие работы по воздействию фуллеренов на процессы памяти проходили непосредственно в стенах Института теоретической и экспериментальной биофизики. А точнее, в лаборатории Игоря Подольского, маленькой, загроможденной шкафами комнатке, куда нас проводили после конференции.

— Что мы сделали на сегодня? — подробно и терпеливо рассказывает Подольский. — Мы прежде всего повторили то, что было сделано другими учеными. Только под электронным микроскопом. Рассмотрели эти бета-амилоид­ные ленты, рассмотрели фуллерены. А потом сделали то, что никто до нас не делал. Взяли и ввели фуллерены в раствор бета-амилоидов. И увидели, что бета-амилоидные волокна разрушаются до тонких нитей. Это очень важный результат.

Я спрашиваю о планах, о том, в каком направлении будет сделан следующий шаг. И вдруг получаю приглашение понаблюдать за уникальным экспериментом. Всего через три дня, здесь же.

В пробирке и в жизни

— В этом эксперименте мы делаем срезы гиппокампа толщиной в несколько сот микрон. Под микроскопом при такой толщине очень хорошо видны главные, пирамидные клетки мозга, нейроны.

Гиппокамп — это небольшой участок коры головного мозга, играющий огромную роль в формировании нашей длительной памяти. В данном случае речь идет о гиппокампе крыс, но мы с ними похожи. Изучается так называемый процесс долговременной потенциации синапса.

Нобелевский лауреат по химии Гарольд Крото: «Мы искали совсем другие соединения. Фуллерен обнаружился случайно»

Синапс — это место соединения нейронов. Именно через него проходят миллиарды сигналов, из которых и состоит процесс мышления. Когда человек что-то запоминает, синапсы переходят в режим длительной активации. Но тот же процесс можно вызвать и искусственно. Этот эффект сейчас является одной из лучших клеточных моделей для изучения процессов памяти и синаптической активности.

— В передаче сигнала через синапс участвуют два нейрона. Так вот, в один из них мы вводим раздражающий электрод, а в другой — отводящий, то есть регистрирующий, — продолжает Подольский.

На раздражающий электрод подается электрический ток, в нейроне появляется сигнал, который «бежит» до синапса. Там этот сигнал должен быть передан второму нейрону, а отводящий электрод считывает ответ. Причем этот ответ будет регистрироваться в течение нескольких часов: так и проверяют, насколько синапс «помнит», что когда-то его активировали.

 pic_text5

— Влияние фуллерена на синаптическую передачу вообще не изучали, — говорит Подольский. — Одна из исходных гипотез: он должен как-то улучшать долговременную потенциацию. Но это только гипотеза.

Так что сначала исследователи собираются проверить на живых нейронах, влияют ли вообще фуллерены на передачу сигнала между нервными клетками. Второй этап: нейроны будут искусственно поражать цепочками бета-ами­ло­и­дов. И этап третий: воздействие на пораженные клетки фуллеренами, чтобы посмот­реть, вернется ли передача в нормальное, «здоровое», состояние.

— Это исследование мы проводим вместе с профессором Годухиным. Я хочу, чтобы вы понимали, — тихо, но настойчиво замечает Подольский, — никто до нас таких экспериментов не проводил.

Мы проходим в другую комнату, где сидит, глядя в монитор, какой-то юноша. Слева от него установлен небольшой микроскоп, в окулярах которого виден срез гиппокампа. От клеточного препарата тянутся тонкие трубочки к странному устройству, в котором мерно прокатываются волны пульсирующей жидкости. Она течет из сложного нагромождения колб и все тех же трубочек. Самое важное происходит на экране: по нему бежит кривая — это и есть ответ нейрона на раздражающий сигнал синапса.

Нас знакомят. Молодого человека зовут Олег Карданец. Ему всего 24. Приехал учиться из Астраханского университета, окончил, поступил в аспирантуру к Подольскому. Я отлично понимаю, что это значит. Ничтожная зарплата аспиранта, койко-место в общежитии, смутные надежды на западный грант.

— Вот, — говорит Олег радостно, — сейчас я буду менять уровень сигнала и считывать результат.

Юноша явно рад нашему приходу. Молоденькая девочка-фотограф, студентка ВГИКа, совершенно очаровательное создание, щелкает камерой. Молодой человек смущен и заинтригован. Журналисты, интервью, вспышка фотоаппарата — загадочная другая жизнь! Кажется, девушке он тоже нравится. Я ее понимаю.

Бегущая по монитору кривая делает резкий скачок.

— Ага, мы изменили сигнал, — объясняет Олег, — и ответ изменился. Вот так происходит в течение нескольких часов. Каждые десять минут я считываю данные. Результаты получим через несколько дней, когда все обработаем.

— Это довольно сложная методика. Я месяц только учился. Много оборудования требуется, — Олег разводит руками, демонстрируя вопиющую скудость лаборатории. — Приходится какие-то вещи делать вручную.

Значит, всегда будет этот человеческий фактор возможной ошибки.

Маленькая тесная лаборатория, усталые люди в потертых пиджаках, старенький компьютер. За окном холод, и 16 млн человек, мучительно пытающихся вспомнить свое имя…

— Скажите, — я невольно оправдываю традиционную репутацию журналистов и пристаю к Подольскому в поисках сенсации, — но если окажется, что фуллерены восстанавливают механизм долговременной памяти, ведь это будет значить, что…

— Нет, — Подольский улыбается, — это будет значить только то, что мы будем работать дальше. Положительный результат эксперимента приведет к…

Положительный результат эксперимента поможет ответить на часть вопросов и сразу же поставит другие. Например, каков механизм действия фуллеренов на бета-амилоиды?

Гениальная простота конечного результата — будь то упаковка с лекарством или кнопка на пульте управления космическим кораблем — это финал многолетнего блуждания в глубокой темноте неизвестного. Путешествие под названием «биология фуллерена» только начинается. Ученые стоят на маленьком пятачке света и готовы к тому, что там, в темноте, их ожидания будут обмануты. Или ответ на вопрос будет совсем другим. 

Как сказал лукавый профессор Пиотровский, «fulleren is too beautifull to be usefull». Без перевода.

Фото: AFP/East News; Екатерина Орловская для «РР»; SPL/East News