Тайны свечения живого

Кто из нас в детстве не видел светляков, не прятал волшебных жучков в спичечную коробку и не подглядывал за ними в темноте? Удивительной способностью к свечению обладают не только членистоногие, но и другие живые организмы. Изучение этого загадочного явления в своё время захватило умы учёных всего мира. Полвека тому назад посеял первое семечко этих исследований в Красноярске ныне академик РАН, научный руководитель Института фундаментальной биологии и биотехнологии СФУ Иосиф Исаевич ГИТЕЛЬЗОН.

Правда, в начале пути тема исследований, проводимых в Институте биофизики СО РАН, даже у научной общественности вызывала массу нареканий. Какой смысл в Красноярске изучать светящиеся организмы, ведь большинство из них обитают в мировом океане, до которого как до Луны пешком. Но прошло время, и из семечка разрослось большое дерево, сформировалась научная школа Гительзона. Сегодня сибирские учёные переключили своё внимание с обитателей океанических глубин на земное направление. Например, в течение последних двух лет они интенсивно исследуют светящиеся высшие грибы и кольчатых червей.

— Зачем природе нужно это свечение? — говорит Гительзон. — В одних случаях для маскировки, в других — для привлечения полового партнёра, в третьих, — это способ защиты и т.д. Но во многих случаях это абсолютно непонятно и неизвестно.

— Иосиф Исаевич, если учёные разгадают тайны свечения живого, какую пользу это может принести обществу?

— Главная фундаментальная проблема в том, как происходит преобразование химической энергии в свет в живой природе? При этом ничего не тратится на тепло, как в лампах, сделанных руками человека. Природа сумела сотворить то, чего мы ещё не можем. Вот если бы мы повторили то, что делает люцифераза (окислительный фермент, катализирующий реакцию, сопровождающуюся испусканием света, биолюминесценцией — прим. автора)... Но что в ней является ключевым, что позволяет всю энергию отправить в свет и не тратить её — это самый фундаментальный вопрос. Если он будет решён, то человечество получит рецепт, как делать новые источники света прямо из химии, минуя нагрев.

В 60-е годы исследования по биолюминесценции в мире развивались очень интенсивно, в 70-е — достаточно умеренно, в 80-е — эта область фундаментальной науки сильно сократилась, а в настоящее время практически сошла к нулю. Фактически только российские учёные упорно продолжают работать в этом направлении.

Осаму-сэнсэй. Миссия в Сибири

В июне нынешнего года Красноярск впервые посетил лауреат Нобелевской премии по химии Осаму СИМОМУРА. Посетил не как гость. В сентябре 2011 года СФУ стал победителем открытого публичного конкурса на получение грантов Правительства России для государственной поддержки научных исследований, проводимых под руководством ведущих учёных в российских вузах.

СПРАВКА
В конкурсе на получение гранта участвовали 517 ведущих учёных, только 39 заявок были поддержаны. Наработки учёных СФУ по данной теме сыграли решающую роль: правительственный грант выделен на 3 года, его размер —110 млн рублей.

Японский учёный приглашён в Красноярск как руководитель проекта «Биолюминесцентные биотехнологии». Исследования ориентированы на новые научные результаты, образовательные программы и новые технологии, основанные на биолюминесценции.

«Мне очень приятно работать с сибирскими учёными, — сообщил Осаму Симомура на своей первой пресс-конференции в СФУ. — И не потому, что никто в мире больше не ведёт эти исследования, а потому, что российские учёные являются выдающимися, их работы очень хорошего качества».

Любовь российских учёных к фундаментальной науке — это вообще феноменально. По словам академика Гительзона, здесь сказывается положительная сторона отрицательного явления: «У нас очень трудно внедрить в жизнь результаты исследований. Даже сам термин «внедрение» предполагает сопротивление, хотя должно быть не внедрение, а потребление. Но раз так, мы и занимаемся фундаментальной наукой».

Кстати, Осаму Cимомура — третий Нобелевский лауреат, посетивший Красноярск после Марии КЮРИ и Фритьофа НАНСЕНА, с перерывом почти в целый век.

По воле случая

О своей жизни профессор мог бы, наверное, написать остросюжетный роман. После Второй мировой войны в Нагасаки, полностью разрушенном атомной бомбой, трудно было найти уцелевшее учебное заведение, чтобы продолжить образование. Осаму подал заявление в фармацевтическое училище, находившееся рядом с его домом, и был принят, хотя, как писал позже, никакого интереса к фармацевтике не испытывал. «В юности я хотел заниматься техникой и конструировать самолёты. Была такая мечта, но её абсолютно разрушила война».

Профессор О. Симомура выступил в СФУ с той же публичной лекцией, которую он читал в 2008 году на вручении Нобелевской премии. Открытие зелёного флуоресцентного белка в медузе в 1961 году — захватывающая и поучительная история успеха. «Нам надо было собрать и провести экстракцию, по крайней мере, из 50 000 медуз… Работали мы очень упорно. Сбор медуз начинали в 6 утра, в 8 утра начинали вырезать светящиеся части медуз — кольца, затем был вечерний сбор медуз в течение нескольких часов. Лаборатория выглядела как медузный завод, всё пропахло медузами».

Осаму-сэнсэй уверен, что большие деньги в науке — не самое главное: «Я могу сказать, что мои лучшие исследования я провёл, когда был беден. И профессор Франк ДЖОНСОН, пригласивший меня работать в его лаборатории в Принстоне, тоже тогда был беден».

На вопрос, как изменилась жизнь после получения Нобелевской премии, 83-летний лауреат ответил: «Премия — хорошо, это очень почётно. У меня три таких почётных момента: диссертация, звание «Почётный гражданин» в одном из регионов Японии, мемориальная памятная доска на здании школы, где я учился… Но мне не нравятся все эти мемориальные вещи».

Официально Осаму Симомура вот уже более десяти лет как вышел на пенсию. Но в свой дом на полуострове Кейп-Код в штате Массачусетс он привёз лабораторное оборудование, чтобы не прерывать исследований, и написал уже более 30 статей.

По мнению И.И. Гительзона, все научные работы профессора Симомуры фундаментальны: «Они очень чисты по исполнению и сделаны так, что против них невозможно возражать. Но сам он довольно часто критикует чужие труды, и не беспочвенно».

Много ли сейчас работает Осаму-сэнсэй? Его супруга, она же бессменный ассистент в научной лаборатории, утверждает: «День и ночь…без выходных …сутками». Сохранить физическую форму в столь почтенном возрасте помогает одно очень хорошее упражнение — «поехать пособирать медуз».

Умение ждать

В 1951 году Осаму Симомура окончил Университет Нагасаки, а с 1955 года работал в Нагойском университете, исследовал флуоресценцию морских беспозвоночных. Именно тогда ему удалось выделить белок, отвечающий за свечение одной из разновидностей ракообразных — остракод. В 1960 году Симомура получил в университете докторскую степень и переехал в США, в Принстон, где и открыл зелёный флуоресцентный белок (GFP), вызывающий свечение у медуз.

В течение последующих 30 лет после открытия этот белок, по словам учёного, практического применения не находил.

«Человеческое общество устроено так, что не сегодняшние результаты науки, а её «корни» наиболее продуктивны и дают наибольшие результаты, — подчеркнул академик Гительзон. — В фундаментальной науке ты никогда не знаешь, какой будет результат. Это как самородки искать — либо повезёт, либо нет. Многие фундаменталисты занимались биолюминесценцией, но только один Осаму Симомура получил Нобелевскую премию. Его работа послужила основанием для широчайшего спектра применения, хотя сам он не принимал участия в прикладных исследованиях и разделил премию с двумя американскими учёными-прикладниками».

В настоящее время ген белка GFP широко используется учёными во всём мире, это позволяет визуализировать разнообразные процессы в живых организмах.

«В живом организме происходят десятки тысяч разных процессов, и надо как-то пометить нужный процесс и проследить за ним, — объясняет Иосиф Исаевич Гительзон. — Для этого очень удобна биолюминесценция. Светящийся белок подобно маячку прикрепляют к интересующему нас веществу и следят, что же происходит с этим веществом. Данное открытие применимо не только в медицине, но и в генетике, биотехнологии, экологии».

Разработки учёных СФУ по биолюминесценции сегодня тоже представляют огромный интерес: предлагается альтернатива дорогостоящим медицинским зарубежным диагностикумам. Кроме того, в скором времени возможно появление портативных лабораторий для экологического мониторинга.

Сейчас в СФУ в рамках гранта создаётся новая лаборатория биолюминесцентных биотехнологий. В проекте задействовано более 80 человек, большинство из них — молодёжь: аспиранты и магистры.

Загадочная японская душа

Считать ли Осаму Cимомуру японским или американским учёным — вопрос дискуссионный. Более полувека он живёт и работает в США, но остаётся подданным Японии. «Не вижу необходимости в перемене гражданства. Я японец».

Симомура поддерживает связь со многими своими коллегами из Страны восходящего солнца, часто бывает на родине, но…

«Я несколько раз предлагал проводить исследования светящихся грибов в Японии, но мне было отказано. Фундаментальные новые вещи делать всегда сложно, этот упорный и тяжёлый труд занимает очень много времени. Поэтому гораздо больше людей участвуют в прикладных исследованиях, они быстрее дают результат и лучше вознаграждаются. Для фундаментальной науки это печально и близоруко», — считает профессор.

Внешне учёный производит впечатление очень скромного и даже застенчивого человека, но когда того требуют интересы науки, просыпается его второе «я».

Однажды, ещё в начале 60-х, у Симомуры случился конфликт с научным руководителем: «Из-за разногласий в методике проведения эксперимента я начал работать отдельно. На одном конце стола — я, а на другом конце стола доктор Джонсон и его помощник продолжали свои попытки выделить люциферин (люциферин — светоизлучающие пигменты, обнаруженные в организмах, способных к биолюминесценции, — прим. автора). Ситуация была весьма неловкой».

— Что бы вы, спустя полвека, с высоты своего опыта порекомендовали молодым учёным, оказавшимся в подобной нелепой ситуации?

— Поменять руководителя (смеётся). Хотя, честно говоря, с доктором Джонсоном у меня были очень хорошие отношения. И после того как я обнаружил GFP в медузах, он изменил своё отношение к этой проблеме, а соответственно и к подчинённому.

— А в настоящее время есть у вас научные идеологические противники?

— Сейчас нет, но был случай, когда один из учёных опубликовал неверные сведения и, чтобы доказать правоту, мне пришлось с ним бороться пять лет!

Другое качество Осаму Симомуры — трудолюбие. «Я был в его океанологической лаборатории Вудс-Хоул 15 лет назад, — рассказывает Гительзон. — Это знаменитая биологическая морская станция. Одним из её первых директоров был Томас МОРГАН — американский биолог, стоявший у истоков генетики. Профессор Симомура именно там сделал работу со светящейся медузой. Интересно, что в отличие от многих современных учёных, которые быстро становятся менеджерами в науке, управляют большими коллективами, он работает сам, в прямом смысле слова засучив рукава: сотни, тысячи медуз приходилось ему вылавливать и вырезать из них кольца в ходе экспериментов. Помню, пришло время обеда. Его жена и помощник отставила в сторону ступки, в которых растирала препарат, и за этим же рабочим столом нас накормила».

Грибная пора в науке

Грибы в Японии любят жарить на вертеле или в гриле и подавать с ломтиками лимона и с соевым соусом сею. Супруга Симомуры выдала мне небольшой секрет: в последнее время профессор не только увлечён грибами как объектом исследований, но и с аппетитом их ест.
Почему именно биолюминесценция грибов стала одним из предметов общего научного интереса в рамках мегагранта в СФУ?

— Грибы — это последняя большая группа (не растения и не животные), механизм свечения которых не расшифрован, — объясняет академик Гительзон. — Морских обитателей учёные уже рассекретили, светляков тоже… Но опята, маслята и даже подберёзовики тоже могут светить… Например, у опёнка светит не тело плодовое, которое мы употребляем в пищу, а его подземная часть. Почему, зачем это свечение? Но оно есть! Кроме нас с Симомурой грибами активно занимается группа энергичных молодых исследователей в Бразилии, но научные позиции профессора не совпадают с их гипотезой. Мнения расходятся принципиально. Бразильские коллеги считают, что они нашли люциферазу в грибах, а Осаму настаивает, что её там нет и быть не может. Вот нам и предстоит понять, кто прав в гипотезе о механизме свечения грибов.

«В природе существуют три вида люминесценции. Один из них — это система люциферин-люцифераза, второй — это система фотобелков, а третий вид до сих пор нам не известен, поэтому и трудно вести исследования грибов», — поясняет профессор Симомура.

Весь трёхгодичный «грантовый» период, как минимум четыре месяца в году (так закреплено в Положении о грантах), обладатель Нобелевской премии по химии будет работать в СФУ. От совместного проекта он ждёт только хорошего результата: «Я считаю, те, кто сегодня исследуют свечение червей, смогут определить структуру люциферина. И я думаю, мы достигнем прорыва в понимании свечения грибов».

Вера КИРИЧЕНКО
Средняя оценка: 5 (проголосовало: 3)