Як науковці займаються дайвінгом у пошуках нових ліків

Маючи бажання та трохи коштів, сьогодні зовсім не важко зануритися на дно морів-океанів і поглянути на різноманіття життя під водою. Утім, принадою цього здебільше невідомого людині світу є не лише краса, адже безліч тамтешніх організмів виробляє токсичні хімікати для відлякування хижаків. Підводний світ – невичерпне джерело інформації для науковців і незнаних потенційних медикаментів для людей. Science News for Students розповідає більше про сучасних дослідників, які змінили лабораторні халати на гідрокостюми та акваланги.

Глибоко вниз

Морське дно може видатися дивним місцем для пошуку нових ліків, але варто пам’ятати, що організмам в океані довелося адаптуватися до жорстких умов життя, і деякі хімічні речовини, які вони виробляють для виживання, можуть стати у пригоді людям. Розгляньмо асцидії. Ці м’які, безкісткові морські тварини здебільшого кріпляться до морського дна. Прокачуючи крізь свої тіла воду, вони відфільтровують будь-які крихти, які можуть з’їсти. Деякі асцидії на Великому бар’єрному рифі також виробляють хімічні речовини, що, як виявилося, можуть вбивати ракові клітини людини (ймовірно, вони допомагають асцидіям захищатися від власних ворогів). Професор Марсель Джасперс (Marcel Jaspars) допоміг з’ясувати, як отримати в лабораторії бактерії для одержання тієї самої хімічної речовини, що дозволило вченим вивчати її без збирання чи пошкодження диких асцидій.

Джасперс захопився пірнанням з аквалангом після перегляду телевізійних шоу про дослідника океанів Жака Кусто (Jacques Cousteau). Вже 16-літнім майбутній науковець отримав свій перший сертифікат дайвера. Потім він вивчав хімію та біологію. Зараз отримані знання допомагають йому з’ясовувати, як перетворити морські молекули на медикаменти для людини. За роки праці фахівець опускався на дно морів у всьому світі. Сьогодні він керує морським біологічним центром при Абердинському університеті в Шотландії. Наразі у центрі досліджень Джасперса – мікроби, які живуть у дуже холодних умовах, як от Північний Льодовитий океан. Пірнати у тих умовах – неможливо. На заваді стають і глибина, і температура, тому за допомогою технологій вчені, що перебувають на дослідницьких кораблях, дістають мул з морського дна. Потім вони надсилають Джасперсу невеликі зразки витягнутого.

Метаболізм мікробів, що живуть у водах Арктики, відрізняється від метаболізму організмів на суходолі. Вони використовують зовсім іншу тактику для розщеплення їжі. Водні мікроби також виробляють хімічні речовини, що називаються «вторинними метаболітами». Поки що вчені не можуть з’ясувати користь цих хімічних сполук для мікробів, адже відомо, що мікроби безпосередньо не потребують їх для виживання. Може виявитися, що ці вторинні метаболіти також можуть допомогти людям.

Зразки живих організмів з морського дна Північного Льодовитого океану в лабораторії Джасперса

Впродовж чотирирічного проекту під назвою PharmaSeas вчені здійснили тисячі витягів зі зразків морського дна. Працюючи з дослідниками з усієї Європи, Джасперс нарахував близько 700 «цікавих». Дослідникам вдалося виявити сполуки, здатні вбивати бактерії, які не піддаються впливу сучасних антибіотиків. Три інші новознайдені хімічні сполуки зменшують епілептичні напади у мишей. Ще одна сполука може полегшити симптоми хвороби Альцгеймера.

Незабаром Джасперс розпочне той самий процес з новими партіями мулу з Антарктиди. Ці зразки були отримані з глибини до 5 км, зони надзвичайно високого тиску. За допомогою нового лабораторного інструменту професор зможе імітувати цей тиск, що допоможе мікробам з морського дна почуватися у звичному для них середовищі. Дослідникам необхідно відтворити жорсткі умови для вирощування організмів, що звикли до таких екстремальних середовищ існування. І, підозрює науковець, такі організми продукують метаболіти, яких ніхто не бачив раніше.

Джасперс вирощує глибоководні мікроби в лабораторії. Він перевіряє колонії на наявність молекул, які можуть стати новими ліками

Таємниці губок

На відміну від Джасперса, Ширлі Помпоні (Shirley Pomponi) ніколи не мріяла стати глибоководним дайвером. Вона планувала бути медсестрою. Але вже після першого занурення жінка точно знала, що не збирається проводити все життя на суші. Найбільше її зачарували губки. Ці прості тварини живуть скрізь, від мілких вод до глибоких морів. «Губкам доводиться відфільтровувати з води бактерії, віруси та різноманітні речовини, які можуть бути шкідливими», – пояснює науковець. Деякі зі сполук можуть виявитися компонентами нових ліків. Ба більше, оскільки губки завжди прикріплені до морського дна, вони не можуть рухатися, якщо їм щось загрожує, тож губки виробляють хімічні речовини для захисту. Наприклад, щоб зупинити розростання інших губок на «свою» територію, деякі губки виділяють речовини, які зупиняють ділення клітин «загарбника». Помпоні відзначає, що це – шлях до лікування раку. У 1990 році подібну речовину виділили з виду губки під назвою Discodermia dissoluta, на її основі виготовляється препарат діскодермолід.

Відтоді біологиня здійснила незліченну кількість занурень. Помпоні спеціалізується на категоризації губок, а їх існує понад 10 тис. видів, що розвивались більше, ніж 600 млн років. Ідентифікація губок важлива, оскільки представники споріднених сімей часто виробляють аналогічні хімічні речовини. Знання Помпоні настільки широкі, що сьогодні вона заслужено очолює Кооперативний інститут досліджень і технологій океану у штаті Флорида, звідки подорожує усім світом у пошуках нових губок і нових ліків. Помпоні наголошує на важливості збереження підводного життя і прагне обмежити кількість губок, які люди видаляють з моря. «Якщо для дослідження брати лише невеликий шматочок і не порушувати кріплення губки до дна, вона зможе відрости», – пояснює дослідниця.

Вона також працює над вирощуванням губок у лабораторії. Додавши поживні речовини, Помпоні сприяє росту всього кількох клітин губок, які діляться та виділяють незвичайні хімічні речовини в колбі. Це не легко, адже необхідно створити ідеальні умови, але тоді дослідникам не доведеться винищувати так багато диких губок.

Сяйво у темряві

На думку Девіда Грубера (David Gruber), біолога Міського університету Нью-Йорка та дослідника Американського музею природної історії, пірнати з аквалангом найкраще вночі. Саме тоді він шукає організми, що світяться у темряві, – червоні корали, зелених вугрів або, можливо, риб із блискучими очима. Учений хоче знати, яким чином ці організми продукують такі кольори, і чи можуть ці процеси бути використані на користь людини. Річ у тому, що сонячне світло не поринає у глибини океану. Глибше 30 м панує синє світло. У цьому блакитному світі деякі тварини використовують біофлюоресценцію, щоб перетворити це світло на відтінки зеленого, помаранчевого та червоного кольорів.

«Використовуваний цими організмами механізм міг би з’явитися на сторінках бестселеру з наукової фантастики», – говорить Грубер. Тварини використовують пігменти, які поглинають вхідне синє світло, а потім відправляють це світло назад. Відправлене назад світло має меншу енергію і більшу довжину хвилі, тож може виглядати зеленим, оранжевим або червоним. Цей процес відрізняється від біолюмінесценції, коли тварини виділяють власне світло шляхом хімічних реакцій. Кольори та світло можуть допомогти тваринам знайти один одного, приваблювати здобич або ховатися від хижаків. Один з використовуваних пігментів називається GFP, скорочено від green fluorescent protein – зелений флуоресцентний протеїн. Дослідники використовують цю молекулу протягом багатьох років для різних цілей. За допомогою цього протеїну можна виділити певні клітини в тканинах з широкого кола організмів. Його можна використовувати для позначення молекул під час хімічних реакцій або для відстежування їх рухів всередині клітин. В одному дослідженні цей пігмент навіть використовувався для позначення хутра кішок, які є носіями важливого гена. У темряві ці кішки дійсно світилися зеленим.

Однак вчені прагнули працювати з більшою кількістю кольорів. GFP вперше було виявлено у медузах. Отже, перша місія Грубера полягала в тому, щоб знайти іншу морську істоту, яка б сяяла червоним. Разом з дайвером-нейробіологом Грубер вирушив до Великого бар’єрного рифу. Там команда плавала зі спеціальними лампами, щоб визначити флуоресценцію. Знайшовши необхідне, науковці брали крихітний зразок. Повернувшись до лабораторії, Грувер виділяв ДНК і шукав у генах організму барвник з кольором. Згодом ці гени використовувались для відновлення цього білка у лабораторії. Грувер аналізував механізм роботи. Під час тієї подорожі до Австралії вчені виявили морські анемони з новим для науки червоним протеїном. У лабораторії Грубер та його дослідницька група перетворили червоне сіяння на простий тест для потенційних ліків проти раку. Ракові клітини позначаються цим протеїном. Коли ракові клітини активні, вони флуоресціюють червоним кольором. Якщо якийсь препарат зупиняє ці клітини від утворення нових білків, сяйво зникає.

Під час іншої подорожі на Багамах команда Грубера зустрілася з невеликим вугром, який світився зеленим. Як з’ясувалося, сяйво вугра спричинено новою родиною флуоресцентних протеїнів, які абсолютно відрізняються від GFP. Все звучить просто лише на словах, але, щоб з’ясувати, як працює той чи інший колір потрібні роки досліджень.

Флуорисцентний зелений вугор (справа внизу)

Зовсім недавно Грубера очікував ще один сюрприз під час занурення на Соломонових островах. На світло його ліхтаря приплила морська черепаха бісса. Вперше камери Грубера помітили зелений та червоний флуоресцентний візерунок на панцирі черепахи. Він лише починає розшифрувати те, які хімічні речовини використовує тварина. Загалом, Груберу не бракує барвистих загадок, які варто розгадати. Він також хоче зрозуміти, як морські істоти бачать одна одну. Що насправді бачить морська черепаха?

Науковець говорить: «Мене ніби запросили на психоделічну вечірку. Мені так пощастило бути вченим, який одягає гідрокостюм і проводить безліч часу під водою. Мені подобається думати про те, як використовувати технології не лише для медицини, а й для наближення до природи».

БІЛЬШЕ ЦІКАВОГО:

Джерело: Science News for Students, переклад підготувала Ірина Гоял, спеціально для «Блог Imena.UA»